JP4326805B2 - 光結合素子構造の形成方法 - Google Patents

Description

本発明は光結合に関する。より詳細には、光結合において有用な集積回路素子構造に関する。

光結合に用いられる技術の一つとして回折格子が知られている。この種の技術は、光を導波路に沿って目的物に指向させるか、又は導波路の外部にある光源から目的物に指向させるように光を屈曲させる複数の離間した回折格子フィーチャを利用する。光を導波路に沿って伝播させ好適には導波路外に伝播する場合、又は光を導波路外で発生させ好適には導波路内に導入させる場合にこれらを実現すべく回折格子を利用可能にするため、このような回折格子フィーチャが、２点間での光結合を必要とする場合に常に有用なものとなる。困難なことの一つとして、回折格子を、好適には複数の回折格子フィーチャから形成することがある。フィーチャは、所望の屈曲を実現させる関係をなすように離間している必要がある。屈曲は、その大部分が光の周波数の影響を受けている。光を有効に屈曲させるため、フィーチャは、所望の特性を有するフィーチャ自身の特徴に加え、特定の空間的周期性を有している。特に、高周波数は、より小さな周期を有するフィーチャを必要とする。ここで、より小さな周期とは、フィーチャが相互に接近している必要があることを意味している。集積回路の速度の飛躍的な向上に有用であることが知られている高周波数のため、これを実現することは、製造上、困難であった。

一般に、集積回路回折格子は、電子ビーム技術により実現される。電子ビーム技術は、幾分効率的であるものの、電子ビームによりパターニングを実現するのに時間を要するため好ましくない。さらに、回折格子フィーチャの形状は重要である。電子ビーム技術を使用すると、その形状は、正方形及び平行四辺形型のフィーチャにほぼ限定されてしまう。各回折格子フィーチャに関して、その形状がありきたりなものであること、導波路及び回折格子間での良好な光結合や伝播を提供できる形状を有していることが重要である。フィーチャは、ある集積回路から次の集積回路まで平滑（スムース）で、且つ一定でなければならない。また、回折格子フィーチャ間の間隔は、回折格子の形状に応じて整合される。一般に、従来技術にて提供される通常の回折格子ではより効率的であるとの理由から、これらは偏光と共に使用されてきた。さらに、平滑さを実現することも困難であった。そのため、偏光が不要であることが望ましい状況であって、結合が非常に非効率的となる場合がある。従って、回折格子を製造するための製造技術、及び高品質の回折格子が求められている。

回折格子を製造するための製造技術は、相互に近接した所望の幾何形状を提供するために、フォトレジストに対するエッチング特性を利用する。これにより、製造可能であり、かつ効率的な結合を提供する、光結合用の回折格子がもたらされる。

図１に示すのは、第一物質としての絶縁体領域１２、第二物質としての半導体領域１４、パターン化されたフォトレジスト１６、Ｎ−ドープされた領域１８、Ｎ−ドープされた領域２０、及びＮ−ドープされた領域２２から構成される集積回路１０の一部分である。パターンフォトレジスト１６は、半導体領域１４の上に成膜されたフォトレジスト層をパターニングすることにより生じる。図示していないが、典型的にはフォトレジストとシリコンの間に酸化層が存在し得る。フォトレジスト層のパターニング後に、フォトレジスト１６は提供される。次に、Ｎ＋注入はＮ＋領域１８，２０，２２を形成する。絶縁体領域１２及び半導体領域１４は絶縁基板上シリコン（ＳＯＩ）からなり、これは業界内で容易に入手可能である。

図２に示すのは、パターンフォトレジスト１６が成膜され、さらに別のフォトレジスト層が成膜されて、パターン化されることにより、パターン化されたフォトレジスト層２４を生じた後の集積回路１０である。パターンフォトレジスト層１４はＰ型注入ためのマスクとして提供され、Ｐドープされた領域２６，２８はＮドープされた領域１８，２０，２２の間に交互に配置される。

図３に示すのは、交互に配置されるＮドープされた領域及びＰドープされた領域を示す集積回路１０の追加部分の上面図である。これは下部に共通接続を有するＮ−ドープされた領域、及び上部に共通接続を有するＰ−ドープされた領域を示す。集積回路１０のこの部分は入射光の目標領域を示す。

図４に示すのは、更なる処理の後の集積回路１０である。第三物質としての窒化物層３０は半導体領域１４の上に成膜される。次に、フォトレジスト層は窒化物層の上に成膜され、及びフォトレジスト柱３２，３４，３６，３８，４０，４２，４４，４６，４８，５０及び５２から構成されるパターン化されたフォトレジスト層を形成すべくパターン化される。これらの柱３２〜５２はほぼ円柱状であり、これを実現するのは適度に容易である。図５に示すのは、図４で示される処理工程における上面図としての集積回路１０の部分であり、これはマトリックス状の柱を示している。

図６に示すのは、フォトレジスト柱３２〜４８及び窒化物層３０の部分的なエッチングによる処理工程後の集積回路１０である。これは柱３２〜５２の高さが減少されるだけではなく、直径も減少されることを示している。窒化物のエッチングは方向性を有するが、側壁が露出されたフォトレジスト柱が直径を減少されて、窒化物をさらに露出するように、フォトレジストは同様に水平方向にもエッチングされる。しかしながら、最大の露出を受ける窒化物は、元の柱の間にある範囲の窒化物である。柱の直径が減少するにつれ、追加の窒化物が露出される。従って、フォトレジストに対して窒化物による傾斜が形成される。フォトレジスト柱間の窒化物のエッチングが続行され、その結果が図７に示される。これは半球形状に形成された窒化物フィーチャ５４，５６，５８，６０，６２，６４，６６，６８，７０，７２及び７４を示す。窒化物フィーチャは半導体領域１４と窒化物フィーチャ５４〜７４の上方の範囲との間を通過することが所望される周波数のために選択された周期性を有するように配置される。窒化物フィーチャ５４〜７４は光結合回折格子を構成する。なお、本実施形態において、フォトレジスト柱３２〜４８が、フォトレジスト層の第二部分として構成されている。

半導体領域１４は光結合回折格子として作用する窒化物フィーチャを備えた導波路として作用する。半導体領域１４のシリコンは絶縁層１２のシリコン酸化物よりも高い屈折率を有する。さらに、その上方にある半導体層の屈折率よりも低い屈折率を有する、別の絶縁体領域が使用され得る。窒化物フィーチャはまた半導体層１４よりも低い屈折率を有する。

窒化物フィーチャ５４〜７４の回折格子を通過する光が、さらにパターン化された半導体領域１４内を水平に移動するであろう窒化物フィーチャの周期の大きさが存在する。光結合回折格子に関する光の典型的な入射角度は８０±５度である。従って、これは垂直に近いが、全く垂直というわけではない。窒化物フィーチャ５４〜７４の周期性は、公称８０度における入射光線の周波数に基づいて選択される。典型的且つ標準的なローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）に対する周波数は、光結合回折格子に入力する光のための公称角度８０度に対する約８５０ナノメータ（ｎｍ）の波長の光である。回折格子として窒化物を使用する周期は、約２９０ナノメータ（ｎｍ）である。この波長８５０ｎｍにおいて、光はシリコンにより吸収されるため、意図する用途は、非常に効率の良い光検波器である。ドープされた領域１８〜２２及び２６〜２８は光生成キャリアを集めるために使用さ
れる。

さらに回折格子は、メトロポリタンエリアネットワークの標準である１３１０ｎｍの波長に対して使用することができる。しかし回折格子は半導体領域１４がシリコンであると記載される図７で示すように、導波路としてシリコンを備える送信機として使用され得る。ただし、半導体領域１４は該領域を１３１０ｎｍの放射線に対して高感度にするシリコン−ゲルマニウムなど異なる組成であり得る。組成を作製する一つの方法はシリコンにゲルマニウムを混ぜることである。半導体領域１４の別の様態はゲルマニウムである。

半球形状の利点は結合の効率が入射光の偏光によって著しい影響を受けないことである。従って、偏光されていない光は、個々のフィーチャが半球である光結合回折格子を非常に容易に通過し得る。小型のフィーチャのマトリックスを使用する代わりに、相互に平行な複数のフィンガを使用した場合、屈曲はフィンガの周期性に基づいて効率的であるが、結合はフィンガの方向に偏光された光に対して良好である。フィーチャに対して直交するように配列された偏光を有する光はほとんど妨害される。

例えば図５に示すような、正方形マトリックスの別の形態では、各フォトレジスト柱は他の柱と等距離に配置されている。これは、図１０に示すように、任意の他の柱に対して六つの柱が等距離にあるため、六角形のパターンと呼ばれる。これは非偏光を通過させるためには最も効率的であり、窒化物柱５４〜７４の柱など、回折フィーチャが半球状の場合、最も有効に実施される。図１１には、特定の周波数に対する所望の屈曲を実現する回折格子の所望の周期に等しい半径で回折フィーチャ９４を取り囲む、半球状回折フィーチャ９６，９８，１００，１０２，１０４，１０６から構成される六角形パターン９２が示されている。

符号１８〜２２及び符号２６〜２８などのＮ−ドープされた領域、及びＰ−ドープされた領域の目的は、Ｎ−ドープされた領域の場合には電子を集めることであり、及びＰ＋ドープされた領域の場合には正キャビティを集めることである。非常に少量Ｐ−にドープされた半導体領域１４は、集積回路のための典型的な出発物質であるが、ドーピングレベルが低いほど有利である。フォトレジストの側壁をエッチングすると同時に窒化物３０を指向的に浸食するエッチング剤の使用は、半球状の形状を得るために有利に使用される。これは、図５に示すようなマトリックス、又は図１０の六角形手法を提供する所望の形状であり、その形状は、結合を最大化し得る回折格子を形成する最終窒素フィーチャの全てに対して等しい距離を提供する。二つの隣接するフィーチャ間の距離とフィーチャの一つの直径を加算したものが周期の大きさである。

半導体領域１４の上に突出する窒化物フィーチャ５４〜７４のような半球状回折フィーチャに対する代替の形態として、回折フィーチャは半導体領域内のキャビティであり得る。図８に、本実施形態ではシリコンである半導体領域８４と、絶縁体領域８２と、窒化物内に開口部８８，９０を備えるパターン化された窒化物層８６とを有する集積回路８０の一部分を示す。集積回路８０もまた、フォトレジストを適用し、フォトレジストをパターニングし、次にフォトレジスト内のパターンに基づいて窒化物をエッチングすることにより実現される。これは開口部８８，９０を残す。次にイオン衝撃により開口部８８及び９０は粗面化される。これは開口部８８，９０におけるシリコン表面の粗面化と同様にわずかに開口部８８，９０内のシリコンの位置を低下させる。開口部８８，９０のイオン衝撃後、液状の水酸カリウム（ＫＯＨ）からなるエッチングが実行される。シリコンの結晶構造のため、湿式ＫＯＨエッチング液は異方性を有する。このエッチングは基板８４、すなわちシリコンの１１１面に沿って行なわれる。この結果、開口部８８，９０からシリコンが角錐状に除去される。

図９で示すのは示された角度でエッチングすべく湿式ＫＯＨエッチング液を使用する処理工程であり、シリコン領域８４の１１１面に沿って行われる。エッチングは図１０で示される結果、すなわち半導体領域８２内で角錐形状のキャビティを生じるまで継続する。これは非常に再現性があるために有利な処理である。エッチングは角錐が作成されると基本的に停止し得る。エッチング速度は１１１面方向には非常に緩慢だが、１１１面に沿う場合には急速である。従って、残されるものは１１１方向に配列されたシリコンである。従って角錐はシリコン表面上の突起の窒素フィーチャに取って代わり得、代わりにシリコン領域内部のキャビティとなり得る。空気に取り囲まれる角錐形状フィーチャは、シリコンよりも低い平均屈折率を有する層を形成する。従って、シリコン、すなわち基板８４は、上部も下部も双方共に低い屈折率を有するため、導波路として効率的である。

角錐形状の周期は所望の通りに実現され得る。この場合の周期は図９で示される開口部８８と及び開口部９０との距離と、開口部の一つの長さとを加算したものである。角錐形状はフォトレジスト柱のために図５に示されるマトリクスとして整列され得る。光検波器として集積回路１０が使用された場合、ドープされた領域は入射光により生成されたキャリアを集めることを最適化するために都合よく位置付けされる。

図１２に示すのは、回折格子１２２、検波器１２４、絶縁体１２６、ゲート並びに内部接続１２８、並びにソース及びドレイン１３０から構成される集積回路１２０である。集積回路１２０は従来の絶縁体上の半導体（ＳＯＩ）基板を利用し、その半導体は好適にはシリコンであり、絶縁体１２６はシリコンの下に位置する。シリコンは集積回路１２０の活性領域であり、検波器１２４と、ドレイン及びソース１３０が配置されるところにある。シリコンは図２に示される半導体領域１４に相当する。ドープされた領域１８〜２２及び２６〜２８の領域は、約１０^１４原子／ｃｍ^２以下で軽くドープされた半導体領域１４の残りの部分と比べると比較的高度にドープされている。Ａという比較的薄いシリコンの層は基本的な物理的支持を提供するために絶縁体１２６を下張りにする。検波器１２４は絶縁体１２６の上のシリコンにより形成される。回折格子１２６はシリコン基板表面上に形成されるが、別の形態として、回折格子はシリコン自身の一部として形成される。この場合はゲート及び相互接続１２８が検波器１２４の上面と一致してシリコン表面上に形成される。ソース及びドレイン１３０はシリコン表面上に形成される。ゲート並びに相互接続１２８並びに及びソース及びにドレイン１３０の組合せは処理回路１３２を形成し、これは検波器１２４によって集められた情報を利用する。作動中、入ってくる光１３４は回折格子に衝突し、検波器１２４により検波されるキャリアをシリコン内に生成する。検波器１２４により検波後、処理回路１３２は選択された設計に基づいた手段により検波された信号を処理する。

図１３に示すのは回折格子１２２、検波器１２４、及び絶縁体１２６であり、回折格子１２２上の入射光の活動を示している。入射光は回折格子領域に衝突し、検波領域１２４に入り、検波器１２４の領域内に滞留することを示す。回折格子１２２及び絶縁体１２６の間の領域は導波路であり、この導波路に入る光はそこに滞留する。検波器１２４はシリコンに入った入射光により生成されたキャリアに近接する。回折格子１２２のため、入射光は向きを変えられ、導波路内部に収容される。これは導波路内で生成されるキャリアの全てを生じる。さらに検波器は導波路内に位置され、このためキャリアが生成される領域に近接する。その結果、検波器を形成するドープされた領域の相対的に強電場領域内にあるキャリアに対して近距離になる。従って、作動の収集部分における速度の問題は無い。

さらに、検波器の範囲内に収容された全ての入射光のために、効率性は非常に高い。これは入ってくる光に収容される情報の検波を容易にするという利点を提供する。回折格子１２２は図１〜１１に記載された回折格子の形態として記載されたどれからも選択され得る。例えば、回折格子１２２は図７で示される窒化物フィーチャ５４〜７４であり得る。
別の形態では、８８，９０などの角錐に反転され得、実質的にシリコンにより形成される。検波器１２４は図２乃至７に示すようなものである。

入射光１３４の所望の角度は回折格子１２２と絶縁体１２６との間に生成された導波路内において光の伝送の効率を最適化するために選択される。９０度の入射光が利用される場合、導波路に進入する光は図１３に示される双方の方向に対して９０度であり得、全ての方向に実質的に放射状であり得る。これはより好適であり得る。光が導波路内を一方向に又は少なくとも全ての方向ではなく進むように、ある角度をなして回折格子の一部から光を入射させることも好ましい。回折格子領域及び検波領域はほとんどの場合、一般的に同じ寸法である。進入光同様にスポットサイズを有し得る。回折格子及び検波器が入射光のスポットサイズより大きいことが効率のために望ましい。従って、スポットが回折格子の一方の側で受信され、回折格子の他方の側に向けて偏向されて、全ての光がスポットの受信場所から離れた回折格子側に対して向けられるようにすることが望ましい。別の形態では、特に光が９０度で受信された場合、ビームスポットは回折格子の中央に位置付けされることが望ましい。

ゲート及び相互接続１２８は基板のシリコン部分の上のブロックとして示されている。これは、シリコン上に製造される集積回路の典型的な設定を示している。トランジスタは、シリコン上のゲートとシリコン内にあるソース及びドレインの組合せである。ソース及びドレイン及びゲート並びに相互接続の組合せは、集積回路を典型的に製造する道具である。これらの集積回路は非常に単純であり得、又はマイクロコンピュータやマイクロプロセッサなど非常に複雑であり得る。これらはメモリ、デジタルーアナログ変換器、増幅器など様々な機能を有し得る。ここでは通常の集積回路構造による光検波器の計画された集積を示される。光検波器１２４により読み出された情報はソース及びドレイン型の相互接続により処理回路１３２に伝送され得、又は金属或いはポリシリコンなどの上記の基板の相互接続により実現され得る。

絶縁体並びに検波器の厚さ及び回折格子の高さは入射光の周波数との関係により選択される。さらに回折格子フィーチャの間隔は周波数との関係により選択される。本例において、予想される周波数の波長が８５０ｎｍに一致する。絶縁体１２６の厚さは絶縁体１２６に関して光の４分の１光波長の奇数倍として選択される。従って、屈折率は考慮しなければならない。この場合、絶縁体１２６はより好適にはシリコン酸化物であり、１．４５の屈折率を有する。従って、絶縁体１２６の厚さは好適には８５０ｎｍの４分の１を１．４５で分割したものであり、これは約１４６ｎｍであり、あるいはこの奇数倍である。

同様に、導波路及び回折格子の厚さの合計は、これは検波器１２４及び回折格子１２２として図１２内で示され、光波長の半分又はこの数字の偶数倍である。シリコン導波路の平均屈折率及び回折格子の平均屈折率は考慮しなければならない。回折格子の場合、空気の屈折率は回折フィーチャを形成する物質により平均化される必要がある。この平均化は屈折率を平均化するために必要とされる平方関係を考慮する必要がある。導波路は屈折率３．６２のシリコンである。フィーチャの量が回折格子内の空気の量と同じであり、かつフィーチャがシリコンである単純な例では、平均屈折率は３．６２の２乗と１の２乗を加算したものを２で割った値の平方根と等しい。従って屈折率は１３．１と１を加算したものを２で割った平方根、これは平方根７．０５に等しく、これは２．６５と等しい。３．６２の倍数である導波路の厚さと２．６５の倍数である回折格子の高さを加算したものは８５０ｎｍの半分と等しい。この手法の利点は、導波路の厚さ、及び回折格子の高さは条件に合う限り変更され得ることである。

上記の明細書により、本発明は特定の実施形態に基づいて記載してきた。しかし、当業者は様々な変更や変形は添付した本発明の特許請求の範囲に反することなく行われる。従
って、明細書と図は説明上のもので制約的なものでない、またこれら全ての変更は本発明の範囲に内包されるものである。

利点、他の有利な点、及び問題の解決策が特定の実施形態に基づいて記載されてきた。しかし、利点、他の有利な点、問題の解決策、及びいかなる利点の要因、有利な点の要因、解決策を生じ或いはより明白とする要因はいかなる請求項の重要な、必要な、又は不可欠な特性又は要素として解釈されない。ここで使用された、“からなる”、“構成されている”の用語、又はそれらの他の表現は非排除的な包括として規定し、要素のリストとして構成されるこれらの処理、方法、物品、又は装置は、それらの要素だけを含むのではなく、リストに明示されなかった又は固有の処理、方法、物品、装置等の他の要素を含み得る。

本発明の実施形態に基づく処理工程の集積回路の部分断面図。 図１の処理の次工程の集積回路の断面図。 図２の集積回路の上面図。 図２の処理の次工程の集積回路の断面図。 図４の集積回路の上面図。 図４の処理の次工程の集積回路の断面図。 図６の処理の次工程の集積回路の断面図。 別実施形態に基づく処理の工程の集積回路の部分断面図。 図８の処理の次工程の集積回路の断面図。 図９の処理の次工程の集積回路の断面図。 本発明の実施形態に基づく回折格子フィーチャの配置の上面図。 本発明の好適な実施形態に基づくフォトレジスタ及び処理回路を有する半導体基板の断面図。 図１２に示される検波器の部分断面図。

Claims (19)

1. 半球形状に形成された複数の回折格子フィーチャを有する光結合素子構造を形成する方法であって、前記各回折格子フィーチャは所定の周期性を有して配置される光結合素子構造の形成方法において、
   第一屈折率を有する第一物質を提供する工程と、
   前記第一物質上に第二物質を提供する工程であって、前記第二物質は第二屈折率を有し、かつ前記第二屈折率は前記第一屈折率より大きい工程と、
   前記第二物質内にドープされた領域を提供する工程と、
   前記第二物質上に第三屈折率を有する第三物質を提供する工程と、
   前記第三物質上にフォトレジスト層を成膜する工程と、
   フォトレジストのパターンを残すために、前記フォトレジスト層の第一部分を除去して同フォトレジスト層をパターニングする工程と、
   前記フォトレジストのパターンに従って前記第三物質をエッチングすることにより、前記第三物質からなる複数の回折格子フィーチャが半球形状に、かつ所定の周期性を有して配置されるように形成される工程と、
   前記フォトレジストを除去する工程と、
   キャリアを生成すべく、前記第二物質内部に光を結合するために、前記第二物質及び前記第三物質の少なくとも一部を露光する工程と、
   キャリアを集める工程と
   を備える方法。
2. 前記第二物質及び前記第三物質は、同一の物質である請求項１に記載の方法。
3. 前記第一物質は、酸化層である請求項１に記載の方法。
4. 前記第二物質は、シリコンを含む請求項１に記載の方法。
5. 前記第二物質は、さらにゲルマニウムを含む請求項４に記載の方法。
6. 前記第三物質は、シリコンを含む請求項１に記載の方法。
7. 前記第三物質は、さらに窒化物を含む請求項６に記載の方法。
8. 前記第三物質は、さらにシリコン酸化物を含む請求項６に記載の方法。
9. 前記第三物質のエッチングは、ＫＯＨを使用して行われる請求項１に記載の方法。
10. ＫＯＨを使用して前記第三物質がエッチングされる際に、前記第三物質の表面を粗面化する工程、及びフォトレジスト層のパターンを除去する工程をさらに含む請求項９に記載の方法。
11. 前記第三物質の表面の粗面化は、前記第三物質をドライエッチングすることにより実行される請求項１０に記載の方法。
12. 前記第三物質のエッチングは、ドライエッチングにより実行される請求項１に記載の方法。
13. 前記第二物質内にコレクタ領域を形成する工程をさらに含む請求項１に記載の方法。
14. 前記第二物質上において、複数のフィーチャを相互にほぼ等距離になるように形成する請求項１に記載の方法。
15. 前記第三物質のエッチングは、前記第三物質を該第三物質の表面に平行な面に沿った第一方向及び第二方向にエッチングする工程をさらに含み、前記第一方向は前記第二方向と直交する請求項１に記載の方法。
16. 前記第一方向は、前記第二方向よりも緩慢にエッチングされる請求項１に記載の方法。
17. 前記フォトレジスト層の第二部分を除去する工程をさらに含む請求項１に記載の方法。
18. 前記第三屈折率が、前記第二屈折率である請求項１に記載の方法。
19. 前記光は、ほぼ８５０ナノメータの波長を有する請求項１に記載の方法。

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