JP3674255B2 - 受光素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速の光応答をする受光素子において本来の光電流よりも非常に遅い応答をする光電流成分（テールカレント）を低減した受光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在広く用いられている高速の受光素子として、シリコンあるいは化合物半導体を材料とするｐｉｎフォトダイオードがある。一般のｐｉｎフォトダイオードでは、高濃度のｎ型半導体基板上に低濃度のｎ型半導体を結晶成長し、この低濃度のｎ型半導体の途中までｐ型不純物を拡散して島状の拡散領域を形成している。特にＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ等の化合物半導体を用いたｐｉｎフォトダイオードでは、低濃度のｎ型半導体を２層に分け、半導体基板側に禁制帯幅の小さい光吸収層、その上に禁制帯幅の大きい窓層を形成して、窓層にｐ型不純物を拡散する。このｐ型拡散領域の下にある光吸収層が、入射光に応じて光電流を発生する受光部として機能する。より具体的には、ｐ型拡散領域の下にある低濃度ｎ型半導体層で光励起された電子−正孔対が電界によって分離され、電子が高濃度ｎ型半導体基板に、正孔がｐ型拡散領域に到達することで光電流となる。
【０００３】
一方、受光部以外に光が入射した場合にも低濃度ｎ型半導体層で電子−正孔対は発生するが、ここには電界が存在しないので正孔は拡散によって移動していく。低濃度ｎ型半導体層中の正孔の寿命時間は長いので、長時間拡散した後ｐ型拡散領域に到達する正孔も存在する。このとき発生する光電流は、本来の受光部で発生する光電流よりも非常に遅い応答をすることになる。この非常に応答の遅い光電流成分はテールカレントと呼ばれ、受光素子の用途によっては大きな問題となる。
【０００４】
以上述べたように、テールカレントの原因は受光部以外の領域で電子−正孔対が発生することにあるので、その対策としては金属薄膜等の遮光膜で受光部以外の領域を覆うということが考えられる。これはシリコンｐｉｎフォトダイオードでは一般に用いられている技術であるが、化合物半導体のｐｉｎフォトダイオードにも同様の遮光膜を導入することが考案されている。この技術は、例えば特開平３−２７６７６９号公報に開示されており、その構成を図４に示す。
【０００５】
ｎ型ＩｎＰ基板４０１上にｎ型ＩｎＰバッファ層４０２、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４０３、ｎ型ＩｎＰ窓層４０４がこの順序で積層して形成されている。また、基板４０１裏面には正電極４０５が形成されている。窓層４０４の一部にはｐ型不純物を拡散した拡散領域４０６が形成され、拡散領域４０６を形成後に半絶縁性ＩｎＰキャップ層４０７が結晶成長される。キャップ層４０７には貫通孔が形成され、そこにｐ型ＩｎＧａＡｓ導電性埋込み部４０８が結晶成長される。
【０００６】
導電性埋込み部４０８に引き続いて結晶成長されたｐ型ＩｎＧａＡｓによってキャップ層４０７上に配線層４０９およびワイヤボンディング部４１０が形成される。配線層４０９と露出したキャップ層４０７上にはＳｉＮ等の絶縁膜４１１が形成される。最後にＴｉ／Ａｕ等の金属薄膜を蒸着・パターニングして、ワイヤボンディング部４１０上にはパッド４１２を形成し、絶縁膜４１１上には遮光膜４１３を形成する。本従来例では、受光領域４１４以外の領域は、基本的に金属薄膜で覆われた構造となるので、テールカレントが低減される。また、半絶縁性ＩｎＰキャップ層４０７は、配線層４０９およびワイヤボンディング部４１０と、窓層４０４の間の層間容量を低減するためのものである。
【０００７】
テールカレントを低減する第２の方法として、受光部以外の領域にもｐ型不純物を拡散するというものがある。この構成は、例えばY. Kuhara他 "Characterization and theoretical analysis of second-order intermodulation distortion of InGaAs/InP p-i-n photodiode modules for fiber-optic CATV"、ジャーナル・オブ・ライトウェーヴ・テクノロジ（Journal of Lightwave Technology）誌、１５巻（１９９７年）、６３６頁〜６４１頁に開示されている。これを図５に示すが、ｎ型ＩｎＰ基板５０１上にｎ型ＩｎＰバッファ層５０２、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５０３、ｎ型ＩｎＰ窓層５０４が結晶成長されている。窓層５０４のうち、島状拡散領域５０５とこれを取り囲む外部拡散領域５０６にはＺｎが拡散され、ｐ型となっている。島状拡散領域５０５の上には負電極５０７がリング状に形成され、基板５０１の裏面には正電極５０８が形成されている。負電極５０７の内側の窓層５０４上には反射防止膜５０９が堆積されており、外側には保護膜５１０が堆積されている。島状拡散領域５０５の下の光吸収層５０３が受光部となるが、外部拡散領域５０６の下の光吸収層５０３で発生した正孔は外部拡散領域に吸い込まれるので、テールカレントの原因となることはない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
テールカレントを低減するために金属遮光膜を使うという方法に関しては、図４に示す構造ではワイヤボンディング部・配線層とパッド・遮光膜に別々の薄膜を用いており、製造工程が複雑になるという課題がある。これについては、パッド・配線・遮光膜を同一の金属薄膜で形成することも可能であるが、より一般的な課題としてパッドと遮光膜がワイヤボンディング時にショートするという点がある。一般に、ｐｉｎフォトダイオードを高速動作させるためには素子容量の低減が必要であり、パッドの面積はできるだけ小さくする方が望ましい。
【０００９】
また、遮光効果を高めるためには、遮光膜とパッド・配線の間隙を小さくする必要がある。ところが、パッド面積が小さく、パッドと遮光膜の間隙が小さい場合には、パッドにワイヤをボンディングする際のワイヤ先端のつぶれが遮光膜に達し、パッドと遮光膜がショートしてしまう危険性が高くなる。ワイヤボンディングではなく、フリップチップボンディングでｐｉｎフォトダイオードを実装する場合にも、フォトダイオードチップと配線基板の位置ずれで同様の問題が生じる。
【００１０】
また、パッド・配線と遮光膜に同一の金属薄膜を用いた場合、製造上の課題もある。一般に、化合物半導体プロセスで金属薄膜のパターン形成を行う場合、フォトレジストでパターン形成した半導体基板全面に金属薄膜を蒸着し、この後フォトレジストを溶媒中に溶融させてその上の金属薄膜を除去する、いわゆるリフトオフ法が用いられることが多い。しかし、リフトオフで狭い間隙のあるパターンを形成するのは容易ではなく、間隙に金属薄膜が残存する可能性が高い。すなわち、遮光効果を高めるためにパッド・配線と遮光膜の間隙を小さくすると、製造歩留りが低下するという課題がある。
【００１１】
一方、受光部以外の領域にもｐ型不純物を拡散するという方法では、島状拡散領域と外部拡散領域の間に一定の間隔を設ける必要があり、ここに入射した光によってテールカレントを生じるという課題がある。島状拡散領域と外部拡散領域は同じｐ型なので、両者から低濃度ｎ型の窓層に対して伸びる空乏層がつながると電気的にショート状態となる。また、空乏層が完全につながらなくても、半導体表面にチャンネルが形成されてリーク電流が流れるという現象も発生するので、島状拡散領域と外部拡散領域は２０μｍ程度離す必要がある。島状拡散領域と外部拡散領域の間の光吸収層で生成された正孔はテールカレントの原因となるので、この外部拡散領域によってテールカレントの低減はできてもテールカレントを完全に無くすことはできない。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記課題を解決するために以下に示す構成の受光素子の製造を行う。
【００１３】
第１の構成は、半導体基板と、前記半導体基板上に順次積層された光吸収層および窓層と、前記窓層に島状に形成された拡散領域と、前記拡散領域上に形成された負電極と、前記窓層上に形成された絶縁膜と、前記拡散領域以外の前記絶縁膜上に形成されたパッドと、前記負電極と前記パッドを接続する前記絶縁膜上に形成された配線と、前記拡散領域を取り囲んで前記配線とは重ならないように前記絶縁膜上に形成された遮光膜とを有する。ここで、パッドと配線と遮光膜が同一の金属薄膜によって形成されており、前記配線と前記遮光膜の間隙は拡散領域の近傍では５μｍ以下であり、前記パッドと前記遮光膜の間隔は２０μｍ以上であってもよい。
【００１４】
本構成の要点は、拡散領域上の負電極とこれと離れた位置にあるパッドを配線によって接続し、拡散領域を取り囲んで形成された遮光膜と配線の間隙は極力小さくするのに対し、パッドと遮光膜の間隔は大きくするという点にある。遮光膜と配線の間隙を５μｍ以下と小さくすれば、十分な遮光効果が得られる。一方、パッドは本来の受光部（拡散領域）から離れた位置にあるので、遮光膜との間隔を小さくする必要はない。パッドと遮光膜の間隔を２０μｍ以上と大きくすれば、ワイヤボンディング時あるいはフリップチップボンディング時にパッドと遮光膜がショートすることはない。
【００１５】
第２の構成は、半導体基板と、前記半導体基板上に順次積層された光吸収層および窓層と、前記窓層に形成された概ね円形の受光拡散領域と、前記受光拡散領域と接して形成された前記受光拡散領域よりも面積の小さい付加拡散領域と、前記付加拡散領域上に形成された負電極と、前記窓層上に形成された絶縁膜と、前記受光拡散領域および前記付加拡散領域以外の前記絶縁膜上に形成されたパッドと、前記負電極と前記パッドを接続する前記絶縁膜上に形成された配線と、前記受光拡散領域および前記付加拡散領域を取り囲んで前記配線とは重ならないように前記絶縁膜上に形成された遮光膜とを有する。ここで、パッドと配線と遮光膜が同一の金属薄膜によって形成されており、前記配線と前記遮光膜の間隙は拡散領域の近傍では５μｍ以下であり、前記パッドと前記遮光膜の間隔は２０μｍ以上であってもよい。
【００１６】
本構成は、基本的には第１の構成と同じであるが、拡散領域を受光拡散領域と付加拡散領域に分けた点に特徴がある。受光拡散領域は概ね円形であり、本来の受光部として機能する。一方、付加拡散領域は絶縁膜上の配線パターンと受光拡散領域の間に間隔を空けるために設けている。第１の構成では、拡散領域から窓層および光吸収層に水平に広がる空乏層に重なるように遮光膜を形成することで、この部分でのテールカレントの発生を完全に抑圧できる。ただ、配線を絶縁膜上に引き出す部分では、遮光膜と配線の間にわずかに隙間ができるので、この部分でテールカレントが発生する。このテールカレントは遮光膜を用いない場合に比べるとはるかに小さく、実用上問題とならない場合も多いが、第２の構成ではさらにテールカレントを低減できる。第２の構成は、受光拡散領域からパッド側に突き出す形で付加拡散領域を形成し、この部分から配線を絶縁膜上に引き出す。入射光は基本的に受光部に位置合せされるので、ビーム広がり、位置ずれ、散乱等で入射光が受光部外に照射される場合も、一般に受光部から離れるほどその光量は小さくなると考えられる。従って、配線を絶縁膜上に引き出す部分を受光部から離すことで、テールカレントをさらに低減することができる。
【００１７】
上記第１および第２の構成の製造方法として、半導体基板上に光吸収層および窓層を順次結晶成長する工程と、前記窓層に島状に不純物を拡散して拡散領域を形成する工程と、前記窓層上に第１の絶縁膜を堆積する工程と、前記第１の絶縁膜をエッチングして前記拡散領域上に開口部を形成する工程と、前記第１の絶縁膜および前記開口部上に第２の絶縁膜を堆積する工程と、前記第２の絶縁膜上にフォトレジストを塗布してパターニングする工程と、前記フォトレジストをマスクとして前記第２の絶縁膜をエッチングする工程と、金属薄膜を蒸着する工程と、前記フォトレジストによって前記金属薄膜をリフトオフする工程とを用いる。ここで、拡散領域上にある負電極と、前記拡散領域以外の第１の絶縁膜上にあるパッドと、前記負電極と前記パッドを接続する前記第１の絶縁膜上にある配線と、前記拡散領域を取り囲む前記配線とは重ならない前記第１の絶縁膜上にある遮光膜とを金属薄膜をリフトオフする工程によって一括形成してもよい。
【００１８】
本製造方法の要点は、パッド・配線と窓層の間を電気的に絶縁するとともに、その層間容量を低減するための第１の絶縁膜の他に、リフトオフ時にスペーサとして機能する第２の絶縁膜を用いるということにある。フォトレジストのみで金属薄膜をリフトオフしようとすると、特に金属薄膜の主成分がＡｕである場合にはフォトレジストが完全に金属で覆われてしまい、狭い間隙をリフトオフできない。これに対して、第２の絶縁膜上にフォトレジストパターンを形成し、これをマスクにして第２の絶縁膜をエッチングした後に金属薄膜を蒸着すると、第２の絶縁膜とフォトレジストの界面で金属薄膜の段切れが生じ、狭い間隙でも容易にリフトオフすることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について、図１から図３を用いて説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１（Ａ）は受光素子の断面図、（Ｂ）はその平面図である。ｎ型ＩｎＰ半導体基板１０１上に低濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０２および低濃度ｎ型ＩｎＰ窓層１０３が順次積層されている。窓層１０３には島状にＺｎ等のｐ不純物が拡散された拡散領域１０４が形成されており、拡散領域１０４上には一部が欠けたリング状の負電極１０５が形成されている。負電極１０５を完全なリングとせず、一部を欠けさせておくのは、実施の形態３で述べる製造方法において、負電極１０５の内側の金属薄膜のリフトオフを容易にするためである。
【００２１】
一方、拡散領域１０４外の窓層１０３上には例えば厚さ３０ｎｍのＳｉＮと厚さ５００ｎｍのＳｉＯ２を積層した絶縁膜１０６が堆積されている。ここで、ＳｉＮは受光素子の暗電流を低減するパッシベーション効果があり、ＳｉＯ２はＳｉＮよりも誘電率が低いので層間容量を低減する効果がある。絶縁膜１０６上にはパッド１０７が形成され、負電極１０５とパッド１０７は絶縁膜１０６上に形成された配線１０８によって接続されている。さらに、拡散領域１０４を取り囲んで、配線１０８とは重ならないように絶縁膜１０６上に遮光膜１０９が形成されている。ここで、パッド１０７と配線１０８と遮光膜１０９は同時に蒸着されたＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ等の金属薄膜をパターニングしたものである。
【００２２】
さらに、負電極１０５も同じ金属薄膜で形成してもよい。ここで、配線１０８と遮光膜１０９の間隙は拡散領域１０４の近傍では５μｍ以下とし、パッド１０７と遮光膜１０９の間隔は２０μｍ以上とすることが望ましい。また、半導体基板１０１の裏面には正電極１１０が蒸着されている。
【００２３】
本受光素子では、拡散領域１０４上の負電極１０５と、これと離れた位置にあるパッド１０７を配線１０８によって接続し、拡散領域１０４を取り囲んで形成された遮光膜１０９と配線１０８の間隙は極力小さくするのに対し、パッド１０７と遮光膜１０９の間隔は大きくしている。遮光膜１０９と配線１０８の間隙を５μｍ以下と小さくすれば、十分な遮光効果が得られる。一方、パッド１０７は本来の受光部（拡散領域１０４）から離れた位置にあるので、遮光膜１０９との間隔を小さくする必要はない。パッド１０７と遮光膜１０９の間隔を２０μｍ以上と大きくすれば、ワイヤボンディング時あるいはフリップチップボンディング時にパッド１０７と遮光膜１０９がショートすることはない。
【００２４】
（実施の形態２）
図２（Ａ）は受光素子の断面図、（Ｂ）はその平面図である。ｎ型ＩｎＰ半導体基板２０１上に低濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層２０２および低濃度ｎ型ＩｎＰ窓層２０３が順次積層されている。窓層２０３には島状にＺｎ等のｐ不純物が拡散され、概ね円形の受光拡散領域２０４と、これと接する受光拡散領域２０４よりも面積の小さい付加拡散領域２０５が形成されている。付加拡散領域２０５上には円形の負電極２０６が形成されている。
【００２５】
一方、受光拡散領域２０４および付加拡散領域２０５外の窓層２０３上には例えば厚さ３０ｎｍのＳｉＮと厚さ５００ｎｍのＳｉＯ２を積層した絶縁膜２０７が堆積されている。絶縁膜２０７上にはパッド２０８が形成され、負電極２０６とパッド２０８は絶縁膜２０７上に形成された配線２０９によって接続されている。さらに、受光拡散領域２０４および付加拡散領域２０５を取り囲んで、配線２０９とは重ならないように絶縁膜２０７上に遮光膜２１０が形成されている。ここで、パッド２０８と配線２０９と遮光膜２１０は同時に蒸着されたＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ等の金属薄膜をパターニングしたものである。
【００２６】
さらに、負電極２０６も同じ金属薄膜で形成してもよい。ここで、配線２０９と遮光膜２１０の間隙は付加拡散領域２０５の近傍では５μｍ以下とし、パッド２０８と遮光膜２１０の間隔は２０μｍ以上とすることが望ましい。また、半導体基板２０１の裏面には正電極２１１が蒸着されている。
【００２７】
本受光素子は、基本構成は実施の形態１の受光素子と同じであるが、拡散領域を受光拡散領域２０４と付加拡散領域２０５に分けた点に特徴がある。受光拡散領域２０４は概ね円形であり、本来の受光部として機能する。一方、付加拡散領域２０５は絶縁膜２０７上の配線２０９と受光拡散領域２０４の間に間隔を空けるために設けている。実施の形態１の受光素子では、拡散領域１０４から窓層１０３および光吸収層１０２に水平に広がる空乏層に重なるように遮光膜１０９を形成することで、この部分でのテールカレントの発生を完全に抑圧できる。ただ、配線１０８を絶縁膜１０６上に引き出す部分では、遮光膜１０９と配線１０８の間にわずかに隙間ができるので、この部分でテールカレントが発生する。このテールカレントは遮光膜１０９を用いない場合に比べるとはるかに小さく、実用上問題とならない場合も多いが、実施の形態２の受光素子ではさらにテールカレントを低減できる。
【００２８】
この受光素子では、受光拡散領域２０４からパッド２０８側に突き出す形で付加拡散領域２０５を形成し、この部分から配線２０９を絶縁膜２０７上に引き出す。入射光は基本的に受光部に位置合せされるので、ビーム広がり、位置ずれ、散乱等で入射光が受光部外に照射される場合も、一般に受光部から離れるほどその光量は小さくなると考えられる。従って、配線２０８を絶縁膜２０７上に引き出す部分を受光部から離すことで、テールカレントをさらに低減することができる。
【００２９】
（実施の形態３）
図３（Ａ）〜（Ｄ）は、実施の形態１に示した受光素子の製造方法を示す断面図である。まず、図３（Ａ）に示すように半導体基板３０１上に光吸収層３０２および窓層を順次結晶成長し、窓層３０３に島状に不純物を拡散して拡散領域３０４を形成する。次に、図３（Ｂ）のように窓層３０３上に第１の絶縁膜３０５を堆積後、これをエッチングして拡散領域３０４上に開口部を形成するする。さらに、第１の絶縁膜３０５およびその開口部上に第２の絶縁膜３０６を堆積する。第１の絶縁膜３０５としては、例えば厚さ３０ｎｍのＳｉＮと厚さ５００ｎｍのＳｉＯ２の積層膜を用い、第２の絶縁膜３０６としては厚さ２００ｎｍ前後のＳｉＮを用いる。この後、図３（Ｃ）のように第２の絶縁膜３０６上にフォトレジスト３０７を塗布してパターニングし、このフォトレジスト３０７をマスクとして第２の絶縁膜３０６をエッチングする。最後に、図３（Ｄ）のように金属薄膜３０８を蒸着し、フォトレジスト３０７によって金属薄膜３０８をリフトオフする。
【００３０】
この金属薄膜３０８によって、拡散領域３０４上の負電極３０９、拡散領域３０４以外の第１の絶縁膜３０５上にあるパッド３１０、負電極３０９とパッド３１０を接続する第１の絶縁膜３０５上にある配線３１１、および拡散領域３０４を取り囲む配線３１１とは重ならない遮光膜３１２とが一括形成される。図１に示した受光素子と同じ構造にするためには第２の絶縁膜３０６を除去する必要があるが、第２の絶縁膜３０６をそのまま残して反射防止膜として用いることもできる。この場合は、第２の絶縁膜の厚さを光学長が受光波長の４分の１となるようにしておく。
【００３１】
本製造方法では、パッド３１０・配線３１１と窓層３０３の間を電気的に絶縁するとともに、その層間容量を低減するための第１の絶縁膜３０５の他に、リフトオフ時にスペーサとして機能する第２の絶縁膜３０６を用いるということにある。フォトレジスト３０７のみで金属薄膜３０８をリフトオフしようとすると、特に金属薄膜の主成分がＡｕである場合にはフォトレジスト３０７が完全に金属で覆われてしまい、狭い間隙をリフトオフできない。これに対して、第２の絶縁膜３０６上にフォトレジスト３０７でパターンを形成し、これをマスクにして第２の絶縁膜３０６をエッチングした後に金属薄膜３０８を蒸着すると、第２の絶縁膜３０６とフォトレジスト３０７の界面で金属薄膜３０８の段切れが生じ、狭い間隙でも容易にリフトオフすることができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、遮光膜によってテールカレントを低減するｐｉｎフォトダイオードに対して、ワイヤボンディングあるいはフリップチップボンディングの際にパッドと遮光膜がショートすることのない受光素子を実現できる。
【００３３】
また、パッド・配線と遮光膜を同一の金属薄膜で形成する構造で、テールカレントを大幅に低減することができる。
【００３４】
さらに、本発明の受光素子の製造方法によれば、パッド・配線と遮光膜を同一の金属薄膜のリフトオフで形成する際に、狭い間隙のあるパターンの形成が容易になり、製造歩留りが高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の受光素子の断面図および平面図
【図２】本発明の実施の形態２の受光素子の断面図および平面図
【図３】本発明の実施の形態３の受光素子の製造方法を示す断面図
【図４】従来の受光素子の断面図および平面図
【図５】従来の受光素子の断面図
【符号の説明】
１０１ 半導体基板
１０２ 光吸収層
１０３ 窓層
１０４ 拡散領域
１０５ 負電極
１０６ 絶縁膜
１０７ パッド
１０８ 配線
１０９ 遮光膜
２０１ 半導体基板
２０２ 光吸収層
２０３ 窓層
２０４ 受光拡散領域
２０５ 付加拡散領域
２０６ 負電極
２０７ 絶縁膜
２０８ パッド
２０９ 配線
２１０ 遮光膜
３０１ 半導体基板
３０２ 光吸収層
３０３ 窓層
３０４ 拡散領域
３０５ 第１の絶縁膜
３０６ 第２の絶縁膜
３０７ フォトレジスト
３０８ 金属薄膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速の光応答をする受光素子において本来の光電流よりも非常に遅い応答をする光電流成分（テールカレント）を低減した受光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在広く用いられている高速の受光素子として、シリコンあるいは化合物半導体を材料とするｐｉｎフォトダイオードがある。一般のｐｉｎフォトダイオードでは、高濃度のｎ型半導体基板上に低濃度のｎ型半導体を結晶成長し、この低濃度のｎ型半導体の途中までｐ型不純物を拡散して島状の拡散領域を形成している。特にＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ等の化合物半導体を用いたｐｉｎフォトダイオードでは、低濃度のｎ型半導体を２層に分け、半導体基板側に禁制帯幅の小さい光吸収層、その上に禁制帯幅の大きい窓層を形成して、窓層にｐ型不純物を拡散する。このｐ型拡散領域の下にある光吸収層が、入射光に応じて光電流を発生する受光部として機能する。より具体的には、ｐ型拡散領域の下にある低濃度ｎ型半導体層で光励起された電子−正孔対が電界によって分離され、電子が高濃度ｎ型半導体基板に、正孔がｐ型拡散領域に到達することで光電流となる。
【０００３】
一方、受光部以外に光が入射した場合にも低濃度ｎ型半導体層で電子−正孔対は発生するが、ここには電界が存在しないので正孔は拡散によって移動していく。低濃度ｎ型半導体層中の正孔の寿命時間は長いので、長時間拡散した後ｐ型拡散領域に到達する正孔も存在する。このとき発生する光電流は、本来の受光部で発生する光電流よりも非常に遅い応答をすることになる。この非常に応答の遅い光電流成分はテールカレントと呼ばれ、受光素子の用途によっては大きな問題となる。
【０００４】
以上述べたように、テールカレントの原因は受光部以外の領域で電子−正孔対が発生することにあるので、その対策としては金属薄膜等の遮光膜で受光部以外の領域を覆うということが考えられる。これはシリコンｐｉｎフォトダイオードでは一般に用いられている技術であるが、化合物半導体のｐｉｎフォトダイオードにも同様の遮光膜を導入することが考案されている。この技術は、例えば特開平３−２７６７６９号公報に開示されており、その構成を図４に示す。
【０００５】
ｎ型ＩｎＰ基板４０１上にｎ型ＩｎＰバッファ層４０２、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４０３、ｎ型ＩｎＰ窓層４０４がこの順序で積層して形成されている。また、基板４０１裏面には正電極４０５が形成されている。窓層４０４の一部にはｐ型不純物を拡散した拡散領域４０６が形成され、拡散領域４０６を形成後に半絶縁性ＩｎＰキャップ層４０７が結晶成長される。キャップ層４０７には貫通孔が形成され、そこにｐ型ＩｎＧａＡｓ導電性埋込み部４０８が結晶成長される。
【０００６】
導電性埋込み部４０８に引き続いて結晶成長されたｐ型ＩｎＧａＡｓによってキャップ層４０７上に配線層４０９およびワイヤボンディング部４１０が形成される。配線層４０９と露出したキャップ層４０７上にはＳｉＮ等の絶縁膜４１１が形成される。最後にＴｉ／Ａｕ等の金属薄膜を蒸着・パターニングして、ワイヤボンディング部４１０上にはパッド４１２を形成し、絶縁膜４１１上には遮光膜４１３を形成する。本従来例では、受光領域４１４以外の領域は、基本的に金属薄膜で覆われた構造となるので、テールカレントが低減される。また、半絶縁性ＩｎＰキャップ層４０７は、配線層４０９およびワイヤボンディング部４１０と、窓層４０４の間の層間容量を低減するためのものである。
【０００７】
テールカレントを低減する第２の方法として、受光部以外の領域にもｐ型不純物を拡散するというものがある。この構成は、例えばY. Kuhara他 "Characterization and theoretical analysis of second-order intermodulation distortion of InGaAs/InP p-i-n photodiode modules for fiber-optic CATV"、ジャーナル・オブ・ライトウェーヴ・テクノロジ（Journal of Lightwave Technology）誌、１５巻（１９９７年）、６３６頁〜６４１頁に開示されている。これを図５に示すが、ｎ型ＩｎＰ基板５０１上にｎ型ＩｎＰバッファ層５０２、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５０３、ｎ型ＩｎＰ窓層５０４が結晶成長されている。窓層５０４のうち、島状拡散領域５０５とこれを取り囲む外部拡散領域５０６にはＺｎが拡散され、ｐ型となっている。島状拡散領域５０５の上には負電極５０７がリング状に形成され、基板５０１の裏面には正電極５０８が形成されている。負電極５０７の内側の窓層５０４上には反射防止膜５０９が堆積されており、外側には保護膜５１０が堆積されている。島状拡散領域５０５の下の光吸収層５０３が受光部となるが、外部拡散領域５０６の下の光吸収層５０３で発生した正孔は外部拡散領域に吸い込まれるので、テールカレントの原因となることはない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
テールカレントを低減するために金属遮光膜を使うという方法に関しては、図４に示す構造ではワイヤボンディング部・配線層とパッド・遮光膜に別々の薄膜を用いており、製造工程が複雑になるという課題がある。これについては、パッド・配線・遮光膜を同一の金属薄膜で形成することも可能であるが、より一般的な課題としてパッドと遮光膜がワイヤボンディング時にショートするという点がある。一般に、ｐｉｎフォトダイオードを高速動作させるためには素子容量の低減が必要であり、パッドの面積はできるだけ小さくする方が望ましい。
【０００９】
また、遮光効果を高めるためには、遮光膜とパッド・配線の間隙を小さくする必要がある。ところが、パッド面積が小さく、パッドと遮光膜の間隙が小さい場合には、パッドにワイヤをボンディングする際のワイヤ先端のつぶれが遮光膜に達し、パッドと遮光膜がショートしてしまう危険性が高くなる。ワイヤボンディングではなく、フリップチップボンディングでｐｉｎフォトダイオードを実装する場合にも、フォトダイオードチップと配線基板の位置ずれで同様の問題が生じる。
【００１０】
また、パッド・配線と遮光膜に同一の金属薄膜を用いた場合、製造上の課題もある。一般に、化合物半導体プロセスで金属薄膜のパターン形成を行う場合、フォトレジストでパターン形成した半導体基板全面に金属薄膜を蒸着し、この後フォトレジストを溶媒中に溶融させてその上の金属薄膜を除去する、いわゆるリフトオフ法が用いられることが多い。しかし、リフトオフで狭い間隙のあるパターンを形成するのは容易ではなく、間隙に金属薄膜が残存する可能性が高い。すなわち、遮光効果を高めるためにパッド・配線と遮光膜の間隙を小さくすると、製造歩留りが低下するという課題がある。
【００１１】
一方、受光部以外の領域にもｐ型不純物を拡散するという方法では、島状拡散領域と外部拡散領域の間に一定の間隔を設ける必要があり、ここに入射した光によってテールカレントを生じるという課題がある。島状拡散領域と外部拡散領域は同じｐ型なので、両者から低濃度ｎ型の窓層に対して伸びる空乏層がつながると電気的にショート状態となる。また、空乏層が完全につながらなくても、半導体表面にチャンネルが形成されてリーク電流が流れるという現象も発生するので、島状拡散領域と外部拡散領域は２０μｍ程度離す必要がある。島状拡散領域と外部拡散領域の間の光吸収層で生成された正孔はテールカレントの原因となるので、この外部拡散領域によってテールカレントの低減はできてもテールカレントを完全に無くすことはできない。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記課題を解決するために以下に示す構成の受光素子の製造を行う。
【００１３】
第１の構成は、半導体基板と、前記半導体基板上に順次積層された光吸収層および窓層と、前記窓層に島状に形成された拡散領域と、前記拡散領域上に形成された負電極と、前記窓層上に形成された絶縁膜と、前記拡散領域以外の前記絶縁膜上に形成されたパッドと、前記負電極と前記パッドを接続する前記絶縁膜上に形成された配線と、前記拡散領域を取り囲んで前記配線とは重ならないように前記絶縁膜上に形成された遮光膜とを有する。ここで、パッドと配線と遮光膜が同一の金属薄膜によって形成されており、前記配線と前記遮光膜の間隙は拡散領域の近傍では５μｍ以下であり、前記パッドと前記遮光膜の間隔は２０μｍ以上であってもよい。
【００１４】
本構成の要点は、拡散領域上の負電極とこれと離れた位置にあるパッドを配線によって接続し、拡散領域を取り囲んで形成された遮光膜と配線の間隙は極力小さくするのに対し、パッドと遮光膜の間隔は大きくするという点にある。遮光膜と配線の間隙を５μｍ以下と小さくすれば、十分な遮光効果が得られる。一方、パッドは本来の受光部（拡散領域）から離れた位置にあるので、遮光膜との間隔を小さくする必要はない。パッドと遮光膜の間隔を２０μｍ以上と大きくすれば、ワイヤボンディング時あるいはフリップチップボンディング時にパッドと遮光膜がショートすることはない。
【００１５】
第２の構成は、半導体基板と、前記半導体基板上に順次積層された光吸収層および窓層と、前記窓層に形成された概ね円形の受光拡散領域と、前記受光拡散領域と接して形成された前記受光拡散領域よりも面積の小さい付加拡散領域と、前記付加拡散領域上に形成された負電極と、前記窓層上に形成された絶縁膜と、前記受光拡散領域および前記付加拡散領域以外の前記絶縁膜上に形成されたパッドと、前記負電極と前記パッドを接続する前記絶縁膜上に形成された配線と、前記受光拡散領域および前記付加拡散領域を取り囲んで前記配線とは重ならないように前記絶縁膜上に形成された遮光膜とを有する。ここで、パッドと配線と遮光膜が同一の金属薄膜によって形成されており、前記配線と前記遮光膜の間隙は拡散領域の近傍では５μｍ以下であり、前記パッドと前記遮光膜の間隔は２０μｍ以上であってもよい。
【００１６】
本構成は、基本的には第１の構成と同じであるが、拡散領域を受光拡散領域と付加拡散領域に分けた点に特徴がある。受光拡散領域は概ね円形であり、本来の受光部として機能する。一方、付加拡散領域は絶縁膜上の配線パターンと受光拡散領域の間に間隔を空けるために設けている。第１の構成では、拡散領域から窓層および光吸収層に水平に広がる空乏層に重なるように遮光膜を形成することで、この部分でのテールカレントの発生を完全に抑圧できる。ただ、配線を絶縁膜上に引き出す部分では、遮光膜と配線の間にわずかに隙間ができるので、この部分でテールカレントが発生する。このテールカレントは遮光膜を用いない場合に比べるとはるかに小さく、実用上問題とならない場合も多いが、第２の構成ではさらにテールカレントを低減できる。第２の構成は、受光拡散領域からパッド側に突き出す形で付加拡散領域を形成し、この部分から配線を絶縁膜上に引き出す。入射光は基本的に受光部に位置合せされるので、ビーム広がり、位置ずれ、散乱等で入射光が受光部外に照射される場合も、一般に受光部から離れるほどその光量は小さくなると考えられる。従って、配線を絶縁膜上に引き出す部分を受光部から離すことで、テールカレントをさらに低減することができる。
【００１７】
上記第１および第２の構成の製造方法として、半導体基板上に光吸収層および窓層を順次結晶成長する工程と、前記窓層に島状に不純物を拡散して拡散領域を形成する工程と、前記窓層上に第１の絶縁膜を堆積する工程と、前記第１の絶縁膜をエッチングして前記拡散領域上に開口部を形成する工程と、前記第１の絶縁膜および前記開口部上に第２の絶縁膜を堆積する工程と、前記第２の絶縁膜上にフォトレジストを塗布してパターニングする工程と、前記フォトレジストをマスクとして前記第２の絶縁膜をエッチングする工程と、金属薄膜を蒸着する工程と、前記フォトレジストによって前記金属薄膜をリフトオフする工程とを用いる。ここで、拡散領域上にある負電極と、前記拡散領域以外の第１の絶縁膜上にあるパッドと、前記負電極と前記パッドを接続する前記第１の絶縁膜上にある配線と、前記拡散領域を取り囲む前記配線とは重ならない前記第１の絶縁膜上にある遮光膜とを金属薄膜をリフトオフする工程によって一括形成してもよい。
【００１８】
本製造方法の要点は、パッド・配線と窓層の間を電気的に絶縁するとともに、その層間容量を低減するための第１の絶縁膜の他に、リフトオフ時にスペーサとして機能する第２の絶縁膜を用いるということにある。フォトレジストのみで金属薄膜をリフトオフしようとすると、特に金属薄膜の主成分がＡｕである場合にはフォトレジストが完全に金属で覆われてしまい、狭い間隙をリフトオフできない。これに対して、第２の絶縁膜上にフォトレジストパターンを形成し、これをマスクにして第２の絶縁膜をエッチングした後に金属薄膜を蒸着すると、第２の絶縁膜とフォトレジストの界面で金属薄膜の段切れが生じ、狭い間隙でも容易にリフトオフすることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について、図１から図３を用いて説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１（Ａ）は受光素子の断面図、（Ｂ）はその平面図である。ｎ型ＩｎＰ半導体基板１０１上に低濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０２および低濃度ｎ型ＩｎＰ窓層１０３が順次積層されている。窓層１０３には島状にＺｎ等のｐ不純物が拡散された拡散領域１０４が形成されており、拡散領域１０４上には一部が欠けたリング状の負電極１０５が形成されている。負電極１０５を完全なリングとせず、一部を欠けさせておくのは、実施の形態３で述べる製造方法において、負電極１０５の内側の金属薄膜のリフトオフを容易にするためである。
【００２１】
一方、拡散領域１０４外の窓層１０３上には例えば厚さ３０ｎｍのＳｉＮと厚さ５００ｎｍのＳｉＯ２を積層した絶縁膜１０６が堆積されている。ここで、ＳｉＮは受光素子の暗電流を低減するパッシベーション効果があり、ＳｉＯ２はＳｉＮよりも誘電率が低いので層間容量を低減する効果がある。絶縁膜１０６上にはパッド１０７が形成され、負電極１０５とパッド１０７は絶縁膜１０６上に形成された配線１０８によって接続されている。さらに、拡散領域１０４を取り囲んで、配線１０８とは重ならないように絶縁膜１０６上に遮光膜１０９が形成されている。ここで、パッド１０７と配線１０８と遮光膜１０９は同時に蒸着されたＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ等の金属薄膜をパターニングしたものである。
【００２２】
さらに、負電極１０５も同じ金属薄膜で形成してもよい。ここで、配線１０８と遮光膜１０９の間隙は拡散領域１０４の近傍では５μｍ以下とし、パッド１０７と遮光膜１０９の間隔は２０μｍ以上とすることが望ましい。また、半導体基板１０１の裏面には正電極１１０が蒸着されている。
【００２３】
本受光素子では、拡散領域１０４上の負電極１０５と、これと離れた位置にあるパッド１０７を配線１０８によって接続し、拡散領域１０４を取り囲んで形成された遮光膜１０９と配線１０８の間隙は極力小さくするのに対し、パッド１０７と遮光膜１０９の間隔は大きくしている。遮光膜１０９と配線１０８の間隙を５μｍ以下と小さくすれば、十分な遮光効果が得られる。一方、パッド１０７は本来の受光部（拡散領域１０４）から離れた位置にあるので、遮光膜１０９との間隔を小さくする必要はない。パッド１０７と遮光膜１０９の間隔を２０μｍ以上と大きくすれば、ワイヤボンディング時あるいはフリップチップボンディング時にパッド１０７と遮光膜１０９がショートすることはない。
【００２４】
（実施の形態２）
図２（Ａ）は受光素子の断面図、（Ｂ）はその平面図である。ｎ型ＩｎＰ半導体基板２０１上に低濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層２０２および低濃度ｎ型ＩｎＰ窓層２０３が順次積層されている。窓層２０３には島状にＺｎ等のｐ不純物が拡散され、概ね円形の受光拡散領域２０４と、これと接する受光拡散領域２０４よりも面積の小さい付加拡散領域２０５が形成されている。付加拡散領域２０５上には円形の負電極２０６が形成されている。
【００２５】
一方、受光拡散領域２０４および付加拡散領域２０５外の窓層２０３上には例えば厚さ３０ｎｍのＳｉＮと厚さ５００ｎｍのＳｉＯ２を積層した絶縁膜２０７が堆積されている。絶縁膜２０７上にはパッド２０８が形成され、負電極２０６とパッド２０８は絶縁膜２０７上に形成された配線２０９によって接続されている。さらに、受光拡散領域２０４および付加拡散領域２０５を取り囲んで、配線２０９とは重ならないように絶縁膜２０７上に遮光膜２１０が形成されている。ここで、パッド２０８と配線２０９と遮光膜２１０は同時に蒸着されたＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ等の金属薄膜をパターニングしたものである。
【００２６】
さらに、負電極２０６も同じ金属薄膜で形成してもよい。ここで、配線２０９と遮光膜２１０の間隙は付加拡散領域２０５の近傍では５μｍ以下とし、パッド２０８と遮光膜２１０の間隔は２０μｍ以上とすることが望ましい。また、半導体基板２０１の裏面には正電極２１１が蒸着されている。
【００２７】
本受光素子は、基本構成は実施の形態１の受光素子と同じであるが、拡散領域を受光拡散領域２０４と付加拡散領域２０５に分けた点に特徴がある。受光拡散領域２０４は概ね円形であり、本来の受光部として機能する。一方、付加拡散領域２０５は絶縁膜２０７上の配線２０９と受光拡散領域２０４の間に間隔を空けるために設けている。実施の形態１の受光素子では、拡散領域１０４から窓層１０３および光吸収層１０２に水平に広がる空乏層に重なるように遮光膜１０９を形成することで、この部分でのテールカレントの発生を完全に抑圧できる。ただ、配線１０８を絶縁膜１０６上に引き出す部分では、遮光膜１０９と配線１０８の間にわずかに隙間ができるので、この部分でテールカレントが発生する。このテールカレントは遮光膜１０９を用いない場合に比べるとはるかに小さく、実用上問題とならない場合も多いが、実施の形態２の受光素子ではさらにテールカレントを低減できる。
【００２８】
この受光素子では、受光拡散領域２０４からパッド２０８側に突き出す形で付加拡散領域２０５を形成し、この部分から配線２０９を絶縁膜２０７上に引き出す。入射光は基本的に受光部に位置合せされるので、ビーム広がり、位置ずれ、散乱等で入射光が受光部外に照射される場合も、一般に受光部から離れるほどその光量は小さくなると考えられる。従って、配線２０８を絶縁膜２０７上に引き出す部分を受光部から離すことで、テールカレントをさらに低減することができる。
【００２９】
（実施の形態３）
図３（Ａ）〜（Ｄ）は、実施の形態１に示した受光素子の製造方法を示す断面図である。まず、図３（Ａ）に示すように半導体基板３０１上に光吸収層３０２および窓層を順次結晶成長し、窓層３０３に島状に不純物を拡散して拡散領域３０４を形成する。次に、図３（Ｂ）のように窓層３０３上に第１の絶縁膜３０５を堆積後、これをエッチングして拡散領域３０４上に開口部を形成するする。さらに、第１の絶縁膜３０５およびその開口部上に第２の絶縁膜３０６を堆積する。第１の絶縁膜３０５としては、例えば厚さ３０ｎｍのＳｉＮと厚さ５００ｎｍのＳｉＯ２の積層膜を用い、第２の絶縁膜３０６としては厚さ２００ｎｍ前後のＳｉＮを用いる。この後、図３（Ｃ）のように第２の絶縁膜３０６上にフォトレジスト３０７を塗布してパターニングし、このフォトレジスト３０７をマスクとして第２の絶縁膜３０６をエッチングする。最後に、図３（Ｄ）のように金属薄膜３０８を蒸着し、フォトレジスト３０７によって金属薄膜３０８をリフトオフする。
【００３０】
この金属薄膜３０８によって、拡散領域３０４上の負電極３０９、拡散領域３０４以外の第１の絶縁膜３０５上にあるパッド３１０、負電極３０９とパッド３１０を接続する第１の絶縁膜３０５上にある配線３１１、および拡散領域３０４を取り囲む配線３１１とは重ならない遮光膜３１２とが一括形成される。図１に示した受光素子と同じ構造にするためには第２の絶縁膜３０６を除去する必要があるが、第２の絶縁膜３０６をそのまま残して反射防止膜として用いることもできる。この場合は、第２の絶縁膜の厚さを光学長が受光波長の４分の１となるようにしておく。
【００３１】
本製造方法では、パッド３１０・配線３１１と窓層３０３の間を電気的に絶縁するとともに、その層間容量を低減するための第１の絶縁膜３０５の他に、リフトオフ時にスペーサとして機能する第２の絶縁膜３０６を用いるということにある。フォトレジスト３０７のみで金属薄膜３０８をリフトオフしようとすると、特に金属薄膜の主成分がＡｕである場合にはフォトレジスト３０７が完全に金属で覆われてしまい、狭い間隙をリフトオフできない。これに対して、第２の絶縁膜３０６上にフォトレジスト３０７でパターンを形成し、これをマスクにして第２の絶縁膜３０６をエッチングした後に金属薄膜３０８を蒸着すると、第２の絶縁膜３０６とフォトレジスト３０７の界面で金属薄膜３０８の段切れが生じ、狭い間隙でも容易にリフトオフすることができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、遮光膜によってテールカレントを低減するｐｉｎフォトダイオードに対して、ワイヤボンディングあるいはフリップチップボンディングの際にパッドと遮光膜がショートすることのない受光素子を実現できる。
【００３３】
また、パッド・配線と遮光膜を同一の金属薄膜で形成する構造で、テールカレントを大幅に低減することができる。
【００３４】
さらに、本発明の受光素子の製造方法によれば、パッド・配線と遮光膜を同一の金属薄膜のリフトオフで形成する際に、狭い間隙のあるパターンの形成が容易になり、製造歩留りが高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の受光素子の断面図および平面図
【図２】本発明の実施の形態２の受光素子の断面図および平面図
【図３】本発明の実施の形態３の受光素子の製造方法を示す断面図
【図４】従来の受光素子の断面図および平面図
【図５】従来の受光素子の断面図
【符号の説明】
１０１ 半導体基板
１０２ 光吸収層
１０３ 窓層
１０４ 拡散領域
１０５ 負電極
１０６ 絶縁膜
１０７ パッド
１０８ 配線
１０９ 遮光膜
２０１ 半導体基板
２０２ 光吸収層
２０３ 窓層
２０４ 受光拡散領域
２０５ 付加拡散領域
２０６ 負電極
２０７ 絶縁膜
２０８ パッド
２０９ 配線
２１０ 遮光膜
３０１ 半導体基板
３０２ 光吸収層
３０３ 窓層
３０４ 拡散領域
３０５ 第１の絶縁膜
３０６ 第２の絶縁膜
３０７ フォトレジスト
３０８ 金属薄膜
Claims (2)
- 半導体基板上に光吸収層および窓層を順次結晶成長する工程と、前記窓層に島状に不純物を拡散して拡散領域を形成する工程と、前記窓層上に第１の絶縁膜を堆積する工程と、前記第１の絶縁膜をエッチングして前記拡散領域上に開口部を形成する工程と、前記第１の絶縁膜および前記開口部上に第２の絶縁膜を堆積する工程と、前記第２の絶縁膜上にフォトレジストを塗布してパターニングする工程と、前記フォトレジストをマスクとして前記第２の絶縁膜をエッチングする工程と、金属薄膜を蒸着する工程と、前記第２の絶縁膜をスペーサとして前記フォトレジストによって前記金属薄膜をリフトオフする工程とを有することを特徴とする受光素子の製造方法。
- 拡散領域上にある負電極と、前記拡散領域以外の第１の絶縁膜上にあるパッドと、前記負電極と前記パッドを接続する前記第１の絶縁膜上にある配線と、前記拡散領域を取り囲む前記配線とは重ならない前記第１の絶縁膜上にある遮光膜とを金属薄膜をリフトオフする工程によって一括形成す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。
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