JP2007519041A - シリコン光学デバイス - Google Patents

Abstract

ＳＯＩ基板上にポリシリコン・リブのようなシリコン・リブを形成し、シリコン・リブの角を丸くするアモルファス又はポリシリコン・スペーサのようなシリコン・スペーサを形成することにより光学デバイスを作成することができ、ＳＯＩ基板上の一部は露出していることを特徴とする。

Description

本発明は、光学導波管のような光学デバイスに関する。

光学導波管のような光学デバイスは、集積回路構造に適合した構成における絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）薄膜に製造することができる。他で記載されている将来有望なある実装では、単結晶ＳＯＩ薄膜、及び、ＳＯＩ薄膜に堆積された薄いポリシリコン上部層の形態を用いることを含む。この実装では、薄いポリシリコン上部層は、光案内要素を形成するようにパターニングされ、又は、ＳＯＩ／ポリ複合光案内特製を形成するようなＳＯＩ薄膜でパターニングされる。単独のポリシリコンもまた光を案内することができる。しかしながら、追加の結晶シリコンは、光学的損失を最少にするようにするのが望ましい。

残念ながら、現代のシリコンエッチングシステム及びプロセスは、マスキングフィルムの寸法と緊密に適合する垂直な特徴を準備するように最適化されている。かかる垂直の特徴は、先進的なマイクロエレクトロニクスのためのポリシリコンを製造するために効果的で必要であるが、垂直な特徴の鋭利なエッジは、光学導波管のような光学デバイス構造においては性能を低下させる。また、これらのシリコンエッチングシステム及びプロセスを使用するパターニングは、不規則なエッジの一因となり、特に、多結晶薄膜に適用するときに寄与する。

本発明のある実施形態による光学デバイスは、丸い角を備えたポリシリコン特性又は上部シリコン特性を有する。上部シリコンポリシリコン特性の角を丸くすることは、光学導波管のような光学デバイスの性能を向上させる。

本発明のある態様によれば、光学デバイスを作成する方法は、側壁を有するような光学デバイスのシリコン・アイランドを形成するステップと、前記シリコン・アイランドの角を丸くするために前記側壁に沿ってシリコン・スペーサを形成するステップとを有することを特徴とする。

本発明の他の態様によれば、光学デバイスを作成する方法は、光学デバイスのシリコン・アイランドを形成するステップを有し、該シリコン・アイランドは垂直壁を有し、更に、前記シリコン・アイランドの角を丸くするように前記シリコン・アイランドの垂直壁に沿ってアモルファスシリコン・スペーサを形成するステップを有することを特徴とする。

本発明の更に別の態様では、光学電子集積回路を作成する方法は、ＳＯＩ基板上にシリコン・リブを形成するステップを有し、前記ＳＯＩ基板の一部は露出しており、前記シリコン・リブは側壁を備え、前記ＳＯＩ基板にウェルを打ち込むステップと、前記シリコン・リブと、前記露出したＳＯＩ基板と、前記打ち込まれたウェルとの上に酸化物層を形成するステップと、前記酸化物層の上にシリコン層を形成するステップと、前記シリコン・リブの角を丸くするように前記シリコン・リブの側壁に沿ってシリコン・スペーサとウェルの上にゲートを残すようにシリコン層を異方性にエッチングするステップとを有することを特徴とする。

本発明の更に別の態様によれば、光学デバイスは、ＳＯＩ構造と、前記ＳＯＩ構造上にポリシリコン機構と、シリコン・スペーサとを有する。前記ポリシリコン機構は、頂部表面と、垂直側壁と、前記垂直側壁と頂部表面とを接合する角とを有する。シリコン・スペーサは、前記ポリシリコン機構の角を丸くするために、垂直側壁に沿って設けられる。

本発明の更なる態様では、光学電子デバイスは、ＳＯＩ構造と、前記ＳＯＩ構造上に形成された光学デバイスと、電子デバイスと、シリコン・スペーサとを有する。光学デバイスは、表面と、垂直側壁と、前記表面及び垂直側壁を接合する角とを有する。電子デバイスは、ＳＯＩ構造の上に形成される。シリコン・スペーサは、光学デバイスの角を丸くするために垂直側壁に沿って設けられる。

これら及び他の特徴及び、本発明の利点は、図面と一緒に本発明の詳細な説明からより明らかになるであろう。

図１に示したように、複合光学デバイス１０は、ＳＯＩ構造体１４上にポリシリコン層１２を最初に堆積することにより製造される。所望ならば、ドーパントを制限するのを助け、ポリのパターニングを容易にするように、ポリシリコン層１２とＳＯＩ構造体１４との間に、薄い誘電体を設けることができる。この誘電体は、ゲート酸化膜となり、３０乃至１００Åの厚さを有する。ポリシリコン層１２は、必ずしも必要ではないが、損失を最小化し、できるだけ結晶化するのが好ましく、ＳＯＩ構造１４からポリシリコン層１２内に光ビームが均一に広がることができるように、ＳＯＩ構造１４に方位が適合しているのが好ましい。

典型的には、ＳＯＩ構造１４は、シリコンハンドルウェハ１６と、シリコンハンドルウェハ１６の上に形成された埋設酸化層（埋め込み酸化物）１８と、埋設酸化層１８の上に形成されたシリコン層２０とを含む。例えば、シリコン層２０は、単結晶シリコンから形成されうる。また、ポリシリコン層１２の厚さは、例えば、１２００乃至１６００オングストロームのオーダーであってよい。同様に、ＳＯＩ構造１４の厚さは、例えば、１２００乃至１６００オングストロームのオーダーであってよい。

図２に示したように、ポリシリコン層１２は、所望の光学デバイスの、ポリシリコン・リブ２２のような適当な特徴を形成するためにパターニングされる。光学導波管に関しては、ポリシリコン層１２は、光学導波管の光学案内リブを形成するため、又は、光学導波管の光学案内リブの形成に寄与するようにパターニングされる。ポリシリコン・リブ２２は、例えば、ポリシリコン層１２の上に適当なマスクを配置し、不必要なポリシリコンを除去するためにエッチャントを適用することにより形成することができる。ポリシリコン層１２は、下に横たわる（酸化された）ＳＯＩ構造１４に関して選択的にエッチングされうる。プラズマのようなドライエッチャントは、この制御を最大にする目的で使用されうる。

図３に示すように、酸化物層２４が、露出されたシリコン層２０及びポリシリコン・リブ２２の上に形成される。酸化物層２４は、例えば、おおよそ３０乃至１００オングストロームの厚さを有する。酸化物層２４は、以下に記載する引き続き行われるエッチング中に、エッチングを停止させるのに用いられる。酸化物層２４はまた、ＳＯＩ構造１４に形成された他のデバイスに関してゲート酸化膜となりうる。しかしながら、酸化物層２４は、所望ならば排除することができ得る。窒化シリコンのような他の誘電材料を、酸化物層２４における酸化物の場所に用いることができる。

図４に示したように、コンフォーマル・アモルファス又はポリシリコン層２６が、酸化物層２４の上に堆積される。コンフォーマル・アモルファス又はポリシリコン層２６の厚さは、例えば、２０００乃至３０００Åのオーダーであって良い。図５に示したように、コンフォーマル・アモルファス又はポリシリコン層２６は、材料が全ての水平面から除去されるまで、非等方的にエッチングされ、オリジナルのポリシリコン・リブ２２の側壁に沿ってアモルファス又はポリシリコン・スペーサ２８及び３０が残る。これらのアモルファス又はポリシリコン・スペーサ２８及び３０は、ポリシリコン・リブ２２の角を丸め、かくして、光学的損失を低減させ、光学デバイス１０の性能が向上する。

上述したプロセスは、典型的な製造設備において可能な、等方性／異方性エッチング、酸化、潜在的な損傷・化学機械的平坦化（ＣＭＰ）、又は、物理的スパッタリングの組み合わせに頼らない。上述のプロセスは、その代わり、簡単なポリ又はアモルファスシリコン堆積、及び、必要な丸いエッジを備えた複合シリコン構造を生成するための異方性エッチングプロセスを利用する。

光学導波管、又は、丸い角、及び、制御可能でデバイス適合プロセスフローにおいて複製できる他の光学デバイスは、現代の製造ツールによっては容易に達成できない。シリコンエッチングは、垂直壁構造をエッチングするように設計され、調節されている。より古いレジスト腐食技術は、選択的な要求の酸化をするために、ポリシリコンと適合しない化学作用を包含する酸素を利用する。ウェット−ドライ・エッチングプロセスは、シリコン領域を保護する必要があり特別なマスクを必要とし、未熟な制御でエッジが不均一となる。酸化プロセスは、所望の丸みを提供しない。ＣＭＰ技術は、パターン密度変化に支配される。

しかしながら、スペーサ、及び、ここで記載したようなこれらのスペーサを形成するプロセスは、所望の丸い角を作り出し、ここに記載された他のプロセスの問題を低減又は除去する。

スペーサは、エッジの不均一性を低減させるようにＳＯＩ又はＳＯＩ／ポリ導波管の部分に沿って実装され、損失を最小にするために丸められる。スペーサはまた、ＳＯＩ導波管から複合ＳＯＩ／ポリシリコン導波管に光の伝達を容易にするのに役に立つ。

本発明のいくつかの修正を上で議論した。他の修正が、本発明の技術分野でそれらの実行について生じうる。例えば、ここに記載したプロセスは、集積光学電子デバイスの形態と非常に適合する。所望ならば、ポリシリコン層１２は、ポリシリコン・リブ２２を形成するために堆積、パターニングされ、且つ、適切なウェル領域にわたっても堆積され、パターニングされることができる。所望ならば、ウェル領域は適切に差し込まれ、（酸化物層２４のような）酸化物層はまた、ゲート酸化膜を形成するように成長させることができる。コンフォーマル・アモルファス又はポリシリコン層２６を、アモルファス又はポリシリコン・スペーサ２８及び３０だけでなく、１又はそれ以上の電子デバイスのゲートを形成するために、堆積し、マスクし、エッチングすることができる。

更に、ここで記載したプロセスが、浅いトレンチ・アイソレーションのような平坦アイソレーションを利用することができるので、ゲートパターンの忠実度に妥協することなくポリシリコン・リブ２２の周りに、アモルファス又はポリシリコン・スペーサ２８及び３０を残すことができる。次いで、従来のフローに沿ってプロセス順序を続けることができる。

浅いトレンチ・アイソレーションを用い、適当なエッジでポリシリコン・スペーサを備えた光学電子デバイス５０を図５に示す。光学電子デバイス５０は、ＳＯＩ構造５４上にポリシリコン層５２を最初に堆積させることにより製造される。所望ならば、ドーパントを閉じこめるのを助け、ポリ・パターニングを容易にするために、ポリシリコン層５２とＳＯＩ構造５４との間に、薄い誘電体を提供することができる。ＳＯＩ構造５４は、シリコンハンドルウェハ５６と、当該シリコンハンドルウェハ５６の上に形成された埋設酸化物（埋め込み酸化物）層５８と、当該埋設酸化物層５８の上に形成されたシリコン層６０とを含む。例えば、シリコン層６０は、単結晶シリコンから形成されて良い。浅いトレンチ６２及び６４は、シリコン・アイランド６６，６８及び７０の結果として生じ、シリコン層２０に形成される。ポリシリコン層５２は、光学デバイス７４のポリシリコン・リブ７２と、電子デバイス７８のポリシリコン・ゲート７６を形成するようにパターニングされる。かくして、ポリシリコン・リブ７２は、シリコン・アイランド６８に形成され、ポリシリコン・ゲート７６は、シリコン・アイランド７０に形成される。更に、ポリシリコン・リブ７２及びポリシリコン・ゲート７６は、ポリシリコン・アイランドであるにもかかわらず、それら自身、シリコン・アイランドと呼ぶことができ得る。電子デバイス７８はまた、シリサイド領域８０，８２及び８４と、酸化スペーサ８６及び８８とを含む。最終的に、光学デバイス７４は、上述したようにポリシリコン・スペーサ９０及び９２を含む。更に、光学デバイス７４の要求と電子デバイス７８の要求とが異なるので、光学デバイスと、電子デバイスのゲートとを同じポリシリコン層に生成するのは困難である。もしそうならば、第２のポリシリコン（スペーサ）層は、ゲートを構築するのに使用することができる。

図７に示したように、光学デバイス７４のシリコン・アイランド６８の垂直エッジはまた、ポリシリコン・スペーサ９４及び９６を設けることができる。シリコン・アイランド６８は、例えば、光を案内するのにも用いることができる。

本発明は、光学導波管だけでなく、光学デバイスに関して使用することができ得る。例えば、本発明はまた、光モジュレータ、光スイッチなどにも使用することができ得る。

本発明の記載は例示的のみに解釈されるべきであり、本発明を実行する当業者に教示を与えることを目的とするものである。詳細は、本発明の精神から逸脱することなく実質的に変化し、添付の特許請求の範囲の範囲内の全ての修正の排他的な使用は留保される。

ＳＯＩの上に形成されたポリシリコン層を備えたＳＯＩ構造を図示する。 図１のパターニング後のポリシリコン層を図示する。 図２に示したパターニングされたポリシリコン及び露出されたシリコン層にわたって形成された酸化物層を図示する。 図３の酸化物層にわたって堆積されたポリシリコン層又は第２のコンフォーマルアモルファスを図示する。 エッチング後に残ったポリシリコンスペーサを図示する。 本発明に関するスペーサを備えた第１の光電子デバイスの実施形態を図示する。 本発明に関するスペーサを備えた第２の光電子デバイスの実施形態を図示する。

Claims (43)

1. 光学デバイスを作る方法であって、
   側壁を有するような、光学デバイスのシリコン・アイランドを形成し、
   前記シリコン・アイランドの角を丸めるために前記側壁に沿ってシリコン・スペーサを形成する、
   ステップを有することを特徴とする方法。
2. 前記シリコン・アイランドがポリシリコン・アイランドを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ポリシリコン・アイランドがＳＯＩ構造の上に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記シリコン・アイランドが、ＳＯＩ構造のシリコン層の上に形成されたシリコン・アイランドからなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記光デバイスが光学導波管からなり、前記シリコン・アイランドが光を案内することを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. シリコン・アイランドの形成が、ＳＯＩ基板上にシリコン・リブを形成することを含み、該ＳＯＩ基板の一部が露出されており、シリコン・リブが側壁を有し、シリコン・スペーサを形成することが、
   前記シリコン・リブ及び前記露出されたＳＯＩ基板の上にシリコン層を形成するステップと、
   前記シリコン・リブの角を丸くするために、前記側壁に沿って前記シリコン・スペーサを設けるようにシリコン層を除去するステップと
   を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記シリコン層を除去するステップが、前記シリコン・リブの角を丸くするために前記側壁に沿って前記シリコン・スペーサを残すように前記シリコン層を異方性にエッチングすることを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記ＳＯＩ基板上にシリコン・リブを形成するステップが、
   前記ＳＯＩ基板上にポリシリコン層を形成するステップと、
   前記ポリシリコン層をマスキングするステップと、
   ポリシリコン・リブを形成するためにポリシリコン層をエッチングするステップと
   を有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記シリコン・リブ及び露出されたＳＯＩ基板上にシリコン層を形成することが、
   前記リブ及び前記露出されたＳＯＩ基板の上にコンフォーマル酸化物層を形成するステップと、
   前記酸化物層の上にコンフォーマルポリシリコン層を形成するステップと
   を有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. 前記ＳＯＩ基板上にシリコン・リブを形成するステップが、
    ＳＯＩ基板上にポリシリコン層を形成するステップと、
    前記ポリシリコン層をマスキングするステップと、
    ポリシリコン・リブを形成するためにポリシリコン層をエッチングするステップと
    を有することを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記ＳＯＩ基板上にシリコン・リブを形成するステップが、ＳＯＩ基板上にポリシリコン・リブを形成することを含み、前記ＳＯＩ基板の一部が露出され、前記ポリシリコン・リブが側壁を有することを特徴とする請求項６に記載の方法。
12. 前記し利根そうを除去するステップが、前記ポリシリコン・リブの角を丸くするために前記側壁に沿ってシリコン・スペーサを残すように、前記シリコン層を異方性にエッチングすることを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記光学デバイスが、光学導波管からなることを特徴とする請求項６に記載の方法。
14. 前記ＳＯＩ基板が、シリコン・ハンドル・ウェハと、前記シリコン・ハンドル・ウェハ上の埋設酸化物層と、前記埋設酸化物層上の単結晶シリコン層とを有することを特徴とする請求項６に記載の方法。
15. ＳＯＩ基板上にシリコン・リブの形成をするステップが、前記単結晶シリコンの上にポリシリコン・リブを形成することを含み、前記単結晶シリコンの一部が露出されており、前記ポリシリコン・リブが側壁を有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記シリコン層を除去するステップが、前記ポリシリコン・リブの角を丸くするために、前記側壁に沿ってシリコン・スペーサを残すように、シリコン層を異方性にエッチングすることを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 光学デバイスを作成する方法が、
    前記光学デバイスのシリコン・アイランドを形成するステップを有し、前記シリコン・アイランドが垂直壁を有し、
    前記シリコン・アイランドの角を丸くするように前記シリコン・アイランドの垂直壁に沿ってアモルファスシリコン・スペーサを形成するステップと
    を有することを特徴とする方法。
18. 前記シリコン・アイランドがポリシリコン・アイランドを含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記ポリシリコン・アイランドがＳＯＩ構造上に形成されることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記シリコン・アイランドが、ＳＯＩ構造のシリコン層に形成されたシリコン・アイランドからなることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
21. 前記光学デバイスが、光学導波管からなり、前記シリコン・アイランドが光を案内することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
22. シリコン・アイランドを形成するステップが、ＳＯＩ基板上にシリコン・リブを形成することを含み、
    前記シリコン・リブが垂直壁を含み、
    アモルファスシリコン・スペーサを形成するステップが、シリコン・リブの角を丸くするようにシリコン・リブの垂直壁に沿ってアモルファスシリコン・スペーサを形成するステップを含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
23. ＳＯＩ基板上にシリコン・リブを形成するステップが、
    ＳＯＩ基板上にポリシリコン層を形成するステップと、
    前記ポリシリコン層をマスキングするステップと、
    前記ポリシリコン・リブを形成するためにポリシリコン層をエッチングするステップと
    を有することを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. アモルファスシリコン・スペーサを形成するステップが、
    シリコン・リブと、前記シリコン・リブの垂直壁と、前記露出されたＳＯＩ基板との上にコンフォーマル・アモルファスシリコン層を形成するステップと、
    前記シリコン・リブの角を丸くするシリコン・リブの壁に沿ってアモルファスシリコン・スペーサを残すようにアモルファス・シリコン層を異方性にエッチングするステップと
    を有することを特徴とする請求項２２に記載の方法。
25. 前記シリコン・リブと、前記シリコン・リブの壁と、露出されたＳＯＩ基板との上にコンフォーマル・アモルファスシリコン層を形成するステップが、
    前記シリコン・リブと、前記シリコン・リブの壁と、前記露出されたＳＯＩ基板との上にコンフォーマル酸化物層を形成するステップと、
    前記酸化物層の上にコンフォーマル・アモルファスシリコン層を形成するステップと
    を有することを特徴とする請求項２４に記載の方法。
26. ＳＯＩ基板上にシリコン・リブを形成するステップが、ＳＯＩ基板上にポリシリコン・リブを形成することを含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
27. アモルファスシリコン・スペーサを形成するステップが、
    ポリシリコン・リブと、前記ポリシリコン・リブの垂直壁と、前記露出されたＳＯＩ基板との上にコンフォーマル・アモルファスシリコン層を形成するステップと、
    前記ポリシリコン・リブの角を丸くするポリシリコン・リブの壁に沿ってアモルファスシリコン・スペーサを残すようにアモルファスシリコン層を異方性にエッチングするステップと
    を有することを特徴とする請求項２６に記載の方法。
28. ＳＯＩ基板が、シリコン・ハンドル・ウェハと、前記シリコン・ハンドル・ウェハ上の埋設酸化物層と、前記埋設酸化物層上の単結晶シリコン層とを有することを特徴とする請求項２２に記載の方法。
29. 前記ＳＯＩ基板上のシリコン・リブを形成するステップが、前記単結晶シリコン層上にポリシリコン・リブを形成することを特徴とする請求項２８に記載の方法。
30. アモルファスシリコン・スペーサを形成するステップが、
    前記ポリシリコン・リブと、前記ポリシリコン・リブの垂直壁と、前記露出された単結晶シリコン層との上にコンフォーマル・アモルファスシリコン層を形成するステップと、
    前記ポリシリコン・リブの角を丸くするポリシリコン・リブの壁に沿ってアモルファスシリコン・スペーサを残すようにアモルファスシリコン層を異方性にエッチングするステップと
    を有することを特徴とする請求項２９に記載の方法。
31. 前記光学デバイスが光学導波管からなることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
32. 光学電子集積回路を作成する方法であって、
    ＳＯＩ基板上にシリコン・リブを形成するステップを有し、前記ＳＯＩ基板の一部が露出され、前記シリコン・リブが側壁を有し、
    前記ＳＯＩ基板にウェルを打ち込み、
    前記シリコン・リブと、前記露出されたＳＯＩ基板と、打ち込まれたウェルとの上に酸化物層を形成し、
    前記酸化物層の上にシリコン層を形成し、
    前記シリコン・リブの角を丸くするように前記シリコン・リブの側壁に沿ってシリコン・スペーサと、前記ウェルの上にゲートとを残すように前記シリコン層を異方性にエッチングするステップと
    を有することを特徴とする方法。
33. 前記シリコン・リブがポリシリコン・リブを有することを特徴とする請求項３２に記載の方法。
34. 前記シリコン・スペーサがポリシリコン・スペーサを含むことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
35. 前記シリコンス・スペーサが、アモルファスシリコン・スペーサからなることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
36. 光学デバイスであって、
    ＳＯＩ構造と、
    前記ＳＯＩ構造上に、頂部表面と、垂直側壁と、前記頂部表面及び前記垂直側壁とを結合する角とを備えたポリシリコン機構と、
    前記ポリシリコン機構の角を丸くする垂直側壁に沿ったシリコン・スペーサと
    を有することを特徴とする光学デバイス。
37. 前記シリコン・スペーサがポリシリコン・スペーサからなることを特徴とする請求項３６に記載の光学デバイス。
38. 前記シリコン・スペーサがアモルファスシリコン・スペーサからなることを特徴とする請求項３６に記載の光学デバイス。
39. 光学電子デバイスであって、
    ＳＯＩ構造と、
    前記ＳＯＩ構造上に、表面と、垂直側壁と、前記表面及び前記垂直側壁とを結合する角とを備えた光学デバイスと、
    前記ＳＯＩ構造上に形成された電子デバイスと、
    前記光学デバイスの角を丸くする垂直側壁に沿ったシリコン・スペーサと
    を有することを特徴とする光学電子デバイス。
40. 前記シリコン・スペーサがポリシリコン・スペーサからなることを特徴とする請求項３９に記載の光学電子デバイス。
41. シリコン・スペーサがアモルファスシリコン・スペーサからなることを特徴とする請求項３９に記載の光学電子デバイス。
42. 前記光学デバイスが、前記ＳＯＩ構造のシリコン層にシリコン・アイランドを有することを特徴とする請求項３９に記載の光学電子デバイス。
43. 前記光学デバイスが、前記ＳＯＩ構造上に形成されたシリコン・リブを有することを特徴とする請求項３９に記載の光学電子デバイス。

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