(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体のリブ型導波路が中央部に格子欠陥を有し、前記リブ型導波路の両側にあるスラブ部のそれぞれがｐ型半導体及びｎ型半導体である導波路型受光器の製造方法であって、  前記リブ型導波路の前記格子欠陥を、
前記リブ型導波路及び前記スラブ部を形成した後に、前記リブ型導波路及び前記スラブ部の前記リブ型導波路近傍を含む所定領域が単結晶から非晶質化して非晶質領域となるまで前記所定領域にイオンを注入するイオン注入工程と、
イオン注入工程の後に、前記非晶質領域の両外側から前記リブ型導波路の中央部に向かって前記非晶質領域を再結晶化させ、前記非晶質領域が前記リブ型導波路内に収まるまで熱を加える熱処理工程と、
で形成することを特徴とする導波路型受光器の製造方法。
【請求項２】
前記リブ型導波路及び前記スラブ部の半導体は、シリコンであることを特徴とする請求項１に記載の導波路型受光器の製造方法。
【請求項３】
前記イオン注入工程で注入するイオンは、希ガス、シリコン又はゲルマニウムのイオンであることを特徴とする請求項２に記載の導波路型受光器の製造方法。
【請求項４】
前記熱処理工程では、６００℃以上１０００℃以下の熱を加えることを特徴とする請求項２又は３に記載の導波路型受光器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体の光導波路と同一の基板上に形成され、これと接続される導波路型受光器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体であるシリコンをコアに用いた電磁波導波路は、一般にシリコン酸化膜をクラッド層に用いており、その比屈折率差は約０．４と、石英系導波路に比べ数１０倍大きく、屈折率差による閉じ込め効果が非常に大きくなっている。光通信用の波長１．５５μｍ付近の電磁波に対して、単一モード条件を満たすコア寸法は５００×２００ｎｍ程度となり、石英系導波路の数１００分の１の断面積となる。また、この高屈折率差のため数ミクロンの微小な曲げ半径が可能であり微小な光集積回路を形成することができる。また、シリコンは電子デバイスの製造にも利用され、電磁波導波路と電子デバイスを組み合わせたオプトエレクトロニクスデバイスの開発も検討されている。
【０００３】
ところで、上記のようなシリコン電磁波導波路を光通信システムの一部として使用するためには、光検出器と結合して光を受光する必要がある。このため、図１に示すような導波路型受光器が提案されている（非特許文献１を参照。）。図１は、導波路型受光器の構造を説明する断面図である。図１の導波路型受光器は、光が伝搬するリブ型導波路１の両サイドのスラブ部２の表面を高濃度不純物ｐ型半導体１４および高濃度不純物ｎ型半導体１６とし、リブ型導波路１の側面及びリブ型導波路１近傍のスラブ部２の表面を低濃度不純物ｐ型半導体１５および低濃度不純物ｎ型半導体１７とし、リブ型導波路１に格子欠陥７を有する。通常、シリコンは通信用の波長１．５５μｍ付近の光を吸収しないため、この波長帯域で光検出器にはならないが、リブ型導波路１に格子欠陥７を形成すると、光を吸収してキャリアを生成する。図１の導波路型受光器は、金属１１、高濃度不純物ｐ型半導体１４および高濃度不純物ｎ型半導体１６を介して、低濃度不純物ｐ型半導体１５と低濃度不純物ｎ型半導体１７との間に逆バイアスを印加することで、このキャリアを外部回路に取り出すことができ、受光器として動作が可能となる。
【０００４】
格子欠陥７は、アルゴンやヘリウムなどの希ガス元素、あるいはシリコンなどをイオン注入して形成する。具体的には、リブ型導波路のうち格子欠陥を形成する部分のみ開口させたマスクをリソグラフィ工程により形成した後にイオン注入する。マスクが形成された部分にはイオン注入されずに開口部のみイオン注入され、開口部のシリコンに格子欠陥が形成される。
【非特許文献１】Ｍ．Ｗ．Ｇｅｉｓ他、“ＣＭＯＳ−Ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ  Ａｌｌ−Ｓｉ  Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ  Ｗｉｔｈ  Ｈｉｇｈ  Ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｉｔｙ  ｉｎ  Ｎｅａｒ−Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｂａｎｄ”，  ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．３，ｐｐ．１５２−１５４（２００７）
【非特許文献２】“Ｓｏｕｒｃｅ／Ｄｒａｉｎ  Ｉｏｎ  Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ  ｉｎｔｏ  Ｕｌｔｒａ−Ｔｈｉｎ−Ｓｉｎｇｌｅ−Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ−Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｌａｙｅｒ  ｏｆ  Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ  Ｏｘｙｇｅｎ  （ＳＩＭＯＸ）Ｗａｆｅｒｓ”，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３５（１９９６）ｐｐ．  ５２３７−５２４１，Ｐａｒｔ  １，  Ｎｏ．１０．
【非特許文献３】山田浩治  他、”シリコンの非線形光学効果とその応用”，光学  第３７巻１号，ｐｐ．２７−３４（２００８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、マスクの開口部がスラブ部まで広がり、スラブ部まで格子欠陥が形成された場合、逆バイアス印加時に格子欠陥を通じて電流（暗電流）が流れてしまい最低受光感度が劣化することになる。このような暗電流を防止するためには格子欠陥をリブ型導波路の中央部にのみに正確に形成する必要がある。このため、マスクの開口部をリブ型導波路の幅以下にする必要があり、リソグラフィ工程の露光装置にはリブ型導波路の幅以下の解像度が求められる。しかし、上述のようにリブ型導波路の幅は５００ｎｍ程度であり、格子欠陥をリブ型導波路の中央部にのみに正確に形成するためには、解像度が５００ｎｍよりも十分小さい電子ビームや深紫外光（ＤＵＶ）を用いた高価で普及数の少ない露光装置が必要になるという課題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、解像度がリブ型導波路の幅以上の露光装置を使用しても格子欠陥が導波路のリブ型導波路の中央部にのみに集中する導波路型受光器の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】
【０００７】
前記目的を達成するために、本発明に係る導波路型受光器の製造方法は、リブ型導波路に形成する格子欠陥の幅よりも広い範囲にイオン注入を行うことにより半導体に非晶質の領域を形成する工程と、熱処理を行うことにより格子欠陥をリブ部中央部に集中させて形成する工程とを有する。
【０００８】
具体的には、本発明に係る導波路型受光器の製造方法は、半導体のリブ型導波路が中央部に格子欠陥を有し、前記リブ型導波路の両側にあるスラブ部のそれぞれがｐ型半導体及びｎ型半導体である導波路型受光器の製造方法であって、前記リブ型導波路の前記格子欠陥を、前記リブ型導波路及び前記スラブ部を形成した後に、前記リブ型導波路及び前記スラブ部の前記リブ型導波路近傍を含む所定領域が単結晶から非晶質化して非晶質領域となるまで前記所定領域にイオンを注入するイオン注入工程と、イオン注入工程の後に、前記非晶質領域の両外側から前記リブ型導波路の中央部に向かって前記非晶質領域を再結晶化させ、前記非晶質領域が前記リブ型導波路内に収まるまで熱を加える熱処理工程と、で形成することを特徴とする。
【０００９】
イオン注入工程で半導体にはイオン注入された非晶質領域と非晶質領域の外周にイオン注入されず単結晶のまま残った単結晶領域とが形成される。熱処理工程で、熱処理を行うと、非晶質領域は単結晶領域を種結晶として固相エピタキシャル回復により外側から中央部へと再結晶化が進行する。このため、非晶質領域がリブ型導波路に形成する格子欠陥の幅より広くても、熱処理の温度や時間を調整することで所望の格子欠陥の幅とすることができる。
【００１０】
従って、本発明は、解像度がリブ型導波路の幅以上の露光装置を使用しても格子欠陥が導波路のリブ型導波路の中央部にのみに集中する導波路型受光器の製造方法を提供することができる。
【００１１】
導波路型受光器の前記リブ型導波路及び前記スラブ部の半導体は、シリコンとすることができる。光通信用の波長１．５５μｍ付近の光を受光できる導波路型受光器を製造することができる。
【００１２】
本発明に係る導波路型受光器の製造方法の前記イオン注入工程で注入するイオンは、希ガス、シリコン又はゲルマニウムのイオンであることが好ましい。シリコン中でもｎ型或いはｐ型不純物とならないため、導波路型受光器の特性を維持できる。
【００１３】
本発明に係る導波路型受光器の製造方法の前記熱処理工程では、６００℃以上１０００℃以下の熱を加えることが好ましい。まず固相エピタキシャル成長では、結晶シリコン中で格子欠陥や原子が移動可能となる６００℃以上に加熱する必要がある。一方、９００℃において１５分の短時間で転位ループが形成されていることが報告されている（例えば、非特許文献３を参照。）。このため、１０００℃を超えると格子欠陥の移動が激しくなり、転位ループの形成が秒単位で進行すると推測され、その結果として非常に大きな転位ループの形成を通じて、格子欠陥が消失してしまう可能性がある。従って、６００℃以上１０００℃以下の熱処理とすることで、所望の特性の転位ループを制御性良く形成することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、解像度がリブ型導波路の幅以上の露光装置を使用しても格子欠陥が導波路のリブ型導波路の中央部にのみに集中する導波路型受光器の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００１６】
図２から図５は、本実施形態の導波路型受光器の製造方法を説明する導波路型受光器の断面図である。
【００１７】
本実施形態の導波路型受光器の製造方法は、半導体のリブ型導波路１が中央部に格子欠陥７を有し、リブ型導波路１の両側にあるスラブ部２のそれぞれがｐ型半導体及びｎ型半導体である導波路型受光器の製造方法であって、リブ型導波路１の格子欠陥７を、リブ型導波路１及びスラブ部２を形成した後に、格子欠陥７を形成する部分を含む所定領域が単結晶から非晶質化して非晶質領域５となるまで所定領域にイオンを注入するイオン注入工程と、イオン注入工程の後に、非晶質領域５の両外側からリブ型導波路１の中央部に向かって非晶質領域５を再結晶化させ、非晶質領域５が所望の幅になるまで熱を加える熱処理工程と、で形成する。
【００１８】
以下において、リブ型導波路１及びスラブ部２の半導体がシリコンであるとして説明するが、半導体はシリコンに限らずゲルマニウムや化合物半導体でも同様である。また、リブ型導波路の幅を５００ｎｍとして説明するが、この幅は５００ｎｍに限らず広くても狭くてもよい。
【００１９】
基板３は、例えば、シリコンウエハ上に形成された二酸化シリコン（ＳｉＯ２）層である。イオン注入工程までに基板３の上に単結晶シリコンでリブ型導波路１及びスラブ部２を形成しておく。図２は、イオン注入工程を説明する図である。まず、図２のように露光装置を用いリブ型導波路１よりも広い範囲にイオン注入制限用のマスク４を形成する。例えば、露光装置は、水銀ランプのｇ線紫外線を用いたような解像度が５００ｎｍよりも大きい普及した露光装置を用いることができる。図２においてマスク４の開口部はリブ型導波路１の幅より広く描かれているが、露光機の解像度に応じて図５の格子欠陥７の幅より広ければよい。
【００２０】
次いで、図２のようにリブ型導波路１及びスラブ部２の側からイオン注入Ｉ／Ｉを行う。イオン注入Ｉ／Ｉに用いられる元素は、アルゴン、クリプトン等の希ガス原子やシリコン、ゲルマニウム等のシリコン中でもｎ型不純物或いはｐ型不純物とならない元素のイオンを選択する必要がある。シリコン以外の半導体の場合、その半導体中でｎ型不純物或いはｐ型不純物とならない元素のイオンを選択する。
【００２１】
図２のイオン注入工程で注入されたイオンによりマスク４の開口部であった範囲に格子間原子や空孔などの格子欠陥が生成される。イオン注入Ｉ／Ｉはシリコンが非晶質であるとみなせる格子欠陥密度が２×１０２２ｃｍ−３以上（例えば、非特許文献２を参照。）となるまで行う。イオン注入制限用のマスク４はイオン注入Ｉ／Ｉが完了した後に除去してもよい。図３は、イオン注入工程後の状態を説明する図である。図３のように、イオン注入工程後に非晶質領域５が形成される。非晶質領域５の外側は単結晶領域６である。
【００２２】
図４は、熱処理工程を説明する図である。非晶質領域５と単結晶領域６とが接触した状態で熱処理を行うと、単結晶領域６を種結晶として固相エピタキシャル回復により外側から中央部へと再結晶化ＲＣが進行する。
【００２３】
図５は、熱処理工程後の状態を説明する図である。熱処理工程で非晶質領域５の両端から中央部へと進んだ再結晶化面は中央部で出会い、そこでは結晶面が一致せず図５のように転位等の格子欠陥７が形成される。熱処理工程の時間や温度を調整することで所望の幅の格子欠陥７を形成することができる。例えば、熱処理の温度は６００℃以上１０００℃以下とすることで、格子欠陥７の幅を精度良く制御できる。シリコン以外の半導体の場合、格子欠陥７の幅を精度良く制御できる温度とする。
【００２４】
熱処理工程の後に、スラブ部２の表面及びリブ型導波路１の側面をｐ型又はｎ型となるようにイオン注入をし、次いでＡｌやＴｉなどの金属を所定の位置に形成して図１のような導波路型受光器の構造とする。
【００２５】
図２から図５で説明した製造方法を利用すれば、解像度が大きい、すなわち既に普及した露光装置を用いてイオン注入マスクを形成しても、狭いリブ型導波路の中央に格子欠陥を集中して形成することができる。このため、電磁波導波路と電子デバイスを組み合わせたオプトエレクトロニクスデバイスを安価かつ大量に製作することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明に係る製造方法は導波路型受光器に限らず、電磁波導波路と電子デバイスを組み合わせたオプトエレクトロニクスデバイス等に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】導波路型受光器の構造を説明する図である。
【図２】本発明に係る導波路型受光器の製造方法を説明する導波路型受光器の断面図である。
【図３】本発明に係る導波路型受光器の製造方法を説明する導波路型受光器の断面図である。
【図４】本発明に係る導波路型受光器の製造方法を説明する導波路型受光器の断面図である。
【図５】本発明に係る導波路型受光器の製造方法を説明する導波路型受光器の断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１：リブ型導波路
２：スラブ部
３：基板
４：マスク
５：非晶質領域
６：単結晶領域
７：格子欠陥
１１：金属
１４：高濃度不純物ｐ型半導体
１５：低濃度不純物ｐ型半導体
１６：高濃度不純物ｎ型半導体
１７：低濃度不純物ｎ型半導体
Ｉ／Ｉ：イオン注入
ＲＣ：再結晶化
【図１】
0004878356.tif 000002
【図２】
0004878356.tif 000003
【図３】
0004878356.tif 000004
【図４】
0004878356.tif 000005
【図５】
0004878356.tif 000006