JP4641104B2 - Semiconductor photodetection device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、PINホトダイオードを備えた半導体光検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、ホトダイオードと他の半導体素子とを同一半導体基板内に集積化してなる半導体光検出装置が知られている。特許283914号公報に記載の半導体光検出装置は、PINホトダイオードとNPNバイポーラトランジスタとを同一半導体基板内に集積してなる。
【0003】
上記PINホトダイオードは、P型半導体基板の表面にN型埋込拡散層を形成し、この上に低濃度P型エピタキシャル半導体層を形成し、当該P型エピタキシャル半導体層の表面に高濃度P型拡散層を形成してなる。このN型埋込拡散層の表面領域内における周囲には、素子分離用の高濃度N型半導体層が連続して形成され、この高濃度N型半導体層は基板表面に向かって延びており、N型埋込拡散層と共に全体としてウエル状のN型分離領域を構成している。なお、複数の層を形成することによって最終的に得られる半導体基板の表面を単に基板表面と呼称する。
【0004】
上記NPNバイポーラトランジスタは、PINホトダイオードの隣に形成されている。このNPNバイポーラトランジスタは、そのN型半導体領域をコレクタ領域とし、その内側にP型のベース領域及びN型のエミッタ領域を形成してなる。N型のコレクタ領域の下側には高濃度N型埋込拡散層が形成されており、これに対して基板厚み方向に連続した高濃度N型半導体層を介して、コレクタ電位が基板表面側に導かれる。
【0005】
以上のNPNバイポーラトランジスタはP型半導体領域内に形成されている。このP型半導体領域は、NPNバイポーラトランジスタとP型半導体基板との間に介在するP型埋込拡散層と、P型埋込拡散層の表面領域における周囲を取り囲み、ここから基板表面に向けて延びた素子分離用の高濃度P型半導体層とからなる。すなわち、これらのP型埋込拡散層と素子分離用の高濃度P型半導体層とは全体としてウエル状のP型分離領域を構成している。
【0006】
すなわち、PINホトダイオードは、そのN型層(N型埋込拡散層)をウエル状のN型分離領域と共通とするものの、全体としては当該ウエル状のN型分離領域内に形成されており、NPNバイポーラトランジスタはウエル状のP型分離領域内に形成されている。また、ウエル状のN型分離領域とウエル状のP型分離領域との間にはN型層が介在している。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記半導体光検出装置においては、高濃度の素子分離領域がトランジスタに密着しているため、その寄生容量が増加し、応答速度を向上させることができない。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、応答速度を向上可能な構造を有する半導体光検出装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明に係る半導体光検出装置は、P型の高抵抗のエピタキシャル半導体層をN型及びP型半導体層で縦方向に挟んでなると共に第1領域内に形成されたPINホトダイオードと、前記第1領域とは異なる第2領域内の前記エピタキシャル半導体層の表面側の不純物濃度を増加させることにより前記第2領域内に形成されたP型不純物ドープ領域と、前記P型不純物ドープ領域内に形成されたトランジスタと、前記PINホトダイオードを横方向に囲むN型のカソード領域とを備える半導体光検出装置において、前記PINホトダイオードと前記トランジスタとの間の前記エピタキシャル半導体層内に、前記PINホトダイオード及び前記トランジスタ方向から横方向に延びる空乏層の広がりを抑制するP型の隔離領域を設け、前記隔離領域と前記PINホトダイオード及び前記トランジスタとの間には前記エピタキシャル半導体層が一部分残っていることを特徴とする。
【0009】
本装置においては、隔離領域とPINホトダイオード及びトランジスタとの間にP型高抵抗のエピタキシャル半導体層が一部分残っているので、隔離領域及びPINホトダイオードから広がる空乏層によって形成される寄生容量は低減されることとなり、これらの応答速度を向上させることができる。
【0010】
また、上記トランジスタは、P型の前記P型不純物ドープ領域をコレクタ領域とし、このコレクタ領域の内側にN型のベース領域及びP型のエミッタ領域が形成されてなる縦型PNPバイポーラトランジスタであり、前記PNPバイポーラトランジスタの前記コレクタ領域はN型の分離領域によって周囲が囲まれ、N型埋め込み層によって底面を囲まれている。
【0011】
この場合、N型のベース領域とP型不純物ドープ領域(縦型PNPトランジスタコレクタ領域)の界面から広がる空乏層は、分離領域によって、その広がりが抑制されて隣接素子との間のパンチスルーが防止される。トランジスタと分離領域の間には低濃度のエピタキシャル半導体層が残留している場合には、基板と素子間の接合容量を低減することができる。
【0012】
P型不純物ドープ領域内にN型のウエル領域が形成され、前記トランジスタは、このN型のウエル領域の一部分をベース領域とし、N型の前記ウエル領域内であって、そのベース領域の横方向両側にそれぞれP型のエミッタ領域及びP型のコレクタ領域が形成されてなる横型PNPバイポーラトランジスタであることとしてもよい。
【0013】
P型不純物ドープ領域内にN型のウエル領域が形成され、前記トランジスタは、N型の前記ウエル領域をコレクタ領域とし、このコレクタ領域の内側にP型のベース領域及びN型のエミッタ領域が形成されてなる縦型NPNバイポーラトランジスタであることとしてもよい。
【0014】
上記トランジスタは、P型不純物ドープ領域内に形成されたMOS型トランジスタであることとしてもよい。
【0015】
また、本発明の半導体光検出装置が縦型PNPトランジスタを備える場合において、上記隔離領域は、P型高抵抗エピタキシャル半導体層がその上に形成される半導体基板とP型高抵抗エピタキシャル半導体層との界面から、P型高抵抗エピタキシャル半導体層及び半導体基板双方内にP型の不純物を拡散することによって形成されると共に前記P型不純物ドープ領域内に到達しており、前記界面からP型の不純物を前記双方内に拡散することによって隔離領域と同時に形成されるP型埋込半導体層が上記コレクタ領域に到達していることが好ましい。
【0016】
この場合、隔離領域とP型埋込半導体層の不純物濃度は同一となる。P型埋込半導体層はトランジスタのコレクタ寄生抵抗を低下させ、電流増幅率を高め、高速動作を可能にする。
【0017】
また、本発明の半導体光検出装置が縦型PNPトランジスタを備える場合において、前記P型のエピタキシャル半導体層は、積層された下部及び上部エピタキシャル半導体層からなり、前記隔離領域は、前記上部エピタキシャル半導体層及び前記下部エピタキシャル半導体層の間の境界面から前記上部エピタキシャル半導体層及び前記下部エピタキシャル半導体層内にP型の不純物を拡散することによって形成されると共に前記P型不純物ドープ領域内に到達しており、前記境界面から前記P型の不純物を拡散することによって前記隔離領域と異なる期間に形成される高濃度のP型埋込半導体層が前記縦型PNPバイポーラトランジスタの前記コレクタ領域に到達していることを特徴とする。
【0018】
この場合、隔離領域と縦型PNPトランジスタコレクタ用P型埋込半導体層の不純物濃度は異なり、縦型PNPトランジスタコレクタ用P型埋込半導体層はトランジスタのコレクタ寄生抵抗を低減し縦型PNPトランジスタの電流増幅率を上げて高速動作可能な構造を目指す観点から、縦型PNPトランジスタコレクタ用P型埋込半導体層の不純物濃度は隔離領域よりも高く設定される。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に係る半導体光検出装置について説明する。同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【0020】
図1は実施の形態に係る半導体光検出装置の縦断面図である。なお、各半導体に接続される電極及び保護膜は、その記載を省略してある。
【0021】
本装置においては、P型半導体基板1の表面領域における第1領域R1内の全域、及び第1領域R1を取り囲む第2領域R2の一部領域内にN型埋込半導体層(第3半導体縦型PNP素子分離領域の下部:以下、N+層)2が形成されている。また、P型半導体基板1の表面領域における第1領域R1と第2領域R2の境界近傍、及び第2領域R2内の特定領域にP型埋込半導体層(第2半導体素子隔離領域(隔離領域):以下、P層)3が形成されている。
【0022】
なお、この半導体光検出装置は、半導体としてSiを用いるものであり、「高濃度」とは不純物濃度が1×1018/cm3程度以上のことであって、図面内においては「+」を導電型に付けて示し、「低濃度」とは不純物濃度が1×1015/cm3程度以下であって図面内では「−」を導電型に付けて示すものとする。また、「縦方向」とは半導体基板1の厚み方向であり、「横方向」とは縦方向に直交する方向を意味するものとする。
【0023】
まず、第1領域R1について説明する。埋込半導体層2,3が形成された半導体基板1の表面上には、低濃度P型エピタキシャル半導体層4が形成されている。エピタキシャル半導体層4の第1領域R1における表面領域には高濃度P型半導体層(以下、P+層)10が形成されており、第1領域R1内を縦方向に連続するN+層(カソード)2、エピタキシャル半導体層4及びP+層(アノード)10は、PINホトダイオードを構成している。N+層2には基板表面側に向かってN型半導体からなる第1半導体素子隔離領域(カソード領域)6が、PINホトダイオードPDを横方向に囲むように接続されている。
【0024】
N型の第1半導体フォトダイオード周辺カソード領域6は、エピタキシャル半導体層4よりも不純物濃度が高く、N+層2へバイアス電位を伝達すると共に、P型の高抵抗エピタキシャル半導体層4の空乏化を促進している。
【0025】
次に、第2領域R2について説明する。第2領域R2におけるエピタキシャル半導体層4の表面側にはP型不純物ドープ領域5が形成されている。P型不純物ドープ領域5内にはトランジスタT2を形成する。トランジスタT2はPN接合を有するので、この接合界面から空乏層が横方向にも拡散する。
【0026】
予め半導体基板1側に形成しておいたP層3は、熱処理により縦方向に拡散することによって、トランジスタT2或いはP型不純物ドープ領域5に隣接するPN接合界面から広がる空乏層の横方向の広がりを抑制し、当該空乏層の横方向へのパンチスルーを抑制する。P層3とトランジスタT2との間には、低濃度のP型エピタキシャル半導体層4が一部位置し、P層3はトランジスタT2に直接接触していないので、これらの間の寄生容量を低減してトランジスタT2の応答速度を向上させることができる。
【0027】
また、PINホトダイオードPDとP層3との間にもP型高抵抗エピタキシャル半導体層4が介在しているので、これらの間の寄生容量を低減してPINホトダイオードPDの応答速度を向上させることができる。
【0028】
P型不純物ドープ領域5内の特定位置には、P型不純物ドープ領域5を介在させてトランジスタT2から離隔したN型の半導体層(第3半導体素子隔離領域の上部、N型ウエル領域)6が設けられている。本例においては、このN型の半導体層6内にトランジスタT2が形成されているが、トランジスタが縦型PNPバイポーラトランジスタである場合には、これはP型不純物ドープ領域5内の半導体層6から外れた位置に形成される。
【0029】
N型の半導体層6は、予めP型の半導体基板1内に形成しておいたN+層2に連続しており、トランジスタT2から発生する空乏層の横方向の広がりを更に抑制する。もちろん、N型の第3半導体素子分離領域2,6とP型の半導体基板1及びP型不純物ドープ領域5との間にはPN接合が形成されており、ここから横方向に広がる空乏層は高濃度のP層3によって阻止されている。
【0030】
PINホトダイオードPDとトランジスタT2は図示しない配線によって接続されており、本装置の使用時においては、PINホトダイオードPDに逆バイアス電圧を印加すると共に、PINホトダイオードPDの出力電流はトランジスタT2などで構成されるプリアンプによって増幅する。プリアンプには、T1,T2,T3のバイポーラトランジスタ及び/又はT4の電界効果トランジスタを用いることができる。
【0031】
次に、本装置の製造方法について説明する。本装置は、以下の工程(1)〜(12)を順番に行うことによって製造される。
【0032】
(1)P型半導体基板1を用意する。
【0033】
(2)N+層2の形成予定領域が開口したマスクを半導体基板1の表面上に形成する。なお、本工程或いは以下の工程においても、マスクの形成は通常のホトリソグラフィ技術を用いて行う。
【0034】
(3)N+層2の形成予定領域内の半導体基板1表面層内にN型不純物を添加する。この添加工程及び以下のN型不純物の添加工程においては、拡散法又はイオン注入法を用いることができる。また、本工程及び以下の工程において、N型不純物として添加する不純物は「Sb(アンチモン)」を用いる。なお、不純物の添加によって、当該表層領域の導電型は反転する。
【0035】
(4)P層3の形成予定領域が開口したマスクを半導体基板1の表面上に形成する。
【0036】
(5)P層3の形成予定領域内の半導体基板1表面層内にP型不純物を添加する。この添加工程及び以下のP型不純物の添加工程においては、拡散法又はイオン注入法を用いることができる。本工程及び以下の工程において、P型不純物として添加する不純物は「B(ボロン)」を用いる。
【0037】
(6)工程(5)の後又は工程(3)及び(5)それぞれの後に、半導体基板1のアニールを行い、添加された不純物を活性化させる。
【0038】
(7)P型のエピタキシャル半導体層4を半導体基板1の表面上に成長させる。エピタキシャル層の不純物濃度は、極性が安定に維持する範囲で可能な限り低濃度が望ましく、1×1015/cm2以下にする。
【0039】
(8)PINホトダイオードPDが形成される予定の第1領域R1を被覆すると共に第2領域R2が開口したマスクを、エピタキシャル半導体層4上に形成し、第2領域R2内の表層領域内にP型不純物を添加し、P型ウエル領域5を形成する。
【0040】
(9)素子分離領域6の形成予定領域が開口したマスクを、エピタキシャル半導体層4上に形成し、当該形成予定領域内にN型不純物を添加し、素子分離領域6を形成する。
【0041】
(10)工程(8)の後又は工程(8)及び(9)のそれぞれの後に、半導体基板1のアニールを行い、添加された不純物を活性化させる。
【0042】
(11)P+層(アノード)10の形成予定領域が開口したマスクをP型高抵抗エピタキシャル半導体層4上に形成し、当該形成予定領域内にP型不純物を添加し、P+層10を形成する。また、縦型PNPトランジスタは通常の形成方法に従って、P型不純物ドープ領域内にトランジスタを形成する。なお、縦型PNPトランジスタ以外のトランジスタT2はN型層6内に形成する。
【0043】
(12)半導体基板1のアニールを行い、添加された不純物を活性化させ、しかる後、図示しない保護膜及び電極を形成することにより、本装置が完成する。
【0044】
なお、上述の複数回のアニールによって、P型不純物ドープ領域5及びP層3は縦方向に拡散し、連続することとなる。また、上述の複数回のアニールによって、N型半導体層6及びN+層2も縦方向に拡散し、連続することとなる。
【0045】
以上、説明したように、上記半導体光検出装置は、P型のエピタキシャル半導体層4をN型及びP型半導体層2,10で縦方向に挟んでなると共に第1領域R1内に形成されたPINホトダイオードPDと、この第1領域R1とは異なる第2領域R2内のエピタキシャル半導体層4の表面側の不純物濃度を増加させることにより第2領域R2内に形成されたP型不純物ドープ領域5と、このP型不純物ドープ領域5内、特にN型半導体層6内に形成されたトランジスタT2と、上記PINホトダイオードPDを横方向に囲む、N型の第1半導体フォトダイオード周辺カソード領域6とを備える半導体光検出装置において、PINホトダイオードPDとトランジスタT2との間のエピタキシャル半導体層4内に、PINホトダイオードPD及びトランジスタT2方向から横方向に延びる空乏層の広がりを抑制するP型の第2半導体素子隔離領域3を設け、第2半導体素子隔離領域3とPINホトダイオードPD及びトランジスタT2との間にはエピタキシャル半導体層4が一部分残っている。
【0046】
ここで、隔離領域3はPN接合分離を意味するものではなく、高抵抗部分の空乏層の広がりを抑制するために低濃度層の中に不純物濃度を高めた領域を意味し、電源電圧を印加してもパンチスルーが発生しない程度の中程度(1x1015/cm3)以上の不純物濃度層である。
【0047】
本装置においては、第2半導体素子隔離領域3とPINホトダイオードPD及びトランジスタT2との間にP型高抵抗エピタキシャル半導体層4が一部分残っているので、第2半導体素子隔離領域3及びPINホトダイオードPDから広がる空乏層によって形成される寄生容量は低減されることとなり、これらの応答速度を向上させることができる。
【0048】
本例においては、トランジスタT2は、N型の半導体層6内に形成されているが、トランジスタT2に代えて、P型不純物ドープ領域5内の半導体層6から外れた位置に形成されるトランジスタ(T1:図2参照)を用いる場合には、P型不純物ドープ領域5をコレクタ領域とし、このコレクタ領域5の内側にN型のベース領域及びP型のエミッタ領域が形成されてなる縦型PNPバイポーラトランジスタであることが好ましく、このPNPバイポーラトランジスタのコレクタ領域はN型の第3半導体縦型PNP素子分離領域6,2によって横方向に囲まれることとなる。
【0049】
この場合、縦型PNPトランジスタコレクタ領域と第3半導体縦型PNP素子分離領域6,2との間には低濃度のエピタキシャル半導体層4が残留しているので、これらの間の寄生容量を低減することができる。なお、同図に示されるP型高抵抗エピタキシャル半導体層4は1層であるが、これは2層以上であってもよい。
【0050】
図2は図1に示した半導体光検出装置の更に好適な例を示す当該装置の縦断面図である。
【0051】
本装置の基本構造は図1に示したものと略同一であるので、本装置の製造方法と共に、その構造について説明する。
【0052】
本装置は、PINホトダイオードPD、縦型PNPバイポーラトランジスタT1、縦型NPNトランジスタT2を同一半導体基板1上に形成したものである。PINホトダイオードPDの構造は、アノード領域10の表面中心領域の不純物濃度が周囲よりも低い以外は、図1のものと同一である。
【0053】
なお、図2に示す半導体光検出装置において、各半導体の伝導型及び不純物濃度は以下に示す通りであり、これらの不純物濃度の大小関係は以下から一意的に決定される。また、これらの濃度は、各層が不純物の添加によって形成されている場合にはピーク濃度を示すものであり、これは基板表面側に位置する層に関しては表面ピーク濃度に一致する。
【0054】
【表1】
【0055】
図1に示したトランジスタT2を縦型NPNバイポーラトランジスタとする。また、これに隣接するトランジスタT1を縦型PNPバイポーラトランジスタT1とする。トランジスタT1の形成領域においては、P型ウエル領域5をコレクタ領域T1Cとし、この表面層内にN型不純物を添加することにより、ベース領域T1Bとなる高濃度N型半導体層を形成し、さらにこの内側にP型不純物を添加することにより、エミッタ領域T1Eとなる高濃度P型半導体層を形成する。また、当該トランジスタの形成領域においては、図1に示したp層3は、縦方向に延びるP+層3とされ、P+層3は基板1とP型ウエル領域5との界面において、N+層2によって上下に分断されている。
【0056】
縦型PNPバイポーラトランジスタT1に隣接して、縦型NPNバイポーラトランジスタT2が形成されている。当該トランジスタの形成領域においては、P型不純物ドープ領域5内に下部のN+層2に連続するようなN型のウエル領域6を形成し、このN型ウエル領域6をコレクタ領域T2Cとし、この表面層内にP型不純物を添加することにより、ベース領域T2Bとなる高濃度P型半導体層を形成し、さらにこの内側にN型不純物を添加することにより、エミッタ領域T2Eとなる高濃度N型半導体層を形成する。
【0057】
なお、基板表面はSiO2からなる保護膜(酸化膜)PRCTによって被覆されており、保護膜PRCTに設けられたスルーホールを介して、上記各半導体層に接続される複数の電極eが図示の如く設けられ、各電極eの直下には、その下の半導体層とのオーミック接触をとるための高濃度半導体層EP,ENが設けられている。
【0058】
また、本実施形態の半導体光検出器においては、縦型PNPトランジスタT1の形成領域内及び近傍において、その周囲を囲むように位置する第2半導体素子隔離領域3は、P型高抵抗エピタキシャル半導体層4がその上に形成される半導体基板1とP型高抵抗エピタキシャル半導体層4の間の界面から、エピタキシャル半導体層4及び半導体基板1双方内にP型の不純物を拡散することによって形成されると共にP型不純物ドープ領域5内に到達しており、前記界面からP型の不純物を前記双方内に拡散することによってトランジスタT1の周囲に位置する第2半導体素子隔離領域3と同時に形成されるトランジスタT1の形成領域内のP型埋込半導体層3が、縦型PNPトランジスタコレクタ領域T1Cに到達している。
【0059】
この場合、トランジスタT1の周囲に位置する第2半導体素子隔離領域3とトランジスタT1の形成領域内に位置するP型埋込半導体層3の不純物濃度は同一となる。このP型埋込半導体層3はトランジスタのコレクタ寄生抵抗を低下させ、電流増幅率を高め、高速動作を可能にする。
【0060】
本例においては、エピタキシャル半導体層4は一層であるが、これは2層以上であってもよい。以下、このような例について説明する。
【0061】
図3は図1に示した半導体光検出装置の更に好適な別の例を示す当該装置の縦断面図である。
【0062】
本装置の基本構造は図1に示したものと略同一であるので、本装置の製造方法と共に、その構造について説明する。
【0063】
本装置は、PINホトダイオードPDに加えて、縦型PNPバイポーラトランジスタT1、縦型NPNトランジスタT2、横型PNPトランジスタT3、CMOSトランジスタT4を同一の半導体基板1上に形成したものである。
【0064】
本装置は、PINホトダイオードPDの形成される領域及び縦型PNPバイポーラトランジスタT1の形成される領域以外の領域は、上述の装置の半導体基板1を、低濃度のP型半導体基板1’及び当該基板1’上に成長させた低濃度のP型エピタキシャル半導体層4からなるものとして読み替えたものである。
【0065】
なお、PINホトダイオードPDの形成される領域及び縦型PNPバイポーラトランジスタT1の形成される領域においては、このような読み替えを行わない。まず、これらの領域について説明する。なお、括弧内の符号は、読み替えを行った場合の要素について示す。
【0066】
まず、半導体基板1の表層にN型不純物を添加し、N+層2を形成する。次に、半導体基板1上に下部のエピタキシャル半導体層4(1)を成長させる。更に、このエピタキシャル半導体層4(1)の表面から深部に延び、最終的な拡散によってN+層2に到達するN型半導体層6をN型不純物の添加によって形成する。更に、P層3と、最終的には上記N型半導体層6に接続される高濃度のN+層6(2)とを、P型高抵抗エピタキシャル半導体層4(1)の表面層内に形成する。
【0067】
続いて、上部のP型高抵抗エピタキシャル半導体層4を、下部のP型高抵抗エピタキシャル半導体層4(1)上に形成する。次に、上部のエピタキシャル半導体層4の第2領域R2内にP型不純物ドープ領域5を形成する。このP型不純物ドープ領域5のPNPバイポーラトランジスタT1形成予定領域内の表面層内に、N型不純物を添加し、ベース領域となるN型半導体層T1Bを形成する。しかる後、N型半導体層T1B内に、P型不純物を添加し、エミッタ領域となるP型半導体層T1Eを形成する。なお、ベース領域となるN型半導体層T1Bの周囲に位置するP型不純物ドープ領域5は、このトランジスタのコレクタ領域として機能し、P型不純物ドープ領域5の当該コレクタ領域部分には高濃度のP型電極層EPが接続されている。
【0068】
このP型電極層EPは、エピタキシャル半導体層4の表面層内に形成されるP+層(アノード)、及びPINホトダイオードPDとトランジスタT1との間のP型不純物ドープ領域内に位置する別のP型電極層EPと同時に形成されるが、この形成は、これらの領域にP型不純物を添加し、基板をアニールすることによって行われる。
【0069】
以上の工程に用いられるアニール処理によって、第1領域R1内のN型層2、6、6(2)が縦方向に連続することとなり、他の領域のP型層3が基板1に到達することとなる。なお、PNPバイポーラトランジスタT1の直下に位置するP+層3は、他の領域に形成されたP層3よりも不純物濃度が高く、且つ拡散の深さが浅く、これらは別工程で形成される。
【0070】
次に、図1に示した装置の半導体基板1を、低濃度のP型半導体基板1’及び当該基板1’上に成長させた低濃度のP型エピタキシャル半導体層4からなるものとして読み替えた場合の構造、すなわち、トランジスタT2、T3、T4の形成について説明する。
【0071】
この場合、半導体基板1が既に形成されているので、N+層2、P層3を各機能素子間に形成し、しかる後、上部のエピタキシャル半導体層4を半導体基板1上に形成し、次に、P型不純物ドープ領域5を形成する。P型不純物ドープ領域5内においては、N+層2上に重なるように、N層(N型ウエル領域)6を形成する。
【0072】
縦型NPNバイポーラトランジスタT2の形成予定領域においては、このN型ウエル領域6をコレクタ領域T2Cとし、その内側にP型不純物を添加することにより、ベース領域となるP型半導体層T2Bを形成し、更に、その内側にN型不純物を添加することにより、エミッタ領域となるN型半導体層T2Eを形成する。なお、N型のコレクタ領域T2Cには、N型不純物を更に添加することにより形成された高濃度のN型電極層ENが接続されている。なお、エミッタ領域T2Eにはポリシリコンからなるエミッタ電極T2Eeが設けられている。
【0073】
すなわち、縦型NPNバイポーラトランジスタの形成領域においては、P型不純物ドープ領域5内にN型のウエル領域6が形成され、図1に示したトランジスタT2は、N型のウエル領域6をコレクタ領域T2Cとし、このコレクタ領域T2Cの内側にP型のベース領域T2B及びN型のエミッタ領域T2Eが形成されてなる縦型NPNバイポーラトランジスタT2である。このトランジスタT2においても、そのP型層とN型層との界面から広がる空乏層は上記半導体素子隔離領域の少なくとも1つによって、隣接素子への広がりが抑制される。
【0074】
横型バイポーラトランジスタT3の形成予定領域においては、N型ウエル領域6の一部分をベース領域T3Bとし、その横方向両側にP型不純物を添加することにより、エミッタ領域及びコレクタ領域となるP型半導体層T3E,T3Cを形成し、N型ウエル領域6内に、高濃度にN型不純物を添加することにより、ベース領域T3Bに接続されたN型電極層ENを形成する。
【0075】
横型バイポーラトランジスタの形成領域においては、P型不純物ドープ領域5内にN型のウエル領域6が形成されており、図1に示したトランジスタT2は、このN型のウエル領域6の一部分をベース領域T3Bとし、N型のウエル領域6内であって、そのベース領域の横方向両側にそれぞれP型のエミッタ領域T3E及びP型のコレクタ領域T3Cが形成されてなる横型PNPバイポーラトランジスタに置換したものである。
【0076】
また、図1に示したトランジスタT2は、P型不純物ドープ領域5内に形成されたMOS型トランジスタT4に置換してもよい。すなわち、CMOSトランジスタT4の形成領域においては、N型ウエル領域6を、直下のN+層2の一部領域のみ上に重なるように形成しており、N+層2上のN型ウエル領域6内においてはPチャネルMOSトランジスタ、P型不純物ドープ領域5内においてはNチャネルMOSトランジスタが形成される。
【0077】
上記PチャネルMOSトランジスタは、N型ウエル領域6内の表面層の離隔した2箇所にP型不純物を添加することにより、そのソース領域及びゲート領域を構成するP型半導体領域T4S1,T4D1を形成し、N型ウエル領域6内の所定箇所にN型不純物を添加することにより、チャネル層の電位を制御するためのN型半導体領域T4C1を形成する。
【0078】
上記NチャネルMOSトランジスタは、P型不純物ドープ領域5内の表面層の離隔した2箇所にN型不純物を添加することにより、そのソース領域及びゲート領域を構成するN型半導体領域T4S2,T4D2を形成し、P型不純物ドープ領域5内の所定箇所にP型不純物を添加することにより、チャネル層の電位を制御するためのP型半導体領域T4C2を形成する。
【0079】
なお、上記MOSトランジスタのそれぞれのチャネル層上には絶縁層を介してポリシリコンからなるゲート電極T4G1,T4G2が配置される。また、基板表面全体はSiO2からなる保護膜PRCTによって被覆されており、保護膜PRCTに設けられたスルーホールを介して、上記各半導体層に接続される複数の電極eが図示の如く設けられ、各電極eの直下には、その下の半導体層とのオーミック接触をとるための高濃度半導体層EP,ENが設けられている。また、これらの電極を介して、上述のバイポーラトランジスタとCMOSトランジスタは、PINホトダイオードPDの出力を増幅するBi−CMOSトランジスタ集積回路を構成するように電気的に接続されている。なお、素子隔離用の半導体領域は対応する電極eを介してグランドに接続することができる。
【0080】
以上、説明したように、図3に示した装置は、図1に示した装置と同一の基本構成を有すると共に、複数種のトランジスタを基板内に備えている。
【0081】
なお、図3に示す半導体光検出装置において、各半導体の伝導型及び不純物濃度は以下に示す通りであり、これらの不純物濃度の大小関係は以下から一意的に決定される。また、これらの濃度は、各層が不純物の添加によって形成されている場合にはピーク濃度を示すものであり、これは基板表面側に位置する層に関しては表面ピーク濃度に一致する。
【0082】
【表2】
【0083】
更に、図1に示したトランジスタT2は、その位置と導電型を適当に設定することにより、図3においては、P型不純物ドープ領域5をコレクタ領域T1Cとし、このコレクタ領域5の内側にN型のベース領域T1B及びP型のエミッタ領域T1Eが形成されてなる縦型PNPバイポーラトランジスタT1に置換することができ、PNPバイポーラトランジスタT1のコレクタ領域T1CはN型の第3半導体縦型PNP素子分離領域2,6、6(2)によって横方向に囲まれている。
【0084】
この場合、縦型PNPトランジスタコレクタ領域T1と第3半導体素子隔離領域2,6、6(2)の間には低濃度のエピタキシャル半導体層4が残留しているので、これらの間の寄生容量を低減することができる。
【0085】
また、本実施形態の半導体光検出器は縦型PNPトランジスタT1を備えており、トランジスタT1の形成領域内及び近傍において、P型の高抵抗エピタキシャル半導体層4は、積層された下部及び上部エピタキシャル半導体層4(1),4からなり、トランジスタT1の周囲に位置する第2半導体素子隔離領域3は、上部及び下部P型高抵抗エピタキシャル半導体層4(1),4の間の界面から上部及び下部P型高抵抗エピタキシャル半導体層4(1),4双方内にP型の不純物を拡散することによって形成されると共にP型不純物ドープ領域5内に到達しており、前記界面から双方内にP型の不純物を拡散することによってトランジスタT1の周囲に位置する第2半導体素子隔離領域3と異なる期間に形成されるP型埋込半導体層(トランジスタT1の形成領域内部に位置するP+層)3がトランジスタT1のコレクタ領域T1Cに到達している。
【0086】
この場合、トランジスタT1の周囲に位置する第2半導体素子隔離領域3とトランジスタT1の形成領域内に位置するP型埋込半導体層3の不純物濃度は異なり、このP型埋込半導体層3はトランジスタのコレクタ寄生抵抗を低減し縦型PNPトランジスタの電流増幅率を上げて高速動作を可能にする観点から、このP型埋込半導体層3の不純物濃度は第2半導体素子隔離領域3よりも高く設定される。
次に、図3に示した構造の光半導体装置と従来の装置との比較を行う。
【0087】
図4は本装置と従来の装置との比較を行うための説明図である。図面の左半分が、トランジスタT2’を具備した従来の装置の断面構造を示し、右半分が実施形態に係るトランジスタT2を具備した装置の断面構造を示す。同図においては、本発明のP層3は縦方向に延びており、細部の構成については記載を省略する。
【0088】
図4(a)は正確に拡散が行われた場合、図4(b)は従来技術においてP基板との界面に位置するP型埋込層の拡散が不十分な場合(拡散距離をa,bで示す)、図4(c)は、この拡散が行き過ぎた場合の装置断面構造を示している。実施形態においては、P型不純物ドープ領域5の拡散が正確に行われた場合、不十分な場合、行き過ぎた場合を、それぞれ図4(a)、図4(b)、図4(c)において示す。
【0089】
拡散が不十分な場合、従来の装置においては縦方向に延びるP+層が埋め込まれたP層に到達せず、高抵抗層エピタキシャル層の隙間を空乏層が広がりパンチスルーして素子隔離をすることができないが、本実施形態の装置においては、P型不純物ドープ領域5の拡散が浅い場合においても、隔離層3の上部へのせり上がりがあるためP型ドープ層と容易につながり良好な素子隔離をすることができる。
【0090】
拡散が行き過ぎた場合、従来の装置においては埋め込まれたN+層が拡散したP層内に埋め込まれるため上部のN型エピ層と電気的に分離し、N+層が機能しなくなるが、本実施形態の装置においては、N+層は縦型NPNコレクタ埋め込み拡散領域として機能している。また、この構造の場合には、本実施形態の上側のP+層は省略することができる。
【0091】
以上、説明したように、トランジスタTの周囲をP型の素子隔離領域3で囲み、PINホトダイオードPDもN型のPD周辺カソード領域6で囲み、これらの間にP型の素子隔離領域3を介在させる。各素子のPN接合から広がる空乏層は素子隔離領域3によって抑制されるものの、PINホトダイオードPDにおけるP型高抵抗エピタキシャル半導体層4は低濃度であり、トランジスタT2の形成領域の周囲においても低濃度の半導体層4が残っているので、P型高抵抗エピタキシャル半導体層4内において空乏層が広がることで、素子間の寄生容量を小さくすることができ、全体の応答速度を向上させることができる。
【0092】
また、上述の実施形態に係る半導体光検出装置の利点について説明すると、本装置においては、トランジスタ分離のために、表面から基板若しくは同型の極性領域まで拡散する高濃度P型層(図4の従来装置におけるP+層)が不要となるので、分離に伴うトランジスタの占有面積を小さくすることができる。
【0093】
また、本装置においては、埋込用のP層3、ウエル用のP層を形成する場合において、P型不純物の拡散の制御精度が低い場合にも素子間分離を行うことができるので、集積回路設計の自由度を向上させることができ、生産の安定性を高めることができる。
【0094】
また、本装置においては、縦型PNPバイポーラトランジスタT1をPINホトダイオードPDと同時に形成することができる。すなわち、トランジスタT1を横方向に囲むN型の縦型PNP素子分離領域6と、PINホトダイオードPDの周辺カソード領域6は同一工程で形成することができ、また、トランジスタT1のエミッタ領域T1EはPINホトダイオードPDのアノード領域10等と同時に形成することができるので、製造時間を短縮することができる。
【0095】
また、エピタキシャル半導体層4は、1層又は2層以上とすることができる。
【0096】
更に、P型不純物ドープ領域5は深くまで拡散させる必要がないので、加熱に要するコストを削減することができ、また、長時間の熱処理に伴うN+層2の縦方向拡散を抑制することができる。
【0097】
また、P型不純物ドープ領域とP型の素子隔離領域3が縦方向に連続するように、これらの形成工程を分けてP型不純物を拡散させるので、全体の厚み、すなわち、エピタキシャル半導体層4の厚みを大きくすることができ、これにより、PINホトダイオードPDにおける光感応領域(吸収領域I層)4を広げ、検出感度を向上させることができる。
【0098】
また、低濃度のエピタキシャル半導体層4が設けられ、また、これは厚く設定できるので、各素子間の寄生容量(接合容量)、例えば、トランジスタのN型埋込層2の接合容量を低減することができる。
【0099】
【発明の効果】
本発明の半導体光検出装置によれば、応答速度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態に係る半導体光検出装置の縦断面図である。
【図2】図1に示した半導体光検出装置の更に好適な例を示す当該装置の縦断面図である。
【図3】図1に示した半導体光検出装置の更に好適な別の例を示す当該装置の縦断面図である。
【図4】本装置と従来の装置との比較を行うための説明図である。
【符号の説明】
1…半導体基板、2…N型埋込層、3…半導体素子隔離領域、4…エピタキシャル半導体層、5…P型不純物ドープ領域(縦型PNPトランジスタコレクタ領域)、6…PD周辺カソード領域(縦型PNP素子分離領域)、10…アノード領域、EN…高濃度N型電極層、EP…高濃度P型電極層、PD…PINホトダイオード、R1…第1領域、R2…第2領域、T…トランジスタ、T1…縦型PNPバイポーラトランジスタ、T1B…ベース領域、T1C…コレクタ領域、T1E…エミッタ領域、T2…縦型NPNバイポーラトランジスタ、T2B…ベース領域、T2C…コレクタ領域、T2E…エミッタ領域、T2Ee…エミッタ電極、T2´…従来例の縦型NPNバイポーラトランジスタ、T3…横型PNPバイポーラトランジスタ、T3B…ベース領域、T3C…コレクタ領域、T3E…エミッタ領域、T4…CMOSトランジスタ、T4G1,T4G2…ゲート電極、T4S1…ソース領域、T4D1…ドレイン領域、T4S2…ソース領域、T4D2…ドレイン領域、e…電極。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor photodetection device provided with a PIN photodiode.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a semiconductor photodetector device in which a photodiode and another semiconductor element are integrated on the same semiconductor substrate. The semiconductor photodetection device described in Japanese Patent No. 283914 is formed by integrating a PIN photodiode and an NPN bipolar transistor in the same semiconductor substrate.
[0003]
In the PIN photodiode, an N-type buried diffusion layer is formed on the surface of a P-type semiconductor substrate, a low-concentration P-type epitaxial semiconductor layer is formed thereon, and a high-concentration P-type diffusion is formed on the surface of the P-type epitaxial semiconductor layer. A layer is formed. A high-concentration N-type semiconductor layer for element isolation is continuously formed around the surface region of the N-type buried diffusion layer, and this high-concentration N-type semiconductor layer extends toward the substrate surface. A well-like N-type isolation region is formed as a whole together with the N-type buried diffusion layer. The surface of the semiconductor substrate finally obtained by forming a plurality of layers is simply referred to as the substrate surface.
[0004]
The NPN bipolar transistor is formed next to the PIN photodiode. This NPN bipolar transistor has an N-type semiconductor region as a collector region, and a P-type base region and an N-type emitter region formed therein. A high-concentration N-type buried diffusion layer is formed below the N-type collector region. On the other hand, through the high-concentration N-type semiconductor layer continuous in the substrate thickness direction, the collector potential is on the substrate surface side. Led to.
[0005]
The above NPN bipolar transistors are formed in the P-type semiconductor region. The P-type semiconductor region surrounds the P-type buried diffusion layer interposed between the NPN bipolar transistor and the P-type semiconductor substrate, and the periphery of the surface region of the P-type buried diffusion layer, from here toward the substrate surface. The extended high-concentration P-type semiconductor layer for element isolation. That is, the P-type buried diffusion layer and the high-concentration P-type semiconductor layer for element isolation constitute a well-shaped P-type isolation region as a whole.
[0006]
That is, the PIN photodiode is formed in the well-shaped N-type isolation region as a whole, although the N-type layer (N-type buried diffusion layer) is shared with the well-shaped N-type isolation region. The NPN bipolar transistor is formed in a well-shaped P-type isolation region. An N-type layer is interposed between the well-shaped N-type isolation region and the well-shaped P-type isolation region.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the semiconductor photodetection device, since the high-concentration element isolation region is in close contact with the transistor, the parasitic capacitance increases and the response speed cannot be improved. The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor photodetector device having a structure capable of improving the response speed.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, a semiconductor photodetector according to the present invention is formed in a first region while a P-type high-resistance epitaxial semiconductor layer is vertically sandwiched between N-type and P-type semiconductor layers. A PIN photodiode, a P-type impurity doped region formed in the second region by increasing the impurity concentration on the surface side of the epitaxial semiconductor layer in the second region different from the first region, and the P In a semiconductor photodetection device comprising a transistor formed in a doped impurity region and an N-type cathode region laterally surrounding the PIN photodiode, in the epitaxial semiconductor layer between the PIN photodiode and the transistor A P-type barrier that suppresses the spread of a depletion layer extending laterally from the PIN photodiode and the transistor direction. The area is provided, wherein between the isolation region and said PIN photodiode and said transistor, wherein said epitaxial semiconductor layer remains partially.
[0009]
In this device, since a part of the P-type high resistance epitaxial semiconductor layer remains between the isolation region and the PIN photodiode and the transistor, the parasitic capacitance formed by the depletion layer extending from the isolation region and the PIN photodiode is reduced. As a result, these response speeds can be improved.
[0010]
The transistor is a vertical PNP bipolar transistor in which the P-type P-type impurity doped region is used as a collector region, and an N-type base region and a P-type emitter region are formed inside the collector region. The collector region of the PNP bipolar transistor is surrounded by an N-type isolation region and surrounded by an N-type buried layer.
[0011]
In this case, the depletion layer extending from the interface between the N-type base region and the P-type impurity doped region (vertical PNP transistor collector region) is suppressed by the isolation region, thereby preventing punch-through between adjacent elements. Is done. When a low-concentration epitaxial semiconductor layer remains between the transistor and the isolation region, the junction capacitance between the substrate and the element can be reduced.
[0012]
An N-type well region is formed in the P-type impurity doped region, and the transistor has a part of the N-type well region as a base region, and is in the N-type well region in the lateral direction of the base region. It may be a lateral PNP bipolar transistor in which a P-type emitter region and a P-type collector region are formed on both sides, respectively.
[0013]
An N-type well region is formed in the P-type impurity doped region, and the transistor has the N-type well region as a collector region, and a P-type base region and an N-type emitter region are formed inside the collector region. It may be a vertical NPN bipolar transistor.
[0014]
The transistor may be a MOS transistor formed in a P-type impurity doped region.
[0015]
Also, the semiconductor photodetection of the present invention apparatus Is provided with a vertical PNP transistor, the isolation region has a P-type high-resistance epitaxial semiconductor from an interface between the semiconductor substrate on which the P-type high-resistance epitaxial semiconductor layer is formed and the P-type high-resistance epitaxial semiconductor layer. Formed by diffusing P-type impurities in both the layer and the semiconductor substrate and reaching the P-type impurity doped region, and isolating by diffusing P-type impurities into the both from the interface It is preferable that a P-type buried semiconductor layer formed simultaneously with the region reaches the collector region.
[0016]
In this case, the impurity concentration of the isolation region and the P-type buried semiconductor layer is the same. The P-type buried semiconductor layer reduces the collector parasitic resistance of the transistor, increases the current amplification factor, and enables high-speed operation.
[0017]
Also, the semiconductor photodetection of the present invention apparatus Is provided with a vertical PNP transistor, the P-type epitaxial semiconductor layer is composed of stacked lower and upper epitaxial semiconductor layers, and the isolation region is between the upper epitaxial semiconductor layer and the lower epitaxial semiconductor layer. It is formed by diffusing a P-type impurity from the boundary surface into the upper epitaxial semiconductor layer and the lower epitaxial semiconductor layer and reaches the P-type impurity doped region, and the P-type impurity from the boundary surface. A high-concentration P-type buried semiconductor layer formed in a different period from the isolation region by diffusing impurities reaches the collector region of the vertical PNP bipolar transistor.
[0018]
In this case, the impurity concentration of the isolation region and the P type buried semiconductor layer for the vertical PNP transistor collector is different, and the P type buried semiconductor layer for the vertical PNP transistor collector reduces the collector parasitic resistance of the transistor, and From the viewpoint of increasing the current amplification factor and aiming at a structure capable of high-speed operation, the impurity concentration of the P-type buried semiconductor layer for the vertical PNP transistor collector is set higher than that of the isolation region.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The semiconductor photodetection device according to the embodiment will be described below. The same reference numerals are used for the same elements, and redundant description is omitted.
[0020]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a semiconductor photodetection device according to an embodiment. Note that description of electrodes and protective films connected to each semiconductor is omitted.
[0021]
In this apparatus, an N-type buried semiconductor layer (third semiconductor vertical length) is formed in the entire region in the first region R1 in the surface region of the P-
[0022]
This semiconductor photodetection device uses Si as a semiconductor, and “high concentration” means an impurity concentration of 1 × 10 6. 18 / Cm Three In the drawing, “+” is attached to the conductivity type, and “low concentration” means an impurity concentration of 1 × 10 15 / Cm Three In the drawing, “−” is attached to the conductivity type and shown. Further, “vertical direction” is the thickness direction of the
[0023]
First, the first region R1 will be described. On the surface of the
[0024]
The N-type first semiconductor photodiode
[0025]
Next, the second region R2 will be described. A P-type impurity doped
[0026]
The
[0027]
In addition, since the P-type high-resistance
[0028]
At a specific position in the P-type impurity doped
[0029]
The N-
[0030]
The PIN photodiode PD and the transistor T2 are connected by a wiring (not shown). When this apparatus is used, a reverse bias voltage is applied to the PIN photodiode PD, and the output current of the PIN photodiode PD is constituted by the transistor T2 and the like. Amplified by preamplifier. For the preamplifier, a bipolar transistor of T1, T2, T3 and / or a field effect transistor of T4 can be used.
[0031]
Next, the manufacturing method of this apparatus is demonstrated. This device is manufactured by sequentially performing the following steps (1) to (12).
[0032]
(1) A P-
[0033]
(2) A mask in which a region where the N +
[0034]
(3) An N-type impurity is added into the surface layer of the
[0035]
(4) A mask having an opening in a region where the
[0036]
(5) A P-type impurity is added into the surface layer of the
[0037]
(6) After the step (5) or after each of the steps (3) and (5), the
[0038]
(7) A P-type
[0039]
(8) A mask that covers the first region R1 where the PIN photodiode PD is to be formed and is opened in the second region R2 is formed on the
[0040]
(9) A mask having a region in which the
[0041]
(10) After the step (8) or after each of the steps (8) and (9), the
[0042]
(11) A mask in which a region where the P + layer (anode) 10 is to be formed is opened is formed on the P-type high-resistance
[0043]
(12) The
[0044]
The P-type impurity doped
[0045]
As described above, the semiconductor photodetection device includes the P-type
[0046]
Here, the
[0047]
In this apparatus, since a part of the P-type high resistance
[0048]
In this example, the transistor T2 is formed in the N-
[0049]
In this case, since the low-concentration
[0050]
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the semiconductor photodetection device shown in FIG.
[0051]
Since the basic structure of the apparatus is substantially the same as that shown in FIG. 1, the structure of the apparatus will be described together with the manufacturing method of the apparatus.
[0052]
In this device, a PIN photodiode PD, a vertical PNP bipolar transistor T1, and a vertical NPN transistor T2 are formed on the
[0053]
In the semiconductor photodetector shown in FIG. 2, the conductivity type and impurity concentration of each semiconductor are as shown below, and the magnitude relationship between these impurity concentrations is uniquely determined from the following. These concentrations indicate peak concentrations when each layer is formed by addition of impurities, and this corresponds to the surface peak concentration for the layer located on the substrate surface side.
[0054]
[Table 1]
[0055]
The transistor T2 shown in FIG. 1 is a vertical NPN bipolar transistor. A transistor T1 adjacent to the transistor T1 is a vertical PNP bipolar transistor T1. In the formation region of the transistor T1, the P-
[0056]
A vertical NPN bipolar transistor T2 is formed adjacent to the vertical PNP bipolar transistor T1. In the transistor formation region, an N-
[0057]
The substrate surface is SiO 2 A plurality of electrodes e which are covered with a protective film (oxide film) PRCT made of and connected to each of the semiconductor layers through through holes provided in the protective film PRCT are provided as shown in the figure. Immediately below is a high-concentration semiconductor layer E for making ohmic contact with the underlying semiconductor layer. P , E N Is provided.
[0058]
Further, in the semiconductor photodetector of the present embodiment, the second semiconductor
[0059]
In this case, the impurity concentrations of the second semiconductor
[0060]
In this example, the
[0061]
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of another preferred example of the semiconductor photodetector shown in FIG.
[0062]
Since the basic structure of the apparatus is substantially the same as that shown in FIG. 1, the structure of the apparatus will be described together with the manufacturing method of the apparatus.
[0063]
In this device, in addition to a PIN photodiode PD, a vertical PNP bipolar transistor T1, a vertical NPN transistor T2, a horizontal PNP transistor T3, and a CMOS transistor T4 are formed on the
[0064]
In this device, the region other than the region where the PIN photodiode PD is formed and the region where the vertical PNP bipolar transistor T1 is formed is the same as the
[0065]
Note that such reading is not performed in a region where the PIN photodiode PD is formed and a region where the vertical PNP bipolar transistor T1 is formed. First, these areas will be described. In addition, the code | symbol in parenthesis shows about the element at the time of replacing.
[0066]
First, an N-type impurity is added to the surface layer of the
[0067]
Subsequently, the upper P-type high-resistance
[0068]
This P-type electrode layer E P Is a P + layer (anode) formed in the surface layer of the
[0069]
By the annealing process used in the above steps, the N-
[0070]
Next, when the
[0071]
In this case, since the
[0072]
In the region where the vertical NPN bipolar transistor T2 is to be formed, this N-
[0073]
That is, in the formation region of the vertical NPN bipolar transistor, an N-
[0074]
In the region where the lateral bipolar transistor T3 is to be formed, a part of the N-
[0075]
In the formation region of the lateral bipolar transistor, an N-
[0076]
The transistor T2 shown in FIG. 1 may be replaced with a MOS transistor T4 formed in the P-type impurity doped
[0077]
In the P-channel MOS transistor, a P-type semiconductor region T4 constituting a source region and a gate region is formed by adding a P-type impurity to two spaced apart portions of the surface layer in the N-
[0078]
In the N-channel MOS transistor, an N-type semiconductor region T4 constituting a source region and a gate region is formed by adding an N-type impurity to two spaced apart portions of the surface layer in the P-type impurity doped
[0079]
A gate electrode T4G made of polysilicon is formed on each channel layer of the MOS transistor via an insulating layer. 1 , T4G 2 Is placed. The entire substrate surface is SiO 2 A plurality of electrodes e connected to each of the semiconductor layers through through-holes provided in the protective film PRCT are provided as shown in the figure, and directly below each electrode e. High-concentration semiconductor layer E for making ohmic contact with the underlying semiconductor layer P , E N Is provided. Further, the bipolar transistor and the CMOS transistor described above are electrically connected via these electrodes so as to constitute a Bi-CMOS transistor integrated circuit that amplifies the output of the PIN photodiode PD. The semiconductor region for element isolation can be connected to the ground via the corresponding electrode e.
[0080]
As described above, the device shown in FIG. 3 has the same basic configuration as the device shown in FIG. 1 and includes a plurality of types of transistors in the substrate.
[0081]
In the semiconductor photodetector shown in FIG. 3, the conductivity type and impurity concentration of each semiconductor are as shown below, and the magnitude relationship between these impurity concentrations is uniquely determined from the following. These concentrations indicate peak concentrations when each layer is formed by addition of impurities, and this corresponds to the surface peak concentration for the layer located on the substrate surface side.
[0082]
[Table 2]
[0083]
Further, the transistor T2 shown in FIG. 1 has a P-type impurity doped
[0084]
In this case, since the low-concentration
[0085]
In addition, the semiconductor photodetector of this embodiment includes a vertical PNP transistor T1, and the P-type high-resistance
[0086]
In this case, the impurity concentration of the second semiconductor
Next, the optical semiconductor device having the structure shown in FIG. 3 is compared with a conventional device.
[0087]
FIG. 4 is an explanatory diagram for comparing the present apparatus with a conventional apparatus. The left half of the drawing shows the cross-sectional structure of a conventional device including the transistor T2 ′, and the right half shows the cross-sectional structure of the device including the transistor T2 according to the embodiment. In the figure, the
[0088]
4A shows a case where diffusion is performed accurately, and FIG. 4B shows a case where the diffusion of the P-type buried layer located at the interface with the P substrate is insufficient in the prior art (the diffusion distance is a, FIG. 4 (c) shows a cross-sectional structure of the device when this diffusion is excessive. In the embodiment, the case where the diffusion of the P-type impurity doped
[0089]
In the case of insufficient diffusion, the conventional device does not reach the P layer in which the P + layer extending in the vertical direction is buried, and the depletion layer spreads through the gap between the high-resistance layer epitaxial layers, thereby isolating the element. However, in the apparatus according to the present embodiment, even when the diffusion of the P-type impurity doped
[0090]
In the case where diffusion is excessive, in the conventional device, the embedded N + layer is embedded in the diffused P layer, so that it is electrically separated from the upper N-type epi layer, and the N + layer does not function. In this device, the N + layer functions as a vertical NPN collector buried diffusion region. In the case of this structure, the upper P + layer of this embodiment can be omitted.
[0091]
As described above, the periphery of the transistor T is surrounded by the P-type
[0092]
Further, the advantages of the semiconductor photodetection device according to the above-described embodiment will be described. In this device, a high-concentration P-type layer that diffuses from the surface to the substrate or the same type polar region for transistor isolation (conventional FIG. 4). Since the P + layer in the device is not necessary, the area occupied by the transistor accompanying the separation can be reduced.
[0093]
Further, in this apparatus, when the buried
[0094]
In the present apparatus, the vertical PNP bipolar transistor T1 can be formed simultaneously with the PIN photodiode PD. That is, the N-type vertical PNP
[0095]
Moreover, the
[0096]
Further, since it is not necessary to diffuse the P-type impurity doped
[0097]
Further, since the P-type impurity is diffused by dividing these formation steps so that the P-type impurity doped region and the P-type
[0098]
Further, a low-concentration
[0099]
【The invention's effect】
According to the semiconductor photodetection device of the present invention, the response speed can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a semiconductor photodetection device according to an embodiment.
FIG. 2 is a vertical sectional view of the semiconductor photodetection device shown in FIG. 1 showing a more preferable example.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of another preferred example of the semiconductor photodetector shown in FIG. 1;
FIG. 4 is an explanatory diagram for comparing the present apparatus with a conventional apparatus.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記PINホトダイオードと前記トランジスタとの間の前記エピタキシャル半導体層内に、前記PINホトダイオード及び前記トランジスタ方向から横方向に延びる空乏層の広がりを抑制するP型の隔離領域を設け、前記隔離領域と前記PINホトダイオード及び前記トランジスタとの間には前記エピタキシャル半導体層が一部分残っていることを特徴とする半導体光検出装置。A PIN photodiode formed in the first region while sandwiching a P-type high-resistance epitaxial semiconductor layer in the vertical direction between the N-type and P-type semiconductor layers, and the second photodiode in the second region different from the first region By increasing the impurity concentration on the surface side of the epitaxial semiconductor layer, a P-type impurity doped region formed in the second region, a transistor formed in the P-type impurity doped region, and the PIN photodiode in the lateral direction In a semiconductor photodetection device comprising an N-type cathode region surrounded by
A P-type isolation region is provided in the epitaxial semiconductor layer between the PIN photodiode and the transistor to suppress the depletion layer extending laterally from the PIN photodiode and the transistor direction, and the isolation region and the PIN A semiconductor photodetector according to claim 1, wherein a portion of the epitaxial semiconductor layer remains between the photodiode and the transistor.
前記界面からP型の不純物を前記双方内に拡散することによって前記隔離領域と同時に形成されるP型埋込半導体層が前記縦型PNPバイポーラトランジスタの前記コレクタ領域に到達していることを特徴とする請求項2に記載の半導体光検出装置。The isolation region is formed by diffusing P-type impurities in both the epitaxial semiconductor layer and the semiconductor substrate from an interface between the semiconductor substrate on which the epitaxial semiconductor layer is formed and the epitaxial semiconductor layer. Formed and has reached the P-type impurity doped region,
A P-type buried semiconductor layer formed simultaneously with the isolation region by diffusing P-type impurities into the both from the interface reaches the collector region of the vertical PNP bipolar transistor. The semiconductor photodetection device according to claim 2.
前記隔離領域は、前記上部エピタキシャル半導体層及び前記下部エピタキシャル半導体層の間の境界面から前記上部エピタキシャル半導体層及び前記下部エピタキシャル半導体層内にP型の不純物を拡散することによって形成されると共に前記P型不純物ドープ領域内に到達しており、
前記境界面から前記P型の不純物を拡散することによって前記隔離領域と異なる期間に形成される高濃度のP型埋込半導体層が前記縦型PNPバイポーラトランジスタの前記コレクタ領域に到達していることを特徴とする請求項2に記載の半導体光検出装置。The P-type epitaxial semiconductor layer includes a stacked lower and upper epitaxial semiconductor layers,
The isolation region is formed by diffusing P-type impurities into the upper epitaxial semiconductor layer and the lower epitaxial semiconductor layer from the interface between the upper epitaxial semiconductor layer and the lower epitaxial semiconductor layer, and the P Reaching the type impurity doped region,
A high-concentration P-type buried semiconductor layer formed in a different period from the isolation region by diffusing the P-type impurity from the boundary surface reaches the collector region of the vertical PNP bipolar transistor. The semiconductor photodetection device according to claim 2.
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