JP2003524793A - シリコン導波路構造の製造 - Google Patents
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- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
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Abstract
(57)【要約】
述べられたシリコンリブ導波路構造の製造方法は、次の工程を含んで構成される。（１）シリコンウェーハ表面上の保護層において窓を形成して、該表面の一部を露出させること、（２）少なくとも前記露出された表面を覆ってバッファ層を蒸着させること、（３）エッチング工程を実施して、保護されたリブ部の外側のバッファ層及びシリコンをエッチングすることにより、上面にバッファ層を備えるシリコンリブを形成すること、及び（４）少なくともシリコンリブの側壁上に被覆層を形成すること。
Description
（技術分野）
本発明は、シリコン導波路構造の製造に関する。
（背景技術）
一体型光学回路において、シリコン導波路構造は、一般的には、シリコンオン
インシュレータチップの上部エピタキシャルシリコン層に形成されるリブを含ん
で構成される。このリブは、上面及び側壁を有し、また、両側においてくぼみを
有する。リブは、リブ内部の光及び前記くぼみの下の光の光伝達モードを制限す
る。 基本的な導波路構造を修正して多くの異なる機能を発揮させることが、しばし
ば望まれる。これらの修正に際して、リブ上面を側面のそれとは異なる方法で取
り扱うことが頻繁に要求される。 本発明の目的は、上記の修正が正確に制御された状態で達成されるシリコン導
波路構造の製造方法を提供することである。従って、これは、上部及び側壁が個
別に保護されるものの、充分に位置合わせされた状態で実行されることが重要で
ある。 （発明の開示） 本発明の一形態によれば、シリコンウェーハ表面上の保護層において窓を形成
して、該表面の一部を露出させることと、少なくとも前記露出された表面を覆っ
てバッファ層を蒸着させることと、エッチング工程を実施して、保護されたリブ
部の外側のバッファ層及びシリコンをエッチングすることにより、上面にバッフ
ァ層を備えるシリコンリブを形成することと、少なくとも前記シリコンリブの側
壁上に被覆層を形成することと、を含んで構成されるシリコンリブ導波路構造の
製造方法が提供される。 本発明の好適かつ随意的な特徴は、本明細書の従属する請求項から明らかであ
ろう。 本発明のより詳細な理解のために、また、本発明がいかに実施されるかを示す
ために、添付図面を参照して例示する。 （発明を実施するための最良の形態） ここに記載されるリブ導波路は、シリコンオンインシュレータチップを基礎と
している。この種のチップの形成方法は、J. Morgail et al： "Reduced deffe-
ct density in silicon-on-insulator structures formed by oxygen implanta-
tion in two steps"（応用物理学論文集５４（１９８９），Ｐ５２６）に記載さ
れている。これは、シリコンオンインシュレータウェーハの製造方法を述べてい
る。そのようなウェーハのシリコン層が、例えばエピタキシャル成長により、増
大されて、ここに記載される一体型導波路構造の基礎を形成するのに適当とされ
る。図１は、そのようなチップ上に形成された光導波路の断面を示している。こ
のチップは、二酸化ケイ素層３によりシリコン基盤２から分離されたシリコン層
１を含んで構成される。リブ導波路４は、シリコン層１において形成される。図
１は、また、リブ導波路４上に形成された酸化被膜５も示している。このような
形態の光導波路の更なる詳細は、J. Schmidtchen et al： "Low loss single m-
ode optical waveguides with large cross-section in silicon-on-insulator"
（電子学論文集２７（１９９１），Ｐ１４８６）、及びＰＣＴ特許明細書第ＷＯ
９５／０８７８７号に示されている。 この形態の導波路は、典型的には、光ファイバーへの結合が可能であり、また
、他の一体型コンポーネントに適合できる３〜５ミクロンのオーダーの寸法を有
する単一モード、低損失（典型的には、１．２〜１．６ミクロンの波長レンジに
つき０．２dB／cm未満）の導波路を提供する。この形態の導波路は、（上述のＷ
Ｏ９５／０８７８７号に示されるように）従来のシリコンオンインシュレータウ
ェーハから容易に作り上げることもできるので、製造に比較的費用がかからない
。 図２は、そのようなリブ導波路の透視図を示しており、その上面の一部に、バ
ッファ層６が形成されている。このバッファ層６は、典型的には、３ｍｍ以下又
は、好ましくは、１ｍｍ以下の長さを有している。 以下の説明においてより明らかなように、特に、ここで述べられる処理により
バッファ層６の端部がリブ導波路４の上部と自動的に位置合わせされるので、バ
ッファ層の可能な機能には、多くの異なったものがある。これにより、バッファ
層６がリブ４の上面を保護するとともに、被覆層５がその側壁を保護することを
可能とする。このことは、例えば、リブ４の側壁ではなくバッファ層６の上部に
光吸収層を蒸着することによる偏光子の製造を可能とする。 さらに、バッファ層と被覆層とのエッチング特性が異なるのであれば、リブ４
の上面は、側面を保護したままで露出させることができ又は、それとは反対に、
導波路の上部へか又はその側部を介してかで選択的にドープ剤を導入することが
できる。このことは、例えば、導波路の部分的な屈折率の制御のために行われる
。 ここで、図２のリブ導波路の製造工程について、図３を参照して説明する。 図３（ａ）は、シリコンオンインシュレータチップの上部表面を示したもので
あり、特に、シリコン層１を示している。シリコン層１の上部には、約７０００
オングストロームの厚さを有する保護酸化層８が形成される。マスク（図示せず
）を使用して、酸化層８を貫通して窓９がエッチングされ、シリコン層１の表面
が露出される（図３（ｂ））。ここで、薄いバッファ層１０が蒸着される。この
バッファ層は窒化物からなり、ＬＰＣＶＤ（低圧化学蒸着）処理を使用して蒸着
される。バッファ層の厚さは、例えば、約１７０オングストロームとする（図３
（ｃ）参照）。 そして、図３（ｄ）に従って、フォトレジスト１２のパターンが蒸着される。
このフォトレジストの中央部１４がリブ導波路４が形成されることとなる領域を
形成することは、重要である。 ここで、エッチング工程が実施され、バッファ層１０を貫通して、また、シリ
コン層１の内部にまでエッチングしてリブ４が形成される。これは、公知のドラ
イエッチング処理を使用して単一のエッチング工程として行うことが可能である
し、また、２段のエッチング工程として行うこともできる。このことを図４（ａ
）に示している。導波路の深さは、例えば、１．４５μｍである。 そして、図４（ｂ）に従って、レジストパターン１２が除去されて、リブ４の
側壁と完全に位置合わせされたバッファ層６が残される。 最後に、酸化工程が実施され、被覆層５が形成される。この被覆層５を形成す
る酸化層の厚さは、約０．３５μｍである。酸化工程の間、リブ４上部の窒化層
６は、リブ上面の酸化を効果的に抑制する。約４０オングストロームの非常に薄
い酸化層が形成されるに過ぎない。これを符号１６で表示する。 図５は、以上の方法により形成されたリブ導波路構造を使用して構成される偏
光子の断面図である。図４（ｃ）に示す工程の後に、短時間酸化物エッチングが
実施され、バッファ層６上の自然酸化層１６を除去する一方で、被覆層５の充分
な厚さを保持する。ここで、バッファ層６の上部に光吸収層７が蒸着される。こ
の層７の位置合わせは、リブの側部が二酸化ケイ素により保護されているので、
それ程重要ではない。光吸収層７は、金属層、例えば、アルミニウムであるのが
好ましい。金属層７は、導波路から受けた光を減衰させる。この型の偏光子の操
作に関する更なる詳細は、本出願人の英国特許出願第９７１８３４６．１に示さ
れている。 図４（ｃ）に示す構造の他の使用では、リブ導波路構造へのドープ剤の選択的
な導入が可能となる。例えば、ドープ剤を側壁を介してか又はリブ４両側のくぼ
み１８に導入する必要があるのであれば、バッファ層６を残してリブ４の上面を
保護する一方で、酸化物エッチングを採用して被覆層１５をエッチングし、除去
することができる。逆に、側壁やくぼみ１８ではなく、ドープ剤をリブ上面に導
入する必要があるのであれば、選択エッチング液を採用して、窒化物をエッチン
グして除去するが、被覆層５をそのままに保持することができる。従って、被覆
層及びバッファ層の選択エッチング性は、ドーピングについて多くの異なる可能
性を提供する。 バッファ層として窒化物を使用する代わりに、自然酸化層を使用することがで
きる。すなわち、図３（ｃ）に示す工程において酸化物成長工程が実施され、窓
９におけるシリコン層１の露出面上に薄い酸化層が生じる。その後は、既述の工
程と同様である。このことの効果は、図４（ｃ）の構造において、側部及びくぼ
みの被覆層５に対してリブ上部に僅かに厚い酸化層を有することである。ここで
も選択エッチング性が許容されるが、所定のエッチング時間のために、一定厚さ
の酸化物のみが除去される。従って、例えば、リブの上部からすべての酸化物を
除去せずに、側壁から酸化物を除去することができる。 自然酸化層が採用される場合には、この層の厚さは、例えば、約３０オングス
トロームである。 従って、バッファ層全体では、２０〜５００オングストロームの範囲の、好ま
しくは、８０〜２２０オングストロームの範囲の厚さを有する。偏光子における
バッファ層の使用を考えると、この層の厚さは、バッファ層の屈折率に依存する
。 リブ上部のバッファ層の採用により、側壁に影響せずにパターンをリブ上部に
エッチングすることができる。
インシュレータチップの上部エピタキシャルシリコン層に形成されるリブを含ん
で構成される。このリブは、上面及び側壁を有し、また、両側においてくぼみを
有する。リブは、リブ内部の光及び前記くぼみの下の光の光伝達モードを制限す
る。 基本的な導波路構造を修正して多くの異なる機能を発揮させることが、しばし
ば望まれる。これらの修正に際して、リブ上面を側面のそれとは異なる方法で取
り扱うことが頻繁に要求される。 本発明の目的は、上記の修正が正確に制御された状態で達成されるシリコン導
波路構造の製造方法を提供することである。従って、これは、上部及び側壁が個
別に保護されるものの、充分に位置合わせされた状態で実行されることが重要で
ある。 （発明の開示） 本発明の一形態によれば、シリコンウェーハ表面上の保護層において窓を形成
して、該表面の一部を露出させることと、少なくとも前記露出された表面を覆っ
てバッファ層を蒸着させることと、エッチング工程を実施して、保護されたリブ
部の外側のバッファ層及びシリコンをエッチングすることにより、上面にバッフ
ァ層を備えるシリコンリブを形成することと、少なくとも前記シリコンリブの側
壁上に被覆層を形成することと、を含んで構成されるシリコンリブ導波路構造の
製造方法が提供される。 本発明の好適かつ随意的な特徴は、本明細書の従属する請求項から明らかであ
ろう。 本発明のより詳細な理解のために、また、本発明がいかに実施されるかを示す
ために、添付図面を参照して例示する。 （発明を実施するための最良の形態） ここに記載されるリブ導波路は、シリコンオンインシュレータチップを基礎と
している。この種のチップの形成方法は、J. Morgail et al： "Reduced deffe-
ct density in silicon-on-insulator structures formed by oxygen implanta-
tion in two steps"（応用物理学論文集５４（１９８９），Ｐ５２６）に記載さ
れている。これは、シリコンオンインシュレータウェーハの製造方法を述べてい
る。そのようなウェーハのシリコン層が、例えばエピタキシャル成長により、増
大されて、ここに記載される一体型導波路構造の基礎を形成するのに適当とされ
る。図１は、そのようなチップ上に形成された光導波路の断面を示している。こ
のチップは、二酸化ケイ素層３によりシリコン基盤２から分離されたシリコン層
１を含んで構成される。リブ導波路４は、シリコン層１において形成される。図
１は、また、リブ導波路４上に形成された酸化被膜５も示している。このような
形態の光導波路の更なる詳細は、J. Schmidtchen et al： "Low loss single m-
ode optical waveguides with large cross-section in silicon-on-insulator"
（電子学論文集２７（１９９１），Ｐ１４８６）、及びＰＣＴ特許明細書第ＷＯ
９５／０８７８７号に示されている。 この形態の導波路は、典型的には、光ファイバーへの結合が可能であり、また
、他の一体型コンポーネントに適合できる３〜５ミクロンのオーダーの寸法を有
する単一モード、低損失（典型的には、１．２〜１．６ミクロンの波長レンジに
つき０．２dB／cm未満）の導波路を提供する。この形態の導波路は、（上述のＷ
Ｏ９５／０８７８７号に示されるように）従来のシリコンオンインシュレータウ
ェーハから容易に作り上げることもできるので、製造に比較的費用がかからない
。 図２は、そのようなリブ導波路の透視図を示しており、その上面の一部に、バ
ッファ層６が形成されている。このバッファ層６は、典型的には、３ｍｍ以下又
は、好ましくは、１ｍｍ以下の長さを有している。 以下の説明においてより明らかなように、特に、ここで述べられる処理により
バッファ層６の端部がリブ導波路４の上部と自動的に位置合わせされるので、バ
ッファ層の可能な機能には、多くの異なったものがある。これにより、バッファ
層６がリブ４の上面を保護するとともに、被覆層５がその側壁を保護することを
可能とする。このことは、例えば、リブ４の側壁ではなくバッファ層６の上部に
光吸収層を蒸着することによる偏光子の製造を可能とする。 さらに、バッファ層と被覆層とのエッチング特性が異なるのであれば、リブ４
の上面は、側面を保護したままで露出させることができ又は、それとは反対に、
導波路の上部へか又はその側部を介してかで選択的にドープ剤を導入することが
できる。このことは、例えば、導波路の部分的な屈折率の制御のために行われる
。 ここで、図２のリブ導波路の製造工程について、図３を参照して説明する。 図３（ａ）は、シリコンオンインシュレータチップの上部表面を示したもので
あり、特に、シリコン層１を示している。シリコン層１の上部には、約７０００
オングストロームの厚さを有する保護酸化層８が形成される。マスク（図示せず
）を使用して、酸化層８を貫通して窓９がエッチングされ、シリコン層１の表面
が露出される（図３（ｂ））。ここで、薄いバッファ層１０が蒸着される。この
バッファ層は窒化物からなり、ＬＰＣＶＤ（低圧化学蒸着）処理を使用して蒸着
される。バッファ層の厚さは、例えば、約１７０オングストロームとする（図３
（ｃ）参照）。 そして、図３（ｄ）に従って、フォトレジスト１２のパターンが蒸着される。
このフォトレジストの中央部１４がリブ導波路４が形成されることとなる領域を
形成することは、重要である。 ここで、エッチング工程が実施され、バッファ層１０を貫通して、また、シリ
コン層１の内部にまでエッチングしてリブ４が形成される。これは、公知のドラ
イエッチング処理を使用して単一のエッチング工程として行うことが可能である
し、また、２段のエッチング工程として行うこともできる。このことを図４（ａ
）に示している。導波路の深さは、例えば、１．４５μｍである。 そして、図４（ｂ）に従って、レジストパターン１２が除去されて、リブ４の
側壁と完全に位置合わせされたバッファ層６が残される。 最後に、酸化工程が実施され、被覆層５が形成される。この被覆層５を形成す
る酸化層の厚さは、約０．３５μｍである。酸化工程の間、リブ４上部の窒化層
６は、リブ上面の酸化を効果的に抑制する。約４０オングストロームの非常に薄
い酸化層が形成されるに過ぎない。これを符号１６で表示する。 図５は、以上の方法により形成されたリブ導波路構造を使用して構成される偏
光子の断面図である。図４（ｃ）に示す工程の後に、短時間酸化物エッチングが
実施され、バッファ層６上の自然酸化層１６を除去する一方で、被覆層５の充分
な厚さを保持する。ここで、バッファ層６の上部に光吸収層７が蒸着される。こ
の層７の位置合わせは、リブの側部が二酸化ケイ素により保護されているので、
それ程重要ではない。光吸収層７は、金属層、例えば、アルミニウムであるのが
好ましい。金属層７は、導波路から受けた光を減衰させる。この型の偏光子の操
作に関する更なる詳細は、本出願人の英国特許出願第９７１８３４６．１に示さ
れている。 図４（ｃ）に示す構造の他の使用では、リブ導波路構造へのドープ剤の選択的
な導入が可能となる。例えば、ドープ剤を側壁を介してか又はリブ４両側のくぼ
み１８に導入する必要があるのであれば、バッファ層６を残してリブ４の上面を
保護する一方で、酸化物エッチングを採用して被覆層１５をエッチングし、除去
することができる。逆に、側壁やくぼみ１８ではなく、ドープ剤をリブ上面に導
入する必要があるのであれば、選択エッチング液を採用して、窒化物をエッチン
グして除去するが、被覆層５をそのままに保持することができる。従って、被覆
層及びバッファ層の選択エッチング性は、ドーピングについて多くの異なる可能
性を提供する。 バッファ層として窒化物を使用する代わりに、自然酸化層を使用することがで
きる。すなわち、図３（ｃ）に示す工程において酸化物成長工程が実施され、窓
９におけるシリコン層１の露出面上に薄い酸化層が生じる。その後は、既述の工
程と同様である。このことの効果は、図４（ｃ）の構造において、側部及びくぼ
みの被覆層５に対してリブ上部に僅かに厚い酸化層を有することである。ここで
も選択エッチング性が許容されるが、所定のエッチング時間のために、一定厚さ
の酸化物のみが除去される。従って、例えば、リブの上部からすべての酸化物を
除去せずに、側壁から酸化物を除去することができる。 自然酸化層が採用される場合には、この層の厚さは、例えば、約３０オングス
トロームである。 従って、バッファ層全体では、２０〜５００オングストロームの範囲の、好ま
しくは、８０〜２２０オングストロームの範囲の厚さを有する。偏光子における
バッファ層の使用を考えると、この層の厚さは、バッファ層の屈折率に依存する
。 リブ上部のバッファ層の採用により、側壁に影響せずにパターンをリブ上部に
エッチングすることができる。
【図１】
シリコンオンインシュレータチップにおいて形成される公知のリブ導波路の断
面図である。
面図である。
【図２】
導波路構造の透視図である。
【図３】
導波路構造の形成工程のステップである。
【図４】
同上形成工程における図３の続きのステップである。
【図５】
偏光子の断面図である。
─────────────────────────────────────────────────────
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(81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，
ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ
Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ
，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，
ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ
Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ
Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ
，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ
，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，
ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，Ｇ
Ｅ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ
，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，
ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，Ｍ
Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ
，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，
ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，Ｚ
Ｗ
Ｆターム(参考） 2H047 KA05 LA00 MA05 PA05 PA21
PA24 QA01 QA02 QA04 TA41
【要約の続き】
Claims (10)
- 【請求項１】 シリコンウェーハ表面上の保護層において窓を形成して、該表面の一部を露出
させることと、 少なくとも前記露出された表面を覆ってバッファ層を蒸着させることと、 エッチング工程を実施して、保護されたリブ部の外側のバッファ層及びシリコ
ンをエッチングすることにより、上面にバッファ層を備えるシリコンリブを形成
することと、 少なくとも前記シリコンリブの側壁上に被覆層を形成することと、を含んで構
成されるシリコンリブ導波路構造の製造方法。 - 【請求項２】 前記バッファ層が窒化シリコンを含んで構成されることを特徴とする請求項１
に記載の方法。 - 【請求項３】 前記バッファ層がＬＰＣＶＤ処理を使用して蒸着されることを特徴とする請求
項２に記載の方法。 - 【請求項４】 前記バッファ層が自然酸化層であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 【請求項５】 前記バッファ層の厚さが２０〜５００オングストロームの範囲、好ましくは、
８０〜２２０オングストロームの範囲であることを特徴とする請求項１〜４のい
ずれか１つに記載の方法。 - 【請求項６】 前記バッファ層上に光吸収層を設けて偏光子を形成する工程を更に含んで構成
される請求項１〜５のいずれか１つに記載の方法。 - 【請求項７】 前記被覆層を形成する工程が、前記シリコンリブの側壁上に酸化物の被覆層が
形成されるように、酸化工程を実施することを含んで構成されることを特徴とす
る請求項１〜６のいずれか１つに記載の方法。 - 【請求項８】 前記被覆層及び前記バッファ層が異なるエッチング特性を有することを特徴と
する請求項１〜７のいずれか１つに記載の方法。 - 【請求項９】 前記リブの上面からバッファ層を除去するか又は少なくとも前記リブの側壁の
うち一方から被覆層を除去するかを選択的に行うことと、 前記バッファ層又は前記被覆層がそれぞれに除去された領域にドープ剤を導入
することと、を更に含んで構成される請求項１〜８のいずれか１つに記載の方法
。 - 【請求項１０】 図面を参照してここで実質的に述べるシリコンリブ導波路の製造方法。
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