JP2011171548A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン回路とゲルマニウム素子との集積がより容易にできるようにする。
【解決手段】ステップＳ１０１で、シリコン層を備えた基板の上にシリコン素子からなる回路を形成する。次に、ステップＳ１０２で、基板の上にゲルマニウム層を成長（形成）する。露出しているシリコン層の上に選択的にゲルマニウム層を形成する。次に、ステップＳ１０３で、波長１．１ｎｍよりも長波長側に発光スペクトルの成分を有する赤外線ランプによる赤外線の照射でゲルマニウム層を選択的に加熱する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シリコンからなる素子による回路とゲルマニウム受光器とを集積した半導体装置の製造方法に関するものである。

ゲルマニウムを用いた素子として、受光素子であるゲルマニウムフォトダイオードがある。このゲルマニウムフォトダイオードは、光通信波長帯１．３〜１．６μｍの赤外線に感度がある。また、ゲルマニウムフォトダイオードは、シリコン電子回路やシリコン光回路の基板として用いられるシリコン基板あるいはＳＯＩ基板の上に、シリコン回路とモノリシックに構築することが可能である。これらのことにより、ゲルマニウムフォトダイオードは、通信用光部品の小型化・集積化に適した受光器として期待されている。

このようなシリコン回路とゲルマニウム素子とを集積した半導体装置は、次に示すように製造することが考えられる。第１に、図６のフローチャートに示すような過程で製造することが考えられる。まず、ステップＳ６０１で、シリコン基板の上に、公知の半導体装置の製造工程により、シリコン電子回路やシリコン光回路を作製する。

次に、ステップＳ６０２で、既にシリコン電子回路やシリコン光回路が形成されている基板上に、ゲルマニウム層を成長させる。ゲルマニウム層の成長は、例えば、ＧｅＨ₄をソースガスとしたＣＶＤ法により行うことができる。

次に、ステップＳ６０３で、基板を９００℃程度に加熱することで形成したゲルマニウム層の結晶性を向上させる。ゲルマニウム層の形成においては、成長させたゲルマニウム層を９００℃程度に加熱することで、ゲルマニウム層の成長過程において生じる格子欠陥の数を低減して結晶性を向上させることが重要となる（非特許文献１参照）。

次に、ステップＳ６０４で、形成したゲルマニウム層を加工することでゲルマニウム素子を作製する。これにより、シリコン回路とゲルマニウム素子とを集積した半導体装置が作製されることになる。

また、第２に、図７のフローチャートに示すように製造することが考えられる。まず、ステップＳ７０１で、シリコン基板の上にゲルマニウム層を成長させる。次に、ステップＳ７０２で、成長させたゲルマニウム層をアニール（９００℃程度）して結晶性を向上させる。次に、ステップＳ７０３で、形成したゲルマニウム層を加工することでゲルマニウム素子を作製する。

以上のようにしてゲルマニウム素子を形成した後、ステップＳ７０４で、基板の上に、公知の半導体装置の製造工程により、シリコン電子回路やシリコン光回路を作製する。この製造方法によっても、シリコン回路とゲルマニウム素子とを集積した半導体装置が作製されることになる。

Hsin-Chiao Luan et al. ,"High-quality Ge epilayers on Si with low threading-dislocation densities", Applied Physics Letters, vol.75, no.19, pp.2090-2911, 1999. 山田 浩治 他、「シリコン細線導波路の作製およびその関連技術」、レーザ研究、５５０−５５５頁、２００７年９月． 安積賢吾 著、「各種（遠・近）赤外線ランプの開発」、日本赤外線学会誌、第７巻第２号、１７１−１８１頁、１９９７年１２月．

しかしながら、上述した製造方法では、次に示すような問題がある。

まず、第１の方法では、シリコン回路を形成した後にゲルマニウム層を形成するため、ゲルマニウム層に対するアニール処理は、シリコン回路に対してもなされることになる。ところが、シリコン回路においては、例えば、アルミニウムなどの金属材料による電極や配線が形成されているため、上述したアニール処理により、金属が変成するなどのことによりシリコン回路が破損するという問題が発生する。例えば、よく知られているように、電極や配線にアルミニウムが用いられている場合、加熱の温度が４５０℃を超えると、マイグレーションや周囲のシリコンとのシリサイド化などにより電極や配線が変成し、シリコン回路が破壊されてしまう。

これに対し、第２の方法では、ゲルマニウム素子を形成した後にシリコン回路を作製するため、ゲルマニウム層のアニール処理でシリコン回路が破壊されることがない。しかしながら、第２の方法では、シリコン回路の作製において、ゲルマニウム素子が損傷を受けるという問題がある。

例えば、シリコン回路の作製においては、よく知られているように、ＲＣＡ洗浄や硫酸・過酸化水素混合液による洗浄が行われる。ところが、ゲルマニウムは、酸化およびエッチングされやすく、上述した処理により、ゲルマニウムの層が簡単に侵されてしまい、ゲルマニウム素子が破壊される。また、上述したような処理で溶解したゲルマニウムの再付着により、作製しているシリコン回路の特性を悪化させる場合もある。シリコン回路の作製工程は、シリコンを加工することに最適化されており、ゲルマニウムに損傷を与えない新たな製造工程の導入は現実的ではない。以上のように、上述した技術では、シリコン回路とゲルマニウム素子との集積が容易にできないという問題がある。

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、シリコン回路とゲルマニウム素子との集積がより容易にできるようにすることを目的とする。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、シリコン層を備えた基板の上にシリコン素子からなる回路を形成する第１工程と、基板の上にゲルマニウム層を形成する第２工程と、波長１．１ｎｍよりも長波長側に発光スペクトルの成分を有する赤外線ランプによる赤外線の照射でゲルマニウム層を選択的に加熱する第３工程と、ゲルマニウム層を用いてゲルマニウム素子を形成する第４工程とを少なくとも備える。

上記半導体装置の製造方法において、赤外線ランプは、発光スペクトルの主成分が波長１．１μｍ〜１．７μｍにあればよい。

以上説明したように、本発明によれば、波長１．１ｎｍよりも長波長側に発光スペクトルの成分を有する赤外線ランプによる赤外線の照射でゲルマニウム層を選択的に加熱するようにしたので、シリコン回路とゲルマニウム素子との集積がより容易にできるようになるという優れた効果が得られる。

本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するフローチャートである。 色温度が異なる４つのハロゲンランプの特性を示す特性図である。 シリコン回路とゲルマニウム素子とがシリコン基板の上に集積されている半導体装置に対し、赤外線ランプによるアニールを実施した後の、ゲルマニウム素子部分の顕微鏡写真である。 赤外線ランプを用いた熱処理装置の構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態における他の半導体装置の製造方法を説明するフローチャートである。 シリコン回路とゲルマニウム素子とを集積した半導体装置の製造方法例を示すフローチャートである。 シリコン回路とゲルマニウム素子とを集積した半導体装置の製造方法例を示すフローチャートである。

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半導体装置の製造方法を説明するフローチャートである。この製造方法は、まず、ステップＳ１０１で、シリコン層を備えた基板の上にシリコン素子からなる回路を形成する（第１工程）。例えば、公知の、成膜技術，リソグラフィー技術，エッチング技術，不純物導入技術，レジスト剥離技術，および洗浄技術などにより、トランジスタ，抵抗素子，容量素子，電極，配線，および不純物導入領域などを含むシリコン電子回路を形成する。また、公知の成膜技術，リソグラフィー技術，エッチング技術，不純物導入技術，レジスト剥離技術，および洗浄技術などにより、シリコンコア，クラッド，不純物導入領域，電極，および配線などを含むシリコン光回路を形成する（非特許文献２参照）。

次に、ステップＳ１０２で、基板の上にゲルマニウム層を成長（形成）する（第２工程）。ゲルマニウム層の成長は、例えば、ＧｅＨ₄をソースガスとしたＣＶＤ法により行うことができる。例えば、所望とする箇所のシリコン層が露出しているようにすることで、露出しているシリコン層の上に選択的にゲルマニウム層を形成することができる。次に、ステップＳ１０３で、波長１．１ｎｍよりも長波長側に発光スペクトルの成分を有する赤外線ランプによる赤外線の照射でゲルマニウム層を選択的に加熱する（第３工程）。この加熱により、ゲルマニウム層（ゲルマニウム結晶）の成長過程において生じる格子欠陥の数が低減できる。

次に、ゲルマニウム層を用いてゲルマニウム素子を形成する（第４工程）。例えば、不純物の導入によりｐｉｎ構造とされているゲルマニウム層に接続する電極、配線などを形成することで、ゲルマニウム受光器（ゲルマニウムフォトダイオード）を作製すればよい。なお、ゲルマニウム層を成長したときに、ｐ型もしくはｎ型とするための不純物の導入を同時に行っておき、ゲルマニウム層を成長した後に、ｎ型もしくはｐ型とするための不純物の導入を行えばよい。これらの不純物導入をイオン注入法で行う場合、不純物の注入の後に、結晶性の回復のためのアニール処理が必要となるが、このアニール処理を、上述したゲルマニウム層のアニールと同時に行ってもよい。これらのことにより、シリコン回路とゲルマニウム素子とを集積した半導体装置が得られる。

上述した本実施の形態における重要な点は、まず、ゲルマニウム層の成長を、シリコン回路の構築の後に行うことにある。このことにより、シリコン回路の作製工程により、ゲルマニウムを侵すことがなくなる。

次に重要な点は、波長１．１ｎｍよりも長波長側に発光スペクトルの成分を有する赤外線ランプによる赤外線の照射で、ゲルマニウム層の加熱を選択的に行う点である。このように、ゲルマニウムの欠陥除去などのための加熱処理を、基板全面ではなく，ゲルマニウムおよびその周辺部を局所的に加熱することで、高温となる上記加熱処理により、既に形成されているシリコン回路の破壊が抑制できるようになる。

ゲルマニウム層（ゲルマニウム素子）の形成においては、既に、シリコン回路を構成する電極や配線などが形成されているが、これらは、ゲルマニウム層のアニール処理の温度に耐性を持たない場合が多い。例えば、配線にはアルミニウムが用いられていることが多いが、よく知られているように、アルミニウム配線は、ゲルマニウムのアニール処理温度に耐性を持たない。配線や電極にアルミニウムが用いられている場合、４５０℃を超えると、マイグレーションや周囲のシリコンとのシリサイド化などにより電極や配線が変成し、シリコン回路が破壊されてしまう。しかしながら、本実施の形態によれば、ゲルマニウム層を選択的に加熱するので、既に形成されている電極や配線などが、高温に晒されることが抑制されるようになる。

以下、赤外線ランプを用いたゲルマニウム層の選択的な加熱について説明する。上述したゲルマニウム層の選択的（局所的）な加熱は、赤外線ランプ加熱におけるゲルマニウムとシリコンの光吸収特性の違いを利用すれば可能となる。

シリコンは、バンドギャップが１．１ｅＶであるので、このエネルギーに対応する波長１．１μｍよりも長波長の赤外線に対して透明である。一方、ゲルマニウムは、バンドギャップが０．７ｅＶであるので、このエネルギーに対応する波長１．７μｍよりも長波長の赤外線に対して透明である。

従って、波長１．１μｍから１．７μｍの間に発光スペクトルの主成分が含まれる赤外線ランプを用いれば、シリコンは加熱せずに、ゲルマニウムを選択的に加熱することができる。例えば、シリコン回路部分は、温度が４５０℃より低温に維持した状態で、ゲルマニウム層は９００℃程度に加熱することが可能となる。このような赤外線ランプとしては、熱処理用赤外線ハロゲンランプを用いることができる。

例えば、熱処理用赤外線ハロゲンランプの発光スペクトルは、図２に示すようになる（非特許文献３参照）。図２は、色温度が異なる４つのハロゲンランプの特性を示しており、図中に示す２２００Ｋ，２６００Ｋ，３０００Ｋ，および３４００Ｋは、色温度を示している。図２より明らかなように、ハロゲンランプの色温度が２２００Ｋの場合、波長１．１μｍから１．７μｍの間に発光スペクトルの主成分が存在する。このような発光スペクトルを持つ赤外線ランプの照射によりゲルマニウムは発熱する。この熱の一部は、熱伝導によりシリコン部分にも伝わるが、シリコン基板の上に占めるゲルマニウム素子の面積比は極わずかであるので、ゲルマニウム層から離れるに従って、急激に温度は下がり、他のデバイスへの影響は少ないと考えられる。

また、赤外線ランプの発光スペクトルは、かならずしも１．１μｍから１．７μｍの間に入っている必要はない。例えば、図２に示す熱処理用赤外線ハロゲンランプの色温度が３４００Ｋの場合、発光スペクトルのほぼ半分は１．１μｍよりも短波、すなわちシリコンの吸収帯域に入っており、このスペクトル領域の赤外線によりゲルマニウムとシリコンの両者が加熱される。しかしながら、ゲルマニウムでは吸収するがシリコンでは吸収できない１．１μｍよりも長い波長帯域にもパワー（相対強度）が存在するため、ゲルマニウムは過剰に加熱され、ゲルマニウムをシリコンよりも高温に保つことができる。

また、ここで説明した赤外線ランプの波長帯域は、常温でのバンドギャップを参考にして求めたものであるが、実際にはバンドギャップは温度により若干変化するため、必要とされるアニール温度に応じて、赤外線ランプの波長帯域を最適化してもよい。

次に、赤外線ランプによる熱処理をしたゲルマニウム素子の観察結果について説明する。図３は、シリコン回路とゲルマニウム素子（ゲルマニウムフォトダイオード）とがシリコン基板の上に集積されている半導体装置に対し、赤外線ランプによる熱処理（アニール）を実施した後の、ゲルマニウム素子部分の顕微鏡写真である。写真の中央部にゲルマニウム素子を構成するゲルマニウム層があり、このゲルマニウム素子に、右側の電極が接続している。一方、写真の左側の電極は、ゲルマニウム素子には接続せず、写真に示されていないシリコン回路（シリコン基板）に接続している。

図３に示す写真から明らかなように、右側の電極のゲルマニウム素子に近い部分に、一度溶解して再結晶化した形跡が観察される。これに対し、左側の電極には、再結晶化の形成が観察されない。この左側の電極の状態は、赤外線ランプによる熱処理を実施する前の状態と同様であり、熱処理前は、右側の電極も、左側の電極と同様の状態に観察されている。従って、右側の電極の変化は、赤外線ランプによる熱処理によるものである。このように、赤外線ランプによるアニールで、シリコンは加熱されず、選択的にゲルマニウム層が加熱されていることが確認される。

次に、赤外線ランプによる熱処理装置について簡単に説明する。図４は、熱処理装置の構成を示す構成図である。この熱処理装置は、ランプハウス４０１、反射鏡４０２、ハロゲンランプ４０３、真空炉４０４、載置台４０５、封止部４０６、ゲート４０７、温度センサ４０８、ランプ電源４０９、および制御装置４１０を備える。なお、図４において、ランプハウス４０１，反射鏡４０２，ハロゲンランプ４０３，真空炉４０４，載置台４０５，封止部４０６，ゲート４０７などについては、断面を概略的に示している。

ランプハウス４０１は、ハロゲンランプ４０３および真空炉４０４を収容する内部側の壁（内壁）に、ハロゲンランプ４０３より照射される赤外線を反射する反射鏡４０２を備える。反射鏡４０２は、例えば、金めっきにより構成されている。ランプハウス４０１の内部は、楕円を底面とする円筒形状に形成され、例えば、楕円の２つの焦点の位置に各々ハロゲンランプ４０３が配置されている。また、真空炉４０４は、赤外線を透過する材料（例えば石英）から構成され、封止部４０６およびゲート４０７により密閉可能とされ、また、図示しない排気機構により、内部を排気可能とされている。また、ゲート４０７は、開閉可能とされ、ゲート４０７を開放状態とすることで、真空炉４０４内に対する基板Ｗの搬出搬入を行う。

この熱処理装置では、２つのハロゲンランプ４０３より出射された光（赤外線）は、楕円形状の反射鏡４０２で反射され、載置台４０５の上に固定されている基板Ｗの上に集光して、基板Ｗを加熱する。基板Ｗの温度は、基板Ｗに接した熱電対などの温度センサ４０８で計測される。温度センサ４０８からの信号を元に、制御装置４１０がランプ電源４０９を制御し、ハロゲンランプ４０３に供給される電源を制御することで、温度の調整が行われる。温度センサ４０８は、基板Ｗの下に熱伝導の良い基板テーブル（不図示）を設け、この基板テーブルの中に設置しても良い。

なお、上述した熱処理装置は、主に小片基板の加熱を目的とされているが、赤外線ランプを用いた熱処理装置には、これに限るものではなく、大型の基板（ウエハー）をそのまま加熱できる大型の装置もある。

ところで、シリコン電子回路やシリコン光回路と同様に、ゲルマニウム素子にも電極が必要である。これらの電極を作製する工程は、まとめて実施するのが合理的である。従って、ゲルマニウム結晶の成長に先んじるシリコン電子回路やシリコン光回路の製作は、電極工程の前段階までとし、ゲルマニウム素子の構築後に、全ての電極工程をまとめて実施してもよい。

例えば、図５のフローチャートに示すように、ステップＳ５０１で、シリコン層を備えた基板の上にシリコン素子からなる回路の形成、電極が作製される前の段階まで行う。次に、ステップＳ５０２で、基板の上にゲルマニウム層を成長する。次に、ステップＳ５０３で、波長１．１ｎｍよりも長波長側に発光スペクトルの成分を有する赤外線ランプによる赤外線の照射でゲルマニウム層を選択的に加熱する。この後、ゲルマニウム層を用いてゲルマニウム素子の形成や電極の形成を行い、また、シリコン回路の電極などを形成する（第４工程）。このようにすることで、シリコン電子回路，シリコン光回路，およびゲルマニウム素子の各々の電極が、まとめて形成でき、合理的である。

以上に説明した本発明によれば、電子デバイスや光デバイスが存在するシリコン部分を低温に維持したまま、ゲルマニウムの格子欠陥を減らすため熱処理が可能となる。これにより、例えば、通信用に適した暗電流の少ないゲルマニウム素子とシリコン電子デバイスおよびシリコン光デバイスの集積が可能となり、通信用光部品の小型・集積化が可能となる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。

Claims (2)

1. シリコン層を備えた基板の上にシリコン素子からなる回路を形成する第１工程と、
   前記基板の上にゲルマニウム層を形成する第２工程と、
   波長１．１ｎｍよりも長波長側に発光スペクトルの成分を有する赤外線ランプによる赤外線の照射で前記ゲルマニウム層を選択的に加熱する第３工程と、
   前記ゲルマニウム層を用いてゲルマニウム素子を形成する第４工程と
   を少なくとも備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
   前記赤外線ランプは、発光スペクトルの主成分が波長１．１μｍ〜１．７μｍにあることを特徴とする半導体装置の製造方法。