JP2005166837A

JP2005166837A - 半導体受光素子の製造方法

Info

Publication number: JP2005166837A
Application number: JP2003402088A
Authority: JP
Inventors: Akimasa Tanaka; 章雅田中
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2003-12-01
Filing date: 2003-12-01
Publication date: 2005-06-23

Abstract

【課題】メサ部の側壁の形状又は角度によらず、メサ部の側壁においてｐｎ接合を十分保護可能な厚みの保護層を形成することができる半導体受光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の半導体受光素子の製造方法は、ｐｎ接合１３４を有するメサ部１０８を備えた半導体受光素子１００の製造方法であり、ｐｎ接合１３４を有する積層体１２０において、ｐｎ接合１３４を含む所定領域１０５を絶縁化又は半絶縁化させる工程と、側壁１０８ａに所定領域１０５が露出するようにメサ部１０８を形成する工程と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体受光素子の製造方法に関する。

近い将来、農作物や食料品の安全衛生分野、医療分野等において、近赤外から赤外域の波長に対する受光素子を用いた評価や測定分析が、今まで以上に重要な役割を担うと期待されている。しかしながら、近赤外から赤外域の波長において、優れた特性を有し、高信頼性で使い易い安価な受光素子は未だ提供されていないのが実情である。

化合物半導体を用いた受光素子としては、プレナー型及びメサ型のフォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）が知られている。メサ型ＰＤは、プレナー型ＰＤに比して製造が容易であり、低コストであるが、信頼性が劣るという欠点を有している。この欠点は、メサ部の側壁にｐｎ接合の端部が露出していることによってリーク電流が発生することに起因する。

そこで、メサ型ＰＤの信頼性を向上すべく、例えば、メサ部の側壁にパッシベーション膜を形成することが行なわれている（例えば、特許文献１〜３参照）。また、メサ部を形成した後に、メサ部の側壁にプロトン（Ｈ^＋）等の不純物をイオン注入により導入することによって、メサ部の側壁に絶縁化又は半絶縁化された層（以下、保護層という。）を形成することが行われている（例えば、特許文献４参照）。この保護層によってメサ部のｐｎ接合が露出しなくなり、リーク電流が抑制される。
特開平６−２３２４４２号公報特開平７−３８１４１号公報特開２００３−２３１７３号公報特許第２６３３９１２号公報

しかしながら、メサ部を形成した後に、メサ部の側壁にプロトン等の不純物をイオン注入により導入しようとすると、種々の問題を生じる。これらの問題について、図５(A)、図５(B)及び図６を用いて説明する。

図５(A)及び図５(B)は、メサ部３０８を有する半導体受光素子３００にプロトン３０４をイオン注入により導入する工程を示す断面図である。

まず、図５(A)を参照する。基板３０１はｎ型半導体で出来ている。メサ部３０８は、基板３０１の一部とｐ型半導体層３０２とからなり、基板３０１とｐ型半導体層３０２との間にはｐｎ接合３１２が形成されている。メサ部３０８の側壁３０８ａは、順テーパ形状すなわち裾広がりの形状を有している。メサ部３０８の上面を構成するｐ型半導体層３０２上には、フォトレジスト３０３が形成されており、プロトン３０４がメサ部３０８の上面に導入されないようになっている。

このような状態でイオン注入を行うと、プロトン３０４がメサ部３０８の側壁３０８ａに導入されて保護層３０５が形成される。しかしながら、イオン注入は方向性を有しているため、メサ部３０８の側壁３０８ａにおけるｐｎ接合３１２近傍には十分なプロトン３０４が到達できず、その結果、メサ部３０８の幅方向における保護層３０５の厚さが不十分となってしまう。

さらに、メサ型ＰＤにおいては、ｐ型半導体層３０２の上面からｐｎ接合３１２までの距離は１μｍ以下であり、短波長感度を向上させた場合には、その距離は０．１μｍ程度しかない。このため、ｐｎ接合３１２が形成される位置はメサ部３０８の上部となるので、ｐｎ接合３１２は側壁３０８ａの角度が急峻な位置に形成されることとなる。したがって、かかる場合にはｐｎ接合３１２を保護する保護層３０５の厚さが一層薄くなり、その厚さが不十分となってしまう。

次に、図５(Ｂ)を参照する。図５(Ｂ)は、上記半導体受光素子３００がチルトされた状態を示している。半導体受光素子３００が少しでもチルトされた状態でイオン注入を行うと、メサ部３０８のいずれか一方の側壁３０８ａが隠れてしまい、プロトン３０４が側壁３０８ａに到達しなくなってしまう。このため、メサ部３０８の隠れた側壁３０８ａには保護層３０５が形成されなくなってしまう。

図６は、メサ部４０８を有する半導体受光素子４００にプロトン４０４をイオン注入により導入する工程を示す断面図である。基板４０１はｎ型半導体で出来ている。メサ部４０８は、基板４０１の一部とｐ型半導体層４０２とからなり、基板４０１とｐ型半導体層４０２との間にはｐｎ接合４１２が形成されている。

半導体受光素子４００は、側壁４０８ａの角度が略垂直であるメサ部４０８を有すること以外は半導体受光素子３００と同様の構造を有している。側壁４０８ａが略垂直であるメサ部４０８を形成した後にイオン注入を行うと、イオン注入の方向性によりプロトン４０４がメサ部４０８の側壁４０８ａに到達することができない。したがって、ｐｎ接合４１２近傍にプロトン４０４が導入されず、メサ部４０８の側壁４０８ａに保護層４０５が形成されなくなってしまう。

さらに、メサ部４０８の側壁４０８ａが、例えば逆テーパ形状すなわち裾が抉れている形状（図示せず）であると、メサ部４０８の側壁４０８ａに保護層４０５を形成することはもはや不可能となってしまう。

以上説明したように、メサ部を形成した後に、メサ部の側壁にプロトンをイオン注入により導入しようとすると、メサ部の側壁においてｐｎ接合を十分保護可能な厚みの保護層を形成することができない。

そこで本発明は、メサ部の側壁の形状又は角度によらず、メサ部の側壁においてｐｎ接合を十分保護可能な厚みの保護層を形成することができる半導体受光素子の製造方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明の半導体受光素子の製造方法は、ｐｎ接合を有するメサ部を備えた半導体受光素子の製造方法であって、ｐｎ接合を有する積層体において、ｐｎ接合を含む所定領域を絶縁化又は半絶縁化させる工程と、側壁に所定領域が露出するようにメサ部を形成する工程と、を備える。

この製造方法によれば、メサ部は、その側壁に上記所定領域が露出するように形成されるので、メサ部の側壁に保護層が設けられることとなり、メサ部の側壁においてｐｎ接合が露出しない。ここで、従来のようにメサ部を形成した後に保護層を形成すると、上述のようにメサ部の側壁において保護層の厚みが不十分となる等の問題がある。これに対して、本発明の製造方法では上記所定領域を形成した後にメサ部を形成するので、メサ部の側壁における保護層の厚みを十分確保できるように、予め所定領域を絶縁化又は半絶縁化させることができる。すなわち、所定領域の幅を広くすることによって、メサ部の側壁における保護層の厚みを、メサ部の幅方向に十分厚くすることができる。さらに、メサ部の側壁の形状又は角度によらずにメサ部の側壁における保護層の厚みを十分厚くすることができる。

また、所定領域を絶縁化又は半絶縁化させる工程では、イオン注入により所定領域に不純物を導入することにより、所定領域を絶縁化又は半絶縁化させることが好ましい。ここで、従来のようにメサ部を形成した後にイオン注入を行うと、イオン注入が方向性を有することから、上述のようにメサ部の側壁において保護層の厚みが更に不十分となる等の問題がある。これに対して、イオン注入を行った後にメサ部を形成すると、イオン注入の方向性の影響を受けずに、メサ部の側壁における保護層の厚みを十分確保することができる。

また、メサ部を形成する工程では、ドライエッチングによりメサ部を形成すると好ましい。ドライエッチングの条件を変化させることにより、メサ部の側壁の形状又は角度を調整できる。

本発明の半導体受光素子の製造方法によれば、メサ部の側壁の形状又は角度によらず、メサ部の側壁においてｐｎ接合を十分保護可能な厚みの保護層を形成することができる。

以下、本発明の実施の形態に係る半導体受光素子の製造方法について説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
まず、図１(Ａ)、図１(Ｂ)、図２(Ａ)及び図２(Ｂ)を参照しながら、第１実施形態に係る半導体受光素子１００の製造方法について説明する。図１(Ａ)、図１(Ｂ)、図２(Ａ)及び図２(Ｂ)は、いずれも第１実施形態に係る半導体受光素子１００の製造方法の一工程を示す断面図である。

（積層体を準備する工程）
まず、図１(Ａ)に示すように、基板１０１上にバッファ層１０２、光吸収層１０３及びキャップ層１０４が順に積層されてなる積層体１２０を準備する。光吸収層１０３とキャップ層１０４との界面には、ｐｎ接合１３４が形成されている。

基板１０１は、例えば、厚さ３００〜５００μｍ程度、キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３のｎ型ＩｎＡｓからなる。バッファ層１０２は、例えば、厚さ１．０μｍ、キャリア濃度３×１０^１８ｃｍ^−３のｎ型ＩｎＡｓからなる。光吸収層１０３は、例えば、厚さ３．０μｍ、キャリア濃度７×１０^１５ｃｍ^−３のｎ型ＩｎＡｓからなる。キャップ層１０４は、例えば、厚さ０．５μｍ、キャリア濃度３×１０^１８ｃｍ^−３のｐ型ＩｎＡｓからなる。

バッファ層１０２、光吸収層１０３及びキャップ層１０４は、基板１０１上にエピタキシャル成長させることにより形成される。これらの形成方法として、具体的には、ハイドライド気相成長法、クロライド気相成長法、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、分子線成長法（ＭＢＥ）等が挙げられる。

（所定領域を絶縁化又は半絶縁化させる工程）
次に、図１(Ｂ)に示すように、積層体１２０の所定領域１０５の上面が露出するように、キャップ層１０４上の所定位置にマスク１０６を形成し、例えばイオン注入により不純物ｄを所定領域１０５に導入する。マスク１０６は、例えばＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘ、ポリイミド、フォトレジスト等からなり、所定領域１０５以外に不純物ｄが侵入することを抑制している。不純物ｄとしては、プロトン、酸素等が例示できる。

不純物ｄが導入されることによって、所定領域１０５は絶縁化又は半絶縁化される。これにより、所定領域１０５は電気的に不活性な領域となる。また、所定領域１０５は、ｐｎ接合１３４を含む領域であり、キャップ層１０４の上面から基板１０１まで到達する深さを有している。この深さは、不純物ｄの注入エネルギー等の注入条件を調整することで制御することができる。さらに、キャップ層１０４の上面は平面であるので、深さの制御が容易である。

（メサ部を形成する工程）
次に、マスク１０６を除去した後に、図２(Ａ)に示すように、キャップ層１０４上に受光領域を形成するためのマスク１０７を形成し、このマスク１０７を用いてメサ部１０８を形成する。マスク１０７は、例えばＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘ等からなり、受光領域がエッチングされないようにしている。メサ部１０８は、その側壁１０８ａに図１(Ｂ)の所定領域１０５が露出するように形成される。メサ部１０８の側壁１０８ａは、順テーパ形状すなわち裾広がりの形状を有しており、図１(Ｂ)の所定領域１０５内でｐｎ接合１３４に交差する。これにより、所定領域１０５の一部の領域がメサ部１０８の側壁１０８ａ付近に残され、当該領域はｐｎ接合１３４の保護層１０５ａとして機能する。このため、メサ部１０８の側壁１０８ａにおいてｐｎ接合１３４の端部は露出していない。

また、メサ部１０８は、例えば、ウエットエッチング又はドライエッチングといったエッチングにより形成され、特にドライエッチングにより形成されると好ましい。この場合、ドライエッチングの条件を変化させることにより、メサ部１０８の側壁１０８ａの形状又は角度を調整できる。また、メサ部１０８がウエットエッチングにより形成されるとしてもよい。エッチング液としては、例えば、硝酸、過酸化水素、水からなるエッチング液が用いられる。

（パッシベーション膜及び電極を形成する工程）
次に、マスク１０７を除去した後に、図２(Ｂ)に示すように、基板１０１及びメサ部１０８を覆うパッシベーション膜１０９を形成する。パッシベーション膜１０９は、例えばＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘ等からなり、プラズマＣＶＤ法等により形成される。パッシベーション膜１０９は、反射防止膜としても機能する。このとき、メサ部１０８の側壁１０８ａにｐｎ接合１３４は露出していない。このため、このように製造される半導体受光素子１００は、パッシベーション膜１０９形成時のｐｎ接合１３４のダメージが少なく、リーク電流が低減され、経時変化も抑制された信頼性の高いデバイスである。

続いて、フォトレジスト等のマスクを用いて、キャップ層１０４上のパッシベーション膜１０９に開口部を形成し、この開口部にｐ型電極１１０を形成する。これにより、ｐ型電極１１０は、キャップ層１０４に接続される。ｐ型電極１１０は、例えばＡｕＺｎ等からなり、蒸着法等により形成される。さらに、受光領域と反対側である基板１０１の裏面全面にｎ型電極１１１を形成する。ｎ型電極１１１は、例えばＡｕ等からなり、蒸着法等により形成される。さらに、Ｈ_２雰囲気においてシンターを行う。

以上の工程を経ることにより、図２(Ｂ)に示す半導体受光素子１００が得られる。この半導体受光素子１００は、ｐｎ接合１３４を有するメサ部１０８を備え、メサ部１０８の側壁１０８ａにおいてｐｎ接合１３４を十分保護可能な厚みの保護層１０５ａを有している。

ここで、例えば図５(Ａ)及び図５(Ｂ)の半導体受光素子３００のように、メサ部３０８を形成した後に保護層３０５を形成すると、上述のように、メサ部３０８の側壁３０８ａにおいて保護層３０５の厚みが不十分となる等の問題がある。これに対して、第１実施形態に係る半導体受光素子１００の製造方法では、所定領域１０５を絶縁化又は半絶縁化させた後にメサ部１０８を形成する。このため、所定領域１０５の幅を予め広くしておくことにより、メサ部１０８の側壁１０８ａにおける保護層１０５ａの厚みを、メサ部１０８の幅方向に十分厚くすることができる。さらに、メサ部１０８の側壁１０８ａの形状又は角度によらずに、メサ部１０８の側壁１０８ａにおける保護層１０５ａの厚みを十分厚くすることができる。

このように、第１実施形態に係る半導体受光素子１００の製造方法を用いれば、メサ部１０８の側壁１０８ａにおいてｐｎ接合１３４を十分保護可能な厚みの保護層１０５ａを形成することができる。これにより、安定したｐｎ接合１３４が得られ、ｐｎ接合１３４を容易に保護できるので、半導体受光素子１００の製造歩留まりを著しく向上させることができ、工業的価値が大きい。

さらに、所定領域１０５の絶縁化又は半絶縁化をイオン注入により行う場合、例えば図５(Ａ)及び図５(Ｂ)の半導体受光素子３００のように、メサ部３０８を形成した後に保護層３０５を形成すると、イオン注入が方向性を有することからメサ部１０８の側壁１０８ａにおける保護層３０５の厚みが更に薄くなってしまう。これに対して、第１実施形態に係る半導体受光素子１００の製造方法では、イオン注入を行った後にメサ部１０８を形成するので、イオン注入の方向性による影響を受けない。

（第２実施形態）
次に、図３(Ａ)、図３(Ｂ)、図４(Ａ)及び図４(Ｂ)を参照しながら、第２実施形態に係る半導体受光素子２００の製造方法について説明する。図３(Ａ)、図３(Ｂ)、図４(Ａ)及び図４(Ｂ)は、いずれも第２実施形態に係る半導体受光素子２００の製造方法の一工程を示す断面図である。

（積層体を準備する工程）
まず、図３(Ａ)に示すように、基板１０１上にバッファ層１０２、光吸収層１０３及びキャップ層１０４が順に積層されてなる積層体１２０を準備する。光吸収層１０３とキャップ層１０４との界面には、ｐｎ接合１３４が形成されている。

基板１０１は、例えば、厚さ３００〜５００μｍ程度、キャリア濃度３×１０^１８ｃｍ^−３のｎ型ＩｎＰからなる。バッファ層１０２は、例えば、厚さ１．０μｍ、キャリア濃度３×１０^１８ｃｍ^−３のｎ型ＩｎＰからなる。光吸収層１０３は、例えば、厚さ３．０μｍ、キャリア濃度７×１０^１５ｃｍ^−３のｎ型ＩｎＧａＡｓからなる。キャップ層１０４は、例えば、厚さ０．８μｍ、キャリア濃度３×１０^１８ｃｍ^−３のｐ型ＩｎＰからなる。

（所定領域を絶縁化又は半絶縁化させる工程）
次に、図３(Ｂ)に示すように、積層体１２０の所定領域１０５の上面が露出するように、キャップ層１０４上の所定位置にマスク１０６を形成し、例えばイオン注入により不純物ｄを所定領域１０５に導入する。マスク１０６は、例えばＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘ、ポリイミド、フォトレジスト等からなり、所定領域１０５以外に不純物ｄが侵入することを抑制している。不純物ｄとしては、プロトン、酸素等が例示できる。

（メサ部を形成する工程）
次に、マスク１０６を除去した後に、図４(Ａ)に示すように、キャップ層１０４上に受光領域を形成するためのマスク１０７を形成し、このマスク１０７を用いて、例えばドライエッチングによりメサ部１０８ｂを形成する。マスク１０７は、例えばＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘ等からなり、受光領域がエッチングされないようにしている。メサ部１０８ｂは、その側壁１０８ｃに図３(Ｂ)の所定領域１０５が露出するように形成される。メサ部１０８ｂの側壁１０８ｃは、基板１０１の面方向に対して垂直であり、図３(Ｂ)の所定領域１０５において、ｐｎ接合１３４に直交するように形成される。これにより、所定領域１０５の一部の領域がメサ部１０８の側壁１０８ａ付近に残され、ｐｎ接合１３４の保護層１０５ｂとして機能する。このため、メサ部１０８ｂの側壁１０８ｃにおいてｐｎ接合１３４の端部は露出していない。

（パッシベーション膜及び電極を形成する工程）
次に、マスク１０７を除去した後に、図４(Ｂ)に示すように、基板１０１及びメサ部１０８ｂを覆うパッシベーション膜１０９を形成する。パッシベーション膜１０９は、例えばＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘ等からなり、プラズマＣＶＤ法等により形成される。パッシベーション膜１０９は、反射防止膜としても機能する。このとき、メサ部１０８ｂの側壁１０８ｃにｐｎ接合１３４は露出していない。このため、このように製造される半導体受光素子２００は、パッシベーション膜１０９形成時のｐｎ接合１３４のダメージが少なく、リーク電流が低減され、経時変化も抑制された信頼性の高いデバイスである。

以上の工程を経ることにより、図４(Ｂ)に示す半導体受光素子２００が得られる。この半導体受光素子２００は、ｐｎ接合１３４を有するメサ部１０８ｂを備え、メサ部１０８ｂの側壁１０８ｃにおいてｐｎ接合１３４を十分保護可能な厚みの保護層１０５ｂを有している。

ここで、例えば図６の半導体受光素子４００のように、メサ部４０８を形成した後に保護層４０５を形成すると、上述のように、メサ部４０８の側壁４０８ａにおいて保護層４０５が形成されない等の問題がある。これに対して、第２実施形態に係る半導体受光素子２００の製造方法では、所定領域１０５を絶縁化又は半絶縁化させた後にメサ部１０８ｂを形成する。このため、所定領域１０５の幅を予め広くしておくことにより、メサ部１０８ｂの側壁１０８ｃにおける保護層１０５ｂの厚みを、メサ部１０８ｂの幅方向に十分厚くすることができる。さらに、メサ部１０８ｂの側壁１０８ｃを逆テーパ形状とした場合（図示せず）でも、メサ部１０８ｂの側壁１０８ｃにおける保護層１０５ｂの厚みを十分厚くすることができる。

このように、第２実施形態に係る半導体受光素子２００の製造方法を用いれば、メサ部１０８ｂの側壁１０８ｃにおいてｐｎ接合１３４を十分保護可能な厚みの保護層１０５ｂを形成することができる。これにより、安定したｐｎ接合１３４が得られ、ｐｎ接合１３４を容易に保護できるので、半導体受光素子２００の製造歩留まりを著しく向上させることができ、工業的価値が大きい。

さらに、所定領域１０５の絶縁化又は半絶縁化をイオン注入により行う場合、例えば図６の半導体受光素子４００のように、メサ部４０８を形成した後に保護層４０５を形成すると、イオン注入が方向性を有することからメサ部４０８の側壁４０８ａにプロトン４０４が注入されなくなってしまう。これに対して、第２実施形態に係る半導体受光素子２００の製造方法では、イオン注入を行った後にメサ部１０８ｂを形成するので、イオン注入の方向性による影響を受けない。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。

例えば、上記実施形態では、積層体１２０を構成する半導体材料としてＩｎＡｓ、ＩｎＰを用いたが、これらに限られず、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ等を用いてもよい。

また、上記実施形態では、イオン注入により所定領域１０５に不純物ｄを導入するとしたが、イオン注入に限られず、他の方法（例えば、選択酸化法）により所定領域１０５を絶縁化又は半絶縁化させるとしてもよい。

第１実施形態に係る半導体受光素子の製造方法の一工程を示す断面図である。第１実施形態に係る半導体受光素子の製造方法の一工程を示す断面図である。第２実施形態に係る半導体受光素子の製造方法の一工程を示す断面図である。第２実施形態に係る半導体受光素子の製造方法の一工程を示す断面図である。メサ部を有する半導体受光素子にプロトンをイオン注入により導入する工程を示す断面図である。メサ部を有する半導体受光素子にプロトンをイオン注入により導入する工程を示す断面図である。

符号の説明

１００，２００…半導体受光素子、１０５…所定領域、１０５ａ，１０５ｂ…保護層、１０８，１０８ｂ…メサ部、１０８ａ，１０８ｃ…側壁、１２０…積層体、１３４…ｐｎ接合。

Claims

ｐｎ接合を有するメサ部を備えた半導体受光素子の製造方法であって、
前記ｐｎ接合を有する積層体において、該ｐｎ接合を含む所定領域を絶縁化又は半絶縁化させる工程と、
側壁に前記所定領域が露出するように前記メサ部を形成する工程と、
を備える半導体受光素子の製造方法。
前記所定領域を絶縁化又は半絶縁化させる工程では、イオン注入により前記所定領域に不純物を導入することにより、該所定領域を絶縁化又は半絶縁化させる請求項１に記載の半導体受光素子の製造方法。
前記メサ部を形成する工程では、ドライエッチングにより前記メサ部を形成する請求項１又は２に記載の半導体受光素子の製造方法。