JP2007300095A - Si/SiGe光検知器用の(110)シリコン基板上の垂直側壁の製造方法 - Google Patents

Si/SiGe光検知器用の(110)シリコン基板上の垂直側壁の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】シリコン基板に一体化され、量子効率が改良された光検知器(例えば近赤外の光検知器)を得る。
【解決手段】Si/SiGe光検知器用のシリコン(110)基板上の垂直側壁の製造方法には、下層のシリコンウェハー表面に対してシリコン(110)面が平行であるシリコン(110)層を準備する工程を含んでいる。そして、シリコン(110)層面に平行なマスク側壁によってシリコン(110)層をマスキングし、そのマスクされていない部分を除去するためにシリコン(110)層をエッチングし、垂直シリコン(111)側壁を有するパターン形成されたシリコン(110)層を残す。その後、マスクを除去し、パターン形成されたシリコン(110)層上にSiGe含有層を成長させ、光検知器を製造する。
【選択図】図3

Description

本発明は、光検知器に関するものであり、特に、シリコン基板に一体化された近赤外光検知器に関する。
近赤外の光検知器、すなわち、0.7μmから2μmの波長の光検知器は、例えば、光ファイバー通信やセキュリティ用途やマシンビジョンおよび暗視イメージングなど、多くの用途を有する。III−V化合物半導体はシリコンベースの対応する部分を覆って優れた光学性能を提供するが、シリコンベース材料と現在のシリコンIC技術との互換性は、安価かつ小型そして高度に集積された光学システムの製造の可能性を提供する。以下の参考文献は、本発明のさらなる背景を提供する。
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Vonsovici et al. Room Temperature Photocurrent spectroscopy of SiGe/Si p-i-n Photodiodes Grown by Selective Epitaxy, IEEE Trans. on Electron Devices, 538-542, Vol.45, No.2, 1998
〔非特許文献5〕
Jones et al., Fabrication and Modeling of Gigahertz Photodetectors in Heteroepitaxial Ge-on-Si using Graded Buffer Layer Deposited by Low Energy Plasma Enhanced CVD, IEDM, 2002
シリコンフォトダイオードは、その低暗電流、およびシリコンIC技術との互換性に起因して、可視光用の光検知器として広く用いられている。シリコン処理におけるSi1−xGe(SiGe)合金の使用は、0.8μmから1.6μmの波長における光検出動作を可能にする。
SiGe合金は、純粋なシリコンより大きな格子定数を有しており、それ故、シリコン上のSiGeのエピタキシャル成長は臨界厚さを有しており、それを超えるとフィルムはは転移核生成によって縮小し始める。上記SiGeの臨界厚さはゲルマニウム濃度およびデバイスプロセス温度に依存する。(Houghton, Strain relaxation kinetics in Si1-xGex/Si heterostructures, J.Appl.Phys.Vol.780, No.4, 1991)
高ゲルマニウム濃度および高デバイスプロセスによって、臨界厚さはより小さくなる。一般的な方法では、上記SiGeの臨界厚さは、数百オングストロームから最大数千オングストロームの範囲にある。上記SiGeの厚さが成長して、一旦その臨界厚さを超えると、SiGeにおける格子欠陥は避けられない。格子欠陥を含んでいるSiGe上に形成された赤外線光検知器は、高暗電流を有し、電子ノイズを引き起こすことになる。
量子効率は、入射光子ごとに生成される電子正孔対の数であり、光検知器の感度用のパラメータである。量子効率は、
η=(Ip/q)/(Pop/hν) (1)
のように定義される。ここで、Ipは光周波数νにおける入射光子パワーPopの吸収によって光生成された電流であり、qは電子電荷であり、hはプランク定数である。
量子効率を決定する1つの主要な要因は吸収係数αである。シリコンは約1.1μmのカットオフ波長を有し、カットオフ波長を超えて1.2μmまでの波長に対しては透明である。SiGe吸収限界は、ゲルマニウムのモル比率の増加とともに赤にシフトする。図1は、SiGe吸収限界を示す図である。SiGe合金の上記吸収係数は小さく、上記臨界厚さは吸収層の厚さを制限する。SiGeベースの光検知器の主要な目的は、高量子効率、および既存の電子技術との融合を達成することにある。
光学距離を増加させて量子効率を改良するための1つの方法は、光がヘテロ接合(SiGe/Si)界面に平行に伝播するように光検知器の端を光で照射することである。しかしながら、この方法はデバイスが画像検出に用いられることを許容しない。エッチングされたシリコン構造の側壁上に欠陥のない歪SiGeフィルム、またはSiGe/Si多層構造を成長させることは、「Lee et al., Surface-Normal Optical Path Structure for Infrared Photodetection, U.S. Patent Publication No. 2005/0136637-A1」(2006年6月25日公開)および、「Tweet et al., Vertical Optical Path Structure for Infrared Photodetection, U.S. Patent Publication No. 2005/0153474-A1」(2005年7月14日公開)によって開示されている。上記2つの先行技術文献に記載されている技術を組み込んでいるデバイスにおいては、上記デバイスの照射はシリコン基板に対して通常であるが、光学距離を増加させるために光はヘテロ接合界面に平行に進む。それゆえ、2次元のIR画像検出は、薄いSiGe、またはSiGe/Siフィルム厚さ内において達成される可能性がある。
高品質で、欠陥のない歪SiGeフィルムの製造は、欠陥のないシリコン表面上における成長を要求する。しかしながら、図2を参照すると、通常、シリコンの反応性イオンエッチング(RIE)によって、一般的に10に示されるように側壁が傾斜し、そして、一般的に12に示されるように側壁の表面の近傍において結晶品質が粗悪になり、RIEによりエッチングされた側壁の近傍において損傷を受けたシリコンの領域が形成される。また、その表面は、たいてい、かなり粗い。理想的には、これらの欠陥は、他の面をエッチングするのに比べて、ゆっくりと所望の側壁結晶面をエッチングする選択的エッチングを用いて取り除かれる。様々な種類のシリコンデバイス製造用に、ウェハー表面に平行な(001)面を有するシリコン基板が最も一般的に用いられる。この基板におけるトレンチのエッチングは、ウェハーの方位回転に応じて、側壁を(110)面または(100)面に対して平行にする。これらの側壁のより垂直な形成は、(110)または(100)面を、それぞれ、他の面に比べてよりゆっくりとエッチングする選択的エッチングを要求する。しかしながら、そのようなエッチングプロセスは、先行技術において知られていない。代わりに、(111)面を他の面に比べてかなりゆっくりとエッチングする周知の選択的エッチングがある。
この問題を回避する方法の1つは、基板を、ウェハー表面に平行なシリコン(110)面を有するものに変更することである。(Liu et al, Multi-Fin Double-Gate MOSFET Fabricatd by using(110)-Oriented SOI wafers and Orientation-Dependent Etching, Electrochemical Society Proceedings vol.2003-06, 566(2003)参照)そして、側壁面は、シリコン(111)、または他の関連する等価な直交面であってもよい。リュー等は、垂直側壁をエッチングするために、2.38%のテトラメチルアンモニウム水酸化物(TMAH)溶液を用い、シリコン・オン・インシュレータのウェハー上の矩形断面にシリコンフィン構造を形成する。そして、これらは、シリコン−FINFET(フィンフィールドイフェクトトランジスタ)デバイスを製造するために用いられる。リュー等は、TMAHがシリコン(111)面に比べて23から25倍速く(110)面をエッチングすることを報告している。加えて、RIEの代わりに選択的ウェットエッチングの利用によって、結晶シリコンは側壁表面において損傷を受けない。
Si/SiGe光検知器用のシリコン(110)基板上の垂直側壁を製造する方法は、基礎となるシリコンウェハー表面に対してシリコン(110)面が平行であるシリコン(110)層を準備する工程を含んでいる。そして、シリコン(111)層面に平行な側壁マスクによって上記シリコン(110)層をマスキングし、そのマスクされていない部分を除去するために上記シリコン(110)層をエッチングし、パターン形成されたシリコン(110)層を残す。最後に、マスクが除去され、SiGe含有層がパターン形成されたシリコン(110)層上に成長する。そして光検出装置が完成する。
シリコン基板に一体化された光検知器(例えば近赤外の光検知器)の量子効率を改良することが本発明の目的である。本発明の他の目的は、光検知器(例えば近赤外の光検知器など)用に歪SiGeおよび/またはSiGe/Si多層構造が成長する垂直側壁を製造するためにシリコン(110)基板および選択的化学エッチングの利用方法を提供することである。
この概要および本発明の目的は、本発明の本質を素早く理解できるように説明される。より詳細な本発明の理解は、図面とともに、本発明の好ましい実施の形態の下記詳細な説明を参照することによって得られる。
本発明の目的は、シリコン基板に一体化された光検知器(例えば近赤外の光検知器)の量子効率を改良することである。これは、ほぼ垂直な側壁を有するシリコン構造および低結晶欠陥を提供し、低欠陥ひずみのエピタキシャルSiGeおよび/またはSiGe/Si多層の側壁上の成長を可能にすることによって行われる。そうすることによって、光の吸収のための光学距離は、SiGeフィルム厚さではなく、側壁の高さによって決定される。このようにして、光検知器の量子効率は改善される。
前述したとおり、シリコン構造をエッチングするために反応性イオンエッチング(RIE)を用いることによって、エッチング表面は粗く、損傷をうけた側壁は許容できないほど大きな傾斜を有する。容易に利用可能な選択的エッチングプロセスは、シリコン(001)基板上のこの状況を改善しない。本発明は、光検出装置(例えば近赤外光検出装置など)用の歪SiGeおよび/またはSiGe/Si多層構造を成長させる垂直側壁を製造するためにシリコン(110)基板および選択的化学エッチングを用いる。
今、図3を参照すると、本発明の方法は、一般的に14に表されており、通常ウェハーの形での基板の準備16を含んでいる。開始の基板は、ウェハー表面に平行なシリコン(110)面を有している。上記基板は、18のバルクシリコン(110)ウェハーであってもよいし、あるいは、最上シリコンがウェハー表面に平行な(110)面を有するシリコン・オン・インシュレータ(SOI)ウェハー(ここでは20のSOI(110)ウェハーとして参照される)であってもよい。後者の場合、堆積したSiGeフィルムの光学距離が平面基板上の通常の堆積によって達成される光学距離(すなわち臨界厚さ)より長くなるように、最上シリコンは十分に厚い(例えば0.1ミクロンから1.0ミクロン、あるいはそれ以上)必要がある。ここで注意すべきことは、最上シリコンがウェハー表面に平行な(110)面を有することのみが必要であるということである。例えばSmart cut(登録商標)やEltran(登録商標)などのウェハーボンディング技術が用いられた場合、埋没酸化物(BOX)の下のシリコン基板は通常の(100)配向性を有していてもよい。この手順は、シリコン(100)基板を利用するより安価になる可能性がある。
22において、垂直シリコン面の形成に備えて、フォトレジスト、あるいは、例えばCVD堆積SiOなどのハードマスクパターンが何らかの最新技術の方法によって製造される。図4に示されるように、フォトレジスト、あるいは、ハードマスクの側壁がシリコン(111)または等価な面に平行であることが重要であり、シリコン(110)基板24はその上にマスク材26を有する。マスク側壁は、シリコン(111)面に平行である。図5は、シリコン基板30と、その上のBOX層32と、最上シリコン(110)層34とを備えているSOI(110)ウェハー28を示している。マスク材26は、この場合もやはりマスク側壁がシリコン(111)に平行になるように、最上シリコン層34上に形成される。そして、シリコン(111)側壁を有する垂直シリコン面は、2つの方法のうち1つによって製造され得る。
(ウェットエッチングのみ)
36において、(111)面をほとんどエッチングすることなく、(110)面をエッチングして、マスクされていないシリコン(110)層の部分を除去するために、例えば、2.38%のテトラメチルアンモニウム水酸化物(TMAH)溶液などの選択的化学反応が用いられる。それから、マスクが除去される。この溶液は、シリコン(110)を、シリコン(111)をエッチングするより約23から25倍速くエッチングし、図6や図7に示されるように、側壁の傾斜は垂直から4%、すなわち、86°の側壁となる。側壁の高さは、バルクシリコン(110)ウェハーに対するエッチング時間によって決定される(図6)。SOI(110)の場合(図7)、エッチングはBOXにおいて止まるため、側壁高さは最上シリコンの厚さによって決定される。この方法の有利な点は、側壁表面に沿って結晶格子に対する損傷がほとんど、あるいは、全くないことである。不利な点は、側壁角度がエッチングの選択性(すなわち、選択性がより高くなれば、側壁はより垂直になる)によって直接制限されることである。
(反応性イオンエッチング(RIE)と、それに続く選択的ウェットエッチング)
38において、RIEは、マスクされていないシリコン(110)層を異方性エッチングするために用いられる(図8および図9)。そして、フォトレジストまたはハードマスクパターンを保ったままにして、短い選択的ウェットエッチングは、(111)をほとんどエッチングすることなく、(110)をエッチングするのに用いられる(図10および図11)。その後、マスクが除去される。この方法の有利な点は、より垂直な側壁となる、すなわち、90°に近づく。不利な点は、側壁近傍の結晶損傷が除去される必要があることである。これは、例えば、薄い熱酸化物を成長させてHFエッチングによって除去する技術、および/またはエッチングされたシリコン基板をアニールして損傷領域を再結晶化する技術などのいくつかの技術によって行われる。
いずれにしても、結果として生じる側壁の高さは、用途の必要に応じて調整されてもよい。一般的に、0.1ミクロンから1.0ミクロン、あるいはそれ以上の高さの側壁は製造可能である。そして、40において、5%〜100%のゲルマニウム含有量を有する歪SiGeフィルムまたはSiGe/Si多層構造は、これらのパターン形成されて残っているシリコン(110)構造において、エピタキシャリーに成長可能である。そして、42において、非選択的エピタキシーについては上記のLee等によって、選択的エピタキシー、すなわち、酸化物上や窒化物上ではなくシリコン上のエピタキシャル成長については上記のTweet等によって述べられているように、光検知器の製造に用いられる。
上述したように、Si/SiGe光検知器用の(110)シリコン基板上の垂直側壁の製造方法が開示されてきた。添付の特許請求の範囲において規定されているように、そのさらなる変形と改良が本発明の範囲内においてなされることが理解されるであろう。
様々なSiGeサンプルに対する正規化された光電流スペクトルを示す図である。 RIEエッチングされたシリコン構造の概略側面図である。 本発明の方法のブロック図である。 バルクシリコン(110)基板の使用を示す図である。 SOI基板の使用を示す図である。 選択的ウェットエッチングの後にマスク材を除去した状態のバルクシリコン(110)基板を示す図である。 選択的ウェットエッチングの後にマスク材を除去した状態のSOI基板を示す図である。 異方性RIEエッチングの後のバルクシリコン(110)基板を示す図である。 異方性RIEエッチングの後のSOI基板を示す図である。 異方性RIEエッチングおよび選択的ウェットエッチングの後にマスク材を除去した状態のバルクシリコン(110)基板を示す図である。 異方性RIEエッチングおよび選択的ウェットエッチングの後にマスク材を除去した状態のSOI基板を示す図である。

Claims (15)

  1. 下層のシリコンウェハー表面に対してシリコン(110)面が平行であるシリコン(110)層を準備する工程と、
    シリコン(111)層面に平行なマスク側壁によって上記シリコン(110)層をマスキングする工程と、
    上記シリコン(110)層をエッチングする工程であって、そのマスクされていない部分を除去し、パターン形成されたシリコン(110)層を残す工程と、
    マスクを除去する工程と、
    パターン形成されたシリコン(110)層上にSiGe含有層を成長させる工程と、
    光検知器を製造する工程と、を含んでいるSi/SiGe光検知器用のシリコン(110)基板上の垂直側壁の製造方法。
  2. 上記シリコン(110)層を準備する工程は、バルクシリコン(110)基板を準備する工程を含んでいる請求項1に記載の製造方法。
  3. 上記シリコン(110)層を準備する工程は、その上にシリコン(110)最上シリコン層を有するSOIウェハーを準備する工程を含んでいる請求項1に記載の製造方法。
  4. 上記シリコン(110)層をマスキングする工程は、フォトレジストおよびハードマスクから成る一群のマスキングから選ばれた1つのマスキングによって、上記シリコン(110)層をマスキングおよびパターンニングする工程を含んでいる請求項1に記載の製造方法。
  5. 上記シリコン(110)層をエッチングする工程は、選択的ウェットエッチングプロセスによるエッチングする工程を含んでいる請求項1に記載の製造方法。
  6. 上記シリコン(110)層をエッチングする工程は、RIEプロセスによってエッチングする工程と、さらにシリコン(111)面より速くシリコン(110)面をエッチングする選択的ウェットエッチングによって上記シリコン(110)層をエッチングし、シリコン(111)側壁を有するパターン形成されたシリコン(110)表面を残す工程とを含んでいる請求項1に記載の製造方法。
  7. 下層のシリコンウェハー表面に対してシリコン(110)面が平行であるシリコン(110)層を準備する工程と、
    シリコン(111)層面に平行なマスク側壁によって上記シリコン(110)層をマスキングする工程と、
    上記シリコン(110)層をエッチングする工程であって、そのマスクされていない部分を除去し、パターン形成されたシリコン(110)層を残す工程と、
    マスクを除去する工程と、
    パターン形成されたシリコン(110)層上にSiGe含有層を成長させる工程と、
    光検知器を製造する工程とを含み、
    上記シリコン(110)層を準備する工程は、バルクシリコン(110)基板を準備する工程、またはシリコン(110)最上シリコン層を有するSOIウェハーを準備する工程を含んでいる、Si/SiGe光検知器用のシリコン(110)基板上の垂直側壁の製造方法。
  8. 上記シリコン(110)層をマスキングする工程は、フォトレジストおよびハードマスクから成る一群のマスキングから選ばれた1つのマスキングによって、上記シリコン(110)層をマスキングおよびパターンニングする工程を含んでいる請求項7に記載の製造方法。
  9. 上記シリコン(110)層をエッチングする工程は、選択的ウェットエッチングプロセスによってエッチングする工程を含んでいる請求項7に記載の製造方法。
  10. 上記シリコン(110)層をエッチングする工程は、RIEプロセスによってエッチングする工程と、さらにシリコン(111)面より速くシリコン(110)面をエッチングする選択的ウェットエッチングによって上記シリコン(110)層をエッチングし、シリコン(111)側壁を有するパターン形成されたシリコン(110)表面を残す工程とを含んでいる請求項7に記載の製造方法。
  11. 下層のシリコンウェハー表面に対してシリコン(110)面が平行であるシリコン(110)層を準備する工程と、
    シリコン(111)層面に平行なマスク側壁によって上記シリコン(110)層をマスキングする工程と、
    上記シリコン(110)層をエッチングする工程であって、そのマスクされていない部分を除去し、パターン形成されたシリコン(110)層を残す工程と、
    マスクを除去する工程と、
    パターン形成されたシリコン(110)層上にSiGe含有層を成長させる工程と、
    光検知器を製造する工程とを含み、
    上記シリコン(110)層をエッチングする工程は、RIEプロセスによってエッチングする工程と、さらにシリコン(111)面より速くシリコン(110)面をエッチングする選択的ウェットエッチングによって上記シリコン(110)層をエッチングし、シリコン(111)側壁を有するパターン形成されたシリコン(110)表面を残す工程とを含んでいる、Si/SiGe光検知器用のシリコン(110)基板上の垂直側壁の製造方法。
  12. 上記シリコン(110)層を準備する工程は、バルクシリコン(110)基板を準備する工程を含んでいる請求項11に記載の製造方法。
  13. 上記シリコン(110)層を準備する工程は、その上にシリコン(110)最上シリコン層を有するSOIウェハーを準備する工程を含んでいる請求項11に記載の製造方法。
  14. 上記シリコン(110)層をマスキングする工程は、フォトレジストおよびハードマスクから成る一群のマスキングから選ばれた1つのマスキングによって、上記シリコン(110)層をマスキングおよびパターンニングする工程を含んでいる請求項11に記載の製造方法。
  15. 上記シリコン(110)層をエッチングする工程は、選択的ウェットエッチングプロセスによってエッチングする工程を含んでいる請求項11に記載の製造方法。
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