JP2000002817A - 光導波路プラットフォームとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 半導体基板上に光導波路が形成され、かつ光
素子が搭載されて電極配線により電気接続される構成の
光導波路プラットフォームにおける、電気信号の高周波
特性を改善する一方で、設計自由度を高め、かつ製造の
簡易化を可能とする。 【解決手段】 Ｓｉ基板１上に石英系材料でコア４２及
びクラッド４１，４３よりなる光導波路４が形成され、
光導波路の光導波端に臨むＳｉ基板１上にレーザダイオ
ード等の光素子８が搭載され、この光素子８に対して電
気接続を行う電極配線が形成される。電極配線は、光導
波路４の下側に形成された下側電極配線３と、光導波路
４の上側に形成された上側電極配線５と、光導波路４に
設けられて前記下側と上側の各電極配線３，５を厚さ方
向に導通する導電コンタクト６とで構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光通信などに用いら
れるハイブリッド集積導波路型光デバイスにおいて、ハ
イブリッド集積された半導体光素子を動作させるための
電極配線を有する光導波路プラットフォームとその製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信システムの大容量化が進む
とともに多機能の高度なシステムが求められている一方
で、光ファイバネットワークシステムの低コスト化の要
求が強くなっている。その中で、光デバイスの小型化、
高集積化および低コスト化は必須の項目である。このよ
うな状況の中、Ｓｉ（シリコン）基板上に石英系光導波
路が形成された光導波路プラットフォーム上に、ＬＤ
（半導体レーザ）やＰＤ（フォトダイオード）、あるい
はＳＯＡ（半導体光アンプ）などの半導体光素子を搭載
してハイブリッド集積することにより部品点数を削減
し、小型化、多機能化、低コスト化する技術が有力視さ
れており、現在盛んに研究が行われている。図３はこの
種の光導波路プラットフォームの概略構成を示す斜視図
であり、Ｓｉ基板１０１の表面に絶縁膜１０２が形成さ
れ、この絶縁膜１０２の表面上には下層クラッド層１４
１、コア１４２、上層クラッド層１４３からなる光導波
路１０４が形成されている。また、前記光導波路１０４
が形成されていない前記Ｓｉ基板１０１の表面には、金
属膜をパターン形成した電極配線１０３が延設される。
また、前記光導波路１０４が形成されていないＳｉ基板
１０１上の一部は光素子搭載部１０７として構成され、
ＬＤやＰＤ等の光素子１０８が前記電極配線１０３に設
けられたアイランド部１０３ａに搭載される。前記光素
子１０８は前記電極配線１０３に電気接続され、この電
極配線１０３を通して前記光素子１０８に電気信号が伝
送される。

【０００３】しかしながら、このようなハイブリッド集
積した光素子に電気接続されるプラットフォーム上に形
成されている電極配線１０３は、Ｓｉ基板１０１上に形
成された熱酸化膜などの１μｍ以下の薄い絶縁膜１０２
上に形成されているため、Ｓｉ基板１０１の表面と電極
配線１０３が近接状態で対向配置された状態となり、Ｓ
ｉ基板１０１による誘電体損失が大きい、あるいはＳｉ
基板１０１と電極配線１０３との間の寄生容量が大きい
などの理由で、Ｇｂ／ｓオーダの高速動作特性が劣化す
るという問題があった。この問題を解決するために、１
９９４年電子情報通信学会秋季大会講演論文集C-195
に、図４に示す構成が提示されている。この構成は、光
導波路１０４の下層クラッド層１４１の形成と同時に、
Ｓｉ基板１０１の表面にバッファ層１０６を形成し、こ
のバッファ層１０６上に電極配線１０３を形成したもの
である。バッファ層１０６は３０μｍ程度の厚さに設定
することが可能なため、前記したようなＳｉ基板１０１
による電極配線１０３への影響を十分低減することが可
能となり、良好な高速動作の特性を得ることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図４の
構成では、バッファ層１０６を形成するためには、Ｓｉ
基板１０１のバッファ層形成領域の表面を予め凹状にエ
ッチングした上で、この凹状部に下層クラッド層１４１
と同時に石英系の材料を堆積し、その上でこの石英系材
料の表面を機械的に研磨してＳｉ基板１０１の表面を平
坦化するという製造工程が必要であり、工程数が増加し
て製造が困難になるという問題がある。また、電極配線
１０３がＳｉ基板１０１の表面に画成された光素子搭載
部１０７と同じ面上に形成されているため、例えば光導
波路１０４を横切るような柔軟な配線設計を行うことは
難しい。なお、図示は省略するが、１９９６年電子情報
通信学会総合大会講演論文集C-205 に示されているよう
に、上層クラッド層上に電極配線を形成し、半導体光素
子搭載部に形成された電極配線とはワイヤボンディング
によって接続するという構造であれば比較的配線設計の
自由度は増加するが、ワイヤボンディングはパターニン
グ配線と比較して手間がかかる上に、今後ますますハイ
ブリッド集積の集積規模が拡大され、それに伴って複雑
化、高密度化が要求される配線構造にとって設計自由度
が高いとはいえない。

【０００５】本発明の目的は、電極配線における高速動
作の特性を改善することはもとより、電極配線の設計自
由度を高めるとともに、製造を容易に行うことが可能な
光導波路プラットフォームとその製造方法を提供するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体基板上
に光学材料でコア及びクラッドよりなる光導波路が形成
され、かつ前記光導波路の光導波端に臨む前記半導体基
板上に光素子が搭載され、かつ前記光素子に対して電気
接続を行う電極配線が前記半導体基板上に形成されてい
る光導波路プラットフォームにおいて、前記電極配線の
一部が前記光導波路の下側に形成され、前記電極配線の
他の一部は前記光導波路の上側に形成され、かつ前記下
側と上側の各電極配線は前記光導波路を厚さ方向に貫通
する導電コンタクトにより相互に電気接続されることを
特徴とする。前記光導波路は、下層クラッド層と、前記
下層クラッド層よりも幅寸法が小さいコアと、前記コア
の両側面及び上面を覆うように前記下層クラッド層上に
形成される上層クラッド層の積層構造として構成され、
前記共通コンタクトは前記コアが存在しない領域におい
て前記下層クラッド層と上層クラッド層を厚さ方向に貫
通して形成される。ここで、前記共通コンタクトは、前
記コアよりも可及的に離れた位置で、かつ前記光素子が
搭載される箇所に可及的に近い位置に形成され、前記下
側の電極配線は前記光素子の搭載位置から前記共通コン
タクトの位置の間に形成される構成とすることが好まし
い。

【０００７】本発明の製造方法は、半導体基板上に絶縁
膜を形成し、前記絶縁膜上に下側電極配線を形成する工
程と、前記下側電極配線上に光導波路を形成する工程
と、前記光導波路の一部を除去して前記下側電極配線の
一端部が露呈される半導体光素子搭載部を形成する工程
と、前記光導波路に前記下側電極配線の他端部に導通す
るコンタクトホールを厚さ方向に開口する工程と、前記
光導波路の上面に前記導通コンタクトホールを介して前
記下側電極配線の他端部に電気接続される上側電極配線
を形成する工程とを含む。ここで、前記コンタクトホー
ル内にメッキ法により金属膜を形成し、前記上側電極配
線は前記金属膜を介して前記下側電極配線に電気接続す
る工程を採用してもよい。

【０００８】本発明によれば、光素子に伝送される電気
信号はその大部分が光導波路の上面に形成されて半導体
基板から離れた位置にある上側電極配線を伝送されるこ
とになり、半導体基板の影響が低減されて高周波特性が
改善される。また、上側電極配線は光導波路の上面に形
成されるので設計上の自由度が大きくなり、光導波路を
横切るような電極配線の形成も容易になる。さらに、下
側電極配線はその一部が光導波路の下側に存在している
ので、光素子搭載部の面積が非常に小さい場合でも、下
側電極配線の設計上の自由度が大きくなる。また、本発
明による製造方法では、従来の光導波路プラットフォー
ム作製工程に少しの工程を付加するだけで本発明の光導
波路プラットフォーを作製することが可能である。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態
を示す斜視説明図である。表面に絶縁膜２が形成された
Ｓｉからなる基板１上に誘電体材料が順次積層されて形
成された下層クラッド層４１、コア４２、上層クラッド
層４３で構成される光導波路４が形成される。前記コア
４２は下層クラッド層４１よりも細幅に形成され、前記
上層クラッド層４３は前記コア４２の側面ないし上面を
覆うように形成されている。また、前記上層クラッド層
４３の上面には上側電極配線５が形成されている。さら
に、前記光導波路４の一部を前記基板１上において部分
的に除去することにより光素子搭載部７が形成されてお
り、前記絶縁膜２の表面上には、前記光素子搭載部７を
含む領域に光素子駆動用の下側電極配線３が形成されて
いる。前記下側電極配線３の一部は光導波路４を構成し
ている前記クラッド層４１の下側にまで延長されてお
り、前記上層クラッド層４３の上面に形成された前記上
側電極配線５に対し、前記クラッド層４１，４３を貫通
するコンタクトホール６を通じて相互に導通している。
前記コンタクトホール６は前記コア４２内を伝搬する導
波光への影響が生じないように、コア４２から離れた位
置で、かつ前記光素子搭載部７に可及的に近い位置に設
けられ、前記コンタクトホール６内には金属膜６１が形
成され、これにより前記上下の各電極配線３，５は相互
に電気接続されている。そして、前記光素子搭載部７の
前記下側電極配線３の一部で構成されるアイランド部３
ａ上にはＬＤ又はＰＤ等の光素子８が搭載されており、
前記下側電極配線３に電気接続される。したがって、前
記光素子８は、前記下側電極配線３、コンタクトホール
６（金属膜６１）を介して上側電極配線５に電気接続さ
れ、この上側電極配線５を通して給電され、あるいは電
気信号を出力するように構成される。

【００１０】この構成では、Ｓｉ基板１上に搭載された
光素子８に電気接続される電極配線は、その一部がＳｉ
基板１の表面に沿って形成された下側電極配線３で構成
されるが、他の部分はコンタクトホール６を介して接続
された光導波路４上の上側電極配線５で構成されること
になる。したがって、電気信号はその大部分がＳｉ基板
１の表面上の２０μｍ以上の厚い石英膜上を伝送される
ことになり、Ｓｉ基板１との間の寄生容量の影響が低減
された高周波特性に優れた電極配線構造を得ることがで
きる。また、上側電極配線５は上層クラッド層４３の上
面に形成されるので設計上の自由度が大きく、例えばコ
ア４２上を横切るような電極配線パターンも容易にでき
る。さらに、光素子搭載部７の面積が非常に小さく場合
でも、下側電極配線３はその一部が光導波路４の下側に
形成されているので、光素子搭載部７の面積に制約を受
けることがなく、設計上の自由度が大きくなり、設定が
容易なものとなる。

【００１１】ここで、光導波路４の材料は例えば石英系
材料などを用いることができ、この石英系材料による成
膜技術としては、火炎堆積（ＦＨＤ）法、化学気相堆積
（ＣＶＤ）法、スパッタ法、蒸着法、ＳＯＧ塗布などが
あるが、ＦＨＤのように光導波路形成に1000℃以上の高
温処理を伴う方法は、その下に形成された電極配線７に
大きな損傷を与えるため、それ以外の低温で光導波路を
形成できる方法が望ましい。例えばＣＶＤ法を用いれ
ば、アニール処理などを含めても 900℃以下で光導波路
４が形成できる。前記光導波路４は、石英系シングルモ
ード導波路として構成する場合には、通常では下層クラ
ッド層４１と上層クラッド層４３の厚さは１０μｍ以上
である。したがって、前記したように光素子８に導通さ
れて電極配線を流れる電気信号は、その大部分が２０μ
ｍ以上の厚い石英膜上の電極配線５を伝搬することにな
り、Ｓｉ基板１の影響が低減された高周波特性に優れた
電極配線構造を得ることができる。

【００１２】一方、下側電極配線３の材料には例えば耐
熱性に優れたＷＳｉ（タングステンシリサイド）、Ｔｉ
Ｓｉ（チタンシリサイド）などの高融点金属シリサイド
や、Ｔｉ（チタン）やＣＲ（クロム）などの高融点金属
を使用することができる。また、光導波路４がさらに低
温で例えば 400℃以下で形成できるならＡｌ（アルミニ
ウム）などの金属を使用することも可能である。これら
の金属の材料はこのようにプロセス温度を基準に様々に
選ぶことができる。なお、下側電極配線３の長さはでき
るだけ短く設計した方がよい。これはＳｉ基板１の誘電
体損失の影響をできるだけ低減するのと、下側電極配線
３の材料として挙げた上記の高融点金属やシリサイドの
光導波路形成プロセス後の抵抗は数十μΩｃｍ以上と金
（Ａｕ）などの低抵抗金属に比べ２桁以上大きいためで
ある。一方、上層クラッド層４３上に形成される上側電
極配線５は、高温熱処理を加える工程がないので抵抗の
低い材料、例えばＡｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ
（銅）、Ａｌ（アルミニウム）など一般的な低抵抗配線
材料を用いることができる。コンタクトホール６内の金
属膜６１についても同様である。ただし金属膜６１はメ
ッキで形成できる材料であることが必要である。

【００１３】次に、図１に示した本発明の光導波路プラ
ットフォームの製造方法を、図２の製造工程側面図を参
照して説明する。まず、図２（ａ）に示すように、Ｓｉ
からなる基板１の表面を熱酸化処理し、その表面にシリ
コン熱酸化膜からなる絶縁膜２を形成する。ここで、絶
縁膜２はシリコン熱酸化膜の他に、例えばシリコン窒化
膜などでもよい。次いで、前記絶縁膜２の表面にＷＳｉ
（タングステンシリサイド）膜を形成し、かつこのＷＳ
ｉ膜をフォトリソグラフィ法により選択エッチングする
ことにより光素子駆動用の下側電極配線３を形成する。
ここで、前記下側電極配線３の材料は、例えばＴｉＳ
ｉ，Ｔｉ，Ｃｒなどこの後の光導波路形成プロセスによ
って耐えられるものであればよい。

【００１４】次に、図２（ｂ）のように、ＣＶＤ法によ
って前記絶縁膜２の表面上に石英系光導波路の下層クラ
ッド層４１及びコア層を堆積した後、その表面上にフォ
トリソグラフィ法によってコアパターンを形成し、かつ
このコアパターンをマスクとしたＲＩＥ（リアクティブ
イオンエッチング）法により前記コア層を選択エッチン
グしてコア４２を形成する。次いでその上に上層クラッ
ド層４３を堆積し、光導波路４を形成する。各層の膜厚
は下層クラッド層４１および上層クラッド層４３が各１
０μｍ〜２０μｍ程度、コア４２が７μｍ程度以下であ
る。なお、石英系膜の堆積にはＣＶＤ法の他、スパッタ
法、蒸着法など９００℃以下程度の低温成膜法であれば
よい。また、光導波路材料は石英系の他、有機系ポリマ
ーなどでもよい。

【００１５】次いで、図２（ｃ）に示すように前記光導
波路４の表面上に一部を残してパターンマスクを形成
し、このパターンマスクを用いたＲＩＥ法によって前記
光導波路４の一部をその全厚さにわたって、すなわち上
層クラッド層４３、コア４２、下層クラッド層４１をそ
れぞれ選択的にエッチングし、前記基板１の表面の絶縁
膜２と、その絶縁膜２の表面に形成された前記下側電極
配線３を露呈させた光素子搭載部７を形成する。このと
き、前記下側電極配線３の一部は下層クラッド層４１の
下部に存在するように前記光導波路４のエッチングを行
う。また、この光導波路４の選択エッチングと同時に、
前記パターンマスクとＲＩＥ法により光導波路４の一部
にコンタクトホール６を開口する。このコンタクトホー
ル６は、前記前記光導波路４の下層クラッド層４１の下
部に存在する前記下側電極配線３に通ずるように開口す
る。前記コンタクトホール６の径は数μｍ〜２０μｍ程
度とする。

【００１６】続いて、図２（ｄ）のように、上層クラッ
ド層４３上に金属膜を被着し、かつこの金属膜をフォト
リソグラフィ法を用いて選択エッチングすることにより
上側電極配線５をパターニング形成する。このとき、前
記金属膜の一部をコンタクトホール６内に形成すること
により、前記上側電極配線５はコンタクトホール６を通
して前記下側電極配線３に電気接続されることになる。
なお、コンタクトホール内６の金属膜６１は、電気気メ
ッキ法を用いてもよい。この場合には、コンタクトホー
ル６内に露呈された前記電極配線３に電流を流すことに
よって行う。ここで、上側電極配線５のパターニングと
メッキによる金属膜６１の形成の工程は逆であってもよ
い。また、メッキによる金属膜の付着をよくするために
コンタクトホール６底部の下側電極配線３上にあらかじ
め金属膜６１と同じ材料を蒸着やスパッタによって薄膜
を形成しておいてもよい。上側電極配線５や金属膜６１
の材料には金、銀、銅、アルミなど様々な低抵抗金属を
使用することができる。

【００１７】しかる上で、前記光素子搭載部７の前記電
極配線３のアイランド部３ａにＬＤやＰＤ等の光素子８
を搭載し、光素子８と下側電極配線３との電気接続を行
い、さらにコンタクトホール６を介して上側電極配線５
に電気接続を行う。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、光導波路
の下側に設けてその一部に光素子が搭載される下側電極
配線と、光導波路の上側に設けた上側配線とを、光導波
路に設けたスルーホールを介して相互に電気接続した構
成としているので、光素子に伝送される電気信号はその
大部分が厚い石英膜からなる光導波路の上面を伝搬する
ことになり、半導体基板の影響が低減され、高周波特性
に優れた光導波路プラットフォームを得ることができ
る。また、上側電極配線は光導波路の上面に形成される
ので設計上の自由度が大きくなり、例えば光導波路のコ
ア上を横切るような電極配線パターンも容易にできる。
さらに、下側電極配線はその一部が光導波路の下側に形
成しているので、光素子搭載部の面積が小さい場合で
も、設計上の自由度が大きくなり、設計が容易になる。
一方、本発明の製造方法によれば、通常の光導波路プラ
ットフォームに少しの製造工程を付加するだけで本発明
の光導波路プラットフォームを容易に製造することが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光導波路プラットフォームの一実施形
態の要部の斜視図である。

【図２】図１の光導波路プラットフォームの製造方法を
工程順に示す断面図である。

【図３】従来の光導波路プラットフォームの一例を示す
斜視図である。

【図４】従来の光導波路プラットフォームの改善された
例を示す断面図である。

【符号の説明】

１ Ｓｉ基板 ２ 絶縁膜 ３ 下側電極配線 ４ 光導波路 ４１ 下層クラッド層 ４２ コア ４３ 上層クラッド層 ５ 上側電極配線 ６ スルーホール ７ 光素子搭載部 ８ 光素子

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に光学材料でコア及びクラ
   ッドよりなる光導波路が形成され、かつ前記光導波路の
   光導波端に臨む前記半導体基板上に光素子が搭載され、
   かつ前記光素子に対して電気接続を行う電極配線が前記
   半導体基板上に形成されている光導波路プラットフォー
   ムにおいて、前記電極配線の一部が前記光導波路の下側
   に形成され、前記電極配線の他の一部は前記光導波路の
   上側に形成され、かつ前記下側と上側の各電極配線は前
   記光導波路を厚さ方向に貫通する導電コンタクトにより
   相互に電気接続されることを特徴とする光導波路プラッ
   トフォーム。
2. 【請求項２】 前記光導波路は、下層クラッド層と、前
   記下層クラッド層よりも幅寸法が小さいコアと、前記コ
   アの両側面及び上面を覆うように前記下層クラッド層上
   に形成される上層クラッド層の積層構造として構成さ
   れ、前記共通コンタクトは前記コアが存在しない領域に
   おいて前記下層クラッド層と上層クラッド層を厚さ方向
   に貫通して形成されている請求項１に記載の光導波路プ
   ラットフォーム。
3. 【請求項３】 前記半導体基板はシリコンで構成され、
   前記光導波路は石英系材料で構成され、前記電極配線は
   少なくとも下側の電極配線が高融点金属あるいは高融点
   金属シリサイドで構成されることを特徴とする請求項１
   又は２に記載の光導波路プラットフォーム。
4. 【請求項４】 前記共通コンタクトは、前記コアよりも
   可及的に離れた位置で、かつ前記光素子が搭載される箇
   所に可及的に近い位置に形成され、前記下側の電極配線
   は前記光素子の搭載位置から前記共通コンタクトの位置
   の間に形成される請求項２または３に記載の光導波路プ
   ラットフォーム。
5. 【請求項５】 半導体基板上に絶縁膜を形成し、前記絶
   縁膜上に下側電極配線を形成する工程と、前記下側電極
   配線上に光導波路を形成する工程と、前記光導波路の一
   部を除去して前記下側電極配線の一端部が露呈される半
   導体光素子搭載部を形成する工程と、前記光導波路に前
   記下側電極配線の他端部に導通するコンタクトホールを
   厚さ方向に開口する工程と、前記光導波路の上面に前記
   導通コンタクトホールを介して前記下側電極配線の他端
   部に電気接続される上側電極配線を形成する工程とを含
   むことを特徴とする光導波路プラットフォームの製造方
   法。
6. 【請求項６】 前記コンタクトホール内には、メッキ法
   により金属膜を形成し、前記上側電極配線は前記金属膜
   を介して前記下側電極配線に電気接続する請求項５に記
   載の光導波路プラットフォームの製造方法。