JP2010114183A - Infrared radiation detector and method of manufacturing the same - Google Patents

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Koji Yamada
浩治 山田
Seiichi Itabashi
聖一 板橋
Toshibumi Watanabe
俊文 渡辺
Yasushi Tsuchizawa
泰 土澤
Hiroyuki Shinojima
弘幸 篠島
Hidetaka Nishi
英隆 西
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To practically use an infrared radiation detector using a silicon waveguide. <P>SOLUTION: The infrared radiation detector includes: a rib-type core layer 102 consisting of a monocrystal silicon and having a rib 121 and a slab 122 and a slab 123 formed at both sides of the rib 121; and in addition a loop-type crystal defect 124 which is formed at a center section in the cross-sectional direction of the rib 121. In the loop-type crystal defect 124 provided in the rib 121, a light is absorbed to carry out a carrier. The generated carrier is taken out to an external circuit by applying a reverse bias to a p-type impurity region 103 and an n-type impurity region 104. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、リブ型のシリコン導波路より構成された赤外線検出器およびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to an infrared detector composed of a rib-type silicon waveguide and a method for manufacturing the same.

シリコンをコアに用いた導波路は、一般に、シリコン酸化膜をクラッド層に用いており、これらの間の屈折率差は約0.4と、石英系導波路に比べて数10倍大きく、屈折率差による大きな閉じ込め効果が特徴となっている。このようなシリコンよりなる光導波路では、光通信用の波長1.55μm付近の光信号に対し、単一モード条件を満たすコアの断面寸法は、500×200nm程度となり、石英系導波路の数100分の一の断面積となる。また、シリコン導波路は、高屈折率差のために数μmの微小な曲げ半径が可能であり、微小な光集積回路の形成が可能となる。加えて、シリコンは、電子デバイスに最も一般的に用いられている半導体材料であり、シリコン導波路と電子デバイスとを組み合わせたオプトエレクトロニクスデバイスの開発もなされている。   A waveguide using silicon as a core generally uses a silicon oxide film as a cladding layer, and the refractive index difference between them is about 0.4, which is several tens of times larger than that of a quartz-based waveguide. It is characterized by a large confinement effect due to the rate difference. In such an optical waveguide made of silicon, the cross-sectional dimension of the core satisfying the single mode condition is about 500 × 200 nm for an optical signal having a wavelength of about 1.55 μm for optical communication, and the number of silica-based waveguides is several hundred. The cross-sectional area is a fraction. In addition, the silicon waveguide can have a very small bending radius of several μm due to a high refractive index difference, and a minute optical integrated circuit can be formed. In addition, silicon is the most commonly used semiconductor material for electronic devices, and optoelectronic devices that combine silicon waveguides and electronic devices have also been developed.

ところで、上述したようなシリコン導波路を光通信システムの一部として組み込んで使用するためには、光検出器と結合して光を受光できるようにすることが重要となる。これを実現するための1つの方法として、リブ型としたシリコン導波路の両脇のスラブ部をp型およびn型半導体とし、光が伝搬するリブ部には格子欠陥を導入した導波路型受光構造が提案されている(非特許文献1参照)。   By the way, in order to incorporate and use the silicon waveguide as described above as a part of the optical communication system, it is important to be able to receive light by being coupled with a photodetector. As one method for realizing this, a waveguide type light receiving device in which slab portions on both sides of a silicon waveguide having a rib shape are p-type and n-type semiconductors, and a lattice defect is introduced into a rib portion where light propagates. A structure has been proposed (see Non-Patent Document 1).

通常、シリコンは、通信用の波長1.55μm付近の光は透過して吸収しないので、この波長帯域での光検出器とはならない。しかしながら、アルゴンやヘリウムなどの希ガス元素、あるいはシリコンなどをイオン注入して格子欠陥を導入すると、格子欠陥(複空孔系格子欠陥)を導入した部分においては光を吸収してキャリアを生成する。このキャリアは、リブ部の両側のスラブ部のp型およびn型半導体に逆バイアスを印加することにより、外部回路に取り出すことが可能である。このように、上記構成としたリブ型シリコン導波路は、シリコンコアよりなる導波路を導波する赤外線の受光器としての動作が可能となる。   Normally, silicon transmits and does not absorb light in the vicinity of a wavelength of 1.55 μm for communication, and therefore does not serve as a photodetector in this wavelength band. However, when a lattice defect is introduced by ion implantation of a rare gas element such as argon or helium, or silicon, a light is absorbed and a carrier is generated in a portion where the lattice defect (multi-hole lattice defect) is introduced. . This carrier can be taken out to an external circuit by applying a reverse bias to the p-type and n-type semiconductors of the slab part on both sides of the rib part. As described above, the rib-type silicon waveguide having the above-described configuration can operate as an infrared light receiver that guides a waveguide including a silicon core.

M.W.Geis, et al., "CMOS-Compatible All-Si High-Speed Waveguide Photodiode With High Responsivity in Near-Infrared Communication Band", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, Vol.19, No.3, pp.152-154, 2007.MWGeis, et al., "CMOS-Compatible All-Si High-Speed Waveguide Photodiode With High Responsivity in Near-Infrared Communication Band", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, Vol.19, No.3, pp.152-154, 2007 . William C. O'Mara, et al., "HANDBOOK OF SEMICONDUCTOR SILICON TECHNOLOGY",NOYES PUBLICATIONS, p555,1990.William C. O'Mara, et al., "HANDBOOK OF SEMICONDUCTOR SILICON TECHNOLOGY", NOYES PUBLICATIONS, p555, 1990. M. Takahashi, et al., "Source/Drain Ion Implantation into Ultra-Thin-Single-Crystalline-Silicon-Layer of Separation by IMplanted OXygen (SIMOX) Wafers", Jpn. J. Appl. Phys., Vol.35, pp.5237-5241, 1996.M. Takahashi, et al., "Source / Drain Ion Implantation into Ultra-Thin-Single-Crystalline-Silicon-Layer of Separation by IMplanted OXygen (SIMOX) Wafers", Jpn. J. Appl. Phys., Vol.35, pp.5237-5241, 1996. 山田 浩治、他、「シリコンの非線形光学効果とその応用」、光学、(社)応用物理学会分科会 日本光学学会、第37巻、第1号、27−34頁、2008年.Koji Yamada, et al., “Nonlinear optical effect of silicon and its application”, Optics, Japan Society of Applied Physics, Japan Optical Society, Vol. 37, No. 1, pp. 27-34, 2008.

ところで、上述したような導波路による赤外線受光器(赤外線検出器)を実用化するためには、電気出力を得るための電極や、導波路の保護にもなる上部クラッド層の形成が重要となる。これらの形成では、通常、400〜500℃の高温処理がなされることになる。しかしながら、上述した赤外線検出器の機能の源である複空孔系格子欠陥は、400℃程度の高温処理により消失してしまうため、赤外線検出器としての機能を大幅に損なってしまうことが知られている(非特許文献1参照)。このように、従来では、上述した構成の赤外線受光器は、実用的に用いることが容易ではないという問題があった。   By the way, in order to put the above-described infrared receiver (infrared detector) using a waveguide into practical use, it is important to form an electrode for obtaining an electrical output and an upper cladding layer that also protects the waveguide. . In these formations, a high temperature treatment of 400 to 500 ° C. is usually performed. However, it is known that the multi-hole lattice defect, which is the source of the function of the infrared detector described above, disappears due to the high temperature treatment of about 400 ° C., so that the function as the infrared detector is greatly impaired. (See Non-Patent Document 1). Thus, conventionally, there has been a problem that the infrared receiver configured as described above is not easy to use practically.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、シリコン導波路を利用した赤外線検出器を実用的に用いることができるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to enable practical use of an infrared detector using a silicon waveguide.

本発明に係る赤外線検出器は、下部クラッド層の上に形成され、リブ部とこのリブ部の両脇に形成された第1スラブ部および第2スラブ部とを備える単結晶シリコンからなるリブ型のコア層と、第1スラブ部に接続するp型不純物領域と、第2スラブ部に接続するn型不純物領域と、リブ部の断面方向の中央部に形成されたループ型結晶欠陥と、コア層を覆う上部クラッド層と、p型不純物領域に接続する第1電極と、n型不純物領域に接続する第2電極とを少なくとも備えるものである。   An infrared detector according to the present invention is a rib type formed of a single crystal silicon, which is formed on a lower clad layer and includes a rib portion and first and second slab portions formed on both sides of the rib portion. A core layer, a p-type impurity region connected to the first slab portion, an n-type impurity region connected to the second slab portion, a loop-type crystal defect formed in a central portion in the cross-sectional direction of the rib portion, and a core And an upper clad layer covering the layer, a first electrode connected to the p-type impurity region, and a second electrode connected to the n-type impurity region.

また、本発明に係る赤外線検出器の製造方法は、下部クラッド層の上に、リブ部とこのリブ部の両脇に形成された第1スラブ部および第2スラブ部とを備える単結晶シリコンからなるリブ型のコア層を形成する工程と、第1スラブ部にp型不純物領域を形成する工程と、第2スラブ部にn型不純物領域を形成する工程と、リブ部を含む第1スラブ部および第2スラブ部の一部領域にイオン注入によりシリコンの非晶質領域を形成し、熱処理により非晶質領域を再結晶化させることでリブ部にループ型結晶欠陥を形成する工程と、コア層を覆う上部クラッド層を形成する工程と、p型不純物領域に接続する第1電極を形成する工程と、n型不純物領域に接続する第2電極を形成する工程とを少なくとも備え、シリコンの非晶質領域の形成は、シリコンがp型およびn型の導電形を示さない元素のイオン注入で行うようにした方法である。   In addition, the method for manufacturing an infrared detector according to the present invention comprises a single crystal silicon including a rib portion and a first slab portion and a second slab portion formed on both sides of the rib portion on the lower clad layer. Forming a rib-type core layer, forming a p-type impurity region in the first slab portion, forming an n-type impurity region in the second slab portion, and a first slab portion including the rib portion Forming an amorphous region of silicon by ion implantation in a partial region of the second slab portion and recrystallizing the amorphous region by heat treatment to form a loop-type crystal defect in the rib portion; At least a step of forming an upper clad layer covering the layer, a step of forming a first electrode connected to the p-type impurity region, and a step of forming a second electrode connected to the n-type impurity region. The formation of the crystalline region is A method con has to perform an ion implantation of elements does not exhibit conductivity type p-type and n-type.

上記赤外線検出器の製造方法において、シリコンの非晶質領域の形成は、希ガス元素、シリコン、およびゲルマニウムの中より選択された元素のイオン注入で行うようにすればよい。また、非晶質領域の再結晶化は、600〜1000℃の範囲の熱処理で行えばよい。   In the manufacturing method of the infrared detector, the amorphous region of silicon may be formed by ion implantation of an element selected from a rare gas element, silicon, and germanium. Further, the recrystallization of the amorphous region may be performed by a heat treatment in the range of 600 to 1000 ° C.

以上説明したように、本発明によれば、リブ部の断面方向の中央部にループ型結晶欠陥を形成するようにしたので、シリコン導波路を利用した赤外線検出器を実用的に用いることができるようなるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, since the loop type crystal defect is formed in the central portion of the rib portion in the cross-sectional direction, an infrared detector using a silicon waveguide can be used practically. An excellent effect is obtained.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態における赤外線検出器の構成例を模式的に示す断面図である。この赤外線検出器は、まず、下部クラッド層101と、この下部クラッド層101の上に形成され、リブ部121とリブ部121の両脇に形成されたスラブ部(第1スラブ部)122およびスラブ部(第2スラブ部)123とを有するリブ型のコア層102とを備える。例えば、リブ部121は、幅500nm、高さ(厚さ)200nmとされている。また、スラブ部122,123は、例えば、厚さ50〜100nmとされている。このようなリブ型のコア層102は、単結晶シリコンからなる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of an infrared detector according to an embodiment of the present invention. This infrared detector first includes a lower clad layer 101, a slab part (first slab part) 122 formed on both sides of the rib part 121 and the rib part 121, and a slab. And a rib-type core layer 102 having a portion (second slab portion) 123. For example, the rib 121 has a width of 500 nm and a height (thickness) of 200 nm. Moreover, the slab parts 122 and 123 are 50-50 nm in thickness, for example. Such a rib-type core layer 102 is made of single crystal silicon.

また、本実施の形態における赤外線検出器は、スラブ部122に接続するp型不純物領域103と、スラブ部123に接続するn型不純物領域104とを備える。また、コア層102を覆う上部クラッド層105と、p型不純物領域103に接続する電極(第1電極)106と、n型不純物領域104に接続する電極(第2電極)107とを備える。   The infrared detector in the present embodiment includes a p-type impurity region 103 connected to the slab part 122 and an n-type impurity region 104 connected to the slab part 123. In addition, an upper clad layer 105 covering the core layer 102, an electrode (first electrode) 106 connected to the p-type impurity region 103, and an electrode (second electrode) 107 connected to the n-type impurity region 104 are provided.

加えて、本実施の形態における赤外線検出器は、リブ部121の断面方向の中央部に形成されたループ型結晶欠陥124を備える。本実施の形態では、リブ部121に備えるループ型結晶欠陥124において光を吸収してキャリアをし、生成したキャリアを、p型不純物領域103およびn型不純物領域104に逆バイアスを印加することにより、外部回路に取り出す。   In addition, the infrared detector in the present embodiment includes a loop-type crystal defect 124 formed in the central portion of the rib portion 121 in the cross-sectional direction. In the present embodiment, light is absorbed in the loop-type crystal defect 124 provided in the rib portion 121 to generate carriers, and the generated carriers are applied with a reverse bias to the p-type impurity region 103 and the n-type impurity region 104. Take it out to the external circuit.

ここで、赤外線の検出について説明する。格子欠陥による赤外線受光の原理は、導入された格子欠陥によりシリコンのバンドギャップ内にエネルギー準位が形成され、このエネルギー準位を経由した、赤外線による荷電子帯電子の伝導体への励起と考えられている。特に、複空孔系格子欠陥は、バンドギャップのほぼ中央付近にエネルギー準位を形成し、シリコンのバンドギャップより低いエネルギーの赤外線に対し、ちょうどよい中間準位となっている。言い換えると、シリコン導波路を用いた赤外線検出では、シリコンのバンドギャップの中央付近にエネルギーを持つ格子欠陥を、コア(リブ部)に導入することが重要であるものと考えられる。   Here, infrared detection will be described. The principle of infrared light reception by lattice defects is that the energy level is formed in the band gap of silicon due to the introduced lattice defect, and the valence band electrons are excited by the infrared to the conductor via this energy level. It has been. In particular, the double-vacancy lattice defect forms an energy level in the vicinity of the center of the band gap, and is an appropriate intermediate level for infrared rays having energy lower than that of silicon. In other words, in infrared detection using a silicon waveguide, it is considered important to introduce a lattice defect having energy near the center of the band gap of silicon into the core (rib portion).

従って、シリコンのバンドギャップのほぼ中央にエネルギー準位を持ち、かつ、上部の各層の形成で加わる熱負荷に対しても安定な格子欠陥をコアに導入できれば、格子欠陥を導入した後に高温処理を経ても、赤外線検出の機能を損なうことなく、感度の大きな赤外線検出器が実現できる。このような条件を満たす格子欠陥として、転位や転位がリング状に形成された転位ループ(ループ型結晶欠陥)が考えられる。   Therefore, if a lattice defect that has an energy level almost in the center of the band gap of silicon and that is stable against the thermal load applied by the formation of each upper layer can be introduced into the core, high-temperature treatment is performed after the lattice defect is introduced. Even after passing, a highly sensitive infrared detector can be realized without impairing the function of infrared detection. As a lattice defect that satisfies such conditions, a dislocation loop (loop-type crystal defect) in which dislocations and dislocations are formed in a ring shape can be considered.

シリコン中のループ型結晶欠陥は、単空孔や格子間原子などの一次欠陥が、600℃以上の高温の熱処理により離合集散して形成されるものである。このため、少なくとも600℃よりも低温では、安定な格子欠陥である。また、このようにして形成されるループ型結晶欠陥のエネルギー準位は、複空孔系格子欠陥と同様に、シリコンのバンドギャップのほぼ中央に位置する(非特許文献2参照)。従って、ループ型結晶欠陥124を用いることで、上部クラッド層105や電極106,107を形成する際に、400〜500℃の高温処理がなされても、感度の低下が抑制された実用的な赤外線検出器が実現できる。   Loop-type crystal defects in silicon are those in which primary defects such as single vacancies and interstitial atoms are separated and concentrated by heat treatment at a high temperature of 600 ° C. or higher. For this reason, it is a stable lattice defect at least at a temperature lower than 600 ° C. In addition, the energy level of the loop-type crystal defect formed in this way is located substantially at the center of the silicon band gap, as in the case of the double-hole lattice defect (see Non-Patent Document 2). Therefore, by using the loop type crystal defect 124, when forming the upper clad layer 105 and the electrodes 106 and 107, a practical infrared ray in which a decrease in sensitivity is suppressed even when a high temperature treatment of 400 to 500 ° C. is performed. A detector can be realized.

次に、本発明の実施の形態における赤外線検出器の製造方法例について説明する。まず、図2の断面図に示すように、下部クラッド層101の上の単結晶シリコン層201に、リブ部121,スラブ部122,およびスラブ部123を備えるコア層102を形成する。例えば、下部クラッド層101は、よく知られたSOI(Silicon on Insulator)基板の埋め込み絶縁層であり、単結晶シリコン層201は、SOI層である。この単結晶シリコン層201を、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、スラブ部122およびスラブ部123となる領域を選択的に除去し、図2の紙面の法線方向に延在して導波路のコアとなるリブ部121を形成する。   Next, an example of a method for manufacturing the infrared detector according to the embodiment of the present invention will be described. First, as shown in the cross-sectional view of FIG. 2, the core layer 102 including the rib portion 121, the slab portion 122, and the slab portion 123 is formed on the single crystal silicon layer 201 on the lower cladding layer 101. For example, the lower cladding layer 101 is a well-known buried insulating layer of an SOI (Silicon on Insulator) substrate, and the single crystal silicon layer 201 is an SOI layer. The single crystal silicon layer 201 is patterned by a known photolithography technique and etching technique to selectively remove the slab part 122 and the region to be the slab part 123 and extend in the normal direction of the paper surface of FIG. As a result, the rib 121 serving as the core of the waveguide is formed.

次に、図3の断面図に示すように、スラブ部122に接続するp型不純物領域103と、スラブ部123に接続するn型不純物領域104とを形成する。例えば、まず、p型不純物領域103となる領域が開口したマスクパターンを形成し、ホウ素などのp型不純物をイオン注入する。また、n型不純物領域104となる領域が開口したマスクパターンを形成し、リンなどのn型不純物をイオン注入する。次いで、イオン注入により生じた非晶質状態(結晶欠陥)の再結晶化、および導入した不純物原子の活性化のために、例えば、800℃以上の温度でアニールを行う。これらのことにより、p型不純物領域103およびn型不純物領域104が形成される。   Next, as shown in the cross-sectional view of FIG. 3, a p-type impurity region 103 connected to the slab part 122 and an n-type impurity region 104 connected to the slab part 123 are formed. For example, first, a mask pattern in which a region to be the p-type impurity region 103 is opened is formed, and p-type impurities such as boron are ion-implanted. Further, a mask pattern in which a region to be the n-type impurity region 104 is opened is formed, and n-type impurities such as phosphorus are ion-implanted. Next, annealing is performed, for example, at a temperature of 800 ° C. or higher in order to recrystallize the amorphous state (crystal defects) generated by the ion implantation and to activate the introduced impurity atoms. As a result, the p-type impurity region 103 and the n-type impurity region 104 are formed.

次に、図4の断面図に示すように、単結晶シリコン層201の上に、公知のフォトリソグラフィ技術により、開口部402を備えるレジストマスク層401を形成する。例えば、紫外線に感光するレジスト層を紫外線露光装置により露光して現像することで、レジストマスク層401が形成できる。また、電子線に感光するレジスト層を電子ビーム露光装置により露光して現像することで、レジストマスク層401を形成してもよい。   Next, as shown in the cross-sectional view of FIG. 4, a resist mask layer 401 including an opening 402 is formed on the single crystal silicon layer 201 by a known photolithography technique. For example, the resist mask layer 401 can be formed by exposing and developing a resist layer sensitive to ultraviolet rays with an ultraviolet exposure device. Alternatively, the resist mask layer 401 may be formed by exposing and developing a resist layer sensitive to an electron beam by an electron beam exposure apparatus.

開口部402は、リブ部121の延在方向には赤外線検出の機能を発現させようとする領域が開口していればよい。また、開口部402は、延在方向に垂直な幅方向には、リブ部121を中心とした所定の領域が開口した状態とする。この、開口部402の開口幅は、リブ部121と同程度の幅、もしくは、リブ部121よりやや広い範囲とすればよい。   The opening 402 only needs to be open in the extending direction of the rib portion 121 in a region where an infrared detection function is to be developed. The opening 402 is in a state in which a predetermined region centered on the rib 121 is opened in the width direction perpendicular to the extending direction. The opening width of the opening 402 may be the same as that of the rib 121 or a range slightly wider than the rib 121.

次に、レジストマスク層401をイオン注入制限用のマスクとし、開口部402に露出するリブ部121を含むスラブ部122およびスラブ部123の一部領域に、イオン注入を行う。例えば、130keVのアルゴンイオンを2×1014cm-2の密度で開口部402に露出す領域に照射すればよい。このイオン注入では、アルゴンやクリプトンなどの希ガス元素や、シリコンおよびゲルマニウムなどの元素を用いればよい。このイオン注入では、シリコンに導入されても、n型あるいやp型とならない元素のイオンを注入すればよい。 Next, using the resist mask layer 401 as a mask for restricting ion implantation, ion implantation is performed on a partial region of the slab part 122 and the slab part 123 including the rib part 121 exposed to the opening 402. For example, a region exposed to the opening 402 may be irradiated with 130 keV argon ions at a density of 2 × 10 14 cm −2 . In this ion implantation, a rare gas element such as argon or krypton, or an element such as silicon or germanium may be used. In this ion implantation, ions of an element that does not become n-type or p-type even if introduced into silicon may be implanted.

上述したイオン注入により、図5に示すように、イオン注入した領域に、格子間原子や空孔などの1次格子欠陥が生成された欠陥領域501が形成される。ここで、欠陥領域501が非晶質状態と見なせるように、格子欠陥密度が2×1022cm-3以上となるように上述したイオン注入を行う(非特許文献3参照)。イオン注入を行った後、レジストマスク層401を除去する。 By the ion implantation described above, as shown in FIG. 5, a defect region 501 in which primary lattice defects such as interstitial atoms and vacancies are formed in the ion implanted region. Here, the above-described ion implantation is performed so that the lattice defect density is 2 × 10 22 cm −3 or more so that the defect region 501 can be regarded as an amorphous state (see Non-Patent Document 3). After ion implantation, the resist mask layer 401 is removed.

以上のようにして、リブ部121を含むスラブ部122およびスラブ部123の一部領域に非晶質領域を形成し、レジストマスク層401を除去した後で、結晶欠陥を再結晶化させる熱処理を行う。この熱処理により、図6の断面図に示すように、スラブ部122の結晶部122aおよびスラブ部123の結晶部123aを種結晶とし、固相エピタキシャル回復により、欠陥領域501の幅方向外側からリブ部121の中央部へと再結晶化が進行する。   As described above, an amorphous region is formed in a partial region of the slab portion 122 and the slab portion 123 including the rib portion 121, and after the resist mask layer 401 is removed, heat treatment for recrystallization of crystal defects is performed. Do. By this heat treatment, as shown in the cross-sectional view of FIG. 6, the crystal part 122a of the slab part 122 and the crystal part 123a of the slab part 123 are used as seed crystals, and the rib part is formed from the outer side in the width direction of the defect region 501 by solid phase epitaxial recovery. Recrystallization proceeds to the center of 121.

このようにして両方の外側よりリブ部121の中央部へと進んだ再結晶化面は、リブ部121の中央部で出会うことになるが、この出会うところでは、両者の結晶面が一致しない部分が生じ、転位などの2次欠陥が形成されるようになる。この結果、図7の断面図に示すように、リブ部121の中央部に集中してループ型結晶欠陥124が形成されるようになる。   In this way, the recrystallized surface that has advanced from both outer sides to the central portion of the rib portion 121 meets at the central portion of the rib portion 121. And secondary defects such as dislocations are formed. As a result, as shown in the cross-sectional view of FIG. 7, the loop type crystal defect 124 is formed concentrated on the central portion of the rib portion 121.

ここで、レジストマスク層401の開口部402の幅により規定される欠陥領域501の幅が大きすぎると、上述した両側部から進行する再結晶化の結晶面が出会う箇所が、リブ部121の中央部よりずれる場合が発生するようになる。言い換えると、欠陥路油域501の幅が大きすぎると、ループ型結晶欠陥の形成される位置精度が悪くなる。この位置精度を確保する観点では、結晶欠陥領域501の幅は、リブ部121の幅の2倍以下とした方がよい。また、結晶欠陥領域501は、p型不純物領域103およびn型不純物領域104に重ならない範囲とする。   Here, if the width of the defect region 501 defined by the width of the opening 402 of the resist mask layer 401 is too large, the above-described portion where the crystallized surface of recrystallization progressing from both sides meets the center of the rib portion 121. The case where it deviates from the part comes to occur. In other words, if the width of the defective road oil region 501 is too large, the positional accuracy at which the loop type crystal defect is formed deteriorates. From the viewpoint of ensuring the positional accuracy, it is preferable that the width of the crystal defect region 501 is not more than twice the width of the rib portion 121. Further, the crystal defect region 501 has a range that does not overlap with the p-type impurity region 103 and the n-type impurity region 104.

また、再結晶化によるループ型結晶欠陥501形成のための加熱温度範囲は、次に示すことを考慮する。まず、固相エピタキシャル成長では、結晶シリコン中で格子欠陥や原子が移動可能となる600℃以上に加熱することが重要となる。また、900℃の加熱条件では処理時間を15分とした短時間でループ型結晶欠陥が形成されることが報告されているが(非特許文献4参照)、1000℃を越える加熱をすると、格子欠陥の移動が激しくなり、ループ型結晶欠陥の形成が秒単位で進行するようになるものと推測される。このような状態では、非常に大きなループ型結晶欠陥の形成を通じて格子欠陥が消失してしまう可能性があり、1000℃を越える加熱では、所望の特性のループ型結晶欠陥を制御性よく形成することが困難になるものと推測される。従って、上述した加熱温度の範囲は、600〜1000℃とすることが妥当である。例えば、例えば900℃・15分の加熱処理を行えばよい。   The heating temperature range for forming the loop-type crystal defect 501 by recrystallization considers the following. First, in solid phase epitaxial growth, it is important to heat to 600 ° C. or higher at which lattice defects and atoms can move in crystalline silicon. In addition, it has been reported that loop-type crystal defects are formed in a short time with a processing time of 15 minutes under the heating condition of 900 ° C. (see Non-Patent Document 4). It is presumed that the movement of defects becomes intense and the formation of loop-type crystal defects proceeds in seconds. In such a state, there is a possibility that lattice defects may disappear through the formation of very large loop-type crystal defects. When heating at a temperature exceeding 1000 ° C., loop-type crystal defects having desired characteristics are formed with good controllability. Is estimated to be difficult. Therefore, it is appropriate that the above-described heating temperature range is 600 to 1000 ° C. For example, the heat treatment may be performed at 900 ° C. for 15 minutes, for example.

以上のようにして、リブ部121の中央部にループ型結晶欠陥124を形成した後、図8の断面図に示すように、単結晶シリコン層201の上に、例えば、CVD法によりシリコン酸化膜を堆積することで、上部クラッド層105を形成する。この後、上部クラッド層105を、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術にパターニングし、p型不純物領域103およびn型不純物領域104の各々の一部領域にまで貫通する開口部を各々形成する。次いで、各開口部を形成した上部クラッド層105の上に、例えば、CVD法やスパッタ法などによりアルミニウムなどの金属を堆積して金属層を形成し、この金属層を公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術にパターニングし、電極106および電極107を形成する。   As described above, after forming the loop type crystal defect 124 at the center of the rib 121, as shown in the cross-sectional view of FIG. 8, a silicon oxide film is formed on the single crystal silicon layer 201 by, for example, CVD. Is deposited to form the upper clad layer 105. Thereafter, the upper clad layer 105 is patterned by a known photolithography technique and etching technique to form openings that penetrate the partial regions of the p-type impurity region 103 and the n-type impurity region 104, respectively. Next, on the upper clad layer 105 in which each opening is formed, a metal layer such as aluminum is deposited by, for example, a CVD method or a sputtering method to form a metal layer, and this metal layer is formed by a known photolithography technique and etching. Patterning is performed using technology to form the electrode 106 and the electrode 107.

前述したように、CVD法によるシリコン酸化膜の堆積や、金属層の形成では、処理温度が400〜500℃となるが、本実施の形態によれば、リブ部121に形成されたループ型結晶欠陥124が、消失することはない。   As described above, in the deposition of the silicon oxide film by the CVD method and the formation of the metal layer, the processing temperature is 400 to 500 ° C. According to the present embodiment, the loop type crystal formed in the rib portion 121. The defect 124 never disappears.

ところで、上述では、p型不純物領域103およびn型不純物領域104の形成のためのアニール処理をした後に、ループ型結晶欠陥124を形成しているが、これに限るものではない。p型不純物領域103およびn型不純物領域104の形成において、イオン注入したイオンをより拡散させようとする場合は、ループ型結晶欠陥124のアニールより高い温度処理が必要となるため、前述したように、p型不純物領域103およびn型不純物領域104の形成のためのアニール処理の後に、ループ型結晶欠陥124の形成を行うことになる。   In the above description, the loop crystal defect 124 is formed after the annealing process for forming the p-type impurity region 103 and the n-type impurity region 104. However, the present invention is not limited to this. In the formation of the p-type impurity region 103 and the n-type impurity region 104, in order to further diffuse the ion-implanted ions, a temperature treatment higher than the annealing of the loop-type crystal defect 124 is required. After the annealing process for forming the p-type impurity region 103 and the n-type impurity region 104, the loop-type crystal defect 124 is formed.

しかしながら、注入したイオンをあまり拡散させる必要がない場合、p型不純物領域103およびn型不純物領域104の形成においても、ループ型結晶欠陥124の形成と同様のアニール処理条件を適用できる。このような場合、例えば、p型不純物領域103およびn型不純物領域104のためのイオン注入と、ループ型結晶欠陥124のためのイオン注入とを各々行った後、不純物領域形成のためのアニール処理とループ型結晶欠陥124形成のためのアニール処理をと同時に行うようにしてもよい。   However, when it is not necessary to diffuse the implanted ions so much, the same annealing conditions as those for forming the loop-type crystal defect 124 can be applied to the formation of the p-type impurity region 103 and the n-type impurity region 104. In such a case, for example, after ion implantation for the p-type impurity region 103 and the n-type impurity region 104 and ion implantation for the loop-type crystal defect 124 are performed, annealing treatment for forming the impurity region is performed. Further, the annealing process for forming the loop type crystal defect 124 may be performed simultaneously.

本発明の実施の形態における赤外線検出器の構成例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structural example of the infrared detector in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における赤外線検出器の製造方法例を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the example of the manufacturing method of the infrared detector in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における赤外線検出器の製造方法例を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the example of the manufacturing method of the infrared detector in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における赤外線検出器の製造方法例を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the example of the manufacturing method of the infrared detector in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における赤外線検出器の製造方法例を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the example of the manufacturing method of the infrared detector in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における赤外線検出器の製造方法例を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the example of the manufacturing method of the infrared detector in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における赤外線検出器の製造方法例を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the example of the manufacturing method of the infrared detector in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における赤外線検出器の製造方法例を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the example of the manufacturing method of the infrared detector in embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

101…下部クラッド層、102…コア層、103…p型不純物領域、104…n型不純物領域、105…上部クラッド層、106…電極(第1電極)、107…電極(第2電極)、121…リブ部、122…スラブ部(第1スラブ部)、123…スラブ部(第2スラブ部)、124…ループ型結晶欠陥。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Lower clad layer, 102 ... Core layer, 103 ... P-type impurity region, 104 ... N-type impurity region, 105 ... Upper clad layer, 106 ... Electrode (first electrode), 107 ... Electrode (second electrode), 121 ... rib part, 122 ... slab part (first slab part), 123 ... slab part (second slab part), 124 ... loop type crystal defect.

Claims (4)

下部クラッド層の上に形成され、単結晶シリコンからなる、リブ部とこのリブ部の両脇に形成された第1スラブ部および第2スラブ部とを備えるリブ型のコア層と、
前記第1スラブ部に接続するp型不純物領域と、
前記第2スラブ部に接続するn型不純物領域と、
前記リブ部の断面方向の中央部に形成されたループ型結晶欠陥と、
前記コア層を覆う上部クラッド層と、
前記p型不純物領域に接続する第1電極と、
前記n型不純物領域に接続する第2電極と
を少なくとも備えることを特徴とする赤外線検出器。
A rib-type core layer formed on the lower cladding layer and made of single crystal silicon, the rib-type core layer including a rib portion and first and second slab portions formed on both sides of the rib portion;
A p-type impurity region connected to the first slab portion;
An n-type impurity region connected to the second slab portion;
A loop-type crystal defect formed in a central portion in the cross-sectional direction of the rib portion;
An upper cladding layer covering the core layer;
A first electrode connected to the p-type impurity region;
An infrared detector comprising at least a second electrode connected to the n-type impurity region.
下部クラッド層の上に、単結晶シリコンからなる、リブ部とこのリブ部の両脇に形成された第1スラブ部および第2スラブ部とを備えるリブ型のコア層を形成する工程と、
前記第1スラブ部に接続するp型不純物領域を形成する工程と、
前記第2スラブ部に接続するn型不純物領域を形成する工程と、
前記リブ部を含む前記第1スラブ部および前記第2スラブ部の一部領域にイオン注入によりシリコンの非晶質領域を形成し、熱処理により前記非晶質領域を再結晶化させることで前記リブ部にループ型結晶欠陥を形成する工程と、
前記コア層を覆う上部クラッド層を形成する工程と、
前記p型不純物領域に接続する第1電極を形成する工程と、
前記n型不純物領域に接続する第2電極を形成する工程と
を少なくとも備え、
前記シリコンの非晶質領域の形成は、シリコンがp型およびn型の導電形を示さない元素のイオン注入で行う
ことを特徴とする赤外線検出器の製造方法。
Forming a rib-type core layer comprising a rib portion and a first slab portion and a second slab portion formed on both sides of the rib portion on the lower clad layer; and
Forming a p-type impurity region connected to the first slab portion;
Forming an n-type impurity region connected to the second slab part;
An amorphous region of silicon is formed by ion implantation in a partial region of the first slab portion and the second slab portion including the rib portion, and the amorphous region is recrystallized by heat treatment to thereby form the rib. Forming a loop-type crystal defect in the part;
Forming an upper clad layer covering the core layer;
Forming a first electrode connected to the p-type impurity region;
Forming a second electrode connected to the n-type impurity region, and
The method for manufacturing an infrared detector is characterized in that the amorphous region of silicon is formed by ion implantation of an element whose silicon does not exhibit p-type and n-type conductivity types.
請求項2記載の赤外線検出器の製造方法において、
前記シリコンの非晶質領域の形成は、希ガス元素、シリコン、およびゲルマニウムの中より選択された元素のイオン注入で行う
ことを特徴とする赤外線検出器の製造方法。
In the manufacturing method of the infrared detector of Claim 2,
The method for producing an infrared detector is characterized in that the amorphous region of silicon is formed by ion implantation of an element selected from a rare gas element, silicon, and germanium.
請求項2または3記載の赤外線検出器の製造方法において、
前記非晶質領域の再結晶化は、600〜1000℃の範囲の熱処理で行う
ことを特徴とする赤外線検出器の製造方法。
In the manufacturing method of the infrared detector of Claim 2 or 3,
The method for manufacturing an infrared detector, wherein the recrystallization of the amorphous region is performed by a heat treatment in a range of 600 to 1000 ° C.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2003060599A2 (en) * 2001-12-27 2003-07-24 Bookham Technology Plc An in-line waveguide photo detector

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