JP2008251882A

JP2008251882A - 受光素子の製造方法

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Publication number: JP2008251882A
Application number: JP2007092027A
Authority: JP
Inventors: Yuji Koyama; 雄司小山; Manabu Mochizuki; 望月　　学
Original assignee: Sumitomo Electric Device Innovations Inc
Current assignee: Sumitomo Electric Device Innovations Inc
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-16

Abstract

【課題】熱拡散時間が短縮化されるとともに、不純物の拡散のばらつきを抑制することができる受光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】受光素子（１００）の製造方法は、第１導電型の半導体層（５）の受光領域（５ａ）の外周部に第２導電型または無導電型の不純物を注入する工程と、不純物を注入する工程後に、半導体層（５）の再結晶化温度未満の温度を有しかつ第２導電型の元素を含む雰囲気内で、受光領域（５ａ）に熱拡散させる処理を施す熱拡散工程と、を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、受光素子の製造方法に関する。

ｎ型半導体層にｐ型不純物を拡散させてｐｎ接合を有する受光素子を作製する技術が知られている。例えば、ｐ型不純物を含む高温雰囲気にｎ型半導体をさらし、ｐ型不純物をｎ型半導体層に拡散させる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−３１２０２０号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、ｐ型不純物の拡散速度が小さくなってしまう。したがって、熱拡散時間が長くなってしまうおそれがある。また、ｐ型不純物の拡散にばらつきが生じるおそれがある。

本発明は、熱拡散時間が短縮化されるとともに、不純物の拡散のばらつきを抑制することができる受光素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る受光素子の製造方法は、第１導電型の半導体層の受光領域の外周部に第２導電型または無導電型の不純物を注入する工程と、不純物を注入する工程後に半導体層の再結晶化温度未満の温度を有しかつ第２導電型の元素を含む雰囲気内で受光領域に熱拡散させる工程と、を含むことを特徴とするものである。

本発明に係る受光素子の製造方法においては、注入工程において不純物が注入された領域の少なくとも一部に結晶格子の乱れ等による結晶欠陥が生じる。また、熱拡散工程における雰囲気の温度が半導体層の結晶格子を再度規則正しい状態に戻す再結晶化温度未満であることから、不純物が注入された領域においては結晶欠陥が生じたままである。この場合、不純物が注入された領域から受光領域への拡散速度が向上する。結晶欠陥が生じた部分において不純物が拡散しやすくなるからである。それにより、半導体層に第２導電型の半導体領域が形成される時間が短縮化される。また、受光領域に不純物が拡散しやすくなることから、第２導電型の半導体領域において第２導電型の不純物濃度にバラツキが発生することが抑制される。

熱拡散させる工程における第２導電型の元素の拡散深さは、不純物を注入する工程における注入エネルギーおよび注入量に基づいて制御されてもよい。また、第２導電型の元素は、Ｂ、Ａｓ、Ｐ、ＳｂおよびＢｅのうちの少なくとも１つであってもよい。

半導体層は、ＩｎＰからなるものであってもよい。また、受光領域の径は、１００μｍ以下であってもよい。また、第１導電型は、ｎ型であり、第２導電型は、ｐ型であってもよい。また、不純物を注入する工程は、半導体層の複数の受光領域の外周部に第２導電型または無導電型の不純物を注入する工程であり、不純物を注入する工程における注入エネルギーおよび注入量が各受光領域に対して設定されてもよい。

本発明によれば、熱拡散時間が短縮化されるとともに、不純物の拡散のばらつきを抑制することができる受光素子の製造方法を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１および図２は、本発明の第１の実施形態に係る受光素子の製造方法について説明するためのフロー図である。まず、図１（ａ）に示すように、半導体積層体１０を準備する。半導体積層体１０は、ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板１上に、ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層２、ｎ型ＩｎＰからなる電界降下層３、ｎ型ＩｎＰからなる増倍層４およびｎ型ＩｎＰからなるウィンドウ層５が積層された構造を有する。

次に、図１（ｂ）に示すように、ウィンドウ層５上にレジスト２１を形成する。レジスト２１には、後述する受光領域５ａの外周部に沿って孔２２が形成されている。それにより、ウィンドウ層５の受光領域５ａの外周部が露出している。本実施形態においては、孔２２は、略リング形状を有する。

次いで、図１（ｃ）に示すように、孔２２を介してウィンドウ層５に対してイオンを注入する。この場合、注入するイオンとして、Ｂ（ホウ素）、Ａｓ（ヒ素）、Ｐ（リン）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｅ（ベリリウム）等のｐ型不純物またはｉ型不純物を用いることができる。注入エネルギーは、例えば１０ｋｅＶ〜５００ｋｅＶ程度である。注入量は、例えば１×１０^１１ｃｍ^−２〜１×１０^１６ｃｍ^−２程度である。ビーム電流は、例えば１０±５μＡ程度である。

図１（ｃ）のイオン注入後、図１（ｄ）に示すように、孔２２下のウィンドウ層５にイオン注入領域２３が形成される。イオン注入領域２３は、ｐ型またはｉ型の特性を有する。イオン注入領域２３においては、イオン注入のエネルギーに起因して、少なくとも一部に結晶欠陥が生じている。次に、図２（ａ）に示すように、レジスト２１を除去し、ウィンドウ層５の受光領域５ａを除く領域上に、ＳｉＮ等からなる保護膜２４およびレジスト２５を順に形成する。この場合、ウィンドウ層５の受光領域５ａが露出する。

次いで、図２（ｂ）に示すように、受光領域５ａに対して熱拡散処理を施す。この熱拡散処理においては、受光領域５ａに対してｐ型不純物を拡散させる。この場合のｐ型不純物としては、Ｃｄ（カドミウム）、Ｚｎ（亜鉛）等を用いることができる。具体的には、受光領域５ａを、Ｃｄ、Ｚｎ等を含みウィンドウ層５の再結晶温度未満の温度を有する雰囲気にさらす。ＩｎＰの再結晶化温度は７００℃程度であることから、図２（ｂ）においては例えば雰囲気温度を６００℃程度に設定することができる。

図２（ｂ）の熱拡散処理によって、受光領域５ａにｐ型半導体領域２６が形成される。本実施形態においては熱拡散における雰囲気温度がウィンドウ層５の再結晶化温度未満であることから、イオン注入領域２３においては、結晶欠陥が生じたままである。この場合、イオン注入領域２３から受光領域５ａへの拡散速度が向上する。これは、結晶欠陥が生じた部分において不純物が拡散しやすくなるからである。それにより、ｐ型半導体領域２６の形成時間が短縮化される。また、受光領域５ａにｐ型不純物が拡散しやすくなることから、ｐ型半導体領域２６においてｐ型不純物濃度にバラツキが発生することが抑制される。

次に、図２（ｃ）に示すように、受光領域５ａ上にＳｉＮ等の絶縁体からなる保護膜２７を形成し、受光領域５ａの外周にＡｕ／Ｚｎ／Ａｕ等の導電体からなるｐ側電極２８を形成し、半導体基板１下にＡｕＧｅ／Ａｕ等の導電体からなるｎ側電極３０を形成する。以上の工程により、アバランシェフォトダイオード型の受光素子１００が完成する。受光素子１００は、保護膜２７側から光が入射する表面入射型の受光素子である。

なお、イオン注入工程におけるｐ型またはｉ型不純物の注入エネルギーおよび注入量と熱拡散における雰囲気中のｐ型不純物の濃度と拡散温度とに基づいて、熱拡散工程におけるｐ型不純物の拡散深さが決定される。したがって、イオン注入工程におけるｐ型またはｉ型不純物の注入エネルギーと熱拡散における雰囲気中のｐ型不純物の濃度と拡散温度とを制御することによって、ｐ型半導体領域２６の厚みを制御することができる。

例えば、図３に示すウェハ４０に複数の受光素子１００を作製する場合、各受光素子１００に対してイオン注入工程におけるｐ型またはｉ型不純物の注入エネルギーと熱拡散における雰囲気中のｐ型不純物の濃度と拡散温度とを制御することによって、各受光素子１００のｐ型半導体領域２６の厚みを制御することができる。また、ウェハ４０を複数の領域に区画し、各領域の複数の受光素子１００に対して同一の注入エネルギー、ｐ型不純物濃度および拡散温度に設定してもよい。

本実施形態においては、ウィンドウ層５が第１導電型の半導体層に相当し、イオン注入工程におけるｐ型またはｉ型の不純物が第２導電型または無導電型の不純物に相当し、ｐ型不純物が第２導電型の元素に相当する。

（第２の実施形態）
図４および図５は、本発明の第２の実施形態に係る受光素子の製造方法について説明するためのフロー図である。まず、図４（ａ）に示すように、半導体積層体１１０を準備する。半導体積層体１１０は、ｎ型ＩｎＰからなるｎ型半導体層１０１上に、ｉ型もしくはｎ型ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層１０２およびｎ型ＩｎＰからなるｎ型半導体層１０３が積層された構造を有する。

次に、図５（ｂ）に示すように、ｎ型半導体層１０３上にレジスト１２１を形成する。レジスト１２１には、後述する受光領域１０３ａの外周部に沿って孔１２２が形成されている。それにより、ｎ型半導体層１０３の受光領域１０３ａの外周部が露出している。本実施形態においては、孔１２２は、略リング形状を有する。

次いで、図４（ｃ）に示すように、孔１２２を介してｎ型半導体層１０３に対してイオンを注入する。この場合、注入するイオンとして、Ｂ（ホウ素）、Ａｓ（ヒ素）、Ｐ（リン）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｅ（ベリリウム）等のｐ型不純物またはｉ型不純物を用いることができる。注入エネルギーは、例えば１０ｋｅＶ〜５００ｋｅＶ程度である。注入量は、例えば１×１０^１１ｃｍ^−２〜１×１０^１６ｃｍ^−２程度である。ビーム電流は、例えば１０±５μＡ程度である。

図４（ｃ）のイオン注入後、図４（ｄ）に示すように、孔１２２下のｎ型半導体層１０３にイオン注入領域１２３が形成される。イオン注入領域１２３は、ｐ型またはｉ型の特性を有する。イオン注入領域１２３においては、イオン注入のエネルギーおよび注入量に起因して、少なくとも一部に結晶欠陥が生じている。次に、図５（ａ）に示すように、レジスト１２１を除去し、ｎ型半導体層１０３の受光領域１０３ａを除く領域上に、ＳｉＮ等からなる保護膜１２４およびレジスト１２５を順に形成する。この場合、ｎ型半導体層１０３の受光領域１０３ａが露出する。

次いで、図５（ｂ）に示すように、受光領域１０３ａに対して熱拡散処理を施す。この熱拡散処理においては、受光領域１０３ａに対してｐ型不純物を拡散させる。この場合のｐ型不純物としては、Ｃｄ、Ｚｎ等を用いることができる。具体的には、受光領域１０３ａを、Ｃｄ、Ｚｎ等を含みｎ型半導体層１０３の再結晶温度未満の温度を有する雰囲気にさらす。ＩｎＰの再結晶化温度は７００℃程度であることから、図５（ｂ）においては例えば雰囲気温度を６００℃程度に設定することができる。

図５（ｂ）の熱拡散処理によって、受光領域１０３ａにｐ型半導体領域１２６が形成される。本実施形態においては熱拡散における雰囲気温度がｎ型半導体層１０３の再結晶化温度未満であることから、イオン注入領域１２３においては結晶欠陥が生じたままである。この場合、イオン注入領域１２３から受光領域１０３ａへの拡散速度が向上する。結晶欠陥が生じた部分において不純物が拡散しやすくなるからである。それにより、ｐ型半導体領域１２６の形成時間が短縮化される。また、受光領域１０３ａにｐ型不純物が拡散しやすくなることから、ｐ型半導体領域１２６においてｐ型不純物濃度にバラツキが発生することが抑制される。

次に、図５（ｃ）に示すように、受光領域１０３ａ上にＳｉＮ等の絶縁体からなる保護膜１２７を形成し、受光領域１０３ａの外周にＡｕ／Ｚｎ／Ａｕ等の導電体からなるｐ側電極１２８を形成し、半導体基板１０１下にＡｕＧｅ／Ａｕ等の導電体からなるｎ側電極１３０を形成する。以上の工程により、ＰＩＮ型フォトダイオード型の受光素子１００ａが完成する。受光素子１００ａは、保護膜１２７側から光が入射する表面入射型の受光素子である。

本実施形態においては、ｎ型半導体層１０３が第１導電型の半導体層に相当し、イオン注入工程におけるｐ型またはｉ型の不純物が第２導電型または無導電型の不純物に相当し、ｐ型不純物が第２導電型の元素に相当する。

実施例においては、上記実施形態に係る受光素子を作製し、その特性について調べた。

（実施例）
実施例においては、第１の実施形態に係る受光素子１００を作製した。イオン注入工程において、ｐ型不純物としてＢｅを用い、注入エネルギーを１４０ｋｅＶに設定し、注入量を５．０×１０^１３ｃｍ^−２に設定し、ビーム電流を１０±５μＡに設定した。また、熱拡散工程において、ｐ型不純物としてＣｄを用い、雰囲気温度を６００℃に設定し、拡散時間を１５分に設定した。

（比較例）
比較例においては、第１の実施形態に係る受光素子１００と同様の構造を有する受光素子を作製した。ただし、比較例においては、イオン注入工程を行わなかった。

（分析）
実施例および比較例に係る受光素子に逆バイアスを印加した場合の電圧−電流特性について調べた。図６（ａ）は実施例に係る受光素子における電圧−電流特性の測定結果である。図６（ｂ）は比較例に係る受光素子における電圧−電流特性の測定結果である。図６（ａ）および図６（ｂ）において、横軸は逆バイアスを示し、縦軸は電流を印加電圧で微分した値を示す。

図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、各受光素子においては、逆バイアスの増加に伴って電流が増加した。これは、空乏層の拡大に起因して外部への光電流が大きくなったからであると考えられる。この電流の微分値は、所定の逆バイアスにおいて極大値を示した。空乏層がｐｎ接合地点に到達したからであると考えられる。また、実施例に係る受光素子においては、比較例に係る受光素子に比較して極大点における逆バイアスが低下した。これは、実施例に係る受光素子においてはｐ型半導体領域の深さが大きくなって空乏層がｐｎ接合地点に到達しやすくなったからであると考えられる。

ここで、ＩｎＰにおける不純物の拡散係数は、１×１０^−１５ｃｍ^２／ｓ〜１×１０^−８ｃｍ^２／ｓ程度である。上記分析結果によれば、実施例に係る受光素子においては、ｐ型不純物の拡散距離はこの拡散係数から想定される拡散距離より大きくなった。したがって、イオン注入を設けることによって、熱拡散処理におけるｐ型不純物の拡散側負度が向上したことがわかった。

本発明の第１の実施形態に係る受光素子の製造方法を説明するためのフロー図である。本発明の第１の実施形態に係る受光素子の製造方法を説明するためのフロー図である。本発明の第１の実施形態に係る受光素子の製造方法を説明するためのフロー図である。本発明の第２の実施形態に係る受光素子の製造方法を説明するためのフロー図である。本発明の第２の実施形態に係る受光素子の製造方法を説明するためのフロー図である。各受光素子における電圧−電流特性の測定結果を示す図である。

符号の説明

１半導体基板
２光吸収層
３電界降下層
４増倍層
５ウィンドウ層
５ａ受光領域
１０半導体積層体
２３イオン注入領域
２６ｐ型半導体領域
２７保護膜
１００受光素子

Claims

第１導電型の半導体層の受光領域の外周部に第２導電型または無導電型の不純物を注入する工程と、
前記不純物を注入する工程後に、前記半導体層の再結晶化温度未満の温度を有しかつ前記第２導電型の元素を含む雰囲気内で、前記受光領域に熱拡散させる工程と、を含むことを特徴とする受光素子の製造方法。
前記熱拡散させる工程における前記第２導電型の元素の拡散深さは、前記不純物を注入する工程における注入エネルギーおよび注入量に基づいて制御されることを特徴とする請求項１記載の受光素子の製造方法。
前記第２導電型の元素は、Ｂ、Ａｓ、Ｐ、ＳｂおよびＢｅのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１または２記載の受光素子の製造方法。
前記半導体層は、ＩｎＰからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の受光素子の製造方法。
前記受光領域の径は、１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の受光素子の製造方法。
前記第１導電型は、ｎ型であり、
前記第２導電型は、ｐ型であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の受光素子の製造方法。
前記不純物を注入する工程は、前記半導体層の複数の受光領域の外周部に第２導電型または無導電型の不純物を注入する工程であり、
前記不純物を注入する工程における注入エネルギーおよび注入量が各受光領域に対して設定されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の受光素子の製造方法。