CN102934241A - 红外发光元件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有1.57μm的波长的红外发光元件的制造方法，其中，在含有C的Si基板上形成SiO2膜，在含氧的气氛中进行RTA处理，或者，在注入杂质离子后在含氧的气氛中实施RTA处理，由此形成C中心。

Description

红外发光元件的制造方法
技术领域
本发明涉及红外发光元件的制造方法。
背景技术
以硅(Si)为基材的大规模集成电路(LSI：Large Scale Integration)的内部配线使用铜线等，由此配线延迟和焦耳热的发生导致的温度上升等的问题存在。
因而，近年来，出于抑制配线延迟等的目的，在内部配线中利用光学互接的光电积体电路的开发进行。
在光电积体电路的实现中，必须在LSI芯片上，同时制作互补型金属氧化膜半导体场效应晶体管(CMOS：互补型金属氧化物半导体，Complementary Metal Oxide Semiconductor)等的现有元件和发光元件等的光元件。
因此，上述光元件优选能够由以Si作为基材的材料制作。
另外，为了抑制通信时的数据损失，光通信所使用的波长优选处于作为光纤的最低损失波长区域的1.55μm附近，发光元件所要求的性能是具有1.55μm附近的发光波长。
根据上述背景，最近，面向利用了从使稀土类元素、特别是铒(Er)添加后的Si发生的1.53μm的发光的发光元件的实用化的研究正在推进。公知着所添加的Er的3价离子与Si中的氧(O)原子结合而发光的技术，例如，G.Franzo等成功观测到来自共同添加有Er和O的材料的室温电致发光(参照非专利文献1)。
另一方面，利用了来自在Si中所形成的结晶缺陷的发光的发光元件的开发也被推进。例如，S.G.Cloutier等确认到，由离子轰击而发生的置换碳(C)原子和晶格间Si原子所构成的点缺陷为发光中心的、具有1.28μm的波长的发光的光增益/受激发射(参照非专利文献2)。
【先行技术文献】
【非专利文献】
【非专利文献1】G.Franzo，F.Priolo，S.Coffa，A.Polmanand A.Carnera，Appl.Phys.Lett.64，2235(1994)
【非专利文献2】S.G.Cloutier，P.A.Kossyrev and J.Xu，Nature Mater.4，887(2005)
【非专利文献3】J.M.Trombetta and G.D.Wat kins，Appl.Phys.Lett.51，1103(1987)
使用Er等稀土类元素时，因其自然界的埋藏量与Si等相比少，所以将来能不能稳定地供給还不清楚。
另外，添加Er时，点缺陷、线缺陷、环缺陷、位错等的缺陷就容易生成，因此发光效率降低成为问题。
此外，Er对于CMOS等的现有元件来说，是污染物成分，被认为兼用含制造装置在内的扩散线困难。
因此，加上添加Er的工序过程，就需要追加专用的制造线和制造装置，因此认为与目前相比，制造成本变高。
另外，从现有的利用Si中的结晶缺陷的发光元件材料出发，得到在1.55μm附近(1.50～1.60μm)具有锐利线幅的发光困难，其结果，发光强度受其他的波长区域的发光限制就成为问题。
发明内容
鉴于上述背景，本发明提供一种红外发光元件的制造方法，该红外发光元件由以Si为基材并可以在Si基板上形成的膜构成，其不使用Er等稀土类元素，而使用现有的半导体器件制造工艺、CMOS形成用的制造线和制造装置便可以形成，以由晶格间C和晶格间O构成的点缺陷为发光中心(以下，记述为C中心)，仅在作为C中心特有的发光波长的1.57μm附近具有发光波长。
本发明涉及红外发光元件的制造方法，其特征在于，在添加有C的Si基板上形成有SiO2膜，在含氧气氛中进行RTA处理的工序，或者，在注入杂质离子后在含氧气氛中进行RTA处理。
根据本发明，能够直接应用在LSI的制作中所使用的现有的半导体器件制造工艺，因此不需要导入新的特殊的装置、或考虑工艺的相容性，能够简便且低成本地制造1.57μm附近的光源。
附图说明
图1是表示本发明的发光元件的构造的图。
图2是表示本发明的发光元件的制造方法的流程图。
图3是表示本发明的实施例1的发光元件的发光光谱的图。
图4是表示本发明的发光元件所含的As的注入特性曲线的图。
图5是表示本发明的实施例2的发光元件的发光光谱的图。
图6是表示本发明的实施例3的发光线强度的SiO2膜厚依存性的图。
图7是表示发光线强度的热处理气氛中所含的氧浓度依存性的图。
具体实施方式
(实施的方式)
以下，一边参照附图一边对于本发明的实施的方式进行说明。
图1表示本发明的发光元件的构造。本实施方式具有在Si基板1的基板表面形成有SiO2膜2的构造。而且，具有在Si基板1的内部形成有C中心的构造。
在此，就C中心而言，通过在热处理和离子注入所形成的结晶缺陷恢复的过程使热处理气氛中的氧混入而被形成。
因此，C中心的量依存于热处理和离子注入所形成的结晶缺陷、和热处理中混入的氧的量。因此，为了使C中心的量增加，使发光强度增大，需要在热处理中被混入的氧扩散的区域、在无非结晶化的范围尽可能多地创造结晶缺陷，且由SiO2膜的膜厚、离子注入条件和热处理条件控制。
接着，使用图2，说明本发明的红外发光元件的制造方法。该方法即是用于形成C中心的步骤。
首先，在工序(a)中，准备含有作为构成C中心的元素之一的C的Si基板。
就C浓度而言，优选在不超过Si中的固溶极限(2×1018cm-3)的范围内尽可能以高浓度含有，所要求的浓度范围是1×1015cm-3以上，2×1018cm-3以下。
其次，在工序(b)中，为了控制离子注入和热处理中产生的结晶缺陷的量和位置，而在硅基板上形成SiO2膜。SiO2膜例如一般可以由硅制程中形成热氧化膜的条件下形成，通过调整热处理温度和热处理时间，能够控制SiO2膜的膜厚。
其后，在工序(c)中，在形成有SiO2膜的Si基板上，在氧气氛中进行热处理，形成C中心。在此应该注意的是，已知形成的C中心会在利用了热处理炉的长时间的热处理中消失。因此，需要短时间的热处理。这种情况下，为了确保恢复可构成阻碍来自C中心的发光的要因的C中心以外的缺陷所需要的热量，需要高温下的热处理。作为进行高温/短时间的热处理的手段，适合的是快速热退火(RTA：rapid thermal annealing)。作为RTA的升温速度的一例，为40℃/sec以上、900℃/sec以下。另外，作为RTA的降温速度的一例，为40℃/sec以上、900℃/sec以下。
还有，即使仅凭RTA中的急速升温带来的热冲击，也可以形成C中心，但为了制造尽可能多的结晶缺陷，期望在热处理前进行工序(d)的离子注入。
离子注入的离子种类，能够使用CMOS制造中一般所使用的作为杂质的砷(As)、磷(P)、硼(B)、锗(Ge)等)。
注入能需要选择的是，能够相对于SiO2膜的膜厚而注入杂质的平均射程(Rp)存在于Si基板之中，且向Si基板中导入充分的缺陷的能量。
注入剂量需要设定为，不会由于非晶质化的影响而在热处理后形成恢复困难的位错等的大型缺陷的值，即，设定在Si基板非晶化的临界剂量以下。
进行离子注入时，工序(c)中热处理温度和热处理时间，只要是热处理气氛中所含的氧能够扩散到在硅基板中形成注入缺陷的区域这一条件即可。例如，使目标深度处于由注入所形成的缺陷密度高的Rp的2倍左右(约200nm)时，则热处理温度设定为1000℃以上，热处理时间设定为30秒以上、1分以内即可。
另外，工序(c)的热处理气氛中所含氧气的浓度，考虑到SiO2膜的增膜和残留缺陷量而应该使之最佳化，但在上述条件下，设定在5％以上、40％以下能够得到最佳值。
接着，对于更具体的实施例进行说明。
【实施例1】
作为实施例1，对于不进行工序(d)的离子注入而制造发光元件的方法进行说明。
首先，在工序(a)中，作为含有C的Si基板，使用含有1×1016cm- 3左右的C的由切克劳斯基法(Cz)法形成的市场销售的Si基板。
工序(b)的SiO2膜的制成，一般可以在硅制程中形成热氧化膜的条件下形成，在本实施例中，以900℃进行55分钟的热处理后，进行1000℃、20分的热处理，形成43nm的SiO2膜。
其次，作为工序(c)，将氧浓度设定为10％，以1100℃进行30sec的RTA处理。在此，升降温速度均为40℃/sec。
以如上方式形成的发光元件的低温(30K)阴极发光(CL)测量结果表示在图3中。为了进行比较，将在氧浓度0％气氛下进行工序(c)、且其他与实施例1相同的条件下制成的试料的CL光谱也一起表示在图3中。由图3可知，本实施例的试料(氧浓度10％)，观测到1.57μm的发光线，形成良好的发光元件。相对于此，在比较例的试料(氧浓度0％)中，未见发光光谱的峰值。另外，在本实施例的试料中，未见存在使1.57μm的发光线的发光强度降低的可能性的点缺陷、线缺陷、环缺陷、位错等引起的发光线。
【实施例2】
作为实施例2，对于进行工序(d)的离子注入而制造发光元件的方法进行说明。
首先，与实施例1同样，在工序(a)中，作为含有C的Si基板，使用含有1×1016cm-3左右的C的由切克劳斯基(Cz)法形成的市场销售的Si基板。
本实施例的工序(b)的SiO2膜的形成条件，是以900℃进行45分钟的热处理后，在1000℃进行20分钟的热处理，其膜厚为10nm。
其次，作为工序(d)，作为质量数比较大、且以很少的注入量就能够对Si基板造成比较大的损伤的杂质，注入了As。这时，As的注入能设定为Rp处于90nm左右的150keV，注入剂量设定为比As注入的临界剂量(8×1013cm-2)小的值、即21×1013。
此外，作为工序(c)，将氧浓度设定为40％，以1100℃进行50sec的RTA处理。在此，升降温速度均为40℃/sec。
上述注入、热处理条件下的As的特性曲线表示在图4中。可知平均射程Rp为90nm左右。
另外，以如上方式形成的这一构造的低温(30K)阴极发光(CL)测量结果由图5的实线表示。在图5中作为比较例，以氧浓度0％气氛下进行工序(c)、且其他与实施例2相同的条件下制成的试料的CL光谱也一起表示在图5中。根据图5，在实施例2的发光元件中，与实施例1同样，观测到1.57μm的发光线。相对于此，在比较例的试料(氧浓度0％)中，未见到发光光谱的峰值。另外，在本实施例的试料中，未见点缺陷、线缺陷、环缺陷、位错等引起的发光线。
【实施例3】
在本实施例中，制成使工序(b)中形成的SiO2膜的膜厚变化的试料。SiO2膜的膜厚为10nm或43nm。除SiO2膜的膜厚和工序(c)的RTA处理时的氧浓度设定为10％以外的实验条件，与实施例2相同。在本实施例的试料中，基于低温(30K)阴极发光(CL)测量的、1.57μm的发光线强度的SiO2膜厚依存性表示在图6中。
就1.57μm的发光线而言，无论是使SiO2膜的膜厚为10nm还是43nm均可见。由图6可知，通过控制SiO2膜的膜厚，可以控制C中心的量，其结果是可以控制发光线强度。通过使SiO2膜的膜厚薄至10nm以下，能够得到更大的发光强度。
【实施例4】
在本实施例中，在工序(c)中，使热处理气氛中所含的氧的比例变化，而制成试料。其他的实验条件与实施例2相同。在本实施例中，热处理气氛中所含的氧的比例为0％、5％、10％、20％、30％、40％。在本实施例的试料中，基于低温(30K)阴极发光(CL)测量的、1.57μm的发光线强度的热处理气氛中所含的氧浓度依存性表示在图7中。由图7可知，氧浓度为5％以上、40％以下，观察到1.57μm的发光线。另外，如果为10％以上，则发光强度进一步增加。虽然发光强度随着氧浓度变高而增加，但在30％左右达到饱和。
【产业上的可利用性】
如果使用本发明的发光元件的制造方法，则能够直接采用LSI的制作所使用的现有的半导体器件制造工艺，因此不需要导入新的特殊的装置、或考虑工艺的相容性，能够简便且低成本制造1.57μm附近的光源。
【符号的说明】
1       Si基板
2       SiO2膜

Claims (9)

1.一种红外发光元件的制造方法，其中，具有如下工序：
(a)准备含有1×1015cm-3以上、2×1018cm-3以下的C的Si基板的工序；
(b)在所述Si基板表面形成SiO2膜的工序；
(c)将形成有所述SiO2膜的所述Si基板、在含氧气氛中进行RTA处理的工序。
2.一种红外发光元件的制造方法，其中，具有如下工序：
(a)准备含有1×1015cm-3以上，2×1018cm-3以下的C的Si基板的工序；
(b)在所述Si基板上形成SiO2膜的工序；
(d)对于形成有所述SiO2膜的所述Si基板进行离子注入的工序；
(c)将所述离子注入进行后的所述Si基板、在含氧气氛中进行RTA处理的工序。
3.根据权利要求1或2所述的红外发光元件的制造方法，其特征在于，所述RTA处理的升温速度为40℃/sec以上、900℃/sec。
4.根据权利要求1或2所述的红外发光元件的制造方法，其特征在于，所述RTA处理在1000℃以上、1200℃以下进行。
5.根据权利要求1或2所述的红外发光元件的制造方法，其特征在于，以1秒以上、1分钟以内进行所述RTA处理。
6.根据权利要求1或2所述的红外发光元件的制造方法，其特征在于，在含氧气氛中进行所述RTA处理。
7.根据权利要求2所述的红外发光元件的制造方法，其特征在于，所述离子注入的离子种类为As。
8.根据权利要求2所述的红外发光元件的制造方法，其特征在于，以150keV的能量进行所述离子注入。
9.根据权利要求2所述的红外发光元件的制造方法，其特征在于，所述离子注入量为8×1013cm-3以下。
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