JP2017191158A - Optical module and manufacturing method therefor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical module capable of monolithically amassing an optical waveguide of a core, which is formed of a silicon oxynitride, and a germanium photo diode on the same substrate.SOLUTION: The optical module includes: a germanium photo diode 110a formed in a first area 110 on a lower clad layer 101; a silicon core 121 which is formed in a second area 120 continuous to the first area 110 on a lower clad layer 101; and a silicon oxynitride core 122 which is formed from a part of the second area 120 to a third area 130 continuing to the second area 120. The silicon oxynitride core 122 is constituted of a first silicon oxynitride layer 141 and a second silicon oxynitride layer 142.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、光通信分野において使用される、光導波路素子とフォトダイオードとを備える光モジュールおよびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to an optical module including an optical waveguide element and a photodiode used in the field of optical communication, and a method for manufacturing the same.

昨今の大容量コンテンツの配信などを目的としたブロードバンドアクセスの普及により、光ファイバ通信システムの更なる超高速・大容量信号伝送能力の増大、更には消費電力の削減が求められている。この要求に応えるため、現在では、光の強度を信号として伝送する光強度伝送方式に加え、光の位相情報を信号として伝送するデジタルコヒーレント光通信が普及し始めている。これら高速大容量・低消費電力光通信システムでは、光部品、電気部品の機能を集積する光電子集積技術の開発が不可欠である。このため、光と電子の融合性が良く、低消費電力化に有利なシリコンフォトニクスを用いた小型光電子集積技術の開発が進んでいる。   With the recent widespread use of broadband access for the purpose of distributing large-capacity content and the like, there has been a demand for further increase in ultrahigh-speed and large-capacity signal transmission capability of optical fiber communication systems and further reduction in power consumption. In order to meet this demand, digital coherent optical communication that transmits light phase information as a signal is now widely used in addition to a light intensity transmission method that transmits light intensity as a signal. In these high-speed, large-capacity, low-power-consumption optical communication systems, it is indispensable to develop optoelectronic integration technology that integrates the functions of optical components and electrical components. For this reason, the development of compact optoelectronic integration technology using silicon photonics, which has good light-electron fusion and is advantageous for low power consumption, is in progress.

シリコンフォトニクスの光電子集積技術の基本光部品は、シリコン（Ｓｉ）系光導波路とゲルマニウム（Ｇｅ）フォトダイオードとから構成される。これまでに、シリコン系光導波路してシリコンリッチな石英系材料であるＳｉＯxをコアに用いたＳｉＯx光導波路と、ゲルマニウムフォトダイオードとを同一基板上にモノリシックに集積作製した小型光モジュールが開発され（特許文献１参照）、通信システムへの適用がはじまっている。   The basic optical component of silicon photonics optoelectronic integration technology is composed of a silicon (Si) -based optical waveguide and a germanium (Ge) photodiode. So far, small optical modules have been developed in which a silicon-based optical waveguide and a silicon-rich quartz-based material, SiOx, and a germanium photodiode are monolithically integrated on the same substrate. Application to a communication system has begun.

特許第５７６１７５４号公報Japanese Patent No. 576754

しかしながら、ＳｉＯx光導波路とゲルマニウムフォトダイオードの集積モジュールには、以下のような課題があった。まず、ＳｉＯxはシリコンリッチにしているため、石英（ＳｉＯ2）に比べて屈折率を高くすることができ、光閉じ込めの強い光導波路が作れるためモジュールの小型化が可能である。しかしながら、ＳｉＯxの屈折率制御にはシリコン量の微妙な制御が必要である。このため、より小型化を狙うためより屈折率を高めたＳｉＯxを光導波路に適用しようとすると、少量のシリコン量の変化で屈折率が変化するために制御が難しく、光導波路特性の再現性に問題が生じることがあった。 However, the integrated module of the SiO x optical waveguide and the germanium photodiode has the following problems. First, since SiO x is silicon-rich, the refractive index can be made higher than that of quartz (SiO 2), and an optical waveguide with strong optical confinement can be made, so that the module can be miniaturized. However, the control of the refractive index of SiO x requires delicate control of the amount of silicon. Therefore, if SiO x with a higher refractive index is applied to the optical waveguide in order to reduce the size, it is difficult to control because the refractive index changes due to a small change in the amount of silicon. Could cause problems.

ＳｉＯxの替わりに屈折率制御性をよい酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）を光導波路コアとする提案もあるが、従来の製造方法ではゲルマニウム成長においてＮを含む酸窒化シリコン膜はゲルマニウム選択成長に使えないという問題があった。 There is a proposal to use silicon oxynitride (SiON) with good refractive index control instead of SiO x as an optical waveguide core, but in the conventional manufacturing method, silicon oxynitride film containing N cannot be used for germanium selective growth in germanium growth. There was a problem.

また、ゲルマニウムフォトダイオードとモノリシックに集積するにあたり、ゲルマニウムに損傷を与えない低温でＳｉＯxを形成する必要があるが、このような低温で形成したＳｉＯxは、水素（Ｈ）を含有するため膜中にＯＨ基が存在し、ＯＨ基に由来する１４７０ｎｍ付近に光吸収が存在し、この吸収の裾が通信波長帯にかかり、これが伝搬損失に影響するという問題があった。ＳｉＯxの替わりに酸窒化シリコンを光導波路コアとした場合においても、水素に由来する吸収は解決できなかった。 Further, when monolithically integrated with a germanium photodiode, it is necessary to form SiO x at a low temperature that does not damage germanium. Since SiO x formed at such a low temperature contains hydrogen (H), it is a film. There is a problem in that OH groups are present, light absorption is present in the vicinity of 1470 nm derived from the OH groups, and the bottom of this absorption is applied to the communication wavelength band, which affects propagation loss. Even when silicon oxynitride is used as the optical waveguide core instead of SiO x , absorption derived from hydrogen cannot be solved.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、酸窒化シリコンからなるコアによる光導波路とゲルマニウムフォトダイオードとを同一基板上にモノリシックに集積できるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and it is an object of the present invention to make it possible to monolithically integrate an optical waveguide having a core made of silicon oxynitride and a germanium photodiode on the same substrate. And

本発明に係る光モジュールの製造方法は、ゲルマニウムフォトダイオード、シリコンコアからなるシリコン光導波路、酸窒化シリコンコアからなる酸窒化シリコン光導波路がこれらの順に接続した光モジュールの製造方法であって、シリコン基板の上に酸化シリコンからなる下部クラッド層を形成する工程と、下部クラッド層の上にシリコン層を形成する工程と、シリコン層をパターニングして第１領域に下部シリコンパターンを形成するとともに、第１領域に連続する第２領域にシリコンコアを形成する工程と、下部シリコンパターンおよびシリコンコアを覆って下部クラッド層の上に、酸窒化シリコンからなる第１酸窒化シリコン層を形成する工程と、第１酸窒化シリコン層の上に酸化シリコンからなる酸化シリコン層を形成する工程と、酸化シリコン層および第１酸窒化シリコン層の下部シリコンパターンの上部に開口部を形成する工程と、酸化シリコン層を選択成長マスクとして開口部の底部の下部シリコンパターンの上にゲルマニウムを選択的に成長してゲルマニウムパターンを形成し、下部シリコンパターンおよびゲルマニウムパターンよりなるゲルマニウムフォトダイオードを形成する工程と、酸化シリコン層を除去する工程と、酸化シリコン層を除去した後、第１酸窒化シリコン層の上に酸窒化シリコンからなる第２酸窒化シリコン層を形成する工程と、第１酸窒化シリコン層および第２酸窒化シリコン層をパターニングすることで第２領域の一部から第２領域に連続する第３領域にかけて酸窒化シリコンコアを形成する工程と、ゲルマニウムフォトダイオード，シリコンコア，および酸窒化シリコンコアの上に酸化シリコンからなる上部クラッド層を形成する工程とを備える。   An optical module manufacturing method according to the present invention is an optical module manufacturing method in which a germanium photodiode, a silicon optical waveguide made of a silicon core, and a silicon oxynitride optical waveguide made of a silicon oxynitride core are connected in this order, Forming a lower clad layer made of silicon oxide on the substrate; forming a silicon layer on the lower clad layer; patterning the silicon layer to form a lower silicon pattern in the first region; Forming a silicon core in a second region continuous with the one region; forming a first silicon oxynitride layer made of silicon oxynitride on the lower cladding layer so as to cover the lower silicon pattern and the silicon core; Forming a silicon oxide layer made of silicon oxide on the first silicon oxynitride layer; Forming an opening on the lower silicon pattern of the silicon oxide layer and the first silicon oxynitride layer, and selectively growing germanium on the lower silicon pattern at the bottom of the opening using the silicon oxide layer as a selective growth mask; Forming a germanium pattern, forming a germanium photodiode composed of the lower silicon pattern and the germanium pattern, removing the silicon oxide layer, removing the silicon oxide layer, and then removing the silicon oxide layer on the first silicon oxynitride layer. Forming a second silicon oxynitride layer made of silicon oxynitride on the substrate, and patterning the first silicon oxynitride layer and the second silicon oxynitride layer to form a second region continuous from the second region to the second region. Forming a silicon oxynitride core over three regions, a germanium photodiode, Rikonkoa, and and forming an upper clad layer made of silicon oxide on the silicon oxynitride core.

上記光モジュールの製造方法において、第１酸窒化シリコン層および第２酸窒化シリコン層は、ＳｉＤ4、Ｏ2、およびＮ2を原料ガスとしたＥＣＲプラズマＣＶＤ法により形成すればよい。 In the optical module manufacturing method, the first silicon oxynitride layer and the second silicon oxynitride layer may be formed by an ECR plasma CVD method using SiD 4 , O 2 , and N 2 as source gases.

上記光モジュールの製造方法において、下部シリコンパターン上の第１酸窒化シリコン層および酸化シリコン層の合計の厚さは、ゲルマニウムパターンの厚さと同じ状態とし、第２酸窒化シリコン層は、第１酸窒化シリコン層より厚く形成し、第２酸窒化シリコン層の屈折率は、第１酸窒化シリコン層の屈折率以下とすればよい。   In the method for manufacturing an optical module, the total thickness of the first silicon oxynitride layer and the silicon oxide layer on the lower silicon pattern is the same as the thickness of the germanium pattern, and the second silicon oxynitride layer is The second silicon oxynitride layer may be formed thicker than the silicon nitride layer, and the refractive index of the second silicon oxynitride layer may be equal to or lower than the refractive index of the first silicon oxynitride layer.

本発明に係る光モジュールは、シリコン基板と、シリコン基板の上に形成された酸窒化シリコンからなる下部クラッド層と、下部クラッド層の上の第１領域に形成されたゲルマニウムフォトダイオードと、下部クラッド層の上の第１領域に連続する第２領域に形成されたシリコンコアと、第２領域の一部から第２領域に連続する第３領域にかけて形成された酸窒化シリコンコアと、ゲルマニウムフォトダイオード，シリコンコア，および酸窒化シリコンコアの上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層とを備え、ゲルマニウムフォトダイオードは、シリコンコアに連続して形成された下部シリコンパターンと、下部シリコンパターンの上に形成されたゲルマニウムパターンとから構成され、ゲルマニウムフォトダイオード、シリコンコアからなるシリコン光導波路、酸窒化シリコンコアからなる酸窒化シリコン光導波路がこれらの順に接続した状態に形成され、酸窒化シリコンコアは、シリコン基板側に配置されて酸窒化シリコンからなる第１酸窒化シリコン層と、酸窒化シリコンから構成されて第１酸窒化シリコン層の上に積層された第２酸窒化シリコン層とから構成されている。   An optical module according to the present invention includes a silicon substrate, a lower cladding layer made of silicon oxynitride formed on the silicon substrate, a germanium photodiode formed in a first region on the lower cladding layer, and a lower cladding. A silicon core formed in a second region continuous with the first region on the layer; a silicon oxynitride core formed from a part of the second region to a third region continuous with the second region; and a germanium photodiode , A silicon core, and an upper cladding layer made of silicon oxide formed on the silicon oxynitride core, and the germanium photodiode has a lower silicon pattern formed continuously on the silicon core and a lower silicon pattern. The germanium pattern is formed from a germanium photodiode and silicon. A silicon optical waveguide composed of a core and a silicon oxynitride optical waveguide composed of a silicon oxynitride core are formed in this order, and the silicon oxynitride core is disposed on the silicon substrate side and is a first oxynitride composed of silicon oxynitride A silicon nitride layer and a second silicon oxynitride layer made of silicon oxynitride and stacked on the first silicon oxynitride layer.

上記光モジュールにおいて、第２酸窒化シリコン層は、第１酸窒化シリコン層より厚くされ、第２酸窒化シリコン層の屈折率は、第１酸窒化シリコン層の屈折率以下とされていればよい。   In the optical module, the second silicon oxynitride layer may be thicker than the first silicon oxynitride layer, and the refractive index of the second silicon oxynitride layer may be equal to or lower than the refractive index of the first silicon oxynitride layer. .

上記光モジュールにおいて、第１酸窒化シリコン層および第２酸窒化シリコン層に含まれている水素は、重水素とされていればよい。   In the above optical module, hydrogen contained in the first silicon oxynitride layer and the second silicon oxynitride layer may be deuterium.

以上説明したことにより、本発明によれば、酸窒化シリコンからなるコアによる光導波路とゲルマニウムフォトダイオードとが、同一基板上にモノリシックに集積できるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an excellent effect that an optical waveguide having a core made of silicon oxynitride and a germanium photodiode can be monolithically integrated on the same substrate.

図１は、本発明の実施の形態における光モジュールの構成を示す断面図（ａ）および平面図（ｂ）である。FIG. 1 is a cross-sectional view (a) and a plan view (b) showing a configuration of an optical module according to an embodiment of the present invention. 図２Ａは、本発明の実施の形態における光モジュールの製造方法を説明する各工程における状態を示す構成図である。FIG. 2A is a configuration diagram showing a state in each step for explaining the method of manufacturing an optical module in the embodiment of the present invention. 図２Ｂは、本発明の実施の形態における光モジュールの製造方法を説明する各工程における状態を示す構成図である。FIG. 2B is a configuration diagram showing a state in each step for explaining the method of manufacturing the optical module in the embodiment of the present invention. 図２Ｃは、本発明の実施の形態における光モジュールの製造方法を説明する各工程における状態を示す構成図である。FIG. 2C is a configuration diagram showing a state in each step for explaining the method of manufacturing the optical module in the embodiment of the present invention. 図２Ｄは、本発明の実施の形態における光モジュールの製造方法を説明する各工程における状態を示す構成図である。FIG. 2D is a configuration diagram showing a state in each step for explaining the method of manufacturing the optical module in the embodiment of the present invention. 図２Ｅは、本発明の実施の形態における光モジュールの製造方法を説明する各工程における状態を示す構成図である。FIG. 2E is a configuration diagram showing a state in each step for explaining the method of manufacturing the optical module in the embodiment of the present invention. 図２Ｆは、本発明の実施の形態における光モジュールの製造方法を説明する各工程における状態を示す構成図である。FIG. 2F is a configuration diagram showing a state in each step for explaining the method of manufacturing the optical module in the embodiment of the present invention. 図２Ｇは、本発明の実施の形態における光モジュールの製造方法を説明する各工程における状態を示す構成図である。FIG. 2G is a configuration diagram showing a state in each step for explaining the method of manufacturing the optical module in the embodiment of the present invention. 図２Ｈは、本発明の実施の形態における光モジュールの製造方法を説明する各工程における状態を示す構成図である。FIG. 2H is a configuration diagram showing a state in each step for explaining the method of manufacturing the optical module in the embodiment of the present invention. 図２Ｉは、本発明の実施の形態における光モジュールの製造方法を説明する各工程における状態を示す構成図である。FIG. 2I is a configuration diagram showing a state in each step for explaining the method of manufacturing the optical module in the embodiment of the present invention. 図２Ｊは、本発明の実施の形態における光モジュールの製造方法を説明する各工程における状態を示す構成図である。FIG. 2J is a configuration diagram showing a state in each step for explaining the method of manufacturing the optical module in the embodiment of the present invention.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における光モジュールの構成を示す断面図（ａ）および平面図（ｂ）である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view (a) and a plan view (b) showing a configuration of an optical module according to an embodiment of the present invention.

この光モジュールは、シリコン基板１００と、シリコン基板１００の上に形成された酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる下部クラッド層１０１と、下部クラッド層１０１の上の第１領域１１０に形成されたゲルマニウムフォトダイオード１１０ａと、下部クラッド層１０１の上の第１領域１１０に連続する第２領域１２０に形成されたシリコンコア１２１と、第２領域１２０の一部から第２領域１２０に連続する第３領域１３０にかけて形成された酸窒化シリコンコア１２２とを備える。 This optical module includes a silicon substrate 100, a lower cladding layer 101 made of silicon oxide (SiO 2 ) formed on the silicon substrate 100, and a germanium photo formed in a first region 110 on the lower cladding layer 101. A diode 110a, a silicon core 121 formed in a second region 120 continuous with the first region 110 on the lower cladding layer 101, and a third region 130 continuous from the second region 120 to the second region 120. And a silicon oxynitride core 122 formed in the middle.

また、ゲルマニウムフォトダイオード１１０ａ，シリコンコア１２１，および酸窒化シリコンコア１２２の上に形成された酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる上部クラッド層１０３を備える。また、酸窒化シリコンコア１２２に連続し、シリコンコア１２１形成領域では上部クラッド層１０３の下に配置される中間クラッド層１２３を備える。 Further, an upper cladding layer 103 made of silicon oxide (SiO 2 ) formed on the germanium photodiode 110 a, the silicon core 121, and the silicon oxynitride core 122 is provided. Further, an intermediate cladding layer 123 is provided which is continuous to the silicon oxynitride core 122 and is disposed below the upper cladding layer 103 in the silicon core 121 formation region.

ゲルマニウムフォトダイオード１１０ａは、シリコンコア１２１に連続して形成された第１導電型の下部シリコンパターン１１１と、下部シリコンパターン１１１の上に形成されたノンドープ（ｉ型）のゲルマニウムパターン１１２と、ゲルマニウムパターン１１２の上に形成された第２導電型の上部シリコンパターン１１３とから構成されている。例えば、第１導電型はｐ型とし、第２導電型はｎ型とすればよい。   The germanium photodiode 110a includes a first conductivity type lower silicon pattern 111 formed continuously on the silicon core 121, a non-doped (i-type) germanium pattern 112 formed on the lower silicon pattern 111, and a germanium pattern. And an upper silicon pattern 113 of the second conductivity type formed on 112. For example, the first conductivity type may be p-type and the second conductivity type may be n-type.

ここで、酸窒化シリコンコア１２２が、第１酸窒化シリコン層１４１および第２酸窒化シリコン層１４２から構成されているところに特徴がある。なお、中間クラッド層１２３も、第１酸窒化シリコン層１４１および第２酸窒化シリコン層１４２から構成されている。第１酸窒化シリコン層１４１および第２酸窒化シリコン層１４２は、共に酸窒化シリコンから構成され、第１酸窒化シリコン層１４１の上に接して第２酸窒化シリコン層１４２が積層されている。   Here, the silicon oxynitride core 122 is characterized in that it includes a first silicon oxynitride layer 141 and a second silicon oxynitride layer 142. The intermediate cladding layer 123 is also composed of a first silicon oxynitride layer 141 and a second silicon oxynitride layer 142. Both the first silicon oxynitride layer 141 and the second silicon oxynitride layer 142 are made of silicon oxynitride, and the second silicon oxynitride layer 142 is stacked on and in contact with the first silicon oxynitride layer 141.

また、第２酸窒化シリコン層１４２の形成領域（形成層）では、ゲルマニウムフォトダイオード１１０ａを構成するゲルマニウムパターン１１２の側面が、酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる側壁層１２４で覆われている。なお、第１酸窒化シリコン層１４１は、ゲルマニウムフォトダイオード１１０ａを形成する前に、酸窒化シリコンを堆積することで形成された層である。一方、第２酸窒化シリコン層１４２は、ゲルマニウムフォトダイオード１１０ａを形成した後に、酸窒化シリコンを堆積することで形成された層である。 In the formation region (formation layer) of the second silicon oxynitride layer 142, the side surface of the germanium pattern 112 constituting the germanium photodiode 110a is covered with the side wall layer 124 made of silicon oxide (SiO 2 ). Note that the first silicon oxynitride layer 141 is a layer formed by depositing silicon oxynitride before forming the germanium photodiode 110a. On the other hand, the second silicon oxynitride layer 142 is a layer formed by depositing silicon oxynitride after forming the germanium photodiode 110a.

例えば、下部クラッド層１０１は、層厚３μｍ程度に形成され、上部クラッド層１０３は、層厚５μｍ程度に形成されている。また、シリコンコア１２１は、断面が幅３００〜６００ｎｍ，高さ２００〜３００ｎｍ程度に形成されている。酸窒化シリコンコア１２２は、断面が幅３μｍ、高さ３μｍ程度に形成されている。また、第１酸窒化シリコン層１４１は、厚さ２００〜５００ｎｍ程度に形成され、第２酸窒化シリコン層１４２は、厚さ２．５〜２．８μｍ程度に形成されている。また、シリコンコア１２１による第２領域１２０のシリコン光導波路は、光導波路長が２００〜５００ｎｍ程度とされている。   For example, the lower cladding layer 101 is formed with a thickness of about 3 μm, and the upper cladding layer 103 is formed with a thickness of about 5 μm. The silicon core 121 has a cross section with a width of about 300 to 600 nm and a height of about 200 to 300 nm. The silicon oxynitride core 122 has a cross section with a width of about 3 μm and a height of about 3 μm. The first silicon oxynitride layer 141 is formed to a thickness of about 200 to 500 nm, and the second silicon oxynitride layer 142 is formed to a thickness of about 2.5 to 2.8 μm. In addition, the silicon optical waveguide in the second region 120 by the silicon core 121 has an optical waveguide length of about 200 to 500 nm.

ゲルマニウムパターン１１２は、全体の厚さが１μｍ程度とされている。また、ゲルマニウムフォトダイオード１１０ａは、平面視で１０×５０μｍ程度の矩形に形成されている。なお、ゲルマニウムパターン１１２は、例えば、ｉ型の下部ゲルマニウム層と第２導電型の上部ゲルマニウム層とから構成してもよい。   The germanium pattern 112 has an overall thickness of about 1 μm. The germanium photodiode 110a is formed in a rectangular shape of about 10 × 50 μm in plan view. The germanium pattern 112 may be composed of, for example, an i-type lower germanium layer and a second conductivity type upper germanium layer.

上述した光モジュールは、ゲルマニウムフォトダイオード１１０ａ、シリコンコア１２１からなるシリコン光導波路、酸窒化シリコンコア１２２からなる光導波路がこれらの順に接続した状態に、シリコン基板１００の上にモノリシックに形成されている。   The optical module described above is monolithically formed on the silicon substrate 100 in a state where a germanium photodiode 110a, a silicon optical waveguide composed of a silicon core 121, and an optical waveguide composed of a silicon oxynitride core 122 are connected in this order. .

なお、図示していないが、上部クラッド層１０３、第１酸窒化シリコン層１４１、および第２酸窒化シリコン層１４２を貫通して下部シリコンパターン１１１に接続するコンタクト配線を備える。また、上部シリコンパターン１１３の上の第２酸窒化シリコン層１４２および上部クラッド層１０３を貫通して上部シリコンパターン１１３に接続するコンタクト配線を備える。   Although not shown, a contact wiring that penetrates the upper cladding layer 103, the first silicon oxynitride layer 141, and the second silicon oxynitride layer 142 and is connected to the lower silicon pattern 111 is provided. Further, a contact wiring that penetrates through the second silicon oxynitride layer 142 and the upper cladding layer 103 on the upper silicon pattern 113 and is connected to the upper silicon pattern 113 is provided.

この光モジュールでは、まず、酸窒化シリコンコア１２２による第３領域１３０の光導波路を導波してきた光を、酸窒化シリコンコア１２２で覆われている領域のシリコンコア１２１において、より高い屈折率のシリコンコア１２１よりなるシリコン光導波路へ移行させることができる。次いで、このシリコン光導波路を導波する光は、シリコンコア１２１に連続する下部シリコンパターン１１１の上の、更に屈折率の高いゲルマニウムパターン１１２へ吸収させることができる。   In this optical module, first, the light guided through the optical waveguide in the third region 130 by the silicon oxynitride core 122 has a higher refractive index in the silicon core 121 in the region covered with the silicon oxynitride core 122. The silicon optical waveguide made of the silicon core 121 can be transferred. Next, the light guided through the silicon optical waveguide can be absorbed by the germanium pattern 112 having a higher refractive index on the lower silicon pattern 111 continuous to the silicon core 121.

このように、実施の形態によれば、酸窒化シリコンコア１２２による光導波路を導波してきた光を、ゲルマニウムフォトダイオード１１０ａで光電変換させることができる。ゲルマニウムは通信波長帯である１．３〜１．６μｍに高い受光感度を持つため、酸窒化シリコンコア１２２による光導波路デバイスとゲルマニウムフォトダイオードの同一基板上へのモノリシック集積は、小型で高機能を持たせた通信用光モジュールの実現に非常に有効である。   Thus, according to the embodiment, the light guided through the optical waveguide by the silicon oxynitride core 122 can be photoelectrically converted by the germanium photodiode 110a. Since germanium has high light receiving sensitivity in the communication wavelength band of 1.3 to 1.6 μm, monolithic integration of the optical waveguide device and germanium photodiode on the same substrate by the silicon oxynitride core 122 is small and highly functional. It is very effective for realizing the optical module for communication.

次に、本発明の実施の形態における光モジュールの製造方法について、図２Ａ〜図２Ｊを用いて説明する。図２Ａ〜図２Ｊは、本発明の実施の形態における光モジュールの製造方法を説明する各工程における状態を示す構成図である。図２Ａ〜図２Ｊは、断面を模式的に示している。   Next, the manufacturing method of the optical module in embodiment of this invention is demonstrated using FIG. 2A-FIG. 2J. 2A to 2J are configuration diagrams showing states in respective steps for explaining a method of manufacturing an optical module according to an embodiment of the present invention. 2A to 2J schematically show cross sections.

まず、図２Ａに示すように、シリコン基板１００の上にＳｉＯ2からなる下部クラッド層１０１を形成し、下部クラッド層１０１の上にシリコン層２０１を形成する。これは、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いることで得られる。ＳＯＩ基板は、シリコン基部の上に埋め込み絶縁層を介して表面シリコン層が形成されている基板である。シリコン基部がシリコン基板１００となり、埋め込み絶縁層が下部クラッド層１０１となり、表面シリコン層がシリコン層２０１となる。 First, as shown in FIG. 2A, a lower clad layer 101 made of SiO 2 is formed on a silicon substrate 100, and a silicon layer 201 is formed on the lower clad layer 101. This can be obtained by using a well-known SOI (Silicon on Insulator) substrate. The SOI substrate is a substrate in which a surface silicon layer is formed on a silicon base via a buried insulating layer. The silicon base portion becomes the silicon substrate 100, the buried insulating layer becomes the lower cladding layer 101, and the surface silicon layer becomes the silicon layer 201.

次に、シリコン層２０１をパターニングし、図２Ｂに示すように、下部シリコンパターン１１１およびシリコンコア１２１を形成する。下部シリコンパターン１１１およびシリコンコア１２１は、連続して一体に形成する。例えば、よく知られたフォトリソグラフィーにより形成したマスクパターンを用い、エッチング技術により選択的にエッチングすることで、上記各パターンが形成できる。なお、パターン形成後に、マスクパターンは除去する。また、選択的なイオン注入などにより、下部シリコンパターン１１１に不純物を導入して第１導電型とする。例えば、ｐ型とすればよい。   Next, the silicon layer 201 is patterned to form a lower silicon pattern 111 and a silicon core 121 as shown in FIG. 2B. The lower silicon pattern 111 and the silicon core 121 are continuously and integrally formed. For example, each of the above patterns can be formed by selectively etching with an etching technique using a mask pattern formed by well-known photolithography. Note that the mask pattern is removed after pattern formation. Further, impurities are introduced into the lower silicon pattern 111 by selective ion implantation or the like to obtain the first conductivity type. For example, it may be p-type.

次に、図２Ｃに示すように、下部シリコンパターン１１１およびシリコンコア１２１を覆って下部クラッド層１０１の上に、第１酸窒化シリコン層１４１を形成する。例えば、プラズマＣＶＤ法により、酸窒化シリコンを堆積して第１酸窒化シリコン層１４１を形成すればよい。次に、図２Ｄに示すように、第１酸窒化シリコン層１４１の上に、酸化シリコンからなる酸化シリコン層２０２を形成する。例えば、プラズマＣＶＤ法により、酸化シリコンを堆積して酸化シリコン層２０２を形成すればよい。ここで、第１酸窒化シリコン層１４１および酸化シリコン層２０２の、下部シリコンパターン１１１上の合計の厚さは、後述するゲルマニウムパターンの厚さと同じ状態としておくとよい。ゲルマニウムパターンの成長後段差構造が緩和され、後述するシリコン層の形成や上部シリコンパターンの形成がしやすくなりよい。   Next, as shown in FIG. 2C, a first silicon oxynitride layer 141 is formed on the lower cladding layer 101 so as to cover the lower silicon pattern 111 and the silicon core 121. For example, the first silicon oxynitride layer 141 may be formed by depositing silicon oxynitride by a plasma CVD method. Next, as shown in FIG. 2D, a silicon oxide layer 202 made of silicon oxide is formed on the first silicon oxynitride layer 141. For example, the silicon oxide layer 202 may be formed by depositing silicon oxide by a plasma CVD method. Here, the total thickness of the first silicon oxynitride layer 141 and the silicon oxide layer 202 on the lower silicon pattern 111 is preferably the same as the thickness of a germanium pattern described later. After the growth of the germanium pattern, the step structure is relaxed, and it becomes easy to form a silicon layer and an upper silicon pattern which will be described later.

次に、図２Ｅに示すように、下部シリコンパターン１１１の上部にあたる酸化シリコン層２０２および第１酸窒化シリコン層１４１に、開口部２０２ａおよび開口部１５１ａを形成する。例えば、よく知られたフォトリソグラフィーにより形成したマスクパターンを用い、エッチング技術により選択的にエッチングすることで、開口部２０２ａおよび開口部１５１ａが形成できる。開口部２０２ａおよび開口部１５１ａは、開口部１５１ａの底部に下部シリコンパターン１１１の上面が露出する状態に形成する。なお、開口部２０２ａおよび開口部１５１ａを形成した後に、マスクパターンは除去する。   Next, as shown in FIG. 2E, an opening 202a and an opening 151a are formed in the silicon oxide layer 202 and the first silicon oxynitride layer 141 corresponding to the upper part of the lower silicon pattern 111. For example, the opening 202a and the opening 151a can be formed by selectively etching with an etching technique using a mask pattern formed by well-known photolithography. The opening 202a and the opening 151a are formed so that the upper surface of the lower silicon pattern 111 is exposed at the bottom of the opening 151a. Note that the mask pattern is removed after the opening 202a and the opening 151a are formed.

次に、図２Ｆに示すように、酸化シリコン層２０２を選択成長マスクとして用い、開口部１５１ａの底部の下部シリコンパターン１１１の上にゲルマニウムを選択的に成長し、ゲルマニウムパターン１１２を形成する。例えば、ＧｅＨ4をソースガスとした熱ＣＶＤ法により、基板温度条件６００℃でゲルマニウムを堆積することで、開口部１５１ａの底部に露出している下部シリコンパターン１１１の上面に、選択的にゲルマニウムを堆積することができる。この選択成長では、酸化シリコン層２０２の上には、ゲルマニウムが堆積しない。また、前述したように、第１酸窒化シリコン層１４１および酸化シリコン層２０２の、下部シリコンパターン１１１上の合計の厚さは、ゲルマニウムパターン１１２の厚さと同じ状態にしているので、酸化シリコン層２０２およびゲルマニウムパターン１１２の上面は、平坦な状態となる。 Next, as shown in FIG. 2F, germanium is selectively grown on the lower silicon pattern 111 at the bottom of the opening 151a using the silicon oxide layer 202 as a selective growth mask to form a germanium pattern 112. For example, germanium is selectively deposited on the upper surface of the lower silicon pattern 111 exposed at the bottom of the opening 151a by depositing germanium at a substrate temperature condition of 600 ° C. by a thermal CVD method using GeH 4 as a source gas. Can be deposited. In this selective growth, germanium is not deposited on the silicon oxide layer 202. Further, as described above, since the total thickness of the first silicon oxynitride layer 141 and the silicon oxide layer 202 on the lower silicon pattern 111 is the same as the thickness of the germanium pattern 112, the silicon oxide layer 202 And the upper surface of the germanium pattern 112 is in a flat state.

次に、図２Ｇに示すように、ゲルマニウムパターン１１２の部分を含めて酸化シリコン層２０２の上に、シリコン層２０３を形成する。次に、イオン注入によりシリコン層２０３に不純物を導入し、第２導電型とする。例えば、ｎ型とする。このとき、ゲルマニウムパターン１１２の一部にまで上記不純物を導入し、ゲルマニウムパターン１１２の上層部分をｎ型としてもよい。例えば、イオン注入におけるイオンエネルギーを制御することで、第２導電型となる上層の部分の厚さを変化させることができる。このように、ゲルマニウムパターン１１２の第２導電型とする上層の部分の厚さを変化させることで、ゲルマニウムフォトダイオード１１０ａの特性を変えることができる。   Next, as shown in FIG. 2G, a silicon layer 203 is formed on the silicon oxide layer 202 including the portion of the germanium pattern 112. Next, impurities are introduced into the silicon layer 203 by ion implantation to obtain the second conductivity type. For example, n-type. At this time, the impurity may be introduced into part of the germanium pattern 112, and the upper layer portion of the germanium pattern 112 may be n-type. For example, the thickness of the upper layer portion of the second conductivity type can be changed by controlling the ion energy in the ion implantation. In this way, the characteristics of the germanium photodiode 110a can be changed by changing the thickness of the upper layer portion of the germanium pattern 112 that is the second conductivity type.

次に、シリコン層２０３をパターニングし、また、酸化シリコン層２０２を除去することで、図２Ｈに示すように、ゲルマニウムパターン１１２の上に第２導電型の上部シリコンパターン１１３を形成する。なお、酸化シリコン層２０２の除去では、ゲルマニウムパターン１１２の側部の上部シリコンパターン１１３の下部の領域を残すことで、ゲルマニウムパターン１１２の側面に側壁層１２４を形成する。   Next, the silicon layer 203 is patterned, and the silicon oxide layer 202 is removed to form a second conductivity type upper silicon pattern 113 on the germanium pattern 112 as shown in FIG. 2H. In the removal of the silicon oxide layer 202, the side wall layer 124 is formed on the side surface of the germanium pattern 112 by leaving the lower region of the upper silicon pattern 113 on the side of the germanium pattern 112.

まず、シリコン層２０３を、公知のリソグラフィー技術により形成したマスクパターン（不図示）をマスクとしてエッチングすることによりパターニングし、上部シリコンパターン１１３を形成する。エッチングは、例えばリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）により実施すればよい。垂直異方性が高い加工が可能なＲＩＥによれば、所望の寸法形状に上部シリコンパターン１１３が形成可能である。上部シリコンパターン１１３は、平面視でゲルマニウムパターン１１２より大きい面積とする。また、平面視で、上部シリコンパターン１１３の内側にゲルマニウムパターン１１２が配置される状態とする。   First, the silicon layer 203 is patterned by etching using a mask pattern (not shown) formed by a known lithography technique as a mask to form an upper silicon pattern 113. Etching may be performed, for example, by reactive ion etching (RIE). According to RIE capable of processing with high vertical anisotropy, the upper silicon pattern 113 can be formed in a desired size and shape. The upper silicon pattern 113 has a larger area than the germanium pattern 112 in plan view. Further, the germanium pattern 112 is arranged inside the upper silicon pattern 113 in plan view.

引き続き、酸化シリコン層２０２をドライエッチング（ＲＩＥ）して除去する。上述したように、上部シリコンパターン１１３は、平面視でゲルマニウムパターン１１２より大きい面積に形成しているので、ゲルマニウムパターン１１２の周囲に酸化シリコン層２０２が残り、この部分が側壁層１２４となる。   Subsequently, the silicon oxide layer 202 is removed by dry etching (RIE). As described above, since the upper silicon pattern 113 is formed in an area larger than the germanium pattern 112 in plan view, the silicon oxide layer 202 remains around the germanium pattern 112, and this portion becomes the sidewall layer 124.

上述したように、上部シリコンパターン１１３を形成することで、下部シリコンパターン１１１，ゲルマニウムパターン１１２，および上部シリコンパターン１１３よりなるゲルマニウムフォトダイオード１１０ａが形成される。なお、ゲルマニウムパターン１１２の上層部を第２導電型としている場合、上部シリコンパターン１１３は必要なものではない。ゲルマニウムパターン１１２の上層部をｎ型としておけば、下部シリコンパターン１１１によりｐｉｎ構造となり、フォトダイオードとして機能する。この場合、ゲルマニウムパターン１１２の上層部に電極を接続することになる。   As described above, by forming the upper silicon pattern 113, the germanium photodiode 110a including the lower silicon pattern 111, the germanium pattern 112, and the upper silicon pattern 113 is formed. If the upper layer portion of the germanium pattern 112 is of the second conductivity type, the upper silicon pattern 113 is not necessary. If the upper layer portion of the germanium pattern 112 is n-type, the lower silicon pattern 111 has a pin structure and functions as a photodiode. In this case, an electrode is connected to the upper layer portion of the germanium pattern 112.

次に、図２Ｉに示すように、第１酸窒化シリコン層１４１の上に第２酸窒化シリコン層１４２を形成する。例えば、プラズマＣＶＤ法により、酸窒化シリコンを堆積して第２酸窒化シリコン層１４２を形成すればよい。この場合、上部シリコンパターン１１３の上にも、第２酸窒化シリコン層１４２が形成される。実施の形態によれば、ゲルマニウムパターン１１２の側面が側壁層１２４で覆われているので、第２酸窒化シリコン層１４２の形成時に、水素がゲルマニウムパターン１１２に入り込むことが抑制される。   Next, as shown in FIG. 2I, a second silicon oxynitride layer 142 is formed on the first silicon oxynitride layer 141. For example, the second silicon oxynitride layer 142 may be formed by depositing silicon oxynitride by a plasma CVD method. In this case, the second silicon oxynitride layer 142 is also formed on the upper silicon pattern 113. According to the embodiment, since the side surface of the germanium pattern 112 is covered with the sidewall layer 124, hydrogen is suppressed from entering the germanium pattern 112 when the second silicon oxynitride layer 142 is formed.

次に、第１酸窒化シリコン層１４１および第２酸窒化シリコン層１４２をパターニングすることで、第２領域１２０の一部から第２領域１２０に連続する第３領域１３０にかけて酸窒化シリコンコア１２２を形成する。例えば、よく知られたフォトリソグラフィーにより形成したマスクパターンを用い、エッチング技術により第１酸窒化シリコン層１４１および第２酸窒化シリコン層１４２を選択的にエッチングすることで、酸窒化シリコンコア１２２を形成すればよい。   Next, by patterning the first silicon oxynitride layer 141 and the second silicon oxynitride layer 142, the silicon oxynitride core 122 is formed from a part of the second region 120 to the third region 130 continuous to the second region 120. Form. For example, the silicon oxynitride core 122 is formed by selectively etching the first silicon oxynitride layer 141 and the second silicon oxynitride layer 142 by an etching technique using a mask pattern formed by well-known photolithography. do it.

また、ゲルマニウムフォトダイオード１１０ａ，シリコンコア１２１，および酸窒化シリコンコア１２２の上にＳｉＯ2からなる上部クラッド層１０３を形成する（図２Ｊ）。上部クラッド層１０３の形成では、既に形成されているゲルマニウムフォトダイオード１１０ａに熱的な損傷を与えないために、膜形成温度の条件を３００℃以下とすることが重要となる。例えば、電子サイクロトロン（Electron Cyclotron Resonance：ＥＣＲ）プラズマを用いたＣＶＤ法によれば、上述した条件を満たしてＳｉＯ2を堆積し、上部クラッド層１０３が形成できる。 Further, the upper clad layer 103 made of SiO 2 is formed on the germanium photodiode 110a, the silicon core 121, and the silicon oxynitride core 122 (FIG. 2J). In forming the upper clad layer 103, it is important to set the film formation temperature to 300 ° C. or lower in order not to cause thermal damage to the already formed germanium photodiode 110a. For example, according to the CVD method using electron cyclotron resonance (ECR) plasma, the upper cladding layer 103 can be formed by depositing SiO 2 while satisfying the above-described conditions.

以上のことにより、ゲルマニウムフォトダイオード１１０ａ，シリコンコア１２１からなるシリコン光導波路、酸窒化シリコンコア１２２からなる光導波路がこれらの順に接続した状態となる。この後、図示していないが、上部クラッド層１０３、第１酸窒化シリコン層１４１、および第２酸窒化シリコン層１４２を貫通して下部シリコンパターン１１１に接続するコンタクト配線と、上部クラッド層１０３を貫通して上部シリコンパターン１１３に接続するコンタクト配線とを形成する。   As described above, the germanium photodiode 110a, the silicon optical waveguide composed of the silicon core 121, and the optical waveguide composed of the silicon oxynitride core 122 are connected in this order. Thereafter, although not shown, a contact wiring that penetrates the upper cladding layer 103, the first silicon oxynitride layer 141, and the second silicon oxynitride layer 142 and connects to the lower silicon pattern 111, and the upper cladding layer 103 are formed. A contact wiring that penetrates and connects to the upper silicon pattern 113 is formed.

ここで、上述した第１酸窒化シリコン層１４１および第２酸窒化シリコン層１４２の形成では、次に示すことが重要となる。   Here, in the formation of the first silicon oxynitride layer 141 and the second silicon oxynitride layer 142 described above, the following is important.

第１に、第１酸窒化シリコン層１４１および第２酸窒化シリコン層１４２に水素Ｈが存在するとＮＨ基が生成され、ＮＨ基は通信波長である１．５μｍ帯に吸収を持つために光導波を妨げる。よって、第１酸窒化シリコン層１４１および第２酸窒化シリコン層１４２は、Ｈを含ませないことが重要となる。   First, when hydrogen H is present in the first silicon oxynitride layer 141 and the second silicon oxynitride layer 142, an NH group is generated, and the NH group has absorption in the 1.5 μm band which is a communication wavelength, so that an optical waveguide is formed. Disturb. Therefore, it is important that the first silicon oxynitride layer 141 and the second silicon oxynitride layer 142 do not contain H.

第２に、既に形成されているゲルマニウムフォトダイオード１１０ａに熱的な損傷を与えないために、第２酸窒化シリコン層１４２は、温度条件を３００℃以下での形成することが重要となる。   Second, it is important to form the second silicon oxynitride layer 142 at a temperature condition of 300 ° C. or lower in order not to thermally damage the germanium photodiode 110a that has already been formed.

上記２つの条件を満足するため、第１酸窒化シリコン層１４１および第２酸窒化シリコン層１４２は、水素を重水素化した重水素シラン（ＳｉＤ4）と酸素（Ｏ2）と窒素（Ｎ2）とを原料ガスとし、ＥＣＲプラズマを用いたＣＶＤ法を用いて形成している。ＥＣＲプラズマＣＶＤによれば、ガスの分解効率が高いことで、ＳｉＤ4、Ｏ2，Ｎ2のガス系で屈折率が１．４５から２．０と広い範囲で所望の屈折率有する水素Ｈを含まない酸窒化シリコン膜を形成できる。また、ＥＣＲプラズマＣＶＤは、ガスの分解効率が高いことで、基板を加熱することなく、高品質な酸窒化シリコン膜を基板上に形成することができる。 In order to satisfy the above two conditions, the first silicon oxynitride layer 141 and the second silicon oxynitride layer 142 include deuterium silane (SiD 4 ), oxygen (O 2 ), and nitrogen (N 2 ) obtained by deuterating hydrogen. ) And a source gas, and a CVD method using ECR plasma is used. According to ECR plasma CVD, hydrogen H having a desired refractive index in a wide range of 1.45 to 2.0 in a gas system of SiD 4 , O 2 , and N 2 due to high gas decomposition efficiency. A silicon oxynitride film which does not contain can be formed. In addition, since the ECR plasma CVD has high gas decomposition efficiency, a high-quality silicon oxynitride film can be formed on the substrate without heating the substrate.

ＥＣＲプラズマを用いたＣＶＤ法においてＳｉＤ4ガスを用いることにより、低温でも水素Ｈを含まない酸窒化シリコン膜が形成できるため、ＯＨ基およびＮＨ基を持たない、通信波長帯での光伝搬に損失を与えない第１酸窒化シリコン層１４１および第２酸窒化シリコン層１４２が形成できる。ＳｉＤ4ガスを用いるので、重水素が第１酸窒化シリコン層１４１および第２酸窒化シリコン層１４２に含まれることになるが、重水素は通信波長帯に光伝搬に損失を与えないため、特性に影響はないことが特徴である。 By using SiD 4 gas in the CVD method using ECR plasma, a silicon oxynitride film that does not contain hydrogen H can be formed even at a low temperature. Therefore, there is no loss in light propagation in the communication wavelength band that does not have OH groups and NH groups. Thus, the first silicon oxynitride layer 141 and the second silicon oxynitride layer 142 that do not provide the same can be formed. Since SiD 4 gas is used, deuterium is included in the first silicon oxynitride layer 141 and the second silicon oxynitride layer 142, but deuterium does not cause loss in light propagation in the communication wavelength band. It has the characteristic that there is no influence on.

なお、第１酸窒化シリコン層１４１は厚さ０．３μｍ、第２酸窒化シリコン層１４２は厚さ２．７μｍ程度としたが、第２酸窒化シリコン層１４２は、第１酸窒化シリコン層１４１より十分厚くすることが望ましい。ゲルマニウム成長後に形成する第２酸窒化シリコン層１４２を十分厚くすることで、酸窒化シリコンコア１２２による光導波路の特性は、第２酸窒化シリコン層１４２により決定され、２つの酸窒化シリコン層から構成した影響をなくすことができる。   The first silicon oxynitride layer 141 has a thickness of about 0.3 μm, and the second silicon oxynitride layer 142 has a thickness of about 2.7 μm. However, the second silicon oxynitride layer 142 has a thickness of about 2.7 μm. It is desirable to make it thick enough. By sufficiently thickening the second silicon oxynitride layer 142 formed after the germanium growth, the characteristics of the optical waveguide by the silicon oxynitride core 122 are determined by the second silicon oxynitride layer 142 and are composed of two silicon oxynitride layers. The influence that was done can be eliminated.

また、第１酸窒化シリコン層１４１を薄くすることで、ゲルマニウム成長の工程まで表面段差構造を小さくできるので、集積作製がしやすいという製造上の利点もある。第１酸窒化シリコン層１４１と第２酸窒化シリコン層１４２の屈折率は同じであることが理想であるが、シリコンより屈折率の低い層を積層してコアとし、光導波路の低損失結合を実現しているので、より厚い第２酸窒化シリコン層１４２の屈折率が、第１酸窒化シリコン１４１より少し低い状態であれば、両者が同じ屈折率でなくてもよい。   Further, by making the first silicon oxynitride layer 141 thinner, the surface step structure can be reduced to the germanium growth step, and thus there is a manufacturing advantage that the integrated fabrication is easy. Ideally, the first silicon oxynitride layer 141 and the second silicon oxynitride layer 142 have the same refractive index, but a layer having a refractive index lower than that of silicon is laminated to form a core, and low loss coupling of the optical waveguide is achieved. As long as the refractive index of the thicker second silicon oxynitride layer 142 is slightly lower than that of the first silicon oxynitride 141, both of them may not have the same refractive index.

本実施の形態によれば、ゲルマニウムからフォトダイオードを構成しているので、後からフォトダイオードを実装することなく、酸窒化シリコンコア１２２からなる光導波路デバイスとフォトダイオードとが、同一基板上にモノリシックに集積できる。   According to the present embodiment, since the photodiode is made of germanium, the optical waveguide device composed of the silicon oxynitride core 122 and the photodiode are monolithically formed on the same substrate without mounting the photodiode later. Can be accumulated.

本実施の形態では、光導波路のコアを２つの積層した酸窒化シリコン層から構成し、フォトダイオードを構成するゲルマニウムパターンの形成前と後とに分けて形成することで、酸窒化シリコン層が形成された基板においてもゲルマニウムの選択成長を可能にし、この結果、シリコン光導波路と酸窒化シリコン光導波路とゲルマニウムフォトオードのモノリシック集積が実現できた。   In this embodiment, the core of the optical waveguide is composed of two stacked silicon oxynitride layers, and the silicon oxynitride layer is formed by forming before and after the formation of the germanium pattern constituting the photodiode. As a result, selective growth of germanium was made possible on the fabricated substrate, and as a result, monolithic integration of the silicon optical waveguide, the silicon oxynitride optical waveguide, and the germanium photodiode was realized.

また、酸窒化シリコンコアを、２つの酸窒化シリコン層から構成し、２層目（上層）となる第２酸窒化シリコン層をゲルマニウム選択成長および選択マスクを除去などの層厚を変動させる工程の後に形成できるので、第２酸窒化シリコン層の形成厚さを調整することで酸窒化シリコンコアの厚さを、後の工程で所望の値とすることができ、製造余裕度が大きくできる利点がある。   In addition, the silicon oxynitride core is composed of two silicon oxynitride layers, and the second silicon oxynitride layer as the second layer (upper layer) is subjected to a layer thickness change such as germanium selective growth and removal of the selection mask. Since it can be formed later, by adjusting the formation thickness of the second silicon oxynitride layer, the thickness of the silicon oxynitride core can be set to a desired value in a later process, and the manufacturing margin can be increased. is there.

また、本実施の形態では、酸窒化シリコン層をＳｉＤ4ガスとＯ2とＮ2ガスを用いたＥＣＲプラズマＣＶＤ法で形成するようにしたので、ゲルマニウムに損傷を与えない低温で形成した酸窒化シリコン層においてもＨを含むことがないため、通信波長帯での損失の原因となるＮＨ基、ＯＨ基がないため、通信波長帯で低損失な酸窒化シリコン光導波路とゲルマニウムフォトダイオードのモノリシック集積ができるようになった。 In this embodiment, since the silicon oxynitride layer is formed by the ECR plasma CVD method using SiD 4 gas, O 2, and N 2 gas, oxynitride formed at a low temperature that does not damage germanium. Monolithic integration of silicon oxynitride optical waveguide and germanium photodiode with low loss in the communication wavelength band because there is no NH or OH group causing loss in the communication wavelength band because the silicon layer does not contain H. Can now.

以上に説明したように、本発明によれば、酸窒化シリコンによる光導波路とゲルマニウムフォトダイオードとの同一基板上へのモノリシック集積化が可能となり、小型で高性能なフォトダイオード付き光モジュールが実現できるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, it is possible to monolithically integrate a silicon oxynitride optical waveguide and a germanium photodiode on the same substrate, thereby realizing a small and high-performance optical module with a photodiode. An excellent effect is obtained.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、ＣＶＤ法で堆積する酸化シリコンにより上部クラッド層を構成したが、これに限るものではない。例えば、スパッタ法で堆積することで、クラッド層を形成してもよい。スパッタ法によっても、酸化シリコンを堆積することができる。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, in the above description, the upper cladding layer is made of silicon oxide deposited by the CVD method, but the present invention is not limited to this. For example, the cladding layer may be formed by depositing by sputtering. Silicon oxide can also be deposited by sputtering.

また、下部クラッド層は、ＳＯＩ基板を利用するものではなく、堆積することにより形成してもよい。また、シリコンコアは、単結晶シリコンに限るものではなく、多結晶シリコン、アモルファスシリコンであってもよいことはいうまでもない。   Further, the lower clad layer may be formed by depositing instead of using an SOI substrate. Needless to say, the silicon core is not limited to single crystal silicon, but may be polycrystalline silicon or amorphous silicon.

１００…シリコン基板、１０１…下部クラッド層、１０３…上部クラッド層、１１０…第１領域、１１０ａ…ゲルマニウムフォトダイオード、１１１…下部シリコンパターン、１１２…ゲルマニウムパターン、１１３…上部シリコンパターン、１２０…第２領域、１２１…シリコンコア、１２２…酸窒化シリコンコア、１２３…中間クラッド層、１２４…側壁層、１３０…第３領域、１４１…第１酸窒化シリコン層、１４２…第２酸窒化シリコン層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Silicon substrate, 101 ... Lower clad layer, 103 ... Upper clad layer, 110 ... 1st area | region, 110a ... Germanium photodiode, 111 ... Lower silicon pattern, 112 ... Germanium pattern, 113 ... Upper silicon pattern, 120 ... 2nd Region 121, silicon core 122, silicon oxynitride core 123, intermediate cladding layer 124, side wall layer 130, third region 141, first silicon oxynitride layer 142, second silicon oxynitride layer

Claims (6)

ゲルマニウムフォトダイオード、シリコンコアからなるシリコン光導波路、酸窒化シリコンコアからなる酸窒化シリコン光導波路がこれらの順に接続した光モジュールの製造方法であって、
シリコン基板の上に酸化シリコンからなる下部クラッド層を形成する工程と、
前記下部クラッド層の上にシリコン層を形成する工程と、
前記シリコン層をパターニングして第１領域に下部シリコンパターンを形成するとともに、前記第１領域に連続する第２領域に前記シリコンコアを形成する工程と、
前記下部シリコンパターンおよび前記シリコンコアを覆って前記下部クラッド層の上に、酸窒化シリコンからなる第１酸窒化シリコン層を形成する工程と、
前記第１酸窒化シリコン層の上に酸化シリコンからなる酸化シリコン層を形成する工程と、
前記酸化シリコン層および前記第１酸窒化シリコン層の前記下部シリコンパターンの上部に開口部を形成する工程と、
前記酸化シリコン層を選択成長マスクとして前記開口部の底部の前記下部シリコンパターンの上にゲルマニウムを選択的に成長してゲルマニウムパターンを形成し、前記下部シリコンパターンおよび前記ゲルマニウムパターンよりなる前記ゲルマニウムフォトダイオードを形成する工程と、
前記酸化シリコン層を除去する工程と、
前記酸化シリコン層を除去した後、前記第１酸窒化シリコン層の上に酸窒化シリコンからなる第２酸窒化シリコン層を形成する工程と、
前記第１酸窒化シリコン層および前記第２酸窒化シリコン層をパターニングすることで前記第２領域の一部から前記第２領域に連続する第３領域にかけて前記酸窒化シリコンコアを形成する工程と、
前記ゲルマニウムフォトダイオード，前記シリコンコア，および前記酸窒化シリコンコアの上に酸化シリコンからなる上部クラッド層を形成する工程と
を備えることを特徴とする光モジュールの製造方法。 Germanium photodiode, silicon optical waveguide made of silicon core, silicon oxynitride optical waveguide made of silicon oxynitride core is an optical module manufacturing method in which these are connected in this order,
Forming a lower clad layer made of silicon oxide on a silicon substrate;
Forming a silicon layer on the lower cladding layer;
Patterning the silicon layer to form a lower silicon pattern in a first region, and forming the silicon core in a second region continuous with the first region;
Forming a first silicon oxynitride layer made of silicon oxynitride on the lower cladding layer covering the lower silicon pattern and the silicon core;
Forming a silicon oxide layer made of silicon oxide on the first silicon oxynitride layer;
Forming an opening above the lower silicon pattern of the silicon oxide layer and the first silicon oxynitride layer;
Using the silicon oxide layer as a selective growth mask, germanium is selectively grown on the lower silicon pattern at the bottom of the opening to form a germanium pattern, and the germanium photodiode comprising the lower silicon pattern and the germanium pattern Forming a step;
Removing the silicon oxide layer;
Forming a second silicon oxynitride layer made of silicon oxynitride on the first silicon oxynitride layer after removing the silicon oxide layer;
Forming the silicon oxynitride core from a part of the second region to a third region continuous to the second region by patterning the first silicon oxynitride layer and the second silicon oxynitride layer;
And a step of forming an upper clad layer made of silicon oxide on the germanium photodiode, the silicon core, and the silicon oxynitride core. 請求項１記載の光モジュールの製造方法において、
前記第１酸窒化シリコン層および第２酸窒化シリコン層は、ＳｉＤ4、Ｏ2、およびＮ2を原料ガスとしたＥＣＲプラズマＣＶＤ法により形成する
ことを特徴とする光モジュールの製造方法。 In the manufacturing method of the optical module of Claim 1,
The first silicon oxynitride layer and the second silicon oxynitride layer are formed by an ECR plasma CVD method using SiD 4 , O 2 , and N 2 as source gases. 請求項１または２記載の光モジュールの製造方法において、
前記下部シリコンパターン上の前記第１酸窒化シリコン層および前記酸化シリコン層の合計の厚さは、前記ゲルマニウムパターンの厚さと同じ状態とし、
前記第２酸窒化シリコン層は、前記第１酸窒化シリコン層より厚く形成し、
前記第２酸窒化シリコン層の屈折率は、前記第１酸窒化シリコン層の屈折率以下とする
ことを特徴とする光モジュールの製造方法。 In the manufacturing method of the optical module of Claim 1 or 2,
The total thickness of the first silicon oxynitride layer and the silicon oxide layer on the lower silicon pattern is the same as the thickness of the germanium pattern,
The second silicon oxynitride layer is formed thicker than the first silicon oxynitride layer,
The method of manufacturing an optical module, wherein a refractive index of the second silicon oxynitride layer is equal to or lower than a refractive index of the first silicon oxynitride layer. シリコン基板と、
前記シリコン基板の上に形成された酸窒化シリコンからなる下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上の第１領域に形成されたゲルマニウムフォトダイオードと、
前記下部クラッド層の上の前記第１領域に連続する第２領域に形成されたシリコンコアと、
前記第２領域の一部から前記第２領域に連続する第３領域にかけて形成された酸窒化シリコンコアと、
前記ゲルマニウムフォトダイオード，前記シリコンコア，および前記酸窒化シリコンコアの上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層と
を備え、
前記ゲルマニウムフォトダイオードは、前記シリコンコアに連続して形成された下部シリコンパターンと、前記下部シリコンパターンの上に形成されたゲルマニウムパターンとから構成され、
前記ゲルマニウムフォトダイオード、前記シリコンコアからなるシリコン光導波路、前記酸窒化シリコンコアからなる酸窒化シリコン光導波路がこれらの順に接続した状態に形成され、
前記酸窒化シリコンコアは、前記シリコン基板側に配置されて酸窒化シリコンからなる第１酸窒化シリコン層と、酸窒化シリコンから構成されて前記第１酸窒化シリコン層の上に積層された第２酸窒化シリコン層とから構成されている
ことを特徴とする光モジュール。 A silicon substrate;
A lower clad layer made of silicon oxynitride formed on the silicon substrate;
A germanium photodiode formed in a first region on the lower cladding layer;
A silicon core formed in a second region continuous with the first region on the lower cladding layer;
A silicon oxynitride core formed from a part of the second region to a third region continuous to the second region;
An upper cladding layer made of silicon oxide formed on the germanium photodiode, the silicon core, and the silicon oxynitride core;
The germanium photodiode is composed of a lower silicon pattern formed continuously on the silicon core, and a germanium pattern formed on the lower silicon pattern,
The germanium photodiode, the silicon optical waveguide made of the silicon core, and the silicon oxynitride optical waveguide made of the silicon oxynitride core are formed in a state of being connected in this order,
The silicon oxynitride core is disposed on the silicon substrate side and includes a first silicon oxynitride layer made of silicon oxynitride and a second silicon oxynitride layer stacked on the first silicon oxynitride layer. An optical module comprising a silicon oxynitride layer. 請求項４記載の光モジュールにおいて、
前記第２酸窒化シリコン層は、前記第１酸窒化シリコン層より厚くされ、
前記第２酸窒化シリコン層の屈折率は、前記第１酸窒化シリコン層の屈折率以下とされている
ことを特徴とする光モジュール。 The optical module according to claim 4,
The second silicon oxynitride layer is thicker than the first silicon oxynitride layer;
The optical module, wherein a refractive index of the second silicon oxynitride layer is not more than a refractive index of the first silicon oxynitride layer. 請求項４または５記載の光モジュールにおいて、
前記第１酸窒化シリコン層および第２酸窒化シリコン層に含まれている水素は、重水素とされている
ことを特徴とする光モジュール。 The optical module according to claim 4 or 5,
The optical module, wherein hydrogen contained in the first silicon oxynitride layer and the second silicon oxynitride layer is deuterium.
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