(57)【要約】【課題】  基板の表面からの入射光を有効に光電変換することができる受光装置、およびこの受光装置の単純で安価な製造方法を提供する。【解決手段】  受光装置は、光入射表面からｐ型層１０１、ｉ型層１０２、エピタキシャルｎ型層１０３を有し、さらに、分離絶縁膜である酸化膜１０４を有している。さらに、受光装置は、基板裏面からの凹部１０５に、酸化膜１０４を介しｎ型層１０３の直ぐ裏に形成された反射部材１０６を形成している。凹部１０５は、エッチングにより形成され、酸化膜１０４を終点とし、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕなどの金属や誘電体膜を成膜して、良質の鏡である反射部材１０６を形成する。これにより、反射部材１０６の製造工程は基板裏面をエッチングし成膜するだけと単純で安価な工程となる。また、アルカリエッチング液を用いて異方性エッチングを行う場合は、きわめて安価な工程で受光装置直裏面の鏡である反射部材１０６を形成できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体の第１導電型層と第２導電型層の接合または半導体の第１導電型層、真性層、第２導電型層の各接合による活性層を形成してなる受光装置であって、
入射光の反対側に位置する不純物が高濃度に含まれる前記第２導電型層の側の基板に形成された凹部の底部に反射部材が形成されることを特徴とする受光装置。
【請求項２】
前記第２導電型層は、絶縁膜を介して前記反射部材に接していることを特徴とする請求項１記載の受光装置。
【請求項３】
前記絶縁膜が、Ｓｉ酸化膜であることを特徴とする請求項２記載の受光装置。
【請求項４】
前記反射部材が、金属により構成されていることを特徴とする請求項１記載の受光装置。
【請求項５】
前記金属が、Ａｌ、Ａｕ、またはＡｇであることを特徴とする請求項４記載の受光装置。
【請求項６】
前記反射部材が、誘電体層により構成されていることを特徴とする請求項１記載の受光装置。
【請求項７】
前記活性層が、Ｓｉにより構成されることを特徴とする請求項１記載の受光装置。
【請求項８】
前記活性層が、ＳｉとＧｅとＣを含むことを特徴とする請求項１記載の受光装置。
【請求項９】
前記反射部材が形成された前記基板の裏面に第２の基板を貼り合わせることを特徴とする請求項１記載の受光装置。
【請求項１０】
前記活性層が、１１０面のウエハと組み合わせたＳＯＩ基板を用いることを特徴とする請求項１記載の受光装置。
【請求項１１】
半導体の第１導電型層と第２導電型層の接合または半導体の第１導電型層、真性層、第２導電型層の各接合による活性層を形成してなる受光装置の製造方法であって、
前記第２導電型層の下に形成された酸化膜をストップ層として、基板裏面からエッチングをおこない凹部を形成し、前記凹部に反射部材を形成することを特徴とする受光装置の製造方法。
【請求項１２】
前記反射部材が形成された前記基板の裏面に第２の基板を貼り合わせることを特徴とする請求項１１記載の受光装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信装置用や装置内の基板間の光通信に用いられる、光電変換素子やフォトダイオード等の受光装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ブロードバンド時代において、高速光通信用の高速受光装置が求められている。しかしながら、高速化のためには、電子の活性層の中での走行時間が短くなるようにすることが求められ、活性層の厚さを厚くすることはできない。
【０００３】
また、光ファイバの伝送効率においては近赤外光が有利であり多く用いられている。さらに、シリコンのフォトダイオードでは８５０ｎｍやそれより長波長の光に対しては感度が低下する。
【０００４】
また、高速応答のため、電子の走行する時間を短縮する必要があるのでｉ層の厚みも２μｍ程度以下にすることになる。そこで、吸収効率の低下する波長で、高感度の受光装置を構成する場合、共振型の受光装置が用いられている。
【０００５】
従来の技術として、下記に示す文献がある。
【特許文献１】特開２００２−１５１７３１号公報
【非特許文献１】Silicon Substrates With Buried Distributed Bragg Reflectors for Resonant Cavity-Enhanced Optoelectronics by Matthew K. Emsley and M. Selim Uenlue (IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics， Vol.8， No.4， July/August 2002)
【０００６】
非特許文献１では、シリコンに埋め込んだ、酸化膜とシリコンの周期構造により、ブラッグ反射を起こし、共振器を構成している。また、特許文献１には、基板後方（裏面）より光を入射させる受光素子である共振空洞で強化されるプレーナ型受光素子が開示されている。
【０００７】
共振用にブラッグ反射を起こす層を酸化膜とＳｉの多層構造により構成する受光装置では、Ｓｉ基板に反射鏡を埋め込み、フォトダイオードの直裏面に鏡を形成している。しかしながら、酸化膜を多層Ｓｉに周期的に埋め込むには、研磨や水素注入による剥離や接合を繰り返すなど複雑な製造工程が必要になる。また、特許文献１では、光の入射面が基板裏面に限られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、基板の表面からの入射光を有効に光電変換することができる受光装置、およびこの受光装置の単純で安価な製造方法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】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、半導体の第１導電型層と第２導電型層の接合または半導体の第１導電型層、真性層、第２導電型層の各接合による活性層を形成してなる受光装置であって、入射光の反対側に位置する不純物が高濃度に含まれる第２導電型層の側の基板に形成された凹部の底部に反射部材が形成されることを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、第２導電型層は、絶縁膜を介して反射部材に接していることを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、絶縁膜が、Ｓｉ酸化膜であることを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、反射部材が、金属により構成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明において、金属が、Ａｌ、Ａｕ、またはＡｇであることを特徴とする。
【００１４】
請求項６記載の発明は、請求項１記載の発明において、反射部材が、誘電体層により構成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項７記載の発明は、請求項１記載の発明において、活性層が、Ｓｉにより構成されることを特徴とする。
【００１６】
請求項８記載の発明は、請求項１記載の発明において、活性層が、ＳｉとＧｅとＣを含むことを特徴とする。
【００１７】
請求項９記載の発明は、請求項１記載の発明において、反射部材が形成された基板の裏面に第２の基板を貼り合わせることを特徴とする。
【００１８】
請求項１０記載の発明は、請求項１記載の発明において、活性層が、１１０面のウエハと組み合わせたＳＯＩ基板を用いることを特徴とする。
【００１９】
請求項１１記載の発明は、半導体の第１導電型層と第２導電型層の接合または半導体の第１導電型層、真性層、第２導電型層の各接合による活性層を形成してなる受光装置の製造方法であって、第２導電型層の下に形成された酸化膜をストップ層として、基板裏面からエッチングをおこない凹部を形成し、凹部に反射部材を形成することを特徴とする。
【００２０】
請求項１２記載の発明は、請求項１１記載の発明において、反射部材が形成された基板の裏面に第２の基板を貼り合わせることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
ＳＯＩ基板を用いた基板裏面からエッチングを行い、凹部を形成し、この凹部に反射部材を形成することにより、共鳴型受光装置の反射部材が安価方法で容易に形成可能な構造が得られる。また、凹部の底部が酸化膜に到達しており、ｐｎやｐｉｎからなる光電変換活性層を酸化膜である絶縁膜で保護でき、反射部材が金属の場合、酸化膜が活性層と絶縁する働きがある。また、酸化膜である絶縁膜がＳｉ酸化膜の場合、良質の絶縁膜となり、エッチングの終端が容易に設定できる。また、反射材がＡｌ、Ａｇ、Ａｕ等の金属の場合、反射率の高い良質な反射部材となる。さらに、反射材が誘電体で構成されても良質な反射部材が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の受光装置の構造では、まずＳＯＩ基板を用い基板裏面から、ＭＥＭＳ（マイクロマシン）技術で一般的なったＤＥＥＰ−ＲＩＥ装置を用いエッチングを行う。次に酸化膜を終点とし、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕなどの金属や誘電体膜を成膜して、良質の鏡（反射部材）を形成する。これにより、反射部材の製造工程は基板裏面をエッチングし成膜するだけと単純で安価な工程となる。また、アルカリエッチング液を用いて異方性エッチングを行う場合は、きわめて安価な工程でフォトダイオード直裏面の鏡（反射部材）を形成できる。このようにして、良質な鏡を具備した共振型受光装置を構成できる。本発明では、基板の表面からの入射光を有効に光電変換することができる受光装置およびその製造方法を提供することができる。
【００２３】
図面を参照し、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２４】
まず、本発明の実施形態における受光装置の構成と製造方法について説明する。例えばｐ型ｉ型ｎ型の半導体が積層されたフォトダイオードを用いた受光装置では、結晶中の走行速度の速い電子を利用できるように光入射表面からｐ型ｉ型ｎ型の半導体が配置される。
【００２５】
高速光通信用の受光装置においては速い応答速度が得られるように電子の走行時間を短くするため、活性領域の長さは２μｍ程度以下に押さえる必要がある。光通信で多く用いられる光ファイバでは伝送効率の高い近赤外光が使用されている。また、信号を処理する回路はＳｉデバイスであることが極めて多く、Ｓｉ素子で高速な受光装置が必要である。
【００２６】
しかし、Ｓｉでは近赤外の量子効率が低下することが知られている。そこで、フォトダイオード活性層の直裏側に反射部材を配置し、光入射表面と空間の屈折率差による反射とこの反射部材との二つの鏡によるファブリフェロー共鳴を利用し、光の活性層における吸収を向上し、感度を高めることができる。本発明では、フォトダイオード活性層の直裏のミラー（反射部材）をＡｌ、Ａｇ、Ａｕなどの金属や誘電体で形成し、良質の共振型受光装置を構成できる。
【００２７】
図１は、本発明の実施形態における受光装置の構造を示す断面図である。図１に示すように、本発明の受光装置は、光入射表面からｐ型層１０１、ｉ型層１０２、エピタキシャルｎ型層（ｎ＋層）１０３を形成し、分離絶縁膜である酸化膜１０４と基板裏面からの凹部１０５により酸化膜１０４を介しｎ型層１０３の直ぐ裏に形成された反射部材１０６を有して構成される。また、図１において、１０７は基板、１０８は引き出し電極を示している。
【００２８】
ｐ型層１０１、ｉ型層１０２、ｎ型層１０３によりｐｉｎフォトダイオードが構成され、ｎ型層１０３が酸化膜（Ｓｉ酸化膜）１０４に面している。基板１０７の裏面から形成された凹部１０５の底部が酸化膜１０４に到達しており、酸化膜１０４を反射部材１０６が覆う構造になっている。絶縁膜である酸化膜１０４にはｐｎやｐｉｎ接合からなる光電変換活性層を裏面の凹部１０５で露出から保護する働きもある。
【００２９】
ｐ型層１０１の表面と空間との屈折率差による反射と反射部材１０６とでの反射により、光が繰り返し反射され共振する。このようにして、共振により量子効率が向上できる共鳴型受光装置を構成できる。
【００３０】
図２は、本発明の受光装置の製造方法の第１実施形態を示す製造工程図である。図２を参照し、本発明の受光装置の製造方法の第１実施形態を説明する。
【００３１】
Ｓｉによりｐｉｎ型フォトダイオードを構成した場合を例として説明する。さらに、Ｓｉ上に、ＳｉにＧｅやＣを加え結晶を成長させることでＳｉＧｅやＧｅＣを形成でき、長波長の赤外光を検出するようにすることができる。
【００３２】
まず、図２（ａ）に示すように、Ｓｉ基板エピタキシャル成長によりｎ型層１０３を形成する。次に、図２（ｂ）に示すように、別のＳｉ基板に０．５μｍの酸化膜１０４を形成し、図２（ａ）で形成したｎ型層１０３を形成した面と酸化膜１０４の面を直接接合する。
【００３３】
図２（ｃ）において、ｎ型層１０３の上のＳｉ層を研磨し、このＳｉ層を例えば２μｍ以下まで薄くする。この工程を処理した基板はウエハメーカからＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハとして供給されることが一般的である。活性層にＳｉＧｅやＧｅＣを組み合わせる場合は、この工程でＳｉＧｅやＧｅＣをＭＢＥ法で成膜することが可能である。
【００３４】
図２（ｄ）において、フォトリソグラフィでｎ型層１０３からの引き出し電極用コンタクト穴のパターンを形成し、ＳＦ６とＯ２の混合ガスのＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）を行いＳｉをエッチングする。ｎ型層１０３まで到達しないように時間でエッチング量を調整する。フォトリソグラフィでパターンニングを行い。ｎ型層１０３の上の残ったｉ型層１０２にはＡｓをイオン注入しｎ型層１０３に変える。さらに、熱酸化を行い酸化膜を形成する。
【００３５】
図２（ｅ）において、フォトリソグラフィでパターンニングし、ＣＨ４＋Ｈ２の混合ガスのＲＩＥでエッチングし、図２（ｄ）で形成した酸化膜に窓を空ける。さらに、フォトリソグラフィでパターンニングし、ＢＦ２イオンをイオン注入し、ｐ型層（ｐ＋層）１０１を形成する。
【００３６】
図２（ｆ）において、引き出し電極となるＳｉを混合したＡｌ膜をスパッタ法で成膜し、フォトリソグラフィでパターンニングを行い、Ｃｌ２とＯ２の混合ガスによるＲＩＥでエッチングし、引き出し電極１０８を形成する。
【００３７】
図２（ｇ）において、基板裏面にフォトリソグラフィにより、両面アライナを用いパターンニングし、ＩＣＰ(誘導結合型)ＲＩＥエッチャにより、酸化膜１０４まで深くエッチングを行う。すなわち、凹部１０５を形成する。
【００３８】
図２（ｈ）において、基板裏面にスパッタ法などで鏡となる金属膜、例えばＡｌ、Ａｇ、Ａｕなどの膜や誘電体膜を成膜する。または、金属と誘電体の積層構造にする。すなわち、反射部材１０６を形成する。好ましくは鏡となる膜を成膜した後は高温の熱処理を行わない処理の順が望ましい。反射部材１０６の保護膜として、Ｓｉ酸化膜やＳｉ窒化膜を成膜することも可能である。
【００３９】
図３は、本発明の受光装置の製造方法の第２実施形態を示す製造工程図である。図３を参照し、本発明の受光装置の製造方法の第２実施形態を説明する。
【００４０】
第２実施形態として、基板の結晶面を利用した異方性エッチングで凹構造を形成する工程を図３に示している。１１０面方位を持つＳｉ基板を用いると１１１面のエッチング速度が遅いので、１１１面からなる平行な二面を利用し基板面に垂直に深くエッチングできる。１００面方位の基板がＳｉ半導体デバイスで多く用いられている。この場合はテーパ状にエッチングされるが、凹の底の幅が必要な大きさに設定できるなら、裏面の穴の間口を大きく取れば利用可能である。
【００４１】
まず、図３（ａ）に示すように、Ｓｉ基板エピタキシャル成長によりｎ型層１０３を形成する。次に、図３（ｂ）に示すように、別の面方位１１０または１００面のＳｉ基板に０．５μｍの酸化膜１０４を形成し、図３（ａ）で形成したｎ型層１０３を形成した面と酸化膜１０４の面を直接接合する。
【００４２】
図３（ｃ）において、ｎ型層１０３の上のＳｉ層を研磨し、このＳｉ層を例えば２μｍ以下まで薄くする。この工程を処理した基板はウエハメーカからＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハとして供給されることが一般的である。
【００４３】
図３（ｄ）において、フォトリソグラフィでｎ型層１０３からの引き出し電極用コンタクト穴のパターンを形成し、ＳＦ６とＯ２の混合ガスのＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）を行いＳｉをエッチングする。ｎ型層１０３まで到達しないように時間でエッチング量を調整する。フォトリソグラフィでパターンニングを行い。ｎ型層１０３の上の残ったｉ型層１０２にはＡｓやＰをイオン注入しｎ型層１０３に変える。さらに、熱酸化を行い酸化膜を形成する。
【００４４】
図３（ｅ）において、フォトリソグラフィでパターンニングし、ＣＨ４＋Ｈ２の混合ガスのＲＩＥでエッチングし、図２（ｄ）で形成した酸化膜に窓を空ける。さらに、フォトリソグラフィでパターンニングし、ＢＦ２イオンをイオン注入し、ｐ型層（ｐ＋層）１０１を形成する。熱酸化しかつ不純物を活性化する。
【００４５】
図３（ｆ）において、ＳｉＨ４とＮＨ３の混合ガスの熱ＣＶＤ法で、ＳｉＮ膜を基板の両面に成膜する。
【００４６】
図３（ｇ）において、基板裏面に両面アライナを用いフォトリソグラフィでパターンニングを行う。ＣＦ４とＨ２の混合ガスで、ＳｉＮにパターンニングを行う。ＴＭＡＨ（ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ  ａｍｍｏｎｉｕｍ  ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）を用い異方性エッチングを行う。ＳｉＮはＴＭＡＨのエッチング速度が極めて遅いのでエッチングマスクとなる。このエッチング液は酸化膜のエッチング速度が遅いので、酸化膜で終点を得ることが容易である。アルカリイオンの影響が少ないデバイスを基板に混在する場合はＫＯＨ水溶液を使用することも可能である。
【００４７】
図３（ｈ）において、熱したリン酸でＳｉＮをエッチングして取り去る。表側をフォトリソグラフィでパターンニングし、ＲＩＥにより酸化膜に窓をあける。さらに、基板裏面にフォトリソグラフィにより、両面アライナを用いパターンニングし、ＩＣＰ(誘導結合型)ＲＩＥエッチャにより、酸化膜１０４まで深くエッチングを行う。すなわち、凹部１０５を形成する。
【００４８】
図３（ｉ）において、電極引出し線となるＳｉを混合したＡｌ膜をスパッタ法で成膜し、フォトリソグラフィでパターンニングを行い、Ｃｌ２とＯ２の混合ガスによるＲＩＥでエッチングし、引き出し電極１０８を形成する。
【００４９】
図３（ｊ）において、基板裏面にスパッタ法などで鏡となる金属膜、例えばＡｌ、Ａｇ、Ａｕなどの膜や誘電体膜を成膜する。または、金属と誘電体の積層構造にする。すなわち、反射部材１０６を形成する。裏面の鏡を保護するため、薄膜上に酸化膜や窒化膜などの膜を成膜してもよい。好ましくは鏡となる膜を成膜した後は高温の熱処理を行わない処理の順が望ましい。反射部材の保護膜としてＳｉ酸化膜やＳｉ窒化膜を形成可能である。基板裏面の凹構造にポリイミドを埋め込み、裏面研磨を容易にすることも可能である。
【００５０】
図４は、本発明の受光装置の製造方法の第３実施形態を示す製造工程図である。図４を参照し、本発明の受光装置の製造方法の第３実施形態を説明する。
【００５１】
第３実施形態では、第１および第２実施形態で製造された受光装置の反射部材１０６を保護する工程が加えられている。図４に示すように、第３実施形態では、裏面にＳｉ基板１０７と熱膨張係数の近いホウ珪酸ガラスの基板１０９を接合して、反射部材１０６の鏡材の酸化などの劣化を防止する部材を形成することができる。
【００５２】
上記の実施形態では、ｐｉｎ型フォトダイオードを構成した場合を例として説明したが、ｐｎ型フォトダイオードを構成した場合においても、同様の構造および製造方法が適用できる。
【００５３】
以上、説明したように、本発明の実施形態によれば、ＳＯＩ基板を用いた基板裏面からエッチングを行い、凹部を形成し、この凹部に反射部材を形成することにより、共鳴型受光装置の反射部材が安価方法で容易に形成可能な構造が得られる。
【００５４】
また、共鳴型受光装置の反射部材が安価で容易に形成可能な構造を実現する場合、凹部の底部が酸化膜に到達しており、ｐｎやｐｉｎからなる光電変換活性層を絶縁膜で保護できる。反射部材が金属の場合、活性層と絶縁する働きがある。
【００５５】
また、酸化膜である絶縁膜がＳｉ酸化膜の場合、良質の絶縁膜となる。ＳＯＩ基板の製作も容易である。凹構造を形成する場合エッチングの終端が容易に設定できる。
【００５６】
また、共鳴型受光装置の反射部材を容易に形成できる構造であり、反射材がＡｌ、Ａｇ、Ａｕ等の金属の場合、反射率の高い良質な反射部材となる。さらに、反射材が誘電体で構成されても良質な反射部材が得られる。
【００５７】
また、光電変換活性層にＳｉとＧｅとＣを含むことで、Ｓｉを基板とした構造を保ちつつさらに長い波長の近赤外領域の光電変換が可能な受光装置が得られる。
【００５８】
また、さらに、基板の裏面に第２の基板を貼り合わせることにより、受光装置構造の特徴である基板裏面の反射部材を保護することができる。
【００５９】
また、ＳＯＩ基板の保持部材である厚いＳｉ基板を１１０面方位のＳｉ部材とすることでアルカリ水溶液による異方性エッチングが可能で容易に裏面凹部を形成できる構造が得られる。
【００６０】
本発明の実施形態について、上記のように詳細に説明したが、上記の実施形態は、本発明の好適な実施の形態の例であり、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施形態における受光装置の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の受光装置の製造方法の第１実施形態を示す製造工程図である。
【図３】本発明の受光装置の製造方法の第２実施形態を示す製造工程図である。
【図４】本発明の受光装置の製造方法の第３実施形態を示す製造工程図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０１    ｐ型層
１０２    ｉ型層
１０３    ｎ型層
１０４    酸化膜
１０５    凹部
１０６    反射部材
１０７    基板
１０８    引き出し電極
１０９    ガラス基板
【図１】
2005175142.tif 000003
【図２】
2005175142.tif 000004
【図３】
2005175142.tif 000005
【図４】
2005175142.tif 000006