JP5051331B1 - 赤外発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

Ｃを含むＳｉ基板上にＳｉＯ_２膜を形成し、酸素を含む雰囲気中でＲＴＡ処理を行うか、または、不純物イオンを注入した後に酸素を含む雰囲気中でＲＴＡ処理を施すことで、Ｃ中心を形成し、１．５７μｍの波長を有する赤外発光素子の製造方法を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、赤外発光素子の製造方法に関するものである。

シリコン（Ｓｉ）をベースとした高密度集積回路（ＬＳＩ：Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）の内部配線には銅線等が用いられており、配線遅延やジュール熱の発生による温度上昇などの問題を抱えている。

そこで近年、配線遅延を抑制するなどの目的で、内部配線に光配線を利用する光電気融合回路の開発が進められている。

光電気融合回路の実現には、ＬＳＩチップ上に、相補型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＣＭＯＳ：Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の従来素子と発光素子等の光素子を同時に作製しなければならない。

従って、上記した光素子は、Ｓｉをベースにした材料で作製できることが好ましい。

また、通信時のデータ損失を抑制するためには、光通信に用いられる波長が、光ファイバの最低損失波長領域である１．５５μｍ付近であることが好ましく、発光素子に求められる性能は、１．５５μｍ付近の発光波長を有することである。

上記した背景を踏まえ、最近では、希土類元素、特にエルビウム（Ｅｒ）を添加したＳｉから発生する１．５３μｍの発光を利用した発光素子の実用化に向けた研究が進められている。添加されたＥｒの３価イオンはＳｉ中の酸素（Ｏ）原子と結合することによって発光することが知られており、例えば、Ｇ．Ｆｒａｎｚｏらは、ＥｒとＯを共添加した材料からの室温エレクトロルミネッセンスの観測に成功している（非特許文献１参照）。

一方、Ｓｉ中に形成された結晶欠陥からの発光を利用した発光素子の開発も進められている。例えば、Ｓ．Ｇ．Ｃｌｏｕｔｉｅｒらは，イオン衝撃によって発生した置換炭素（Ｃ）原子と格子間Ｓｉ原子からなる点欠陥を発光中心とした、１．２８μｍの波長を有する発光の光利得・誘導放出を確認している（非特許文献２参照）。

Ｇ． Ｆｒａｎｚｏ， Ｆ． Ｐｒｉｏｌｏ， Ｓ． Ｃｏｆｆａ， Ａ． Ｐｏｌｍａｎ ａｎｄ Ａ． Ｃａｒｎｅｒａ， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ６４， ２２３５ （１９９４） Ｓ． Ｇ． Ｃｌｏｕｔｉｅｒ， Ｐ． Ａ． Ｋｏｓｓｙｒｅｖ ａｎｄ Ｊ． Ｘｕ， Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒ． ４， ８８７ （２００５） Ｊ． Ｍ． Ｔｒｏｍｂｅｔｔａ ａｎｄ Ｇ． Ｄ． Ｗａｔｋｉｎｓ， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ５１， １１０３ （１９８７）

Ｅｒ等希土類元素を使用する場合、自然界における埋蔵量がＳｉ等に比べて少ないため、将来にわたって安定的な供給ができるかどうか不明である。

また、Ｅｒを添加した際に、点欠陥、線欠陥、ループ欠陥、転位等の欠陥が生成しやすいため、発光効率が低下してしまうことが問題となっている。

さらに、ＥｒはＣＭＯＳ等の従来素子にとってはコンタミネーション成分であり、製造装置を含む拡散ラインを兼用することは困難になると考えられる。

従って、Ｅｒを添加するプロセスを加えることによって、専用の製造ラインや製造装置の追加を行う必要があるため、従来よりも製造コストが高くなると考えられる。

また、従来のＳｉ中の結晶欠陥を利用した発光素子材料からは、１．５５μｍ付近（１．５０〜１．６０μｍ）に鋭い線幅をもつ発光を得ることは困難であり、結果的に発光強度が他の波長領域の発光に制限されてしまうことが問題となっている。

上記した背景に鑑みて、本発明は、ＳｉをベースにＳｉ基板上に成膜可能な膜で構成され、Ｅｒ等希土類元素を用いることなく、従来の半導体デバイス製造プロセスおよび，ＣＭＯＳ形成用の製造ライン、製造装置を用いて形成可能な格子間Ｃと格子間Ｏからなる点欠陥を発光中心（以下、Ｃ中心と記載する）とし、Ｃ中心特有の発光波長である１．５７μｍ付近のみの発光波長を有する赤外発光素子の製造方法を提供しようとするものである。

本発明はＣが添加されたＳｉ基板にＳｉＯ_２膜を形成し、酸素を含んだ雰囲気中でＲＴＡ処理を行う工程、または、不純物イオンを注入した後に、酸素を含んだ雰囲気中でＲＴＡ処理を行うことを特徴とする赤外発光素子の製造方法に関するものである。

本発明によれば、ＬＳＩの作製に用いられている従来の半導体デバイス製造プロセスをそのまま用いることができるため、新たに特殊な装置を導入したり、プロセスの整合性を気にする必要がなく、簡便かつ低コストで１．５７μｍ付近の光源を製造できる。

図１は、本発明の発光素子の構造が示されている図である。 図２は、本発明の発光素子の製造方法を示すフローチャートである。 図３は、本発明の実施例１の発光素子の発光スペクトルを示す図である。 図４は、本発明の発光素子に含まれるＡｓの注入プロファイルを示す図である。 図５は、本発明の実施例２の発光素子の発光スペクトルを示す図である。 図６は、本発明の実施例３の発光ライン強度のＳｉＯ_２膜厚依存性を示す図である。 図７は、発光ライン強度の熱処理雰囲気中に含まれる酸素濃度依存性を示す図である。

（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明による発光素子の構造が示されている。本実施形態は、Ｓｉ基板１の基板表面にＳｉＯ_２膜２が形成された構造を有する。そして、Ｓｉ基板１の内部にＣ中心が形成された構造を有する。

ここでＣ中心は、熱処理及びイオン注入によって形成された結晶欠陥が回復する過程で、熱処理雰囲気中の酸素が取り込まれることで形成される。

従って、Ｃ中心の量は、熱処理やイオン注入によって形成された結晶欠陥や、熱処理中に取り込まれる酸素の量に依存する。そのため，Ｃ中心の量を増やし、発光強度を増大させるためには、熱処理中に取り込まれる酸素が拡散する領域において、非結晶化しない範囲でできるだけ多くの結晶欠陥を作りこむ必要があり、ＳｉＯ_２膜の膜厚やイオン注入条件、熱処理条件によって制御されうる。

次に、図２を用いて、本発明の赤外発光素子の製造方法を説明する。この方法は、すなわち、Ｃ中心を形成するための手順である。

まず、工程（ａ）で、Ｃ中心を構成する元素の一つであるＣが含まれたＳｉ基板を用意する。

Ｃ濃度は、Ｓｉ中の固溶限界（２×１０^１８ｃｍ^−３）を超えない範囲でできるだけ高濃度で含まれていることが好ましく、求められる濃度範囲は、１×１０^１５ｃｍ^−３以上、２×１０^１８ｃｍ^−３以下である。

次に、工程（ｂ）で、イオン注入や熱処理で出来る結晶欠陥の量や位置を制御するため、シリコン基板上にＳｉＯ_２膜を形成する。ＳｉＯ_２膜は、たとえば、一般的にシリコン・プロセスで熱酸化膜を形成する条件での形成が可能であり、熱処理温度や熱処理時間を調整することで，ＳｉＯ_２膜の膜厚を制御することができる。

その後、工程（ｃ）で、ＳｉＯ_２膜が形成されたＳｉ基板に、酸素雰囲気中で熱処理を行うことで、Ｃ中心を形成する。ここで、注意すべきことは、形成されたＣ中心は、熱処理炉を利用した長時間の熱処理では消失してしまうことが知られている。そのため、短時間での熱処理が必要である。その場合、Ｃ中心からの発光を阻害する要因となりうるＣ中心以外の欠陥を回復するのに必要な熱量を確保するため、高温での熱処理が必要となる。高温・短時間での熱処理を行う手段としては、ラピッドサーマルアニール（ＲＴＡ）が適している．ＲＴＡの昇温速度の一例としては、４０℃／ｓｅｃ以上９００℃／ｓｅｃ以下である。また、ＲＴＡの降温速度の一例としては、４０℃／ｓｅｃ以上９００℃／ｓｅｃ以下である。

尚、ＲＴＡ中の急速昇温による熱衝撃のみでも、Ｃ中心を形成することは可能であるが、できるだけ多くの結晶欠陥を作りこむためには、熱処理前に、工程（ｄ）のイオン注入を行うのが望ましい。

イオン注入するイオン種は、ＣＭＯＳ製造中で一般的に使用されている不純物である砒素（Ａｓ）、燐（Ｐ）、ホウ素（Ｂ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）等）を用いることができる。

注入エネルギーは、ＳｉＯ_２膜の膜厚に対して注入不純物の平均飛程（Ｒｐ）がＳｉ基板の中に存在し、Ｓｉ基板中に十分な欠陥を導入することができるエネルギーを選択する必要がある。

注入ドーズ量は、非晶質化した影響により、熱処理後に回復が困難な転位などの大型の欠陥が形成されない値、つまり、Ｓｉ基板アモルファス化の臨界ドーズ量以下に設定する必要がある。

イオン注入を行う場合の、工程（ｃ）における熱処理温度および熱処理時間は、熱処理雰囲気中に含まれる酸素が、シリコン基板中に注入欠陥が形成されている領域まで拡散できる条件であればよい。たとえば、目標深さを、注入によって形成される欠陥密度が高いＲｐの２倍程度（約２００ｎｍ）にした場合、熱処理温度は１０００℃以上、熱処理時間は３０秒以上１分以内に設定すれば良い。

また、工程（ｃ）における熱処理雰囲気中に含まれる酸素ガスの濃度は、ＳｉＯ_２膜の増膜や残留欠陥量を考慮して最適化させるべきものであるが、上記条件においては、５％以上４０％以下に設定することで最適値が得られる。

次に、より具体的な実施例について説明する。

実施例１として、工程（ｄ）のイオン注入をしないで発光素子を製造する方法について説明する。

まず、工程（ａ）で、Ｃが含まれているＳｉ基板として、１×１０^１６ｃｍ^−３程度のＣが含まれているチョクラルスキー（Ｃｚ）法で形成された市販のＳｉ基板を用いた。

工程（ｂ）のＳｉＯ_２膜の作成は、一般的にシリコン・プロセスで熱酸化膜を形成する条件での形成が可能であり、本実施例では、９００℃で、５５分の熱処理を行った後、１０００℃、２０分の熱処理を行うことで、４３ｎｍのＳｉＯ_２膜を形成した。

次に、工程（ｃ）として、酸素濃度を１０％に設定し、１１００℃、３０ｓｅｃのＲＴＡ処理を行った。ここで、昇降温速度は、ともに、４０℃／ｓｅｃである。

以上のようにして形成された発光素子の低温（３０Ｋ）カソードルミネッセンス（ＣＬ）測定結果を図３に示す。比較のため、工程（ｃ）を酸素濃度０％雰囲気下で行い、他は実施例１と同じ条件で作成した試料のＣＬスペクトルも図３に一緒に示す。図３から、本実施例の試料（酸素濃度１０％）は、１．５７μｍの発光ラインが観測され、良好な発光素子が形成されていることがわかる。これに対して、比較例の試料（酸素濃度０％）では、発光スペクトルのピークは見られない。また、本実施例の試料においては、１．５７μｍの発光ラインの発光強度を低下させる可能性のある点欠陥、線欠陥、ループ欠陥、転位等に起因する発光ラインはみられていない。

実施例２として、工程（ｄ）のイオン注入をして発光素子を製造する方法について説明する。

まず、実施例１と同様、工程（ａ）では、Ｃが含まれているＳｉ基板として、１×１０^１６ｃｍ^−３程度のＣが含まれているチョクラルスキー（Ｃｚ）法で形成された市販のＳｉ基板を用いた。

本実施例における工程（ｂ）のＳｉＯ_２膜の形成条件は、９００℃で、４５分の熱処理を行った後、１０００℃、２０分の熱処理を行うものであり、その膜厚は１０ｎｍである。

次に、工程（ｄ）として、質量数が比較的大きく、少ない注入量で、比較的大きなダメージをＳｉ基板に与えることができる不純物として、Ａｓを注入した。この時、Ａｓの注入エネルギーは、Ｒｐが９０ｎｍ程度になる１５０ｋｅＶに設定し、注入ドーズ量は、Ａｓ注入による臨界ドーズ量（８×１０^１３ｃｍ^−２）よりも小さい値である、１×１０^１３に設定した。

さらに、工程（ｃ）として、酸素濃度を４０％に設定し、１１００℃、５０ｓｅｃのＲＴＡ処理を行った。ここで、昇降温速度は、ともに、４０℃／ｓｅｃである。

上記注入、熱処理条件下のＡｓのプロファイルを図４に示す。平均飛程Ｒｐは９０ｎｍ程度であることがわかる。

また、以上のようにして形成された構造の低温（３０Ｋ）カソードルミネッセンス（ＣＬ）測定結果を図５の実線で示す。図５では、比較例として、工程（ｃ）を酸素濃度０％雰囲気下で行い、他は実施例２と同じ条件で作成した試料のＣＬスペクトルも図５に一緒に示す。図５から、実施例２の発光素子では、実施例１と同様、１．５７μｍの発光ラインが観測される。これに対して、比較例の試料（酸素濃度０％）では、発光スペクトルのピークは見られない。また、本実施例の試料においては、点欠陥、線欠陥、ループ欠陥、転位等に起因する発光ラインはみられていない。

本実施例においては、工程（ｂ）において形成するＳｉＯ_２膜の膜厚を変化させた試料を作成した。ＳｉＯ_２膜の膜厚は１０ｎｍもしくは４３ｎｍである。ＳｉＯ_２膜の膜厚および工程（ｃ）のＲＴＡ処理時の酸素濃度を１０％に設定した以外の実験条件は、実施例２と同じである。本実施例の試料について、低温（３０Ｋ）カソードルミネッセンス（ＣＬ）測定による、１．５７μｍの発光ライン強度のＳｉＯ_２膜厚依存性を図６に示す。

１．５７μｍの発光ラインは、ＳｉＯ_２膜の膜厚を１０ｎｍでも４３ｎｍでも、いずれでも見られていた。図６より、ＳｉＯ_２膜の膜厚を制御することによって、Ｃ中心の量を制御し、その結果、発光ライン強度を制御することが可能であることがわかる。ＳｉＯ_２膜の膜厚を１０ｎｍ以下と薄くすることにより、より、大きな発光強度が得られた。

本実施例においては、工程（ｃ）において、熱処理雰囲気中に含まれる酸素の割合を変化させて、試料を作成した。その他の実験条件は、実施例２と同じである。本実施例において、熱処理雰囲気中に含まれる酸素の割合は０％、５％、１０％、２０％、３０％、４０％である。本実施例の試料について、低温（３０Ｋ）カソードルミネッセンス（ＣＬ）測定による、１．５７μｍの発光ライン強度の熱処理雰囲気中に含まれる酸素濃度依存性を図７に示す。図７より、酸素濃度が５％以上４０％以下で、１．５７μｍの発光ラインが観察された。また、１０％以上であれば、より発光強度は増加する。酸素濃度が高くするについて発光強度は増加するが、３０％程度で飽和することがわかった。

本発明にかかる発光素子の製造方法を用いれば、ＬＳＩの作製に用いられている従来の半導体デバイス製造プロセスをそのまま用いることができるため、新たに特殊な装置を導入したり、プロセスの整合性を気にする必要がなく、簡便かつ低コストで１．５７μｍ付近の光源を製造できる。

１ Ｓｉ基板
２ ＳｉＯ_２膜

Claims (9)

1. 赤外発光素子の製造方法であって、
   （ａ）１×１０^１５ｃｍ^−３以上、２×１０^１８ｃｍ^−３以下のＣが含まれるＳｉ基板を用意する工程、
   （ｂ）前記Ｓｉ基板表面にＳｉＯ_２膜を形成する工程、
   （ｃ）前記ＳｉＯ_２膜を形成した前記Ｓｉ基板を、酸素を含んだ雰囲気中でＲＴＡ処理を行う工程、
   を有する赤外発光素子の製造方法。
2. 赤外発光素子の製造方法であって、
   （ａ）１×１０^１５ｃｍ^−３以上、２×１０^１８ｃｍ^−３以下のＣが含まれるＳｉ基板を用意する工程、
   （ｂ）前記Ｓｉ基板にＳｉＯ_２膜を形成する工程、
   （ｄ）前記ＳｉＯ_２膜を形成した前記Ｓｉ基板にイオン注入を行う工程、
   （ｃ）前記イオン注入を行った前記Ｓｉ基板を、酸素を含んだ雰囲気中でＲＴＡ処理を行う工程、
   を有する赤外発光素子の製造方法。
3. 前記ＲＴＡ処理の昇温速度が４０℃／ｓｅｃ以上９００℃／ｓｅｃであることを特徴とする請求項１または２記載の赤外発光素子の製造方法。
4. 前記ＲＴＡ処理を、１０００℃以上１２００℃以下で行うことを特徴とする請求項１または２記載の赤外発光素子の製造方法。
5. 前記ＲＴＡ処理を、１秒以上１分以内で行うことを特徴とする請求項１または２記載の赤外発光素子の製造方法。
6. 前記ＲＴＡ処理を、酸素を含んだ雰囲気中で行うことを特徴とする請求項１または２記載の赤外発光素子の製造方法。
7. 前記イオン注入のイオン種がＡｓであることを特徴とする請求項２記載の赤外発光素子の製造方法。
8. 前記イオン注入を１５０ｋｅＶのエネルギーで行うことを特徴とする請求項２記載の赤外発光素子の製造方法。
9. 前記イオン注入量が８×１０^１３ｃｍ^−３以下であることを特徴とする請求項２記載の赤外発光素子の製造方法。

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