JP2008244315A - 光半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】特に青色光を中心とした短波長光に対し、受光面における反射率が低減され、高受光感度特性となっている光半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】光半導体装置の製造方法は、基板１０１に受光素子を形成する工程（ａ）と、受光素子上にシリコン窒化膜１０４を形成する工程（ｂ）と、基板１０１上に第１の絶縁膜１０５を形成する工程（ｃ）と、第１の絶縁膜１０５を熱処理により平坦化する工程（ｄ）と、受光素子上において、第１の絶縁膜１０５を開口してシリコン窒化膜１０４を露出させる工程（ｅ）と、工程（ｅ）の後に、シリコン窒化膜１０４に選択的に不純物を導入することにより、シリコン窒化膜１０４の屈折率を変化させる工程（ｆ）とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ピックアップ装置等に用いられる光を電気に変換する受光素子に関するものである。

光半導体装置の代表的な素子である受光素子は、光信号を電気信号に変換する素子であり、様々な分野で用いられている。中でもＣＤ、ＤＶＤ等の光ディスク分野において、光ディスク上に記録されている信号を読み書きする光ピックアップ装置のキーデバイスとして重要である。ここで、受光素子には、高受光感度、高速及び低ノイズの特性が要求されている。

近年、光ディスクに対する大容量化に従って、青色レーザ（波長４０５ｎｍ）を光源として採用した、Blu-ray （ＢＤ）又はＨＤ−ＤＶＤの製品化が開始され、青色レーザ対応した短波長領域において高速・高受光感度特性を有する受光素子が要請されている。また、高性能化・高集積化の要請により、受光素子であるフォトダイオードと、バイポーラトランジスタ、抵抗、容量等の各種電子素子とを同一基板上に混載したいわゆる光電子集積回路（ＯＥＩＣ）として構成される場合も多い。

以下、従来の光半導体装置とその製造方法について図面を参照して説明する。図９（ａ）〜（ｄ）は、従来の光半導体装置を製造する際の各工程を示す断面図である。ここでは、半導体基板としてＰ型のシリコン基板１を用い、受光素子としてＰＮ型フォトダイオード形成する場合を例示する。

従来の光半導体装置は図９（ｄ）に示されている。つまり、低濃度Ｐ型のシリコン基板１に、Ｎ型のカソード層２と、Ｐ型のアノードコンタクト層３とが形成され、基板１上にはシリコン窒化膜４が形成されている。基板１とカソード層２とが受光素子（ＰＮ型フォトダイオード）として機能する。また、シリコン窒化膜４のうちのカソード層２上の部分は不純物の導入によって屈折率が変化した不純物導入シリコン窒化膜４ａとなっている。

シリコン窒化膜４上には第１の絶縁膜５が形成され、アノードコンタクト層３及びカソード層２に達する電極１８がそれぞれ形成されている。また、電極１８を覆うように、第１の絶縁膜５上に第２の絶縁膜９が形成されている。

更に、第１の絶縁膜５及び第２の絶縁膜９がカソード層２上において開口され、該開口部分において不純物導入シリコン窒化膜４ａの露出された部分が受光面８となっている。

このような光半導体装置が備える受光素子は、以下に説明するように動作する。まず、受光面８から光が入射した光はカソード層２及びアノードである基板１によって吸収され、電子・正孔対が発生する。このとき、電極１８間に逆バイアスを印加すると、低不純物濃度であるＰ型の基板１の側に空乏層が広がる。該空乏層付近に発生した電子・正孔対のうち、電子はカソード層２に、正孔はアノードコンタクト層３に、それぞれ拡散又はドリフトにより分離されて到達し、これらのキャリア電極１８により光電流として取り出される。

また、カソード層２上の部分のシリコン窒化膜の膜厚及び屈折率を調整することにより、受光面８の反射率を低減することが可能であり、該シリコン窒化膜をいわゆる反射防止膜として作用させることができる。例えば、ＤＶＤに用いられる赤色光（波長６５０ｎｍ）の光に対し、シリコン窒化膜の屈折率を２．００とすると、その反射率は約０．１％となり、ほとんどの光がシリコン窒化膜を透過する。これは、カソード層２上の部分のシリコン窒化膜に対して不純物の導入を行なわなかった場合に相当する。

しかしながら、ＢＤに用いられる青色光（波長４０５ｎｍ）の光に対しては、シリコン基板１の屈折率が赤色光に対する屈折率よりも大きいため、不純物の導入を行なっていないシリコン窒化膜を用いた場合、受光面８における反射率は約２．３％に増大する。そこで、図９（ｄ）に示す光半導体装置の場合、カソード層２上の部分のシリコン窒化膜４に対して不純物注入を行ない、不純物導入シリコン窒化膜４ａとして屈折率を高めることが提案されている。このような従来の光半導体装置の製造方法を、以下に説明する。

図９（ａ）に示すように、シリコン基板１に対し、イオン注入等によりカソード層２とアノードコンタクト層３とを選択的に形成する。

次に、図９（ｂ）に示す工程を行なう。まず、シリコン基板１上にシリコン窒化膜４（例えば、膜厚４０ｎｍで且つ屈折率２．００）をＣＶＤ法により形成する。次に、カソード層２上に開口を有するレジスト１６をシリコン窒化膜４上に形成する。

その後、レジスト１６をマスクとして、シリコン窒化膜４のうちのカソード層２上の部分に選択的に不純物を注入し、不純物導入シリコン窒化膜４ａとする（例えば、不純物としてＳｂを用い、ドーズ量は５×１０¹⁵ｃｍ^-2とする）。これにより、不純物導入前には２．００であった屈折率が２．３に上昇する。この結果、青色光（波長４０５ｎｍ）に対する反射率は０．２％に低減し、高受光感度の受光素子を実現することができるとされている。

次に、図９（ｃ）に示すように、レジスト１６を除去した後、シリコン基板１上に第１の絶縁膜５を形成し、更に、例えば９００℃の熱処理によりその表面を平坦化する。

更に、第１の絶縁膜５及びシリコン窒化膜４を貫通してカソード層２及びアノードコンタクト層３にそれぞれ達するように開口を設けた後、該開口にスパッタ法等によって電極１８を形成する。続いて、配線形成工程におけるダメージの除去及び電極１８のアロイ化のために、シンター処理する。

次に、図９（ｄ）に示す工程を行なう。まず、第１の絶縁膜５及び電極１８の上に第２の絶縁膜９を形成する。次に、カソード層２上方の部分の第１の絶縁膜５及び第２の絶縁膜９を選択的に除去し、不純物導入シリコン窒化膜４ａを露出させる。露出した不純物導入シリコン窒化膜４ａの表面は、光が入射する受光面８として機能する。以上により、図９（ｄ）に示す従来の光半導体装置が製造される。
特開平９−２９８３０８号公報 特開２００７−０３５９５８号公報

図９（ｂ）の工程においてシリコン窒化膜４に対して不純物注入を行なうことにより得た不純物導入シリコン窒化膜４ａは、先に述べた通り、その屈折率が２．３、青色光に対する反射率が０．２％であった。

しかし、その後に図９（ｃ）及び（ｄ）の工程を経て製造した光半導体装置において、前記の反射率から予期される受光感度が得られず、結果として高受光感度の光半導体装置を実現することができない場合が見受けられた。そのため、このことの解決が課題となっている。

以上の課題に鑑み、本発明は、反射防止膜の反射率低下を防止し、特に青色光に対して高受光感度の受光素子を備えた光半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

製造された光半導体装置において、予期した受光感度が実現されない理由を本願発明者等が検討した結果、次のような知見を得た。

シリコン窒化膜に対し不純物注入を行なって不純物導入シリコン窒化膜を得た時点において、屈折率の向上及び反射率の低減は確かに生じている。しかし、光半導体装置を製造するための後の工程において、一旦は向上した屈折率が低下し、その結果として反射率が増大する。

より具体的には、図９（ａ）〜（ｄ）に説明した製造方法において、不純物導入シリコン窒化膜４ａを得る図９（ｂ）の工程の後に、第１の絶縁膜５の形成、その平坦化のための熱処理、第２の絶縁膜９の形成、電極１８の形成後のシンター等、熱処理工程を実施する必要がある。しかし、シリコン窒化膜４への不純物導入により形成された不純物導入シリコン窒化膜４ａに対して熱処理を行なうと、その屈折率が低下する。

図１０に、このことについて例示している。これは、不純物としてＳｂを用いて注入（ドーズ量１×１０¹⁵ｃｍ^-2）を行なった場合の実験結果である。シリコン窒化膜を成長した直後（as-depo ）には屈折率２．０、反射率３．１％であるのに対し、不純物の注入によって屈折率が２．１を越える程度まで上昇し、反射率は１．６％に低下する。しかし、平坦化のための熱処理（９００℃）後には屈折率は２．０に低下し、反射率は４．３％と成長後（as-depo ）よりも更に大きくなる。

高熱の熱処理を実施するほどこのような屈折率の低下量は大きくなり、不純物注入による屈折率増大の効果が失われる。特に、ＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜の場合、膜中には水素を含有しており、７００℃以上の熱処理を行なうと水素の離脱が急激に発生する。これによってＳｉ−Ｈ結合及びＳｉ−Ｎ結合が減少するため、特に７００℃以上の熱処理を行なうと不純物導入シリコン窒化膜の屈折率は顕著に低下する。

以下に説明する本発明の光半導体装置の製造方法は、このような本願発明者等が得た知見に基づくものである。

前記の目的を達成するため、本発明の光半導体装置の製造方法は、基板に受光素子を形成する工程（ａ）と、受光素子上を覆うように基板上にシリコン窒化膜を形成する工程（ｂ）と、受光素子上を覆うように基板上に第１の絶縁膜を形成する工程（ｃ）と、第１の絶縁膜を熱処理により平坦化する工程（ｄ）と、受光素子上において、第１の絶縁膜を開口する工程（ｅ）と、工程（ｅ）の後に、前記開口に露出するシリコン窒化膜に選択的に不純物を導入することにより、シリコン窒化膜の屈折率を変化させる工程（ｆ）とを含む。

本発明の光半導体装置の製造方法によると、第１の絶縁膜を熱処理により平坦化する工程（ｄ）の後にシリコン窒化膜に対する不純物の導入工程（ｆ）を行なうため、不純物導入により上昇したシリコン窒化膜の屈折率が工程（ｄ）の熱処理によって低下するのを回避することができる。このためシリコン窒化膜の高い屈折率を安定して確保することができ、受光素子に光が入射する受光面の反射率を低減することができるため、受光素子の高感度化を実現することができる。特に、この効果は青色光に対して顕著である。

尚、工程（ｆ）の後に、第１の絶縁膜上に配線を形成する工程と、第１の絶縁膜及び配線上に第２の絶縁膜を形成する工程と、受光素子上の部分において、第２の絶縁膜を開口してシリコン窒化膜を露出させる工程とを更に備えることが好ましい。

配線及びそれを覆う第２の絶縁膜を備える光半導体装置を製造するため、このようにしても良い。

また、工程（ｄ）の後で且つ工程（ｅ）の前に、第１の絶縁膜上に配線を形成する工程と、工程（ｆ）の後に、第１の絶縁膜及び配線上に第２の絶縁膜を形成する工程と、受光素子上の部分において、第２の絶縁膜を開口してシリコン窒化膜を露出させる工程とを更に備えることが好ましい。

このようにすると、配線及びそれを覆う第２の絶縁膜を備える光半導体装置を製造することができる。また、配線を形成する工程はシンター処理（水素雰囲気下又は水素と窒素の混合ガス雰囲気下における熱処理）を伴うのが一般的であるが、この工程をシリコン窒化膜に対する不純物の導入工程（ｆ）よりも前に行なうことにより、配線を形成する工程に関してシリコン窒化膜の屈折率低下を回避することができる。

また、工程（ｄ）の後で且つ前記工程（ｅ）の前に、第１の絶縁膜上に配線を形成する工程と、工程（ｅ）の前に、第１の絶縁膜及び配線上に第２の絶縁膜を形成する工程とを更に備え、工程（ｅ）において、第１の絶縁膜に加えて第２の絶縁膜を開口することが好ましい。

このようにすることによっても、配線及びそれを覆う第２の絶縁膜を備える光半導体装置を製造することができる。また、第２の絶縁膜を形成する工程は熱処理を伴う工程であるが、この工程をシリコン窒化膜への不純物の導入工程（ｆ）よりも前に行なうため、第２の絶縁膜を形成する工程におけるシリコン窒化膜の屈折率低下を回避することができる。

また、工程（ｂ）は、工程（ｅ）の後で且つ工程（ｆ）の前に行ない、工程（ｄ）の後で且つ工程（ｅ）の前に、第１の絶縁膜上に配線を形成する工程と、工程（ｅ）の前に、第１の絶縁膜及び配線上に第２の絶縁膜を形成する工程とを更に備え、工程（ｅ）において、第１の絶縁膜に加えて第２の絶縁膜を開口し、受光素子を露出させることが好ましい。

このようにすることによっても、配線及びそれを覆う第２の絶縁膜を備える光半導体装置を製造することができる。また、配線の形成工程及び第２の絶縁膜の形成工程をいずれもシリコン窒化膜への不純物の導入工程（ｆ）よりも前に行なうため、これらの工程におけるシリコン窒化膜の屈折率低下を回避することができる。

更に、工程（ｅ）において、受光素子上以外の部分のシリコン窒化膜は第２の絶縁間上に形成される。このため、基板に受光素子以外の素子を更に形成している場合に、それらの素子の性能にシリコン窒化膜が影響するのを防ぐことができる。

また、工程（ｃ）の前に受光素子上に別のシリコン窒化膜を形成する工程を更に備え、工程（ｅ）において、第１の絶縁膜及び第２の絶縁膜に加えて別のシリコン窒化膜を開口し、受光素子を露出させることが好ましい。

このようにすると、基板のうちの受光素子上と他の部分とにおいて異なるシリコン窒化膜を設けることができる。

また、工程（ｆ）において、イオン注入によって不純物の導入を行なうことが好ましい。シリコン窒化膜に対する不純物の導入は、このようにして行なうことができる。

また、工程（ｄ）の熱処理は、７００℃以上の温度をもって行なうことが好ましい。

ＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜は膜中に水素を含有しており、７００℃以上の温度による熱処理を行なうと、膜中から水素の離脱が急激に発生すると共にＳｉ−Ｈ結合及びＮ−Ｈ結合が減少する。これにより、不純物の導入によって屈折率が高められていたとしても、顕著に低下する。しかし、工程（ｄ）の後にシリコン窒化膜への不純物導入工程（ｆ）を行なうため、屈折率の低下を招くことなく工程（ｄ）の熱処理を７００℃以上の温度によって行なうことができる。

また、工程（ｂ）の前に、受光素子上にシリコン酸化膜を形成する工程を更に備えることが好ましい。

このようにすると、受光素子が設けられた基板とシリコン窒化膜とが直に接するのを防ぎ、基板に加わる応力を低減することができる。また、シリコン酸化膜を熱酸化により形成するようにすると、基板とシリコン窒化膜との界面に比べて基板とシリコン酸化膜との界面におけるダングリングボンドは少なくなる。これらのことから、リーク電流（暗電流）が低減できる。

また、工程（ｆ）においてシリコン窒化膜に導入する不純物のピーク濃度を１×１０²⁰atoms/cm³ 以上とすることが好ましい。

シリコン窒化膜に導入する不純物の濃度を高くするほど屈折率の変化は大きくなる。特に、シリコン窒化膜におけるＳｉ−Ｎ結合数（５〜１０×１０²¹atoms/cm³ ）の数％に相当する１×１０²⁰atoms/cm³ 以上の不純物を導入すると、屈折率の変化が顕著になる。

また、不純物がＳｂであることが好ましい。

屈折率の変化のためにシリコン窒化膜に導入する不純物の原子量が大きいほど、シリコン窒化膜におけるＳｉ−Ｎ結合の切断の割合が増加し、屈折率の変動も大きくなる。よって、シリコン窒化膜の屈折率変更に関する自由度が高まり、少ないドーズ量によっても必要な屈折率を実現することができる。また、半導体プロセスにおいて標準的に用いられる不純物の中では、Ｓｂが最も原子量が大きく且つ簡便である。

更に、Ａｓを不純物として用いた場合にはＮ−Ｈ結合の切断が見られ、これによって屈折率の向上が妨げられていたのに対し、Ｓｂを不純物とするとＮ−Ｈ結合の切断が少なく、屈折率向上に有利である。以上のような点から、不純物としてＳｂを用いるのがよい。

また、不純物がＮｅ（ネオン）、Ａｒ（アルゴン）、Ｘｅ（キセノン）、Ｋｒ（クリプトン）及びＲｎ（ラドン）のうちの少なくとも１つの不活性元素であることが好ましい。

これらの不活性元素を用いると、シリコン窒化膜の屈折率を変化させるための不純物導入によって受光素子における不純物分布が影響されるのを防ぐことができる。これにより、光半導体装置の高速・高受光感度特性の安定した確保が可能となる。

以上に説明した通り、本発明に係る光半導体装置の製造方法によると、高温の熱処理の後にシリコン窒化膜への不純物の導入を行なうため、不純物導入により向上したシリコン窒化膜の屈折率が熱処理によって低下するのを回避することができる。このため、シリコン窒化膜の高屈折率を安定して確保し、その結果、受光面における反射率を低減することができる。これにより、受光素子の高受光感度化が実現しする。特に、青色光に代表される短波長領域において顕著な効果が得られる。

（第１の実施形態）
以下に、本発明の第１の実施形態に係る光半導体装置１００の製造方法について、図面を参照して説明する。図１（ａ）〜（ｄ）及び図２（ａ）〜（ｃ）は、光半導体装置１００を製造する各工程の要部断面を示す図である。

まず、本実施形態において製造する光半導体装置１００は、図２（ｃ）に示す構造を有する。つまり、光半導体装置１００は低濃度Ｐ型のシリコンからなる基板１０１を用いて形成され、基板１０１上の別々の領域に、Ｎ型のカソード層１０２と、Ｐ型のアノードコンタクト層１０３とが選択的に形成されている。基板１０１上にはシリコン窒化膜１０４が形成されている。

ここで、Ｐ型の基板１０１とＮ型のカソード層１０２とによってＰＮ接合が構成されており、受光素子（ＰＮ型フォトダイオード）として機能する。また、シリコン窒化膜１０４のうち、カソード層１０２上の部分は不純物の導入によって屈折率が変化されており、不純物導入シリコン窒化膜１０４ａとなっている。

シリコン窒化膜１０４上には第１の絶縁膜１０５が形成され、シリコン窒化膜１０４と第１の絶縁膜１０５とを貫通して、アノードコンタクト層１０３及びカソード層１０２に達する電極１１８がそれぞれ形成されている。また、電極１１８を覆うように、第１の絶縁膜１０５上に第２の絶縁膜１０９が形成されている。

更に、第１の絶縁膜１０５及び第２の絶縁膜１０９がカソード層１０２上において選択的に除去され、開口が設けられている。該開口部分において不純物導入シリコン窒化膜１０４ａの露出された部分が受光面１０８となっている。

このような構成を有する光半導体装置１００は、次のように動作する。つまり、受光面１０８から光が入射すると、該光はカソード層１０２及びアノード層である基板１０１によって吸収され、電子・正孔対が発生する。また、電極１１８間に逆バイアスを印加すると、基板１０１とカソード層１０２との界面（ＰＮ接合部）に対し、低不純物濃度であるＰ型の基板１０１の側により大きく空乏層が広がる。該空乏層付近において発生した電子・正孔対のうち、電子はカソード層１０２に、正孔はアノードコンタクト層１０３に、それぞれ拡散又はドリフトにより分離されて到達し、これらのキャリアが電極１１８により光電流として取り出される。

次に、このような光半導体装置１００の製造方法を説明する。初めに、図１（ａ）に示すように、Ｐ型の基板１０１の別々の領域に、Ｎ型のカソード層１０２と高濃度Ｐ型のアノードコンタクト層１０３とをイオン注入等の方法によって選択的に形成する。

次に、図１（ｂ）に示す工程を行なう。まず、基板１０１上にシリコン窒化膜１０４をＣＶＤ法等により、例えば、膜厚４０ｎｍ、屈折率２．０に形成する。続いて、シリコン窒化膜１０４上にＣＶＤ法等により第１の絶縁膜１０５を形成する。例えば、ＢＰＳＧ（boro-phospho-silicate glass ）からなる膜厚５００ｎｍの膜とする。

その後、熱処理（例えば９００℃の処理）を行ない、第１の絶縁膜１０５を平坦化する。

次に、図１（ｃ）に示すように、平坦化された第１の絶縁膜１０５上にレジスト１１６を選択的に形成し、該レジスト１１６をマスクとして第１の絶縁膜１０５に対するウェットエッチングを行なう。これには、例えばバッファード弗酸を用いればよい。これにより、カソード層１０２上方の部分の第１の絶縁膜１０５を選択的に除去し、シリコン窒化膜１０４の上面を露出させる。

その後、図１（ｄ）に示すように、露出したシリコン窒化膜１０４に対して不純物の導入を行なう。例えば、不純物としてＳｂを用い、ドーズ量５×１０¹⁵ｃｍ^-2のイオン注入を行なう。これにより、カソード層１０２上の部分のシリコン窒化膜１０４が不純物導入シリコン窒化膜１０４ａとなり、その屈折率が上昇する。ここでは、２．０であった屈折率が不純物導入により２．３に上昇する。

次に、図２（ａ）の工程を行なう。まず、レジスト１１６をアッシング等により除去する。続いて、第１の絶縁膜１０５及びシリコン窒化膜１０４に対してカソード層１０２及びアノードコンタクト層１０３に達する開口を形成した後、それぞれの開口にスパッタ法等により電極１１８を形成する。例えばＡｌを材料とし、膜厚８００ｎｍに形成する。また、図示は省略しているが、電極１１８の形成に加えて配線の形成を行っても良い。

次に、このような電極１１８等を形成する工程（配線形成工程）において生じたダメージの除去及び電極１１８のアロイ化のためにシンター処理を行なう。

次に、図２（ｂ）に示す通り、電極１１８及び第１の絶縁膜１０５を覆うように、第２の絶縁膜１０９を形成する。例えば、ＣＶＤ法等を用い、ＴＥＯＳにより膜厚１０００ｎｍに形成する。このとき、不純物導入シリコン窒化膜１０４ａ上も第２の絶縁膜１０９によって覆われる。

次に、図２（ｃ）に示す通り、第２の絶縁膜１０９に対してウェットエッチング（例えばバッファード弗素による）を行ない、カソード層１０２上方の部分を選択的に除去して不純物導入シリコン窒化膜１０４ａを露出させる。これにより、本実施形態の光半導体装置１００が製造される。

以上に説明した製造方法において、第１の絶縁膜１０５を平坦化する熱処理よりも後に、シリコン窒化膜１０４にイオン注入を行なって不純物導入シリコン窒化膜１０４ａとする工程を行なう。このため、イオン注入の後に高温（９００℃）の熱処理工程を経ることを回避しており、不純物導入シリコン窒化膜１０４ａの屈折率の低下を回避している。

本実施形態において、例えば、形成した時点のシリコン窒化膜１０４の屈折率は２．０、イオン注入後の不純物導入シリコン窒化膜１０４ａの屈折率は２．３、最終工程における不純物導入シリコン窒化膜１０４ａの屈折率は２．２である。このため、最終工程において受光面１０８の反射率は約０．８％となっており、受光素子の高受光感度化、特に青色光に対する高受光感度化が実現する。尚、従来、不純物を導入したシリコン窒化膜の屈折率は熱処理によって例えば２．０まで低下していた。

ここで、シリコン窒化膜１０４に不純物を注入すると屈折率が変動するメカニズムは、Ｓｉ−Ｎ結合が不純物の注入によって切断されることにより、Ｓｉ原子及びＮ原子の分極状態が変動し、その結果として屈折率が変化するというものと考えられる。また、不純物の注入後に熱処理を行なうと、Ｓｉ原子とＮ原子とが再度結合するため、屈折率も元に戻るように変化するものと考えられる。

このようなことから、シリコン窒化膜１０４に注入する不純物の濃度を高くするほど屈折率の変化量が大きくなる。特に、シリコン窒化膜１０４中のＳｉ−Ｎ結合数（５〜１０ｘ１０²¹atoms/ｃｍ^-3）の数％に相当する１×１０²⁰atoms/ｃｍ^-3以上の濃度とすると、屈折率の顕著な変化が見られる。

また、原子量の大きい不純物を屈折率変化用の不純物として採用することにより、Ｓｉ−Ｎ結合の切断の割合が増加し、屈折率の変動量も大きくなる。半導体プロセスにおいて標準的に用いられる不純物の中では、Ｓｂが最も原子量が大きく且つ簡便に用いることができる。

また、屈折率変化用の不純物としてＮｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｒｎのような不活性元素を用いると、アノード層である基板１０１の低濃度Ｐ型不純物の不純物分布及びカソード層１０２の高濃度Ｎ型不純物の不純物分布に影響を与えない。よって、注入による特性の変動を防止できるから、受光素子の高速・高受光感度特性の安定した確保が可能となる。このような観点から、屈折率変化用の不純物として前記のような不活性元素を用いることも好ましい。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る光半導体装置の製造方法（図２（ｃ）に示す第１の実施形態の光半導体装置１００の別の製造方法）について、図面を参照して説明する。図３（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態の製造方法を示す図である。

本実施形態の製造方法では、まず、第１の実施形態における図１（ａ）及び（ｂ）に示したのと同様の工程を行なう。これにより、カソード層１０２及びアノードコンタクト層１０３が形成された基板１０１上にシリコン窒化膜１０４及び第１の絶縁膜１０５が積層され、第１の絶縁膜１０５は熱処理により平坦化されている構造が得られる。

次に、図３（ａ）に示すように、第１の絶縁膜１０５及びシリコン窒化膜１０４に対してカソード層１０２及びアノードコンタクト層１０３に達する開口を形成した後、それぞれの開口にスパッタ法等により電極１１８を形成する。例えばＡｌを材料とし、膜厚８００ｎｍに形成する。その後、配線形成工程において生じたダメージの除去及び電極１１８のアロイ化のためにシンター処理を行なう。

次に、図３（ｂ）に示すように、レジスト１１６をマスクとして形成した後、ウェットエッチング（例えばバッファード弗素を用いる）により第１の絶縁膜１０５を選択的に除去してシリコン窒化膜１０４を露出させる。

次に、図３（ｃ）に示すように、露出したシリコン窒化膜１０４に対して不純物の導入を行なう。例えば、不純物としてＳｂを用い、ドーズ量５×１０¹⁵ｃｍ^-2のイオン注入を行なう。これにより、カソード層１０２上の部分のシリコン窒化膜１０４が不純物導入シリコン窒化膜１０４ａとなり、その屈折率が上昇する。ここでは、２．０であった屈折率が不純物導入により２．３に上昇する。

次に、図３（ｄ）に示すように、レジスト１１６をアッシング等により除去した後、電極１１８及び第１の絶縁膜１０５を覆うように、第２の絶縁膜１０９を形成する。例えば、ＣＶＤ法等を用い、ＴＥＯＳにより膜厚１０００ｎｍに形成する。このとき、不純物導入シリコン窒化膜１０４ａ上も第２の絶縁膜１０９によって覆われる。

この後、第２の絶縁膜１０９に対してウェットエッチング（例えばバッファード弗素による）を行ない、カソード層１０２上方の部分を選択的に除去して不純物導入シリコン窒化膜１０４ａを露出させると、図２（ｃ）に示す光半導体装置１００が製造される。

以上に説明した製造方法によると、第１の実施形態と同様、第１の絶縁膜１０５を平坦化する熱処理（例えば９００℃）よりも後に、シリコン窒化膜１０４にイオン注入を行なって不純物導入シリコン窒化膜１０４ａとする工程を行なう。これに加えて、配線形成の後のシンター処理についても、それよりも後に不純物導入シリコン窒化膜１０４ａを得る工程を行なうようになっている。

第１の絶縁膜１０５の平坦化工程ほどの高温ではないが、シンター処理もまた熱処理（例えば４００℃の処理）である。そのため、この工程よりも後に不純物の注入工程を行なうことにより、不純物導入シリコン窒化膜１０４ａの屈折率低下を更に回避することができる。よって、更なる受光面１０８の低反射率化と、光半導体装置１００の高受光感度化を実現することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る光半導体装置の製造方法について、図面を参照して説明する。図４（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の製造方法を示す図である。製造する光半導体装置は、第２の絶縁膜１０９が第１の絶縁膜１０５の側面を覆うようになっていない点を除いて図２（ｃ）に示す第１の実施形態の光半導体装置１００とほぼ同様である。

本実施形態の製造方法では、まず、第１の実施形態における図１（ａ）及び（ｂ）に示したのと同様の工程を行なう。これにより、カソード層１０２及びアノードコンタクト層１０３が形成された基板１０１上にシリコン窒化膜１０４及び第１の絶縁膜１０５が積層され、第１の絶縁膜１０５は熱処理により平坦化されている構造が得られる。

次に、図４（ａ）に示すように、第１の絶縁膜１０５及びシリコン窒化膜１０４に対してカソード層１０２及びアノードコンタクト層１０３に達する開口を形成した後、それぞれの開口にスパッタ法等により電極１１８を形成する。例えばＡｌを材料とし、膜厚８００ｎｍに形成する。その後、配線形成工程において生じたダメージの除去及び電極１１８のアロイ化のためにシンター処理を行なう。

次に、図４（ｂ）に示す工程を行なう。まず、第１の絶縁膜１０５及び電極１１８を覆うように、第２の絶縁膜１０９を形成する。例えば、ＣＶＤ法等を用いてＴＥＯＳにより膜厚１０００ｎｍに形成する。この後、第２の絶縁膜１０９上にレジスト１１６を選択的に形成し、該レジスト１１６をマスクとするウェットエッチング（例えばバッファード弗素を用いる）を行なう。これにより、カソード層１０２上方の部分の第１の絶縁膜１０５及び第２の絶縁膜１０９を除去してシリコン窒化膜１０４を表面に露出させる。

次に、図４（ｃ）に示すように、露出したシリコン窒化膜１０４に対して不純物の導入を行なう。例えば、不純物としてＳｂを用い、ドーズ量５×１０¹⁵ｃｍ^-2のイオン注入を行なう。これにより、カソード層１０２上の部分のシリコン窒化膜１０４が不純物導入シリコン窒化膜１０４ａとなり、その屈折率が上昇する。ここでは、２．０であった屈折率が不純物導入により２．３に上昇する。

この後、レジスト１１６をアッシング等により除去すると、本実施形態の光半導体装置（前述のように、図２（ｃ）に示すのとほぼ同様の光半導体装置）が製造される。

以上に説明した製造方法によると、第２の実施形態の製造方法と同様、第１の絶縁膜１０５を平坦化する熱処理（例えば９００℃）工程及び配線形成の後のシンター処理よりも後にシリコン窒化膜１０４にイオン注入を行なって不純物導入シリコン窒化膜１０４ａとする工程を行なう。これに加えて、第２の絶縁膜１０９を形成する工程についても、それよりも後に不純物導入シリコン窒化膜１０４ａを得る工程を行なうようになっている。

第２の絶縁膜１０９を形成する工程も熱処理（例えば３００℃の処理）を伴うものであるから、この工程よりも後に不純物の注入工程を行なうことにより、不純物導入シリコン窒化膜１０４ａの屈折率低下を更に回避することができる。よって、更なる受光面１０８の低反射率化と、光半導体装置１００の高受光感度化を実現することができる。

具体例として、形成した時点のシリコン窒化膜１０４の屈折率は２．０、イオン注入後の不純物導入シリコン窒化膜１０４ａの屈折率は２．３、最終工程における不純物導入シリコン窒化膜１０４ａの屈折率は２．３である。最終工程の受光面１０８における反射率としては約０．２％となり、これが約０．８％であった第１の実施形態の場合よりも更に反射率が低減されている。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係る光半導体装置１００ａの製造方法について、図面を参照して説明する。図５（ａ）〜（ｃ）及び図６（ａ）、（ｂ）は、光半導体装置１００ａを製造する各工程の要部断面を示す図である。

まず、本実施形態において製造する光半導体装置１００ａは、図２（ｃ）に示す第１の実施形態の光半導体装置１００と比較すると、主としてシリコン窒化膜に関する構成が異なっている。つまり、図２（ｃ）の光半導体装置１００は単一のシリコン窒化膜１０４を有し且つそのうちカソード層１０２上方の部分が不純物導入シリコン窒化膜１０４ａとなっている。これに対し、本実施形態の図６（ｃ）の光半導体装置１００ａにおいて、基板１０１と第１の絶縁膜１０５との間に位置するシリコン窒化膜１０４に加え、カソード層１０２上と、第１の絶縁膜１０５及び第２の絶縁膜１０９の側面及び上方を覆うシリコン窒化膜１１１が備えられている。また、シリコン窒化膜１１１のうちのカソード層１０２上方の一部分は、不純物の導入により屈折率を変化された不純物導入シリコン窒化膜１１１ａとなっている。

また、このような光半導体装置１００ａの動作は、不純物導入シリコン窒化膜１０４ａに代えて不純物導入シリコン窒化膜１１１ａが反射防止膜として働く点を除き、第１の実施形態の光半導体装置１００と同様である。

次に、このような光半導体装置１００ａの製造方法を説明する。初めに、第１の実施形態における図１（ａ）及び（ｂ）に示したのと同様の工程を行なう。これにより、カソード層１０２及びアノードコンタクト層１０３が形成された基板１０１上にシリコン窒化膜１０４及び第１の絶縁膜１０５が積層され、第１の絶縁膜１０５は熱処理により平坦化されている構造が得られる。

次に、図５（ａ）に示すように、第１の絶縁膜１０５及びシリコン窒化膜１０４に対してカソード層１０２及びアノードコンタクト層１０３に達する開口を形成した後、それぞれの開口にスパッタ法等により電極１１８を形成する。例えばＡｌを材料とし、膜厚８００ｎｍに形成する。その後、配線形成工程において生じたダメージの除去及び電極１１８のアロイ化のためにシンター処理を行なう。

次に、図５（ｂ）に示すように、第１の絶縁膜１０５上に第２の絶縁膜１０９をＣＶＤ法等により形成する。その後、シリコン窒化膜１０４、第１の絶縁膜１０５及び第２の絶縁膜１０９に対してエッチング（ウェットエッチング又はドライエッチング）を行ない、カソード層１０２上方の部分を選択的に除去してカソード層１０２の表面を露出させる。

次に、図５（ｃ）に示すように、表面の露出したカソード層１０２上及び第２の絶縁膜１０９上に、シリコン窒化膜１１１を形成する。これは、例えばＣＶＤ法を用いて膜厚４０ｎｍで且つ屈折率２．０に形成する。この際、第１の絶縁膜１０５及び第２の絶縁膜１０９の側面についてもシリコン窒化膜１１１によって覆われる。

次に、図６（ａ）に示すように、第２の絶縁膜１０９上の部分のシリコン窒化膜１１１上にレジスト１１６を形成する。その後、該レジスト１１６をマスクとして、カソード層１０２上方の部分のシリコン窒化膜１１１に対して不純物をイオン注入する。例えば、不純物としてＳｂを用い、ドーズ量５×１０¹⁵ｃｍ^-2とする。これにより、カソード層１０２上方の部分のシリコン窒化膜１１１は不純物導入シリコン窒化膜１１１ａとなり、２．０であった屈折率が２．３に上昇する。

次に、図６（ｂ）に示す通り、レジスト１１６をアッシング等により除去すると、本実施形態の光半導体装置１００ａが製造される。

本実施形態の光半導体装置の製造方法によると、第３の実施形態と同様、第１の絶縁膜１０５を平坦化する熱処理、配線形成後のシンター処理及び第２の絶縁膜１０９を形成する工程のいずれよりも後に、シリコン窒化膜１１１に不純物を注入する工程を行なう。これにより、不純物導入シリコン窒化膜１１１ａの屈折率が熱処理によって低下するのを回避している。

また、シリコン窒化膜１１１は、カソード層１０２上方の部分（不純物導入シリコン窒化膜１１１ａである部分）の他では第２の絶縁膜１０９上に位置している。このため、受光素子に加えてトランジスタ等を同一基板上に形成したいわゆるＯＥＩＣにおいて、シリコン窒化膜１１１がトランジスタに影響するのを回避しながら受光素子に最適な反射防止膜の構造を実現することができる。これにより、更に高感度で且つ高速な高性能の受光素子を実現することができる。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態に係る光半導体装置１００ｂの製造方法について、図面を参照して説明する。図７（ａ）〜（ｃ）及び図８（ａ）、（ｂ）は、光半導体装置１００ｂを製造する各工程の要部断面を示す図である。

まず、本実施形態において製造する光半導体装置１００ｂ（図８（ｂ）に示す）は、図２（ｃ）に示す第１の実施形態の光半導体装置１００と比較すると、基板１０１と不純物導入シリコン窒化膜１０４ａを含むシリコン窒化膜１０４との間にシリコン酸化膜１１３を更に備えている。

このことにより、基板１０１とシリコン窒化膜１０４とが直接に接するのを避けて、応力の発生を抑制している。また、後述のようにシリコン酸化膜１１３は熱酸化によって形成されるため、基板１０１とシリコン窒化膜１０４とが接している場合の界面に比べ、基板１０１とシリコン酸化膜１１３との界面におけるダングリングボンドは少なくなる。このことから、界面準位の低減によりリーク電流（暗電流）の低減が可能である。

次に、このような光半導体装置１００ｂの製造方法を説明する。初めに、図７（ａ）の工程を行なう。つまり、基板１０１に対しイオン注入等の方法を用いてアノードコンタクト層１０３を選択的に形成する。その後、基板１０１上にシリコン酸化膜１１３を形成する。ここで、例えば、熱酸化等により膜厚１０ｎｍで且つ屈折率１．４の膜とする。更にその後、レジスト１１６ａを形成してこれをマスクとして用い、イオン注入法等により不純物（例えばＡｓ）を導入してカソード層１０２を選択的に形成する。

次に、図７（ｂ）の工程を行なう。つまり、シリコン酸化膜１１３上に、シリコン窒化膜１０４を形成する。これは、例えばＣＶＤ法を用い、膜厚４０ｎｍで且つ屈折率２．０の膜として形成する。その後、シリコン窒化膜１０４上に、第１の絶縁膜１０５を形成する。これは、例えばＣＶＤ法により、ＢＰＳＧを材料として膜厚５００ｎｍに形成する。その後、熱処理（例えば９００℃の処理）を行ない、第１の絶縁膜１０５を平坦化する。

次に、図７（ｃ）の工程を行なう。つまり、第１の絶縁膜１０５上にレジスト１１６を形成し、これをマスクとしてカソード層１０２上方の部分の第１の絶縁膜１０５を除去してシリコン窒化膜１０４の表面を露出させる。更に、表面の露出したシリコン窒化膜１０４に対し、選択的に不純物を導入する。例えば、イオン注入法により、不純物としてＳｂをドーズ量５×１０¹⁵ｃｍ^-2で導入する。これにより、カソード層１０２上方の部分のシリコン窒化膜１０４は不純物導入シリコン窒化膜１０４ａとなり、２．０であった屈折率がこの例では２．３に上昇する。

次に、図８（ａ）の工程を行なう。つまり、レジスト１１６を除去した後、第１の絶縁膜１０５及びシリコン窒化膜１０４に対してカソード層１０２及びアノードコンタクト層１０３に達する開口を形成し、それぞれの開口にスパッタ法等により電極１１８を形成する。これは、例えばＡｌを材料とし、膜厚８００ｎｍに形成する。その後、配線形成工程において生じたダメージの除去及び電極１１８のアロイ化のためにシンター処理を行なう。

更に、電極１１８及び第１の絶縁膜１０５を覆うように、第２の絶縁膜１０９を形成する。例えば、ＣＶＤ法等を用い、ＴＥＯＳにより膜厚１０００ｎｍに形成する。このとき、不純物導入シリコン窒化膜１０４ａ上も第２の絶縁膜１０９によって覆われる。

次に、図８（ｂ）に示すように、第２の絶縁膜１０９に対してウェットエッチング（例えばバッファード弗素による）を行ない、カソード層１０２上方の部分を選択的に除去して不純物導入シリコン窒化膜１０４ａを露出させる。これにより、本実施形態の光半導体装置１００が製造される。

本実施形態の光半導体装置の製造方法によると、第１の実施形態と同様、第１の絶縁膜１０５を平坦化する熱処理の後に不純物導入シリコン窒化膜１１１ａを得ているため、熱処理による屈折率の低下を回避することができる。これに加えて、基板１０１上にシリコン酸化膜１１３を形成する前述の効果を得ることができる。

尚、実施形態２〜４においても、本実施形態と同様にシリコン酸化膜１１３を更に備える光半導体装置を製造することが可能である。

また、以上の各実施形態において、基板１０１としてシリコン基板を用いているが、これには限定されない。例えば、長波長域において広く用いられているゲルマニウム基板を用いても良いし、化合物半導体基板であっても良い。

また、アノード層として機能する基板１０１とカソード層１０２とを有するＰＮ型フォトダイオードを受光素子として用いたが、ＰＩＮフォトダイオード、アバランシェフォトダイオード等を用いる他の受光素子にも適用が可能である。

また、基板１０１がＰ型である構成を用いているが、Ｎ型の基板を用い、それぞれ導電型が逆になっている構成とすることも当然可能である。

更に、各構成要素について、形成方法及び寸法等はいずれも例示するものであって、記載内容に限定はされない。

また、受光素子が形成された受光領域についてのみ図示及び説明を行なっているが、受光領域に加えてトランジスタ、抵抗及び容量等の回路素子を同一基板上に形成した、いわゆるＯＥＩＣに適用することも可能である。更に、レーザ素子などの発光素子を同一基板上に形成することも可能である。

また、熱処理を伴う各種の工程ついて、第１〜第５の実施形態中に説明したもの以外の工程についても、シリコン窒化膜に対する不純物導入の工程よりも後にに行なうのを避けることにより、不純物導入シリコン窒化膜の屈折率低下を避けることができる。特に、７００℃以上の温度によって屈折率低下が顕著になるため、７００℃以上の熱処理については不純物導入よりも前に行なうのがよい。

本発明は、高速・高受光感度特性を有し、特に、青色光を中心とした短波長域における受光感度を向上した光半導体装置の製造方法として有用である。

図１（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態に係る光半導体装置の製造方法を示す図である。 図２（ａ）〜（ｃ）は、図１（ｃ）に続き、第１の実施形態に係る光半導体装置の製造方法を示す図である。 図３（ａ）〜（ｄ）は、第２の実施形態に係る光半導体装置の製造方法を示す図である。 図４（ａ）〜（ｄ）は、第３の実施形態に係る光半導体装置の製造方法を示す図である。 図５（ａ）〜（ｃ）は、第４の実施形態に係る光半導体装置の製造方法を示す図である。 図６（ａ）及び（ｂ）は、図５（ｃ）に続き、第４の実施形態に係る光半導体装置の製造方法を示す図である。 図７（ａ）〜（ｃ）は、第５の実施形態に係る光半導体装置の製造方法を示す図である。 図８（ａ）及び（ｂ）は、図７（ｃ）に続き、第５の実施形態に係る光半導体装置の製造方法を示す図である。 図９（ａ）〜（ｄ）は、従来の光半導体装置の製造方法を示す図である。 図１０は、従来の光半導体装置におけるシリコン窒化膜の成長後、注入後及び熱処理後における屈折率及び反射率を示す図である。

符号の説明

１００ 光半導体装置
１００ａ 光半導体装置
１００ｂ 光半導体装置
１０１ 基板
１０２ カソード層
１０３ アノードコンタクト層
１０４ シリコン窒化膜
１０４ａ 不純物導入シリコン窒化膜
１０５ 第１の絶縁膜
１０８ 受光面
１０９ 第２の絶縁膜
１１１ シリコン窒化膜
１１１ａ 不純物導入シリコン窒化膜
１１３ シリコン酸化膜
１１６ レジスト
１１６ａ レジスト
１１８ 電極

Claims (12)

1. 基板に受光素子を形成する工程（ａ）と、
   前記受光素子上を覆うように前記基板上にシリコン窒化膜を形成する工程（ｂ）と、
   前記受光素子上を覆うように前記基板上に第１の絶縁膜を形成する工程（ｃ）と、
   前記第１の絶縁膜を熱処理により平坦化する工程（ｄ）と、
   前記受光素子上において、前記第１の絶縁膜を開口する工程（ｅ）と、
   前記工程（ｅ）の後に、前記開口に露出する前記シリコン窒化膜に選択的に不純物を導入することにより、前記シリコン窒化膜の屈折率を変化させる工程（ｆ）とを含むことを特徴とする光半導体装置の製造方法。
2. 請求項１において、
   前記工程（ｆ）の後に、前記第１の絶縁膜上に配線を形成する工程と、
   前記第１の絶縁膜及び前記配線上に第２の絶縁膜を形成する工程と、
   前記受光素子上の部分において、前記第２の絶縁膜を開口して前記シリコン窒化膜を露出させる工程とを更に備えることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
3. 請求項１において、
   前記工程（ｄ）の後で且つ前記工程（ｅ）の前に、前記第１の絶縁膜上に配線を形成する工程と、
   前記工程（ｆ）の後に、前記第１の絶縁膜及び前記配線上に第２の絶縁膜を形成する工程と、
   前記受光素子上の部分において、前記第２の絶縁膜を開口して前記シリコン窒化膜を露出させる工程とを更に備えることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
4. 請求項１において、
   前記工程（ｄ）の後で且つ前記工程（ｅ）の前に、前記第１の絶縁膜上に配線を形成する工程と、
   前記工程（ｅ）の前に、前記第１の絶縁膜及び前記配線上に第２の絶縁膜を形成する工程とを更に備え、
   前記工程（ｅ）において、前記第１の絶縁膜に加えて前記第２の絶縁膜を開口することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
5. 請求項１において、
   前記工程（ｂ）は、前記工程（ｅ）の後で且つ前記工程（ｆ）の前に行ない、
   前記工程（ｄ）の後で且つ前記工程（ｅ）の前に、前記第１の絶縁膜上に配線を形成する工程と、
   前記工程（ｅ）の前に、前記第１の絶縁膜及び前記配線上に第２の絶縁膜を形成する工程とを更に備え、
   前記工程（ｅ）において、前記第１の絶縁膜に加えて前記第２の絶縁膜を開口し、前記受光素子を露出させることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
6. 請求項５において、
   前記工程（ｃ）の前に、前記受光素子上に別のシリコン窒化膜を形成する工程を更に備え、
   前記工程（ｅ）において、前記第１の絶縁膜及び前記第２の絶縁膜に加えて前記別のシリコン窒化膜を開口し、前記受光素子を露出させることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
7. 請求項１〜６のいずれか一つにおいて、
   前記工程（ｆ）において、イオン注入によって前記不純物の導入を行なうことを特徴とする光半導体装置の製造方法。
8. 請求項１〜７のいずれか一つにおいて、
   前記工程（ｄ）の熱処理は、７００℃以上の温度をもって行なうことを特徴とする光半導体装置の製造方法。
9. 請求項１〜８のいずれか一つにおいて、
   前記工程（ｂ）の前に、前記受光素子上にシリコン酸化膜を形成する工程を更に備えることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
10. 請求項１〜９のいずれか一つにおいて、
    前記工程（ｆ）において前記シリコン窒化膜に導入する不純物のピーク濃度を１×１０²⁰atoms/cm³ 以上とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
11. 請求項１〜１０のいずれか一つにおいて、
    前記不純物がＳｂであることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
12. 請求項１〜１０のいずれか一つにおいて、
    前記不純物がＮｅ、Ａｒ、Ｘｅ、Ｋｒ及びＲｎのうちの少なくとも１つの不活性元素であることを特徴とする光半導体装置の製造方法。

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