專利名稱：紅外發(fā)光元件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉 及紅外發(fā)光元件的制造方法。
背景技術(shù)：
以娃(Si)為基材的大規(guī)模集成電路(LSI Large Scale Integration)的內(nèi)部配線使用銅線等，由此配線延遲和焦耳熱的發(fā)生導(dǎo)致的溫度上升等的問題存在。因而，近年來(lái)，出于抑制配線延遲等的目的，在內(nèi)部配線中利用光學(xué)互接的光電積體電路的開發(fā)進(jìn)行。在光電積體電路的實(shí)現(xiàn)中，必須在LSI芯片上，同時(shí)制作互補(bǔ)型金屬氧化膜半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(CMOS :互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體，Complementary Metal OxideSemi conductor)等的現(xiàn)有元件和發(fā)光元件等的光元件。因此，上述光元件優(yōu)選能夠由以Si作為基材的材料制作。另外，為了抑制通信時(shí)的數(shù)據(jù)損失，光通信所使用的波長(zhǎng)優(yōu)選處于作為光纖的最低損失波長(zhǎng)區(qū)域的I. 55 μ m附近，發(fā)光元件所要求的性能是具有I. 55 μ m附近的發(fā)光波長(zhǎng)。根據(jù)上述背景，最近，面向利用了從使稀土類元素、特別是鉺(Er)添加后的Si發(fā)生的I. 53 μ m的發(fā)光的發(fā)光元件的實(shí)用化的研究正在推進(jìn)。公知著所添加的Er的3價(jià)離子與Si中的氧(0)原子結(jié)合而發(fā)光的技術(shù)，例如，G. Franzo等成功觀測(cè)到來(lái)自共同添加有Er和O的材料的室溫電致發(fā)光(參照非專利文獻(xiàn)I)。另一方面，利用了來(lái)自在Si中所形成的結(jié)晶缺陷的發(fā)光的發(fā)光元件的開發(fā)也被推進(jìn)。例如，s. G. Cloutier等確認(rèn)到，由離子轟擊而發(fā)生的置換碳(C)原子和晶格間Si原子所構(gòu)成的點(diǎn)缺陷為發(fā)光中心的、具有I. 28 μ m的波長(zhǎng)的發(fā)光的光增益/受激發(fā)射(參照非專利文獻(xiàn)2)。先行技術(shù)文獻(xiàn)非專利文獻(xiàn)非專利文獻(xiàn)IG.Franzo, F. Priolo, S. Coffa, A. Polmanand A. Camera, Appl.Phys. Lett. 64,2235(1994)非專利文獻(xiàn)2S. G. Cloutier, P. A. Kossyrev and J. Xu, Nature Mater. 4,887(2005)非專利文獻(xiàn)3J. M. Trombetta and G. D. Wat kins, Appl. Phys. Lett. 51,1103(1987)使用Er等稀土類元素時(shí)，因其自然界的埋藏量與Si等相比少，所以將來(lái)能不能穩(wěn)定地供給還不清楚。另外，添加Er時(shí)，點(diǎn)缺陷、線缺陷、環(huán)缺陷、位錯(cuò)等的缺陷就容易生成，因此發(fā)光效率降低成為問題。此外，Er對(duì)于CMOS等的現(xiàn)有元件來(lái)說(shuō)，是污染物成分，被認(rèn)為兼用含制造裝置在內(nèi)的擴(kuò)散線困難。
因此，加上添加Er的工序過程，就需要追加專用的制造線和制造裝置，因此認(rèn)為與目前相比，制造成本變高。另外，從現(xiàn)有的利用Si中的結(jié)晶缺陷的發(fā)光元件材料出發(fā)，得到在1.55μπι附近(I. 50 1.60 μ m)具有銳利線幅的發(fā)光困難，其結(jié)果，發(fā)光強(qiáng)度受其他的波長(zhǎng)區(qū)域的發(fā)光限制就成為問題。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述背景，本發(fā)明提供一種紅外發(fā)光元件的制造方法，該紅外發(fā)光元件由以Si為基材并可以在Si基板上形成的膜構(gòu)成，其不使用Er等稀土類元素，而使用現(xiàn)有的半導(dǎo)體器件制造工藝、CMOS形成用的制造線和制造裝置便可以形成，以由晶格間C和晶格間O構(gòu)成的點(diǎn)缺陷為發(fā)光中心(以下，記述為C中心)，僅在作為C中心特有的發(fā)光波長(zhǎng)的1. 57 μ m附近具有發(fā)光波長(zhǎng)。本發(fā)明涉及紅外發(fā)光元件的制造方法，其特征在于，在添加有C的Si基板上形成有SiO2膜，在含氧氣氛中進(jìn)行RTA處理的工序，或者，在注入雜質(zhì)離子后在含氧氣氛中進(jìn)行RTA處理。根據(jù)本發(fā)明，能夠直接應(yīng)用在LSI的制作中所使用的現(xiàn)有的半導(dǎo)體器件制造工藝，因此不需要導(dǎo)入新的特殊的裝置、或考慮工藝的相容性，能夠簡(jiǎn)便且低成本地制造I. 57 μ m附近的光源。


圖I是表示本發(fā)明的發(fā)光元件的構(gòu)造的圖。圖2是表示本發(fā)明的發(fā)光元件的制造方法的流程圖。圖3是表示本發(fā)明的實(shí)施例I的發(fā)光元件的發(fā)光光譜的圖。圖4是表示本發(fā)明的發(fā)光元件所含的As的注入特性曲線的圖。圖5是表示本發(fā)明的實(shí)施例2的發(fā)光元件的發(fā)光光譜的圖。圖6是表示本發(fā)明的實(shí)施例3的發(fā)光線強(qiáng)度的SiO2膜厚依存性的圖。圖7是表示發(fā)光線強(qiáng)度的熱處理氣氛中所含的氧濃度依存性的圖。
具體實(shí)施例方式(實(shí)施的方式)以下，一邊參照附圖一邊對(duì)于本發(fā)明的實(shí)施的方式進(jìn)行說(shuō)明。圖I表示本發(fā)明的發(fā)光元件的構(gòu)造。本實(shí)施方式具有在Si基板I的基板表面形成有SiO2膜2的構(gòu)造。而且，具有在Si基板I的內(nèi)部形成有C中心的構(gòu)造。在此，就C中心而言，通過在熱處理和離子注入所形成的結(jié)晶缺陷恢復(fù)的過程使熱處理氣氛中的氧混入而被形成。因此，C中心的量依存于熱處理和離子注入所形成的結(jié)晶缺陷、和熱處理中混入的氧的量。因此，為了使C中心的量增加，使發(fā)光強(qiáng)度增大，需要在熱處理中被混入的氧擴(kuò)散的區(qū)域、在無(wú)非結(jié)晶化的范圍盡可能多地創(chuàng)造結(jié)晶缺陷，且由SiO2膜的膜厚、離子注入條件和熱處理?xiàng)l件控制。
接著，使用圖2，說(shuō)明本發(fā)明的紅外發(fā)光元件的制造方法。該方法即是用于形成C中心的步驟。首先，在工序(a)中，準(zhǔn)備含有作為構(gòu)成C中心的元素之一的C的Si基板。就C濃度而言，優(yōu)選在不超過Si中的固溶極限(2 X 1018cm_3)的范圍內(nèi)盡可能以高濃度含有，所要求的濃度范圍是IXlO15Cnr3以上，2X1018cm_3以下。其次，在工序(b)中，為了控制離子注入和熱處理中產(chǎn)生的結(jié)晶缺陷的量和位置，而在硅基板上形成SiO2膜。SiO2膜例如一般可以由硅制程中形成熱氧化膜的條件下形成，通過調(diào)整熱處理溫度和熱處理時(shí)間，能夠控制SiO2膜的膜厚。其后，在工序(C)中，在形成有SiO2膜的Si基板上，在氧氣氛中進(jìn)行熱處理，形成C中心。在此應(yīng)該注意的是，已知形成的C中心會(huì)在利用了熱處理爐的長(zhǎng)時(shí)間的熱處理中消失。因此，需要短時(shí)間的熱處理。這種情況下，為了確?；謴?fù)可構(gòu)成阻礙來(lái)自C中心的發(fā)光的要因的C中心以外的缺陷所需要的熱量，需要高溫下的熱處理。作為進(jìn)行高溫/短時(shí)間 的熱處理的手段，適合的是快速熱退火(RTA :rapid thermal annealing)。作為RTA的升溫速度的一例，為40°C /sec以上、900°C /sec以下。另外，作為RTA的降溫速度的一例，為400C /sec 以上、900°C /sec 以下。還有，即使僅憑RTA中的急速升溫帶來(lái)的熱沖擊，也可以形成C中心，但為了制造盡可能多的結(jié)晶缺陷，期望在熱處理前進(jìn)行工序(d)的離子注入。離子注入的離子種類，能夠使用CMOS制造中一般所使用的作為雜質(zhì)的砷(As)、磷(P)、硼(B)、鍺(Ge)等)。注入能需要選擇的是，能夠相對(duì)于SiO2膜的膜厚而注入雜質(zhì)的平均射程(Rp)存在于Si基板之中，且向Si基板中導(dǎo)入充分的缺陷的能量。注入劑量需要設(shè)定為，不會(huì)由于非晶質(zhì)化的影響而在熱處理后形成恢復(fù)困難的位錯(cuò)等的大型缺陷的值，即，設(shè)定在Si基板非晶化的臨界劑量以下。進(jìn)行離子注入時(shí)，工序(C)中熱處理溫度和熱處理時(shí)間，只要是熱處理氣氛中所含的氧能夠擴(kuò)散到在硅基板中形成注入缺陷的區(qū)域這一條件即可。例如，使目標(biāo)深度處于由注入所形成的缺陷密度高的Rp的2倍左右(約200nm)時(shí)，則熱處理溫度設(shè)定為1000°C以上，熱處理時(shí)間設(shè)定為30秒以上、I分以內(nèi)即可。另外，工序(C)的熱處理氣氛中所含氧氣的濃度，考慮到SiO2膜的增膜和殘留缺陷量而應(yīng)該使之最佳化，但在上述條件下，設(shè)定在5%以上、40%以下能夠得到最佳值。接著，對(duì)于更具體的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。實(shí)施例I作為實(shí)施例1，對(duì)于不進(jìn)行工序(d)的離子注入而制造發(fā)光元件的方法進(jìn)行說(shuō)明。首先，在工序(a)中，作為含有C的Si基板，使用含有IX IO16CnT3左右的C的由切克勞斯基法(Cz)法形成的市場(chǎng)銷售的Si基板。工序(b)的SiO2膜的制成，一般可以在硅制程中形成熱氧化膜的條件下形成，在本實(shí)施例中，以900°C進(jìn)行55分鐘的熱處理后，進(jìn)行1000°C、20分的熱處理，形成43nm的SiO2 膜。其次，作為工序(C)，將氧濃度設(shè)定為10%，以1100°C進(jìn)行30sec的RTA處理。在此，升降溫速度均為40°C /sec。
以如上方式形成的發(fā)光元件的低溫(30K)陰極發(fā)光(CL)測(cè)量結(jié)果表示在圖3中。為了進(jìn)行比較，將在氧濃度0%氣氛下進(jìn)行工序(C)、且其他與實(shí)施例I相同的條件下制成的試料的CL光譜也一起表示在圖3中。由圖3可知，本實(shí)施例的試料(氧濃度10% )，觀測(cè)到I. 57 μ m的發(fā)光線，形成良好的發(fā)光元件。相對(duì)于此，在比較例的試料(氧濃度0% )中，未見發(fā)光光譜的峰值。另外，在本實(shí)施例的試料中，未見存在使I. 57 μ m的發(fā)光線的發(fā)光強(qiáng)度降低的可能性的點(diǎn)缺陷、線缺陷、環(huán)缺陷、位錯(cuò)等引起的發(fā)光線。實(shí)施例2作為實(shí)施例2，對(duì)于進(jìn)行工序(d)的離子注入而制造發(fā)光元件的方法進(jìn)行說(shuō)明。首先，與實(shí)施例I同樣，在工序(a)中，作為含有C的Si基板，使用含有I X IO16CnT3左右的C的由切克勞斯基(Cz)法形成的市場(chǎng)銷售的Si基板。本實(shí)施例的工序(b)的SiO2膜的形成條件，是以900°C進(jìn)行45分鐘的熱處理后， 在1000°C進(jìn)行20分鐘的熱處理，其膜厚為10nm。其次，作為工序(d)，作為質(zhì)量數(shù)比較大、且以很少的注入量就能夠?qū)i基板造成比較大的損傷的雜質(zhì)，注入了 As。這時(shí)，As的注入能設(shè)定為Rp處于90nm左右的150keV,注入劑量設(shè)定為比As注入的臨界劑量(SXlO1W2)小的值、即21X1013。此外，作為工序(C)，將氧濃度設(shè)定為40%，以1100°C進(jìn)行50sec的RTA處理。在此，升降溫速度均為40°C /sec。上述注入、熱處理?xiàng)l件下的As的特性曲線表示在圖4中?？芍骄涑蘎p為90nm左右。另外，以如上方式形成的這一構(gòu)造的低溫(30K)陰極發(fā)光(CL)測(cè)量結(jié)果由圖5的實(shí)線表示。在圖5中作為比較例，以氧濃度0%氣氛下進(jìn)行工序(C)、且其他與實(shí)施例2相同的條件下制成的試料的CL光譜也一起表示在圖5中。根據(jù)圖5，在實(shí)施例2的發(fā)光元件中，與實(shí)施例I同樣，觀測(cè)到I. 57μπι的發(fā)光線。相對(duì)于此，在比較例的試料(氧濃度0%)中，未見到發(fā)光光譜的峰值。另外，在本實(shí)施例的試料中，未見點(diǎn)缺陷、線缺陷、環(huán)缺陷、位錯(cuò)等引起的發(fā)光線。實(shí)施例3在本實(shí)施例中，制成使工序(b)中形成的SiO2膜的膜厚變化的試料。SiO2膜的膜厚為IOnm或43nm。除SiO2膜的膜厚和工序(c)的RTA處理時(shí)的氧濃度設(shè)定為10%以外的實(shí)驗(yàn)條件，與實(shí)施例2相同。在本實(shí)施例的試料中，基于低溫(30K)陰極發(fā)光(CL)測(cè)量的、
I.57 μ m的發(fā)光線強(qiáng)度的SiO2膜厚依存性表示在圖6中。就I. 57 μ m的發(fā)光線而言,無(wú)論是使SiO2膜的膜厚為IOnm還是43nm均可見。由圖6可知，通過控制SiO2膜的膜厚，可以控制C中心的量，其結(jié)果是可以控制發(fā)光線強(qiáng)度。通過使SiO2膜的膜厚薄至IOnm以下，能夠得到更大的發(fā)光強(qiáng)度。實(shí)施例4在本實(shí)施例中，在工序(C)中，使熱處理氣氛中所含的氧的比例變化，而制成試料。其他的實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)施例2相同。在本實(shí)施例中，熱處理氣氛中所含的氧的比例為O %、5%U0%,20%,30%,40%o在本實(shí)施例的試料中，基于低溫(30K)陰極發(fā)光(CL)測(cè)量的、
I.57 μ m的發(fā)光線強(qiáng)度的熱處理氣氛中所含的氧濃度依存性表示在圖7中。由圖7可知，氧濃度為5%以上、40%以下，觀察到I. 57 μ m的發(fā)光線。另外，如果為10%以上，則發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)一步增加。雖然發(fā)光強(qiáng)度隨著氧濃度變高而增加，但在30%左右達(dá)到飽和。產(chǎn)業(yè)上的可利用性如果使用本發(fā)明的發(fā)光元件的制造方法，則能夠直接采用LSI的制作所使用的現(xiàn)有的半導(dǎo)體器件制造工藝，因此不需要導(dǎo)入新的特殊的裝置、或考慮工藝的相容性，能夠簡(jiǎn)便且低成本制造I. 57 μ m附近的光源。符號(hào)的說(shuō)明ISi 基板
2SiO2 膜
權(quán)利要求
1.一種紅外發(fā)光元件的制造方法，其中，具有如下工序(a)準(zhǔn)備含有IX 1015cm_3以上、2 X IO18CnT3以下的C的Si基板的工序；(b)在所述Si基板表面形成SiO2膜的工序；(c)將形成有所述SiO2膜的所述Si基板、在含氧氣氛中進(jìn)行RTA處理的工序。
2.一種紅外發(fā)光元件的制造方法，其中，具有如下工序(a)準(zhǔn)備含有IX 1015cm_3以上，2 X IO18CnT3以下的C的Si基板的工序；(b)在所述Si基板上形成SiO2膜的工序；(d)對(duì)于形成有所述SiO2膜的所述Si基板進(jìn)行離子注入的工序；(c)將所述離子注入進(jìn)行后的所述Si基板、在含氧氣氛中進(jìn)行RTA處理的工序。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的紅外發(fā)光元件的制造方法，其特征在于，所述RTA處理的升溫速度為400C /sec以上、900°C /sec。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的紅外發(fā)光元件的制造方法，其特征在于，所述RTA處理在 IOOO0C以上、1200°C以下進(jìn)行。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的紅外發(fā)光元件的制造方法，其特征在于，以I秒以上、I 分鐘以內(nèi)進(jìn)行所述RTA處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的紅外發(fā)光元件的制造方法，其特征在于，在含氧氣氛中進(jìn)行所述RTA處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的紅外發(fā)光元件的制造方法，其特征在于，所述離子注入的離子種類為As。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的紅外發(fā)光元件的制造方法，其特征在于，以150keV的能量進(jìn)行所述離子注入。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的紅外發(fā)光元件的制造方法，其特征在于，所述離子注入量為 8X IO13Cm 3 以下。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有1.57μm的波長(zhǎng)的紅外發(fā)光元件的制造方法，其中，在含有C的Si基板上形成SiO2膜，在含氧的氣氛中進(jìn)行RTA處理，或者，在注入雜質(zhì)離子后在含氧的氣氛中實(shí)施RTA處理，由此形成C中心。
文檔編號(hào)H01L33/34GK102934241SQ20128000151
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月28日
發(fā)明者相良曉彥, 平巖美央里, 柴田聰 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社