JP2018152369A

JP2018152369A - 裏面入射型受光素子およびその製造方法

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Publication number: JP2018152369A
Application number: JP2017045198A
Authority: JP
Inventors: 中島　康雄; Yasuo Nakajima; 康雄中島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-03-09
Filing date: 2017-03-09
Publication date: 2018-09-27
Anticipated expiration: 2037-03-09
Also published as: US20180259387A1; US11339494B2; US10746592B2; JP6862941B2; US20200292379A1

Abstract

【課題】ウエハ状態での特性検査が可能で、電極の寄生容量が小さい裏面入射型受光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】基板１２と、基板１２の表面上に形成された受光部４８と、受光部４８の上に形成され、受光部４８と電気的に接続された電極４６と、を備えた裏面入射型受光素子１０の製造方法であって、電極４６の一部を形成したあと、裏面入射型受光素子１０の特性検査を電極４６の一部にプローブを当てて実施する第１工程と、平面視における電極４６の面積を小さくする第２工程と、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、光ファイバ通信システムで用いられる裏面入射型受光素子およびその製造方法に関する。

光ファイバ通信システムで用いられる受光素子として、裏面入射型受光素子が知られている。裏面入射型受光素子の特徴は、基板の裏面から入射する光を受光することである。裏面入射型受光素子について記載された文献として、例えば特許文献１が挙げられる。

特開２００２−２５２３６６号公報

裏面入射型受光素子に求められる課題として、動作速度の高速化と、コストの低減がある。高速化は、インターネット上でやり取りされるデータ量が継続的に増加していることから、達成が望まれる課題である。コスト低減も、ユーザーから常に求められるものである。

裏面入射型受光素子の動作速度を高速化するには、基板表面側にある電極の面積を小さくするのが有効である。電極はその下方にある半導体層などとの間に生じる寄生容量を有し、これが大きくなると高速化が妨げられる。寄生容量は電極の面積とともに増加するため、電極の面積を小さくすることで寄生容量も小さくなり、高速化が達成される。

裏面入射型受光素子のコストを下げるには、受光素子の特性検査をウエハ状態で実施するのが効果的である。ウエハ状態での特性検査が実施できれば、不良と判明した素子をサブマウント等へ実装せずに済む。そのため、余分な製造コストを抑えられる。

しかし、このままでは、高速化と、ウエハ状態での特性検査実施とを両立するのは困難である。もし、高速化のために電極の面積を小さくすれば、検査用のプローブを電極に当てられなくなり、ウエハ状態での特性検査が実施できない。逆に、ウエハ状態での特性検査のために電極の面積を大きくすれば、寄生容量の増加により高速化が達成されない。

この発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、ウエハ状態での特性検査が可能で、電極の寄生容量が小さい裏面入射型受光素子の製造方法を提供することを目的としている。

この発明に係る裏面入射型受光素子の製造方法は、基板と、基板の表面上に形成された受光部と、受光部の上に形成され、受光部と電気的に接続された電極と、を備えた裏面入射型受光素子の製造方法であって、電極の一部を形成したあと、裏面入射型受光素子の特性検査を電極の一部にプローブを当てて実施する第１工程と、平面視における電極の面積を小さくする第２工程と、を備える。

この発明の製造方法では、ウエハ状態で特性検査する際にはプローブが当てられる程度の面積を持つ電極を利用して検査し、検査後に電極の面積を小さくするため、ウエハ状態での特性検査が可能で、電極の寄生容量を小さくした裏面入射型受光素子を製造できる。

この発明の実施の形態１に係る製造方法を用いて作製した裏面入射型受光素子の断面図である。ミラー電極の構成を変えた場合の反射率の波長依存性を示す図である。この発明の実施の形態１に係る裏面入射型受光素子の製造方法において、コンタクト層形成までを説明するための裏面入射型受光素子の断面図である。この発明の実施の形態１に係る裏面入射型受光素子の製造方法において、ガードリング領域形成までを説明するための裏面入射型受光素子の断面図である。この発明の実施の形態１に係る裏面入射型受光素子の製造方法において、コンタクト層形成までを説明するための裏面入射型受光素子の断面図である。この発明の実施の形態１に係る裏面入射型受光素子の製造方法において、ミラー電極形成までを説明するための裏面入射型受光素子の断面図である。この発明の実施の形態１に係る裏面入射型受光素子の製造方法において、バリア電極形成までを説明するための裏面入射型受光素子の断面図である。この発明の実施の形態１に係る裏面入射型受光素子の製造方法において、メッキ給電層形成までを説明するための裏面入射型受光素子の断面図である。この発明の実施の形態１に係る裏面入射型受光素子の製造方法において、メッキ層形成までを説明するための裏面入射型受光素子の断面図である。この発明の実施の形態１に係る裏面入射型受光素子の製造方法において、Ｐ電極形成までを説明するための裏面入射型受光素子の断面図である。この発明の実施の形態２に係る製造方法を用いて作製した裏面入射型受光素子の断面図である。この発明の実施の形態２に係る裏面入射型受光素子の製造方法において、レジスト形成までを説明するための裏面入射型受光素子の断面図である。この発明の実施の形態２に係る裏面入射型受光素子の製造方法において、メッキ層形成までを説明するための裏面入射型受光素子の断面図である。この発明の実施の形態２に係る裏面入射型受光素子の製造方法において、メッキ層形成までを説明するための裏面入射型受光素子の断面図である。この発明の実施の形態２に係る裏面入射型受光素子の製造方法において、Ｐ電極形成までを説明するための裏面入射型受光素子の断面図である。この発明の実施の形態２に係る裏面入射型受光素子の製造方法において、メッキ層形成までを説明するための裏面入射型受光素子の断面図である。

実施の形態１．
実施の形態１における裏面入射型受光素子の構成について説明する。この実施の形態では、受光素子はＡＰＤ（Avalanche photodiode）である。また、受光素子の動作速度を２５Ｇｂ／ｓ以上とする。図１は、実施の形態１における裏面入射型受光素子１０の断面図である。なお、図１を含めて、断面図は模式的に示した図であり、寸法比は実際のものと同一ではない。

ｎ−ＩｎＰ基板１２の上に、ＡｌＩｎＡｓ増倍層１４、ｐ−ＩｎＰ電界緩和層１６、ＩｎＧａＡｓ光吸収層１８、ＡｌＩｎＡｓ窓層２０、ＩｎＰ窓層２２およびＩｎＧａＡｓコンタクト層２４が順に積層されている。

ＩｎＧａＡｓコンタクト層２４は、ｐ型拡散領域２６への給電用として、リング状に形成されている。

ＡｌＩｎＡｓ窓層２０およびＩｎＰ窓層２２に不純物を拡散させたｐ型拡散領域２６が形成されている。ｐ型拡散領域２６の平面視における最外径は２０μｍ以下とする。理由は、裏面入射型受光素子１０を高速に動作させるために、接合容量を抑える必要があるからである。

ＩｎＰ窓層２２に形成したｐ型拡散領域２６の周囲に、ガードリング領域２８が形成されている。

ＩｎＰ窓層２２の上に、ＳｉＮ膜３０が形成されている。ＳｉＮ膜３０は、光ファイバ通信システムで用いられる１．２〜１．７μｍ帯の光に対してほぼ無反射となるように構成する。また、ＳｉＮ膜３０は表面を保護する役目を持つ。

ＩｎＧａＡｓコンタクト層２４の上に、コンタクト電極３２が形成されている。コンタクト電極３２は、下層からＰｔ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ層構造を有するリング状の電極であり、一部がＩｎＧａＡｓコンタクト層２４と合金化されている。

コンタクト電極３２およびＳｉＮ膜３０の上に、ミラー電極３４が形成されている。ミラー電極３４は、Ｔｉ／Ａｕ層構造を有し、コンタクト電極３２の外周より大きいサイズで形成されている。具体的には、ミラー電極３４の平面視における最外径は、例えば、５μｍ以上２０μｍ以下とする。図２に、ミラー電極３４の反射率の波長依存性を、Ｔｉ厚を変えて示している。この図を見ると、Ｔｉ厚を１００Å以下にすれば、光ファイバ通信システムで用いられる１．２〜１．７μｍ帯の光に対して、７０％以上の反射率が得られることが分かる。Ｔｉ層が全くなければＳｉＮ膜３０とミラー電極３４の密着性が悪くなることも考慮すると、ミラー電極３４のＴｉ厚は、１０Å以上１００Å以下が望ましい。

ミラー電極３４の上に、バリア電極３６が形成されている。バリア電極３６は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ層構造を有し、コンタクト電極３２の外周とほぼ同じサイズで形成されている。バリア電極３６は、バリアメタルであるＰｔ層を含むため、裏面入射型受光素子１０をサブマウント等へ実装する際に用いる半田に対してバリア効果がある。

バリア電極３６の上に、メッキ給電層３８が形成されている。メッキ給電層３８はＴｉ／Ａｕ層構造を有する。

メッキ給電層３８の上に、メッキ層４０が形成されている。メッキ層４０はＡｕで形成されている。

上記のコンタクト電極３２、ミラー電極３４、バリア電極３６、メッキ給電層３８およびメッキ層４０で構成される電極をＰ電極４６と称する。

また、図１の破線で囲まれた領域は受光部４８であり、基板１２側から入射した光を受光する機能を有する。

Ｎ電極４４が、裏面入射型受光素子１０の表面と裏面に形成されている。表面のＮ電極４４は、溝４２の上方に形成されている。裏面のＮ電極４４は、ｎ−ＩｎＰ基板１２の裏面に形成されている。これら２箇所のＮ電極４４は、裏面入射型受光素子の実装形態に合わせて使い分けられる。Ｐ電極４６とＮ電極４４の間に電流を流すことで、受光部４８中の接合領域に給電する。

この発明の実施の形態１における裏面入射型受光素子の製造方法を説明する。図３〜９は、実施の形態１の製造工程を示す断面図である。

まず、図３に示した構造を形成する。この構造は、ｎ−ＩｎＰ基板１２の上に、ＡｌＩｎＡｓ増倍層１４、ｐ−ＩｎＰ電界緩和層１６、ＩｎＧａＡｓ光吸収層１８、ＡｌＩｎＡｓ窓層２０、ＩｎＰ窓層２２およびＩｎＧａＡｓコンタクト層２４を積層し、形成したものである。図３では、ｎ−ＩｎＰ基板１２、ＡｌＩｎＡｓ増倍層１４およびｐ−ＩｎＰ電界緩和層１６の図示を省略している。

次に、図４に示したように、ｐ型拡散領域２６とガードリング領域２８を形成する。ｐ型拡散領域２６は、ｐ型不純物を拡散して形成する。ガードリング領域２８も同様に、ｐ型不純物を拡散して形成する。

次に、図５に示した構造を形成する。この構造を形成するには、まず、ＩｎＧａＡｓコンタクト層２４をリング状に形成する。次に、ＳｉＮ膜３０を積み、ＩｎＧａＡｓコンタクト層２４の上のＳｉＮ膜３０を除去する。次に、ＳｉＮ膜３０の上に、ＩｎＧａＡｓコンタクト層２４の上を開口させてレジストパターンを形成し、Ｐｔ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ層を蒸着したあと、リフトオフでコンタクト電極３２を形成する。

次に、図６に示した、ミラー電極３４を有する構造を形成する。ミラー電極３４はＰｔを含まないため、コンタクト電極３２と同様にリフトオフで形成する。あるいは、レジストをマスクにして、エッチングで形成する。平面視におけるミラー電極３４の最外径は４０μｍ以上１００μｍ以下で形成する。

次に、図７のように、バリア電極３６を形成する。

次に、検査用のプローブを、ミラー電極３４かバリア電極３６のどちらか一方あるいは両方に当てて、特性検査を実施する。ミラー電極３４の最外径が４０μｍ以上であるため、ミラー電極３４の面積はプローブを当てるのに十分大きい。したがって、ウエハプロセスの途中での特性検査が可能である。

次に、図８のように、メッキ給電層３８を積層する。この工程では、Ｔｉ層とＡｕ層を全面に順次積層している。

次に、図９のように、メッキ層４０を形成する。メッキ層４０は、メッキ給電層３８の上に積層したレジストパターンを形成し、メッキ給電層３８に電流を流してメッキを行う電解メッキ法により、Ａｕをメッキ材料として形成する。

次に、図１０のように、メッキ層４０を覆うサイズのレジストを用いて、Ａｕ層、Ｔｉ層をエッチングし、Ｐ電極４６を形成する。この際、メッキ給電層３８とともに、ミラー電極３４の面積が小さくなる。

実施の形態１における裏面入射型受光素子の製造方法を用いると、受光素子の特性検査をウエハ状態で実施できる。また、ウエハ状態での特性検査の際にプローブを当てる電極がミラー電極３４とバリア電極３６の多層構造のため、受光部へのダメージを少なくできる。また、ミラー電極３４の、ＳｉＮ膜３０と接触する層にＴｉを用いているため、電極剥がれが起きにくい。また、そのＴｉ層の厚さを１００Å以下にしているため、７０％以上の反射率が得られる。また、最終的に、平面視におけるＰ電極の最外径を２０μｍ以下にしているため、電極が有する寄生容量が小さくなり、この裏面入射型受光素子１０は高速動作が可能である。具体的には、２５Ｇｂ／ｓ以上での動作が可能である。

なお、この実施の形態では、Ｐ電極を構成する各層のうち、ウエハ状態で特性検査するために面積を大きくしたのはミラー電極３４だったが、メッキ給電層３８の面積を大きくしてもよい。この場合、メッキ給電層３８を形成したあとに特性検査を実施し、その後、メッキ層４０を形成したあとに、エッチングによってメッキ給電層３８の面積を小さくすればよい。

実施の形態２．
実施の形態２における裏面入射型受光素子の構成について説明する。この実施の形態においても、受光素子はＡＰＤ（Avalanche photodiode）であり、受光素子の動作速度を２５Ｇｂ／ｓ以上とする。図１１は、実施の形態２における裏面入射型受光素子１１０の断面図である。実施の形態２の裏面入射型受光素子１１０は、基板裏面側から表面側に向かって、メッキ給電層３８までの構成が実施の形態１の裏面入射型受光素子１１０と同じである。以下では、メッキ給電層３８から上部について説明する。

図１１に示すとおり、メッキ給電層３８の上に、メッキ層１４０が形成されている。メッキ層１４０はＡｕで形成されている。

メッキ層１４０の上に、メッキ層１４２がさらに形成されている。このメッキ層１４２は、コンタクト電極３２より大きいサイズで形成されている。具体的には、メッキ層１４２の平面視における最外径は、例えば、４０μｍ以上１００μｍ以下とする。

上記のコンタクト電極３２、ミラー電極３４、バリア電極３６、メッキ給電層３８、メッキ層１４０およびメッキ層１４２で構成される電極をＰ電極１４６と称する。

なお、メッキ層１４０の材料をＡｕではなく、半田に対するバリア効果のあるＮｉ等にすれば、バリア電極３６はなくてもかまわない。

この発明の実施の形態２における裏面入射型受光素子１１０の製造方法を説明する。図１２〜１５は、実施の形態２の製造工程を示す断面図である。この実施の形態では、実施の形態１と異なり、ミラー電極形成直後に特性検査を実施しないため、面積の大きいミラー電極を形成しない。それ以外は、メッキ給電層３８の形成まで実施の形態１と同じ製造方法を用いるため、ここではメッキ給電層３８より上部を形成する方法について述べる。

図１２のように、レジスト１５０を形成する。レジスト１５０は、メッキ層１４０を形成するための開口部を有する。

次に、図１３に示したように、メッキ層１４０を形成する。メッキ層１４０は、メッキ給電層３８に電流を流してメッキする電解メッキ法により、Ａｕをメッキ材料として形成する。

次に、図１４のように、レジスト１５２をさらに形成し、その開口部にメッキ層１４２を形成する。レジスト１５２は、メッキ層１４２形成箇所に開口を有する。この開口のサイズはメッキ層１４２と同サイズとし、コンタクト電極３２より大きくする。メッキ層１４２は、メッキ給電層３８に電流を流してメッキする電解メッキ法により、Ａｕをメッキ材料として形成する。

次に、図１５のように、レジスト１５０およびレジスト１５２を取り除き、Ｐ電極１４６を形成する。

なお、上記のようにメッキ層１４０およびメッキ層１４２を形成する代わりに、図１６のように、レジスト１５０自体をＴ型形状に形成したあとに、メッキ層１４２を形成してもよい。

実施の形態２における裏面入射型受光素子を用いると、受光素子の特性検査をウエハ状態で実施できる。メッキ層１４２の面積が大きいため、特性検査用のプローブをＰ電極に当てられるからである。

また、裏面入射型受光素子１１０をサブマウント等へ実装する際、メッキ層１４２の面積が大きいため、Ｐ電極１４６へ打つボンディングワイヤの接着面積が広がり、組み立て強度を上げられる。

また、Ｐ電極を構成する層のうち、下方の半導体層の最も近くにあり、Ｐ電極の寄生容量に最も影響を与えるミラー電極の平面視における最外径を２０μｍ以下にしているため、この裏面入射型受光素子１１０は高速動作が可能である。具体的には、２５Ｇｂ／ｓ以上での動作が可能である。

１０，１１０裏面入射型受光素子、１２ｎ−ＩｎＰ基板、１８ＩｎＧａＡｓ光吸収層、２６ｐ型拡散領域、２８ガードリング領域、３０ＳｉＮ膜、３２コンタクト電極、３４ミラー電極、３６バリア電極、３８メッキ給電層、４０，１４０，１４２メッキ層、４４Ｎ電極、４６，１４６Ｐ電極、４８受光部、１５０，１５２レジスト。

Claims

基板と、
前記基板の表面上に形成された受光部と、
前記受光部の上に形成され、前記受光部と電気的に接続された電極と、を備えた裏面入射型受光素子の製造方法であって、
前記電極の一部を形成したあと、前記裏面入射型受光素子の特性検査を前記電極の一部にプローブを当てて実施する第１工程と、
平面視における前記電極の面積を小さくする第２工程と、
を備えた裏面入射型受光素子の製造方法。
前記第２工程の前において、平面視における前記電極の最外径が４０μｍ以上１００μｍ以下であり、
前記第２工程のあとにおいて、平面視における前記電極の最外径が５μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の裏面入射型受光素子の製造方法。
前記電極を構成する層のうち、最下層がミラー電極であり、
前記ミラー電極が、前記基板の裏面から入射する光を反射することを特徴とする請求項１または２に記載の裏面入射型受光素子の製造方法。
前記ミラー電極は下層からＴｉ層、Ａｕ層で構成され、
前記Ｔｉ層の厚さは１０Å以上１００Å以下であることを特徴とする請求項３に記載の裏面入射型受光素子の製造方法。
前記第２工程において、面積を小さくするのは前記ミラー電極であることを特徴とする請求項３または４に記載の裏面入射型受光素子の製造方法。
前記第１工程と前記第２工程の間に、前記ミラー電極の上方に、前記電極を構成する層として順にメッキ給電層、メッキ層を形成する工程を有し、
前記メッキ層は、Ａｕを材料とし、かつ、前記メッキ給電層を電極とした電解メッキ法により形成され、かつ、前記電極の最上層であり、
前記第２工程において、前記メッキ給電層および前記ミラー電極をエッチングすることを特徴とする請求項５に記載の裏面入射型受光素子の製造方法。
基板と、
前記基板の表面上に形成された受光部と、を備え、
前記受光部の上に形成され、前記受光部と電気的に接続された電極と、を備え、
前記電極の最下部の面の最外径より、前記電極の最上部の面の最外径のほうが大きい裏面入射型受光素子。
前記電極の最下部の面の最外径が５μｍ以上２０μｍ以下であり、
前記電極の最上部の面の最外径が４０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項７に記載の裏面入射型受光素子。
前記電極を構成する層のうち、最下層がミラー電極であり、
前記ミラー電極は前記基板の裏面から入射する光を反射することを特徴とする請求項７または８に記載の裏面入射型受光素子。
前記ミラー電極は下層からＴｉ層、Ａｕ層で構成され、
前記Ｔｉ層の厚さは１０Å以上１００Å以下であることを特徴とする請求項９に記載の裏面入射型受光素子。
前記ミラー電極の上方に、前記電極を構成する層として順にメッキ給電層、第１のメッキ層および第２のメッキ層を有し、
前記第１のメッキ層および前記第２のメッキ層はＡｕを材料とし、
前記第２のメッキ層は前記電極の最上層であることを特徴とする請求項９または１０に記載の裏面入射型受光素子。
前記ミラー電極の上方に、前記電極を構成する層として順にメッキ給電層、第１のメッキ層および第２のメッキ層を有し、
前記第１のメッキ層はＮｉを材料とし、
前記第２のメッキ層はＡｕを材料とし、
前記第２のメッキ層は前記電極の最上層であることを特徴とする請求項９または１０に記載の裏面入射型受光素子。
請求項１１または１２に記載の裏面入射型受光素子の製造方法であって、
前記メッキ給電層の上に、前記第１のメッキ層を形成する箇所が開口した第１のレジストを形成する工程と、
前記メッキ給電層を電極として電解メッキ法により前記第１のメッキ層を形成する工程と、
前記第１のレジストの上に、前記第２のメッキ層を形成する箇所が開口した第２のレジストを形成する工程と、
前記メッキ給電層を電極として電解メッキ法により前記第２のメッキ層を形成する工程と、
を備えた裏面入射型受光素子の製造方法。
請求項１１または１２に記載の裏面入射型受光素子の製造方法であって、
前記メッキ給電層の上に、前記第１のメッキ層を形成する箇所が開口した第１のレジストを形成する工程と、
前記第１のレジストの上に、前記第２のメッキ層を形成する箇所が開口した第２のレジストを形成する工程と、
前記メッキ給電層を電極として電解メッキ法により前記第１のメッキ層と前記第２のメッキ層を形成する工程と、
を備えた裏面入射型受光素子の製造方法。