JP2017502355A - 光導波路及びコンタクトワイヤ交差の構造 - Google Patents

Abstract

装置、及び当該装置の製造方法を示す。装置は、リッジ、半島構造部、及び導電性トレースを含む。リッジは、半導体材料内に定義されている。半島構造部もまた、半導体材料内に定義されており、半島構造部の端面とリッジの側壁との間にギャップが存在するように、リッジに隣接している。導電性トレースは、半島の上面上及びリッジの上面上を延伸するように、ギャップを横切って架けられている。

Description

本発明の実施形態は、パターン形成されたコンタクトワイヤを有する導波路構造の設計及び製造方法に関する。

集積電子回路に類似する光集積回路（ＩＯＣ）は、基板上に形成された光学部品を含む。一般的に使用されている光学部品は、集積導波路である。導波路は、チップ上の他の様々な構成部品間に光を導くために用いられる。導波路は、ストリップ型又はリブ型のどちらであってもよく、光導材料の構造層に、トレンチをエッチングすることにより形成される。トレンチは、屈折率の段階的な相違を形成し、これにより光の閉じ込めを提供すると共に、導波路内における光の伝達を保証する。用途に応じて、導波路は異なる厚みであってよく、リブ又はストリップの高さは、数ミクロン厚のオーダーであってよい。多くの他の用途が存在するが、光集積の用途が光ファイバー通信において最も一般的である。光集積が利用される一般的な光学的機能は、伝搬方向切換（directional switching)、位相変調、及び輝度変調を含む。

導波路は、典型的には、クラッド層により覆われ、シリコン導波路の場合、上記クラッド層は熱により成長した二酸化ケイ素であり得る。多くのアクティブ光集積システムは、シリコンに基づいている。シリコン光集積装置の利点は、標準的なシリコン集積電子回路の製造技術、並びに、光及び電子回路の一つのシリコン装置への集積を、使用できる可能性を含む。シリコン光集積の効果的な使用のために、低損失導波路構造及び電気的に制御可能な変調素子の両方を生産することが重要だと考えられる。この目的のために、導波路及び電気的なコンタクトワイヤが、同じチップ上に製造される。チップ上の空間を効果的に使用するために、又は導波路の上部に位置する如何なるアクティブ素子とも接触するために、導波路及びコンタクトワイヤが互いに交差するような配置が要求され得る。

ここに示す実施形態には、コンタクトワイヤ及び関連する光導波路の向上した配置を提供するための装置及び装置の製造方法を示す。

一実施形態では、リッジ、半島構造部及び導電性トレースを含む装置を示す。リッジは、半導体材料内に定義される。半島構造部もまた半導体材料内に定義され、かつ、半島構造部の端面とリッジの側壁との間にギャップが存在するように、半島構造部はリッジに隣接している。導電性トレースは、半島の上面及びリッジの上面の上を導電性トレースが延伸するように、ギャップを横切って架けられる。

装置を製造する方法の一例を示す。当該方法は、半島構造部がリッジに隣接し、半島構造部の端面とリッジの側壁との間にギャップが存在するように、半導体材料中にリッジ及び半島構造部をエッチングすることを含む。上記方法は、また、導電性トレースがギャップを横切って架けられ、半島の上面及びリッジの上面の上を延伸するように、導電性トレースを堆積することを含む。

添付の図面は、ここに組み込まれ、明細書の一部を形成し、その記載と共に本発明の実施形態を説明し、さらに、本発明の本質の説明に寄与し、当業者が本発明を製造及び使用することを可能にする。

光集積回路の一部を表した図である。 光集積回路の一部を表した図である。 一実施形態に係る光集積回路の一部を表した図である。 一実施形態に係る装置の製造工程を表した図である。 一実施形態に係る装置の製造工程を表した図である。 一実施形態に係る装置の製造工程を表した図である。 一実施形態に係る装置の製造工程を表した図である。 方法の例を表した図である。

（詳細な説明）
特定の構成及び配置について議論しているが、これは説明の目的でのみ行ったことは理解されるべきである。当業者は、本発明の精神及び範囲から離れることなく、他の構成及び配置が使用できることを認識するだろう。この発明が様々な他の用途にもまた採用され得ることは当業者にとって明らかだろう。

本明細書の「一つの実施形態」、「一実施形態」、「実施形態の一つの例」等の記載は、記載された実施形態が特定の特徴、構造、又は特性を含むかもしれないが、全ての実施形態が、必ずしも特定の特徴、構造、又は特性を含むわけではないことを示す。さらに、そのような表現は、必ずしも同一の実施形態に関するものではない。さらに、特定の特徴、構造、又は特性が、ある実施形態と結び付けて記載されているとき、他の実施形態と結び付けたそのような特定の特徴、構造、又は特性の実行は、明白に記載されているかどうかに関わらず、当業者の知識の範囲内である。

図１Ａは、光集積回路１００の一部の例を示す。図１Ａは、コンタクトワイヤ１１２がリッジ１０８の側壁上にパターン形成され、リッジ１０８の上面上でアクティブ素子１１４と接触する理想的なシナリオを提供する。

定義された光集積回路１００内に様々な材料層が記載されている。光集積回路１００は、基板１０２、基板１０２上のバッファー層１０４、及び、バッファー層１０４上のアクティブ層１０６を含む。基板１０２及びアクティブ層１０６は、実質的に同一の材料であってもよい。例えば、基板１０２及びアクティブ層１０６は、両方ともシリコンであってもよい。バッファー層１０４は、低い導電性を有し、及び／又は、アクティブ層１０６の材料よりも低い屈折率を有する材料であってもよい。アクティブ層１０６がシリコンである例では、バッファー層１０４は二酸化ケイ素であってもよい。リッジ１０８は、反応性イオンエッチング又はウェットケミカルエッチング等のエッチング工程によって、アクティブ層１０６内に形成される。アクティブ層１０６のための他の材料は、リン化インジウム、ヒ化ガリウム、又は窒化ガリウムを含んでいてもよい。

リッジ１０８をアクティブ層１０６内に定義した後、クラッド層１１０を光集積回路１００の表面上に堆積してもよい。クラッド層１１０は、熱により成長させてもよく、又は、化学蒸着技術を用いて堆積してもよい。例えば、アクティブ層１０６がシリコンであるとき、クラッド層１１０は、熱により成長させた二酸化ケイ素であってもよい。同様に他の材料を堆積してもよい。クラッド層１１０を形成する材料としては、典型的には、アクティブ層１０６の材料よりも低い屈折率を有する材料が選ばれる。

光集積回路１００は、リッジ１０８の上面でアクティブ素子１１４と接触するようにパターン形成された導電性トレース１１２を含む。例えば、リッジ１０８は、放射線ビームを閉じ込め、かつ、導くように設計された導波路であってもよく、アクティブ素子１１４は、リッジ１０８を加熱し、その光学的性質を変更するために用いられるヒーターであってもよい。導電性トレース１１２は、金、銅、若しくはアルミニウムのような金属であってもよく、又は、導電性トレース１１２は、導電性のポリマーであってもよい。導電性トレース１１２は、スパッタリング、蒸着又はリフトオフ工程のような、公知のいずれかの堆積技術によって形成されてもよい。

図１Ａに示すように、導電性トレース１１２は、リッジ１０８の側壁を上に向かって延伸し、アクティブ素子１１４と接触する。しかしながら、現実的には、そのようなデザインは、側壁上の導電性トレース１１２の被覆率が乏しいために、しばしば失敗する。図１Ｂは、リッジ１０８の側壁上の導電性トレース１１２の一般的な非連続性を示す。側壁の非連続性は、多数の理由により生じ得る。導電性トレース１１２は、典型的にはとても薄く（例えば、数１００ナノメーターのオーダー）、そのような薄い層の堆積方法では、一般的に、垂直構造に沿って十分な被覆ができない。導電性トレースのパターン形成工程中に一般的に用いられるフォトレジストもまた、十分に被覆することができないか、リッジ１０８の側壁のような垂直構造の周囲から適切に除去することができないこともある。

側壁が非連続になる問題を解決する一つの選択肢は、単に、アクティブ層１０６に定義され、リッジ１０８に連結されたブリッジを提供することであり、それにより導電性トレースがブリッジの上部に沿って延伸し、リッジ１０８の上面に到達する。この解決法により、導電性トレースを側壁の上に向かってパターン形成する必要性がなくなり得るが、リッジ１０８に連結されたブリッジは、リッジ１０８が光導波路として使用された場合に、光の漏れを引き起こす。導波リッジを伴うブリッジの交差領域により引き起こされる後方反射のような他の問題もまた、光学干渉トモグラフィー（ＯＣＴ）のような特定の用途においては不利になり得る。

一実施形態では、リッジ内における光の閉じ込めを維持しながら、導電性トレースがリッジの上面と接触することを可能にする装置の設計を示す。ここで留意すべきは、用語「リッジ」が広く解釈されることを意図しており、光導波路に限定されないことである。図２は、上で述べられたものと実質的に同一の基板１０２、バッファー層１０４、及びアクティブ層１０６を有する、光集積回路２００の一部を示す。同様に、リッジ１０８は、アクティブ層１０６内に定義される。一実施形態では、半島構造部２０２もまた、アクティブ層１０６内に定義されている。半島構造部２０２は、図２に示されるように、リッジ１０８に隣接するトレンチ２０１の一部を埋めてもよい。他の例では、定義されたトレンチがなく、アクティブ層１０６は、リッジ１０８部分以外は実質的に平坦である。

半島構造部２０２は、リッジ１０８に隣接してもよい。一つの例では、半島構造部２０２は、半島構造部２０２の端面２０４がリッジ１０８の側壁２０６と実質的に直交するように向かい合って角を成している。端面２０４と側壁２０６との間にギャップが存在する。ギャップは、リッジ１０８が光導波路として働くとき、光をリッジ１０８内に閉じ込めたままにすることを可能にする。ギャップの幅は、領域２０８に示されるように、支持されていないブリッジとして、ギャップ上に導電性トレース１１２を架けるに十分なように小さく設計される。例えば、導電性トレースの厚みが２００ｎｍから１μｍの間であるとき、ギャップは１００ｎｍから５００ｎｍの間の幅である。一実施形態では、ギャップの幅は、導電性トレース１１２の厚みの約半分である。ギャップの幅は、光がリッジ１０８の外に漏れることを防げるのに十分なように広いが、導電性トレース１１２が、切断されることなくギャップを横切って架けられるに十分なように狭い。ギャップの幅は、図３Ｃについて後述されるように、クラッド層１１０の厚みに基づいてさらに定められてもよい。

ギャップを横切って架橋することにより、導電層１１２は半島構造部２０２の上面を横切って延伸し、リッジ１０８の上面上を延伸する。一つの例では、導電層１１２は、加熱素子のような、リッジ１０８の上面上に堆積されたアクティブ素子１１４と接触する。

一実施形態では、クラッド層１１０は、側壁２０６を含むリッジ１０８を覆うが、半島構造部２０２のいずれの箇所も覆わない。その他の実施形態では、クラッド層１１０は側壁２０６を含むリッジ１０８を覆い、同様に端面２０４を含む半島構造部２０２の少なくとも一部も覆う。

図３Ａ〜３Ｄは、一実施形態に基づき、製造プロセスのフローを示す。ここで留意すべきは、ここに示した製品を製造するために、各製造工程で使用できる様々な技術が存在することである。従って、これらの図は、示された相対的な寸法や形状について限定することを意図しない。

図３Ａは、装置３００において何れかのプロセス工程が実行される前の、基板１０２、バッファー層１０４、及びアクティブ層１０６を示す。示した層は、シリコンーオンーインシュレーター（ＳＯＩ）ウエハの層であってもよい。他の層の材料は、光集積回路における使用に適した光学特性を有する、様々な第３の又は第４の化合物を含んでもよい。そのような材料は、一般的に直接遷移を有し、及び／又は、赤外線を透過させる。

図３Ｂは、一実施形態に係るリッジ１０８及び半島構造部２０２を定義するエッチングプロセスを示す。リッジ１０８及び半島構造部２０２の両方は、同じ厚みを有していてもよく、同じエッチング工程により形成されてもよい。一例では、リッジ１０８及び半島構造部２０２は、１μｍから５μｍの間の厚みである。また、半島構造部２０２の端面２０４とリッジ１０８の側壁２０６との間のギャップ３０２ａを示す。

図３Ｃは、装置３００の表面上に堆積したクラッド層１１０を示す。クラッド層３００は、シリコンからの二酸化ケイ素の成長のように、熱によって成長させてもよい。一実施形態では、クラッド層１１０もまた、半島構造部２０２の端面２０４上、及びリッジ１０８の側壁２０６上に堆積させる。従って、クラッド層１１０の厚みは、元のギャップ３０２ａより狭い幅であるギャップ３０２ｂの形成に寄与する。ギャップ３０２ｂの幅は、１００ｎｍから５００ｎｍの間であってもよい。クラッド層１１０の厚みによっては、１００ｎｍより小さな幅もまた可能であろう。本発明の範囲又は精神から逸脱せずに、層はいくつでも使用することができる。

その他の実施形態では、クラッド層１１０は、ギャップ３０２ａの全てを実質的に埋めるように成長させてもよい。この場合は、半島構造部２０２の端面２０４とリッジ１０８の側壁２０６との間にギャップが存在しない。一実施形態では、半島構造部２０２の端面２０４とリッジ１０８の側壁２０６との間の空間を実質的に埋めているクラッド材料は、クラッド層１１０の屈折率がより低いことにより、それでもなおリッジ１０８内の光の閉じ込めを維持する。

図３Ｄは、一実施形態に係る導電性トレース１１２の追加を示す。導電性トレース１１２は、領域２０４のギャップ３０２ｂ上を架橋し、半島構造部２０２の上面及びリッジ１０８の上面を延伸する。クラッド層１１０が半島構造部２０２及びリッジ１０８の間の領域を実質的に埋めている実施形態では、導電性トレース１１２はギャップを埋めるクラッドの上に置かれる。

一実施形態では、導電性トレース１１２は、リッジ１０８の上面上に配置された、加熱素子のようなアクティブ素子（図示せず）と接触してもよい。アクティブ素子は、リッジ１０８の上面上に直接、又はリッジ１０８の上面上のクラッド層１１０上に堆積される。アクティブ素子の他の例は、トランジスタ、光学スイッチ、位相変調器及び周波数変調器を含む。

図４は、例として方法４００を示す。一実施形態によれば、方法４００は、光集積回路の一部を製造する製造プロセスを提供する。

ブロック４０２において、リッジ及び半島構造部を、半導体材料にエッチングする。一実施形態によれば、半島構造部は、実質的にリッジと直交する角をなすように設計されている。一実施形態によれば、リッジ及び半島構造部のエッチングは、半島構造部の端面とリッジの側壁との間にギャップを形成する。

ブロック４０４において、任意でクラッド層を堆積させる。一実施形態によれば、クラッド層は、少なくとも半島構造部の端面とリッジの側壁との上に堆積させる。クラッド層は、熱により成長させてもよい。一実施形態によれば、クラッド層の追加により、半島構造部の端面とリッジの側壁との間のクラッド層の厚みに基づいて、ギャップの幅が定まる。クラッド層を追加するとき、ギャップの幅は、従来のリソグラフィーシステムが提供できる最も小さい形状の大きさよりも小さくても良い。一つの例では、クラッド層は、半島構造部の端面とリッジの側壁との間の領域を実質的に埋めるように成長させる。

ブロック４０６においては、半島構造部の端面とリッジの側壁との間のギャップを導電性トレースが架橋するように、リッジ及び半島構造部の上に導電性トレースを形成する。導電性トレースは、スパッタリング又は蒸着のような、当業者に公知のいかなる方法を使用して堆積させてもよい。導電性トレースを、金属リフトオフプロセスによって形成してもよい。導電性トレースは、ギャップの幅の約２倍の厚みを有していてもよい。

追加の工程は、方法４００の一部であるとみなしてもよい。例えば、加熱素子のようなアクティブ素子は、リッジの上面上のクラッド層の上に堆積させてもよい。導電性トレースは、ギャップを架橋し、加熱素子と接触させてもよい。一実施形態によれば、加熱素子に対し導電性トレースを通って提供された電流は、加熱素子が熱を生成する原因となってもよく、それによりリッジの光学的性質を変化させる。光学的性質の変化は、リッジを光導波路として用いるとき、リッジ内に閉じ込めた放射線ビームを変調し得る。

概要及び要約のセクションではなく、詳細な説明のセクションが請求項の解釈に用いられることを意図していることはよく理解されるべきである。概要及び要約のセクションは、一つ、又は複数の実施形態を示すかもしれないが、発明者により予期される本発明のすべての例示の実施形態を示すわけではなく、従って、本発明及び添付の請求項をどんな形であっても限定することを意図しない。

本発明の実施形態は、特定された機能及びその関連の実施を示す機能的に構築されたブロックの助けにより、上述されている。これらの機能的に構築されたブロックの境界は、ここでは、記載の便宜上任意で定義される。代替的な境界は、特定された機能及びその関連が適切に実施される限り定義できる。

特定の実施形態の前述の記載は、発明の一般的な性質を完全に明らかにするから、他の者は、当該技術分野の知識を適用することで、過度の実験なしに、本発明の一般的な考えから離れることなく、そのような特定の実施形態を容易に変更し、及び／又は、様々な用途に適合させる。従って、ここに記載した教示及び指図に基づいたそのような適合及び変更は、開示された実施形態と同等の意味及び範囲内であることが意図される。ここでの表現又は専門用語は、限定の目的ではなく記載のためであり、つまり本明細書の専門用語又は表現は、当業者による教示及び指図に照らして解釈される必要があることは、理解されるべきである。

本発明の広がり及び範囲は、上述した如何なる例示の実施形態に限定されるべきものではなく、以下の請求項及びそれと同等のものに従ってのみ定義されるべきである。

Claims (22)

1. 半導体材料内に定義されたリッジ；
   上記半導体材料内に定義された半島構造部であって、当該半島構造部の端面と上記リッジの側壁との間にギャップが存在するように、上記リッジに隣接している半島構造部；及び
   上記半島構造部の上面上及び上記リッジの上面上を延伸するように、上記ギャップを横切って架けられている導電性トレース
   を含む、装置。
2. 上記ギャップは、１００ｎｍから５００ｎｍの間の幅である、請求項１に記載の装置。
3. 上記導電性トレースの厚みは、２００ｎｍから１μｍの間である、請求項２に記載の装置。
4. 上記リッジは光導波路であり、かつ、上記半導体材料が、シリコン、リン化インジウム、及び、ヒ化ガリウム、の少なくとも一つを含む、請求項１に記載の装置。
5. 上記リッジの上面及び側壁の上に堆積したクラッド層をさらに含む、請求項１に記載の装置。
6. 上記クラッド層は、上記半島構造部の上面及び端面の上にさらに堆積している、請求項５に記載の装置。
7. 上記ギャップの幅は、上記リッジの側壁と上記半島構造部の端面との間の、上記クラッド層の厚みに基づいて定められている、請求項６に記載の装置。
8. 上記リッジの上面の上の上記クラッド層上に堆積した加熱素子をさらに含む、請求項５に記載の装置。
9. 上記導電性トレースは、上記加熱素子との電気的な接触を提供する、請求項８に記載の装置。
10. 上記リッジの厚みは、１μｍから５μｍの間である、請求項１に記載の装置。
11. 上記半島構造部は、上記リッジと実質的に直交する角をなしている、請求項１に記載の装置。
12. 半島構造部がリッジに隣接し、当該半島構造部の端面と当該リッジの側壁との間にギャップが存在するように、半導体材料に上記リッジ及び上記半島構造部をエッチングする工程；及び
    導電性トレースが上記ギャップを横切って架かり、上記半島構造部の上面上及び上記リッジの上面上を延伸するように、上記導電性トレースを形成する工程
    を含む、装置の製造方法。
13. 上記形成する工程は、上記導電性トレースをスパッタリングにより堆積することを含む、請求項１２に記載の装置の製造方法。
14. 上記形成する工程は、上記導電性トレースを、蒸着金属を用いて堆積することを含む、請求項１２に記載の装置の製造方法。
15. 上記リッジの上面及び側壁の上に、クラッド層を堆積する工程をさらに含む、請求項１２に記載の装置の製造方法。
16. 上記半島構造部の上面及び端面の上に、上記クラッド層を堆積する工程をさらに含む、請求項１５に記載の装置の製造方法。
17. 上記クラッド層を熱により成長させる、請求項１６に記載の装置の製造方法。
18. 上記ギャップの幅が、上記リッジの側壁と上記半島構造部の端面との間のクラッド層の厚みに基づいて定められている、請求項１６に記載の装置の製造方法。
19. 上記リッジの上面上の上記クラッド層の上に加熱素子を堆積する工程をさらに含む、請求項１５に記載の装置の製造方法。
20. 上記導電性トレースは、上記加熱素子との電気的な接触を提供する、請求項１９に記載の装置の製造方法。
21. 上記加熱素子に電流を提供することで、上記リッジを通過する放射線ビームを変調する工程をさらに含む、請求項１９に記載の装置の製造方法。
22. 上記エッチングする工程は、上記半島構造部が上記リッジと実質的に直交する角をなすようにエッチングすることを含む、請求項１２に記載の装置の製造方法。

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