(57)【要約】【課題】外乱光や強い信号光による信号処理の誤動作を良好に防止する。【解決手段】フォトダイオード部１とＮＰＮトランジスタ部２を一体化した受光半導体装置において、シリコン基板１１に形成されたフォトダイオード部１とＮＰＮトランジスタ部２との間に、第１光吸収層２６を設ける。この第１光吸収層２６は、各回路の動作領域を分離する形で形成されたトレンチ溝の内壁にＡｕ薄膜２７を蒸着させ、熱処理してＡｕ−Ｓｉ共晶部２８を形成し、このトレンチ溝内を絶縁膜２９で埋め込むことにより形成される。また、シリコン基板１１の裏面にも、同様にＡｕ薄膜３１とＡｕ−Ｓｉ共晶部３２をからなる第２光吸収層３０を形成する。これら光吸収層２６，３０によって、素子内部へ入射する不要光が吸収される。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光半導体素子と周辺回路を一体化した回路内蔵光半導体装置において、
上記光半導体素子とその周辺回路との間及び当該素子の裏面に、素子基板と金属を合金化又は共晶化して形成した光吸収層を設けたことを特徴とする回路内蔵光半導体装置。
【請求項２】
上記素子基板材料がＳｉである場合は、上記金属材料として少なくともＡｕを含む金属を用い、上記素子基板材料が化合物半導体である場合は、上記金属材料としてＡｕＧｅ、ＡｕＳｎ又はＡｕＳｉのいずれかを用いたことを特徴とする上記請求項１記載の回路内蔵光半導体装置
【請求項３】
上記光半導体素子は、受光用フォトダイオードであることを特徴とする上記請求項１又は２記載の回路内蔵光半導体装置
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回路内蔵光半導体装置、特に光通信や光ピックアップの分野で用いられており、受光部からの信号光或いはこの信号光以外の漏れ光やこれらの反射光による信号処理の誤動作をなくすための構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、受光素子とこの受光素子の光電変換信号を処理する周辺回路を一体化してモノリシックに形成した回路内蔵光半導体装置が用いられており、この回路内蔵光（受光）半導体装置は、受光素子と周辺回路素子とを別々に作製してハイブリッドＩＣ化した場合よりも低コストであり、また外部雑音に対して強い等のメリットがあり、光通信や光ピックアップの分野での用途が広がっている。
【０００３】
図４には、従来の回路内蔵光半導体装置の断面構造が示されており、これは受光用フォトダイオードと周辺回路としてのＮＰＮトランジスタを形成したものである。この回路内蔵光半導体装置は、バイポーラＩＣの製造工程で作製され、図示されるように、フォトダイオード部１は、Ｐ型シリコン基板１１の上側のＰ＋型埋込み層１２上にＮ型エピタキシャル層１３を成長させ、更にその表面部分にＮ＋型拡散層１４を形成したものからなり、上記Ｎ型エピタキシャル層１３の厚さは周辺回路であるトランジスタの特性によって調整される。
【０００４】
一方、ＮＰＮトランジスタ部２は、上記Ｎ型エピタキシャル層１３の表面部分にＰ型ベース領域１５、Ｎ＋型拡散層１４からなるエミッタ領域及びＮ＋型コレクタコンタクト領域、Ｐ＋型拡散領域１６からなるＰ＋ベース領域を形成してＮＰＮトランジスタとし、このＮＰＮトランジスタの下側のＮ型エピタキシャル層１３とＰ型シリコン基板１１との境界部にＮ＋型埋込み層１７を形成したものである。また、各回路部（１，２）の間にＰ＋型拡散層１８が形成されており、絶縁層１９を介して所定の位置に第１層アルミニウム（Ａｌ）配線２０が形成され、この第１層アルミニウム配線２０の上側には、層間膜２１を介して第２層アルミニウム（Ａｌ）配線２２、保護膜２３が形成される。更に、上記のフォトダイオード部１以外の表面は、外乱光（漏れ光）や強い信号光による影響をなくすために、アルミニウム等のメタルで遮光される。
【０００５】
上記の回路内蔵光半導体装置の構成によれば、フォトダイオード部１とＮＰＮトランジスタ部２の電気的な分離が、Ｐ＋型拡散層１８とＰ＋型埋込み層１２で確保された状態で、フォトダイオード部１で得られた受光信号はＮＰＮトランジスタ部２へ供給されることにより、所定の受光信号の処理が行われる。そして、フォトダイオード部１以外の表面部に設けられたメタル遮光部によって、外乱光や強い信号光による信号処理の誤動作が防止されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光ピックアップに用いられるような高強度の半導体レーザ光では、フォトダイオード部１から入射した光がシリコン基板１１の裏面まで到達し、実装基板ダイパット部で反射した光、或いはフォトダイオード部１の受光面に鋭角入射した外乱光が、上記ＮＰＮトランジスタ部２等の周辺回路に入射して誤動作を起こすという問題があった。
【０００７】
そこで、従来では上記誤動作を緩和するために、例えば▲１▼半導体レーザ光のパワーを小さくしたり、▲２▼上記メタル遮光部をフォトダイオード部１の表面部へ大きくオーバーラップさせたり、▲３▼上記フォトダイオード部１とＮＰＮトランジスタ部２等の周辺回路との間隔を広くしたりすることが考えられる。しかし、上記▲１▼の場合では分解能が悪くなり、上記▲２▼の場合では実質の受光開口部が小さくなるため感度が低下し、上記▲３▼の場合では素子サイズが大きくなるという不都合がある。なお、本願に関連する従来の先行技術として、特開平９−２１３９１７号公報に示されるように、誘電体分離領域を光半導体装置間に形成するものがあるが、この誘電体分離領域は光を透過することから上記問題を解決することができない。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、分解能の悪化、感度の低下、素子サイズの大型化等の不都合が生じることなく、外乱光や強い信号光による信号処理の誤動作を良好に防止することができる回路内蔵光半導体装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、光半導体素子と周辺回路を一体化した回路内蔵光半導体装置において、上記光半導体素子とその周辺回路との間及び当該素子の裏面に、素子基板と金属を合金化又は共晶化して形成した光吸収層を設けたことを特徴とする。
請求項２に係る発明は、上記素子基板材料がＳｉ（シリコン）である場合は、上記金属材料として少なくともＡｕ（金）を含む金属を用い、上記素子基板材料が化合物半導体である場合は、上記金属材料としてＡｕＧｅ（金ゲルマニウム）、ＡｕＳｎ（金スズ）又はＡｕＳｉ（金シリコン）のいずれかを用いたことを特徴とする。
【００１０】
上記の構成によれば、例えばシリコン基板に形成された受光用フォトダイオードとその周辺回路との間に、これらの動作領域を分離する形で例えばトレンチ溝を形成し、このトレンチ溝の内壁にＡｕを共晶化させ、このトレンチ溝内を絶縁膜で埋め込むことにより光吸収層が形成される。また、このシリコン基板の裏面にも、Ａｕを共晶化させた光吸収層が形成される。これらの光吸収層は、受光面から鋭角入射する光や受光半導体素子の裏面に到達する光をその内部で吸収する（反射、透過しない）ことになり、これらの光が周辺回路へ回り込むことがないので、周辺回路での誤動作が防止される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１には、本発明の実施例に係る回路内蔵光（受光）半導体装置の構成が示されており、この回路内蔵光半導体装置は、バイポーラＩＣの製造工程を適用して作製され、第４図の構成例と同様に受光用フォトダイオードにＮＰＮトランジスタを内蔵したものである。図１において、フォトダイオード部１は、Ｐ型シリコン（Ｓｉ）基板１１の上側のＰ＋型埋込み層１２の上に、周辺のトランジスタの特性によって調整される厚さのＮ型エピタキシャル層１３を成長させ、その表面部分にＮ＋型拡散層１４を形成してなる。
【００１２】
また、周辺回路であるＮＰＮトランジスタ部２は、上記Ｎ型エピタキシャル層１３の表面部分に、Ｐ型ベース領域１５、Ｎ＋型エミッタ領域１４からなるエミッタ領域及びＮ＋型コレクタコンタクト領域、Ｐ＋型拡散領域１６からなるＰ＋ベース領域を形成してＮＰＮトランジスタとし、このＮＰＮトランジスタの下側のＮ型エピタキシャル層１３とＰ型シリコン基板１１との境界部にＮ＋型埋込み層１７を形成してなる。更に、このＮＰＮトランジスタ部２とフォトダイオード部１との間を含む各回路部の周囲に、回路間の電気的分離を図るためにＰ＋型拡散層２５が形成される。また、Ｐ＋型拡散層は、フォトダイオード部１のアノード取り出し部を構成している。
【００１３】
そして、当該実施例では、上記フォトダイオード部１とＮＰＮトランジスタ部２との間（又はフォトダイオード部１の周囲）に、Ａｕを共晶化させた第１光吸収層２６を設けている。即ち、トレンチ法によりトレンチ溝をシリコン基板１１まで形成した後、フォトリソグラフィーと真空蒸着法で上記トレンチ溝の内壁にＡｕ薄膜２７をパターニングし、３８０〜４５０℃位で熱処理を行うことにより、Ａｕ薄膜２７の外側に、ＡｕとＳｉを共晶化させたＡｕ−Ｓｉ共晶部２８を形成する。その後、上記トレンチ溝内は絶縁膜２９で埋め込む。
【００１４】
なお、この第１光吸収層２６は、周辺回路の動作領域よりも深く形成することにより入射光による影響を確実に防止することができ、当該例ではＮＰＮトランジスタ部２の動作領域であるＰ型ベース領域１５よりも更に深い位置まで形成している。
【００１５】
上記のＮ＋型拡散層１４からなるエミッタ領域及びコレクタコンタクト領域の上には、絶縁層１９を介して第１層アルミニウム（Ａｌ）配線２０が形成され、この第１層アルミニウム配線２０の上側に、層間膜２１を介して第２層アルミニウム（Ａｌ）配線２２、そして保護膜２３が形成される。なお、上記のフォトダイオード部１以外の表面は、外乱光や強い信号光による影響をなくすために、アルミニウム等のメタルで遮光される。
【００１６】
更に、実施例では、上記のシリコン基板１１の裏面に第２光吸収層３０を設ける。即ち、シリコン基板１１の裏面を所定の厚さまで研磨し、その研磨面に真空蒸着法でＡｕ薄膜３１を蒸着し、上記と同様に３８０〜４５０℃位の熱処理によって、Ａｕ薄膜３１の内側に、Ａｕ−Ｓｉ共晶部３２を形成する。
【００１７】
このような実施例の構成によれば、上記フォトダイオード部１とＮＰＮトランジスタ部２の電気的な分離がＰ＋型拡散層１８とＰ＋型埋込み層１２で確保され、一方第１光吸収層２６及び第２光吸収層３０によってフォトダイオード部１から周辺回路のＮＰＮトランジスタ部２へ入射しようとする光が吸収される。即ち、第１光吸収層２６のＡｕ−Ｓｉ共晶部２８及び第２光吸収層３０のＡｕ−Ｓｉ共晶部３２では、非常に結晶が粗いため、内部の乱反射によって入射光を吸収することになり、第１光吸収層２６は主に受光面に対し鋭角入射する外乱光等を吸収し、第２光吸収層３０は主にシリコン基板１１の裏面に到達する光を吸収する（反射しない）ことになる。従って、フォトダイオード部１の受光時の太陽光等の外乱光やレーザ光等の強い信号光が周辺回路に入射して信号処理の誤動作を起こすことが防止される。
【００１８】
図２及び図３には、上記第１光吸収層２６及び第２光吸収層３０の光吸収効果を確認する実験の構成と結果が示されている。この実験では、図２に示されるように、約５１０μｍ厚のＳｉウェハー３４Ａに約０．２μｍ厚のＡｕ薄膜３４Ｂを蒸着し、４５０℃、１分間の熱処理（シンター）によりＡｕ−Ｓｉ共晶部３４Ｃを形成することとし、この熱処理の前後で、このＳｉウェハー３４Ａの下面から発光ダイオード３５で光を照射し、この反射光をフォトトランジスタ３６で測定した。
【００１９】
この実験によれば、図３に示されるように、熱処理前でＡｕ−Ｓｉ共晶部３４Ｃが形成されていない場合は、点線のようになり、熱処理後でＡｕ−Ｓｉ共晶部３４Ｃが形成されている場合は、実線のようになり、発光ダイオード３５への順電流が３０ｍＡとなるとき、フォトトランジスタ３６の出力電流は、共晶部３４Ｃの形成前では１１．３ｎＡ、形成後では３．１ｎＡとなった。このＡｕ−Ｓｉ共晶部３４Ｃが存在する場合の３．１ｎＡの反射光の検出は、Ｓｉウェハー３４Ａの表面からの反射によるものであり、このＳｉウェハー３４Ａ内に入射した光は、Ａｕ−Ｓｉ共晶部３４Ｃで反射も透過もなく全て吸収されたことが分かる。
【００２０】
当該例では、上記第１光吸収層２６及び第２光吸収層３０を、ＳｉにＡｕを共晶化して形成したが、Ａｕに限らず、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｎ、ＡｕＳｉ等、Ａｕを主成分とするその他の金属をシリコン基板に対し共晶化、或いは単に合金化して、光吸収層を形成することも可能であり、この光吸収層内に入射光を吸収させ、本願の目的を達成することができる。
【００２１】
また、素子基板と金属との共晶化又は合金化は、当該例のように３８０〜４５０℃程度の低い温度の熱処理で行われることが好ましい。このような低い熱処理温度で共晶化が可能な組合せとして、その他では、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）、ＧａＰ（ガリウムリン）、ＩｎＰ（インジウムリン）等の雅号物半導体基板に対し、ＡｕＧｅ（金ゲルマニウム）、ＡｕＳｎ（金スズ）、ＡｕＳｉ（金シリコン）等の金属材料を用いることができる。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光半導体素子とその周辺回路との間、及び回路内蔵光半導体装置の裏面に、素子基板と金属を合金化又は共晶化して形成した光吸収層を設けたので、受光部から入射する外乱光や強い信号光による信号処理の誤動作を良好に防止することができ、従来の解決策による分解能の悪化、感度の低下、素子サイズの大型化等の不都合も解消することが可能となる。特に、本発明の光半導体装置の裏面に光吸収層を形成することで、裏面からの反射の影響をほぼ防ぐことができ、太陽光のような外乱光の下でリモコンを動作させるような場合、効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る回路内蔵光半導体装置の内部構成を示す断面図である（アルミニウム配線以外は断面ハッチングを省略する）。
【図２】実施例における光吸収層（Ａｕ−Ｓｉ共晶部）の光吸収効果を確認する実験の構成を示す図である。
【図３】図２の実験の光吸収効果を示すグラフ図である。
【図４】従来の回路内蔵光半導体装置の内部構成を示す断面図である（アルミニウム配線以外は断面ハッチングを省略する）。
【符号の説明】
１…フォトダイオード部、
２…ＮＰＮトランジスタ部、
１１…Ｐ型シリコン（Ｓｉ）基板、
１４…Ｎ＋型拡散層、　　１５…Ｐ型ベース領域、
１６…Ｎ＋型拡散領域、
１８，２５…Ｐ＋型拡散層、
２０…第１層アルミニウム配線、
２２…第２層アルミニウム配線、
２６…第１光吸収層、　　３０…第２光吸収層、
２７，３１，３４Ｂ…Ａｕ（金）、
２８，３２，３４Ｃ…Ａｕ−Ｓｉ共晶部。
【図１】
2004014905.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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