(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ+シリコン基板と、
前記Ｎ+シリコン基板上に形成された窒化ケイ素層と、
前記窒化ケイ素層上に形成された再酸化窒化物層と、
前記再酸化層の少なくとも一部分の上に形成されたＮ+ポリシリコン層とを備えるホトダイオードであって、前記Ｎ+シリコン基板に前記Ｎ+ポリシリコン層に対して正のバイアスをかけて前記ホトダイオードに照明を当てると、負の微分抵抗領域を示すホトダイオード。
【請求項２】
前記窒化ケイ素層が約５ｎｍ未満の厚さを有する請求項１に記載のホトダイオード。
【請求項３】
前記再酸化層が約１〜約２ｎｍの厚さを有する請求項１に記載のホトダイオード。
【請求項４】
室温で前記負の微分抵抗領域を示す請求項１に記載のホトダイオード。
【請求項５】
前記照明を増加することによって前記負の微分抵抗が増大する請求項１に記載のホトダイオード。
【請求項６】
前記負の微分抵抗が、照明強度と共に増加するピーク・バレー比（peak-to-valley ratio）を有する請求項５に記載のホトダイオード。
【請求項７】
前記照明がタングステン・ランプまたは水銀ランプによるものである請求項６に記載のホトダイオード。
【請求項８】
前記Ｎ+基板の露出表面上に形成されたオーム接点をさらに備える請求項１に記載のホトダイオード。
【請求項９】
前記オーム接点に接続された第１電極と、前記Ｎ+ポリシリコン層に接続された第２電極とをさらに備える請求項８に記載のホトダイオード。
【請求項１０】
ホトダイオードを製造する方法であって、
（ａ）Ｎ+シリコン基板上に窒化物層を形成するステップと、
（ｂ）前記窒化ケイ素層上に再酸化層を形成するステップと、
（ｃ）ホトダイオードを形成するように前記再酸化層の少なくとも一部分の上にＮ+ポリシリコン層を形成するステップと
を含み、前記Ｎ+シリコン基板に前記Ｎ+ポリシリコン層に対して正のバイアスをかけて前記ホトダイオードに照明を当てると、前記ホトダイオードが負の微分抵抗領域を示す、方法。
【請求項１１】
前記Ｎ+シリコン基板が、Ｎ型ドーパントを使用してドープされる請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記Ｎ+シリコン基板が、ドープされたガラス層からのＮ型ドーパントの外方拡散、またはイオン注入によって形成される請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記窒化ケイ素層が、
（ｉ）前記Ｎ+シリコン基板から自然酸化膜を除去するのに有効な条件下で前記Ｎ+シリコン基板を事前焼成し、
（ｉｉ）前記Ｎ+シリコン基板上にＳｉＮ核化層を形成する条件下で前記事前焼成したＮ+シリコン基板を加熱し、
（ｉｉｉ）反応ガスとしてジクロロシランおよびＮＨ3を使用するＬＰＣＶＤによって、前記ＳｉＮ核化層上に前記窒化ケイ素層を付着することによって形成される請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記再酸化層が、前記窒化ケイ素層を温度約９００℃の湿った雰囲気にさらすことによって形成される請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記Ｎ+ポリシリコン層が、in-situドーピング付着プロセス、または付着とその後に続くイオン注入によって形成される請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
ホトダイオードを含む装置であって、前記ホトダイオードが、
Ｎ+シリコン基板上に形成された窒化ケイ素層と、
前記窒化ケイ素層上に形成された再酸化窒化物層と、
前記再酸化層の少なくとも一部分の上に形成されたＮ+ポリシリコン層とを備え、前記Ｎ+シリコン基板に前記Ｎ+ポリシリコン層に対して正のバイアスをかけて前記ホトダイオードに照明を当てると、前記ホトダイオードが光誘起された負の微分抵抗領域を示す、装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホトダイオードを製造する方法およびそれから製造されるホトダイオードに関する。詳細には、本発明は、Ｎ+ポリシリコン層が窒化ケイ素／再酸化窒化物の誘電体多層上に形成され、この多層の窒化ケイ素層はＮ+シリコン基板上に形成されているホトダイオードを形成する方法を対象とする。本発明のホトダイオードの特徴は、Ｎ+シリコン基板にＮ+ポリシリコン層に対して正のバイアスをかけながら、光子（light photon）を当てると、ホトダイオードが負の微分抵抗（negative differential resistance:ＮＤＲ）を示すことである。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン・ベースの電子部品は、主として成熟し成功を修めていたシリコン加工技術のために、集積回路（ＩＣ）の主流をなしている。しかし、技術が進歩し、より小型でより高速の構成要素の必要が増大するにつれて、既存のシリコン加工技術を使用して、シリコン・ベースの電子部品をシリコン・ベースの光電子部品と組み合わせて、光電子集積回路（ＯＥＩＣ）を生成することがますます望ましくなってきている。
【０００３】
ＯＥＩＣ技術では、負の微分抵抗（ＮＤＲ）領域を特徴とするホトダイオードなどの光電子部品は、高速、高密度、かつより複雑でないＯＥＩＣの可能性を与えるため、非常に興味深いものである。ＮＤＲは、ホトダイオードに光を当てたとき、ダイオードの両端間で電圧が変動する際のホトダイオード中を通る電流の変化率を言う。
【０００４】
これらのホトダイオードは、その高いスイッチング速度および固有の二進オンオフ状態により、他のシリコン・ベースの電子装置と組み合わせたときに、潜在的に非常にコンパクトな、超高速、低コストのＯＥＩＣを提供するはずである。
【０００５】
シリコン・ベースのホトダイオードは周知ではあるが（例えば、米国特許第４１４８０５２号、第５２４１１９８号、第４７４２０２７号、および第４５３４０９９号を参照）、ＮＤＲを示す、窒化ケイ素／再酸化窒化物の誘電体を使用するシリコン・ベースのホトダイオードは知られていない。
【０００６】
したがって、ＯＥＩＣに対するＮＤＲ特性を有するそのようなホトダイオードの潜在的な利点に鑑みて、既存のシリコン・ベースの加工技術を利用して、窒化ケイ素／再酸化窒化物の誘電体を含むホトダイオードを提供することが望ましい。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の一目的は、ＮＤＲ特性を示すホトダイオードを提供することである。
【０００８】
本発明の別の目的は、窒化ケイ素／再酸化窒化物誘電体を含むホトダイオードを提供することである。
【０００９】
本発明の別の目的は、既存のシリコン加工技術を使用して、前述の特性を有するホトダイオードを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
具体的には、本発明の一態様では、少なくとも、
Ｎ+シリコン基板と、
前記Ｎ+シリコン基板上に形成された窒化ケイ素層と、
前記窒化ケイ素層上に形成された再酸化窒化物層と、
前記再酸化層の少なくとも一部分の上に形成されたＮ+ポリシリコン層とを含み、前記Ｎ+シリコン基板に前記Ｎ+ポリシリコン層に対して正のバイアスをかけて、前記ホトダイオードに照明を当てると、負の微分抵抗領域を示すホトダイオードが提供される。
【００１１】
本発明はまた、ＮＤＲ特性を有するホトダイオードを製造する方法であって、
（ａ）Ｎ+シリコン基板上に窒化ケイ素層を形成するステップと、
（ｂ）前記窒化ケイ素層上に再酸化層を形成するステップと、
（ｃ）ホトダイオードを生成するように、前記再酸化層の少なくとも一部分の上にＮ+ポリシリコン層を形成するステップとを含み、前記Ｎ+シリコン基板に前記Ｎ+ポリシリコン層に対して正のバイアスをかけて前記ホトダイオードに照明を当てると、前記ホトダイオードが負の微分抵抗領域を示す方法をも提供する。
【００１２】
本発明は、ＯＥＩＣ装置の構成要素のうちの１つとして少なくとも本発明のホトダイオードを含むＯＥＩＣ装置も提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、ＮＤＲ特性を有するホトダイオードと、それを製造する方法とを対象とする本発明を、本願に添付の図面を参照してより詳細に説明する。
【００１４】
まず図１を参照する。同図は、このホトダイオードの、原寸に比例しない断面図を示す。図に示すとおり、ホトダイオードは、Ｎ+シリコン基板１、Ｎ+シリコン基板１上に形成された窒化ケイ素層２、窒化ケイ素層２上に形成された再酸化窒化物層３、および前記再酸化窒化物層３の一部分上に形成されたＮ+ポリシリコン層４を備える。オーム接点５は、Ｎ+シリコン基板層１にＮ+ポリシリコン層に対して正のバイアスをかけるための電極としての働きもするが、Ｎ+シリコン基板層１を支持する。あるいは、バイアス構成は、Ｎ+ポリシリコン層に対して負にすることもできる。
【００１５】
図１に示す本発明のホトダイオードでは、窒化ケイ素層２は、約５ｎｍ未満の厚さを有し、その上に形成される再酸化窒化物３は、約１〜２ｎｍの厚さを有する。以下に論じるように、図２および図３に関して、窒化ケイ素／再酸化窒化物層３に光子６を当て、ホトダイオードの電極７、８にバイアスをかけると、ホトダイオードは、ＮＤＲ特性を示す。図１では、ＮＤＲを得るために、電極７には常に電極８より高い電位でバイアスをかけるべきである。すなわち、電極７に正のバイアスをかけ、電極８を接地するか負のバイアスをかけることができ、あるいは電極７を接地し、電極８に負のバイアスをかけることができる。
【００１６】
同様に図１を参照して、本発明の方法を説明する。第１ステップとして、シリコン基板をドープしてＮ+シリコン基板１を形成する。このステップは、当技術分野で周知のとおり、集積回路製造に適した半導体基板を用意し、Ｎ型のドープしたガラス材料からの外方拡散や、ヒ素またはリンなどのＮ型ドーパントを使用するイオン注入などの周知のドーピング技術で基板をドープし、Ｎ+シリコン基板を形成することを含む。あるいは、ドーピングを必要としないＮ+基板を使用することもできる。
【００１７】
任意選択で、Ｎ+シリコン基板上に窒化ケイ素層を形成する前に、従来のファン（Huang）タイプの事前洗浄プロセスを使用して基板を事前洗浄することもできる。
【００１８】
次に、当技術分野で周知の技術によりシリコン基板の表面を窒化することによって、Ｎ+シリコン基板１上に窒化ケイ素（ＳｉＮ）の層２を形成する。すなわち、例えば以下のステップを含む従来のin-situ成長プロセスを使用して基板上にシリコン窒化膜を熱的に成長させることによって、窒化ケイ素層を形成することができる。
（ｉ）還元性雰囲気、例えばＨ2の存在下で、約９５０℃の温度で約３０分事前焼成することによって、Ｎ+シリコン基板から自然酸化膜を除去するステップ、
（ｉｉ）ＮＨ3中でステップ（ｉ）のＮ+シリコン基板を約９５０℃の温度に加熱して、Ｎ+シリコン基板上に厚さ約２０〜約２５ÅのＳｉＮ核化層を形成するステップ、
（ｉｉｉ）反応ガスとしてジクロロシランおよびＮＨ3を使用する低圧化学的気相付着法（ＬＰＣＶＤ）によって、前記ＳｉＮ核化層上にＳｉＮ層を付着するステップ。ＬＰＣＶＤステップ、すなわちステップ（ｉｉｉ）は、一般に約６５０〜約７５０℃の温度で行われ、Ｎ+基板上にＳｉＮ層をバルク成長させる働きをする。
【００１９】
上述の処理ステップを使用して形成した窒化ケイ素層は、一般に約５ｎｍの厚さを有する。本明細書で述べたもの以外にも、本発明のホトダイオードの窒化ケイ素層ならびに他の層に対して他の厚さも可能である。
【００２０】
次に、当技術分野で周知の技術を使用して、窒化ケイ素２上に再酸化窒化物層３を形成する。例えば、窒化物層２を温度約９００℃の水蒸気または別の湿った雰囲気にさらすことによって、この再酸化窒化物層を形成する。この再酸化ステップから形成される再酸化層は、一般に約１〜約２ｎｍの厚さを有する。
【００２１】
その後、再酸化窒化物層上に、再酸化窒化物層を部分的にまたは完全に覆うＮ+ポリシリコン層を形成する。部分的なＮ+ポリシリコン層はより良い信号を提供するので、部分的なＮ+ポリシリコン層が本明細書では好ましい。前のステップと同様に、当技術分野で周知の技術によってＮ+ポリシリコン層を形成する。任意選択で、マスキング層を使用して覆うべきではない再酸化層の部分を画定すること、in-situドーピング付着プロセスを使用して再酸化窒化物層上にＮ+ポリシリコン層を形成することを含んでもよい。あるいは、Ｎ+ポリシリコン層は、付着およびイオン注入によって形成することもできる。本発明のこのステップで形成されるＮ+ポリシリコン層は、一般に約３０００Åの厚さを有する。
【００２２】
このホトダイオードの、例えば水銀ランプやＷランプ照明などの光照明の下でのＮＤＲ特性と、室温での負のＮ+ポリシリコン・バイアスの下でのＮＤＲ特性とを本願の図２および図３に示す。図２に示すように、電流密度、Ａ／ｃｍ2、（Ｉ）と単独Ｎ+ポリシリコン電圧（Ｖ）の関係（原寸に比例しない）をプロットしたグラフ９は、正と負のどちらのゲート・バイアス極性に対しても約３．２ＶでのＮＤＲ領域と、室温での暗電流−電圧とを示す。図２に示す２つの異なるＩ−Ｖ曲線は、２つの異なる光強度によるものであることに留意されたい。より高い光強度は、一般により多くのＮＤＲを提供する。
【００２３】
上記に報告した電圧はＳｉＮ／再酸化窒化物の厚さが異なると共に変動すること、およびＮＤＲ領域を室温で示すことに留意されたい。さらに、本発明のホトダイオードのＮＤＲは、照明強度を増加することによって向上させることができる。
【００２４】
同様に、図３に示す電圧（Ｖ）に対する電流（Ｉ）の変化率をプロットしたグラフ１０は、ＮＤＲのピーク１０およびバレー（谷）１１を示す。本発明のホトダイオードでは、正のＮ+ポリシリコン・バイアスの場合はＮＤＲ領域は観測されず、電流は、ゲート注入の下で光照明強度の増加と共に増加する。さらに、電流は、正のゲート注入の下では光照明強度の増加に対して独立であるか、わずかに減少さえする。
【００２５】
前述の技術および範囲は例にすぎず、当業者に周知の他の技術および範囲も本発明のホトダイオードの製造で利用することができることに留意されたい。
【００２６】
まとめとして、本発明の構成に関して以下の事項を開示する。
【００２７】
（１）Ｎ+シリコン基板と、
前記Ｎ+シリコン基板上に形成された窒化ケイ素層と、
前記窒化ケイ素層上に形成された再酸化窒化物層と、
前記再酸化層の少なくとも一部分の上に形成されたＮ+ポリシリコン層とを備えるホトダイオードであって、前記Ｎ+シリコン基板に前記Ｎ+ポリシリコン層に対して正のバイアスをかけて前記ホトダイオードに照明を当てると、負の微分抵抗領域を示すホトダイオード。
（２）前記窒化ケイ素層が約５ｎｍ未満の厚さを有する上記（１）に記載のホトダイオード。
（３）前記再酸化層が約１〜約２ｎｍの厚さを有する上記（１）に記載のホトダイオード。
（４）前記負の微分抵抗領域が、前記窒化ケイ素および再酸化窒化物層の前記厚さに応じて変動する約３．２Ｖの電圧を有する上記（１）に記載のホトダイオード。
（５）室温で前記負の微分抵抗領域を示す上記（１）に記載のホトダイオード。
（６）前記照明を増加することによって前記負の微分抵抗が増大する上記（１）に記載のホトダイオード。
（７）前記負の微分抵抗が、照明強度と共に増加するピーク・バレー比（peak-to-valley ratio）を有する上記（６）に記載のホトダイオード。
（８）前記照明がタングステン・ランプまたは水銀ランプによるものである上記（７）に記載のホトダイオード。
（９）前記Ｎ+基板の露出表面上に形成されたオーム接点をさらに備える上記（１）に記載のホトダイオード。
（１０）前記オーム接点に接続された第１電極と、前記Ｎ+ポリシリコン層に接続された第２電極とをさらに備える上記（９）に記載のホトダイオード。
（１１）ホトダイオードを製造する方法であって、
（ａ）Ｎ+シリコン基板上に窒化物層を形成するステップと、
（ｂ）前記窒化ケイ素層上に再酸化層を形成するステップと、
（ｃ）ホトダイオードを形成するように前記再酸化層の少なくとも一部分の上にＮ+ポリシリコン層を形成するステップとを含み、前記Ｎ+シリコン基板に前記Ｎ+ポリシリコン層に対して正のバイアスをかけて前記ホトダイオードを照明すると、前記ホトダイオードが負の微分抵抗領域を示す方法。
（１２）前記Ｎ+シリコン基板が、Ｎ型ドーパントを使用してドープされる上記（１１）に記載の方法。
（１３）前記Ｎ型ドーパントがＡｓである上記（１２）に記載の方法。
（１４）前記Ｎ+シリコン基板が、ドープされたガラス層からのＮ型ドーパントの外方拡散、またはイオン注入によって形成される上記（１１）に記載の方法。
（１５）前記Ｎ+シリコン基板上に前記窒化ケイ素層を形成する前に、ファン事前洗浄プロセスを利用する上記（１１）に記載の方法。
（１６）前記窒化ケイ素層が、
（ｉ）前記Ｎ+シリコン基板から自然酸化膜を除去するのに有効な条件下で前記Ｎ+シリコン基板を事前焼成し、
（ｉｉ）前記Ｎ+シリコン基板上にＳｉＮ核化層を形成する条件下で前記事前焼成したＮ+シリコン基板を加熱し、
（ｉｉｉ）反応ガスとしてジクロロシランおよびＮＨ3を使用するＬＰＣＶＤによって、前記ＳｉＮ核化層上に前記窒化ケイ素層を付着することによって形成される上記（１１）に記載の方法。
（１７）前記再酸化層が、前記窒化ケイ素層を温度約９００℃の湿った雰囲気にさらすことによって形成される上記（１１）に記載の方法。
（１８）前記Ｎ+ポリシリコン層が、in-situドーピング付着プロセス、または付着とその後に続くイオン注入によって形成される上記（１１）に記載の方法。
（１９）ホトダイオードを含む装置であって、前記ホトダイオードが、
Ｎ+シリコン基板上に形成された窒化ケイ素層と、
前記窒化ケイ素層上に形成された再酸化窒化物層と、
前記再酸化層の少なくとも一部分の上に形成されたＮ+ポリシリコン層とを備え、前記Ｎ+シリコン基板に前記Ｎ+ポリシリコン層に対して正のバイアスをかけて前記ホトダイオードに照明を当てると、前記ホトダイオードが光誘起された負の微分抵抗領域を示す装置。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のホトダイオードの断面図である。
【図２】２つの異なる光強度での本発明のホトダイオードの電流（Ｉ）−電圧（Ｖ）特性のグラフである。
【図３】本発明のホトダイオードの負の微分抵抗（ｄＩ−ｄＶ）特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１  Ｎ+シリコン基板
２  窒化ケイ素層
３  再酸化窒化物層
４  Ｎ+ポリシリコン層
５  オーム接点
６  光子
７  電極
８  電極
【図１】
0003683842.tif 000002
【図２】
0003683842.tif 000003
【図３】
0003683842.tif 000004