JP3027188B2 - 自己整列ｖ形溝および導波体 - Google Patents

自己整列ｖ形溝および導波体

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JP3027188B2
JP3027188B2 JP3515964A JP51596491A JP3027188B2 JP 3027188 B2 JP3027188 B2 JP 3027188B2 JP 3515964 A JP3515964 A JP 3515964A JP 51596491 A JP51596491 A JP 51596491A JP 3027188 B2 JP3027188 B2 JP 3027188B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、自己整列Ｖ形溝および平坦な導波体の、特
にシリコン基板上の形成方法に関する。
平坦なシリコン導波体は、シリコン基板上に形成され
た３つの酸化物層（バッファ層、コア層および被覆）を
具備する。典型的に、バッファ層は６乃至10μｍの厚さ
であり、蒸気中で熱成長され、プラズマで強化された化
学的付着（PECVD）を使用して付着される。この場合、
コア層は２μｍの厚さのケイ酸砒素ガラス（AsG）、あ
るいはゲルマニウムあるいは燐でドープされた３乃至６
μｍのフレーム加水分解層（FHD）のような高い屈折率
のドープされたフィルムである。コア層がエッチングさ
れ、表面の粗さを除去するために再溶融／焼鈍ステップ
を受けた後に付着される被覆は、通常４乃至10μｍの厚
さのPECVD酸化物フィルムである。
Ｖ形溝は、エチレンジアミンピロカテコールおよび水
（EDP）あるいは別の異方性エッチング液にウェーハ
（適当にマスクされた）を位置することによってシリコ
ンウェーハにおいて形成される。シリコンのエッチング
速度は方向依存性であり、最も遅いエッチング結晶面は
Ｖ形溝の側面および端部壁を形成する。溝の寸法は、対
応しているマスク窓、結晶軸とそれらの整列の正確さ、
マスクの縁部の侵食率および結晶面の相対的なエッチン
グ速度によって制御される。典型的に、Ｖ形溝の完成さ
れた幅は0.5乃至１μｍ以内に制御され、このような制
御は窒化珪素マスクおよびエッチング液としてEDPを使
用して達成される。
並列する平坦な導波体の１次元のアレイは、別の光学
部品（並列する光ファイバあるいは並列する平坦な導波
体の別のアレイ）の１次元のアレイとの正確な整列を必
要とする。整列は、Ｖ形溝の対によって構成された整列
手段が両方のアレイを設けられることによって通常達成
される。複数の要因がＶ形溝および平坦な導波体の整列
の正確さに影響する。特に、Ｖ形溝は、溝のあるウェー
ハ上のパターンを露出するのが難しいため、処理過程の
終り近くにエッチングされなければならない。残念なが
ら、Ｖ形溝エッチング液が二酸化珪素を侵蝕する程度が
変化するので、Ｖ形溝の遅れたエッチングは露出された
導波体コアを粗面にし、それらの導波体特性に悪影響を
与える。これらの相いれない要因は、Ｖ形溝が既知の導
波体形成工程の付属物として容易に形成されないことを
示す 本発明は、シリコン基板上の少なくとも１つの平坦な
導波体と整列して少なくとも１つのＶ形溝で形成する方
法を提供し、その方法は各導波体に対する各コアおよび
各Ｖ形溝に対する各窓を同時に形成し、保護層で各コア
を被覆し、各窓を通ってＶ形溝を形成するステップを具
備する。
本発明はまた、平坦な導波体のアレイと整列して１対
のＶ形溝を形成する方法をさらに提供し、その方法は導
波体に対するコアおよびＶ形溝に対する窓を同時に形成
し、保護層でコアを被覆し、窓を通ってＶ形溝を形成す
るステップを具備し、Ｖ形溝が導波体のアレイの各側面
上に１つを形成するように行われる。
各導波体コアおよび各窓はエッチング処理によって形
成されることが都合が良い。その方法が各導波体コアお
よび各窓を形成するステップの前にシリコン基板上にバ
ッファ酸化物層を形成するステップをさらに具備するこ
とが好ましく、それにおける各導波体コアはバッファ酸
化物層上に形成される。通常、バッファ酸化物層はシリ
コン基板における凹部に形成され、被覆酸化物層が保護
層を構成する。
各Ｖ形溝が各窓を通ってエッチングによって形成さ
れ、各導波体コアがドープされた酸化物の層から形成さ
れることが好ましい。
好ましい実施例において、シリコン基板上にパッド酸
化物層を形成し、そのパッド酸化物層上に窒化珪素層を
形成するステップをさらに具備し、窒化珪素層はシリコ
ン基板中の凹部が続いて形成されるマスクを形成してい
る。パッド酸化物層が700Åの厚さまで熱成長され、窒
化珪素層が3000Åの厚さにLPCVDによって付着されると
都合が良い。通常、凹部はHOH,EDPあるいはHF,HNO3およ
びCH3COOHのような任意のシリコンエッチング液を使用
してエッチングすることによって形成される。異方性エ
ッチング液が窒化物をアンダーカットするのを防ぐため
に使用されることが有効である。
別の好ましい実施例において、シリコン基板上にパッ
ド酸化物層を形成し、パッド酸化物層上に窒化珪素層を
形成し、窒化珪素層上にさらに別の酸化物層を形成する
ステップを具備し、この別の酸化物層は基体中の凹部が
続いて形成されるマスクを形成している。パッド酸化物
層が700Åの厚さまで熱成長によって生成され、窒化珪
素層が1000Åの厚さまでLPCVDによって付着され、さら
に酸化物層が2000Åの厚さまでPECVDによって形成され
ることが好ましい。凹部は、酸化物および窒化物層をエ
ッチングするためにC2F6とCHF3の混合物を使用して、ま
たシリコン基板をエッチングするためにCl2あるいはCCl
4の混合物を使用するドライエッチング工程によって垂
直側壁を形成されることが好ましい。この場合、凹部の
垂直側壁上に窒化物スペーサを形成するステップをさら
に具備し、窒化物スペーサはCHF3および酸素のような異
方性エッチング液を使用する窒化物フィルムの異方性ド
ライエッチングによって後続されるLPCVDを使用する窒
化珪素の共形の付着によって形成される。
これらの好ましい実施例において、バッファ酸化物は
凹部に熱成長される。第１の好ましい実施例において、
バッファ酸化物はドープされた酸化物が付着された後に
平面化ステップを受けることができる。この場合、ドー
プされた酸化物層は各Ｖ形溝が形成される領域において
除去される。ウェット希釈HFエッチング処理は、前記領
域それぞれにおいてドープされた酸化物層を除去するた
めに使用されることが好ましい。
別の実施例において、バッファ酸化物は基板の全表面
にわたって形成され、それに続いて凹部の主要部分を占
める領域内を除いて全て除去される。この場合、バッフ
ァ酸化物は熱成長され、バッファ酸化物はバッファ酸化
物の上部に付着されたフォトレジストマスクを通ってエ
ッチング液として稀釈HFを使用してエッチングすること
によって除去される。
さらに実施例におけるバッファ酸化物は、シリコン基
板の多孔性陽極酸化によって形成される。多孔性陽極酸
化処理は次のステップを具備することが好ましい。
（ｉ）ｎ型シリコン基板上に窒化珪素を付着し、 （ii）窒化珪素層に窓を形成し、 （iii）p+シリコン領域を形成するために窓を通って高
濃度のホウ素を拡散し、 （iv）HFにおける陽極酸化によって多孔性シリコンにp+
シリコン領域を変換し、 （ｖ）基板が、多孔性シリコンが実質的に容積の変化を
しない十分に高密度の酸化物に変換される熱酸化ステッ
プを受ける。
本発明は、添付図面を参照にして実施例によって詳細
に説明する。
図１は、本発明による自己整列Ｖ形溝および平坦な導
波体を形成する様式化された工程における様々な段階を
示す。
図２は、本発明による自己整列Ｖ形溝および平坦な導
波体を形成する実際的な工程の予備段階を示す。
図３および４は、図２の残りの段階を示す。
図5,6および７は、上記参照した予備段階を実行する
３つの別の方法を示す。
図面を参照すると、図1aは自己整列Ｖ形溝および平坦
な導波体を形成する様式化された工程における最初の段
階を示す。示された構造はシリコンウェーハ１の凹部領
域1aに形成されたバッファ酸化物２およびコア（ドープ
された）酸化物３を含み、ウェーハの残りは薄い（1000
Å）窒化珪素フィルム４で被覆される。全特徴のパター
ン（すなわち、導波体およびＶ形溝）は限定され、導波
体コア５はプラズマエッチングされる。さらにこのエッ
チングステップは窒化珪素フィルム４におけるＶ形溝の
窓６を開き、シリコン表面（図1b参照）で止める。
導波体コア５の任意の表面の粗さは、875℃の過度の
温度の再溶融／焼鈍ステップによって除去される。被覆
（ドープされない）酸化物層７はPECVDを使用して付着
される。被覆酸化物は、窓６（図1c参照）の領域におけ
る窒化マスク４から選択的に除去される（7a）。最後
に、Ｖ形溝８は窓６（図1d参照）を通りエッチングによ
って形成される。
上記略述した工程は、導波体あるいはＶ形溝のどちら
か一方をそれぞれ含んでいる分離した領域中に基板を分
割することによって基板上のＶ形溝および平坦な導波体
の自己整列を可能にする。基板は、導波体コア５の表面
がＶ形溝窓６を限定する薄いマスク層４と実質上共面で
あるように処理される。
図２乃至４は、自己整列Ｖ形溝および平坦な導波体を
形成する実際的な処理工程の様々な段階を示す。この処
理工程はシリコンの局部的な酸化（LOCOS）の良く知ら
れている技術を利用し、二酸化珪素はシリコン基板の選
択された領域でのみ熱成長され、基板の他の部分は保護
される。厚い酸化物フィルムが要求される時、シリコン
は酸化中に生じる大きな容積膨脹を克服するために酸化
の前に通常凹部を設けられる。
図２は、凹部を設けたLOCOSを利用している基板処理
段階を示す。熱成長された700Åの厚さのパッド酸化物
層12がシリコン基板11上に形成される。窒化珪素層13は
低圧の化学的付着（LPCVD）によってパッド酸化物層12
の上部に形成される。窒化物層13は基板11の非酸化領域
を保護するために使用され、さらに基板における凹部11
aをエッチングするマスクとして作用する。このエッチ
ングステップは、窒化物層13のアンダーカットを防ぐよ
うにEDPあるいはKOHのような異方性エッチング波を使用
する。代りに、HF,HNO3およびCH3COOHの混合物のような
等方性のエッチング液が使用されることができる。この
場合における窒化物のオーバーハングが存在すれば、例
えば超音波で除去されなければならない。この処理段階
は図2aに示されている。バッファ酸化物の所望な厚さを
得るため、窒化物層13は比較的薄く（3000Å）なければ
ならず、パッド酸化物12は窒化物層における応力を軽減
するのに最も重要である。
バッファ酸化物の６μｍの層14は、1000℃の蒸気中で
130時間基板を加熱することによって凹部11a中に熱成長
される。層14は側壁の酸化物および局部的応力によって
影響され、バードヘッド14aとして知られている結果的
な形状が限定される（図2b参照）。また酸化物処理工程
は、窒化物層13の上部に酸化した窒化物層15を形成す
る。また窒化珪素はシリコンよりもさらにゆっくりであ
るが酸化し、この工程は約1000Aまで層13の厚さを減少
する。バードヘッド14aは、ヘッド（図2c参照）の周囲
にフォトレジストマスク16を形成し、プラズマエッチン
グあるいは他の異方性エッチング液を使用して窒化物層
13の外部およびバッファ酸化物14の部分をエッチングす
ることを含む平面化工程によって除去される。フォトレ
ジストマスク16は、HNO3のようなフォトレジストストリ
ッパを使用して除去される。図2dは工程のこの段階の基
板を示し、この段階は図1aに示されれた段階に等しい。
コア（ドープされた）酸化物層17は、大気圧CVDおよ
び10％までの砒素を含んでいる二酸化珪素を使用して付
着される。プロセスのこの段階は図3aに示されている。
ドープされた酸化物層17はＶ形溝が形成される領域では
ウエット稀釈されたHFエッチングによって除去される。
さらに、このエッチングステップは酸化した窒化珪素層
15（図３参照）を除去する。全特徴のパターン（ずなわ
ち、導波体コアおよびＶ形溝）は、フォトレジスト18を
使用してパターン化され、導波体コア19はHGF3とC2F6の
混合物を使用してドライエッチングされる。このエッチ
ングステップは、Ｖ形溝（図3c参照）のための窓20をさ
らに開ける。プロセスのこの段階は、図1bに示された段
階と等しい。フォトレジスト18のストリップ後、導波体
コア19は20分間950℃で酸素中で加熱することによって
再溶融され、焼鈍される。酸化物の４μｍの被覆層21は
PECVD（図３のｄ参照）を使用して付着される。これ
は、導波体コア19の構造を完成する。
被覆層21は粗くパターン化され、稀釈されたHFエッチ
ング液はＶ形溝窓20の領域におけるこの層のこれらの部
分を除去するために使用される。プロセスのこの段階は
図1cに示された段階に等しく、図４に示されている。最
後に、Ｖ形溝22は窓20を通ってエッチング（EDPのよう
な異方性エッチング液を使用する）によって形成され
る。
図３および４を参照して上記に説明された工程の変化
において、バードヘッドはバッファ酸化物が成長される
凹部の側壁の酸化を防ぐことによって除去されることが
できる。図５は変化したプロセスの最初の段階を示し、
これらの段階は図２に示された段階に等しい。熱成長さ
れた700Åの厚さのパッド酸化物層32はシリコン基板31
上に形成される。1000Åの厚さの窒化珪素層33はLPCVD
によってパッド酸化物層32の上部に形成される。2000Å
の厚さの酸化物層34はPECVDによって形成され、垂直壁
を有する凹部31aはドライエッチング工程によって形成
される。この工程は酸化物および窒化物層32,33および3
4をエッチングするためにCHF3を使用し、シリコン基板3
1をエッチングするためにCl2を使用する。プロセスのこ
の段階は図5aに示されている。酸化物層34は、側壁スペ
ーサエッチングステップ中に窒化物層33が薄くなるのを
防ぐ。
窒化珪素スペーサ35は、凹部31aの垂直側壁上に形成
される。スペーサ35はLPCVDを使用する窒化物のフィル
ム35aの共形の付着によって形成され、CHF3および酸素
のような異方性エッチング液を使用する窒化物フィルム
のドライエッチングバックによって後続される。プロセ
スのこの段階は図5bに示されている。バッファ酸化物36
の６μｍの厚さの層は1000℃の蒸気中で130時間基板を
加熱することによって凹部31aにおいて熱成長される。
プロセスのこの段階は図5cに示されている。次の処理
は、図３および４を参照して上記に説明されたステップ
が後続する。
図６は、図２あるいは図５のLOCOS工程までの別の処
理を示す。この別の処理は凹部の全体的な酸化を示す。
まず、凹部41aは基板41においてエッチングされ、凹部
は図２の実施例の凹部11aと同じ方法で形成される。そ
れから凹部41aがエッチングされるマスク（窒化物）42
は正燐酸を使用して剥がされる（図6a参照）。バッファ
酸化物層43は基板41の全表面にわたるPECVDによって付
着される。代りに、酸化物層43は熱成長される。酸化物
層43は、それからフォトレジスト層44（図6b参照）を使
用して粗くパターン化される。酸化物層43はパターン化
されていない領域でエッチング液として稀釈されたHFを
使用して除去され、それによって次の導波体コア構造の
ためのバッファ酸化物の島43aを残す。樋部45は凹部41a
内の島43aを囲み、樋部は整列エラーのために形成され
る。代りに、狭いリッジは平面化およびエッチングバッ
ク工程によって除去される前に凹部41aを囲んで残され
る。この場合、バッファ酸化物43aは凹部41aを完全に満
たし、樋部45は存在しない。
窒化物の1000Åの厚い層47は、LPCVDによって全表面
にわたって付着される。フォトレジストマスク47（Ｖ形
溝の粗い整列のための）は、窒化物層46（図6d参照）上
に形成される。エッチング液としてCHF3および酸素を使
用する次のエッチングステップは、Ｖ形溝が最後に形成
される（図3d参照）マスクを限定するために実行され
る。次の処理は、図３および４を参照して上記に説明さ
れたステップが後続する。
図７は、図２あるいは図５のLOCOS工程までのさらに
別の処理を示す。この処理は、シリコンの多孔性陽極酸
化に基づく。すなわち、シリコン基板がHF電解質を含ん
でいる電気化学セルにおいて陽極にバイアスされると、
シリコンは多孔性マトリックスに変換され、マトリック
スの多孔性は基板を通って流れる電流およびそのドーピ
ングレベルに関連し、p+シリコンは優先的に陽極酸化さ
れる。多孔性マトリックスを通る酸素の次の迅速な拡散
は、厚い酸素フィルムの迅速な形成を生ずる。図７に示
された処理において、1000Åの厚い窒化珪素フィルム52
はｎ型のシリコンウェーハ51上にLPCVDによって付着さ
れる。それからエッチング液として正燐酸を使用して酸
素が要求される部分の窓53が開かれる。ホウ素の高い濃
度は、p+シリコン領域54（図7a参照）を形成するために
窓53を通って拡散される。この領域54は多孔性に陽極酸
化され、続いて短い熱酸化ステップ中に十分な化学量論
的酸化物55に変換される。図7bはプロセスのこの段階の
シリコンウェーハ51を示し、次の処理ステップは図３お
よび４を参照して上記に説明されている。
図面を参照して上記に説明された任意の基本的な処理
は変化あるいは拡張されるということは明らかとなるで
あろう。基本的な導波体処理への複数の可能な拡張の２
つは特に重要である。すなわち、レーザのような付加成
分のスロットの供給およびドープされた酸化物導波体コ
アの下の（酸化）窒化珪素の第２の導波体層の付加であ
る。
スロットが部品挿入のため基板中にカットされる場
合、マスクパターンはＶ形溝形成の前に定められなけれ
ばならないが、スロットはその後にエッチングされる。
これは、導波体コアあるいはＶ形溝エッチングステップ
中にエッチングしないマスク層を要求する。ポリシリコ
ンおよび窒化物より構成されている２重層マスクは適切
であり、または適当な金属が使用される。
酸化物および窒化物の分離した導波体フィルムを含ん
でいる基板のための多くの使用法が存在する。さらに窒
化珪素は、レンズ、回折格子あるいは別のホログラムの
ような特にフーリエ素子のためのストリップ負荷として
示唆されている。ドープされた酸化物の下の薄い窒化物
層はこれらの機能の片方あるいは両方を行い、この窒化
物はＶ形溝マスクとしても作用する。これは適用によっ
て変化するので、臨界的な整列に注意しなければならな
い。ストリップ負荷された導波体が使用される時、臨界
的な整列はストリップ負荷層（すなわち、窒化物であり
酸化物ではない）と溝の間にある。２つの導波体層が使
用される時、ファイバに使用されたＶ形溝は酸化物導波
体ストリップに整列すべきであり、ドロップイン型レー
ザのようなその他の場合には窒化物導波体ストリップに
整列すべきである。
ドープされた酸化物層に対する上記参照文献は、これ
らの層の屈折率を増加するドーパントに関連することに
注意すべきである。ドープされない酸化物層が、バッフ
ァおよび被覆層がそれらの屈折率を減らすようにドープ
される場合に導波体コア構造に使用されることができる
ということは明らかであろう。さらに、コア層は窒化珪
素、二酸化チタンあるいは二酸化ゲルマニウムのような
任意の別の適当な材料から形成されることができる。
FHDのような非常に高温の処理ステップを要求する導
波体コアを使用する時、コア層を付着する前に保護窒化
物層を除去することが適当である。この場合、置換窒化
物層は付着されなければならず、特徴の臨界的なパター
ン化の前に導波体領域から切り離される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−160106（ＪＰ，Ａ) 欧州公開331334（ＥＰ，Ａ１) Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖ ｏｌ．51 Ｎｏ．26 ｐｐ．2189−2191 （1987) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 6/12 - 6/14

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】シリコン基板（1,11,31,41,51）上の平坦
    な導波体と自己整列したＶ形溝（8,22）を形成する方法
    において、 基板上に導波体コア（5,19）を形成するために、基板上
    に設けられた導波体コア材料（3,16）のエッチングと、
    導波体コア（5,19）と整列した基板に対する保護材料を
    通して窓（8,20）を形成するための基板上に設けられた
    保護材料（4,12,13）の領域のエッチングとを同時に行
    い、導波体コアを覆って導波体クラッド材料の被覆（7,
    21）を形成し、窓を通して基板中にＶ形溝をエッチング
    して形成するステップを含んでいる方法。
  2. 【請求項２】基板上に保護材料および導波体コア材料の
    領域を形成するステップを含んでいる請求項１記載の方
    法。
  3. 【請求項３】Ｖ形溝の窓は平坦な導波体コアのアレイの
    両方の側で同時に形成される請求項１または２記載の方
    法。
  4. 【請求項４】さらに、基板上にバッファ酸化物層（2,1
    4,36,43）を形成するステップを含み、そこにおいて導
    波体コア材料の領域はバッファ酸化物層上に形成される
    請求項１、２または３のいずれか１項記載の方法。
  5. 【請求項５】バッファ酸化物層は基板における凹部（11
    a,31a,41a）中に形成される請求項４記載の方法。
  6. 【請求項６】さらに、基板上にパッド酸化物層（12,3
    2）を形成し、次にパッド酸化物層上に窒化珪素層（13,
    33）を形成するステップを含み、窒化珪素層はシリコン
    基板中の凹部が続いて形成されるマスクを形成している
    請求項４または５記載の方法。
  7. 【請求項７】さらに、シリコン基板上にパッド酸化物層
    を形成し、パッド酸化物層上に窒化珪素層を形成し、窒
    化珪素層上に別の酸化物層を形成するステップを含み、
    この別の酸化物層がシリコン基板上に続いて凹部が形成
    されるためのマスクを形成している請求項５記載の方
    法。
  8. 【請求項８】さらに、凹部の垂直側壁上に窒化物スペー
    サ（35）を形成するステップを含み、窒化物スペーサは
    LPCVDを使用する窒化物シリコンの共形の付着およびそ
    れに後続する窒化物フィルムの異方性ドライエッチング
    によって形成される請求項７記載の方法。
  9. 【請求項９】ドープされた酸化物層は各Ｖ形溝が形成さ
    れる領域において除去される請求項８記載の方法。
  10. 【請求項１０】バッファ酸化物は基板の表面全体を覆っ
    て形成され、続いて凹部の主要部分を占める領域内を除
    いて全ての場所において除去される請求項６記載の方
    法。
  11. 【請求項１１】（ｉ）ｎ型シリコン基板（51）上に窒化
    珪素層（52）を付着し、 （ii）窒化珪素層中に窓（53）を形成し、 （iii）窓を通して高濃度のホウ素を拡散してp+シリコ
    ン領域（54）を形成し、 （iv）HF中における陽極酸化よってp+シリコン領域を多
    孔性に変換し、 （ｖ）多孔性シリコンがほぼ容積を変化させずに十分に
    高密度の酸化物に変換される熱酸化ステップに基板を晒
    すステップを含んでいる請求項５記載の方法。
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