JP6927924B2

JP6927924B2 - 裏面入射型受光素子の製造方法

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Publication number: JP6927924B2
Application number: JP2018099286A
Authority: JP
Inventors: 中島　康雄; 康雄中島; 大介津波
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-05-24
Filing date: 2018-05-24
Publication date: 2021-09-01
Anticipated expiration: 2038-05-24
Also published as: JP2019204882A

Description

本願は、受光素子の製造方法に関するものであり、特に、基板の裏面から入射する光を受光する、裏面入射型受光素子の製造方法に関するものである。

光ファイバ通信システムで用いられる受光素子として、裏面入射型の半導体受光素子が知られている。この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点にある。半導体受光素子には、２０Ｇｂ/ｓを越える高速応答が要求されているものがあり、容量低減のために、受光領域の縮小が必要になっている。受光領域の縮小は、入力光の結合トレランスの低下を招く（例えば、特許文献１〜特許文献７を参照）。このため、裏面入射型受光素子は、光入射面、すなわち、裏面にレンズを搭載して、実質的な受光面積を拡大させている。

半導体基板の裏面にレンズをモノリシックに形成する技術として、特許文献８に示すように、レジストを高温で半球状に熱変形させる手法が提案されている。レジストとＩｎＰ基板をドライエッチングで加工することで、レンズを形成する。また、特許文献９に示すように、２回のウェットエッチングによって、基板面にモノリシックにレンズを形成している。

ドライエッチングによりレンズを形成する場合、レンズの表面がドライエッチングのダメージを受けて荒れてくる。このため、面精度の高いレンズを形成するには、追加のウェットエッチングが必要となる。また、２回のウェットエッチングでレンズを形成する場合、面精度の高いレンズが形成できるにしても、レンズ設計が制約を受け、制御性および再現性が乏しい。

特開２００１―２５２８９８号公報特開２００２―１２０２２９号公報特開２００３―１９７０２８号公報特開２０１４―１１２６３４号公報特開平５―０３７００７号公報特開平９―２７０５２７号公報特開平８―１９５５０５号公報特開平６−１０４４８０号公報特開平１０−４８４０３号公報

本願は、上記のような裏面入射型受光素子の製造方法における課題を解消するためになされたもので、ウェットエッチングを行うことで面精度の高いレンズを再現性よく形成することを目的としている。

本願に開示される裏面入射型受光素子の製造方法は、化合物半導体基板の表面側に受光領域を囲むガードリング溝を形成する第１の工程と、前記ガードリング溝が形成されている化合物半導体基板の裏面の前記受光領域の上部に、レンズを形成するための開口部を配置したエッチングマスクを形成する第２の工程と、前記化合物半導体基板の裏面に形成された前記エッチングマスクに配置された開口部に前記レンズを形成するために、無電解メッキ液を用いて無電解メッキを行い、メッキメタルマスクを形成する第３の工程と、前記レンズを形成するために、前記メッキメタルマスクが形成された化合物半導体基板の裏面から、前記エッチングマスクを除去する第４の工程と、前記エッチングマスクが除去された化合物半導体基板の裏面に形成された前記メッキメタルマスクをサイドエッチングで減退させながら前記化合物半導体基板を掘り込むことで前記レンズを形成するウェットエッチングを行う第５の工程と、を備えていることを特徴とするものである。

本願に開示される別形態の裏面入射型受光素子の製造方法は、化合物半導体基板の表面側に受光領域を囲むガードリング溝を形成する第１の工程と、前記ガードリング溝が形成されている化合物半導体基板の裏面の前記受光領域の上部に、レンズを形成するための開口部を配置した第１のエッチングマスクを形成する第２の工程と、前記第１のエッチングマスクが形成されている化合物半導体基板の裏面で、前記化合物半導体基板と前記第１のエッチングマスクをエッチング加工して、前記化合物半導体基板の裏面に前記レンズを形成するための溝を加工する第３の工程と、前記化合物半導体基板の裏面に形成された前記溝に無電解メッキ液を用いて無電解メッキを行い、前記レンズを形成するためのメッキメタルマスクを形成する第４の工程と、前記化合物半導体基板の裏面に形成された前記メッキメタルマスクをサイドエッチングで減退させながら前記化合物半導体基板を掘り込むことで前記レンズを形成するウェットエッチングを行う第５の工程と、を備えていることを特徴とするものである。

本願に開示される裏面入射型受光素子の製造方法は、化合物半導体基板の表面側に受光領域を囲むガードリング溝を形成する第１の工程と、前記ガードリング溝が形成されている化合物半導体基板の裏面に、エッチングマスクを形成する第２の工程と、前記エッチングマスクが形成されている化合物半導体基板の裏面に無電解メッキ液を用いて無電解メッキを行い、メッキメタルマスクを形成する第３の工程と、前記メッキメタルマスクが形成された化合物半導体基板の裏面から、前記エッチングマスクを除去する第４の工程と、前記エッチングマスクが除去された化合物半導体基板の裏面をウェットエッチングする第５の工程と、を備えていることを特徴とすることにより、ウェットエッチングを行うことで面精度の高いレンズを再現性よく形成することが可能になる。

本願に開示される別形態の裏面入射型受光素子の製造方法は、化合物半導体基板の表面側に受光領域を囲むガードリング溝を形成する第１の工程と、前記ガードリング溝が形成されている化合物半導体基板の裏面に、第１のエッチングマスクを形成する第２の工程と、前記第１のエッチングマスクが形成されている化合物半導体基板の裏面をエッチング加工して、前記化合物半導体基板の裏面に溝を形成する第３の工程と、前記溝が形成されている化合物半導体基板の裏面に無電解メッキ液を用いて無電解メッキを行い、メッキメタルマスクを形成する第４の工程と、前記メッキメタルマスクが形成された化合物半導体基板の裏面をウェットエッチングする第５の工程と、を備えていることを特徴とすることにより、ウェットエッチングを行うことで面精度の高いレンズを再現性よく形成することが可能になる。

実施の形態１に関わる裏面入射型アバランシェフォトダイオードを示す概略断面図である。裏面入射型アバランシェフォトダイオードの製造工程を概略的に示すフロー図である。実施の形態１に関わる裏面入射型アバランシェフォトダイオードの製造工程において、レンズ形成工程の概略を示すフロー図である。実施の形態１に関わる、裏面入射型アバランシェフォトダイオードの製造工程において、レンズ形成工程を示す概略図である。図４Ａは、化合物半導体基板１０１の裏面に形成された、メッキ成長防止マスク１２１を示している図である。図４Ｂは、化合物半導体基板１０１の裏面に形成された、テーパー形状を有するメッキメタルマスク１２２を示している図である。図４Ｃは、メッキ成長防止マスク１２１が除去された状態を表している図である。図４Ｄは、ウェットエッチングされている化合物半導体基板１０１およびメッキメタルマスク１２２を表している図である。触媒毒含有無電解メッキで形成できるテーパー形状を有するメタルマスクの断面形状を示している概略図である。図５Ａは、四角錐形状を有するメタルマスクを示している図である。図５Ｂは、半球形状（ドーム形状）を有するメタルマスクを示している図である。図５Ｃは、台形形状を有するメタルマスクを示している図である。ウェットエッチングで、メタルマスクがサイドエッチングされ、減退していく様子を表している図である。図６Ａは、サイドエッチングが初期の段階を表している図である。図６Ｂは、サイドエッチングの第２段階を表している図である。図６Ｃは、サイドエッチングの第３段階を表している図である。図６Ｄは、サイドエッチングの最終段階を表している図である。実施の形態２に関わる裏面入射型アバランシェフォトダイオードを示す概略断面図である。実施の形態２に関わる裏面入射型アバランシェフォトダイオードの製造工程において、レンズ形成工程の概略を示すフロー図である。実施の形態２に関わる、裏面入射型アバランシェフォトダイオードの製造工程において、レンズ形成工程を示す概略図である。図９Ａは、化合物半導体基板１０１の裏面に形成された、メッキ成長防止マスク１２１を示している図である。図９Ｂは、化合物半導体基板１０１の裏面に形成された、凹部分１３１を示している図である。図９Ｃは、化合物半導体基板１０１の凹部分１３１に形成された、テーパー形状を有するメッキメタルマスク１２２を示している図である。図９Ｄは、ウェットエッチングされている化合物半導体基板１０１およびメッキメタルマスク１２２を表している図である。実施の形態２に関わる裏面入射型アバランシェフォトダイオードの製造工程において、別形態のレンズ形成工程の概略を示すフロー図である。実施の形態２に関わる、裏面入射型アバランシェフォトダイオードの製造工程において、別形態のレンズ形成工程を示す概略図である。図１１Ａは、化合物半導体基板１０１の裏面に形成された、エッチングマスク１２３を示している図である。図１１Ｂは、化合物半導体基板１０１の裏面に形成された、凹部分１３１を示している図である。図１１Ｃは、化合物半導体基板１０１の凹部分１３１に形成された、テーパー形状を有するメッキメタルマスク１２２を示している図である。図１１Ｄは、ウェットエッチングされている化合物半導体基板１０１およびメッキメタルマスク１２２を表している図である。

実施の形態１.
以下、実施の形態に関わる裏面入射型受光素子の製造方法ついて図を用いて説明する。図１は、本実施の形態に関わる裏面入射型アバランシェフォトダイオード２００の断面構造を示している。同図において、裏面入射型アバランシェフォトダイオード２００は、化合物半導体基板１０１の表面側に、エピタキシャル成長層１１０（半導体層）、アノード電極１０６、カソード電極１０７、ガードリング溝１０５を備えている。また、裏面入射型アバランシェフォトダイオード２００は、化合物半導体基板１０１の裏面側に、凸型のレンズ１１１を備えている。凸型のレンズ１１１は、レンズ保護膜１１２（ＡＲコート膜）で表面が覆われている。

化合物半導体基板１０１の裏面側は、裏面電極１１５（メタル膜）で保護されている。エピタキシャル成長層１１０は、ＩｎＰバッファ層９１、ＡｌＩｎＡｓ増倍層９２、ｐ型ＩｎＰ電界緩和層９３、ＩｎＧａＡｓ光吸収層９４、ＡｌＩｎＡｓ窓層９５、ＩｎＰ窓層９６、ＩｎＧａＡｓコンタクト層９７などから構成されている。裏面入射型アバランシェフォトダイオードでは、基板の裏面から入射した光１８０は、ガードリング溝１０５で囲まれている内周部を通過し、受光領域１０４（受光部）で検出される。受光領域１０４（受光部）は、化合物半導体基板１０１の表面側に設置され、ガードリング溝１０５で囲まれている。

凸型のレンズ１１１は、裏面入射型アバランシェフォトダイオードにおいて、集光性を高める役割を担っている。アノード電極１０６とカソード電極１０７は、はんだ等の密着材を介して、サブマウント１５０と電気的に接続されている。受光領域１０４（受光部）は、化合物半導体基板１０１の表面側に形成されている。アノード電極１０６は、受光領域１０４（受光部）の上に形成され、この受光領域１０４と電気的に接続されている。カソード電極１０７は、ガードリング溝１０５で、化合物半導体基板１０１と電気的に接続されている。

図２は、前述した裏面入射型アバランシェフォトダイオードの製造方法を概略的に示しているフローである。ステップＳ０１において、化合物半導体基板１０１の表面に、ＩｎＰバッファ層９１、ＡｌＩｎＡｓ増倍層９２、ｐ型ＩｎＰ電界緩和層９３、ＩｎＧａＡｓ光吸収層９４、ＡｌＩｎＡｓ窓層９５、ＩｎＰ窓層９６、ＩｎＧａＡｓコンタクト層９７などからなるエピタキシャル成長層１１０を形成する。エピタキシャル成長は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）などを用いて行う。

さらに、受光領域１０４（受光部）となるｐｎ接合を形成する。受光領域１０４（ｐｎ接合）のｐ領域は、エピタキシャル成長、または、拡散、イオン注入で形成する。受光部がエピタキシャル成長の場合、受光領域１０４以外を除去したメサ型のＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）構造とする。また拡散、イオン注入などで受光部のｐ領域を形成する場合は、エピタキシャル成長後に、気相拡散もしくは固相拡散で、選択的にｐ領域を形成して、アバランシェフォトダイオードを作製する。

ステップＳ０２において、化合物半導体基板１０１の表面側に、ガードリング溝１０５を形成する（第１の工程）。ガードリング溝１０５は、レジストパターンを用いて、ドライエッチング、または、ウェットエッチングにより形成する。化合物半導体基板１０１にｎ型ＩｎＰを用いる場合、ドライエッチングでは塩素系ガスまたはメタン/水素系ガスを用いると良い。ウェットエッチングでは、塩酸系のエッチング液または臭化水素系のエッチング液を用いると良い。化合物半導体基板１０１に達するガードリング溝１０５は、リーク電流を抑制し、カソード電極引き出し用の役割を果たす。

ステップＳ０３において、化合物半導体基板１０１の表面側に、アノード電極１０６と、カソード電極１０７を形成する。アノード電極１０６とカソード電極１０７の材料は、エピタキシャル成長層１１０とオーミックコンタクトできる材料を選択する。例えば、エピタキシャル成長層１１０に、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰなどを用いた場合には、電極材料として、Ｔｉ/Ａｕを形成すると良い。電極のパターニングは、レジストパターンを用いて、リフトオフ、エッチングなどにより行う。

ステップＳ０４において、化合物半導体基板１０１を裏面側から研削して基板を薄板化する。化合物半導体基板１０１の研削は、機械加工、ウェットエッチングなどにより行う。機械加工には、砥石、スラリーなどを用いる。ステップＳ０５において、化合物半導体基板１０１の裏面に、凸型のレンズ１１１を形成する。レンズ１１１を形成するステップＳ０５の詳細は、後述する。

ステップＳ０６において、化合物半導体基板１０１の裏面に、レンズ保護膜１１２（ＡＲコート膜）と裏面電極１１５を形成する。レンズ１１１の表面を覆うレンズ保護膜１１２の材料は、メタル膜でも絶縁膜で良い。レンズ１１１の表面を絶縁膜で覆う事で、光の反射率を調整しても良い。ステップＳ０７では、裏面入射型アバランシェフォトダイオードのアノード電極１０６およびカソード電極１０７を、はんだ等の密着材を介してサブマウント１５０と接続する。

つぎに、図３を参照して、裏面入射型アバランシェフォトダイオードにおける、レンズ１１１の形成方法を詳細に説明する。なお、図４Ａから図４Ｄは、レンズ１１１の形成過程を図示している。ステップＳ０５１において、化合物半導体基板１０１の裏面に、メッキ成長防止マスク１２１（エッチングマスク）を形成する（第２の工程：図４Ａを参照）。メッキ成長防止マスク１２１（エッチングマスク）には、有機樹脂からなるレジスト、または、ＳｉＮ、ＳｉＯなどの絶縁膜を用いる。ガードリング溝１０５で囲まれている受光領域１０４の上部に、メッキ成長防止マスク１２１（エッチングマスク）の開口部１２１ａを配置する。

ステップＳ０５２において、触媒毒を含む無電解メッキ液を用いて、化合物半導体基板１０１の裏面上に、テーパー形状を有するメッキメタルマスク１２２（テーパードメッキメタルマスク）を形成する（第３の工程：図４Ｂを参照）。テーパー形状を有するメッキメタルマスク１２２は、メッキ成長防止マスク１２１（エッチングマスク）でマスキングされていない場所に形成される。テーパー形状を有するメッキメタルマスク１２２は、メッキ成長停止面が形成されることにより、四角錐形状または台形形状を有している。テーパー角度θｈは、メッキメタルマスク１２２の傾斜角度を表している。

化合物半導体基板１０１にＩｎＰ、ＧａＡｓなどを用いる場合は、メッキ反応性が高いため化合物半導体基板１０１にダイレクトにテーパー形状を有するメタルマスクを形成することができる。この場合、無電解メッキを行う前に、金属イオンを含む活性化液に化合物半導体基板１０１を浸漬しておく。基板上に金属キャタリストを堆積させておくことで、無電解メッキの成長を安定化することができる。一方、化合物半導体基板１０１にメッキ反応性の低い材料を用いる場合は、無電解メッキの前に基板上に給電層を設けると良い。

触媒毒は、メッキ膜に吸着することでメッキ成長を抑制する機能がある。メッキ成長防止マスク（エッチングマスク）のパターンの端部では触媒毒濃度が高くなるので、メッキ成長が阻害される。一方、パターンの中央部では触媒毒濃度が低くなるので、メッキ成長が進む。これにより、テーパー形状の端部を有する無電解メッキ膜をテーパードメッキメタルマスクとして形成することができる。無電解メッキ液に含まれる触媒毒は、下記の第１物質〜第５物質のいずれかであることが好ましい。

第１物質は、鉛イオン、ビスマスイオン、アンチモンイオン、テルルイオンおよび銅イオンからなる群から選択される少なくとも１種の金属イオンである。第２物質は、硫黄化合物である。第３物質は、窒素化合物である。第４物質は、ポリエチレングリコールである。第５物質は、アセチレン系アルコール（例えばアセチレングリコール）である。第１物質〜第５物質は、０．１〜４０ｍｇ／Ｌだけ触媒毒として無電解メッキ液に含まれていることが望ましい。

図５Ａから図５Ｃは、様々なテーパー形状を有するメッキメタルマスク１２２の例を示している。テーパー形状を有するメッキメタルマスク１２２は、底部（化合物半導体基板１０１）から、上部に向かうほど、幅が狭くなっている。図５Ａは、メッキメタルマスク１２２のテーパー形状が四角錐形状（ピラミッド形状）を有することを示している。図５Ｂは、メッキメタルマスク１２２のテーパー形状がドーム形状（半球形状）を有することを示している。図５Ｃは、メッキメタルマスク１２２のテーパー形状が台形形状を有することを示している。テーパー形状を有するメッキメタルマスク１２２のテーパー角度θｈは、無電解メッキ液中の触媒毒濃度により調整することができる。

例えば、硫酸ニッケルと次亜リン酸ナトリウムからなる一般的な無電解ニッケルメッキ液中に鉛を入れた場合、テーパー角度θｈは、次のようになる。無電解ニッケルメッキ液中に、０．５ｍｇ／Ｌの鉛を入れた場合のテーパー角度θｈは、３５度である。無電解ニッケルメッキ液中に、１．０ｍｇ／Ｌの鉛を入れた場合のテーパー角度θｈは、１２度である。無電解ニッケルメッキ液中に、１．５ｍｇ／Ｌの鉛を入れた場合のテーパー角度θｈは、６度となる。無電解メッキ液の構成および使用条件を変更することによって、上記と異なるテーパー角度θｈに変更することもできる。

無電解ニッケルメッキ液が、触媒毒に加えて、メッキ反応を促進するための反応促進剤を含む場合は、テーパー形状が失われる場合がある。この場合、テーパー形状が保持されるように、触媒毒と反応促進剤の濃度を調整する必要がある。具体的には、触媒毒の濃度を反応促進剤の濃度よりも高くすることが好ましい。なお、実際のメッキメタルマスクのテーパー形状は、マスク端面の各箇所において完全に同一の角度になるわけではない。条件次第では、ドーム形状のように途中で角度を変えることもできる。

ステップＳ０５３において、メッキ成長防止マスク１２１（エッチングマスク）を除去する（第４の工程：図４Ｃを参照）。メッキ成長防止マスク１２１（エッチングマスク）がレジストの場合は、有機溶剤を用いてメッキ成長防止マスク１２１（エッチングマスク）を除去すると良い。メッキ成長防止マスク１２１（エッチングマスク）に、ＳｉＯ、ＳｉＮなどの絶縁膜を用いる場合は、フッ酸系の水溶液を用いてメッキ成長防止マスク１２１（エッチングマスク）を除去すると良い。

ステップＳ０５４において、ウェットエッチングにより化合物半導体基板１０１およびメタルマスクをエッチングする（第５の工程：図４Ｄを参照）。ウェットエッチングでは、メッキメタルマスクをサイドエッチングで減退させながら化合物半導体基板１０１を掘り込むことで、凸型又はドーム型のレンズを形成することができる。図６Ａから図６Ｄは、ウェットエッチングで、メッキメタルマスクがサイドエッチングされ、減退していく様子を表している図である。

図６Ａは、サイドエッチングが初期の段階を表している図である。化合物半導体基板１０１の裏面もエッチング加工されている。図６Ｂは、サイドエッチングの第２段階を表している図である。メッキメタルマスクがサイドエッチングされ、減退している。図６Ｃは、サイドエッチングの第３段階を表している図である。メッキメタルマスクは、わずかではあるが、残っている。図６Ｄは、サイドエッチングの最終段階を表している図である。メッキメタルマスクは、完全に除去されている。最終的に、凸状又はドーム形状の突起を形成することができる。この突起がレンズ作用を有する。

レンズ１１１は、光学設計により任意のサイズにして良い。レンズ１１１は、一般的には、直径５０〜２００μｍ、高さ５〜２０μmくらいが適切である。レンズの直径は少なくとも受光領域１０４（受光部）より広くすることが結合トレランスを拡大するために必要である。例えば、直径１００μm、高さ１０μmのレンズを形成する場合において、メッキメタルマスクのテーパー角度θｈが４５度の場合を考える。

化合物半導体基板１０１のエッチングレートをレート１、メッキメタルマスクのエッチングレートをレート２とした場合を想定する。レート１＝レート２の場合、レンズの端面角度を４５度に加工できる。レート１＞レート２の場合は、レンズの端面角度は、４５度よりも大きくなる。また、レート１＜レート２の場合は、レンズの端面角度は、４５度よりも小さくなる。

ウェットエッチング液に関しては、化合物半導体基板１０１とメッキメタルマスク１２２の材料に応じて、任意の酸又はアルカリを含むエッチング液を用いれば良いが、２種類の以上の成分を含むエッチング液が望ましい。つまり、化合物半導体基板１０１に対して高いエッチングレートを有する成分１と、メッキメタルマスクに対して高いエッチングレートを有する成分２とを、含むエッチング液を用いる。成分１と成分２の含有量を調整することで、化合物半導体基板１０１とメッキメタルマスク１２２のエッチングレートを調整できるため、所望のレンズ形状を形成しやすい。

例えば、化合物半導体基板１０１にＩｎＰを、メッキメタルマスク１２２にＮｉを用いた場合におけるウェットエッチング液に関して説明する。ＩｎＰは、給電層を形成しなくても、無電解メッキ膜をダイレクトに形成しやすい。ＩｎＰをエッチングするための成分１として、例えば、塩酸、臭化水素酸、ヨウ化水素酸などが挙げられる。一方、Ｎｉをエッチングするための成分２として、硫酸、硝酸、塩化第二鉄などが挙げられる。

また、ＩｎＰがエピタキシャル成長されている場合、エッチング液によってはエッチングレートに結晶面方位依存性を持つ。この場合、エッチング後のレンズ形状が意図しない形になるため、結晶面方位依存性を低減させる必要がある。結晶面方位依存性を低減する方法としては、ウェットエッチング液に酸化剤（過酸化水素水、臭素など）を加えることが挙げられる。

また、ウェットエッチング液に有機物質を加えれば、基板の表面張力を低減することができるため、より均一なエッチング形状を得る事ができる。有機物質には、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）等のアルコール、グリセリン、Ｎ-メチル-２-ピロリドンなどが適している。このようにして、ステップＳ０５１からステップＳ０５４を経て、化合物半導体基板１０１の裏面上に、凸型又はドーム型のレンズ１１１を形成できる。

本願に開示される裏面入射型受光素子の製造方法では、裏面入射型アバランシェフォトダイオードの裏面側（基板面側）にメッキ成長防止マスク１２１（エッチングマスク）を形成し、触媒毒含有無電解メッキで四角錐形状のメッキメタルマスク１２２を形成し、それをマスクとして、ウェットエッチングで凸型のレンズ１１１を形成する。触媒毒の量を調整することで四角錐形状のメッキメタルマスク１２２を形成することができる。メッキメタルマスク１２２と化合物半導体基板１０１を同時にエッチングできるエッチング液を用いることで、凸状又はドーム形状の突起（レンズ１１１）を形成することができる。

本実施の形態の効果について説明する。凸型のレンズ１１１をウェットエッチングで形成するため、メッキメタルマスク１２２が消失するまでエッチングすることで、凸型のレンズ１１１に丸みを持たせることができる。さらに、触媒毒の量により、メッキメタルマスク１２２のテーパー角度が変えられるため、マスクとなるメッキ自体の形状を丸みのある形状にすることができる。さらに、このモノリシックレンズを搭載することで、高速応答の可能な安価な裏面入射型受光素子の製造方法を提供することが可能になる。

すなわち、本願に開示される裏面入射型受光素子の製造方法は、化合物半導体基板の表面側に受光領域を囲むガードリング溝を形成する第１の工程と、前記ガードリング溝が形成されている化合物半導体基板の裏面に、エッチングマスクを形成する第２の工程と、前記エッチングマスクが形成されている化合物半導体基板の裏面に無電解メッキ液を用いて無電解メッキを行い、メッキメタルマスクを形成する第３の工程と、前記メッキメタルマスクが形成された化合物半導体基板の裏面から、前記エッチングマスクを除去する第４の工程と、前記エッチングマスクが除去された化合物半導体基板の裏面をウェットエッチングする第５の工程と、を備えていることを特徴とするものである。

実施の形態２．
以下、実施の形態について図を用いて説明する。図７は、本実施の形態に関わる裏面入射型受光素子の製造方法を用いて形成した裏面入射型アバランシェフォトダイオード２００の断面構造を示している。本実施の形態に関わる、裏面入射型アバランシェフォトダイオードのレンズ１１１は、化合物半導体基板１０１の裏面（裏面電極１１５）よりも低い位置に形成されている。同図において、裏面入射型アバランシェフォトダイオード２００は、化合物半導体基板１０１の表面側にエピタキシャル成長層１１０（半導体層）、アノード電極１０６、カソード電極１０７、ガードリング溝１０５を備えている。また、裏面入射型アバランシェフォトダイオード２００は、化合物半導体基板１０１の裏面側に、凸型のレンズ１１１を備えている。凸型のレンズ１１１は、レンズ保護膜１１２（ＡＲコート膜）で表面が覆われている。

凸型のレンズ１１１は、裏面入射型アバランシェフォトダイオードにおいて、集光性を高める役割を担っている。アノード電極１０６とカソード電極１０７は、はんだ等の密着材を介して、サブマウント１５０と電気的に接続されている。受光領域１０４（受光部）は、化合物半導体基板１０１の上側（表面側）に形成されている。アノード電極１０６は、受光領域１０４（受光部）の上に形成され、この受光領域１０４と電気的に接続されている。カソード電極１０７は、ガードリング溝１０５で、化合物半導体基板１０１と電気的に接続されている。

先ず、前述した裏面入射型アバランシェフォトダイオードの製造方法を概略的に説明する（図２を参照）。ステップＳ０１において、化合物半導体基板１０１の表面に、ＩｎＰバッファ層９１、ＡｌＩｎＡｓ増倍層９２、ｐ型ＩｎＰ電界緩和層９３、ＩｎＧａＡｓ光吸収層９４、ＡｌＩｎＡｓ窓層９５、ＩｎＰ窓層９６、ＩｎＧａＡｓコンタクト層９７などからなるエピタキシャル成長層１１０を形成する。エピタキシャル成長は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）などを用いて行う。

ステップＳ０３において、化合物半導体基板１０１の表面に、アノード電極１０６と、カソード電極１０７を形成する。アノード電極１０６とカソード電極１０７の材料は、エピタキシャル成長層１１０とオーミックコンタクトできる材料を選択する。例えば、エピタキシャル成長層１１０に、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰなどを用いた場合には、電極材料として、Ｔｉ/Ａｕを形成すると良い。電極のパターニングは、レジストパターンを用いて、リフトオフ、エッチングなどにより行う。

次に、図８を参照して、本実施の形態に関わる凸型のレンズ１１１の形成方法を詳細に説明する。なお、図９Ａから図９Ｄは、本実施の形態に関わるレンズ１１１の形成過程を図示している。ステップＳ０５１において、化合物半導体基板１０１の裏面に、メッキ成長防止マスク１２１（エッチングマスク）を形成する（第２の工程：図９Ａを参照）。メッキ成長防止マスク１２１（エッチングマスク）には、有機樹脂からなるレジスト、または、ＳｉＮ、ＳｉＯなどの絶縁膜を用いる。ガードリング溝１０５で囲まれている受光領域１０４の上部に、メッキ成長防止マスク１２１（エッチングマスク）の開口部１２１ａを配置する。

ステップＳ０５１１では、化合物半導体基板１０１の裏面に形成されているメッキ成長防止マスク１２１（エッチングマスク）をマスクとして、化合物半導体基板１０１をウェットエッチングもしくはドライエッチングで、凹状に溝をエッチング加工する（第３の工程：図９Ｂを参照）。化合物半導体基板１０１とメッキ成長防止マスク１２１（エッチングマスク）を同時にエッチング加工することで凹部分１３１（溝）が形成できる。この作業を、テーパー形状を有するメッキメタルマスク１２２を形成するステップＳ０５２の前に実行する。凹部分１３１（溝）の深さは、凸型又はドーム型のレンズ１１１を形成するので、テーパー形状を有するメッキメタルマスク１２２の高さの半分以上の深さとする。

ステップＳ０５２において、触媒毒を含む無電解メッキ液を用いて、化合物半導体基板１０１の裏面上に、テーパー形状を有するメッキメタルマスク１２２を形成する（第４の工程：図９Ｃを参照）。テーパー形状を有するメッキメタルマスク１２２は、メッキ成長防止マスク１２１（エッチングマスク）でマスキングされていない凹部分１３１に形成される。テーパー形状を有するメッキメタルマスク１２２は、メッキ成長停止面が形成されることにより、四角錐形状または台形形状を有している。

ステップＳ０５４において、ウェットエッチングにより化合物半導体基板１０１およびメッキメタルマスク１２２をエッチング加工する（第５の工程：図９Ｄを参照）。テーパー形状を有するメッキメタルマスク１２２は、化合物半導体基板１０１の裏面に加工された凹部分１３１に形成されている。ウェットエッチングでは、メタルマスクをサイドエッチングで減退させながら化合物半導体基板１０１を掘り込むことで、凹部分１３１の中に、凸型又はドーム型のレンズ１１１を形成することができる。

以上の説明では、メッキ成長防止マスク１２１（エッチングマスク）を、凹部分１３１の加工とテーパー形状を有するメッキメタルマスク１２２の形成の両方に使用したが、凹部分１３１の加工とテーパー形状を有するメッキメタルマスク１２２の形成に異なるマスクを使用してもよい。その場合、工程数が増加するが、凹部分の形状を保持した状態で凹部分１３１の中に凸型又はドーム型のレンズ１１１を形成できる。

図１０を参照して、本実施の形態における、別形態に関わる凸型のレンズ１１１の形成方法を詳細に説明する。なお、図１１Ａから図１１Ｄは、レンズ１１１の形成過程を図示している。ステップＳ０５０において、化合物半導体基板１０１の裏面に、第１のエッチングマスク１２３（メッキ成長防止マスク１２１で代用可）を形成する（第２の工程：図１１Ａを参照）。エッチングマスク１２３には、有機樹脂からなるレジスト、または、ＳｉＮ、ＳｉＯなどの絶縁膜を用いる。ガードリング溝１０５で囲まれている受光領域１０４の上部に、エッチングマスク１２３の開口部１２３ａを配置する。

ステップＳ０５０５では、化合物半導体基板１０１の裏面に形成されているエッチングマスク１２３をマスクとして、化合物半導体基板１０１をウェットエッチングもしくはドライエッチングで、凹状に溝をエッチング加工する（第３の工程：図１１Ｂを参照）。化合物半導体基板１０１とエッチングマスク１２３を同時にエッチング加工することで凹部分１３１（溝）が形成できる。凹部分１３１（溝）の深さは、凸型又はドーム型のレンズ１１１を形成するので、テーパー形状を有するメッキメタルマスク１２２の高さの半分以上の深さとする。

エッチングマスク１２３が残っているようであれば、除去する。エッチングマスク１２３がレジストの場合は、有機溶剤を用いてエッチングマスク１２３を除去すると良い。エッチングマスク１２３に、ＳｉＯ、ＳｉＮなどの絶縁膜を用いる場合は、フッ酸系の水溶液を用いてエッチングマスク１２３を除去すると良い。その後、ステップＳ０５１でメッキ成長防止マスク１２１（第２のエッチングマスク）を形成する（第６の工程）。メッキ成長防止マスク１２１（第２のエッチングマスク）には、有機樹脂からなるレジスト、または、ＳｉＮ、ＳｉＯなどの絶縁膜を用いる。エッチングマスク１２３が多少残っていても、その上に、メッキ成長防止マスク１２１を形成してもよい。

ステップＳ０５２において、触媒毒を含む無電解メッキ液を用いて、化合物半導体基板１０１の裏面上に、テーパー形状を有するメッキメタルマスク１２２を形成する（第４の工程：図１１Ｄを参照）。テーパー形状を有するメッキメタルマスク１２２は、メッキ成長防止マスク１２１（第２のエッチングマスク）でマスキングされていない凹部分１３１に形成される。テーパー形状を有するメッキメタルマスク１２２は、メッキ成長停止面が形成されることにより、四角錐形状または台形形状を有している。

ステップＳ０５４において、ウェットエッチングにより化合物半導体基板１０１およびメッキメタルマスク１２２をエッチング加工する（第５の工程：図１１Ｄを参照）。テーパー形状を有するメッキメタルマスク１２２は、化合物半導体基板１０１の裏面に加工された凹部分１３１に形成されている。ウェットエッチングでは、メタルマスクをサイドエッチングで減退させながら化合物半導体基板１０１を掘り込むことで、凹部分１３１の中に、凸型又はドーム型のレンズ１１１を形成することができる。

本実施の形態に開示される裏面入射型受光素子の製造方法によれば、化合物半導体基板１０１の裏面より低い位置に凸型又はドーム型のレンズ１１１を形成できることから、レンズ部分に外的要因でキズが付きにくい。また、ウェットエッチングで形成しているため、面精度の高いレンズを形成できる。その結果、高い結合効率を有する裏面入射型受光素子が得られる。さらには、受光領域を小さくすることが出来るため、より高速動作が可能となる。

したがって、本願に開示される別形態の裏面入射型受光素子の製造方法は、化合物半導体基板の表面側に受光領域を囲むガードリング溝を形成する第１の工程と、前記ガードリング溝が形成されている化合物半導体基板の裏面に、第１のエッチングマスクを形成する第２の工程と、前記第１のエッチングマスクが形成されている化合物半導体基板の裏面をエッチング加工して、前記化合物半導体基板の裏面に溝を形成する第３の工程と、前記溝が形成されている化合物半導体基板の裏面に無電解メッキ液を用いて無電解メッキを行い、メッキメタルマスクを形成する第４の工程と、前記メッキメタルマスクが形成された化合物半導体基板の裏面をウェットエッチングする第５の工程と、を備えていることを特徴とするものである。

また、本願に開示される裏面入射型受光素子の製造方法は、化合物半導体基板と、前記化合物半導体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、ガードリング溝で基板と電気的に接続された電極と、化合物半導体基板裏面にレンズを備えた裏面入射型受光素子の製造方法であって、前記レンズは、触媒毒含有無電解メッキをマスクとして、ウェットエッチングで形成することを特徴とするものである。

また、本願に開示される裏面入射型受光素子の製造方法は、化合物半導体基板裏面に形成された凹部分に、触媒毒含有無電解メッキを形成することを特徴とする裏面入射型受光素子の製造方法に関わるものである。また、本願に開示される裏面入射型受光素子の製造方法は、触媒毒含有無電解メッキの無電解メッキ液に含まれる触媒毒は、第１〜第５物質のいずれかを含むことを特徴とする裏面入射型受光素子の製造方法に関わるものである。第１物質は、鉛、ビスマス、アンチモン、テルルおよび銅イオンからなる群から選択される少なくとも１種の金属イオン、第２物質は、硫黄化合物、第３物質は、窒素化合物、第４物質は、ポリエチレングリコール、第５物質は、アセチレン系アルコールである。

また、本願に開示される裏面入射型受光素子の製造方法は、ウェットエッチング液は酸又はアルカリを含むエッチング液で、２種類の以上の成分を含むエッチング液であることを特徴とする裏面入射型受光素子の製造方法に関わるものである。また、本願に開示される裏面入射型受光素子の製造方法は、触媒毒含有無電解メッキの形状は四角錐もしくはドーム形状のテーパー形状を特徴とする裏面入射型受光素子の製造方法に関わるものである。また、本願に開示される裏面入射型受光素子の製造方法は、化合物半導体基板裏面に形成された凹部分の深さは、触媒毒含有無電解メッキの高さの半分以上の深さであることを特徴とする裏面入射型受光素子の製造方法に関わるものである。

なお、本願の明細書に開示された技術は、上記の各実施の形態１〜４に限定されるものではなく、これらの実施の形態の可能な組み合わせを全て含むことは言うまでもない。また、本願の明細書に開示された技術は、開示された技術思想の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

９１ＩｎＰバッファ層、９２ＡｌＩｎＡｓ増倍層、９３ｐ型ＩｎＰ電界緩和層、９４ＩｎＧａＡｓ光吸収層、９５ＡｌＩｎＡｓ窓層、９６ＩｎＰ窓層、９７ＩｎＧａＡｓコンタクト層、１０１化合物半導体基板、１０４受光領域、１０５ガードリング溝、１０６アノード電極、１０７カソード電極、１１０エピタキシャル成長層、１１１レンズ、１１２レンズ保護膜、１１５裏面電極、１２１メッキ成長防止マスク、１２２メッキメタルマスク、１３１凹部分（溝）、１５０サブマウント、１８０光、２００裏面入射型アバランシェフォトダイオード

Claims

化合物半導体基板の表面側に受光領域を囲むガードリング溝を形成する第１の工程と、
前記ガードリング溝が形成されている化合物半導体基板の裏面の前記受光領域の上部に、レンズを形成するための開口部を配置したエッチングマスクを形成する第２の工程と、
前記化合物半導体基板の裏面に形成された前記エッチングマスクに配置された開口部に前記レンズを形成するために、無電解メッキ液を用いて無電解メッキを行い、メッキメタルマスクを形成する第３の工程と、
前記レンズを形成するために、前記メッキメタルマスクが形成された化合物半導体基板の裏面から、前記エッチングマスクを除去する第４の工程と、
前記エッチングマスクが除去された化合物半導体基板の裏面に形成された前記メッキメタルマスクをサイドエッチングで減退させながら前記化合物半導体基板を掘り込むことで前記レンズを形成するウェットエッチングを行う第５の工程と、を備えていることを特徴とする裏面入射型受光素子の製造方法。
化合物半導体基板の表面側に受光領域を囲むガードリング溝を形成する第１の工程と、
前記ガードリング溝が形成されている化合物半導体基板の裏面の前記受光領域の上部に、レンズを形成するための開口部を配置した第１のエッチングマスクを形成する第２の工程と、
前記第１のエッチングマスクが形成されている化合物半導体基板の裏面で、前記化合物半導体基板と前記第１のエッチングマスクをエッチング加工して、前記化合物半導体基板の裏面に前記レンズを形成するための溝を加工する第３の工程と、
前記化合物半導体基板の裏面に形成された前記溝に無電解メッキ液を用いて無電解メッキを行い、前記レンズを形成するためのメッキメタルマスクを形成する第４の工程と、
前記化合物半導体基板の裏面に形成された前記メッキメタルマスクをサイドエッチングで減退させながら前記化合物半導体基板を掘り込むことで前記レンズを形成するウェットエッチングを行う第５の工程と、を備えていることを特徴とする裏面入射型受光素子の製造方法。
前記溝に前記レンズを形成するため、メッキ成長防止用マスクである第２のエッチングマスクを前記化合物半導体基板の裏面に形成する第６の工程、をさらに備え、
この第６の工程を前記第４の工程の前に実行することを特徴とする請求項２に記載の裏面入射型受光素子の製造方法。
前記第３の工程で化合物半導体基板の裏面に形成された溝は、前記第４の工程で形成されたメッキメタルマスクの高さの半分以上の深さを有することを特徴とする請求項２または３に記載の裏面入射型受光素子の製造方法。
前記メッキメタルマスクは、テーパー形状を有してい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。
前記メッキメタルマスクのテーパー形状は、四角錐形状、もしくは、半球形状を有してい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。
前記第２の工程で使用する化合物半導体基板は、
アノード電極とカソード電極を、表面側に備えてい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。
前記無電解メッキ液は、
鉛イオン、ビスマスイオン、アンチモンイオン、テルルイオン、および、銅イオンからなる群から選択される少なくとも１種の金属イオンを含んでい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。
前記無電解メッキ液は、
硫黄化合物を含んでい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。
前記無電解メッキ液は、
窒素化合物を含んでい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。
前記無電解メッキ液は、
ポリエチレングリコールを含んでい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。
前記無電解メッキ液は、
アセチレン系アルコールを含んでい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。