WO2010064369A1 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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森本卓夫
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日本電気株式会社
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    • H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/10—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode not carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
    • H01L29/1004—Base region of bipolar transistors

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device in which transistors and light receiving elements are monolithically integrated on a semiconductor substrate and a manufacturing method thereof.
  • CD Compact Disc
  • DVD Digital Versatile Disc
  • Blu-ray and optical disc apparatuses have been increased in density and have been put to practical use.
  • the reading speed and the writing speed are further increased.
  • the PDIC Photodiode Integrated Circuit
  • the laser output is also increased, so that the speeding up of the PDIC must be achieved even under a high light input.
  • FIG. 7 shows a PDIC described in FIG.
  • a p-type silicon substrate 1 includes a p-type silicon substrate 1, a p + -type silicon layer 2, a p ⁇ -type epitaxial layer 3 and an n-type epitaxial layer 6, and a p-type buried diffusion layer 4 and an n-type buried diffusion in the course of epitaxial growth.
  • Layer 5 is formed.
  • a p-type isolation diffusion layer 7 is formed for element isolation between the PD and the bipolar transistor, a PD portion n-type diffusion layer 8 is formed in the PD region, and an n-type diffusion layer 9 and a p-type in the bipolar transistor region.
  • a base diffusion layer 10 and an n-type emitter diffusion layer 11 are formed.
  • a dielectric film 12 and an electrode 13 are formed on such a silicon substrate.
  • an n-type PD and a bipolar transistor are monolithically integrated on a p-type silicon substrate 1.
  • the n-type epitaxial layer 6 needs a thickness of about 1 ⁇ m or more because of the bipolar transistor structure (see, for example, Patent Document 2).
  • the pn junction position of the PD becomes as deep as 1 ⁇ m or more from the silicon surface, leading to a decrease in efficiency and a deterioration in response speed.
  • the cause of the deterioration is that the blue light used in the Blu-ray optical disc apparatus has a large absorption coefficient of silicon, and the depth at which the incident light intensity becomes 1 / e is as shallow as about 0.15 ⁇ m.
  • Patent Documents 3 to 5 employs means for etching the PD region and shallowing the pn junction position.
  • unplanarized wafers are not practical because semiconductor processing becomes difficult.
  • Patent Documents 6 and 7 means for inverting the lower layer portion of the n-type epitaxial layer 6 to p-type by diffusion and shallowing the pn junction position is used.
  • the p ⁇ -type epitaxial layer 3 has a low concentration of, for example, about 1 ⁇ 10 14 cm ⁇ 3 in order to keep the capacitance of the PD low. It is extremely difficult to invert the n-type semiconductor layer to p-type by diffusion and control it to such a low concentration.
  • the n-type epitaxial layer has a thickness of 2 ⁇ m, and a high-concentration region is provided so that there is a peak at a depth of 0.3 to 0.7 ⁇ m.
  • hole carriers generated on the surface side from the concentration peak are less likely to move to the p-type region, and the probability of pair annihilation due to surface recombination increases. For this reason, efficiency is bad.
  • the thickness of the n-type epitaxial layer is set to about 0.8 ⁇ m to 1.0 ⁇ m, the n-type impurity concentration by ion implantation is specified, and a quantum efficiency of 90% or more is achieved.
  • the n-type impurity concentration distribution in the PD portion is important.
  • the PD part n-type diffusion layer 8 prevents the surface recombination of hole carriers generated by light absorption, as described in Patent Document 9, and contributes to improving the efficiency. Further, as described in Patent Document 8, the sheet resistance of the n layer on the surface of the PD affects the response speed of the PD. The existence of the PD n-type diffusion layer 8 is also effective for reducing the resistance. Further, the PD portion n-type diffusion layer 8 may have a double ion implantation structure as disclosed in Patent Document 10. If the concentration profile has a gradient, an electric field is applied to the photo-generated hole carrier, and the response speed can be improved.
  • the n-type doping profile of the PD portion n-type diffusion layer 8 is preferably set as follows.
  • the maximum surface concentration may be set to 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 or less.
  • the maximum surface concentration may be 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or less.
  • a good response speed can be obtained by reducing the thickness of the n-type epitaxial layer 6 (pn junction depth) to about 0.8 to 1.0 ⁇ m. In the 3 dB band of a single PD, 500 MHz or more can be obtained. When such a high-speed response is realized, it is possible to cope with the 12 times speed of the Blu-ray optical disc apparatus.
  • JP 2004-087979 A Japanese Patent No. 4058034 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-064218 JP 2003-037259 A JP 2006-210494A JP 2007-317767 A JP 2007-317768 A JP 2003-197949 A Japanese Patent Laid-Open No. 4-249382 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-203954 (Pages 8-9, FIGS. 5 and 6) Japanese Patent Laid-Open No. 2003-051607
  • the thickness of the n-type epitaxial layer 6 is preferably thicker for the bipolar transistor, preferably thinner for the PD, and the appropriate range is narrow.
  • silicon epitaxial growth there are layer thickness reproducibility, wafer-to-wafer variations, and wafer-to-wafer variations. Therefore, it is desirable to design in consideration of variations of about ⁇ 0.1 ⁇ m.
  • the n-type epitaxial layer 6 is too thin, the yield deteriorates due to a decrease in the breakdown voltage of the bipolar transistor.
  • a layer thickness of 1 ⁇ m or more at the design center and 0.9 ⁇ m or more at the lower limit of variation is desirable.
  • the n-type epitaxial layer 6 is thinner.
  • the n-type epitaxial layer thickness is set to 0.8 to 1.0 ⁇ m. In this case, the target center of the n-type epitaxial layer thickness is 0.9 ⁇ m. For this reason, it is difficult to ensure the breakdown voltage yield of the bipolar transistor.
  • the optimum layer thickness range of the n-type epitaxial layer that can achieve both the PD bandwidth and the transistor breakdown voltage is narrow, and the yield is poor.
  • the 3 dB band of the PD is desirable from the viewpoint of further speeding up the Blu-ray optical disc apparatus. For example, when aiming at 16 ⁇ speed, a 3 dB band of about 600 MHz is required. On the other hand, even if the speed is still 12 times, if the bandwidth of the single PD is improved, there is a margin in the IC design. Further, although the 3 dB band of 500 MHz is achieved with a low optical input, the band decreases as the light incident power increases. High-power light is incident on the PDIC when writing to the optical disk apparatus, but it is required that the settling time after the light is turned off be short.
  • the PD bandwidth is insufficient. This is because, as described above, the thickness of the n-type epitaxial layer cannot be reduced in order to secure the breakdown voltage yield of the integrated bipolar transistor.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a semiconductor device that is excellent in the breakdown voltage yield of a bipolar transistor, the band of a light receiving element, and the quantum efficiency.
  • An optical semiconductor device includes: A transistor, A light receiving element monolithically integrated with the transistor, The light receiving element is a p-type semiconductor layer; An n-type epitaxial layer formed on the p-type semiconductor layer; An n-type diffusion layer formed on the n-type epitaxial layer, The n-type impurity concentration distribution in the depth direction of the n-type diffusion layer is formed by double ion implantation, and The interface position between the p-type semiconductor layer and the n-type epitaxial layer has a depth of 0.9 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less from the surface of the n-type diffusion layer.
  • a method for manufacturing an optical semiconductor device includes: A method of manufacturing a semiconductor device in which a transistor and a light receiving element are monolithically integrated, forming an n-type epitaxial layer having a thickness of 0.9 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less on the p-type semiconductor layer; On the n-type epitaxial layer, an n-type diffusion layer is formed by double ion implantation in the formation region of the light receiving element.
  • the present invention it is possible to provide a semiconductor device excellent in the breakdown voltage yield of the bipolar transistor, the band of the light receiving element and the quantum efficiency.
  • FIG. 1 is a sectional view of a PDIC according to the first embodiment of the present invention.
  • a p + type silicon layer 102, a p ⁇ type epitaxial layer 103, and an n type epitaxial layer 106 are formed on a p type silicon substrate 101.
  • the p ⁇ type epitaxial layer 103 has a p type impurity concentration of 1 ⁇ 10 14 cm ⁇ 3 .
  • the layer thickness of the n-type epitaxial layer 106 is 1.2 ⁇ 0.1 ⁇ m, and the n-type impurity concentration is 3 to 6 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 .
  • the thickness of the n-type epitaxial layer 106 may be 1.0 to 1.4 ⁇ m, and the n-type impurity concentration may be 1 to 8 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 .
  • the thickness of the n-type epitaxial layer 106 is preferably within a range from 0.9 ⁇ m to 1.5 ⁇ m even when variations are taken into consideration.
  • a p-type buried diffusion layer 104 and an n-type buried diffusion layer 105 are formed in the process of epitaxial growth.
  • a p-type isolation diffusion layer 107 is formed for element isolation between the PD and the bipolar transistor.
  • a PD portion n-type diffusion layer 108 is formed, and in the bipolar transistor region, an n-type diffusion layer 109, a p-type base diffusion layer 110, and an n-type emitter diffusion layer 111 are formed.
  • a dielectric film 112 is formed on such a silicon crystal, and an electrode 113 is provided.
  • FIG. 2 shows two doping profiles A and B.
  • FIG. 3 shows the result of calculating the light incident power dependency in the 3 dB band assuming these doping profiles.
  • the 3 dB band at 10 ⁇ W incidence is 489 MHz.
  • this band is 522 MHz when the thickness of the n-type epitaxial layer 106 is changed to 1.16 ⁇ m, and is decreased to 461 MHz when the thickness is 1.24 ⁇ m.
  • profile B the 3 dB band at 10 ⁇ W incidence is improved to 668 MHz, which is about 1.4 times that of profile A.
  • the band decreases as the light incident power increases, in the profile B, the band of 500 MHz or higher is maintained up to 70 ⁇ W, and the maximum incident power that can maintain the band of 500 MHz is significantly improved with respect to the profile A.
  • the quantum efficiency when the surface recombination velocity is calculated on the assumption that the surface recombination velocity is 1 ⁇ 10 4 cm / s, it is improved to 99.3% in profile B compared to 95.6% in profile A.
  • profile B is clearly superior to profile A. This is because profile B satisfies the following conditions for realizing high efficiency and high bandwidth, while profile A does not satisfy it.
  • c 1 ⁇ c ⁇ c 2 (Formula 1)
  • c 1 [cm ⁇ 3 ] is given by Equation 2.
  • c 1 6 ⁇ 10 17 ⁇ exp ( ⁇ x 2 /(2 ⁇ 0.03 2 )) + 6 ⁇ 10 16 ⁇ exp ( ⁇ (x ⁇ 0.12) 2 /(2 ⁇ 0.15 2 )) + 1 ⁇ 10 15
  • c 2 [cm ⁇ 3 ] is given by Equation 3.
  • Double ion implantation may be performed, or the lower concentration distribution may be formed by controlling the doping amount of epitaxial growth.
  • shallow implantation functions to obtain a high quantum efficiency by forming a doping profile that sharply decreases on the surface.
  • deep implantation contributes to the achievement of a high bandwidth by allowing the concentration gradient to reach the end of the depletion layer and sufficiently narrowing or eliminating the region where no electric field is applied.
  • the inventor conducted a quantitative study in order to improve the 3 dB bandwidth of the PD integrated with the bipolar IC from 500 MHz and bring the quantum efficiency as close to 100% as possible.
  • a quantitative study in order to improve the 3 dB bandwidth of the PD integrated with the bipolar IC from 500 MHz and bring the quantum efficiency as close to 100% as possible.
  • quantum efficiency it is known that a quantum efficiency of 90% or more can be obtained if the maximum surface concentration of n-type impurities is 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or less.
  • concentration 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or less
  • special concentration dependency is not observed. More specifically, it also depends on the diffusion depth of the n-type impurity. This is because the electric field acting on the photo-generated hole carrier is changed by changing the concentration gradient, and the surface recombination probability is changed. According to FIG.
  • the maximum surface concentration at which the quantum efficiency is sufficiently high and the concentration dependency is eliminated is 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 or less when the n-type impurity diffusion layer depth is 0.3 ⁇ m.
  • the n-type impurity diffusion layer depth is 1.2 ⁇ m, it is 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or less.
  • Patent Document 8 discloses a band change due to resistance.
  • the band greatly depends not only on the resistance but also on the time for which the photo-generated hole carriers are transported to the p-layer, a quantitative examination is desired. From the viewpoint of the hole carrier transport phenomenon, the band improves as the pn junction position becomes shallower. When it is necessary to deepen the pn junction position for other reasons, it is very difficult to obtain a high band. Therefore, it is necessary to deeply analyze the transport phenomenon of hole carriers and strictly study the n-type impurity concentration distribution.
  • the inventor intends to sufficiently increase the yield of a monolithically integrated bipolar transistor in consideration of the variation in the thickness of the n-type epitaxial layer 106.
  • the design center of the layer thickness of the n-type epitaxial layer 106 is 1. Set to 2 ⁇ m. If it is so thick, it is not easy to obtain a band of 500 MHz or more. Therefore, numerical calculations were performed to analyze the carrier transport phenomenon in detail.
  • the surface recombination velocity governing the quantum efficiency was set to 1 ⁇ 10 4 cm / s as described above. Although this value may change depending on the process conditions, the magnitude relationship between the quantum efficiencies does not change, so it is possible to know the direction of quantum efficiency improvement.
  • FIG. 4 shows the calculation result of the ⁇ 1 dependence of the quantum efficiency
  • FIG. 5 shows the calculation result of the ⁇ 1 dependence of the 3 dB band of the PD.
  • n-type impurity concentration (doping profile) c by double ion implantation, the sum of Gaussian distributions expressed by Formula 4 was assumed.
  • c n 1 ⁇ exp ( ⁇ (xd 1 ) 2 / (2 ⁇ 1 2 )) + N 2 ⁇ exp ( ⁇ (x ⁇ d 2 ) 2 / (2 ⁇ 2 2 )) (Formula 4)
  • x is a depth from the silicon surface.
  • n 1 , n 2 , d 1 , d 2 , ⁇ 1 , and ⁇ 2 are parameters.
  • n 1 and n 2 indicate the maximum density in each Gaussian distribution.
  • d 1 and d 2 indicate the depths that give the maximum densities n 1 and n 2 in each Gaussian distribution.
  • ⁇ 1 and ⁇ 2 are depth deviations. Further, d 1 ⁇ d 2 is set.
  • FIG. 4 shows the calculation result of the ⁇ 1 dependence of the quantum efficiency.
  • ⁇ 1 is fairly narrow and is preferably about 0.03 to 0.06 ⁇ m.
  • FIG. 5 shows the calculation result of the ⁇ 1 dependency of the 3 dB band of PD.
  • the factor that determines the band depends on how short the length of the region where the electric field is zero or the electric field is reversed in the n-type epitaxial layer 106 is suppressed.
  • an electric field is applied due to depletion.
  • a region of the n-type epitaxial layer 106 that is not depleted must be subjected to an electric field due to a concentration gradient.
  • the distribution Does not grow. For this reason, the region without the concentration gradient becomes longer, and the band is greatly deteriorated.
  • the second Gaussian distribution that is, n 2 ⁇ exp ( ⁇ (x ⁇ d 2 ) 2 / (2 ⁇ 2 2 )) in Equation 4 solves this dilemma.
  • the second Gaussian distribution may be such that the concentration gradient reaches the depletion region end near the pn junction so as not to disturb the steep profile near the surface of the first Gaussian distribution.
  • n 2 is somewhat lower than n 1 and somewhat higher than the concentration of the n-type epitaxial layer 106, so that the concentration gradient continues from the silicon surface to about 0.6 ⁇ 0.2 ⁇ m.
  • d 2 and ⁇ 2 may be determined.
  • the depth position where the concentration decreases to 1 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 is preferably about 0.6 ⁇ 0.2 ⁇ m.
  • the concentration of the n-type epitaxial layer 106 is preferably about 1 ⁇ 10 15 to 8 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 .
  • n 1 if it is too high, the efficiency deteriorates, and if it is too low, there arises a problem that the resistance of the n layer between the light incident position and the n electrode increases. The necessity to limit from such a viewpoint arises.
  • the pn junction depth is within a certain range.
  • the lower limit is determined by the bipolar transistor structure, but it is preferably 0.9 ⁇ m or more. More desirably, the thickness is 1.0 ⁇ m or more. Even more desirably, the thickness is 1.1 ⁇ m or more.
  • the upper limit of the pn junction depth is determined by the PD band for blue light, but is preferably 1.5 ⁇ m or less. More desirably, the thickness is 1.4 ⁇ m or less. More preferably, it is 1.3 ⁇ m or less.
  • a p + type silicon layer 102 and a p ⁇ type epitaxial layer 103 are formed on a p type silicon substrate 101.
  • a p-type buried diffusion layer 104 and an n-type buried diffusion layer 105 are formed.
  • the n-type epitaxial layer 106 is crystal-grown on the entire surface.
  • a p-type isolation diffusion layer 107 is formed, and a PD portion n-type diffusion layer 108 is formed in the PD region by double ion implantation of phosphorus or arsenic.
  • n-type diffusion layer 109, a p-type base diffusion layer 110, and an n-type emitter diffusion layer 111 are formed in the bipolar transistor region.
  • a dielectric film 112 is formed over the entire surface of the silicon to form an opening.
  • an electrode 113 is formed in each opening to obtain a PDIC.
  • the ion implantation for forming the n-type diffusion layer 109 in the bipolar transistor region is performed separately from the ion implantation for forming the PD portion n-type diffusion layer 108, the PD portion n is employed.
  • the doping profile of the mold diffusion layer 108 can be designed independently of the bipolar transistor. Therefore, a detailed design for improving the bandwidth and efficiency of the PD becomes possible, and a significant improvement in performance can be achieved by making full use of multiple ion implantation. Further, the concentration distribution may be formed in combination with the doping flow rate control when growing the n-type epitaxial layer 106.
  • the doping profile of the PD n-type diffusion layer 108 can be configured between C and D shown in FIG.
  • the lower limit and the upper limit profile C and profile D are employed.
  • FIG. 3 shows the calculation results of the light incident power dependence of these profiles C and D in the 3 dB band.
  • the 3 dB band is 922 MHz
  • profile D is 742 MHz.
  • the profile A is improved by 1.9 times and 1.5 times, respectively.
  • the profile C achieves a high band of 500 MHz or higher up to 70 ⁇ W and the profile D reaches 80 ⁇ W input, and the light incident power capable of maintaining the 500 MHz band is significantly improved over the profile A.
  • the calculated values of quantum efficiency are 99.6% for profile C and 98.4% for profile D, both of which are 98% or more. If the concentration is higher than that of profile D, high quantum efficiency cannot be maintained, which is undesirable.
  • a ring electrode having an inner diameter of 84 ⁇ m ⁇ is assumed as the n electrode of the PD, and it is assumed that light having a diameter of 5 ⁇ m ⁇ (spot diameter is defined by a diameter where the light intensity is 1 / e) is incident on the center.
  • spot diameter is defined by a diameter where the light intensity is 1 / e
  • the resistance between the light incident position and the n electrode is 1300 ⁇ for the profile C and 300 ⁇ for the profile D.
  • Lowering the density than profile C is not preferable because the resistance value increases and the band at the time of high light input decreases as can be seen from FIG.
  • the profile C is represented by c 1 [cm ⁇ 3 ] in the above formula 2
  • the profile D is represented by c 2 [cm ⁇ 3 ] in the above formula 3.
  • the doping profile between the two satisfies all of a good band of 600 MHz or more, a good efficiency of 98% or more, and a low resistance of 1.4 k ⁇ or less. As compared with a profile that does not fall within the range, excellent performance can be obtained.
  • profiles C and D can be used properly according to the application.
  • the profile C may be used because only a low light input bandwidth is required.
  • a profile of D having a high band at the time of high light input is suitable.
  • the n-type epitaxial layer 106 is defined to have an n-type impurity concentration distribution in which the thickness of the n-type epitaxial layer 106 is 1.2 ⁇ 0.2 ⁇ m and the newly discovered relationship between the bandwidth and the efficiency is broken.
  • the n-type impurity concentration distribution in which the thickness of the n-type epitaxial layer 106 is 1.2 ⁇ 0.2 ⁇ m and the newly discovered relationship between the bandwidth and the efficiency is broken.
  • the incident light power is as high as 70 ⁇ W, it is possible to provide a PDIC that realizes a 3 dB band of 500 MHz or more.
  • the present invention can be applied to, for example, a PDIC mounted on an optical pickup.

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Abstract

　バイポーラトランジスタの耐圧歩留まりと受光素子の帯域及び量子効率とに優れる半導体装置を提供する。本発明に係る光半導体装置は、モノリシック集積されたトランジスタと受光素子とを有する。前記受光素子は、ｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層上に形成されたｎ型エピタキシャル層と、前記ｎ型エピタキシャル層上に形成されたｎ型拡散層と、を備える。前記ｎ型拡散層の深さ方向のｎ型不純物濃度分布が、二重イオン注入によって形成される分布であり、かつ、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型エピタキシャル層との界面位置が、前記ｎ型拡散層の表面から深さ０．９μｍ以上１．５μｍ以下である。

Description

半導体装置及びその製造方法
　本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に半導体基板上にトランジスタと受光素子とがモノリシック集積された半導体装置及びその製造方法に関する。
　近年、ＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ブルーレイと、光ディスク装置の高密度化が進展し、実用化されてきた。ブルーレイ光ディスク装置においては、さらに読み出し速度、書き込み速度の高速化が進展している。高速化に伴い、光ピックアップに搭載されるＰＤＩＣ（Photodiode Integrated Circuit）の高速化が要請されている。高速化においては、レーザ出力も高出力化されるため、ＰＤＩＣの高速化は高光入力下においても達成されなければならない。また、シリコンは青色光の吸収係数が高いため、光吸収により生成されるキャリアが、シリコン表面に集中することになる。このため、表面再結合によりフォト生成キャリアが対消滅する確率が高くなり、効率（＝光電流／入射光パワー）の確保も重要な課題となる。
　光ピックアップに搭載される受光素子（ＰＤ：Photodiode）は、小型化、低コストのためにＩＣ（Integrated Circuit）にモノリシック集積されるのが一般的である。このため、上記の課題に対するＰＤの最適化設計には制約が加わることになる。例えば、特許文献１の図１に記載されているＰＤＩＣを図７に示す。
　図７のＰＤＩＣは、ｐ型シリコン基板１、ｐ＋型シリコン層２、ｐ－型エピタキシャル層３、ｎ型エピタキシャル層６から構成され、エピタキシャル成長の途中でｐ型埋込み拡散層４、ｎ型埋込み拡散層５が形成されている。ＰＤとバイポーラトランジスタの素子分離のためにｐ型分離拡散層７が形成されており、ＰＤ領域では、ＰＤ部ｎ型拡散層８が形成され、バイポーラトランジスタ領域では、ｎ型拡散層９、ｐ型ベース拡散層１０、ｎ型エミッタ拡散層１１が形成されている。このようなシリコン基板の上に誘電体膜１２と電極１３が形成されている。
　このＰＤＩＣでは、ｐ型シリコン基板１上に、表面がｎ型のＰＤとバイポーラトランジスタとをモノリシック集積している。ｎ型エピタキシャル層６は、バイポーラトランジスタ構造のために１μｍ程度以上の厚さが必要である（例えば、特許文献２参照）。このような構造では、ＰＤのｐｎ接合位置がシリコン表面から１μｍ以上と深くなるため、効率の低下や応答速度の悪化を招くことになる。悪化の原因は、ブルーレイ光ディスク装置で用いられる青色光に対して、シリコンの吸収係数が大きく、入射光強度が１／ｅになる深さが約０．１５μｍと浅いためである。
　このような問題に対して、特許文献３～５に記載されているＰＤＩＣでは、ＰＤ領域をエッチングし、ｐｎ接合位置を浅くする手段をとっている。しかし、平坦化されていないウェハーは、半導体プロセスが困難になるため実用的ではない。特許文献６、７においては、拡散によりｎ型エピタキシャル層６の下層部分をｐ型に反転させ、ｐｎ接合位置を浅くする手段を用いている。しかし、ｐｎの差し引きにより濃度制御するのは困難である。ｐ－型エピタキシャル層３は、ＰＤのキャパシタンスを低く抑えるために、例えば１×１０１４ｃｍ－３程度の低い濃度としている。ｎ型半導体層を拡散によりｐ型に反転させ、このような低い濃度に制御することは極めて困難である。
　従って、通常は、バイポーラトランジスタに合わせ、ｐｎ接合位置がある程度深いことを前提に、ＰＤの最適化が図られる。特許文献２では、ｎ型エピタキシャル層の厚さを２μｍとした上で、深さ０．３～０．７μｍにピークがあるように、高濃度領域を設けている。しかし、濃度ピークより表面側で生成されたホールキャリアは、ｐ型領域へ移動しにくくなり、表面再結合によって対消滅する確率が高くなる。このため効率が悪い。
　特許文献８では、ｎ型エピタキシャル層の層厚を０．８μｍ～１．０μｍ程度とし、イオン注入によるｎ型不純物濃度を規定して、９０％以上の量子効率を達成している。このように、ＰＤ部のｎ型不純物濃度分布は重要である。
　ＰＤ部ｎ型拡散層８は、特許文献９に述べられているように、光吸収により生成されたホールキャリアが表面再結合するのを防ぎ、効率を向上させることに寄与する。また、特許文献８に述べられているように、ＰＤ表面のｎ層のシート抵抗はＰＤの応答速度に影響を及ぼす。抵抗低減のためにもＰＤ部ｎ型拡散層８の存在は有効である。また、ＰＤ部ｎ型拡散層８は、特許文献１０にあるように二重イオン注入構造であってもよい。濃度プロファイルに勾配があれば、フォト生成ホールキャリアに電界がかかり応答速度を向上させることができる。
　特許文献１、８、１１から、量子効率９０％以上を達成するには、ＰＤ部ｎ型拡散層８のｎ型ドーピングプロファイルを次のようにするとよい。イオン注入にヒ素を用い、拡散深さが浅い場合、表面最大濃度を１×１０２０ｃｍ－３以下にすればよい。イオン注入にリンを用い、拡散深さが深い場合、表面最大濃度を１×１０１９ｃｍ－３以下にすればよい。また、ｎ型エピタキシャル層６の厚さ（ｐｎ接合深さ）を０．８～１．０μｍ程度と薄くすることにより、良好な応答速度が得られる。ＰＤ単体の３ｄＢ帯域では５００ＭＨｚ以上が得られる。この程度の高速応答が実現されると、ブルーレイ光ディスク装置の１２倍速に対応することができる。
特開２００４－０８７９７９号公報 特許第４０５８０３４号公報 特開２００２－０６４２１８号公報 特開２００３－０３７２５９号公報 特開２００６－２１０４９４号公報 特開２００７－３１７７６７号公報 特開２００７－３１７７６８号公報 特開２００３－１９７９４９号公報 特開平４－２４９３８１号公報 特開２００２－２０３９５４号公報（第８－９頁、図５、図６） 特開２００３－０５１６０７号公報
　ここで、ｎ型エピタキシャル層６の層厚が、バイポーラトランジスタにとっては厚い方がよく、ＰＤにとっては薄い方がよく、適切な範囲が狭いことが問題となる。なお、シリコンのエピタキシャル成長では、層厚の再現性、ウェハー間ばらつき、ウェハー内ばらつきがあるため、±０．１μｍ程度のばらつきを考慮した設計を行うことが望ましい。
　具体的には、ｎ型エピタキシャル層６が薄過ぎると、バイポーラトランジスタの耐圧低下により歩留まりが悪化する。この歩留まりを改善するためには、設計中心で１μｍ以上、ばらつきの下限で０．９μｍ以上の層厚が望ましい。
　一方、ＰＤの帯域にとっては、ｎ型エピタキシャル層６の層厚は薄い方が良い。例えば、特許文献８では、ｎ型エピタキシャル層厚を０．８～１．０μｍとしている。この場合、ｎ型エピタキシャル層厚の狙いの中心は０．９μｍになる。そのため、上記のバイポーラトランジスタの耐圧歩留まりの確保が難しくなる。
　つまり、ＰＤの帯域とトランジスタの耐圧とを両立できるｎ型エピタキシャル層の最適層厚範囲が狭く、歩留まりが悪い。
　ここで、ＰＤの３ｄＢ帯域の更なる向上は、ブルーレイ光ディスク装置の更なる高速化の観点から望ましい。例えば、１６倍速を目指す場合、６００ＭＨｚ程度の３ｄＢ帯域が必要となる。一方、１２倍速のままであったとしても、ＰＤ単体の帯域が向上すれば、ＩＣの設計に余裕ができる。また、３ｄＢ帯域５００ＭＨｚは、低光入力では達成されているが、光入射パワーが増大するとともに帯域が低下する。光ディスク装置の書き込み時にはＰＤＩＣに高パワーの光が入射するが、この光がオフした後のセトリングタイムは短いことが要求される。
　つまり、高光入力時の応答速度などを考えると、ＰＤの帯域が不足している。これは、上述の通り、集積するバイポーラトランジスタの耐圧歩留まりを確保するため、ｎ型エピタキシャル層の厚さを薄くできないからである。
　本発明は以上を鑑みなされたものであり、バイポーラトランジスタの耐圧歩留まりと受光素子の帯域及び量子効率とに優れる半導体装置を提供することを目的とする。
　本発明に係る光半導体装置は、
　トランジスタと、
　前記トランジスタとモノリシック集積された受光素子と、を有し、
　前記受光素子が、
　ｐ型半導体層と、
　前記ｐ型半導体層上に形成されたｎ型エピタキシャル層と、
　前記ｎ型エピタキシャル層上に形成されたｎ型拡散層と、を備え、
　前記ｎ型拡散層の深さ方向のｎ型不純物濃度分布が、二重イオン注入によって形成されたものであり、かつ、
　前記ｐ型半導体層と前記ｎ型エピタキシャル層との界面位置が、前記ｎ型拡散層の表面から深さ０．９μｍ以上１．５μｍ以下であるものである。
　本発明に係る光半導体装置の製造方法は、
　トランジスタと受光素子とがモノリシック集積された半導体装置の製造方法であって、
　ｐ型半導体層上に厚さ０．９μｍ以上１．５μｍ以下のｎ型エピタキシャル層を形成し、
　前記ｎ型エピタキシャル層上であって、前記受光素子の形成領域にｎ型拡散層を二重イオン注入によって形成するものである。
　本発明によれば、バイポーラトランジスタの耐圧歩留まりと受光素子の帯域及び量子効率とに優れる半導体装置を提供するができる。
第１及び第２の実施の形態に係るＰＤＩＣの断面図である。 第１の実施の形態に係る半導体受光装置のｎ型ドーピングプロファイルを示すグラフである。 実施の形態に係る効果を示すグラフである。 実施の形態に係る作用を説明するための量子効率のσ１依存性を示すグラフである。 実施の形態に係る作用を説明するための３ｄＢ帯域のσ１依存性を示すグラフである。 第２の実施の形態に係る半導体受光装置のｎ型ドーピングプロファイルを示すグラフである。 特許文献１の図１に記載されたＰＤＩＣの断面図である。
　以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
実施の形態１
　図１は本発明の第１の実施の形態であるＰＤＩＣの断面図である。このＰＤＩＣでは、ｐ型シリコン基板１０１上に、ｐ＋型シリコン層１０２、ｐ－型エピタキシャル層１０３、ｎ型エピタキシャル層１０６が形成されている。ｐ－型エピタキシャル層１０３のｐ型不純物濃度は１×１０１４ｃｍ－３である。
　ｎ型エピタキシャル層１０６の層厚は１．２±０．１μｍでありｎ型不純物濃度は３～６×１０１５ｃｍ－３である。ここで、ｎ型エピタキシャル層１０６の層厚は１．０～１．４μｍ、ｎ型不純物濃度は１～８×１０１５ｃｍ－３であればよい。エピタキシャル成長では、成長層厚の再現性、ウェハー間ばらつき、ウェハー面内ばらつきがある。ｎ型エピタキシャル層１０６の層厚は、ばらつきを考慮しても、０．９μｍ以上１．５μｍ以下に収まっていることが望ましい。
　エピタキシャル成長の過程でｐ型埋込み拡散層１０４、ｎ型埋込み拡散層１０５が形成されている。ＰＤとバイポーラトランジスタの素子分離のために、ｐ型分離拡散層１０７が形成されている。ＰＤ領域では、ＰＤ部ｎ型拡散層１０８が形成され、バイポーラトランジスタ領域では、ｎ型拡散層１０９、ｐ型ベース拡散層１１０、ｎ型エミッタ拡散層１１１が形成されている。このようなシリコン結晶の上に誘電体膜１１２が形成され、電極１１３が設けられている。
　このＰＤＩＣでは、ＰＤ部ｎ型拡散層１０８のｎ型不純物濃度分布が、ＰＤの帯域と効率に大きな影響を与える。図２は、２通りのドーピングプロファイルＡ及びＢを示している。図３は、これらのドーピングプロファイルを仮定して３ｄＢ帯域の光入射パワー依存性を計算した結果を示している。
　プロファイルＡの場合、１０μＷ入射時の３ｄＢ帯域は４８９ＭＨｚである。ただしこの帯域は、ｎ型エピタキシャル層１０６の層厚が１．１６μｍに変化すると５２２ＭＨｚになり、１．２４μｍになると４６１ＭＨｚまで低下する。このように、敏感に変化するので、十分高い歩留まりを確保するためには、設計中心において余裕のある帯域を実現していることが望ましい。プロファイルＢにおいては、１０μＷ入射時の３ｄＢ帯域は６６８ＭＨｚとプロファイルＡの約１．４倍に向上する。
　さらに、帯域は光入射パワーの増大とともに低下するが、プロファイルＢにおいては、７０μＷまで帯域５００ＭＨｚ以上を維持しており、帯域５００ＭＨｚを維持できる最大入射パワーが、プロファイルＡに対して格段に向上していることが分かる。量子効率に関しては、表面再結合速度を１×１０４ｃｍ／ｓと仮定して計算した場合、プロファイルＡの９５．６％に対し、プロファイルＢでは９９．３％に向上している。
　以上、帯域と効率の両方の計算結果から鑑みて、プロファイルＡよりプロファイルＢが明らかに優れている。これは、プロファイルＢが高効率高帯域を実現するための次に述べる条件を満たしているからであって、一方、プロファイルＡはそれを満たしていないからである。
　具体的に、プロファイルＢでは、シリコン表面からの深さｘ［μｍ］が０≦ｘ≦０．８の場合、ｎ型不純物濃度ｃ［ｃｍ－３］が以下の式１の条件を満足している。
　ｃ１≦ｃ≦ｃ２・・・（式１）
　ここで、ｃ１［ｃｍ－３］は式２で与えられる。
　ｃ１＝６×１０１７×ｅｘｐ（－ｘ２／（２×０．０３２））
　　　＋６×１０１６×ｅｘｐ（－（ｘ－０．１２）２／（２×０．１５２））
　　　＋１×１０１５・・・（式２）
　ここで、ｃ２［ｃｍ－３］は式３で与えられる。
　ｃ２＝１×１０１９×ｅｘｐ（－ｘ２／（２×０．０６２））
　　　＋４×１０１７×ｅｘｐ（－（ｘ－０．２４）２／（２×０．１７２））
　　　＋８×１０１５・・・（式３）
　このドーピングプロファイルを１回のイオン注入によって形成するのは難しい。二重イオン注入を行うか、または、低い方の濃度分布は、エピタキシャル成長のドーピング量制御で形成すればよい。
　二重イオン注入を前提にして述べると、浅い注入は、表面に急峻に低下するドーピングプロファイルを形成することにより、高量子効率を得る機能を果たす。一方、深い注入は、濃度勾配が空乏層端まで届くようにして、電界のかからない領域を十分狭くするか無くし、高帯域達成に寄与する。
　次に、上記計算手法について説明する。
　発明者は、バイポーラＩＣと集積されるＰＤの３ｄＢ帯域を５００ＭＨｚから向上させ、量子効率を１００％に極力近づけるために、定量的な検討を行った。その結果、バイポーラＩＣと集積することを前提とし、表面がｎ型シリコンの光ピックアップ用青色ＰＤにおいて、６００ＭＨｚを超える３ｄＢ帯域と９８％を超える量子効率を両立させることに成功した。
　量子効率に関しては、ｎ型不純物の表面最大濃度を１×１０１９ｃｍ－３以下にすれば、量子効率９０％以上が得られることが知られている。特許文献１、８、１１の実験データによれば、１×１０１９ｃｍ－３以下になれば、特段の濃度依存性が見られなくなる。さらに詳しく述べると、ｎ型不純物の拡散深さにも依存する。これは濃度勾配が変わることにより、フォト生成ホールキャリアに働く電界が変わり、表面再結合確率が変化するためである。特許文献１の図４によれば、量子効率が十分高く、かつ、濃度依存性がなくなる表面最大濃度は、ｎ型不純物拡散層深さが０．３μｍの場合、１×１０２０ｃｍ－３以下であるのに対し、ｎ型不純物拡散層深さが１．２μｍの場合、１×１０１９ｃｍ－３以下である。
　また、帯域に関しては、ｎ型の濃度分布を、表面では高く、ある深さ以上では勾配をつけて濃度を下げることより向上することが知られている。また、ｐｎ接合位置を浅くすることによっても向上することが知られている。ただし、これらは定性的な知見であって、定量的な知見ではない。定量的な検討については、特許文献８により、抵抗起因の帯域変化が開示されている。
　しかし、帯域は、抵抗のみならず、フォト生成ホールキャリアがｐ層まで輸送される時間にも大きく依存するため、その定量的な検討が望まれる。ホールキャリアの輸送現象の観点からは、ｐｎ接合位置は浅いほど帯域が向上する。他の理由によりｐｎ接合位置を深くする必要がある場合、高い帯域を得ることは非常に困難となる。そこで、ホールキャリアの輸送現象を深く解析し、ｎ型不純物濃度分布を厳密に検討する必要がある。
　発明者は、ｎ型エピタキシャル層１０６の層厚のばらつきを考慮した上で、モノリシック集積するバイポーラトランジスタの歩留まりを十分高くすることを意図し、ｎ型エピタキシャル層１０６の層厚の設計中心を１．２μｍと設定した。これだけ厚いと５００ＭＨｚ以上の帯域を得ることは容易でない。そこで、数値計算を行って、キャリアの輸送現象を詳細に解析した。
　計算では、量子効率を支配する表面再結合速度を、上述の通り、１×１０４ｃｍ／ｓとした。この値は、プロセス条件によっても変化し得るが、量子効率の大小関係は変わらないので、量子効率向上の方向性を知ることはできる。
　図４は量子効率のσ１依存性の計算結果を、図５はＰＤの３ｄＢ帯域のσ１依存性の計算結果を示している。二重イオン注入によるｎ型不純物濃度（ドーピングプロファイル）ｃの一般式として、式４で表されるガウス分布の和を仮定した。
　ｃ＝ｎ１×ｅｘｐ（－（ｘ－ｄ１）２／（２σ１ ２））
　　＋ｎ２×ｅｘｐ（－（ｘ－ｄ２）２／（２σ２ ２））・・・（式４）
　ここで、ｘはシリコン表面からの深さとする。ここで、ｎ１、ｎ２、ｄ１、ｄ２、σ１、σ２がパラメータである。ｎ１、ｎ２は各ガウス分布における最大濃度を示している。ｄ１、ｄ２は各ガウス分布における最大濃度ｎ１、ｎ２を与える深さを示している。σ１、σ２は深さの偏差である。また、ｄ１＜ｄ２とする。
　計算の結果、最大濃度が１×１０１９ｃｍ－３以下になっても、効率はなお最大濃度に依存することを新たに見出した。これは、表面再結合により対消滅する相手の電子濃度が変わるためである。また、帯域と効率は、パラメータｎ１、ｎ２、σ１に対してトレードオフの関係にあることが新たに判った。これまでは、ホールキャリアの動きやすさが、帯域向上、効率向上の両方に関連することは知られていた。しかしながら、帯域と効率の間にトレードオフの関係があるということは知られていなかった。
　このような新たな知見から、高い量子効率と高い帯域を両立させるためには、ドーピングプロファイルを厳密に限定することが有効であることが新たに判った。パラメータｎ１、ｎ２、ｄ１、ｄ２、σ１、σ２を変化させて計算した結果、発明者は、ｎ型不純物濃度ｃ［ｃｍ－３］が、深さｘ［μｍ］が０≦ｘ≦０．８の場合、上記式１～３の条件を満足すると好ましいことを見出した。
　このようなｎ型不純物濃度分布が良い理由を以下に述べる。まず、図４は量子効率のσ１依存性の計算結果を示している。図４中に示しているように、●で示された折れ線グラフはパラメータｎ１＝４×１０１８［ｃｍ－３］、ｎ２＝２×１０１７［ｃｍ－３］の場合、■で示された折れ線グラフはパラメータｎ１＝２×１０１８［ｃｍ－３］、ｎ２＝１×１０１７［ｃｍ－３］の場合を示している。その他のパラメータｄ１＝０［μｍ］、σ２＝０．１４［μｍ］は共通である。また、ｄ２については、それぞれの折れ線グラフについて、ｄ２＝０．２、０．２４、０．２８［μｍ］の３つ場合が示されている。いずれの折れ線グラフにおいても、ｄ２による変化はほとんど見られない。さらに、光入射パワーＰｉｎ＝１［μＷ］で共通である。
　図４から、最大濃度が１×１０１９ｃｍ－３以下であるにもかかわらず、効率はσ１に強く依存することが判る。σ１が狭くなれば、濃度勾配が急峻になるため、フォト生成ホールキャリアにかかる電界が大きくなって表面から引き離され、表面再結合確率が減少するためである。よって、σ１はかなり狭く０．０３～０．０６μｍ程度がよい。
　しかし、一方、図５から、σ１が狭くなり過ぎると帯域が悪化する。図５はＰＤの３ｄＢ帯域のσ１依存性の計算結果を示している。図５中に示しているように、●で示された折れ線グラフはパラメータｎ１＝４×１０１８［ｃｍ－３］、ｎ２＝２×１０１７［ｃｍ－３］の場合、■で示された折れ線グラフはパラメータｎ１＝２×１０１８［ｃｍ－３］、ｎ２＝１×１０１７［ｃｍ－３］の場合を示している。その他のパラメータｄ１＝０［μｍ］、ｄ２＝０．２４［μｍ］、σ２＝０．１４［μｍ］は共通である。さらに、光入射パワーＰｉｎ＝１［μＷ］で共通である。
　帯域を決定づける要因は、ｎ型エピタキシャル層１０６の中で、電界が０または電界が逆転する領域の長さがいかに短く抑えられるかによる。ｐ－型エピタキシャル層１０３に接する領域では、空乏化により電界がかかる。ｎ型エピタキシャル層１０６のうち空乏化していない領域は、濃度勾配により電界がかかるようにしなければならない。第１のガウス分布すなわち式４におけるｎ１×ｅｘｐ（－（ｘ－ｄ１）２／（２σ１ ２））しかない場合、σ１を０．０３～０．０６μｍ程度に狭くすれば、分布が伸びない。そのため、濃度勾配の無い領域が長くなり、帯域が大幅に悪化する。
　このジレンマを解決するのが第２のガウス分布すなわち式４におけるｎ２×ｅｘｐ（－（ｘ－ｄ２）２／（２σ２ ２））である。第２のガウス分布は、第１のガウス分布の表面近傍の急峻なプロファイルを阻害しないように、濃度勾配がｐｎ接合近傍の空乏化領域端まで届くようにすればよい。このために、ｎ２は、ｎ１よりある程度低く、かつ、ｎ型エピタキシャル層１０６の濃度よりもある程度高くした上で、濃度勾配がシリコン表面から０．６±０．２μｍ程度まで続くように、ｄ２、σ２を決定すればよい。具体的な目安は、１×１０１６ｃｍ－３まで濃度が下がる深さ位置が０．６±０．２μｍ程度とするのがよい。
　また、ｎ型エピタキシャル層１０６の濃度は、高過ぎると空乏層が伸びにくくなるため、応答が悪化する。一方、低過ぎると、集積されているバイポーラトランジスタのコレクタ抵抗が高くなるという問題が発生する。また、計算の結果、ｎ型エピタキシャル層１０６の濃度が低いと、高光入力時のＰＤの帯域が悪化する。例えば、これは図３及び図６における曲線Ｃ及びＤを比較することにより分かる。このような理由により、ｎ型エピタキシャル層６の濃度は、１×１０１５～８×１０１５ｃｍ－３程度が好ましい。
　ｎ１に関しては、高過ぎると効率が悪化し、低過ぎると、光入射位置とｎ電極間のｎ層の抵抗が上がるという問題が発生する。このような観点で限定する必要性が生じる。
　さらに、ｐｎ接合深さも一定の範囲内にあることが望ましい。下限はバイポーラトランジスタ構造から決まるが、０．９μｍ以上が良い。より望ましくは１．０μｍ以上が良い。さらにより望ましくは１．１μｍ以上が良い。また、ｐｎ接合深さの上限は、青色光に対するＰＤの帯域から決まるが、１．５μｍ以下が良い。より望ましくは１．４μｍ以下が良い。さらに望ましくは１．３μｍ以下が良い。
　次に、図６を参照して第１の実施の形態の製造方法を説明する。
　まず、ｐ型シリコン基板１０１上にｐ＋型シリコン層１０２、ｐ－型エピタキシャル層１０３を形成する。次に、ｐ型埋込み拡散層１０４とｎ型埋込み拡散層１０５を形成する。次に、全面にｎ型エピタキシャル層１０６を結晶成長する。次に、ｐ型分離拡散層１０７を形成し、ＰＤ領域にはリンまたはヒ素の二重イオン注入によりＰＤ部ｎ型拡散層１０８を形成する。浅いイオン注入は拡散係数が低いヒ素の注入がよいが、深い注入はリン、またはイオン注入エネルギーを高めたヒ素の注入がよい。バイポーラトランジスタ領域には、ｎ型拡散層１０９、ｐ型ベース拡散層１１０、ｎ型エミッタ拡散層１１１を形成する。次に、シリコン表面全面にわたって誘電体膜１１２を形成し、開口部を形成する。最後に、それぞれの開口部に電極１１３を形成しＰＤＩＣを得る。
　本実施の形態では、バイポーラトランジスタ領域のｎ型拡散層１０９を形成するイオン注入を、ＰＤ部ｎ型拡散層１０８を形成するイオン注入とは別に行うという工程を採用しているので、ＰＤ部ｎ型拡散層１０８のドーピングプロファイルをバイポーラトランジスタとは独立して設計できる。従って、ＰＤの帯域、効率を向上させるための詳細設計が可能になり、多重イオン注入を駆使して大幅に性能向上を達成できる。また、ｎ型エピタキシャル層１０６を成長するときのドーピング流量制御と組み合わせて濃度分布を形成しても良い。
実施の形態２
　上記実施の形態１において、ＰＤ部ｎ型拡散層１０８のドーピングプロファイルを、図６に示すＣとＤの間で構成することができる。第２の実施の形態では、下限、上限であるプロファイルＣ、プロファイルＤを採用する。これらのプロファイルＣ及びＤの３ｄＢ帯域の光入射パワー依存性の計算結果を図３に示す。プロファイルＣの１０μＷ入力時３ｄＢ帯域は９２２ＭＨｚで、プロファイルＤは７４２ＭＨｚである。プロファイルＡに対し、それぞれ、１．９倍、１．５倍に向上している。また、プロファイルＣは７０μＷまで、プロファイルＤは８０μＷ入力まで帯域５００ＭＨｚ以上の高帯域を達成しており、５００ＭＨｚ帯域を維持できる光入射パワーがプロファイルＡよりも格段と向上している。量子効率の計算値は、プロファイルＣが９９．６％、プロファイルＤが９８．４％であり、いずれも９８％以上を確保できている。プロファイルＤよりも濃度を上げると、高量子効率が維持できず望ましくない。
　計算の便宜上、ＰＤのｎ電極として内径８４μｍφのリング電極を仮定し、中心に５μｍφ（スポット径は光強度が１／ｅとなる径で規定する）の光を入射すると仮定する。この場合、光入射位置とｎ電極間の抵抗は、プロファイルＣの場合１３００Ω、プロファイルＤの場合３００Ωである。プロファイルＣよりも濃度を低下させると、抵抗値が上がる上に、図５から判るように高光入力時の帯域が低下するので好ましくない。
　プロファイルＣは上記式２のｃ１［ｃｍ－３］、プロファイルＤは上記式３のｃ２［ｃｍ－３］で表される。この両者の間のドーピングプロファイルであれば、６００ＭＨｚ以上の良好な帯域と、９８％以上の良好な効率と、１．４ｋΩ以下の低い抵抗のすべてを満足し、プロファイルＡのように、ＣとＤの範囲内に入っていないプロファイルよりも、格段と向上した良好な性能が得られる。
　また、用途に応じて、プロファイルＣ、Ｄを使い分けることもできる。再生専用の光ディスク装置においては、低光入力の帯域さえ高ければよいので、プロファイルＣを用いればよい。記録用光ディスク装置においては、高光入力オフ後のセトリングタイムを短縮することが望まれるので、高光入力時の帯域が高いＤのプロファイルが適している。
　以上説明したように、ｎ型エピタキシャル層１０６の層厚を１．２±０．２μｍとした上で、新たに見出した帯域と効率のトレードオフの関係を打破したｎ型不純物濃度分布を規定することにより、集積するバイポーラトランジスタの耐圧と、６００ＭＨｚ以上のＰＤ帯域と、９８％以上の量子効率をすべて満足する歩留まりを十分高くし、低コスト化を実現したＰＤＩＣを提供することができる。また、入射光パワーが７０μＷと高くなっても５００ＭＨｚ以上の３ｄＢ帯域を実現したＰＤＩＣを提供することができる。
　以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
　この出願は、２００８年１２月１日に出願された日本出願特願２００８－３０６１５０を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
　本発明は、例えば光ピックアップに搭載されるＰＤＩＣに適用可能である。
１０１　ｐ型シリコン基板
１０２　ｐ＋型シリコン層
１０３　ｐ－型エピタキシャル層
１０４　ｐ型埋込み拡散層
１０５　ｎ型埋込み拡散層
１０６　ｎ型エピタキシャル層
１０７　ｐ型分離拡散層
１０８　ＰＤ部ｎ型拡散層
１０９　ｎ型拡散層
１１０　ｐ型ベース拡散層
１１１　ｎ型エミッタ拡散層
１１２　誘電体膜
１１３　電極

Claims (7)

  1. 　トランジスタと、
    　前記トランジスタとモノリシック集積された受光素子と、を有し、
    　前記受光素子が、
    　ｐ型半導体層と、
    　前記ｐ型半導体層上に形成されたｎ型エピタキシャル層と、
    　前記ｎ型エピタキシャル層上に形成されたｎ型拡散層と、を備え、
    　前記ｎ型拡散層の深さ方向のｎ型不純物濃度分布が、二重イオン注入によって形成されたものであり、かつ、
    　前記ｐ型半導体層と前記ｎ型エピタキシャル層との界面位置が、前記ｎ型拡散層の表面から深さ０．９μｍ以上１．５μｍ以下である半導体装置。
  2. 　前記トランジスタがバイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 　前記ｎ型拡散層の表面からの深さｘ［μｍ］におけるｎ型不純物濃度ｃ［ｃｍ－３］が、０≦ｘ≦０．８の場合、ｃ１≦ｃ≦ｃ２（ただし、ｃ１、ｃ２［ｃｍ－３］は下記の各式で与えられる。）を満足していることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
    ｃ１＝６×１０１７×ｅｘｐ（－ｘ２／（２×０．０３２））
    　＋６×１０１６×ｅｘｐ（－（ｘ－０．１２）２／（２×０．１５２））
    　＋１×１０１５
    ｃ２＝１×１０１９×ｅｘｐ（－ｘ２／（２×０．０６２））
    　＋４×１０１７×ｅｘｐ（－（ｘ－０．２４）２／（２×０．１７２））
    　＋８×１０１５
  4. 　前記ｐ型半導体層と前記ｎ型エピタキシャル層との界面位置が、前記ｎ型拡散層の表面から深さ１．０μｍ以上１．４μｍ以下であることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の半導体装置。
  5. 　トランジスタと受光素子とがモノリシック集積された半導体装置の製造方法であって、
    　ｐ型半導体層上に厚さ０．９μｍ以上１．５μｍ以下のｎ型エピタキシャル層を形成し、
    　前記ｎ型エピタキシャル層上であって、前記受光素子の形成領域にｎ型拡散層を二重イオン注入によって形成する半導体装置の製造方法。
  6. 　前記ｎ型拡散層の表面からの深さｘ［μｍ］におけるｎ型不純物濃度ｃ［ｃｍ－３］が、０≦ｘ≦０．８において、ｃ１≦ｃ≦ｃ２（ただし、ｃ１、ｃ２［ｃｍ－３］は下記の各式で与えられる）を満足するように前記ｎ型拡散層を形成することを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
    ｃ１＝６×１０１７×ｅｘｐ（－ｘ２／（２×０．０３２））
    　＋６×１０１６×ｅｘｐ（－（ｘ－０．１２）２／（２×０．１５２））
    　＋１×１０１５
    ｃ２＝１×１０１９×ｅｘｐ（－ｘ２／（２×０．０６２））
    　＋４×１０１７×ｅｘｐ（－（ｘ－０．２４）２／（２×０．１７２））
    　＋８×１０１５
  7. 　ｐ型半導体層上に厚さ１．０μｍ以上１．４μｍ以下のｎ型エピタキシャル層を形成することを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体装置の製造方法。
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