JP6744138B2 - 半導体装置及びその製造方法、光インターコネクトシステム - Google Patents
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このボトルネックを解消するためには、光インターコネクト、すなわち、光信号によるデータ伝送が必要となる。
さらには、低消費電力、小面積化の観点から、光送受信に必要となる光送信器や光受信器に備えられる変調器、受光器、合波器、分波器等の各種光コンポーネント(光素子)をSi基板上に集積化することになる。
上記の波長帯での光伝送で適用されるSi基板上の受光器(フォトディテクタ;PD)には、1.55μm近傍に吸収端を有する同じIV族のGeを吸収層に適用することが好ましい。
また、信号処理の上で雑音を低減することが重要であり、そのためには、フォトディテクタの暗電流を低減することも必要である。
また、シリコンフォトニクス集積素子の製造の観点から、層間絶縁膜形成時に発生する段差を低減する必要があるため、フォトディテクタを構成するメサ構造の高さをできる限り低くすることも必要である。
しかしながら、Geメサ構造の高さを低くすると、空乏層の厚さ(i型Ge層の厚さ)の低減による素子容量の増加に起因して応答特性が劣化してしまう。また、応答特性の劣化を防ぐために、十分な厚さのGe空乏層(i型Ge層)を確保することも困難である。
1つの態様では、半導体装置の製造方法は、基板の上方に設けられたSi層にn型及びp型の一方のドーパントをイオン注入して、n型及びp型の一方のSi層を形成する工程と、n型及びp型の一方のSi層のメサ構造の外周部が設けられる領域に、厚さ方向に部分的にn型及びp型の他方のドーパントをイオン注入して、i型のSi層を形成する工程と、n型及びp型の一方のSi層上に、i型のGe又はSiGe層と、i型のGe又はSiGe層の表面全体を覆うn型及びp型の他方のGe又はSiGe層とからなるメサ構造を形成する工程とを含み、メサ構造を形成する工程において、n型及びp型の一方のSi層とn型及びp型の他方のGe又はSiGe層との間にi型のSi層が設けられるように、同時ドープによって、n型及びp型の他方のGe又はSiGe層を形成する。
本実施形態にかかる半導体装置は、例えば光通信やデータ通信用の光受信器、特に、光インターコネクトシステムを構成する光受信器に適用可能な半導体装置であって、例えば受光器や変調器などの半導体光素子を備える光集積素子である。
本実施形態では、半導体光素子は、図1(A)、図1(B)に示すように、Geを吸収層に用いたPIN型のGe受光器(フォトディテクタ;PD)5であって、基板6の上方に設けられたp型Si層8Aと、p型Si層8A上に設けられたi型Ge層2とi型Ge層2の表面全体を覆うn型Ge層3とからなるメサ構造(Geメサ構造)10と、p型Si層8Aとn型Ge層3との間に設けられたi型Si層8Bとを備える。これを縦型PIN型PDともいう。
本実施形態では、基板6は、SOI基板1に備えられるSi基板である。
また、SOI基板1は、Si基板6上にBOX層7、SOI層(Si層)8を備える。
また、SOI層8としてのSi層は、p型ドーパントがドーピングされたp型領域(p型Si層8A)と、p型ドーパント及びn型ドーパントがドーピングされたi型領域(i型Si層8B)とを備える。
ここでは、SOI層8としてのSi層は、メサ構造10の外周部(周辺部)が設けられる領域がi型Si層8Bになっており、メサ構造10の中央部が設けられる領域がp型Si層8Aになっている。
具体的には、SOI層8としてのSi層は、メサ構造10の外周部が設けられる領域が厚さ方向に部分的にi型Si層8Bになっており、それ以外の部分がp型Si層8Aになっている。
このように、メサ構造10の中央部が設けられる領域のp型Si層8Aと、メサ構造10が設けられる領域の外側のp側電極4Aが接する領域のp型Si層8Aとが、メサ構造10の外周部が設けられる領域のi型Si層8BとBOX層7との間のp型Si層8A、即ち、i型Si層8Bの下方のp型Si層8Aでつながっており、電気的に導通した構造になっている。
また、本実施形態では、p側電極(第1金属電極)4A及びn側電極(第2金属電極)は、Al電極である。
なお、本実施形態では、SOI基板1を用いているが、これに限られるものではなく、例えばSi基板などの他の基板を用いても良い。
つまり、SOI基板1に備えられるSi基板6の上方にPIN型PD5を設けているが、これに限られるものではなく、例えばSi基板の上方にPIN型PD5を設けても良い。
また、本実施形態では、メサ構造10の下方のSi層8は、p型Si層8Aとしているが、これに限られるものではなく、n型及びp型の一方のSi層、即ち、n型及びp型の一方のドーパントがドーピングされたSi層(n型Si層又はp型Si層)であれば良い。
例えば、i型SiGe層とn型SiGe層とからなるメサ構造、i型Ge層とn型SiGe層とからなるメサ構造、i型SiGe層とn型Ge層とからなるメサ構造であっても良い。
このように構成される半導体装置の製造方法は、以下のような工程を含むものとすれば良い。
ところで、上述のように構成及び製造方法を採用しているのは、以下の理由による。
しかしながら、Geメサ構造の高さを低くすると、空乏層の厚さ(i型Ge層の厚さ)の低減による素子容量の増加に起因して応答特性が劣化してしまう。
つまり、応答特性の劣化を防ぐためには、i型Ge層の厚さを確保する必要がある。
そのためには、Geメサ構造の上部にイオン注入されるドーパントであるリン(P)のプロファイル(深さ)を浅くする必要がある。
このため、十分な厚さのGe空乏層(i型Ge層)を確保することが困難となり、素子容量の増大により、応答特性が劣化してしまう。
そこで、例えばメサ構造の高さを低くした場合でも十分な応答特性が得られるようにしながら、暗電流を低減できるようにすべく、上述のような構成及び製造方法を採用している。
ここでは、n型Ge層3を形成するにあたり、Ge層成長中の同一装置内で同時ドープによってn型ドーパントを注入するようにしている。
一方、同時ドープ法では、イオン注入法のように選択的にある領域のみにドーピング領域を形成することができず、n型Ge層3がメサ構造10の上部だけでなく側部を含む表面部分の全体を覆うように形成されてしまう。
そこで、上述したように、p型Si層8Aとn型Ge層3との間にi型Si層8Bを設けている。
ここでは、メサ構造10の下方のp型Si層8Aとメサ構造10の表面部分を構成するn型Ge層3との間に、即ち、メサ構造10の外周部の直下にのみ、ドーナツ状にi型Si層8Bを設けている。
なお、このようにi型Si層8Bを設ける場合に、上述のように、i型Si層8BとBOX層7との間にp型Si層8Aが設けられるようにすることで、メサ構造10の中央部に接するp型Si層8Aとメサ構造10が設けられる領域の外側のp側電極4Aが接するp型Si層8Aとが電気的に導通するようにしている。
例えば、メサ構造の高さが約300nmの場合、従来のイオン注入法では、n型Ge層の厚さが約200nm程度となり、i型Ge層の厚さは約100nm程度となる。
このように、上述のような構成及び製造方法を採用することで、従来技術と同等の暗電流値を保持しながら、応答特性を約2倍以上に高めることが可能となる。
例えば、SOI基板1のSOI層8をパターニングして、PIN型PD5を形成するためのSi台座部8Xと、これに連なるSi導波路コア層としてのSiテーパ部8Y及びSi細線部8Zとを形成し、PIN型PD5にSi導波路が接続されるようにすれば良い。これを導波路結合型PIN型PD又は導波路結合型縦型PIN型PDともいう。
以下、SOIウェハ上の導波路結合型のPIN型PD5の製造方法を例に挙げて、図2〜図8を参照しながら、具体的に説明する。
ここでは、SOI基板1として、面方位が(001)のSi基板6に、厚さが約3.0μmのBOX層7、厚さが約0.3μmのSOI層8を備えるものを用いる(例えば図5(A)参照)。
次に、図2に示すように、例えば誘導性結合プラズマ(ICP)ドライエッチングによって、SOI基板1のSOI層(Si層)8をパターニングして、Ge成長用のSi台座部8X及びSi導波路コア層8Y、8Zを形成する。
次に、Si台座部8XのPIN型PD5が設けられる領域のSi層8に、B(ボロン)のイオン注入を行なって、p型Si層8Aを形成する。
なお、ここでは、p型ドーパントとしてBを用いているが、これに限られるものではなく、例えばGaなどを用いても良い。
次に、レジストパターンを用いて、原料に例えばB2H6(ジボラン)を用い、ドーズ量を例えば約1.0×1015cm−2とし、加速電圧を約30keVとして、Bのイオン注入を行なう。
このようなBイオン注入、活性化アニール工程を経て、図3に示すように、Si台座部8XのPIN型PD5が設けられる領域に、ドーピング量が均一なp型Si層8A、即ち、約1.0×1019cm−3のキャリア濃度のp型Si層8Aを形成する。なお、p型Si層8Aが形成されている領域は、Bがイオン注入されている領域である。
なお、ここでは、n型ドーパントとしてPを用いているが、これに限られるものではなく、例えばAsなどを用いても良い。
例えば、まず、Si台座部8XのPIN型PD5が設けられる領域に形成されたp型Si層8A上に内径が約26μm×約6μm、外径が約34μm×約14μmの矩形ドーナツ状の開口を有するレジストパターン(図示せず)を形成する。
次に、レジストを剥離し、例えば約1000℃でアニールを行なって、注入したPイオンを活性化させる。
つまり、Si台座部8Xを構成するSi層8にB、Pの両方をイオン注入して矩形ドーナツ形状のi型Si層8Bを形成する。なお、i型Si層8Bが形成されている領域は、B、Pの両方がイオン注入されている領域である。
次に、図5(A)、図5(B)に示すように、Si台座部8XのPIN型PD5が設けられる領域上に、Ge選択成長用の絶縁膜(SiO2膜;酸化膜)マスク9Aをパターニングし、i型Ge層2及びn型Ge層3を選択成長させて、メサ構造10を形成する。
ここで、Ge選択成長エリア(Geエピタキシャル成長エリア)のサイズは、例えば約10μm×約30μmとする。また、i型Si層8Bがドーナツ状に形成されている領域にメサ構造10の周辺部が位置するように、開口を有する絶縁膜マスク9Aをパターニングする。また、i型Ge層2及びn型Ge層3の選択成長は、例えば減圧化学気層成長(LP−CVD)法によって行なう。
ここで、Geの原料(原料ガス)としては例えばGeH4(ゲルマン)、キャリアガスとしては例えばH2(水素)を用いれば良い。ここでは、i型Ge層2を例えば約200nm成長させる。
次に、n型Ge層3の選択成長を行なう。
つまり、最初に、原料ガスはGeH4(ゲルマン)のみを供給して、i型Ge層2を約200nm形成し、続いて、GeH4(ゲルマン)とPH3(ホスフィン)を同時に供給する同時ドープによって、ドーピング濃度が約1.0×1019cm−3のn型Ge層3を約100nm形成する。
このように、同時ドープによってn型Ge層3を形成すると、n型Ge層3はメサ構造10の上部だけでなく側部を含む表面部分の全体を覆うように形成されることになる。この場合、n型Ge層3はメサ構造10の周辺部を取り囲むように形成されることになる。
また、ここでは、ドーナツ状に厚さ方向に部分的に形成されているi型Si層8Bに周辺部が接するように、i型Ge層2とn型Ge層3とからなるメサ構造10が形成される。つまり、p型Si層8Aとn型Ge層3との間にi型Si層8Bが設けられるように、同時ドープによって、n型Ge層3が形成されて、i型Ge層2とn型Ge層3とからなるメサ構造10が形成される。
次に、レジストを塗布し、メサ構造10の直上にコンタクトホール用のレジストパターンを形成した後、図7(A)、図7(B)に示すように、例えば誘導性結合プラズマ(ICP)ドライエッチングによって、SiO2膜9を約1μmエッチングして、メサ構造10の直上に例えば約5μm×約25μmのコンタクトホール11を形成する。ここで、エッチングガスは、例えばCF4系を用いれば良い。その後、レジストを剥離する。
次に、レジストを塗布し、パターニングし、図8(A)、図8(B)に示すように、例えばICPドライエッチングによって、p側電極4A及びn側電極4BとしてのAl電極を形成する。
この場合、イオン注入によってn型Ge層を形成する従来技術の場合と同等の暗電流値を保持しながら、応答特性を約2倍以上に高めることが可能となる。
ところで、図9(A)、図9(B)に示すように、第2金属電極としてのn側電極4Bは、開口部4Xを備えるものとしても良い。例えば、メサ構造10の上部に接する第2金属電極としてのn側電極4Bを、その中央部に開口部4Xを備えるものとし、面型PIN型PD5としても良い。これを面型縦型PIN型PDともいう。この場合、第2金属電極としてのn側電極4Bは、メサ構造10の上部の周辺部に沿ってリング状に設けられることになる。また、第2金属電極としてのn側電極4Bの開口部4Xを通して、メサ構造10の上方からの光が入射することになる。
なお、メサ構造10を選択成長させる際に絶縁膜9[ここでは絶縁膜マスク9A;例えば図5(A)参照]上に少なくともn型Ge層3が乗り上げるようにした場合に、このような構成となる。
なお、これに限られるものではなく、絶縁膜9は、n型及びp型の一方のSi層とn型及びp型の他方のGe又はSiGe層との間にも設けられていれば良い。この場合、n型及びp型の一方のSi層とn型及びp型の他方のGe又はSiGe層との間に、i型Si層及び絶縁膜が設けられることになる。また、製造方法は、n型及びp型の一方のSi層とn型及びp型の他方のGe又はSiGe層との間に延びるように絶縁膜を形成する工程を含むことになる。
つまり、光送信器と、光送信器に光伝送路(ここでは光ファイバ)を介して接続された光受信器とを備える光インターコネクトシステムにおいて、光受信器を、上述のように構成される半導体装置に備えられる半導体光素子としてのPIN型受光器5を備えるものとして構成することができる。この場合、光受信器を、受光器として、上述のように構成される半導体装置に備えられる半導体光素子としてのPIN型受光器5を備えるものとすれば良い。
なお、本発明は、上述した実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
(付記1)
基板の上方に設けられ、n型及びp型の一方のSi層と、
前記n型及びp型の一方のSi層上に設けられ、i型のGe又はSiGe層と、前記i型のGe又はSiGe層の表面全体を覆うn型及びp型の他方のGe又はSiGe層とからなるメサ構造と、
前記n型及びp型の一方のSi層と前記n型及びp型の他方のGe又はSiGe層との間に設けられたi型のSi層とを備えることを特徴とする半導体装置。
前記n型及びp型の一方のSi層、及び、前記n型及びp型の他方のGe又はSiGe層を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜を貫通し、前記n型及びp型の一方のSi層に接する第1金属電極と、
前記絶縁膜を貫通し、前記n型及びp型の他方のGe又はSiGe層に接するように、前記メサ構造の上方に設けられた第2金属電極とを備えることを特徴とする、付記1に記載の半導体装置。
前記第2金属電極は、開口部を備えることを特徴とする、付記2に記載の半導体装置。
(付記4)
前記絶縁膜は、前記n型及びp型の一方のSi層と前記n型及びp型の他方のGe又はSiGe層との間にも設けられていることを特徴とする、付記2又は3に記載の半導体装置。
前記n型及びp型の一方のSi層に光学的に結合されたSi導波路コア層を備えることを特徴とする、付記1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。
(付記6)
光送信器と、
前記光送信器に光伝送路を介して接続された光受信器とを備え、
前記光受信器は、付記1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置を備えることを特徴とする光インターコネクトシステム。
基板の上方に設けられたSi層にn型及びp型の一方のドーパントをイオン注入して、n型及びp型の一方のSi層を形成する工程と、
前記n型及びp型の一方のSi層のメサ構造の外周部が設けられる領域に、厚さ方向に部分的にn型及びp型の他方のドーパントをイオン注入して、i型のSi層を形成する工程と、
前記n型及びp型の一方のSi層上に、i型のGe又はSiGe層と、前記i型のGe又はSiGe層の表面全体を覆うn型及びp型の他方のGe又はSiGe層とからなるメサ構造を形成する工程とを含み、
前記メサ構造を形成する工程において、前記n型及びp型の一方のSi層と前記n型及びp型の他方のGe又はSiGe層との間に前記i型のSi層が設けられるように、同時ドープによって、前記n型及びp型の他方のGe又はSiGe層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記n型及びp型の一方のSi層と前記n型及びp型の他方のGe又はSiGe層との間に延びるように絶縁膜を形成する工程を含むことを特徴とする、付記7に記載の半導体装置の製造方法。
2 i型Ge層
3 n型Ge層
4A 第1金属電極(p側電極;Al電極)
4B 第2金属電極(n側電極;Al電極)
5 PIN型受光器(PIN型PD;PIN型Ge受光器)
6 Si基板
7 BOX層
8 SOI層(Si層)
8A p型Si層
8B i型Si層
8X Si台座部
8Y Siテーパ部(Si導波路コア層)
8Z Si細線部(Si導波路コア層)
9、9A、9B SiO2膜
10 メサ構造
11 コンタクトホール
12 コンタクトホール
20 光インターコネクトシステム
21 Si光素子集積基板(光送信器)
22 レーザ
23 リング型変調器
24 合波器
25 Si光素子集積基板(光受信器)
26 分波器
27 光ファイバ
Claims (7)
- 基板の上方に設けられ、n型及びp型の一方のSi層と、
前記n型及びp型の一方のSi層上に設けられ、i型のGe又はSiGe層と、前記i型のGe又はSiGe層の表面全体を覆うn型及びp型の他方のGe又はSiGe層とからなるメサ構造と、
前記n型及びp型の一方のSi層と前記n型及びp型の他方のGe又はSiGe層との間に設けられたi型のSi層とを備え、
前記i型のSi層は、前記n型及びp型の一方のSi層の、前記メサ構造の外周部が設けられる領域に、厚さ方向に部分的に形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記n型及びp型の一方のSi層、及び、前記n型及びp型の他方のGe又はSiGe層を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜を貫通し、前記n型及びp型の一方のSi層に接する第1金属電極と、
前記絶縁膜を貫通し、前記n型及びp型の他方のGe又はSiGe層に接するように、前記メサ構造の上方に設けられた第2金属電極とを備えることを特徴とする、請求項1に記載の半導体装置。 - 前記第2金属電極は、開口部を備えることを特徴とする、請求項2に記載の半導体装置。
- 前記絶縁膜は、前記n型及びp型の一方のSi層と前記n型及びp型の他方のGe又はSiGe層との間にも設けられていることを特徴とする、請求項2又は3に記載の半導体装置。
- 前記n型及びp型の一方のSi層に光学的に結合されたSi導波路コア層を備えることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 光送信器と、
前記光送信器に光伝送路を介して接続された光受信器とを備え、
前記光受信器は、請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置を備えることを特徴とする光インターコネクトシステム。 - 基板の上方に設けられたSi層にn型及びp型の一方のドーパントをイオン注入して、n型及びp型の一方のSi層を形成する工程と、
前記n型及びp型の一方のSi層のメサ構造の外周部が設けられる領域に、厚さ方向に部分的にn型及びp型の他方のドーパントをイオン注入して、i型のSi層を形成する工程と、
前記n型及びp型の一方のSi層上に、i型のGe又はSiGe層と、前記i型のGe又はSiGe層の表面全体を覆うn型及びp型の他方のGe又はSiGe層とからなるメサ構造を形成する工程とを含み、
前記メサ構造を形成する工程において、前記n型及びp型の一方のSi層と前記n型及びp型の他方のGe又はSiGe層との間に前記i型のSi層が設けられるように、同時ドープによって、前記n型及びp型の他方のGe又はSiGe層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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