(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体受光素子を作製する方法であって、
基板の主面上に設けられた半導体積層をエッチングして、超格子構造を有する受光層を含むと共に半導体受光素子のために設けられた半導体メサを備える基板生産物を形成する工程と、
前記半導体メサの側面を純水により酸化して、前記超格子構造の材料のＩＩＩ族元素又はＶ族元素の酸化物を形成する工程と、
前記半導体メサの側面を純水により酸化した後に、前記基板生産物をフッ素プラズマにさらして、前記半導体メサの側面にフッ化物を形成する工程と、
前記基板生産物をフッ素プラズマにさらした後に、前記基板生産物上にパッシベーション膜を成長して、該パッシベーション膜と前記フッ化物との界面を形成する工程と、
を備え、
前記パッシベーション膜は酸化物を備え、
前記超格子構造は、構成元素としてガリウム及びアンチモンを含む第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と、該第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層の材料と異なる第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層とを含み、
前記基板生産物をフッ素プラズマにさらす工程では、前記ＩＩＩ族元素又は前記Ｖ族元素の前記酸化物から前記フッ化物を前記フッ素プラズマにより形成する、半導体受光素子を作製する方法。
【請求項２】
前記フッ素プラズマは、フッ化炭素及びフッ化硫黄の少なくともいずれかの原料を用いて形成される、請求項１に記載された半導体受光素子を作製する方法。
【請求項３】
前記パッシベーション膜の前記酸化物はシリコン酸化物を備える、請求項１又は請求項２に記載された半導体受光素子を作製する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体受光素子を作製する方法、半導体受光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、化合物半導体フォトダイオードアレイを開示する。このフォトダイオードアレイは、シリコン読み出し集積回路と組み合わせられて、光検出器モジュールを構成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２０１１−０８９９４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
中赤外の光に感応するイメージセンサの構造には、プレーナ型及びメサ型がある。メサ型構造のイメージセンサは、高い集積度で画素の配列を含み、これにより高解像度を有する。イメージセンサがメサ型構造を有するとき、個々のフォトダイオードは、光吸収層を備える半導体メサを有する。この半導体メサの側面は、光吸収のための超格子構造の側面を含み、半導体メサを含む半導体構造物の表面は、パッシベーション膜で覆われる。パッシベーション膜と超格子構造の側面との界面は、暗電流の経路となり、暗電流はフォトダイオードの電極間の電流として測定される。大きな暗電流は、イメージセンサのＳ／Ｎ比を悪化させる原因となる。
【０００５】
エッチングにより形成された半導体メサの側面は、該半導体メサ上にパッシベーション膜を形成するまで、製造工程における処理や大気にさらされる。発明者の知見によれば、半導体メサ側面には、超格子構造の半導体構成元素の、意図的なものではない酸化物が形成されている。製造工程における処理や大気にさらされた半導体メサ上にそのままパッシベーション膜を形成することは、暗電流を増加させている可能性がある。
【０００６】
本発明の一側面は、上記のような背景を鑑みて為されたものであり、暗電流を低減可能な、半導体受光素子を作製する方法を提供することを目的とする。また、本発明の別の側面は、低い暗電流の半導体受光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面に係る半導体受光素子を作製する方法は、基板の主面上に設けられた半導体積層をエッチングして、半導体受光素子のための半導体メサを含む基板生産物を形成する工程と、前記基板生産物をフッ素プラズマにさらす工程と、前記基板生産物をフッ素プラズマにさらした後に、前記基板生産物上にパッシベーション膜を成長する工程と、を備え、前記パッシベーション膜は酸化物を備え、前記半導体メサは、超格子構造を有する受光層を含み、前記超格子構造は、構成元素としてガリウム及びアンチモンを含む第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と、該第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層の材料と異なる第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層とを含む。
【０００８】
本発明の別の側面に係る半導体受光素子は、超格子構造を有する受光層を含み基板の主面上に設けられた半導体メサと、前記半導体メサ内の前記受光層の表面に設けられたフッ化物層と、前記フッ化物層上に設けられたパッシベーション膜と、を備え、前記パッシベーション膜は酸化物を備え、前記超格子構造は、構成元素としてガリウム及びアンチモンを含む第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と、該第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と異なる第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層とを含む。
【０００９】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、本発明の一側面によれば、暗電流を低減可能な、半導体受光素子を作製する方法が提供される。また、本発明の別の側面によれば、低い暗電流の半導体受光素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本実施形態に係る半導体受光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図２】図２は、本実施形態に係る半導体受光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図３】図３は、本実施形態に係る半導体受光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図４】図４は、本実施形態に係る半導体受光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図５】図５は、本実施形態に係る半導体受光素子を作製する方法における前処理工程からパッシベーション形成工程までの主要な工程において、受光層の超格子構造の表面を模式的に示す図面である。
【図６】図６は、本実施形態に係る半導体受光素子を模式的に示す図面である。
【図７】図７は、本実施形態に係るイメージセンサを模式的に示す図面である。
【図８】図８は、本実施形態に係る半導体受光素子を作製する方法におけるパッシベーション構造と、この構造と異なるパッシベーション構造とを模式的に示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
引き続き、いくつかの具体例を説明する。
【００１３】
一形態に係る半導体受光素子を作製する方法は、（ａ）基板の主面上に設けられた半導体積層をエッチングして、半導体受光素子のための半導体メサを含む基板生産物を形成する工程と、（ｂ）前記基板生産物をフッ素プラズマにさらす工程と、（ｃ）前記基板生産物をフッ素プラズマにさらした後に、前記基板生産物上にパッシベーション膜を成長する工程と、を備え、前記パッシベーション膜は酸化物を備え、前記半導体メサは、超格子構造を有する受光層を含み、前記超格子構造は、構成元素としてガリウム及びアンチモンを含む第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と、該第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層の材料と異なる第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層とを含む。
【００１４】
この半導体受光素子を作製する方法によれば、受光層内の超格子構造の表面上に、フッ化物層が設けられる。このフッ化物を形成する前においては、超格子構造の表面には既に酸化物が存在しており、フッ化物層を形成した後にパッシベーション膜が形成される。パッシベーション膜はフッ化物層と接合する。パッシベーション膜とフッ化物層との界面は、フッ素の電気陰性度の観点において、パッシベーション膜と半導体メサとの界面に比べて、暗電流を流し難い。
【００１５】
また、発明者の知見によれば、超格子構造表面の酸化物は、第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体の半導体構成元素と酸素との化合物を含む。この酸化物とフッ化物とを含む系では、酸化物中の半導体構成元素と酸素とのボンドがフッ素と半導体構成元素とのボンドに変わることがエネルギー的に有利である。フッ化物の適用に際して、超格子構造の表面上の酸化物が低減される。この低減によっても、暗電流が低減される。
【００１６】
一形態に係る半導体受光素子を作製する方法は、前記基板生産物をフッ素プラズマにさらすことに先立って、前記半導体メサの側面を酸化して、前記超格子構造の材料のＩＩＩ族元素又はＶ族元素の酸化物を形成する工程を更に備え、前記基板生産物をフッ素プラズマにさらす工程では、前記フッ素プラズマにより前記酸化物からフッ化物を形成する。
【００１７】
この半導体受光素子を作製する方法によれば、超格子構造表面の酸化物の形成を制御することができる。
【００１８】
一形態に係る半導体受光素子を作製する方法では、前記フッ素プラズマは、フッ化炭素及びフッ化硫黄の少なくともいずれかの原料を用いて形成されることができる。
【００１９】
この半導体受光素子を作製する方法によれば、フッ素プラズマの原料に、フッ化炭素及び／又はフッ化硫黄を適用できる。
【００２０】
一形態に係る半導体受光素子を作製する方法では、前記パッシベーション膜の前記酸化物層はシリコン酸化物を備えることができる。
【００２１】
この半導体受光素子を作製する方法によれば、パッシベーション膜としてシリコン酸化物を適用できる。
【００２２】
別の一形態に係る半導体受光素子は、（ａ）超格子構造を有する受光層を含み基板の主面上に設けられた半導体メサと、（ｂ）前記半導体メサ内の前記受光層の表面に設けられたフッ化物層と、（ｃ）前記フッ化物層上に設けられたパッシベーション膜と、を備え、前記パッシベーション膜は酸化物を備え、前記超格子構造は、構成元素としてガリウム及びアンチモンを含む第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と、該第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と異なる第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層とを含む。
【００２３】
この半導体受光素子によれば、半導体メサ内の受光層の表面とパッシベーション膜との間にフッ化物層が設けられる。パッシベーション膜はフッ化物層と接合する。パッシベーション膜とフッ化物層との界面は、パッシベーション膜と酸化物との界面に比べて、暗電流を流し難い。
【００２４】
別の一形態に係る半導体受光素子では、前記酸化物は、構成元素としてシリコンを備えることができる。
【００２５】
この半導体受光素子によれば、構成元素としてシリコンを備える酸化物をパッシベーション膜に適用できる。
【００２６】
別の一形態に係る半導体受光素子では、前記超格子構造は、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓを備えることができる。
【００２７】
この半導体受光素子によれば、受光層に、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓの超格子構造を適用できる。
【００２８】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、半導体受光素子を作製する方法に係る実施形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００２９】
図１〜図４は、本実施形態に係る半導体受光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。基板を準備する。この基板上には、引き続く工程において、半導体をエピタキシャルに成長する。このために、この基板（基板１１として参照される）を成長炉（成膜装置１０ａとして参照される）に配置する。この成膜装置１０ａに原料ＧＭを供給して、図１の（ａ）部に示されるように、半導体受光素子のための半導体積層１３を基板１１の主面１１ａ上に成長する。基板１１としては、例えばＧａＳｂ、InP,  InSb,  GaAs等を備えることができる。半導体積層１３の成長には、例えば分子線エピタキシー法、有機金属気相成長法等が適用される。半導体積層１３は、光吸収により光電流を生成する受光層のための半導体層１５、及び電気的な接続のための第１導電型化合物半導体層１７を含み、第１導電型化合物半導体層１７は、ＩＩＩ−Ｖ化合物からなり、また受光層のための半導体層１５上に設けられる。必要な場合には、半導体積層１３は、半導体層１５と基板１１との間に、ＩＩＩ−Ｖ化合物からなる第２導電型化合物半導体層１９を含むことができる。第１導電型化合物半導体層１７の導電性は第２導電型化合物半導体層１９の導電性と反対である。また、基板１１が導電性を有するときは、半導体積層１３は、第２導電型化合物半導体層１９を含まなくても良い。半導体層１５は、例えば超格子構造２１を含み、超格子構造２１は、交互に配置された第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ａ及び第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ｂを含む。第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ａは、構成元素としてガリウム及びアンチモンを含む材料からなり、第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ｂは、該第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ａと異なる材料からなる。超格子構造２１は、例えばＧａＳｂ／ＩｎＡｓ超格子を備えることができる。
これらの工程により、エピタキシャル基板ＥＰが作製される。このエピタキシャル基板ＥＰは基板１１及び半導体積層１３を含む。
エピタキシャル基板ＥＰの一例。
基板１１：ｐ型ＧａＳｂ基板。
第１導電型化合物半導体層１７：InAs。
半導体層１５の超格子構造２１（繰り返し数：１００層〜５００層）。
第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ａ：ＧａＳｂ（厚さ１ｎｍ〜５ｎｍ）。
第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ｂ：ＩｎＡｓ（厚さ１ｎｍ〜５ｎｍ）。
第２導電型化合物半導体層１９：GaSb。
上記の組み合わせに限定されることなく、超格子構造２１はＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ、GaSb/InAs等であることができる。半導体積層１３の厚さは例えば３〜７マイクロメートルである。
【００３０】
エピタキシャル基板ＥＰを成膜装置１０ａから取り出した後に、半導体メサを作製するためのマスクを半導体積層１３上に形成する。まず、半導体積層１３の主面１３ａ上に、無機絶縁膜を成長する。この成長には、化学的気相成長（ＣＶＤ）法といった気相成長法が用いられる。本実施例では、無機絶縁膜として窒化シリコン（ＳｉＮ）を成長する。窒化シリコンの厚さは例えば１００ｎｍ〜５００ｎｍである。この無機絶縁膜にフォトリソグラフィ及びエッチングによりパターンを転写して、図１の（ｂ）部に示されるように、半導体メサのためのマスク２３を形成する。マスク２３は、半導体メサの配置に対応して、一次元又は二次元のパターン（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ）の配列を含む。マスク２３は、無機絶縁膜の材料、例えば窒化シリコンを備える。この工程により基板生産物ＳＰ０が作製され、基板生産物ＳＰ０はエピタキシャル基板ＥＰ及びマスク２３を備える。
【００３１】
基板生産物ＳＰ０をエッチング装置１０ｂに配置する。マスク２３を用いてエピタキシャル基板ＥＰをエッチングして、図２の（ａ）部に示されるように基板生産物ＳＰ１を形成する。受光層のための半導体層１５の超格子構造２１のエッチングには、例えばドライエッチング又はウエットエッチングを適用できる。ドライエッチングには、誘導結合型プラズマエッチング法を適用でき、この適用では例えばハロゲン系ガス（例えばＨＩ、ＳｉＣｌ４、Ｃｌ２、ＢＣｌ３等）及び／又は炭化水素（例えばメタン等）と水素との混合ガスがエッチャントとして用いられる。ウエットエッチングの適用では、例えばクエン酸系エッチャントが用いられる。
【００３２】
図２の（ａ）部を参照すると、本実施例では、基板生産物ＳＰ１は、ドライエッチングにより半導体積層１３から作製された半導体メサ２５ａ、２５ｂ、２５ｃを備える。半導体メサ２５ａ〜２５ｃは、それぞれ、マスク２３のパターン２３ａ〜２３ｃに対応する。半導体メサ２５ａ〜２５ｃの各々は、第１導電型化合物半導体層１７からの第１導電型半導体層１７ａ、半導体層１５からの受光層１５ａ、及び第２導電型化合物半導体層１９からの第２導電型半導体層１９ａを含む。受光層１５ａは、受光層のための半導体層１５と同様の超格子構造２１を有しており、受光層１５ａは第１導電型半導体層１７ａと第２導電型半導体層１９ａとの間に設けられる。半導体メサ２５ａ〜２５ｃの高さは、半導体積層１３の厚さに応じて、例えば１〜５μｍである。本実施例では、半導体メサ２５ａ〜２５ｃの底は、半導体積層１３の第２導電型化合物半導体層１９内に位置する。必要な場合には、半導体メサ２５ａ〜２５ｃの底は、基板１１内に位置してることができる。基板生産物ＳＰ１をエッチング装置１０ｂから取り出した後に、マスク２３を除去する。例えば窒化シリコン製のマスク２３の除去には、バッファードフッ酸が用いられる。半導体メサ２５ａ〜２５ｃの側面だけでなく上面も露出される。
【００３３】
図５は、本実施形態に係る半導体受光素子を作製する方法における前処理工程からパッシベーション形成工程までの４つの工程において、受光層１５ａの超格子構造２１の表面を模式的に示す図面である。
【００３４】
エッチングにより半導体積層１３から形成された基板生産物ＳＰ１では、図５の（ａ）部に示されるように、エッチングに曝された半導体表面には、ダメージ層ＤＭＧを残っている。図２の（ｂ）部に示されるように、以下の一例の処理を基板生産物ＳＰ１に施す。まず、基板生産物ＳＰ１を前処理装置１０ｃに配置して、ダメージ層ＤＭＧを除去する前処理を基板生産物ＳＰ１に適用する。前処理は例えばエッチング及びリンスを含むことができる。ダメージ層ＤＭＧの除去には、例えばりん酸、過酸化水素及び水の混合液を用いることができる。混合液の配合比は、例えばりん酸／過酸化水素／水＝１／２／２０であることができる。この混合液へ基板生産物ＳＰ１を暴露した後に、超純水によるリンスを基板生産物ＳＰ１に適用する。超純水におけるリンスは、例えば５〜１０分であることが好ましい。リンス工程の後において、図５の（ｂ）部に示されるように、基板生産物ＳＰ１の半導体表面上のダメージ層ＤＭＧが除去されているけれども、該半導体表面に非晶質層ＳＡＭが形成される。この非晶質層ＳＡＭＯは、超格子層の構成原子、例えばガリウム（Ｇａ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、インジウム（Ｉｎ）等を含む非晶質の薄層であり、これらの構成元素。例えばガリウムと酸素との化合物を備える。超純水には、僅かであるが酸素（例えば５〜１０ｐｐｂ）を含む。これ故に、リンス工程により、ダメージ層ＤＭＧを除去して現れた半導体メサ２５ａ〜２５ｃの側面が酸化されて、非晶質層ＳＡＭＯは、超格子構造２１の半導体材料のＩＩＩ族構成元素又はＶ族構成元素の酸化物を含むことになる。図５の（ｂ）部を参照すると、超格子構造２１の側面には、構成元素の酸化されやすさに応じたストラクチャが形成されている。前処理の時間（例えばリンス時間）を調整して、厚さ５〜１０ｎｍ程度の非晶質層ＳＡＭＯを形成することが好ましい。この前処理工程により基板生産物ＳＰ１から基板生産物ＳＰ２が作製される。また、ダメージ層ＤＭＧを除去した半導体表面上には、非晶質層ＳＡＭＯが形成され、この非晶質層ＳＡＭＯはクリーンルーム内の大気に触れる。
【００３５】
ダメージ層除去のための前処理の後に、プラズマ処理のための処理装置１０ｄに基板生産物ＳＰ２を配置する。処理装置１０ｄに供給されたフッ素源ＦＬＭからのフッ素ラジカル又はフッ素イオンを含むフッ素プラズマＰＬＦを生成して、フッ素プラズマＰＬＦを基板生産物ＳＰ２の非晶質層ＳＡＭＯに適用する。このフッ素プラズマＰＬＦの適用により、非晶質層ＳＡＭＯ中の酸素の一部又は全部がフッ素に置き換わって、図３の（ａ）部に示されるように、フッ化非晶質層ＳＡＭＦを基板生産物ＳＰ２上に形成する。この形成により基板生産物ＳＰ２から基板生産物ＳＰ３が形成される。
【００３６】
フッ素源ＦＬＭとして、例えばフッ化炭素及びフッ化硫黄の少なくともいずれかを用いることができる。フッ素プラズマＰＬＦの原料に、フッ化炭素及び／又はフッ化硫黄を適用できる。典型例として、フッ素プラズマＰＬＦは、例えばＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、及びＣＨＦ３といったフルオロカーボンガスやＳＦ６の少なくともいずれかの原料を用いて形成される。
ＣＦ４のプラズマ形成の一例では、プラズマ源として、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）装置を用いることができる。
ＣＦ４の流量：１５０ｓｃｃｍ。
チャンバ内の圧力：１．０パスカル。
ＩＣＰ高周波電源出力：３００ワット（周波数：１３．５６ＭＨｚ）。
プラズマ処理時間：１００秒。
ステージ温度（基板温度）は摂氏２５度に設定される。バイアス高周波パワーは印加しない。バイアス高周波パワーを印加しないので、基板生産物上にイオンの引き込みが少なくでき、イオン衝突によるダメージは低減される。
【００３７】
リンス工程の後にフッ化工程に先立って、リンス工程に加えてＯ２プラズマによる半導体表面を酸化するようにしてもよい。
Ｏ２プラズマの条件は一例。
チャンバ内の圧力：１．０パスカル。
ＩＣＰ高周波電源出力：１００ワット。
バイアス高周波パワー：１００ワット。
Ｏ２の流量：１０ｓｃｃｍ。
プラズマ処理時間：３０秒。
ステージ温度（基板温度）は、２５℃に設定される。
【００３８】
半導体メサの側面に酸化物を形成した後に、この酸化物をフッ化させる工程を説明する。フッ素プラズマは、酸化物から酸素が乖離する条件で生成される。フッ素（Ｆ）の電気陰性度は酸素（Ｏ）より高いので、フッ素は強い結合エネルギーをもつ。これ故に、半導体の構成元素であるガリウム、インジウム、アンチモン及びヒ素といった元素の金属酸化物は酸素を離し、フッ素と結合する。酸化物から脱離した酸素は炭素と結合して、二酸化炭素（ＣＯ２）となり、装置の外に排出される。
【００３９】
フッ化非晶質層ＳＡＭＦを基板生産物ＳＰ２上に成長して基板生産物ＳＰ３を形成した後に、図３の（ｂ）部に示されるように、成膜装置１０ｅにおいて基板生産物ＳＰ３上にパッシベーション膜２７を形成する。パッシベーション膜２７は酸化物層を備えることができる。パッシベーション膜２７の膜厚は例えば３００ｎｍ〜５００ｎｍであることができる。成膜用の原料ガスとして、シラン及び亜酸化窒素を用いることができる。成膜装置１０ｅとして、容量結合型プラズマ成膜装置又はマイクロ波プラズマ成膜装置を使用してもよい。
【００４０】
図５の（ｄ）部を参照すると、フッ化非晶質層ＳＡＭＦ上にパッシベーション膜２７が形成されている。本実施例では、パッシベーション膜２７はシリコン酸化物からなるけれども、パッシベーション膜２７の材料は、これに限定されることなく、シリコン酸化物、シリコン酸窒化物、及びアルミニウム酸化物の少なくともいずれかを備えることができ。パッシベーション膜は酸化物を備えることができ、シリコン酸化物、シリコン酸窒化物、及びアルミニウム酸化物は、良好なパッシベート機能を有する。
【００４１】
例えばＳｉＯ２膜は、プラズマエンハーンスド化学的気相成長（ＰＥ−ＣＶＤ）法により成膜される。成膜温度は摂氏１５０度であることが望ましい。下地のフッ化非晶質層ＳＡＭＦは熱的に安定であるので、パッシベーション膜２７の堆積中にフッ化非晶質層ＳＡＭＦが変質することはない。フッ化非晶質層ＳＡＭＦは、パッシベーションの成膜中の酸化源（例えば酸素ラジカル）に対してバリア層として作用し、引き続き、酸素ラジカルといった酸化源が半導体表面に直接に触れることを防止する。この働きにより、ＳｉＯ２膜の成膜中の半導体層の酸化を抑制できる。
【００４２】
半導体メサ２５ａ〜２５ｃの形成から、パッシベーション膜２７の形成に先立つ工程までの間において、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層（２１ａ、２１ｂ）の表面には、酸化物が、意図的ではなく形成される。発明者の検討によれば、この酸化物は、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層（２１ａ、２１ｂ）における半導体構成元素と酸素との化合物を含み、パッシベーション膜２７と半導体メサ２５ａ〜２５ｃの表面との間の非晶質中における多量の酸化物の残留は、半導体受光素子における暗電流の原因となる。
【００４３】
超格子構造２１のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体表面の酸化物（半導体構成元素の酸化物）の量は、例えばフッ素源ＦＬＭのプラズマを用いた処理におけるフッ素の供給により低減されて、この結果、半導体メサ側面に係る酸化物を介する暗電流が低減される。
【００４４】
引き続き、半導体受光素子を作製する方法を説明する。図４に示されるように、半導体メサ２５ａ、２５ｂの上面のパッシベーション膜２７に開口を形成する。この開口に、半導体メサ２５ａ、２５ｂにそれぞれ対応してフォトダイオード３１ａ、３１ｂのための一電極２９ａ（例えばｎ側電極）を形成する。この一電極２９ａは、例えば半導体層上に順に形成されたＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕの５層構造を有することができる。この電極形成は、例えばリフトオフ法により行われる。半導体メサ２５ａ〜２５ｃと異なる基板上の半導体領域上面のパッシベーション膜２７に別の開口を形成する。この別の開口に、フォトダイオード３１ａ、３１ｂのための他電極２９ｂ（例えばｐ側電極）を形成する。この他電極２９ｂは、半導体メサ２５ａの上面まで延在する。他電極２９ｂは、例えば半導体層上に順に形成されたＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕの層構造を有することができる。この電極形成は、例えばリフトオフ法により行われる。一電極２９ａ及び他電極２９ｂは、共に、下地の半導体にオーミックコンタクトを成す。
【００４５】
これらの工程の後に、必要な場合には、一電極２９ａ及び他電極２９ｂ上に、バンプ電極（図６に示された、例えばＩｎバンプ電極ＢＰ）が形成される。Ｉｎバンプ電極ＢＰは例えばリフトオフ法により形成される。この後に、基板生産物からダイシングによりチップを切り出して、図６の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように、フォトダイオードアレイを含む半導体受光素子３３を形成する。半導体受光素子３３は、直交座標系ＳのＸ軸方向及びＹ軸方向に二次元に配列されたフォトダイオード３１ａ、３１ｂ、３１ｄ、３１ｅのアレイを含む。フォトダイオード３１ａ、３１ｂ、３１ｄ、３１ｅは、半導体メサ２５ａ、２５ｂ、２５ｄ、２５ｅの配列に対応する。
【００４６】
上記のような作製方法により得られる半導体受光素子３３は、フォトダイオード３３ａ、３３ｂの配列を備える。半導体受光素子３３は、半導体メサ２５ａ〜２５ｃを備える配列と、フッ化物層を備えるフッ化非晶質層ＳＡＭＦと、パッシベーション膜２７とを備える。半導体メサ２５ａ、２５ｂの各々は、受光層１５ａを含み基板１１の主面上に設けられる。受光層１５ａは、図１に示される超格子構造２１と同等の超格子を有しており、超格子構造２１は、構成元素としてガリウム及びアンチモンを含む第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ａと、該第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と異なる第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ｂとを含む。この超格子構造は、既に説明したように、例えばＧａＳｂ／ＩｎＡｓを備えることができる。フッ化非晶質層ＳＡＭＦ内のフッ化物層が半導体メサ２５ａ〜２５ｃ内の受光層１５ａの表面に設けられる。パッシベーション膜２７が、フッ化非晶質層ＳＡＭＦ上に設けられる。パッシベーション膜２７は酸化物を備える。この半導体受光素子３３によれば、半導体メサ２５ａ、２５ｂ内の受光層１５ａの表面とパッシベーション膜２７との間にフッ化非晶質層ＳＡＭＦが設けられる。パッシベーション膜２７はフッ化非晶質層ＳＡＭＦに接合を成す。パッシベーション膜２７とフッ化非晶質層ＳＡＭＦとの界面は、フッ素の電気陰性度に起因して、パッシベーション膜２７と酸化物との界面に比べて暗電流を流し難い。
【００４７】
パッシベーション膜２７の酸化物は、構成元素としてシリコンを備える。この半導体受光素子３３によれば、構成元素としてシリコンを備える酸化物のパッシベーション能を利用できる。パッシベーション膜２７とフッ化非晶質層ＳＡＭＦとの界面では、フッ化非晶質層ＳＡＭＦ内の伝導帯の下端が、フッ化非晶質層ＳＡＭＦから界面への方向に真空準位に向けて曲がって持ち上がるので、移動可能なキャリアの伝搬経路が形成されない。フッ化非晶質層ＳＡＭＦの厚さは、５ｎｍ〜１０ｎｍ程度であることができ、パッシベーション膜２７の厚さは、３００ｎｍ〜５００ｎｍ程度であることができる。
【００４８】
図７は、本実施の形態に係る半導体受光素子の構造を模式的に示す図面である。この図面は、フォトダイオード３１ａ、３１ｂが配列される方向に沿ってとられた半導体受光素子３３の断面を示す。図７に示されるように、フリップチップボンディングにより、半導体受光素子３３の電極（２９ａ、２９ｂ）を読出回路ＲＯＩＣの電極ＥＤにＩｎバンプ電極ＢＰを介して接合する。半導体受光素子３３と読出回路ＲＯＩＣとの隙間にアンダーフィル樹脂ＵＦを充填して、アンダーフィル樹脂ＵＦを加熱により硬化させる。必要な場合には、入射光の吸収を抑制するために、研磨又は研削といった加工を基板１１に適用して、基板１１の厚さを薄くする。例えばＧａＳｂ基板では、ＧａＳｂ基板を薄くするために基板の裏面側を加工して、赤外線入射面を形成する。加工されたＧａＳｂ基板の厚さは、例えば１００μｍ程度であることが望ましい。
【００４９】
中赤外イメージセンサのプロセスフローにおいてパッシベーション膜の構造が暗電流低減のため重要となる。図８の（ａ）部は、半導体メサの超格子構造の側面上に直接にパッシベーション膜を形成した構造４を模式的に示す。構造４の半導体中（ＧａＳｂ層の位置に対応する凹みの非晶質中にシリコンと酸素との化合物が含まれる。また、パッシベーション膜のための酸化物を成膜する際に、半導体メサの超格子構造の側面は酸化源に曝される。半導体に酸化物層が接触するので、この境界又は遷移部分にダングリングボンドやバンドのピンニングが起きやすい。このような中赤外イメージセンサでは、半導体とパッシベーション界面を流れる暗電流が増加する。図８の（ｂ）部に示される本実施形態に係る方法によりパッシベーション膜を形成した構造では、超格子構造の半導体層の構成元素を含む非晶質層にフッ化処理を適用して、フッ化非晶質層ＳＡＭＦを半導体メサの側面に形成する。フッ化非晶質層ＳＡＭＦとパッシベーション膜との接合構造を有する中赤外イメージセンサは、低い暗電流値を示す。これは、半導体とパッシベーション膜との界面を流れる暗電流が低減されているからである。
【００５０】
本実施形態に係る方法によりパッシベーション膜を形成した構造は、中赤外イメージセンサだけでなく、近赤外イメージセンサに用いられるＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２の多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）の受光層に適用可能である。
【００５１】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
以上説明したように、本実施形態によれば、暗電流を低減可能な、半導体受光素子を作製する方法、及び低い暗電流の半導体受光素子が提供される。
【符号の説明】
【００５３】
１１…基板、１３…半導体積層、１７…第１導電型化合物半導体層、１９…第２導電型化合物半導体層、１５ａ…受光層、１７ａ…第１導電型半導体層、１９ａ…第２導電型半導体層、２１…超格子構造。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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