JP2004172609A - Photoelectric conversion element and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電変換素子およびその製造方法に関し、特にヘテロ接合を構成する2種の半導体材料からなる光電変換部の構成に関するものである。 The present invention relates to a photoelectric conversion element and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a configuration of a photoelectric conversion unit made of two kinds of semiconductor materials forming a heterojunction.
一般的な半導体材料のうち、シリコン・ゲルマニウム(SiGe)はシリコン(Si)と比べてバンドギャップが小さいため、例えばSiGeを受光層(光電変換層)として用いた受光素子は、Siを用いた受光素子よりも長波長の光を受光できることが知られている。SiGe層のGe濃度を適切な値に設定することによって、現在の光通信技術で用いられている1.3μm帯や1.5μm帯の波長にも対応可能な光受信器を実現することができる。SiGe層やSi/SiGe超格子層を受光層として用いた構造の受光素子が提案されている(例えば、非特許文献1、特許文献1、特許文献2参照)。
図13は、Si/SiGe超格子層を受光層として用いた従来の受光素子を示す断面図である。図14は受光層の部分のみを示す断面図である。この受光素子においては、図13、図14に示すように、p型単結晶Si基板101の表面に高濃度n型埋込層102が形成され、その上にp型Si層103が形成されている。p型Si層103の上部はメサ型の形状に加工されており、メサ形状部のp型Si層103上にSi層104とSiGe層105とが交互に多数積層されたSi/SiGe超格子層106、高濃度p型Si層107が下からこの順に形成されている。そして、メサ形状部とそれ以外のp型Si層103の表面が絶縁膜108で覆われ、高濃度n型引き出し層109を介して高濃度n型埋込層102に接続された電極110と、高濃度p型Si層107に接続された電極111とが形成されている。
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a conventional light receiving element using a Si / SiGe superlattice layer as a light receiving layer. FIG. 14 is a cross-sectional view showing only the light receiving layer. In this light receiving element, as shown in FIGS. 13 and 14, a high-concentration n-type buried
受光部にSiGe層を用いた従来の受光素子においては、受光効率を上げるためにSiGe層を単層で厚く形成すると、SiとSiGeの格子不整合に起因する歪みが緩和して格子欠陥が生じ、格子欠陥に起因してリーク電流が発生するという問題がある。そこで、SiGe層を複数用いることとし、これらSiGe膜厚の合計を臨界膜厚以上とするために、歪みの影響を抑えるSi/SiGe超格子構造を受光層として用いることが一般的に行われている。なお、「臨界膜厚」とは、膜厚を厚くしていったときに歪み緩和による格子欠陥が生じない上限の膜厚のことをいう。例えば、上記の非特許文献1には、各SiGe層の膜厚を3nm、各Si層の膜厚を29nm(SiGe膜厚の約10倍)とし、合計膜厚を600nm(積層数で合計40層程度)とした受光層の例が記載されている。ところが、超格子構造を採用した場合でも膜厚の限界があり、受光効率を大きくとることが難しいという問題があった。
In a conventional light-receiving element using a SiGe layer in the light-receiving portion, when a single-layer thick SiGe layer is formed to increase the light-receiving efficiency, strain caused by lattice mismatch between Si and SiGe is relaxed and lattice defects occur. In addition, there is a problem that a leak current occurs due to a lattice defect. Therefore, in order to use a plurality of SiGe layers, and to make the total of these SiGe film thicknesses equal to or more than the critical film thickness, it is common practice to use a Si / SiGe superlattice structure that suppresses the influence of strain as the light receiving layer. I have. The “critical film thickness” refers to an upper limit film thickness at which lattice defects due to strain relaxation do not occur when the film thickness is increased. For example, in
また、超格子構造ではSiGe層の1層あたりの膜厚は臨界膜厚を超えることができない。また、SiGe層の臨界膜厚はGe濃度と相関があり、Ge濃度が高くなるほどSiとの格子定数のずれが大きくなるため、臨界膜厚は薄くなる。ここで、特に長波長の光を吸収できるようにSiGe層のGe濃度を高くした場合、臨界膜厚が非常に薄くなってくるため、実際の各SiGe層の膜厚もさらに薄いものとなる。 In the superlattice structure, the thickness of one SiGe layer cannot exceed the critical thickness. In addition, the critical thickness of the SiGe layer has a correlation with the Ge concentration, and the higher the Ge concentration, the larger the deviation of the lattice constant from Si becomes. Here, in particular, when the Ge concentration of the SiGe layer is increased so as to absorb light of a long wavelength, the critical film thickness becomes very small, so that the actual film thickness of each SiGe layer is further reduced.
ところが、SiGe層の膜厚が非常に薄くなると、量子効果により、図15のSi/SiGe超格子層のエネルギーバンド図に示すように、E1,E2といったサブバンドが形成され、バンドギャップが広がってしまう。その結果、長波長の光に対応するべくSiGe層を用いていながら、図16に示すように、長波長側での光の吸収量が低下する、すなわち長波長の光の受光効率が低下するという問題が生じていた。通常の超格子構造ではSiGe層の膜厚を臨界膜厚以下としなければならないため、この問題を回避することができない。 However, when the thickness of the SiGe layer becomes extremely thin, subbands such as E1 and E2 are formed due to the quantum effect as shown in the energy band diagram of the Si / SiGe superlattice layer in FIG. I will. As a result, while using the SiGe layer to cope with long-wavelength light, as shown in FIG. 16, the amount of light absorbed on the long-wavelength side decreases, that is, the light-receiving efficiency of long-wavelength light decreases. There was a problem. In a normal superlattice structure, the thickness of the SiGe layer must be equal to or less than the critical thickness, so that this problem cannot be avoided.
さらに、製造プロセスの観点からすると、超格子構造を形成するには非常に多くの膜の積層が必要となる(上述したように、非特許文献1の例では40層程度)ので、製造プロセスの時間や手間がかかるという問題があった。 Further, from the viewpoint of the manufacturing process, a very large number of films must be stacked to form a superlattice structure (as described above, about 40 layers in the example of Non-Patent Document 1). There was a problem that it took time and effort.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、高い受光効率を実現するとともに、製造プロセスに要する時間や手間を低減し得る受光素子をはじめとする光電変換素子およびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and realizes a high light receiving efficiency and a photoelectric conversion element including a light receiving element capable of reducing the time and labor required for a manufacturing process, and manufacturing the same. The aim is to provide a method.
上記の目的を達成するために、本発明の光電変換素子は、第1の半導体層と、前記第1の半導体層に形成された溝の内部に埋め込まれた第2の半導体層とを有する光電変換部を備えたことを特徴とする。また、前記溝の幅は、前記第1の半導体層に接して前記第2の半導体層を積層させたときに前記第2の半導体層内に格子不整合が発生しない最大の膜厚を示す臨界膜厚よりも大きく、かつ前記臨界膜厚の2倍の値以下とすることが望ましい。ここで言う「第1の半導体層」、「第2の半導体層」とは、格子定数が比較的近く、ヘテロ接合を構成するものであって、例えば第1の半導体層としてSi、第2の半導体層としてSiGeが用いられる。 In order to achieve the above object, a photoelectric conversion element according to the present invention includes a photoelectric conversion element including a first semiconductor layer and a second semiconductor layer embedded in a groove formed in the first semiconductor layer. A conversion unit is provided. The width of the groove is a critical value that indicates the maximum film thickness at which lattice mismatch does not occur in the second semiconductor layer when the second semiconductor layer is stacked in contact with the first semiconductor layer. It is desirable that the thickness be larger than the film thickness and equal to or less than twice the critical film thickness. The terms “first semiconductor layer” and “second semiconductor layer” used herein have relatively close lattice constants and form a heterojunction. For example, the first semiconductor layer may be made of Si, SiGe is used as the semiconductor layer.
本発明の光電変換素子は、第1の半導体層に形成された溝の内部に第2の半導体層を埋め込んだ構成となっている。この構成を実現するために、製造の際には第1の半導体層の溝の内壁面に沿う第2の半導体層を成膜することになり、溝の両側面から第2の半導体層が成長していき、最終的に溝の内部全体に第2の半導体層を埋め込むことができる。この際、溝の幅が、第2の半導体層の臨界膜厚よりも大きく、かつ臨界膜厚の2倍の値以下となるように形成しておけば、成膜する膜厚は臨界膜厚以下でも、溝の内部には臨界膜厚以上の膜厚を持った第2の半導体層が形成されることになる。その結果、量子効果による効率低下等の問題のない、所望の特性を有する光電変換素子を得ることができる。 The photoelectric conversion element of the present invention has a configuration in which a second semiconductor layer is embedded in a groove formed in a first semiconductor layer. In order to realize this configuration, a second semiconductor layer is formed along the inner wall surface of the groove of the first semiconductor layer at the time of manufacturing, and the second semiconductor layer grows from both side surfaces of the groove. Then, the second semiconductor layer can be finally buried in the entire inside of the groove. At this time, if the width of the groove is formed so as to be larger than the critical film thickness of the second semiconductor layer and equal to or less than twice the critical film thickness, the film thickness to be formed becomes the critical film thickness. Even below, a second semiconductor layer having a thickness equal to or greater than the critical thickness is formed inside the groove. As a result, it is possible to obtain a photoelectric conversion element having desired characteristics without a problem such as a decrease in efficiency due to a quantum effect.
例えば、第1の半導体層をSi、第2の半導体層をSiGeとして受光素子を構成すると、溝の中に埋め込むSiGe膜厚を臨界膜厚以上とすることができ、量子効果の影響を低減することができるので、従来の超格子構造を用いた場合と比べて長波長側の受光効率を向上させることができる。また、受光効率は、SiGe膜の体積によっても左右されるが、本発明の構造ではSiGe膜の体積は溝の深さで決まり、溝を深くすればするほど受光効率を上げることができ、従来の超格子構造のような臨界膜厚による限界はない。デバイスの高速応答性等の性能から受光層の厚さに制限がある場合はSi部分とSiGe部分との比率で受光効率が決まるが、本発明の構造の場合は溝幅の比率で決まるため、製造装置の性能を上げるかプロセスを工夫することで受光効率を上げることができる。従来の超格子構造のように歪み量を抑えるため、前述の論文に記載されたようにSi部分をSiGe部分の10倍にしなければならないということもなく、超格子構造と比べて同等、もしくはそれ以上の受光効率を実現することができる。 For example, when a light receiving element is configured by using the first semiconductor layer as Si and the second semiconductor layer as SiGe, the thickness of the SiGe embedded in the groove can be equal to or more than the critical thickness, and the influence of the quantum effect is reduced. Therefore, the light receiving efficiency on the long wavelength side can be improved as compared with the case where the conventional superlattice structure is used. Although the light receiving efficiency is also affected by the volume of the SiGe film, in the structure of the present invention, the volume of the SiGe film is determined by the depth of the groove, and the light receiving efficiency can be increased as the depth of the groove increases. There is no limit due to the critical film thickness as in the superlattice structure described above. When the thickness of the light receiving layer is limited due to the performance such as high-speed response of the device, the light receiving efficiency is determined by the ratio between the Si portion and the SiGe portion. However, in the case of the structure of the present invention, the light receiving efficiency is determined by the ratio of the groove width. The light receiving efficiency can be increased by improving the performance of the manufacturing apparatus or devising the process. In order to reduce the amount of strain as in the conventional superlattice structure, the Si portion does not have to be ten times as large as the SiGe portion as described in the above-mentioned paper, and is equal to or greater than the superlattice structure. The above light receiving efficiency can be realized.
製造プロセスとしては、「第1の半導体層成膜」、「エッチング等による第1の半導体層への溝形成」、「第2の半導体層成膜」の3工程が少なくとも必要となるが、Si/SiGeの超格子層を交互に数10層成膜していた従来のプロセスに比べて製造プロセスに要する時間や手間を削減することができる。 As a manufacturing process, at least three steps of “first semiconductor layer film formation”, “groove formation in the first semiconductor layer by etching or the like”, and “second semiconductor layer film formation” are required. The time and labor required for the manufacturing process can be reduced as compared with the conventional process in which several tens of / SiGe superlattice layers are alternately formed.
また、前記溝が複数形成されるとともに、それぞれの溝を埋める第2の半導体層が第1の半導体層の上面を覆って互いに接続されている構成とすることが望ましい。
この構成においては、第2の半導体層の占める体積を相対的に大きくすることができ、例えば第2の半導体層がSiGeである場合、特に長波長側の受光効率を向上できるというように、第2の半導体層の持つ特性をより生かすことができるようになる。
In addition, it is preferable that a plurality of the grooves are formed, and a second semiconductor layer filling each of the grooves covers the upper surface of the first semiconductor layer and is connected to each other.
In this configuration, the volume occupied by the second semiconductor layer can be relatively increased. For example, when the second semiconductor layer is made of SiGe, the second semiconductor layer can improve the light receiving efficiency particularly on the long wavelength side. The characteristics of the second semiconductor layer can be further utilized.
また、前記第1の半導体層の下面にエッチングストップ層を更に備え、溝の底面がエッチングストップ層で構成されていることが望ましい。
この構成においては、第1の半導体層に対してエッチングによる溝加工を施す際、エッチングストップ層のところでエッチングを停止させることができるため、溝の深さを容易に制御できるようになり、性能の安定化が図れる。
例えば第1の半導体層をSiで構成し、第2の半導体層をSiGeで構成し、エッチングストップ層をSiGeで構成することができる。
この構成の場合、EPW(エチレンジアミン・ピロカテコール・水の混合液)等のエッチング剤を用いることができ、このエッチング剤が持つSiエッチングに対する異方性を利用して、垂直に切り立った溝を形成することができる。
It is preferable that an etching stop layer is further provided on the lower surface of the first semiconductor layer, and the bottom surface of the groove is formed of the etching stop layer.
In this configuration, when a groove is formed by etching on the first semiconductor layer, the etching can be stopped at the etching stop layer, so that the depth of the groove can be easily controlled, and the performance can be improved. Stabilization can be achieved.
For example, the first semiconductor layer can be made of Si, the second semiconductor layer can be made of SiGe, and the etching stop layer can be made of SiGe.
In the case of this configuration, an etching agent such as EPW (a mixed solution of ethylenediamine / pyrocatechol / water) can be used, and a vertically steep groove is formed by utilizing the anisotropy of the etching agent with respect to Si etching. can do.
また、前記第1の半導体層および前記第2の半導体層からなる光電変換部が、第1の半導体層の膜厚方向に複数積み重ねて形成されていてもよい。
この構成においては、溝の深さが製造装置の性能等により加工限界となる場合であっても、浅い溝構造の光電変換部を複数積層した構成とすることによって、深い溝構造の光電変換部と同等の性能を得ることができる。
In addition, a plurality of photoelectric conversion units each including the first semiconductor layer and the second semiconductor layer may be stacked in the thickness direction of the first semiconductor layer.
In this configuration, even when the depth of the groove is a processing limit due to the performance of the manufacturing apparatus or the like, a photoelectric conversion unit having a deep groove structure is formed by stacking a plurality of photoelectric conversion units having a shallow groove structure. The same performance can be obtained.
また、前記溝の少なくとも側壁面と前記第2の半導体層との間に、溝幅調整層を更に備える構成としてもよい。
この構成においては、上記のように、溝の幅を臨界膜厚よりも大きく、臨界膜厚の2倍の値以下となるように制御する際、製造装置の加工限界から幅狭の溝が形成できない場合であっても、溝の少なくとも側壁面に溝幅調整層を形成することによって幅狭の溝とすることができ、所望の膜厚を持った第2の半導体層を形成することができる。
Further, a configuration may further be provided that further includes a groove width adjusting layer between at least a side wall surface of the groove and the second semiconductor layer.
In this configuration, as described above, when the width of the groove is controlled to be larger than the critical film thickness and equal to or less than twice the critical film thickness, a narrow groove is formed due to the processing limit of the manufacturing apparatus. Even in the case where the groove cannot be formed, the groove can be narrowed by forming the groove width adjusting layer on at least the side wall surface of the groove, and the second semiconductor layer having a desired film thickness can be formed. .
本発明において、シリコンから構成される複数の第1の半導体層と、シリコン及びゲルマニウムを含む複数の第2の半導体層とを交互に積層してなる光電変換部が設けられ、前記第2の半導体層の厚さが該第2の半導体層内に格子不整合が発生しない最大の膜厚を示す臨界膜厚よりも大きく、かつ、前記臨界膜厚の2倍の値以下であることを特徴とするものでも良い。
本発明において、前記第2の半導体層が、該第2の半導体層を挟む位置にある両側の前記第1の半導体層を元にする結晶成長により形成され、前記第2の半導体層の厚さ方向中央部に、前記両方の第1の半導体層から結晶成長させた半導体結晶の結合部分に起因する結晶格子の位相ずれ面が形成されてなるものでも良い。
単に臨界膜厚よりも大きな膜厚として成膜すると第2の半導体層には成膜時に格子不整合部分が多く生じる。そこで第2の半導体層を挟む位置に対向状態にある第1の半導体層の両方から結晶成長させるように第2の半導体層を形成したものであるならば、一側の第1の半導体層側から成長させた臨界膜厚以下の厚さの第2の半導体層と、他側の半導体層側から成長させた臨界膜厚以下の第2の半導体層を接合して1つの第2の半導体層とできるので、本来の臨界膜厚の2倍の厚さまでの第2の半導体層であって、格子不整合部分のないものを得ることができる。
In the present invention, there is provided a photoelectric conversion unit formed by alternately stacking a plurality of first semiconductor layers made of silicon and a plurality of second semiconductor layers containing silicon and germanium, wherein the second semiconductor The thickness of the layer is larger than a critical film thickness that indicates a maximum film thickness at which no lattice mismatch occurs in the second semiconductor layer, and is equal to or less than twice the critical film thickness. What you do.
In the present invention, the second semiconductor layer is formed by crystal growth based on the first semiconductor layers on both sides sandwiching the second semiconductor layer, and has a thickness of the second semiconductor layer. A phase shift plane of a crystal lattice resulting from a coupling portion of semiconductor crystals grown from both of the first semiconductor layers may be formed at a central portion in the direction.
If the film is simply formed with a film thickness larger than the critical film thickness, a large number of lattice mismatch portions are generated in the second semiconductor layer during film formation. Therefore, if the second semiconductor layer is formed so as to grow a crystal from both of the first semiconductor layers facing each other at a position sandwiching the second semiconductor layer, one side of the first semiconductor layer A second semiconductor layer having a thickness equal to or less than the critical thickness grown from the first semiconductor layer and a second semiconductor layer having a thickness equal to or less than the critical thickness grown from the other semiconductor layer. Therefore, it is possible to obtain a second semiconductor layer having a thickness up to twice the original critical thickness and having no lattice mismatching portion.
本発明の光電変換素子の製造方法は、基板上に第1の半導体材料からなる第1の半導体層を形成する工程と、前記第1の半導体層に溝を形成する工程と、前記溝の内部に第2の半導体材料を埋め込んで第2の半導体層を形成する工程とを備えることを特徴とする。
本発明の光電変換素子の製造方法においては、上述のような所望の特性を有するとともに、製造プロセスを簡単化し得る光電変換素子を得ることができる。
According to the method of manufacturing a photoelectric conversion element of the present invention, a step of forming a first semiconductor layer made of a first semiconductor material on a substrate, a step of forming a groove in the first semiconductor layer, Forming a second semiconductor layer by embedding a second semiconductor material.
According to the method for manufacturing a photoelectric conversion element of the present invention, a photoelectric conversion element having desired characteristics as described above and capable of simplifying the manufacturing process can be obtained.
前記溝をエッチングにより形成するとともに、前記第1の半導体層を形成する前に、前記基板と前記第1の半導体層との間に前記エッチングを阻止するエッチングストップ層を形成する工程を更に備えてもよい。また、前記溝を形成した後に、前記溝の少なくとも側壁面を覆って前記溝の幅を狭める溝幅調整層を形成する工程を更に備え、その後、前記第2の半導体層を形成してもよい。 Forming the groove by etching, and before forming the first semiconductor layer, further comprising a step of forming an etching stop layer between the substrate and the first semiconductor layer to prevent the etching. Is also good. The method may further include, after the formation of the groove, a step of forming a groove width adjusting layer that covers at least a side wall surface of the groove and reduces the width of the groove, and thereafter, the second semiconductor layer may be formed. .
本発明の製造方法では、基板上に、Siからなる複数の第1の半導体層と、Si及び高濃度のGeを少なくとも含む複数の第2の半導体層が交互に積層された構造を有する光電変換部を備えた光電変換素子を製造する方法であり、前記第1の半導体層に対して積層する前記第2の半導体層として、高Ge濃度の第2の半導体層の臨界膜厚よりも厚い低Ge濃度の予備生成層を積層し、積層後に少なくとも光電変換部に相当する部分の前記複数の予備生成層をエッチングにより除去した後、除去した各予備生成層を挟む位置に存在するSiからなる前記第1の半導体層を元にして結晶成長を行って、前記除去部分に前記臨界膜厚よりも厚い高Ge濃度の第2の半導体層を形成して該除去部分を埋めることを特徴とするものでも良い。
単に臨界膜厚よりも大きな膜厚として第2の半導体膜を形成すると、第2の半導体層には成膜時に格子不整合部分が多く生じる。そこで第2の半導体層を挟む位置に対向状態にある第1の半導体層の両方から結晶成長させるように半導体層を形成したものであるならば、一側の第1の半導体層側から成長させた臨界膜厚以下の厚さの半導体層と、他側の半導体層側から成長させた臨界膜厚以下の半導体層を接合して1つの第2の半導体層として形成できるので、本来の臨界膜厚の2倍の厚さまでの第2の半導体層であって、格子不整合部分のないものを得ることができる。
According to the manufacturing method of the present invention, the photoelectric conversion has a structure in which a plurality of first semiconductor layers made of Si and a plurality of second semiconductor layers containing at least Si and high-concentration Ge are alternately stacked on a substrate. A method of manufacturing a photoelectric conversion element having a portion, wherein the second semiconductor layer laminated on the first semiconductor layer has a lower thickness than the critical thickness of the second semiconductor layer having a high Ge concentration. After stacking the pre-generation layers having a Ge concentration, removing at least a portion of the plurality of pre-generation layers corresponding to the photoelectric conversion portions by etching after the lamination, the pre-generation layers are formed of Si existing at positions sandwiching the removed pre-generation layers. Crystal growth is performed based on the first semiconductor layer, and a second semiconductor layer having a high Ge concentration thicker than the critical film thickness is formed in the removed portion to fill the removed portion. But it's fine.
If the second semiconductor film is simply formed to have a thickness larger than the critical thickness, a large number of lattice mismatch portions occur in the second semiconductor layer at the time of film formation. Therefore, if the semiconductor layer is formed so as to grow the crystal from both of the first semiconductor layers facing each other at the position sandwiching the second semiconductor layer, the first semiconductor layer is grown from one side of the first semiconductor layer. A semiconductor layer having a thickness equal to or less than the critical thickness and a semiconductor layer having a thickness equal to or less than the critical thickness grown from the other semiconductor layer side can be joined to form one second semiconductor layer. A second semiconductor layer having a thickness up to twice the thickness and having no lattice mismatch portion can be obtained.
本発明の製造方法において、前記高Ge濃度の第2の半導体層としてGeを50〜100%の範囲含むものを用い、前記低Ge濃度の予備生成層としてGeを5〜40%の範囲含むものを用いることを特徴とするものでも良い。 In the manufacturing method of the present invention, the second Ge layer having a high Ge concentration contains Ge in a range of 50 to 100%, and the pre-generation layer having a low Ge concentration contains Ge in a range of 5 to 40%. May be used.
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、高波長側でも光変換効率の低下しない所望の特性を有する光電変換素子が得られるとともに、光電変換素子の製造プロセスに要する時間や手間を低減することができる。 As described above in detail, according to the present invention, it is possible to obtain a photoelectric conversion element having desired characteristics in which the light conversion efficiency does not decrease even on the high wavelength side, and to reduce the time and labor required for the manufacturing process of the photoelectric conversion element. Can be reduced.
[第1の実施の形態]
以下、本発明の第1の実施の形態を図1〜図4を参照して説明する。
図1は、本実施の形態の受光素子(光電変換素子)を示す断面図である。
本実施の形態の受光素子においては、図1に示すように、p型単結晶Si基板1の表面に高濃度n型埋込層2が形成され、その上にp型Si層3が形成されている。p型Si層3の上部はメサ型の形状に加工されており、メサ形状部のp型Si層3上にノンドープのSi層4とSiGe層5とからなる受光部6(光電変換部)が形成され、その上に高濃度p型Si層7が形成されている。そして、メサ形状部とそれ以外のp型Si層3の表面が絶縁膜8で覆われ、高濃度n型引き出し層9を介して高濃度n型埋込層2に接続された電極10と、高濃度p型Si層7に接続された電極11とが形成されている。
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a light receiving element (photoelectric conversion element) according to the present embodiment.
In the light receiving element of the present embodiment, as shown in FIG. 1, a high-concentration n-type buried
受光部6の構成は、図2に示すように、p型Si層3上に例えば膜厚0.6μm程度のSi層4(第1の半導体層)が形成され、Si層4の膜厚方向に貫通し、一方向(図2の紙面に垂直な方向)に延びる複数の溝4aが形成されている。すなわち、このSi層4を平面的に見るとSiが存在している部分と溝の部分がストライプ状に配置されており、溝4aの深さがSi層4の膜厚に等しい0.6μmとなっている。また、溝4aの幅Wは、上に形成するSiGe層5の臨界膜厚よりも大きく、SiGe層5の臨界膜厚の2倍の値以下に設定されている。SiGe層5の臨界膜厚は、Ge濃度によって変わるが、例えばGe濃度が30%のとき、0.05μm程度である。従って、この場合、溝の幅は0.05μm〜0.1μm程度となる。なお、この例では複数の溝4aが一方向にのみ延びているものとするが、例えばこの溝に加えて、この溝と交差する方向に延びる他の複数の溝を有する構成(すなわち、平面的に見ると格子状の溝)としてもよい。
As shown in FIG. 2, the configuration of the
そして、Si層4に形成された複数の溝4aの内部にSiGeが埋め込まれるとともに、Si層4の上面に各溝4aの内部のSiGeと一体化したSiGeが成膜されることによって、SiGe層5(第2の半導体層)が構成されている。SiGe層5を成膜する際には溝4aの側壁面からもSiGeが成長するため、少なくとも溝4aの幅の半分以上の膜厚のSiGeを成膜することによって溝4aの内部を完全に埋め込むことができる。
Then, SiGe is embedded in the plurality of
次に、上記構成の受光素子の製造方法について図3、図4を用いて説明する。 図4は受光素子全体の製造工程図、図3は特に受光部6のみを取りだして示す製造工程図である。
まず、図4(a)、図3(a)、図3(b)に示すように、p型単結晶Si基板1の表面に高濃度n型埋込層2を形成し、その上にp型Si層3、Si層4を順次積層する。Si層4の成膜時の成膜温度はSiGe層を形成する前であるから、500℃以上とすることが可能である。次に、Si層4上に、Si層4に溝4aを形成するためのエッチングマスク13を形成する。エッチングマスク13にはレジスト膜を用いるのが一般的であるが、エッチング耐性の問題からシリコン酸化膜(SiO2)やシリコン窒化膜(SiNx)などをパターニングしてエッチングマスクとしてもよい。本実施の形態では溝が比較的浅い場合はレジスト膜を用い、深い溝の場合、もしくはウェットエッチングによる異方性エッチングを行う場合には、レジスト膜ではなく、SiO2膜やSiNx膜などをパターニ
ングしてエッチングマスク13とする。
Next, a method for manufacturing the light receiving element having the above configuration will be described with reference to FIGS. 4 is a manufacturing process diagram of the entire light receiving element, and FIG. 3 is a manufacturing process diagram particularly showing only the
First, as shown in FIGS. 4A, 3A and 3B, a high-concentration n-type buried
次に、図4(b)、図3(c)に示すように、受光部6となる部分のSi層4をエッチングして溝4aを形成し、その後、エッチングマスク13を除去する。この際の溝4aの幅は、この後で成膜するSiGe層の臨界膜厚の1〜2倍の寸法とする。ここで用いるエッチングはドライエッチングでもウェットエッチングでもよいが、ドライエッチングを用いると条件によっては溝4aの底部にダメージが生じ、リーク電流の原因となる場合があるので、ウェットエッチングを用いればこの問題を回避することができる。Si層4の成膜時にSi層4の上面が(110)結晶面となるようにすれば、溝4aの側壁面は(111)結晶面となる。例えばEPW(エチレンジアミン・ピロカテコール・水の混合液)等のアルカリ系エッチャントを用いると、Siの(110)面に対してはエッチングが進行する一方、(111)面に対してはエッチングが進行しないので、異方性エッチングを行うことができ、垂直に切り立った溝4aを形成することができる。本実施の形態の方法では、Si層4の下地も同じシリコン膜であるp型Si層3であるため、エッチングの終点はエッチング時間によって制御する。この方法によれば、下地にダメージを与えることなく垂直な溝加工が可能となり、リーク電流を抑えることができる。
Next, as shown in FIGS. 4B and 3C, the
次に、図4(c)に示すように、溝4aの内部にSiGeを埋め込んでSiGe層5を形成し、その後、高濃度p型Si層7を形成する。このとき、図3(d)に示すように、溝4aの両側壁面および底面からSiGe層5が成長していくが、溝4aの幅がSiGe層5の臨界膜厚の1〜2倍の寸法に設定されているので、図3(e)に示すように、SiGe層5の膜厚が臨界膜厚を超える前に(溝4aの幅の少なくとも半分の膜厚が成膜された時点で)溝4aの内部がSiGe層5で充填される。このように、成膜した分は臨界膜厚以下でありながら、成膜後の状態として溝4aの内部には臨界膜厚以上の膜厚を持ったSiGe層5が形成されたことになる。その後、図3(f)に示すように、高濃度p型Si層7を形成する。
Next, as shown in FIG. 4C, a
次に、図4(d)に示すように、高濃度p型Si層7、SiGe層5、Si層4、p型Si層3の一部をパターニングしてメサ形状に加工し、受光部6とする。その後、図4(e)に示すように、メサ形状の受光部6とそれ以外のp型Si層3の表面に絶縁膜8を形成し、高濃度n型引き出し層9、電極10,11を順次形成する。以上の工程により、本実施の形態の受光素子が完成する。
Next, as shown in FIG. 4D, a part of the high-concentration p-
本実施の形態の受光素子においては、Si層4に形成された溝4aの内壁面に沿うSiGe層5を成膜することで溝4aの内部全体にSiGe層5を埋め込むことができる。この際、溝4aの幅がSiGe層5の臨界膜厚の1〜2倍の範囲とされているため、SiGe層5を成膜する膜厚は臨界膜厚以下でありながら、溝4aの内部には臨界膜厚以上の膜厚を持ったSiGe層5が形成されることになる。その結果、量子効果の影響を低減することができるので、従来の超格子構造を用いた場合と比べて長波長側の受光効率を向上させることができる。また、受光効率は、SiGe層5の体積によっても左右されるが、本発明の構造ではSiGe層5の体積は溝4aの深さで決まり、溝4aを深くすればするほど受光効率を上げることができ、従来の超格子構造のような臨界膜厚による限界はない。デバイスの高速応答性等の性能から受光部6の厚さに制限がある場合はSi部分とSiGe部分との比率で受光効率が決まるが、本実施の形態の構造の場合は溝幅の比率で決まるため、製造装置の性能を上げるかプロセスを工夫することで受光効率を十分に上げることができる。製造プロセス上も、Si/SiGeの超格子層を交互に数10層成膜していた従来のプロセスに比べて製造プロセスに要する時間や手間をはるかに削減することができる。
In the light receiving element of the present embodiment, the
[第2の実施の形態]
以下、本発明の第2の実施の形態を図5、図6を参照して説明する。
図5は本実施の形態の受光素子の受光部の部分のみを示す断面図、図6はその製造プロセスを示す工程断面図である。
本実施の形態の受光素子の基本構成は第1の実施の形態と同様であり、受光部の構成が異なるのみである。したがって、以下では基本構成の説明は省略し、受光部の構成のみを説明する。また、図5、図6において、図2、図3と共通の構成要素には同一の符号を付す。
[Second embodiment]
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing only a light-receiving portion of the light-receiving element of the present embodiment, and FIG. 6 is a process cross-sectional view showing a manufacturing process thereof.
The basic configuration of the light receiving element of this embodiment is the same as that of the first embodiment, except for the configuration of the light receiving section. Therefore, the description of the basic configuration will be omitted below, and only the configuration of the light receiving unit will be described. 5 and 6, the same reference numerals are given to the same components as those in FIGS. 2 and 3.
本実施の形態の受光部16においても、図5に示すように、SiGe層5の臨界膜厚の1〜2倍の幅を有する溝4aがSi層4に形成され、溝4aの内部にSiGeが埋め込まれてSiGe層5が形成されている。この構成は第1の実施の形態と同様である。これに対して、第1の実施の形態と異なる点は、Si層4の下面側(Si層とp型Si層との間)にエッチングストップ層15を形成したことにある。本実施の形態の場合、エッチングストップ層15はSiのエッチング、特にアルカリ系のウェットエッチングに対する耐性を有する材料で構成されており、エッチング剤としてEPWを用いる場合には、例えば膜厚が5〜10nm程度、Ge濃度が5%以上のSiGe膜を用いることができる。SiGe膜を本実施の形態のエッチングストップ層15として機能させる場合、Ge濃度を5〜10%とすることが望ましい。
Also in the
上記構成の受光部16の形成方法について図6を用いて説明する。
図6(a)に示すように、p型Si層3上に上記SiGe膜からなるエッチングストップ層15を形成し、その上にSi層4を形成する。次に、図6(b)に示すように、Si層4上に溝を形成するためのエッチングマスク13を形成する。ここでのエッチングマスク13にはシリコン窒化膜(Si3N4)を用いる。レジスト膜では異方性のウェットエッチングに対する耐性がないためである。したがって、Si層4上にSi3N4膜を形成した後、フォトリソグラフィー工程によりパターニングしてエッチングマスク13とする。
A method for forming the
As shown in FIG. 6A, an
次に、図6(c)に示すように、ウェットエッチングによりSi層4に溝4aを形成する。本実施の形態の場合も第1の実施の形態と同様、EPW等のアルカリ系エッチャントを用いると、Siの(110)面に対してはエッチングが進行する一方、(111)面に対してはエッチングが進行しないので、Si層4の上面を(110)結晶面としておけば、垂直な溝4aを形成することができる。しかしながら、第1の実施の形態の場合はSi層4の下地もp型Si層3であるため、エッチングの終点を時間制御しなければならなかった。これに対して、本実施の形態の場合、Si層4の下地にSiGe膜からなるエッチングストップ層15が設けられているので、エッチングがエッチングストップ層15に達し、溝4aの底面にSiGe膜が露出した時点で停止する。本実施の形態で用いたEPW等のアルカリ系エッチャントは、結晶面によるエッチング異方性を有するとともに、Si/SiGeに対するエッチング選択性も有している。この方法により、エッチング時間を制御することなく、溝4aの深さを容易に制御することができる。溝4aを形成した後、エッチングマスク13を除去する。
Next, as shown in FIG. 6C, a
次に、図6(d)に示すように、溝4aの内部にSiGeを埋め込んでSiGe層5を形成する。このとき、溝4aの幅がSiGe層5の臨界膜厚の1〜2倍の寸法に設定されているので、成膜する分は臨界膜厚以下でも、成膜後の状態では溝4aの内部には臨界膜厚以上の膜厚を持ったSiGe層5が形成される。その後、図6(e)に示すように、高濃度p型Si層7を形成する。
Next, as shown in FIG. 6D, the
本実施の形態においても、製造プロセスが簡単であり、受光効率に優れた受光素子が得られるといった第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。それに加えて、本実施の形態の場合、Si層4の下面にエッチングストップ層15が設けられているので、若干のオーバーエッチングを施すことによって溝4aの底面にSi層4が残存することなく、エッチングストップ層15が溝4aの底面に確実に露出した状態、すなわちSi層4が膜厚方向に完全に除去された状態でSi層4のエッチングが停止する。したがって、第1の実施の形態では、オーバーエッチングを施すとSi層4の下地のp型Si層3までえぐれてしまうことも考えられ、溝4aの深さがまちまちになる虞があるのに対し、本実施の形態の場合は、溝4aの深さがSi層4の膜厚に一致し、溝4aの深さがSi層4の膜厚で決まることになる。このようにして、本実施の形態の方法によれば、エッチングに起因する溝4aの深さのバラツキが生じることはなく、安定した特性を有する受光素子を提供することができる。
Also in the present embodiment, the same effects as in the first embodiment, such as a simple manufacturing process and a light receiving element having excellent light receiving efficiency, can be obtained. In addition, in the case of the present embodiment, since the
[第3の実施の形態]
以下、本発明の第3の実施の形態を図7、図8を参照して説明する。
図7は本実施の形態の受光素子の受光部の部分のみを示す断面図、図8はその製造プロセスを示す工程断面図である。
本実施の形態の受光素子の基本構成は第1の実施の形態と同様であり、受光部の構成が異なるのみである。したがって、以下では基本構成の説明は省略し、受光部の構成のみを説明する。また、図7、図8において、図2、図3と共通の構成要素には同一の符号を付す。
[Third Embodiment]
Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing only the light-receiving portion of the light-receiving element of the present embodiment, and FIG. 8 is a process cross-sectional view showing the manufacturing process.
The basic configuration of the light receiving element of this embodiment is the same as that of the first embodiment, except for the configuration of the light receiving section. Therefore, the description of the basic configuration will be omitted below, and only the configuration of the light receiving unit will be described. 7 and 8, the same reference numerals are given to the same components as those in FIGS. 2 and 3.
本実施の形態の受光部26においても、第1、第2の実施の形態と同様、図7に示すように、SiGe層5の臨界膜厚の1〜2倍の幅を有する溝4aがSi層4に形成され、溝4aの内部にSiGeが埋め込まれてSiGe層5が形成されている。また、Si層4の下面側(Si層4とp型Si層3との間)にSiGe等からなるエッチングストップ層15が形成されている点は、第2の実施の形態と同様である。ただし、第2の実施の形態と異なるのは、溝4aの底面がエッチングストップ層15で構成されているのではなく、溝4aの底面がSi層で構成されている点である。次に製造プロセスを説明するが、本実施の形態の場合、第1層目のSi層41で溝を形成した後、第1Si層41の上面、溝4aの側壁面および底面に沿って第2層目のSi層42(溝幅調整層)を形成したことにより、このような構成となっている。
In the
上記構成の受光部の形成方法について図8を用いて説明する。
図8(a)に示すように、p型Si層3上にSiGe膜からなるエッチングストップ層15、Si層41を積層した後、Si層4上にSi3N4等からなるエッチングマスク13を形成する。次に、図8(b)に示すように、ウェットエッチングによりSi層41に溝4bを形成する。本実施の形態の場合も第1、第2の実施の形態と同様、EPW等のアルカリ系エッチャントによる異方性エッチングを用いると、垂直な溝4bを形成することができる。この時点での溝幅をWとする。また、Si層4の下地にSiGe膜からなるエッチングストップ層15が設けられているので、エッチング時間を制御することなく、溝4bの深さを容易に制御することができる。溝4bを形成した後、エッチングマスク13を除去する。以上の工程は、第2の実施の形態と同様である。
A method for forming the light receiving section having the above configuration will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 8A, after an
次に、図8(c)に示すように、基板の全面にSi層42(溝幅調整層)を薄く成膜する。このときのSi層42の膜厚は溝4bの幅Wの半分以下とし、前工程で形成した溝4bがSi層42で埋まらないようにする。すると、Si層41の上面、溝4bの側壁面および底面に沿って薄いSi層42が形成され、第1層目のSi層41と第2層目のSi層42とが一体化されるとともに溝4aの幅が狭くなる。すなわち、成膜するSi層42の膜厚をtとすると、W’=W−2tで表される寸法W’に溝幅が調整される。
Next, as shown in FIG. 8C, a thin Si layer 42 (groove width adjusting layer) is formed on the entire surface of the substrate. At this time, the thickness of the
次に、図8(d)に示すように、溝4aの内部にSiGeを埋め込んでSiGe層5を形成する。このとき、溝4aの幅がSiGe層5の臨界膜厚の1〜2倍の寸法に設定されているので、成膜する分は臨界膜厚以下でも、成膜後の状態で溝4aの内部には臨界膜厚以上の膜厚を持ったSiGe層5が形成される。その後、図8(e)に示すように、高濃度p型Si層7を形成する。
Next, as shown in FIG. 8D, a
本実施の形態においても、製造プロセスが簡単であり、受光効率に優れた受光素子が得られる、といった第1、第2の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、エッチングストップ層15を設けたことで溝深さのバラツキが少なく、安定した特性を持つ受光素子が得られる、といった第2の実施の形態と同様の効果も得ることができる。そして、特に本実施の形態の場合、Si層41に一旦溝4bを形成した後、溝4bの内面に沿って薄いSi層42を再度成膜する方法を採っているので、最終的に溝4aの幅をフォトリソグラフィー技術による微細加工の限界よりも狭くすることが可能となる。したがって、例えば長波長側の受光効率が高い受光素子を製造すべく、SiGe層5中のGe濃度を高くする場合、Ge濃度の増大に伴って臨界膜厚が薄くなるが、その結果、溝の幅をフォトリソグラフィー技術による微細加工の限界よりも狭くしなければならないことになったとしても、本実施の形態の方法によって対応可能となる。このとき、後から形成するSi層42の膜厚の調整で溝4aの幅を調整することができる。
Also in this embodiment, the same effects as in the first and second embodiments, such as a simple manufacturing process and a light receiving element having excellent light receiving efficiency, can be obtained. Further, by providing the
なお、本実施の形態では、一旦形成した溝4bをSi層42を用いて幅狭にしているが、溝の幅を調整するために形成する層の材料はSiに限ることはなく、Siに対する格子整合性が良い材料であれば、例えばSiC等のSi以外の材料を用いることもできる。
In the present embodiment, the once formed
[第4の実施の形態]
以下、本発明の第4の実施の形態を図9を参照して説明する。
図9は本実施の形態の受光素子の受光部の部分のみを示す断面図である。
本実施の形態の受光素子の基本構成は第1の実施の形態と同様であり、受光部の構成が異なるのみである。したがって、以下では基本構成の説明は省略し、受光部の構成のみを説明する。また、図9において、図2と共通の構成要素には同一の符号を付す。
[Fourth Embodiment]
Hereinafter, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing only the light receiving portion of the light receiving element of the present embodiment.
The basic configuration of the light receiving element of this embodiment is the same as that of the first embodiment, except for the configuration of the light receiving section. Therefore, the description of the basic configuration will be omitted below, and only the configuration of the light receiving unit will be described. Also, in FIG. 9, the same reference numerals are given to the same components as those in FIG.
本実施の形態の場合、図9に示すように、Si層4の溝4aの内部にSiGe層5が埋め込まれた構造の受光部6が複数(図9においては3段)繰り返し形成された構成となっている。
この構成においては、成膜技術やエッチング技術等の限界から溝の深さをあまり深くできない場合であっても、浅い溝構造の受光部6を複数積層した構成とすることによって、深い溝構造の受光部と同等もしくはそれ以上の性能を得ることができる。また、本構成の場合、Si層4とSiGe層5が交互に積層された形となっているので、受光部6を構成するSiGe層5自体が溝4aを形成する際のエッチングストップ層としても機能する。
In the case of the present embodiment, as shown in FIG. 9, a structure in which a plurality of light receiving portions 6 (three stages in FIG. 9) having a structure in which a
In this configuration, even when the depth of the groove cannot be made too large due to the limitations of the film forming technology, the etching technology, and the like, the
[第5の実施の形態]
以下、本発明の第5の実施の形態を図10と図11を参照して説明する。
図1は、本実施の形態の受光素子(光電変換素子)を示す断面図であるが、以下に説明する構成要素の中で先に説明した第1の実施の形態の構成要素と同じものには同じ符号を付してそれらの部分の詳細説明を省略する。
本実施の形態の受光素子においては、図10に示すように、p型単結晶Si基板1の表面に高濃度n型埋込層2が形成され、その上にp型Si層3が形成されている。p型Si層3の上部はメサ型の形状に加工されており、メサ形状部のp型Si層3上にノンドープのSi層(第1の半導体層)24とSiGe層(第2の半導体層)25とを複数積層してなる受光部26(光電変換部)が形成され、その上に高濃度p型Si層7が形成されている。そして、メサ形状部とそれ以外のp型Si層3の表面が絶縁膜8で覆われ、高濃度n型引き出し層9を介して高濃度n型埋込層2に接続された電極10と、高濃度p型Si層7に接続された電極11とが形成されている。
[Fifth Embodiment]
Hereinafter, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a light receiving element (photoelectric conversion element) according to the present embodiment. Among the elements described below, the same elements as those of the first embodiment described above are used. Are denoted by the same reference numerals, and detailed description of those portions will be omitted.
In the light receiving element of the present embodiment, as shown in FIG. 10, a high-concentration n-type buried
即ち、第5の実施の形態の構成においては、先に説明した第1の実施の形態の構成要素のノンドープのSi層4とSiGe層5からなる受光部(光電変換部)6を図10に断面構造を示すような厚さ方向に複数、交互に積層した形状のノンドープのSi層24とSiGe層25からなる受光部(光電変換部)26とした点に特徴を有する。この実施の形態の構成においては、SiGe層25が、通常の成膜法で歪緩和による格子欠陥を生じることなく単層に形成可能なSiGe層の臨界膜厚よりも大きく、該臨界膜厚の2倍の値以下に設定されている。
通常、SiGe層の臨界膜厚はGe濃度によって変わるが、例えばGe濃度が30%のとき0.05μm程度である。従って該第5の実施の形態の場合、SiGe層25の膜厚は0.05μm〜0.1μm程度となる。
That is, in the configuration of the fifth embodiment, the light receiving unit (photoelectric conversion unit) 6 including the
Normally, the critical thickness of the SiGe layer changes depending on the Ge concentration, but is, for example, about 0.05 μm when the Ge concentration is 30%. Therefore, in the case of the fifth embodiment, the thickness of the
次に、このような臨界膜厚よりも厚いSiGe層25をSi層24に対して交互積層することが可能な製造方法について図12を元に以下に説明する。なお、図12は第5の実施の形態の受光素子(光電変換素子)の受光部(光電変換部)26の部分のみを示してその製造方法を説明するためのもので、その他の部分については記載を略している。
まず、第1の実施形態の場合と同様にp型単結晶Si基板1の表面に高濃度n型埋込層2を形成し、ここから図12(a)に示すように、その上にp型Si層3を積層する。ここまでの製造工程は基本的には図4(a)を元に先に第1の実施の形態の構成の製造方法の場合に説明した工程と同等で良い。
次に、前記p型Si層3の上に、低Ge濃度のSiGe層(予備生成層)35とノンドープのSi層24を交互に必要な層数積層する。このときSiGe層35のGe濃度は5〜40%程度の範囲とし、膜厚は後に成膜する高Ge濃度SiGe層の臨界膜厚の1〜2倍とする。SiGe層35の成膜の際の成膜温度はGe濃度が低いので500℃以上、例えば500〜650℃とすることが可能である。ここでGe濃度が30%の場合にSiGe層の臨界膜厚は0.05μm程度となるが、Ge濃度が20%の場合の臨界膜厚は0.15μm程度、Ge濃度が10%の場合の臨界膜厚は0.8μm程度、Ge濃度が5%の場合の臨界膜厚は5μm程度であるので、Ge濃度に応じて、後に成膜する高Ge濃度SiGe層の臨界膜厚の1〜2倍の膜厚の低Ge濃度のSiGe層35を成膜できることを理解できる。
Next, a manufacturing method capable of alternately stacking the SiGe layers 25 thicker than the critical film thickness on the
First, as in the first embodiment, a high-concentration n-type buried
Next, on the p-
低Ge濃度SiGe層35とノンドープのSi層24の交互積層が終了したならば最上層のSi層24の上に高濃度p型Si層27と絶縁膜28を積層し、エッチングマスクを形成する。
次にドライエッチング処理により、図10に示す受光部26とするべき領域の両側を挟む位置に、かつ、図12(b)に示すようにp型Si層3の上面まで達する深さに平面視矩形状の穴部30、30を形成する。次いでこれらの穴部30、30を介して選択エッチング処理を行う。この選択エッチング処理の際にSiGe層をエッチングしてSi層をエッチングしないエッチャントを使用する。ここで用いるエッチャントはフッ硝酸、フッ酸・過酸化水素水・酢酸混合液などを用いることができる。
この選択エッチング処理により、図12(c)に示すような穴部30、30の周辺の低Ge濃度のSiGe層35のみを除去する。この処理により穴部30、30の間とその周辺の低Ge濃度のSiGe層35のみを除去した部分に空洞部36が形成される。
なおここで、穴部30の周辺外側のSiGe層35も部分的に除去されるがこの工程の選択エッチングで主に除去されるのは受光部26とするべき領域の両側を挟む位置の穴部30、30間のSiGe層35と穴部30、30周辺のSiGe層35のみであり、その他の周囲部分に形成されているSiGe層35は残るので、穴部30、30間に残留したSi層24は複層の橋掛け状態で残ることとなり、それらの間に空洞部36が複数形成される。
After the alternate lamination of the low-Ge-
Next, by dry etching, a plan view is taken to a position sandwiching both sides of the region to be the
By this selective etching process, only the low-Ge-
Note that, here, the
次にMOCVD、LPCVD、UHV・CVDなどの、反応ガスを用いる成膜法により前記穴部30、30の内面と前記空洞部36の内面と絶縁層28上に対して高Ge濃度のSiGe層25(Ge濃度50〜100%)を形成する。
ここでSiGe層を図12(c)に示す状態から各空洞部36に成膜するとSiGe層は複数の空洞部36を区画しているSi層の表面部分から良好な整合性でもって結晶成長してゆくので、各空洞部36の高さが高Ge濃度のSiGe層の臨界膜厚の1〜2倍の範囲であっても、空洞部36の天井部と底面部を構成するSi層の両方から結晶成長して成膜する結果、空洞部36を埋め尽くすまで臨界膜厚内の高Ge濃度のSiGe層を成長させることができ、結果的に臨界膜厚よりも厚く、欠陥のないSiGe層25で空洞部36を埋めることができ、通常の臨界膜厚の1〜2倍の範囲の厚さのSiGe層25を生成することができる。
この後、絶縁膜28を必要な形状にエッチングし、最上部に残るSiGe層をリフトオフにより除去すれば積層構造の受光部26を形成することができる。なお、受光部26の両側には穴部30、30の内面に高Ge濃度のSiGe層25が付着した構造が残るがこの部分についてはそのまま残留させておいて、穴部30、30の現れない断面方向(図12に示す断面方向に90°交差する断面方向)から見て図4(c)〜図4(e)に示す第1の実施の形態の場合と同様の工程を施して高濃度n型引き出し層9と電極10と電極11とを形成することで図10に示す構造を得ることができる。
なお、図4(c)〜図4(e)に示す第1の実施の形態の場合と同様の工程を施して引き出し層9と電極10と電極11を形成する場合に、エッチングにより穴部30、30の部分を除去してから高濃度n型引き出し層9と電極10と電極11とを形成しても良い。
なおまた、先に説明した方法を採用してSi層24とSiGe層25の交互積層構造を形成した場合、図12(d)、(e)に示すように穴部30、30間のSi層24はその両端部側を高Ge濃度SiGe層25で覆った構造となる。この部分は後の工程でエッチングにより除去しておけば良いが、残しておいても差し支えない。
Next, a
Here, when the SiGe layer is formed in each
Thereafter, the insulating
In the case where the
Further, when the alternately laminated structure of the
以上の製造方法で得られた構造によれば、受光部26を構成する高Ge濃度のSiGe層25が臨界膜厚の1〜2倍の範囲に厚く形成されているので、量子効果が発生し難く、サブバンドの発生が抑制されるので、高周波側でも光の吸収効率が低下することがなく、良好な光変換効率の受光素子を得ることができる。また、換言すると、通常の臨界膜厚以下のSiGe層を積層した超格子構造の受光素子に比べて高波長域での光変換効率が高いという効果がある。
次に、この種の受光素子において受光効率はSiGe層の体積によっても決定される。この面において本願発明では一端低Ge濃度のSiGe層35を用いて積層構造を形成しているので、歪の影響を受けにくい低Ge濃度のSiGe層35の積層数を多くすることができる。例えば、デバイスの高速応答性などの性能から受光層の厚さに制限がある場合はSi層部分とSiGe層部分との比率で受光効率が決まるが、この種の超格子構造では歪量を抑えるためにSi層部分を厚く形成し、SiGe層部分を薄く形成しなくてはならなかった。例えば先に説明した非特許文献1に記載されている如く、Si層をSiGe層の約10倍の厚さにする必要があった。これに対して本願発明構造によれば、高Ge濃度のSiGe層の歪量に制約されずに、一端低Ge濃度のSiGe層を形成し、それを除去してから高Ge濃度のSiGe層を形成するので、Si層を非特許文献1の構造よりも薄くすることができるので、高速応答性の観点から見ても従来構造と同等もしくはそれ以上の性能を期待できる。
According to the structure obtained by the above-described manufacturing method, since the
Next, in this type of light receiving element, the light receiving efficiency is also determined by the volume of the SiGe layer. In this aspect, in the present invention, since the stacked structure is formed using the low-Ge-
更に、前述の製造プロセスにおいてはSi層/低Ge濃度SiGe層の必要数の積層とSi層のエッチング、高Ge濃度のSiGe層の成膜といった3つの大きなプロセスが必要であるが、従来構造のSi層/高Ge濃度SiGe層の成膜ではSi膜と高Ge濃度SiGe層の成膜レートが大きく異なるために、膜厚の制御性、成膜スピード、ガス消費量の点からそれぞれ膜毎に成膜温度を変えて成膜する必要があったため、温度の上げ下げに非常に時間がかかり、成膜時間が長くなっていたが、この例の如くSi層/低Ge濃度SiGe層の成膜であるならば、温度を変えることなく成膜出来るために、大幅に成膜時間を短縮できる。即ち、本実施の形態の製造方法であるならば、高Ge濃度SiGe層の成膜は空洞部36を埋めるように形成する場合の1回のみで良いために従来の如く数10回積層する場合に数10回必要であった温度の上げ下げの回数は1回になり、プロセス時間を大幅に短縮できる。
Further, in the above-described manufacturing process, three large processes such as lamination of a required number of Si layers / low-Ge-concentration SiGe layers, etching of the Si layers, and formation of a high-Ge-concentration SiGe layer are required. In the formation of the Si layer / high-Ge-concentration SiGe layer, the film-forming rates of the Si film and the high-Ge-concentration SiGe layer are significantly different. Since it was necessary to change the film forming temperature, it took a very long time to raise and lower the temperature, and the film forming time was long. However, as shown in this example, the film formation of the Si layer / low-Ge-concentration SiGe layer If so, the film can be formed without changing the temperature, so that the film formation time can be greatly reduced. That is, according to the manufacturing method of the present embodiment, the high-Ge-concentration SiGe layer needs to be formed only once so as to fill the
なお、前記の如く空洞部36の天井側のSi層24と底部側のSi層24の両方から結晶成長させて高Ge濃度のSiGe層25を形成した場合、空洞部36の高さ方向中央側には天井側のSi層24から成長した高Ge濃度のSiGe層25と底部側のSi層24から成長した高Ge濃度のSiGe層25が接合して空洞部36を埋めるが、この接合部分、換言すると高Ge濃度のSiGe層25の厚さ方向中央部には結晶格子の位相がずれる部分を生じる。従って高Ge濃度のSiGe層25の厚さ方向中央部には位相がずれる面が存在する。
また、第5の実施の形態においてSiGe層の代わりに一部Cを添加した組成系のSiGeC層、GeC層等で第2の半導体層を構成しても良い。
As described above, when the
Further, in the fifth embodiment, instead of the SiGe layer, the second semiconductor layer may be composed of a SiGeC layer, a GeC layer, or the like having a composition in which C is partially added.
なおまた、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更を加えることが可能である。例えば上記実施の形態で用いた受光素子の具体的な構成、例えば各層の材料、寸法、膜厚、形状、製造プロセス等に関する記載はほんの一例であり、種々の変更が可能である。光電変換部のヘテロ接合を構成する2種の半導体材料の組み合わせとしては、Si/SiGeの他、GaAs/Ge、ZnSe/Ge、ZnSe/GaAs、AlAs/GaAs、GaP/Si、ZnTe/InAs等を用いることもできる。また、上記実施の形態では受光素子の例を挙げて説明したが、受光素子のみならず、発光素子を含む他の光電変換素子に本発明を適用することが可能である。 In addition, the technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various changes can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the specific configuration of the light receiving element used in the above embodiment, for example, the description of the material, dimensions, film thickness, shape, manufacturing process, and the like of each layer is merely an example, and various modifications are possible. Examples of a combination of two kinds of semiconductor materials constituting the hetero junction of the photoelectric conversion unit include GaAs / Ge, ZnSe / Ge, ZnSe / GaAs, AlAs / GaAs, GaP / Si, ZnTe / InAs, etc., in addition to Si / SiGe. It can also be used. In the above embodiment, the example of the light receiving element has been described. However, the present invention can be applied to not only the light receiving element but also other photoelectric conversion elements including the light emitting element.
4、24…Si層(第1の半導体層)、4a,4b…溝、
5、25…SiGe層(第2の半導体層)、
6、16、23、26…受光部(光電変換部)、
15…エッチングストップ層、42…溝幅調整層、W,W’…溝の幅、
30…穴部、35…低Ge濃度のSiGe層(予備生成層)、36…空洞部。
4, 24... Si layer (first semiconductor layer), 4a, 4b.
5, 25 ... SiGe layer (second semiconductor layer),
6, 16, 23, 26 ... light receiving unit (photoelectric conversion unit),
15: etching stop layer, 42: groove width adjusting layer, W, W ': groove width,
30: hole, 35: low-Ge-concentration SiGe layer (pre-generation layer), 36: cavity.
Claims (15)
As the second semiconductor layer having a high Ge concentration, one containing Ge in a range of 50 to 100% is used, and as the preliminary generation layer having a low Ge concentration, one containing Ge in a range of 5 to 40% is used. The method for manufacturing a photoelectric conversion element according to claim 14, wherein:
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US8269303B2 (en) | 2008-03-07 | 2012-09-18 | Nec Corporation | SiGe photodiode |
JP2013207231A (en) * | 2012-03-29 | 2013-10-07 | Hitachi Ltd | Semiconductor device and manufacturing method of the same |
-
2003
- 2003-11-04 JP JP2003374709A patent/JP2004172609A/en not_active Withdrawn
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