JP5758359B2 - 光配線デバイスおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
このようなLSIの高集積化に伴う配線遅延の問題を解決する技術として、光配線技術が注目されている。光配線技術は、光導波路を用いて光信号を伝送する方式であり、上記のような微細化に伴う配線抵抗や配線間容量の増大が発生せず、更なる動作速度の高速化が期待できる。このような光配線を用いて信号伝送を行うLSIとして、光電気混載LSIが提案されている。
電気信号を光信号に変換する素子としては、端面発光レーザや面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)、マイクロリングレーザなどの半導体レーザが用いられており、GHz帯での動作の報告例もある。
上述の発光素子、受光素子、光伝送路を同一の基板上に形成する光配線デバイスにおいて、Si基板上にレーザ構造と受光素子とを集積化する構造として、Si基板上に化合物半導体を選択的に成長することで発光および受光素子を形成し、両者を光配線で光学的に結合する構造が考えられる。この構造においては、選択性成長後に光素子を形成するので、個別に素子を集積するのとは異なり、この点においては、一定の量産性が期待できる。しかしながら、一般にSi基板上へのヘテロエピタキシャル成長においては結晶性に問題があり、これを克服するためには相当の厚さの結晶成長が必要となる。実際、この技術においては、素子膜厚以外に4μmもの厚さの結晶成長を行っており、量産化を考えた場合、製造コストや時間の点で改善が望まれる。さらに、この技術においては、高屈折率導波路を斜めに研磨することで光の向きを横方向に変換し、光配線を形成している。しかしながら通常光配線に用いられるSi光導波路の典型的な幅は約500nmと非常に微細である。発光素子からはある広がり角をもって光は出射されるため、効率よく光配線層に結合させるにはスポットサイズ変換機構が必要である。
一般に、光導波路は、コアと呼ばれる屈折率(n)の高い部分とクラッドと呼ばれる屈折率の低い部分で構成されているが、この屈折率の差(Δn)が大きくなればなるほど小さい曲げ半径を実現できることが知られている。これは、Δnが大きくなればなるほど光を強くコアの部分に閉じ込めることができるためで、急峻な曲げでも光が外部に漏れにくくなるためである。この型の光導波路は、一般に屈折率導波型(Index Guiding Waveguide)と呼ばれ、内部全反射機構(Total
Internal Reflection)で光が導波していく。理論上は、曲げ半径を数μmまで小型化できるのみならず、導波ロスを限りなく小さくすることが可能であるが、実験で得られる導波損失はきわめて高く、数10dB/cm乃至それ以上に及ぶことが報告されている。これは、光導波路加工時に形成される側面の面荒れによるものであることが知られている。
さらにまた、この実施の形態が解決しようとするもう一つの課題は、低コストで容易に製造することができ、曲げ半径が小さく導波損失の少ない低導波損失の光導波路を持つ光配線デバイスおよびその製造方法を提供することにある。
また、本実施の形態の他の効果として、光導波路の側面に存在する微小な面荒れが改善され、導波損失の小さい低導波損失の光導波路が得られ、これを用いることにより小型の光配線デバイス、ユニット、モジュールの製作が可能となる。
[第1の実施例]
図1及び図2は、本実施例を示す図であり、同図(a)はレーザ、受光素子および光導波路の上面図および同図(b)はA−A’に沿う断面図、図2は、図1(a)のレーザ領域226であるB−B’に沿う断面図である。
図2に示すように、本実施例の光配線デバイスを構成するレーザ領域210は、リング状に形成されたものであり、このレーザ領域210は、Si基板101上に下から順にp−GaAsコンタクト層111、AlxGa1−xAsクラッド層110、GaAs光閉じ込め層109、AlGaAs/GaAs多重量子井戸層108、GaAs光閉じ込め層107、AlyGa1−yAsクラッド層106、n−GaAsコンタクト層105からなる化合物半導体リングレーザによって構成され、これらを埋め込む形でSiO2からなる絶縁体層228が形成されている。このリングレーザにはp型およびn型オーミック電極224,226が形成されている。SiO2絶縁体層228の上にはアモルファスSiからなる光導波路230が形成されている。そして、この光配線デバイス全体を被覆するように絶縁被覆層232が形成されている。
まず、図3に示すように、n−GaAs基板102上に、例えばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により、厚さ0.5μmのn−GaAsバッファ層103、厚さ0.1μmのn−AlGaAsエッチングストップ層104を形成する。
続いて、厚さ0.01μmのn―GaAsコンタクト層105、n−Al0.92Ga0.08Asクラッド層106、n―GaAs光閉じ込め層107、アンドープ多重量子井戸活性層108、p―GaAs光閉じ込め層109、p−Al0.92Ga0.08Asクラッド層110、厚さ0.01μmのp−GaAsコンタクト層111をこの順に形成する。
GaAsコンタクト層105とクラッド層106の間、クラッド層106とアンドープ多重量子井戸活性層108の間に、AlGaAsグレーデッド層を挿入しても構わない。AlGaAsグレーデッド層は、Al組成を0.1から0.92まで徐々に変化させる。
図5に示すように、化合物半導体層上にSiO2層211を成膜し、さらにその上に図示しないフォトレジストをパターニングする。このフォトレジストをマスクとしてSiO2層をドライエッチングで加工し、さらにこのフォトレジスト/SiO2層をマスクとして、コンタクト部を含めた素子の外周を形成する(図5)。引き続き、コンタクト層111を残してリング形状のレーザ領域210を同様にドライエッチングにより形成する(図6)。このリングの外径aおよび内径bはそれぞれ20μm、15μmである。次にリングの内周部を残してSiO2からなる保護膜215を形成した後、水蒸気酸化炉を用いてAlGaAsクラッド層106,110の内周部に接する部分216を選択的に酸化する(図7)。
次に、露出したリング構造を覆うSiO2217の一部を除去し、さらに残ったSiO2をエッチングマスクとしてコンタクト層105の一部をエッチングする。さらにこのエッチングされた部分に、AuGe合金および金を順次真空蒸着し、リフトオフを行なう。この後、アニールすることでn型コンタクト224を形成する(図12)。
次に、全体をSiO2228で覆い(図14)、これをCMPにより平坦化する。ただし、リングレーザ構造が形成されているため、1μm以上の凹凸が存在し、単純にCMP処理を行なったのでは平坦化することは困難である。このため、あらかじめ凹凸をできるだけ低減しておくことが望ましい。本実施例においては次のようにして段差を低減する。
図20に本実施例による受光素子の構造を示す。化合物半導体からなる円板状の受光素子構造240の上に渦巻状に光導波路242が設けられている。光導波路242を伝播してきた光信号はその下部に形成された受光素子の光吸収層に染み出して吸収され電気信号に変換される。受光素子を円板形状にすることで、素子サイズを小さいまま、光導波路と受光素子との結合長を長くとることができる。
上記第1の実施例では、ウェハー接合方法については、直接接合、あるいはアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンをエピタキシャル成長層表面に成膜してこれをSiと接合する方法を例示したが、金属を用いて接合することも可能である。
このようにエピタキシャル成長層とSi基板とを接合して素子を作製する場合、素子分離が必要となることがある。金属層を介して接合した場合には電気的には短絡状態と等しくなる。また、アモルファスシリコンや多結晶シリコンも結晶Siに比べて高抵抗化が困難である。このような場合には、以下に説明する方法で素子間を電気的に分離することができる。
上記実施例においては、発光素子および受光素子としてリング型を実施例として説明したが、発光素子及び受光素子を、ディスク型、あるいは、直線状とすることもできる。図21に、直線形状の発光素子としてDFB型レーザを用いた場合の実施例を示す。図21(a)は、本実施例の光配線デバイスの上面図であり、図21(b)は、このデバイスの共振器方向(Si光導波路に沿った長手方向)に切断した断面図であり、図21(c)は、図21(a)のA−A’に沿って切断した断面構造図である。
回路が形成された基板上に光配線デバイスを形成することもできる。図24に回路が形成されたSi基板上への光配線デバイスの断面構造を示す。FETなどが形成されたSi基板上にメタル配線層があり、その上部に発光素子、受光素子、導波路などの光配線用デバイスが形成されている。電子回路は発光素子を駆動させるための回路であったり、受光素子からの光電流を電圧信号に変換して増幅するための回路であったりする。発光素子、受光素子と電子回路はメタル配線を介して接続される。この構造において、光素子において発生した熱を逃がすために、光素子とSi基板をメタル配線で接続した放熱用のメタル構造(以下、サーマルビアと呼ぶ)を設ける。光素子の放熱性を確保することで、高温、高出力動作時の安定性を維持することが可能となる。なお、サーマルビアは通常の電気信号を光素子に伝えるメタル配線と共用にしても、別に敷設しても構わない。また、図ではメタル配線層を複数本配置しているが、本数はこれに限らない。サーマルビアの寸法、本数は電子回路形成プロセスにおけるデザインルールで決定される。
以下にアモルファスシリコンと窒素酸化シリコン導波路を集積した光配線デバイスの実施例を詳細に説明する。
図25において入力側の導波路252、出力側の導波路254は、いずれも幅450〜600nm、高さ200〜300nmのアモルファスシリコンからなり、これらの先端部分はいずれも先端幅100〜200nmのテーパ状に加工されており、テーパ長は200〜300μmであった。導波路253(酸化シリコンとの屈折率差2%の窒素酸化シリコン)は幅3〜4μm、高さ1.5〜2μmであり、その前面、後面、側面および下面は厚い酸化シリコンで覆われている。これらの導波路構造は、図25の光導波路デバイスの要部断面図である図26に示すように、シリコン基板251上に形成された凹みを厚い酸化シリコン261で埋め込み平坦化した上面に、窒素酸化シリコン層253を熱CVDにより堆積して平坦化して、その後に、薄いアモルファスシリコン層252、254を成長して、さらにドライエッチングにより導波路構造を加工して形成した。
図27は、本実施例に係る光導波路デバイスの概略を示す上面図であり、図28は、発光デバイスと導波路の配置関係を示す概略図であり、図29は、導波路と受光器の配置関係を示す概略図である。
まず、図28(a)のように、4つの直径の異なるリングLD(レーザダイオード)光源281が、4本の出力用シリコン導波路285の一端に結合しており、4つの異なる波長の光(λ1、λ2、λ3、λ4)を発振して、各々直接変調を行なうことにより4チャンネル分の光信号を乗せて送信する。各シリコン導波路285に出力する。各シリコン導波路の他端252は、図27に示すようにSiON導波路253(数十cm長)の一端に接続しており、その先端がテーパ状に細くなっており、スポットサイズ変換を行なう。4本のシリコン導波路252によりSiON導波路253の入口まで伝送された光信号は、ここでSiON導波路253に結合し、4波長の波長多重信号としてSiON導波路253によって数十cmの距離を伝送される。SiON導波路253の他端(出口)は、一本のシリコン導波路254に接続しており、接続部のシリコン導波路は先端が細いテーパ状に形成されている(図27(a))。シリコン導波路254の他端は図29のように、4つの直径の異なるリング型波長フィルタ291により4つの波長(λ1、λ2、λ3、λ4)の光信号に分離され、各々、4本のシリコン導波路293の各々の一端に結合して伝送される。その後、各シリコン導波路の他端において、それぞれ受光素子(例えばスパイラルPD)によって受信されて、電気信号に変換される。
以下に、本実施例による導波路の詳細を図示の実施形態によって説明する。
(1)導波路作製プロセス、
(2)埋め込み平坦化プロセス
(3)ウェハ接合、基板除去プロセス
(4)素子作製プロセス
前記第8の実施例と同様に、Si基板上の(発光素子、受光素子、導波路からなる)光配線ユニット作製を用いて、本実施例を説明する。本実施例の工程は、図32に示した第8の実施例の工程と同様、以下の4つの工程から構成される。
(1)導波路作製プロセス、
(2)埋め込み平坦化プロセス
(3)ウェハ接合、基板除去プロセス
(4)素子作製プロセス
前記第8及び9の実施例と同様に、Si基板上の(発光素子、受光素子、導波路からなる)光配線ユニット作製を用いて、本実施例を説明する。本実施例は、図32に示した第8の実施例の工程と同様、以下の4つの工程から構成される。
(1)導波路作製プロセス、
(2)埋め込み平坦化プロセス
(3)ウェハ接合、基板除去プロセス
(4)素子作製プロセス
102…GaAs基板
103…n−GaAsバッファ層
104…n−AlGaAsエッチストップ層
105…n−GaAsコンタクト層
106…n−AlGaAsクラッド層
107…n−GaAl光閉じ込め層
108…多重量子井戸活性層
109…n−GaAl光閉じ込め層
110…n−AlGaAsクラッド層
111…n−GaAsコンタクト層
210…レーザ領域
211…SiO2
215…保護膜
216…AlGaAs内周部領域
217…保護膜
218…AlGaAs外周部領域
220…SiO2
222…ポリイミド
224…n型コンタクト
226…p電極
228…SiO2
230…導波路
232…絶縁被覆層
234…引き出し配線
236…引き出し配線
240…受光素子
242…光導波路
251…シリコン基板
252…入力側導波路
253…導波路
254…出力側導波路
261…酸化シリコン
275…補助導波路
281…レーザ光源
285…出力用シリコン導波路
291…リング型波長フィルタ
292、293…シリコン導波路
300…BOX層(シリコン酸化物層)
301…シリコン導波路
302…シリコン導波路
303…窒素酸化シリコン(SiON)導波路
310…シリコン基板
341…シリコン基板
342…BOX層(シリコン酸化物層)
343…単結晶シリコン層
344…SiO2パッド層
345…SiN(Si3N4)層
346…シリコン酸化物層
347…SiO2埋め込み層
348…GaAs基板
351…SOIウェハ
352…埋め込み酸化膜層
353…単結晶シリコン層(トップSi層)
354…SiO2パッド層
355…シリコン窒化膜
356…シリコン導波路
Claims (11)
- シリコン基板上に、同一の層構造からなるリング状発光素子と円板状受光素子が形成されており、これら発光素子および受光素子の少なくとも一部は絶縁体で埋め込まれており、この絶縁体の上部に前記発光素子および受光素子と分布結合的に光学結合しているアモルファスシリコンからなる光導波路であって、少なくとも前記受光素子に光学結合している光導波路が渦巻状である光導波路が形成されていることを特徴とする光配線デバイス。
- シリコン基板と上記発光素子および受光素子との間に、金属、または、アモルファスシリコン、または多結晶シリコンの少なくとも一種類からなる層が形成されていることを特徴とする請求項1記載の光配線デバイス。
- 上記発光素子および受光素子は化合物半導体であることを特徴とする請求項1または請求項2記載の光配線デバイス。
- 上記シリコン基板には、上記発光素子と受光素子を駆動するための電子回路が形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2記載の光配線デバイス。
- 上記発光素子および受光素子と結合する光導波路の少なくとも一部が誘電体または有機物からなる光導波路と結合していることを特徴とする請求項1記載の光配線デバイス。
- シリコン基板上に、電子回路および金属配線層が形成され、この金属配線層の一部はこの電子回路とは電気的な接続をすることなくシリコン基板と接触しており、この金属配線層の上部には同一の層構造からなる発光素子と受光素子が形成されており、これら発光素子および受光素子の少なくとも一部は絶縁体で埋め込まれており、この絶縁体の上部に前記発光素子および受光素子と分布結合的に光学結合している光導波路が形成されていることを特徴とする光配線デバイス。
- 半導体基板上に形成された、リング状発光素子と円板状受光素子受光素子を構成する層を有するエピタキシャル成長層を、シリコン基板上に接合させる工程と、前記半導体基板を除去する工程と、前記リング状発光素子と円板状受光素子を形成する工程と、全体を絶縁体層で覆う工程と、この絶縁体層を研磨して平坦化する工程と、この研磨された絶縁体層の上にアモルファスシリコンからなる渦巻状光導波路を形成する工程と、この光導波路を第二の絶縁体層で覆う工程と、前記発光素子および受光素子に電気配線を形成する工程、とを有する光配線デバイスの製造方法。
- エピタキシャル成長層上にアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを堆積する工程と、これを研磨して平坦化する工程と、この平坦化面をシリコン基板に接合させる工程、とを有することを特徴とする請求項7記載の光配線デバイスの製造方法。
- エピタキシャル成長層およびシリコン基板上に金属膜を形成する工程と、これら金属面を介して接合させる工程とを有することを特徴とする請求項7記載の光配線デバイスの製造方法。
- エピタキシャル成長層上にアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを堆積する工程と、これを研磨して平坦化する工程と、この平坦化面上に金属膜を形成する工程と、シリコン基板上に金属膜を形成する工程と、これら金属面を介して接合させる工程、とを有することを特徴とする請求項7記載の光配線デバイスの製造方法。
- シリコン基板に電子回路を形成する工程と、この電子回路層の上面からシリコン基板に通じる金属を設ける工程と、このシリコン基板の上面に金属膜を形成する工程と、エピタキシャル成長層上に金属膜を形成する工程と、これら金属面を介して接合させる工程とを有することを特徴とする請求項7記載の光配線デバイスの製造方法。
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