JPH05218490A - Metal-semiconductor-metal photodetector and manufacture thereof - Google Patents

Metal-semiconductor-metal photodetector and manufacture thereof

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JPH05218490A
JPH05218490A JP4231801A JP23180192A JPH05218490A JP H05218490 A JPH05218490 A JP H05218490A JP 4231801 A JP4231801 A JP 4231801A JP 23180192 A JP23180192 A JP 23180192A JP H05218490 A JPH05218490 A JP H05218490A
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silicon
photodetector
metal
layer
substrate
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JP4231801A
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Japanese (ja)
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Ernest Bassous
アーネスト・バスー
Jean-Marc Halbout
ジャン=マーク・ハルブート
Subramanian S Iyer
スブラマニアン・スリカンテスワラ・イエル
Rajiv V Joshi
ラジヴ・ヴァサント・ジョシ
Vijay P Kesan
ヴィジャイ・ピー・ケーサン
Michael R Scheuermann
マイケル・ロイ・ショイヤーマン
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Abstract

PURPOSE: To provide an MSM optical detector adapted for a silicon integrated circuit and suitable for application of short wavelengths. CONSTITUTION: There is provided a method of manufacturing an MSM optical detector having a silicon semiconductor surface layer, so as to form a comb-like metal electrode 10 having an about medium or high barrier height for silicon, for forming a Schottky barrier, and an electrode by using self-alignment metallization by a selective adhesion or selective reaction and etching in a method similar to a SALICIDE (self-alignment silicide) method. First, a surface of Si1 exposed to a substrate 2 is coated with a transparent oxide film, for example, silicon dioxide, silicon nitride, silicon oxynitride, etc., 12, and an interface between Si and an oxide indicates a low surface recoupling speed. Next, comb- shaped patterns are etched through an oxide film by lithography, and the Si surface is exposed in a shape of finger patterns. Next, an electrode of a metal or metal silicide is formed on the Si surface which is exposed by using self- alignment metallization.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、半導体デバイスの製造
に関するものであり、特に、シリコンVLSIに適合す
る、改良された金属・半導体・金属(MSM)光検出器
構造、及びその製法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to the manufacture of semiconductor devices, and more particularly to an improved metal-semiconductor-metal (MSM) photodetector structure compatible with silicon VLSI and a method of manufacturing the same. is there.

【0002】[0002]

【従来の技術】金属・半導体・金属(MSM)光検出器
は光検出器の一種で、光が通常半導体システムに結合さ
れ、光によって発生したキャリアが、半導体の光活性表
面領域上の、1組の櫛形ショットキー接点間の電界によ
って捕集される装置である。
BACKGROUND OF THE INVENTION Metal-Semiconductor-Metal (MSM) photodetectors are a type of photodetector in which light is usually coupled into a semiconductor system and carriers generated by the light are deposited on the photoactive surface area of the semiconductor. A device that is trapped by an electric field between a set of comb Schottky contacts.

【0003】詳細には、MSM光検出器は、デバイスの
表面上にある光活性半導体材料の上に配置された相互嵌
合型(櫛形)の金属・半導体・金属電極で構成される。
その動作原理は下記のとおりである。電極間にバイアス
電圧を印加すると、赤外線、可視光線、または紫外線源
からの放射線(すなわち光子)が半導体の光活性表面領
域に衝突して、隣接する電極間に電流の流れを生じる。
電流は、光子が半導体に吸収されるときに発生する電子
と正孔の対からなる。これらの光によって発生する電荷
キャリアは、電極間の電圧によって形成される電界によ
って駆動され、捕集される。各電極と光活性半導体表面
との間の接合部または界面のショットキー・バリアが、
電流の流れを、半導体に吸収される光子によって生成す
る電流の流れだけに制限する。MSM光検出器で最も一
般に使用される光活性材料は、GaAs及びGaInA
sである。
Specifically, MSM photodetectors consist of interdigitated (comb-shaped) metal-semiconductor-metal electrodes disposed on a photoactive semiconductor material on the surface of the device.
The operating principle is as follows. When a bias voltage is applied between the electrodes, radiation (ie, photons) from an infrared, visible, or ultraviolet source strikes the photoactive surface region of the semiconductor, causing a current flow between adjacent electrodes.
The electric current consists of electron-hole pairs generated when photons are absorbed by the semiconductor. The charge carriers generated by these lights are driven and collected by the electric field formed by the voltage between the electrodes. The Schottky barrier at the junction or interface between each electrode and the photoactive semiconductor surface
The current flow is limited to only the current flow produced by photons absorbed in the semiconductor. The most commonly used photoactive materials in MSM photodetectors are GaAs and GaInA.
s.

【0004】MSMデバイスの属性として、高感度、高
速動作、及び製造が比較的容易なことがある。MSM光
検出器は、シリコン、ならびにいわゆるIII族とV族
の化合物半導体及びその合金を含む各種の半導体材料で
製造されている。III族とV族の化合物半導体材料
は、元素周期律表の第III族と第V族の元素、たとえ
ば第III族のGa、Al、In、第V族のAs、P、
Sb等を主成分とするためにこのように呼ばれている。
MSM光検出器に最も広く用いられているIII族とV
族の化合物半導体材料は、GaAs及びGaInAsで
ある。
MSM device attributes include high sensitivity, high speed operation, and relative ease of manufacture. MSM photodetectors are made of silicon and various semiconductor materials including so-called Group III and V compound semiconductors and their alloys. The group III and V compound semiconductor materials are elements of groups III and V of the periodic table, for example, Ga, Al, In of group III, As and P of group V,
It is called in this way because it contains Sb and the like as its main component.
The most widely used group III and V for MSM photodetectors
Group compound semiconductor materials are GaAs and GaInAs.

【0005】この種の半導体材料のうちでずっと一般的
なものは、電磁スペクトルの赤外領域、具体的には80
0nmを超える波長で動作するように設計された、II
I族とV族の化合物半導体材料からできたデバイスであ
る。このようなガリウムとヒ素(Ga−As)を使用し
たデバイスの各種の例は、下記の文献に記載されてい
る。M.イトウ他、"High-Speed Monolithically Integ
rated GaAs Photoreceiverusing a Metal-Semiconducto
r-Metal Photodiode"、Appl. Phys. Lett.,Vol.47,No.1
1,pp.1129〜1131,1985年。D.L.ロジャーズ(Roger
s)、"Monolithic Integration of a 3-GHzDetector/Pr
eamplifier Using a Refractory-Gate, Ion-Implanted
MESFETProcess"、IEEE Electron Device Lett.,Vol.EDL
-7,No.11,pp.600〜603,1986年。T.スゲタ他、"Metal-
Semiconductor-Metal Photodetector for High-SpeedOp
toelectronic Circuits、Japan J. Appl. Phys.,Vol.1
9,suppl.19-1,pp.459〜464,1980年。O.ワダ他、"Very
High Speed GaInAs Metal-Semiconductor-Metal Photo
diodeIncorporating an AlInAs/GaInAs Graded Superla
ttice、Appl. Phys. Lett.,Vol.54,No.1,pp.16〜17,198
9年。D.L.ロジャーズ他、"High Speed 1.3-micron
GaInAs Detectors Fabricatedon GaAs Substrates"、IE
EE Electron Device Lett.,Vol.9,No.10,pp.515〜517,1
988年。C.S.ハーダー(Harder)他、"5.2-GHz Band
width Monolithic GaAs Opto-electronic Receiver"、I
EEE Electron Device Lett.,Vol.9,No.4,pp.171〜173,1
988年。W.ロス(Roth)他、"A Fast Large-Area Opto
electronic Detector"、IEEETrans. Electron Devices,
Vol.Ed-32,No.6,pp.1034〜1036,1985年。M.イトウ
他、"Low Dark Current GaAs Metal-Semiconductor-Met
al (MSM)Photodiodes Using WSix Contacts"、IEEE J.
Quantum Electronic,Vol.QE-22,No.7,p.1073〜1077,198
6年。L.フィゲロア(Figueroa)、W.スレイマン(S
layman)、"A NovelHeterostructure Interdigital Pho
todetector (HIP) with Picosecond OpticalRespons
e"、IEEE Electron Device Lett.,Vol.EDL-2,No.8,pp.2
08〜210,1981年。
A much more common type of semiconductor material is the infrared region of the electromagnetic spectrum, specifically 80
Designed to operate at wavelengths above 0 nm, II
It is a device made of a compound semiconductor material of group I and group V. Various examples of devices using such gallium and arsenic (Ga-As) are described in the following documents. M. Ito et al., "High-Speed Monolithically Integ
rated GaAs Photoreceiverusing a Metal-Semiconducto
r-Metal Photodiode ", Appl. Phys. Lett., Vol.47, No.1
1, pp.1129 ~ 1131,1985. D. L. Rogers
s), "Monolithic Integration of a 3-GHzDetector / Pr.
eamplifier Using a Refractory-Gate, Ion-Implanted
MESFETProcess ", IEEE Electron Device Lett., Vol.EDL
-7, No. 11, pp. 600-603, 1986. T. Sugeta et al., "Metal-
Semiconductor-Metal Photodetector for High-SpeedOp
toelectronic Circuits, Japan J. Appl. Phys., Vol.1
9, suppl.19-1, pp.459〜464,1980. O. Wada et al., "Very
High Speed GaInAs Metal-Semiconductor-Metal Photo
diodeIncorporating an AlInAs / GaInAs Graded Superla
ttice, Appl. Phys. Lett., Vol.54, No.1, pp.16-17,198
9 years. D. L. Rogers et al., "High Speed 1.3-micron
GaInAs Detectors Fabricated on GaAs Substrates ", IE
EE Electron Device Lett., Vol.9, No.10, pp.515〜517,1
988 years. C. S. Harder et al., "5.2-GHz Band
width Monolithic GaAs Opto-electronic Receiver ", I
EEE Electron Device Lett., Vol.9, No.4, pp.171〜173,1
988 years. W. Roth et al., "A Fast Large-Area Opto
electronic Detector ", IEEETrans. Electron Devices,
Vol.Ed-32, No.6, pp.1034-1036, 1985. M. Ito et al., "Low Dark Current GaAs Metal-Semiconductor-Met
al (MSM) Photodiodes Using WSix Contacts ", IEEE J.
Quantum Electronic, Vol.QE-22, No.7, p.1073-1077,198
6 years. L. Figueroa, W. Suleiman (S
layman), "A Novel Heterostructure Interdigital Pho
todetector (HIP) with Picosecond OpticalRespons
e ", IEEE Electron Device Lett., Vol.EDL-2, No.8, pp.2
08-210, 1981.

【0006】一方、短波長(850nm未満)の光検出
器は、コンピュータ環境で広く使用される可能性がある
ため、重要である。たとえば、光記憶システムでは、光
ディスク上の記録密度を増大させることができるため
に、短波長が好ましい。短波長検出器の他の可能な用途
は、プリンタ、モニタ、表示装置等の入出力装置で使用
される高価でかさの大きいケーブルにとって代わる、光
ファイバによる相互接続である。この用途では、コンピ
ュータ・システム内のパス長が短く、したがって長波長
の検出器がどうしても必要ではなくなる。
On the other hand, short wavelength (less than 850 nm) photodetectors are important because they can be widely used in computer environments. For example, in optical storage systems, short wavelengths are preferred because they can increase the recording density on the optical disc. Another possible application for short wavelength detectors is in fiber optic interconnections to replace expensive and bulky cables used in input / output devices such as printers, monitors and displays. In this application, the path lengths in the computer system are short, and thus long wavelength detectors are not absolutely necessary.

【0007】上記のすべてのMSM光検出器は、離散構
造または集積構造の形で実施されているが、これらは現
在コンピュータ業界で行われている、シリコンをベース
とした技術に組み込む点で大きな欠点がある。その欠点
としては、工程が複雑なためにコストが高くなること
と、既存のシリコンVLSI製造方法に適合しない材料
及び工程を使用することがあげられる。
All of the above MSM photodetectors have been implemented in the form of discrete or integrated structures, but these have major drawbacks in incorporating them into the silicon-based technology currently practiced in the computer industry. There is. Disadvantages are the high cost due to the complicated process and the use of materials and processes that are not compatible with existing silicon VLSI manufacturing methods.

【0008】GaAs MSM光検出器の具体的な欠点
の1つは、シリコン集積回路に組み込むのが難しいこと
である。これと比較して、シリコンをベースとする光検
出器の技術は、上記のコンピュータ環境に適用するため
の要件をより完全に満たすことができ、充分に成熟した
CMOSまたはバイポーラ技術に組み込めるという重要
な利点がある。この技術は、光検出器のコストの増大を
最小限に抑え、寄生遅延と、コストのかかる組立てをな
くすことができる。このようなMSM光検出器は、容易
に集積でき、低いキャパシタンスと、良好な応答性とい
う利点を有する。たとえば、上記のM.イトウ他の論文
(Appl. Phys. Lett.,Vol.47,No.11,pp.1129〜1131,198
5年)を参照されたい。
One of the particular drawbacks of GaAs MSM photodetectors is that they are difficult to incorporate in silicon integrated circuits. In comparison, silicon-based photodetector technology is more important because it can more fully meet the requirements for application in the above computer environment and can be incorporated into sufficiently mature CMOS or bipolar technology. There are advantages. This technique minimizes the cost increase of the photodetector, eliminating parasitic delays and costly assembly. Such an MSM photodetector has the advantages of easy integration, low capacitance and good responsiveness. For example, the M. Ito et al. (Appl. Phys. Lett., Vol.47, No.11, pp.1129〜1131,198
5 years).

【0009】スペクトルの紫外領域、具体的には400
nmより短波長で動作するシリコンMSM光検出器も、
技術文献に報告、記載されている。短波長の応用例で問
題が生じることを避けるためにバルクSi上に作成した
MSM光検出器については、たとえば最近の論文、B.W.
マリンズ(Mullins)他、"A Simple High-Speed SiScho
ttky Photodiode"、IEEE Photonics Technol. Letts.,V
ol.3,No.4,pp.360〜362,1991年に見られる。以前のシリ
コンをベースとするMSM技術については、R.J.セイマ
ー(Seymour)、B.K.ガーサイド(Garside)、"Ultrafa
st SiliconInterdigital Photodiodes for Ultraviolet
Applications"、Can.J.Phys.,Vol.63,pp.707〜711,198
5年に記載されている。前者の論文では、ショットキー
・バリアをバルクSi上のNiの櫛形金属フィンガによ
って形成するが、後者の論文では、金属はn型シリコン
・オン・サファイア上のAuである。これらのデバイス
を作成するのに使用する材料及び工程は、既存のシリコ
ンVLSI技術に組み込む目的には適合しない。
The ultraviolet region of the spectrum, specifically 400
Silicon MSM photodetectors operating at wavelengths shorter than nm
Reported and described in the technical literature. For MSM photodetectors fabricated on bulk Si to avoid problems in short wavelength applications, see, for example, a recent paper, BW
Mullins et al., "A Simple High-Speed SiScho
ttky Photodiode ", IEEE Photonics Technol. Letts., V
ol.3, No.4, pp.360-362, 1991. For older silicon-based MSM technologies, see RJ Seymour, BK Garside, "Ultrafa
st SiliconInterdigital Photodiodes for Ultraviolet
Applications ", Can.J.Phys., Vol.63, pp.707 ~ 711,198
Listed in 5 years. In the former paper, the Schottky barrier is formed by Ni comb metal fingers on bulk Si, whereas in the latter paper, the metal is Au on n-type silicon-on-sapphire. The materials and processes used to make these devices are not compatible with the purpose of incorporating them into existing silicon VLSI technology.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、シリ
コン集積回路に適合し、短波長の適用に適したMSM光
検出器を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an MSM photodetector that is suitable for silicon integrated circuits and suitable for short wavelength applications.

【0011】本発明の他の目的は、感光度と応答速度が
改良されたMSM光検出器を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide an MSM photodetector with improved photosensitivity and response speed.

【0012】本発明の他の目的は、長波長の光が、櫛形
表面電極の電界の影響を受けない半導体内の深部でキャ
リアを発生し、したがってキャリアが捕集されるのが遅
く、検出器の光に対する応答を遅くする問題を解消する
ことにある。
Another object of the present invention is that long-wavelength light generates carriers deep inside the semiconductor that are not affected by the electric field of the comb-shaped surface electrode, so that the carriers are slow to be collected and the detector is It is to solve the problem of slowing the response to light.

【0013】本発明の他の目的は、櫛形電極間の光検出
器の表面領域を保護し不動態化する適当な二酸化シリコ
ン皮膜を提供し、デバイスの光活性半導体表面領域のス
ペクトル感度を広げることにある。
Another object of the present invention is to provide a suitable silicon dioxide coating that protects and passivates the surface area of the photodetector between the comb electrodes to broaden the spectral sensitivity of the photoactive semiconductor surface area of the device. It is in.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】本発明は、シリコン集積
回路との適合性が改善され、短波長の適用に適し、しか
も他の波長にも使用できるような形でショットキー・バ
リアを形成するために金属またはケイ化物を使用した、
MSM光検出器を提供することを対象とする。詳細に
は、本発明の方法及び製品は、シリコンの半導体表面層
と、シリコンに対するバリアの高さが中程度ないし高
く、したがって電極間にバイアス電圧が印加できる、金
属またはケイ化物の櫛形金属電極をもつショットキー・
バリア・ダイオードとを有する、金属・半導体・金属
(MSM)光検出器に関するものである。これらの電極
は、SALICIDEの概念と類似の方法で、選択的付
着、または選択的反応とエッチングによって、自己整合
メタライゼーションを使用して作成できる。SALIC
IDE(自己整合ケイ化物)法は、選択的付着法では、
付着させた金属コーティングが最終的にシリコンと接触
するシリコン表面の露出領域のみに接着することに基づ
くものである。このような金属の例には、タングステン
(W)やチタン(Ti)の薄膜があり、これらはシリコ
ンのみに接着し、シリコン表面の保護またはマスクされ
た領域には接着しない。SALICIDEの概念、及び
シリコンVLSI構造でのケイ化チタン(TiSi2
によるその実施については、第1回国際VLSI科学技
術シンポジウム論文集(Proceedin-gsof the First Int
ernational Symposium on Very Large Scale Integrati
onScience and Technology)、Vol.82-7,1982年に発表
された2つの論文に詳細に記載されている。第1の論
文、C.M.オズバーン(Osburn)他、"HighConductivityD
iffusions and Gate Regions Using Self-Aligned Sili
cideTechnology"は、従来のNMOS技術を用いた自己
整合ケイ化物構造について論じている。第2の論文、C.
Y.ティン(Ting)他、"The Use of Tisi2 in aSelf-Ali
gned Silicide Technology"は、TiSi2の形成及び材
料特性について論じている。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention forms a Schottky barrier in such a way that it has improved compatibility with silicon integrated circuits, is suitable for short wavelength applications, and can be used for other wavelengths. Using a metal or silicide for
It is directed to providing an MSM photodetector. In particular, the methods and products of the present invention include a semiconductor surface layer of silicon and a metal or silicide comb metal electrode having a moderate to high barrier to silicon so that a bias voltage can be applied between the electrodes. Schottky with
A metal-semiconductor-metal (MSM) photodetector having a barrier diode. These electrodes can be made using self-aligned metallization in a manner similar to the SALICIDE concept, by selective deposition or selective reaction and etching. SALIC
The IDE (self-aligned silicide) method is
It is based on the fact that the deposited metal coating adheres only to the exposed areas of the silicon surface that ultimately contact the silicon. Examples of such metals include thin films of tungsten (W) and titanium (Ti), which adhere only to silicon and not to protected or masked areas of the silicon surface. SALICIDE concept and titanium silicide (TiSi 2 ) in silicon VLSI structure
For the implementation of the first Int by the 1st International VLSI Science and Technology Symposium (Proceedin-gsof the First Int
ernational Symposium on Very Large Scale Integrati
onScience and Technology), Vol.82-7, two papers published in 1982. The first paper, CM Osburn and others, "HighConductivityD
iffusions and Gate Regions Using Self-Aligned Sili
Cide Technology "discusses self-aligned silicide structures using conventional NMOS technology. Second paper, C.
Y. Ting et al., "The Use of Tisi2 in aSelf-Ali
gned Silicide Technology "discusses the formation and material properties of TiSi 2.

【0015】好ましい方法では、本発明による製造工程
の始めに、基板の露出したSi表面を、透明な酸化物皮
膜でコーティングして、Siと酸化物の界面が低い表面
再結合速度と低い界面状態密度を示し、これにより得ら
れる光検出器の感度が高まり、動作速度が上げるように
する。櫛形パターンを、適当なリソグラフィ技術により
酸化物皮膜を通してエッチングして、Si表面をパター
ンの形で露出させる。次に、自己整合メタライゼーショ
ンを使用して、露出したSi表面に金属または金属ケイ
化物の部材を形成し、インターディジタル・キャリア走
行時間と感光性が最適になるように間隔をあけた、十分
に丸くなった断面をもつ櫛形ケイ化物電極を形成する。
In a preferred method, at the beginning of the manufacturing process according to the invention, the exposed Si surface of the substrate is coated with a transparent oxide film so that the Si-oxide interface has a low surface recombination rate and a low interface state. The density is indicated so that the sensitivity of the resulting photodetector is increased and the operating speed is increased. The comb pattern is etched through the oxide film by a suitable lithographic technique to expose the Si surface in the pattern. Next, self-aligned metallization is used to form metal or metal silicide members on the exposed Si surface, spaced for optimal interdigital carrier transit time and photosensitivity, and well Form a comb silicide electrode with a rounded cross section.

【0016】代替方法として、好ましい製造技術におけ
るように、金属の付着及びシリコン表面との反応を利用
して金属ケイ化物を形成する代りに、金属ケイ化物を金
属ケイ化物供給源からSi表面上に直接付着させ、得ら
れたケイ化物皮膜をリソグラフィにより輪郭を画定し
て、所望のケイ化物電極パターンを形成することもでき
る。
Alternatively, as in the preferred fabrication technique, instead of utilizing metal deposition and reaction with the silicon surface to form the metal silicide, the metal silicide is sourced from the metal silicide source onto the Si surface. It can also be deposited directly and the resulting silicide film lithographically contoured to form the desired silicide electrode pattern.

【0017】いずれの場合も、酸化物は、櫛形電極間の
光検出器の光活性表面領域を保護し不動態化する、高品
質の透明な二酸化シリコン皮膜であることが好ましい。
インターディジタル・キャパシタンスは酸化物によって
増大するが、それ自体が比較的薄い層であるシリコン表
面より凹んだ薄い金属電極を使用することにより減少す
る傾向があり、この工程及び構造全体が従来のシリコン
集積回路技術に適合する。
In each case, the oxide is preferably a high quality transparent silicon dioxide film that protects and passivates the photoactive surface areas of the photodetector between the comb electrodes.
The interdigital capacitance is increased by the oxide, but tends to be reduced by using thin metal electrodes recessed from the silicon surface, which itself is a relatively thin layer, and this process and overall structure is Suitable for circuit technology.

【0018】本発明のもう1つの特徴は、所望の動作波
長で反射防止皮膜として機能するように透明な酸化物皮
膜の厚みを調節することである。最良の性能を得るた
め、皮膜の厚みを動作波長λの適当な倍数とする。皮膜
の厚みTは、 T=(n+0.25)λ/R で与えられる。上式で、nは0または整数、Rは皮膜の
屈折率である。
Another feature of the invention is to adjust the thickness of the transparent oxide coating to function as an antireflective coating at the desired operating wavelength. For best performance, the film thickness should be an appropriate multiple of the operating wavelength λ. The film thickness T is given by T = (n + 0.25) λ / R. In the above formula, n is 0 or an integer, and R is the refractive index of the film.

【0019】さらに、Geを添加してSiGe層すなわ
ちSi1-xGex(0<x<1)層を形成することによっ
て、感光性表面領域のシリコンのスペクトル感度を、広
げることができる。たとえば、本発明の1実施例では、
厚み約1〜3μmのこのようなSiとGeの合金の層
を、基板表面上にエピタキシャル成長させ、その上に厚
み約0.25μmの単結晶Siの薄い層をコーティング
し、酸化物層をコーティングして、感光性のSi−Ge
層の上に高品質の不動態層を形成する。感光性のSi−
Ge表面層の組成は、ゲルマニウムの含有量が上述のよ
うに0%Geから100%Geまでになるように調節す
ることができる。長波長ではGeの吸光率が増大するた
め、Si−Ge層の感光性を、波長850nmから約
1.8μmまで広げることができる。
Further, by adding Ge to form a SiGe layer, that is, a Si 1-x Ge x (0 <x <1) layer, the spectral sensitivity of silicon in the photosensitive surface region can be broadened. For example, in one embodiment of the invention,
A layer of such an alloy of Si and Ge having a thickness of about 1 to 3 μm is epitaxially grown on the surface of the substrate, a thin layer of single crystal Si having a thickness of about 0.25 μm is coated thereon, and an oxide layer is coated thereon. Photosensitive Si-Ge
Form a high quality passivation layer on top of the layer. Photosensitive Si-
The composition of the Ge surface layer can be adjusted so that the germanium content is 0% Ge to 100% Ge as described above. Since the absorptance of Ge increases at long wavelengths, the photosensitivity of the Si-Ge layer can be extended from a wavelength of 850 nm to about 1.8 μm.

【0020】SiにGeを添加すると、さらに、この材
料に衝突する光子が浸透する深さが減少するため、短波
長でのデバイスの速度が増大する利点がある。Geを添
加しない場合に表面の電界から遠いところで発生するキ
ャリアは、Geを添加すると発生しない。SiとGeの
組成を調節することにより、キャリアの発生は、電界の
最も強いデバイスの表面に非常に近いところに限定され
る。このことは、検出器の光に対する応答速度を高める
という望ましい効果がある。このように、材料の組成と
検出器表面の構造を調節することによって、光検出器の
性能と安定性が増大するとともに、シリコンMSM検出
器を標準のシリコンVLSIの製法に適合させることが
容易になる。
The addition of Ge to Si also has the advantage of increasing the speed of the device at short wavelengths, since it also reduces the penetration depth of photons impinging on this material. When Ge is not added, carriers generated far from the electric field on the surface do not occur when Ge is added. By adjusting the composition of Si and Ge, carrier generation is limited to very close to the surface of the device with the strongest electric field. This has the desired effect of increasing the detector's response speed to light. Thus, adjusting the composition of the material and the structure of the detector surface enhances the performance and stability of the photodetector and makes it easier to adapt the silicon MSM detector to standard silicon VLSI manufacturing processes. Become.

【0021】本発明の他の特徴は、光が、櫛形表面電極
の電界の影響を受けない半導体の深部でキャリアを発生
し、したがってキャリアが捕集されるのが遅く、検出器
の光に対する応答を遅くする問題を解決することによっ
て、デバイスの感度と速度が増大することであり、半導
体表面層を基板からバリア層で分離することに関連す
る。バリア層は、1)透明で絶縁性であるか、2)吸光
性があり、光キャリアが電界によって捕集される前に再
結合するか、あるいは3)この層が光を反射する層、た
とえば、誘電体ミラーであって、光活性領域内の入射光
をすべて効率よく捕捉して、発生するキャリアの数を増
大させ、より感度の高いデバイスをもたらすものとする
ことができる。活性表面領域から遠いところではキャリ
アが発生しないので、デバイスの速度は直前の測定の影
響を受けない。
Another feature of the present invention is that the light generates carriers deep inside the semiconductor which are not affected by the electric field of the comb-shaped surface electrode, so that the carriers are collected slowly and the response of the detector to the light is high. The solution to the problem of slowing the device is to increase the sensitivity and speed of the device, which is associated with separating the semiconductor surface layer from the substrate with a barrier layer. The barrier layer may be 1) transparent and insulative, 2) absorptive and may recombine before the photocarriers are collected by the electric field, or 3) a layer in which this layer reflects light, for example , A dielectric mirror that can efficiently trap all incident light in the photoactive region, increase the number of carriers generated, and provide a more sensitive device. Since no carriers are generated far from the active surface area, the speed of the device is unaffected by previous measurements.

【0022】[0022]

【実施例】図1は、本発明によるMSM光検出器構造の
基本要素の平面図である。この構造は基本的に、自己整
合または選択法により、シリコン表面11(図2)内の
協働する2組の金属またはケイ化物から形成した櫛形金
属部材またはフィンガ10の電極パターンから構成され
る。電極の金属は、PtSi、TiSi2、WSi
2、PdSi 2等のケイ化物、またはW、Ti、Pt、P
d、Hf等の金属とすることができる。電極材料はま
た、所期の動作波長で透明なものを選ぶこともでき、た
とえば、このような電極は、酸化インジウムスズ(IT
O)とすることができる。この金属の最も重要な特性
は、Siに対して中程度または高いバリア高さを有し、
そのため、電極要素10間に十分高いバイアス電圧を印
加できることである。表面11上のインターディジタル
空間を、二酸化シリコン(SiO)、窒化シリコン(S
iN)、酸窒化シリコン等の透明皮膜でコーティングし
て、高速動作に必要な、低い表面再結合速度を確保す
る。電気接触パッド21、22はそれぞれ2組の電極に
接続され、これにより隣接する電極要素または部材10
に電位が印加されて、図2に示すような一連のインター
ディジタル電界20を形成する。
1 is a plan view of the basic elements of an MSM photodetector structure according to the present invention. This structure basically consists of an electrode pattern of comb-shaped metal members or fingers 10 formed from two cooperating sets of metals or silicides in a silicon surface 11 (FIG. 2) by a self-aligned or selective method. The electrode metal is PtSi, TiSi 2 , WSi
2, silicide such as PdSi 2 , or W, Ti, Pt, P
It may be a metal such as d or Hf. The electrode material can also be selected to be transparent at the intended operating wavelength, for example such an electrode can be made of indium tin oxide (IT).
O). The most important property of this metal is that it has a moderate or high barrier height for Si,
Therefore, a sufficiently high bias voltage can be applied between the electrode elements 10. The interdigital space on the surface 11 is defined by silicon dioxide (SiO), silicon nitride (S
iN), a transparent film such as silicon oxynitride to ensure a low surface recombination rate necessary for high speed operation. The electrical contact pads 21, 22 are each connected to two sets of electrodes, which allow adjacent electrode elements or members 10 to be connected.
An electric potential is applied to a series of interdigital electric fields 20 as shown in FIG.

【0023】好ましい装置及び製法は、一般に下記の基
準を満たすような形で行う自己整合メタライゼーション
を必要とする。 1.櫛形電極10は短絡しないもので、動作波長で吸収
長さと寸法が同程度であり、かつデバイスの性能が最適
になるように、インターディジタル空間を小さくとる。 2.櫛形酸化物または窒化物コーティング12は、ほと
んどの波長に対して透明であり、低い表面再結合速度を
保証する。 3.櫛形酸化物または窒化物コーティング12は、反射
防止コーティングとして機能するように厚みを調節す
る。 4.ケイ化物を生成する反応により、Si中の電極が十
分に丸まった(鋭くない)断面となり、絶縁破壊に関連
する問題を生じない。 5.櫛形電極10は、Si表面11(図2)より低く凹
んだ薄い金属またはケイ化物とする。 6.金属とケイ化物は、Siに対する電子/正孔バリア
高さが十分に高いものを使用する。 7.製造工程及び構造が、従来のシリコン集積回路技術
に適合する。 8.デバイスの光活性領域が、従来の単結晶シリコン基
板の表面層、またはシリコン基板の表面上に成長させた
エピタキシャル層のみに限定されている。 9.エピタキシャル表面層は、シリコン中のゲルマニウ
ムの量が、0%から10%まで変化する組成範囲のシリ
コンとゲルマニウムを含有するように、組成と厚みを調
節することができる。
The preferred apparatus and fabrication method generally requires self-aligned metallization in a manner that meets the following criteria: 1. The comb-shaped electrode 10 is not short-circuited, and the interdigital space is made small so that the absorption length and size are about the same at the operating wavelength and the device performance is optimized. 2. The comb oxide or nitride coating 12 is transparent for most wavelengths, ensuring a low surface recombination rate. 3. The comb oxide or nitride coating 12 adjusts its thickness to act as an antireflection coating. 4. The reaction to form the silicide results in a well rounded (not sharp) cross section of the electrode in Si without the problems associated with dielectric breakdown. 5. The comb electrode 10 is a thin metal or silicide that is recessed lower than the Si surface 11 (FIG. 2). 6. As the metal and the silicide, those having a sufficiently high electron / hole barrier height with respect to Si are used. 7. The manufacturing process and structure are compatible with conventional silicon integrated circuit technology. 8. The photoactive region of the device is limited to the surface layers of conventional single crystal silicon substrates or only epitaxial layers grown on the surface of silicon substrates. 9. The composition and thickness of the epitaxial surface layer can be adjusted so that the amount of germanium in silicon contains silicon and germanium in a composition range in which the content of germanium varies from 0% to 10%.

【0024】さらに詳細には、特定の製法の各工程を図
3にフローチャートの形で示す。工程(a)ないし
(h)の詳細は下記の通りである。まず、結晶配向(1
00)、直径125mm、N型、5〜10Ω・cmのシ
リコン・ウェーハ(図3(a))から出発し、これを熱
酸化して、シリコン・ウェーハの表面上に厚み約250
nmのSiO2皮膜を成長させる(図3(b))。酸化
物の表面上に塗布したレジスト層中に、リソグラフィ技
術を使用して、櫛形フィンガのパターンを描く。露出し
た、すなわち保護されていない酸化物皮膜の厚みの約8
0%をエッチングによって除去した後、表面からレジス
トを完全にはがし、ウェーハを完全に洗浄する。次に、
櫛形パターンの残った酸化物皮膜を、希釈したHF水溶
液に浸漬してエッチングし(図3(c))、その直後に
厚み約40nmの白金(Pt)皮膜を蒸着する(図3
(d))。温度、時間、及びガス雰囲気を厳密に制御し
てウェーハを加熱することにより、櫛形パターン中のS
iと接触するPt皮膜をPtSiに変換する(図3
(e))。ウェーハは最初、純粋な窒素やアルゴンなど
の酸素をまったく含まない不活性ガス中で250℃に1
時間加熱する。その直後、好ましくはその場で、10%
の酸素を含有する窒素またはアルゴン・ガス中で20〜
30分間、375〜550℃で第2の熱処理を行う。ガ
ス雰囲気中の酸素濃度は概略で、広範囲に変化させるこ
とができる。2温度アニーリングの工程は、完成した光
検出器の性能を良好にするために必要なPtSiメタラ
ジを成功させるのに極めて重要である。低温では、Pt
が完全にPt2Siに変換し、酸素が存在しないため、
有害なSiO2の生成が避けられる。次の高温アニーリ
ングでは、PtがすでにSiと結合していれば、Pt2
SiのPtSiへの変換が容易に進行し、同時に、酸素
が存在するため、PtSi表面に薄いSiO2皮膜が形
成する。PtSi上の酸化物は、次のウェーハ表面上の
未反応Ptのエッチングの間に、PtSiフィンガの保
護皮膜として働くので、不可欠である。次に、未反応の
遊離白金を、HCLとHNO3を約3:1の体積比で含
有する酸混合物中で選択的にエッチングする(図3
(f))。PtSiフィンガ電極上に酸化物皮膜がない
と、この酸混合物はPtSiを侵食し、最終デバイスの
ショットキー・バリア・ダイオード(SBD)の接合部
をひどく劣化させる。PtSiメタラジの保全性は、ア
ニーリングとエッチング条件で決まるが、SBDの洩れ
電流に、したがってMSM光検出器の性能に影響を与え
る。Pt皮膜のエッチング後、ウェーハ上にアルミニウ
ム皮膜(約600nm)を付着させ(図3(g))、再
びリソグラフィ技術によってパターンを形成して、櫛形
電極への電気的接触パッドを形成する(図3(h))。
完成したデバイスの最終的な酸化物の厚みを、約150
nmに調節して、デバイス表面に所期の反射防止特性を
持たせる。接触パッドを付着させる前の、得られた構造
の断面を図4に示すが、これを形成するには、2回のリ
ソグラフィ・マスキング・レベルしか必要ないことが理
解できよう。また、この工程は下記の利点があることが
分かるであろう。 1)高いバリア、したがって低い暗電流のデバイスを得
るために、PtSi(φn=0.86V)を使用する。 2)工程の複雑さを最小にし、自己整合構造を得るため
に、自己整合ケイ化物(SALICIDE)を使用す
る。 3)表面再結合を減少させるために、デバイスの活性領
域に熱酸化による不動態化皮膜を使用する。 4)現在のバイポーラ及びCMOS工程に容易に適合で
きるように、金属付着後に低温工程を使用する。
More specifically, the steps of a particular manufacturing process are shown in flow chart form in FIG. Details of steps (a) to (h) are as follows. First, the crystal orientation (1
00), 125 mm in diameter, N type, 5 to 10 Ω · cm of a silicon wafer (FIG. 3A), which is thermally oxidized to have a thickness of about 250 on the surface of the silicon wafer.
A SiO 2 film of nm is grown (FIG. 3 (b)). Lithographic techniques are used to create a pattern of comb fingers in a resist layer applied on the surface of the oxide. About 8 of exposed or unprotected oxide film thickness
After removing 0% by etching, the resist is completely stripped from the surface and the wafer is thoroughly cleaned. next,
The remaining oxide film having the comb-shaped pattern is immersed in a diluted HF aqueous solution for etching (FIG. 3C), and immediately thereafter, a platinum (Pt) film having a thickness of about 40 nm is deposited (FIG. 3).
(D)). By heating the wafer by strictly controlling the temperature, the time, and the gas atmosphere, the S in the comb pattern is reduced.
The Pt film contacting i is converted to PtSi (Fig. 3
(E)). The wafers were first exposed to 250 ° C in an inert gas containing no oxygen such as pure nitrogen or argon.
Heat for hours. Immediately thereafter, preferably 10% on the spot
20-in nitrogen or argon gas containing oxygen
A second heat treatment is performed at 375 to 550 ° C. for 30 minutes. The oxygen concentration in the gas atmosphere can be roughly changed over a wide range. The two temperature annealing step is crucial to the successful PtSi metallurgy necessary for good performance of the finished photodetector. At low temperatures, Pt
Completely converted to Pt 2 Si and no oxygen is present,
The formation of harmful SiO 2 is avoided. In the next high temperature anneal, if Pt is already bonded to Si, Pt 2
The conversion of Si to PtSi easily progresses, and at the same time, since oxygen exists, a thin SiO 2 film is formed on the PtSi surface. The oxide on PtSi is essential because it acts as a protective coating on the PtSi fingers during subsequent etching of unreacted Pt on the wafer surface. The unreacted free platinum is then selectively etched in an acid mixture containing HCL and HNO 3 in a volume ratio of about 3: 1 (FIG. 3).
(F)). In the absence of an oxide film on the PtSi finger electrode, this acid mixture erodes PtSi, severely degrading the Schottky barrier diode (SBD) junction in the final device. The integrity of the PtSi metallurgy, which depends on the annealing and etching conditions, affects the leakage current of the SBD and thus the performance of the MSM photodetector. After etching the Pt film, an aluminum film (about 600 nm) is deposited on the wafer (FIG. 3 (g)), and a pattern is formed again by the lithographic technique to form an electrical contact pad to the comb-shaped electrode (FIG. 3). (H)).
The final oxide thickness of the finished device is approximately 150
nm so that the device surface has a desired antireflection property. A cross section of the resulting structure is shown in FIG. 4 before the contact pads are applied, but it will be appreciated that only two lithographic masking levels are required to form this. It will also be appreciated that this process has the following advantages. 1) Use PtSi (φ n = 0.86V) to obtain high barrier and thus low dark current devices. 2) Use self-aligned silicide (SALICIDE) to minimize process complexity and obtain self-aligned structures. 3) Use a thermal oxidation passivation film in the active area of the device to reduce surface recombination. 4) Use a low temperature process after metal deposition so that it is easily compatible with current bipolar and CMOS processes.

【0025】本発明に従ってMSM光検出器を製造する
際にSALICIDEを適用した好ましい方法の各工程
中のデバイスの形状を、図5ないし図9に順に示す。こ
の方法は、基板2上のシリコン層1の表面11から出発
して、下記の工程で実施できる。 1.Siの露出した表面11に、図6にSiO2で示す
熱成長酸化物、付着酸化物または酸窒化物をコーティン
グし、酸化物とSiの界面が低い表面再結合速度を示す
ようにする。 2.標準のリソグラフィ技術により、酸化物皮膜12を
通して櫛形パターン13をエッチングする(図7)。 3.図8に示すように、構造全体に金属(たとえばP
t)14を付着させる。 4.高温でアニーリングしてPtSi10を形成した
後、酸化物表面12上の未反応のPt14をエッチング
すると、図9に示す構造が残る。
The device geometries during each step of the preferred method of applying SALICIDE in manufacturing an MSM photodetector according to the present invention are shown in sequence in FIGS. This method can be carried out starting from the surface 11 of the silicon layer 1 on the substrate 2 in the following steps. 1. The exposed surface 11 of Si is coated with a thermally grown oxide, deposited oxide or oxynitride, shown as SiO 2 in FIG. 6, so that the oxide-Si interface exhibits a low surface recombination rate. 2. The comb pattern 13 is etched through the oxide film 12 by standard lithographic techniques (FIG. 7). 3. As shown in FIG. 8, metal (for example, P
t) Attach 14 4. The unreacted Pt 14 on the oxide surface 12 is etched after annealing at high temperature to form PtSi 10, leaving the structure shown in FIG.

【0026】別法として、図8及び図9の工程のよう
に、金属14を付着させ、エッチングする代りに、図1
0ないし図13に示すような選択的付着法を行ってもよ
い。上記のSALICIDE法の最初の3工程を行っ
て、図12に示すデバイスを形成した後、金属(たとえ
ばWまたはTi)もしくは金属ケイ化物15を、パター
ンを形成した酸化物12のシリコン表面11の露出部分
と選択的に反応させ、図13に示すような櫛形ケイ化物
電極を形成する。最後に、別々の金属接触パッドを2組
の櫛形電極に設け、これによって電極間に電界を形成さ
せる。
Alternatively, instead of depositing and etching the metal 14 as in the steps of FIGS. 8 and 9, FIG.
A selective attachment method as shown in FIGS. After performing the first three steps of the SALICID method described above to form the device shown in FIG. 12, a metal (eg, W or Ti) or metal silicide 15 is exposed on the silicon surface 11 of the patterned oxide 12. The portion is selectively reacted to form a comb-shaped silicide electrode as shown in FIG. Finally, separate metal contact pads are provided on the two sets of comb electrodes, thereby creating an electric field between the electrodes.

【0027】図14は、本発明による完成したMSM光
検出器の断面斜視図、図15は、図14のデバイスの一
部の拡大図で、光活性表面領域1での構造を示す。
FIG. 14 is a cross-sectional perspective view of a completed MSM photodetector according to the present invention, and FIG. 15 is an enlarged view of a portion of the device of FIG. 14, showing the structure at the photoactive surface region 1.

【0028】上記のいずれの方法を使用しても、酸化物
12は、櫛形電極10の間の光検出器の光活性シリコン
表面領域1を保護し不動態化する、高品質の透明な二酸
化シリコンであることが好ましい。インターディジタル
・キャパシタンスは、酸化物によって増大するが、それ
自体が比較的薄い層の上にあるシリコン表面により凹ん
だ薄い金属電極の使用により減少する傾向もあり、工程
及び構造全体が、従来のシリコン集積回路技術と適合す
る。
Using any of the above methods, the oxide 12 protects and passivates the photoactive silicon surface area 1 of the photodetector between the comb electrodes 10 and is a high quality transparent silicon dioxide. Is preferred. The interdigital capacitance is also increased by the oxide, but also tends to be reduced by the use of thin metal electrodes recessed by the silicon surface, which itself overlies a relatively thin layer, and the overall process and structure is less than conventional silicon. Compatible with integrated circuit technology.

【0029】さらに本発明によれば、透明な酸化物皮膜
12の厚みは、所期の動作波長で反射防止皮膜として機
能するように調節することができる。たとえば、動作波
長が600nm、皮膜の屈折率が1.5の場合、最良の
性能を得るために必要な皮膜の厚みTは、100nm、
500nm、900nm、1300nm、1700nm
などで、この値は、T=600(n+0.25)/1.
5、(n=1,2,3,4,...)から求められる。
Further in accordance with the present invention, the thickness of the transparent oxide coating 12 can be adjusted to function as an antireflective coating at the intended operating wavelength. For example, if the operating wavelength is 600 nm and the refractive index of the coating is 1.5, the thickness T of the coating required to obtain the best performance is 100 nm,
500nm, 900nm, 1300nm, 1700nm
Etc., this value is T = 600 (n + 0.25) / 1.
5, (n = 1, 2, 3, 4, ...).

【0030】本発明の他の特徴は、SiにGeを添加す
ることにより、光活性表面領域のシリコンのスペクトル
感度が拡大することである。たとえば、図16に示すよ
うに、厚み約1〜3μmのSi−Ge合金層13を、基
板2の表面上にエピタキシャル成長させ、その上に厚み
約0.25μmの単結晶Siの薄い膜14をコーティン
グして、酸化物層12をコーティングした後の光活性S
i−Ge層の上に高品質の不動態化皮膜を形成すること
ができる。光活性Si−Ge表面層13の組成、すなわ
ちSi1-xGex(0<x<1)は、ゲルマニウムの量が
0〜100%になるように調節することができる。長波
長におけるGeの吸光率はSiより大きいので、Si−
Ge層の感光性を、850nm(約20〜30%Ge)
の波長に、さらにそれを越えて約1.8μmにまで拡大
することができる。
Another feature of the invention is that the addition of Ge to Si broadens the spectral sensitivity of silicon in the photoactive surface region. For example, as shown in FIG. 16, a Si—Ge alloy layer 13 having a thickness of about 1 to 3 μm is epitaxially grown on the surface of the substrate 2, and a thin film 14 of single crystal Si having a thickness of about 0.25 μm is coated thereon. The photoactive S after coating the oxide layer 12
A high quality passivation film can be formed on the i-Ge layer. The composition of the photoactive Si-Ge surface layer 13, i.e., Si 1-x Ge x (0 <x <1) can be adjusted so that the amount of germanium is 0 to 100%. Since the absorption coefficient of Ge at long wavelengths is larger than that of Si, Si-
The sensitivity of the Ge layer is 850 nm (about 20 to 30% Ge).
Can be extended to about 1.8 μm and beyond.

【0031】SiにGeを添加すると、この材料に衝突
する光子の浸透する深さが減少するため、短波長でのデ
バイスの速度が増大する利点もある。Si−Geの組成
を調節することにより、キャリアの生成が、電界が最も
強いデバイスの表面に非常に近いところに限定される。
組成を調節しなければ表面の電界から遠距離の所で発生
するはずのキャリアが発生しないため、このことは検出
器の光に対する応答速度を増大させるという好ましい効
果がある。このように、材料組成と検出器表面の構造を
有効に調節することにより、光検出器の性能と安定性が
増大するとともに、シリコンMSM検出器を標準のシリ
コンVLSI製造方法に組み込むのが容易になる。
The addition of Ge to Si also has the advantage of increasing the speed of the device at short wavelengths, because the penetration depth of photons impinging on this material is reduced. By adjusting the Si-Ge composition, carrier generation is limited to very close to the surface of the device where the electric field is strongest.
This has the positive effect of increasing the response speed of the detector to light, since no carriers are generated which would otherwise occur at a distance from the surface electric field unless the composition is adjusted. Thus, by effectively adjusting the material composition and structure of the detector surface, the performance and stability of the photodetector is increased and the silicon MSM detector is easily integrated into standard silicon VLSI manufacturing methods. Become.

【0032】次に、本発明の他の特徴であるバリア層の
使用による、衝突する光子の浸透深さの問題への対処に
ついて述べる。
Next, the use of the barrier layer, which is another feature of the present invention, will be described to deal with the problem of the penetration depth of impinging photons.

【0033】本発明を適用した具体例として、図3に示
すようなVLSI適合方法により、SiO2不動態層を
有する自己整合PtSiショットキー・バリア・メタラ
ジを使用して、いくつかの高帯域幅Si MSM光検出
器を製造した。抵抗率が2〜15Ω・cmのN型基板を
使って、自己整合法でPtSiショットキー・バリアを
製造した。線幅は1μmと一定に保ち、フィンガの間隔
を1〜7μmに変化させた。これらの検出器は、波長が
700nmより長い高速の応用例に最適であり、フィン
ガ間隔が1.6μm、デバイス全面積が6375μm2
でそのうち50%が活性の場合、630nmの励起で、
従来のSiスペクトル応答を示し、3dBの測定しゃ断
周波数が1.1GHzを超え、応答性が0.3A/Wを
超えることが分かった。
As an example of application of the present invention, a VLSI compatible method such as that shown in FIG. 3 was used to produce several high bandwidths using self-aligned PtSi Schottky barrier metallurgy with SiO 2 passivation layer. A Si MSM photodetector was manufactured. A PtSi Schottky barrier was manufactured by a self-alignment method using an N-type substrate having a resistivity of 2 to 15 Ω · cm. The line width was kept constant at 1 μm, and the finger interval was changed to 1 to 7 μm. These detectors are ideal for high speed applications with wavelengths longer than 700 nm, with finger spacing of 1.6 μm and total device area of 6375 μm 2.
And if 50% of them are active, then at 630 nm excitation,
It shows a conventional Si spectrum response, and it was found that the measured cutoff frequency of 3 dB exceeds 1.1 GHz and the response exceeds 0.3 A / W.

【0034】表Iは、PtSi電極の空隙が0.6〜
6.6μmで、電極の幅が1.4μmと一定な、7個の
櫛形MSM構造の重要なデバイス幾何パラメータを要約
したものである。
Table I shows that the PtSi electrode has a void of 0.6-
It summarizes the important device geometric parameters of the seven comb MSM structure with a width of 6.6 μm and a constant electrode width of 1.4 μm.

【表1】 [Table 1]

【0035】MSM光検出器の設計を最適にするには、
吸収の深さとインターディジタル空間の間隔とディプリ
ーションの深さが同程度である必要がある。シリコンの
吸収深さは、波長が400nmの場合の500nm未満
から、波長850nmの場合の10μmを超える深さま
で増大する。シリコンの吸収深さは、850nmより長
い波長では、シリコンに0〜100%の範囲のゲルマニ
ウムを添加することにより減少させることができる。製
造したデバイスでは、Siの吸収深さは、測定の目的で
選択した波長630nmで約3μmであった。
To optimize the design of the MSM photodetector,
The absorption depth, the interdigital space interval, and the depletion depth must be similar. The absorption depth of silicon increases from less than 500 nm at a wavelength of 400 nm to more than 10 μm at a wavelength of 850 nm. The absorption depth of silicon can be reduced at wavelengths longer than 850 nm by adding germanium in the range of 0-100% to silicon. In the manufactured device, the absorption depth of Si was about 3 μm at the wavelength of 630 nm selected for the purpose of measurement.

【0036】製造したデバイスの電気的及び光学的性質
を測定、試験し、図17ないし図22にこれらのデバイ
スの各種特性を示す。図17は、異なるフィンガ間隔で
のMSM光検出器の直流特性を示す。この特性曲線は対
称で、暗電流が全ケイ化面積とともに増大する。間隔が
最も小さいデバイスが最高の暗電流を示す。DLTS測
定によれば、ディプリーション領域内に深いレベルが存
在する証拠はない。図18は、フィンガ間隔が6μmの
デバイスのバイアス電圧4Vでの直流スペクトル応答を
示す。この測定値は、白色光源を有する走査モノクロメ
ータを使用して求めたものである。633nmにおける
最大直流応答性は約0.42A/Wである。バイアス電
圧を変化させた場合の、電極間隔が3.6μmのデバイ
スの633nmにおける光出力に関する直流応答性を、
図19に示す。
The electrical and optical properties of the manufactured devices were measured and tested, and various characteristics of these devices are shown in FIGS. FIG. 17 shows the DC characteristics of the MSM photodetector with different finger spacing. This characteristic curve is symmetrical and the dark current increases with total silicified area. The device with the smallest spacing has the highest dark current. There is no evidence of deep levels within the depletion region according to DLTS measurements. FIG. 18 shows the DC spectral response at a bias voltage of 4 V for a device with a finger spacing of 6 μm. This measurement is obtained using a scanning monochromator with a white light source. The maximum DC response at 633 nm is about 0.42 A / W. The DC responsiveness of the device with an electrode interval of 3.6 μm to the optical output at 633 nm when the bias voltage was changed was
It shows in FIG.

【0037】パルス・レーザにより、波長532nm及
び630nmで時間ドメイン応答の測定を行った。パス
ル幅と反復速度はそれぞれ100MHzで2ピコ秒、7
6MHzで0.3ピコ秒であった。図20に、代表的な
インパルス応答を示す。この結果は、11Ω・cmの基
板上にフィンガ間隔1.6μmで製作したデバイスにつ
いて5Vのバイアス電圧で得られたものである。630
nmで平均電力100μWを使用した。対応する周波数
応答は、3dBの電気的帯域幅が1.1GHzである。
図21には、5Ω・cmの基板上にフィンガ間隔1.6
μmで製作したデバイスの、630nmでの3dBの電
気的帯域幅と、バイアス電圧の関係を示す。図22は、
2.0Vのバイアス電圧をかけた検出器を有するトラン
スインピーダンス増幅器に結合された、フィンガ間隔が
2.6μmのSi MSM光検出器の、波長532nm
での時間ドメイン応答を示す。
The time domain response was measured with a pulsed laser at wavelengths 532 nm and 630 nm. The pulse width and repetition rate are 2 picoseconds and 7 at 100 MHz, respectively.
It was 0.3 picoseconds at 6 MHz. FIG. 20 shows a typical impulse response. This result was obtained at a bias voltage of 5 V for a device manufactured on a substrate of 11 Ω · cm with a finger spacing of 1.6 μm. 630
An average power of 100 μW in nm was used. The corresponding frequency response is 1.1 GHz with a 3 dB electrical bandwidth.
In FIG. 21, the finger spacing is 1.6 on the substrate of 5 Ω · cm.
3 shows the relationship between the electrical bandwidth of 3 dB at 630 nm and the bias voltage for a device fabricated with μm. FIG. 22 shows
Wavelength 532nm of a Si MSM photodetector with a finger spacing of 2.6μm coupled to a transimpedance amplifier with a detector biased to 2.0V.
Shows the time domain response at.

【0038】本発明の他の特徴は、長波長の光が、櫛形
表面電極の電界の影響を受けない半導体内の深部でキャ
リアを発生し、したがってキャリアが捕集されるのが遅
く、検出器の光に対する応答を遅くする問題を解決する
ことである。この目的のため、図23に示すように、た
とえば厚みが約1〜3μmの光活性半導体表面層1を、
埋込みバリア層30によって、シリコン基板2から分離
する。その目的は、光活性層1を基板2から電気的及び
光学的に絶縁することである。さらに具体的には、バリ
ア層は下記の1つまたはいくつかの機能を実行するよう
に設計する。 (1)光学的に透明で、電気絶縁性の層31(図24)
として、たとえば二酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒
化シリコン、ガラスなど。 (2)光学的に不透明、または吸光層32(図25)と
して、たとえばきわめて高濃度にドーピングしたN型ま
たはP型のSi及びドーピングしたSi−Ge合金。 (3)1つまたは複数の薄膜からなる光学的反射層33
(図26)として、たとえば二酸化シリコンまたは窒化
シリコンで、この膜は効果的に誘電体ミラーを形成す
る。
Another feature of the present invention is that long wavelength light produces carriers deep inside the semiconductor which are unaffected by the electric field of the comb-shaped surface electrode, and thus the carriers are slow to be collected and the detector is Is to solve the problem of slowing the response to light. For this purpose, as shown in FIG. 23, for example, a photoactive semiconductor surface layer 1 having a thickness of about 1 to 3 μm is
It is separated from the silicon substrate 2 by the buried barrier layer 30. Its purpose is to electrically and optically insulate the photoactive layer 1 from the substrate 2. More specifically, the barrier layer is designed to perform one or several of the following functions. (1) Optically transparent and electrically insulating layer 31 (FIG. 24)
For example, silicon dioxide, silicon nitride, silicon oxynitride, glass, etc. (2) As the optically opaque or light-absorbing layer 32 (FIG. 25), for example, N-type or P-type Si doped with extremely high concentration and a doped Si-Ge alloy. (3) Optical reflection layer 33 composed of one or more thin films
As (FIG. 26), for example silicon dioxide or silicon nitride, this film effectively forms a dielectric mirror.

【0039】このような表面11のMSMデバイス領域
が下側の基板2からバリア層30で分離された切頭構造
では、電子・正孔対、すなわち電界の影響の及ぶ範囲内
の光活性表面層1中で発生した電荷キャリア(図2参
照)だけが、検出器の光応答に影響する。キャリアの範
囲または活性領域1への通路を制限することにより、検
出器の光応答がかなり向上する。
In the truncated structure in which the MSM device region of the surface 11 is separated from the lower substrate 2 by the barrier layer 30, the photoactive surface layer within the range of the influence of electron / hole pairs, that is, the electric field. Only the charge carriers generated in 1 (see FIG. 2) affect the photoresponse of the detector. By limiting the range of carriers or the passage to the active region 1, the optical response of the detector is significantly improved.

【0040】さらに具体的には、図24に示すように、
MSMデバイスの活性領域1を支持基板2から分離する
バリア層31は、二酸化シリコンや窒化シリコンなど、
光学的に透明であるが、電気絶縁性の材料とすることが
できる。このような構造では、埋込みバリア上の光活性
表面領域で吸収された光子は、電界によって捕集され、
したがって検出器の応答に寄与する。透明なバリアを介
して伝達される光子も、基板の深部でフォトキャリアを
発生する。しかし、これらのキャリアは絶縁バリアによ
り阻止され、したがって電界に捕集される前に再結合す
るので、表面に到達せず、検出器の光応答に寄与しな
い。
More specifically, as shown in FIG.
The barrier layer 31 separating the active region 1 of the MSM device from the support substrate 2 is made of silicon dioxide, silicon nitride, or the like.
It may be a material that is optically transparent but electrically insulating. In such a structure, photons absorbed in the photoactive surface region on the buried barrier are trapped by the electric field,
It therefore contributes to the response of the detector. Photons transmitted through the transparent barrier also generate photocarriers deep in the substrate. However, these carriers are blocked by the insulating barrier and therefore recombine before being trapped in the electric field, so they do not reach the surface and do not contribute to the photoresponse of the detector.

【0041】埋設酸化物または窒化物層は、酸素または
窒素のイオン注入により形成することができる。同様の
切頭構造を、シリコンIC技術で周知のシリコン・オン
・インシュレータ(SOI)基板上に形成することもで
きる。他の企図されている構造には、シリコン基板上に
非シリコン材料をエピタキシャル成長させて形成された
ヘテロエピタキシャル構造がある。
The buried oxide or nitride layer can be formed by oxygen or nitrogen ion implantation. Similar truncated structures can be formed on a silicon-on-insulator (SOI) substrate, which is well known in silicon IC technology. Other contemplated structures include heteroepitaxial structures formed by epitaxially growing a non-silicon material on a silicon substrate.

【0042】別法として、図25に示すように、光活性
表面領域1の下に埋め込んだ吸光性バリア層32も、表
面11のMSMデバイスを下側の基板2から分離するこ
とができる。光活性表面領域で吸収された光子だけが、
電界によって捕集され、したがって検出器の光応答に寄
与するキャリアを生成することができる。不透明なバリ
ア層に達した光子は、電界によって捕集される前に急速
に再結合するキャリアを発生する。高濃度にドーピング
したN+またはP+Si層が、シリコンIC業界で周知の
従来のイオン注入またはエピタキシャル法によって形成
される吸光層の例である。シリコン層のドーピングは、
キャリア(すなわち電子及び正孔)の寿命がきわめて短
くなり、キャリアが分離して電界で捕集される前に再結
合が起こるように、十分高くする必要がある。
Alternatively, as shown in FIG. 25, the light absorbing barrier layer 32 embedded below the photoactive surface region 1 can also separate the MSM device on the surface 11 from the underlying substrate 2. Only the photons absorbed in the photoactive surface region are
Carriers can be generated that are trapped by the electric field and thus contribute to the photoresponse of the detector. The photons that reach the opaque barrier layer generate carriers that recombine rapidly before being collected by the electric field. Heavily doped N + or P + Si layers are examples of light absorbing layers formed by conventional ion implantation or epitaxial methods well known in the silicon IC industry. The doping of the silicon layer is
The lifetime of carriers (ie electrons and holes) must be very short and high enough so that recombination occurs before the carriers separate and are trapped in the electric field.

【0043】また、図18に示すように、二酸化シリコ
ンや窒化シリコン等の誘電材料の1つまたは複数の薄い
膜からなる、光子に対する反射媒体として機能する埋込
みバリア層33を、MSM構造の光活性表面領域1と基
板2の間に設けることもできる。この誘電体ミラーによ
り、浸透する光子が反射されて表面の活性領域に戻り、
したがって吸収の確率を増大させ、その結果キャリアの
発生が増加し、したがって検出器の応答性が増大する。
As shown in FIG. 18, the buried barrier layer 33, which is made of one or more thin films of a dielectric material such as silicon dioxide or silicon nitride, and which functions as a reflection medium for photons, is provided with a photoactive layer of MSM structure. It can also be provided between the surface region 1 and the substrate 2. This dielectric mirror reflects the penetrating photons back to the active area of the surface,
Therefore, the probability of absorption is increased, resulting in increased carrier generation and thus increased detector responsiveness.

【0044】誘電体ミラーの厚みは、検出器の動作波長
に基づいて調節しなければならない。四分の一波長板と
して働くバリア層は、埋込みミラーとして機能する。こ
のような層の光学的厚みは、0.25λ、1.25λ、
2.25λ、3.25λ等に等しい。ただし、λは動作
波長である。
The thickness of the dielectric mirror must be adjusted based on the operating wavelength of the detector. The barrier layer, which acts as a quarter-wave plate, acts as a buried mirror. The optical thickness of such layers is 0.25λ, 1.25λ,
Equal to 2.25λ, 3.25λ, etc. However, λ is the operating wavelength.

【0045】このバリア層の特徴は、シリコン・オン・
インシュレータ(SOI)基板または高濃度にドーピン
グしたN+またはP+埋設層を有する基板の上にMSM光
検出器を形成するときに発揮される。
The feature of this barrier layer is that silicon-on-
It is demonstrated when forming an MSM photodetector on an insulator (SOI) substrate or a substrate having a heavily doped N + or P + buried layer.

【0046】SOI層は、SIMOX(酸素注入による
分離)法、またはELO(拡張横方向過成長)法により
生成することができる。SOI基板は、薄い酸化物層、
または窒化シリコンや酸窒化シリコン等の同様な絶縁材
料によってシリコン基板から分離された、単結晶シリコ
ンの薄い層から構成される。表面層は光活性層であり、
基板から電気絶縁される。SOI基板中の光検出器の性
能は、従来のシリコン基板内に作成した同様なデバイス
よりはるかに高速である。SOI技術は、広い研究分野
であり、SOI基板を形成するための多数の異なる方法
が文献に記載されている。これらの製法の例が、第4回
国際SOI技術及びデバイス・シンポジウム(the 4th
International Symposium on Silicon-On-InsulatorTec
hnologyand Devices)に提出され、Electrochemical So
ciety ExtendedAbstracts,Vol.90-1,1990年春、カ
ナダ、モントリオールに掲載された論文で論じられてい
る。これらの方法には、SIMOX(酸素注入による分
離)法、ELO(エピタキシャル横方向過成長)法、Z
MR(ゾーン・メルト再結晶)法、DWB(直接ウェー
ハ・ボンディング)法、及びBESOI(SOIボンド
・アンド・エッチバック)法がある。
The SOI layer can be formed by the SIMOX (separation by oxygen implantation) method or the ELO (extended lateral overgrowth) method. The SOI substrate is a thin oxide layer,
Alternatively, it consists of a thin layer of single crystal silicon separated from the silicon substrate by a similar insulating material such as silicon nitride or silicon oxynitride. The surface layer is a photoactive layer,
It is electrically isolated from the substrate. The performance of photodetectors in SOI substrates is much faster than similar devices made in conventional silicon substrates. SOI technology is a broad field of research and many different methods for forming SOI substrates are described in the literature. An example of these manufacturing methods is the 4th International SOI Technology and Device Symposium (the 4th
International Symposium on Silicon-On-InsulatorTec
hnologyand Devices), Electrochemical So
ciety Extended Abstracts, Vol. 90-1, Spring 1990, discussed in a paper published in Montreal, Canada. These methods include SIMOX (separation by oxygen implantation) method, ELO (epitaxial lateral overgrowth) method, Z
There are MR (zone melt recrystallization) method, DWB (direct wafer bonding) method, and BESOI (SOI bond and etchback) method.

【0047】埋込みドーピング層は、イオン注入または
エピタキシャルによって形成され、どちらの構造でも、
上部半導体層1の所期の厚みは、エピタキシャルによっ
て増大させ、制御されたエッチングによって減少させる
ことができる。
The buried doping layer is formed by ion implantation or epitaxial growth. In either structure,
The desired thickness of the upper semiconductor layer 1 can be increased epitaxially and reduced by controlled etching.

【0048】さらに、VLSI応用例では、LOCO
S、深浅トレンチ分離、メサ分離等の、標準のVLSI
分離技術によりデバイスを電気絶縁することができる。
デバイスへの光の衝突は、デバイスに組み込まれたパタ
ーン付き金属皮膜の開口によって制御または制限でき、
デバイスに各電極を取り囲むガード・リング構造を設け
て暗電流を減少させることができる。
Further, in the VLSI application example, LOCO is used.
Standard VLSI for S, shallow trench isolation, mesa isolation, etc.
The isolation technique allows the device to be electrically isolated.
Light impingement on the device can be controlled or limited by openings in the patterned metallization built into the device,
The device can be provided with a guard ring structure surrounding each electrode to reduce dark current.

【0049】[0049]

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、光
学的相互接続用等の短波長の適用分野で広く使用するの
に適した、良好な直流特性と高速の交流応答を有し、S
iVLSI技術に容易に組み込めるためにチップ及びコ
ンピュータ製造に広く使用される、改良されたMSM光
検出器及びその製造方法が提供される。
As described above, according to the present invention, it has good DC characteristics and high-speed AC response, which are suitable for wide use in the field of application of short wavelength such as optical interconnection. , S
There is provided an improved MSM photodetector and method of making the same that is widely used in chip and computer manufacturing for easy integration into iVLSI technology.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明によるMSM光検出器の平面図である。FIG. 1 is a plan view of an MSM photodetector according to the present invention.

【図2】図1に示すMSM光検出器の断面図である。2 is a cross-sectional view of the MSM photodetector shown in FIG.

【図3】本発明による、PtSi電極メタラジとSiO
2を使用したMSM光検出器の製造の1工程を順次示す
フローチャートである。
FIG. 3 shows PtSi electrode metallurgy and SiO according to the present invention.
6 is a flowchart sequentially showing one process of manufacturing an MSM photodetector using 2 .

【図4】図3の工程によって製造した、接点パッドのな
いデバイスの断面図である。
4 is a cross-sectional view of a contact padless device manufactured by the process of FIG.

【図5】SALICIDEの概念による、図4の形のM
SM光検出器の製造工程中のデバイスの形状を示す図で
ある。
FIG. 5: M in the form of FIG. 4 according to the concept of SALICIDE
It is a figure which shows the shape of the device in the manufacturing process of a SM photodetector.

【図6】SALICIDEの概念による、図4の形のM
SM光検出器の製造工程中のデバイスの形状を示す図で
ある。
FIG. 6 is an M in the form of FIG. 4 based on the concept of SALICID.
It is a figure which shows the shape of the device in the manufacturing process of a SM photodetector.

【図7】SALICIDEの概念による、図4の形のM
SM光検出器の製造工程中のデバイスの形状を示す図で
ある。
FIG. 7: M in the form of FIG. 4 according to the concept of SALICIDE
It is a figure which shows the shape of the device in the manufacturing process of a SM photodetector.

【図8】SALICIDEの概念による、図4の形のM
SM光検出器の製造工程中のデバイスの形状を示す図で
ある。
FIG. 8: M in the form of FIG. 4 according to the concept of SALICIDE
It is a figure which shows the shape of the device in the manufacturing process of a SM photodetector.

【図9】SALICIDEの概念による、図4の形のM
SM光検出器の製造工程中のデバイスの形状を示す図で
ある。
FIG. 9: M in the form of FIG. 4 according to the concept of SALICIDE
It is a figure which shows the shape of the device in the manufacturing process of a SM photodetector.

【図10】代替の金属付着法を使用した、図4の形のM
SM光検出器の製造工程中のデバイスの形状を示す図で
ある。
FIG. 10: M in the form of FIG. 4, using an alternative metal deposition method.
It is a figure which shows the shape of the device in the manufacturing process of a SM photodetector.

【図11】代替の金属付着法を使用した、図4の形のM
SM光検出器の製造工程中のデバイスの形状を示す図で
ある。
FIG. 11: M in the form of FIG. 4, using an alternative metal deposition method.
It is a figure which shows the shape of the device in the manufacturing process of a SM photodetector.

【図12】代替の金属付着法を使用した、図4の形のM
SM光検出器の製造工程中のデバイスの形状を示す図で
ある。
FIG. 12: M in the form of FIG. 4, using an alternative metal deposition method.
It is a figure which shows the shape of the device in the manufacturing process of a SM photodetector.

【図13】代替の金属付着法を使用した、図4の形のM
SM光検出器の製造工程中のデバイスの形状を示す図で
ある。
FIG. 13: M in the form of FIG. 4, using an alternative metal deposition method.
It is a figure which shows the shape of the device in the manufacturing process of a SM photodetector.

【図14】本発明による完成したMSM光検出器の断面
を示す斜視図である。
FIG. 14 is a perspective view showing a cross section of a completed MSM photodetector according to the present invention.

【図15】図14のデバイスの一部の拡大図である。FIG. 15 is an enlarged view of a portion of the device of FIG.

【図16】図15に示すようなMSM光検出器の、単結
晶Siの薄い不動態層をコーティングした、Si−Ge
合金層の形の光活性領域を含む一部分の断面を示す斜視
図である。
16 is a Si-Ge coating of a thin passivation layer of single crystal Si of an MSM photodetector as shown in FIG.
FIG. 3 is a perspective view showing a cross section of a portion including a photoactive region in the form of an alloy layer.

【図17】フィンガ間隔を3.6〜6.6μmにしたM
SM光検出器の直流特性を示す図である。
FIG. 17 is an M in which the finger interval is 3.6 to 6.6 μm.
It is a figure which shows the direct current | flow characteristic of an SM photodetector.

【図18】白色光源を有する走査モノクロメータを使用
して得た、850nmにおける最大直流応答が0.42
A/Wである、フィンガ間隔を6.6μmとしたデバイ
スの4Vのバイアス電圧での直流スペクトル応答を示す
グラフである。
FIG. 18: Maximum DC response at 850 nm of 0.42 obtained using a scanning monochromator with a white light source.
FIG. 7 is a graph showing a DC spectrum response of a device having an A / W bias and a finger spacing of 6.6 μm at a bias voltage of 4V.

【図19】633nmでフィンガ間隔が3.6μmのデ
バイスの様々な電圧での直流応答性を示すグラフであ
る。
FIG. 19 is a graph showing the DC response at various voltages for a device with a finger spacing of 3.6 μm at 633 nm.

【図20】630nmでフィンガ間隔が1.6μmのデ
バイスの5Vのバイアス電圧での代表的なインパルス応
答を示す図である。
FIG. 20 shows a representative impulse response at a bias voltage of 5V for a device with a finger spacing of 1.6 μm at 630 nm.

【図21】5Ω・cmの基板上に形成した、1.1GH
zで3dBの帯域幅飽和を示す、1.6μmのデバイス
の、530nmにおける3dBの帯域幅とバイアス電圧
の関係を示すグラフである。
FIG. 21: 1.1 GH formed on a 5 Ω · cm substrate
3 is a graph showing the relationship between the bias voltage and the 3 dB bandwidth at 530 nm for a 1.6 μm device, which exhibits a 3 dB bandwidth saturation at z.

【図22】デバイスをトランスインピーダンス増幅器に
ワイヤ・ボンディングして得られるフィンガ間隔2.6
μmのデバイスの、532nm、バイアス電圧2Vでの
代表的なインパルス応答を示す図である。
FIG. 22. Finger spacing 2.6 obtained by wire bonding the device to a transimpedance amplifier.
FIG. 5 shows a typical impulse response of a μm device at 532 nm and a bias voltage of 2V.

【図23】図15に示すような、光活性領域の下にバリ
ア層を有するMSM光検出器の一部の断面を示す斜視図
である。
FIG. 23 is a perspective view showing a partial cross section of an MSM photodetector having a barrier layer below the photoactive region, as shown in FIG.

【図24】図23に示すような種類の光活性領域の下に
透明バリア層を有する、図2に示すようなMSM光検出
器の断面を示し、入射光で発生する電荷キャリアに対す
る層の作用を示す概略図である。
FIG. 24 shows a cross section of an MSM photodetector as shown in FIG. 2 with a transparent barrier layer underneath a photoactive region of the kind shown in FIG. 23, showing the effect of the layer on the charge carriers generated by incident light. FIG.

【図25】図23に示すような種類の光活性領域の下に
吸収バリア層または再結合バリア層を有する、図2に示
すようなMSM光検出器の断面を示し、入射光で発生す
る電荷キャリアに対する層の作用を示す概略図である。
FIG. 25 shows a cross section of an MSM photodetector as shown in FIG. 2 having an absorption barrier layer or a recombination barrier layer below a photoactive region of the kind shown in FIG. 23, showing the charge generated by incident light. It is a schematic diagram showing the action of the layer on the carrier.

【図26】図23に示すような種類の光活性領域の下に
反射バリア層を有する、図2に示すようなMSM光検出
器の断面を示し、入射光で発生する電荷キャリアに対す
る層の作用を示す概略図である。
FIG. 26 shows a cross section of an MSM photodetector as shown in FIG. 2 with a reflective barrier layer underneath a photoactive region of the kind shown in FIG. 23, showing the effect of the layer on the charge carriers generated by incident light. FIG.

フロントページの続き (72)発明者 ジャン=マーク・ハルブート アメリカ合衆国10538、ニューヨーク州ラ ーチモント、エコー・レーン 53番地 (72)発明者 スブラマニアン・スリカンテスワラ・イエ ル アメリカ合衆国10598、ニューヨーク州ヨ ークタウン・ハイツ、シーダー・ロード 3172番地 (72)発明者 ラジヴ・ヴァサント・ジョシ アメリカ合衆国10598、ニューヨーク州ヨ ークタウン・ハイツ、パインブルック・コ ート 1418番地 (72)発明者 ヴィジャイ・ピー・ケーサン アメリカ合衆国06877、コネティカット州 リッジフィールド、クィンシ・クローズ 9番地 (72)発明者 マイケル・ロイ・ショイヤーマン アメリカ合衆国10536、ニューヨーク州カ トナ、ヴァレー・ポンド・ロード 433番 地Front Page Continuation (72) Inventor Jean-Mark Halbooth Echo Lane 53, Larchmont, NY 10538, USA (72) Inventor Subramanian Suricantes Swala Yell United States 10598, Yorktown Heights, NY, Cedar Road 3172 (72) Inventor Raj Vasant Joshi 10598 United States, Yorktown Heights, NY Pinebrook Court 1418 (72) Inventor Vijay Peasant United States 06877, Quincy, Ridgefield, Connecticut Close 9 (72) Inventor Michael Roy Schoerman 433 Valley Pond Road, Catona, NY 10536, USA

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】シリコンの表面半導体層を有する基板と、 上記シリコン層内に自己整合メタライゼーションによっ
て形成された、シリコンに対して中程度または高いバリ
ア高さを有する複数の櫛形金属部材からなる、1組の電
極とを備える、金属・半導体・金属光検出器。
1. A substrate having a surface semiconductor layer of silicon, and a plurality of comb-shaped metal members having a medium or high barrier height with respect to silicon formed by self-aligned metallization in the silicon layer. A metal / semiconductor / metal photodetector comprising a pair of electrodes.
【請求項2】上記金属部材が、PtSi、TiSi2、W
Si2、PdSi2、W、Ti、Pt、Pd、Hf、酸化
インジウムスズ(ITO)及びこれらの組合せからなる
群から選択された材料からなることを特徴とする、請求
項1の光検出器。
2. The metal member is PtSi, TiSi 2 , W
The photodetector according to claim 1, wherein the photodetector is made of a material selected from the group consisting of Si 2 , PdSi 2 , W, Ti, Pt, Pd, Hf, indium tin oxide (ITO), and combinations thereof.
【請求項3】さらに、上記シリコン層の表面上に上記の
櫛形金属部材の間に付着させた酸化物層を備え、上記酸
化物がSiO2、Si34、酸窒化シリコン及びこれら
の組合せからなる群から選択した材料からなることを特
徴とする、請求項1の光検出器。
3. An oxide layer deposited on the surface of the silicon layer between the comb-shaped metal members, wherein the oxide is SiO 2 , Si 3 N 4 , silicon oxynitride or a combination thereof. The photodetector according to claim 1, wherein the photodetector is made of a material selected from the group consisting of:
【請求項4】上記シリコン表面半導体層が、ゲルマニウ
ムを含むことを特徴とする、請求項1の光検出器。
4. The photodetector according to claim 1, wherein the silicon surface semiconductor layer contains germanium.
【請求項5】上記複数の櫛形金属部材が、2組の電気絶
縁された電極内に形成されることを特徴とし、さらに上
記電極間に電界を形成するように、それぞれ上記各組の
電極に接続された個別の接触手段と、上記シリコン半導
体層と上記基板との間に設けられ、上記電極間の電界の
影響を受けない半導体層内の深部で光によって生成した
キャリアを、上記電界によって捕集される前に再結合さ
せる手段とを備える、請求項1の光検出器。
5. The plurality of comb-shaped metal members are formed in two sets of electrically insulated electrodes, and each pair of electrodes is formed so as to form an electric field between the electrodes. Carriers generated by light at a deep portion in the semiconductor layer, which is provided between the connected individual contact means and the silicon semiconductor layer and the substrate and is not affected by the electric field between the electrodes, are trapped by the electric field. Means for recombining before assembling, the photodetector of claim 1.
【請求項6】上記基板が、シリコン・オン・インシュレ
ータ基板であることを特徴とする、請求項1の光検出
器。
6. The photodetector according to claim 1, wherein the substrate is a silicon-on-insulator substrate.
【請求項7】基板の表面上にシリコンの半導体層を設け
た基板を準備する工程と、 上記シリコン層内での自己整合メタライゼーションによ
って、シリコンに対して中程度または高いバリア高さを
有する複数の櫛形金属部材からなる、1組の電極を上記
表面上に形成する工程と、 を含む金属・半導体・金属光検出器の製造方法。
7. A method of preparing a substrate having a semiconductor layer of silicon on a surface of the substrate, and self-aligned metallization within the silicon layer to provide a plurality of barrier heights of medium or high with respect to silicon. And a step of forming a pair of electrodes made of a comb-shaped metal member on the surface, and a method for manufacturing a metal / semiconductor / metal photodetector.
【請求項8】上記金属部材が、PtSi、TiSi2
WSi2、PdSi2、W、Ti、Pt、Pd、Hf、酸
化インジウムスズ(ITO)及びこれらの組合せからな
る群から選択された材料からなることを特徴とする、請
求項7の方法。
8. The metal member is PtSi, TiSi 2 ,
WSi 2, PdSi 2, W, Ti, Pt, Pd, Hf, characterized in that the indium tin oxide (ITO) and a material selected from the group consisting of The method of claim 7.
【請求項9】上記のシリコン半導体層を設ける工程が、
上記基板表面上にSi1-xGex(0<x<1)の合金の
層をエピタキシャルに成長させることであることを特徴
とする、請求項7の方法。
9. The step of providing the above-mentioned silicon semiconductor layer,
8. The method of claim 7, comprising epitaxially growing a layer of an alloy of Si 1-x Ge x (0 <x <1) on the surface of the substrate.
【請求項10】上記複数の櫛形金属部材が、2組の電気
絶縁された電極内に形成されることを特徴とし、さらに
上記部材間に電界を形成するように、上記各組の電極上
にそれぞれ当該接触パッドを形成する工程と、上記シリ
コン半導体層と上記基板との間に上記部材間の電界の影
響を受けない半導体層内の深部で光によって生成したキ
ャリアを、上記電界によって捕集される前に再結合させ
る材料の層を形成する工程とを含む、請求項7の方法。
10. The plurality of comb-shaped metal members are formed in two sets of electrically insulated electrodes, and further on the electrodes of each set so as to form an electric field between the members. The step of forming the contact pads, respectively, and the carriers generated by light at a deep portion in the semiconductor layer that is not affected by the electric field between the members between the silicon semiconductor layer and the substrate are collected by the electric field. Forming a layer of material to be recombined prior to forming.
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