JP7201082B2 - 光モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、光モジュールおよびその製造方法に関し、特に、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。
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、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。
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として酸ＳｉＮ（ＳｉＯＮ）をコアに用いたＳｉＯＮ光導波路と、Ｇｅフォトダイオードとを同一シリコン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。また、最近では、光モジュールのさらなる小型化、高速化のため、光導波路素子を屈折率がＳｉＯＮより高いＳｉＮをコアとしたＳｉＮ導波路に置き換える研究開発も盛んになってきている。
特開２０１７－１９１１５８号公報
しかしながら、従来の技術では、ＳｉＯＮ光導波路を用いた集積モジュールの構造や作製方法を、ＳｉＮ光導波路とＧｅフォトダイオードの集積モジュールに適用しようとすると、以下のような課題があることが明らかになった。
まず、ＳｉＮは、ＳｉＯＮに比べ屈折率が高い（ＳｉＮ：～２、ＳｉＯＮ：～１．５）ため、通信波長帯でシングルモード条件を満たすＳｉＮ光導波路のコア厚は０．４～０．６μｍとなり、ＳｉＯＮ光導波路の場合の２．０～３．０μｍに比べるとかなり薄くなる。また、ＳｉＮコアの厚さは、フォトダイオードを形成するＧｅ膜の厚さ（約１μｍ）よりも薄い。
ここで、ＳｉＯＮを用いた従来の技術では、コアとする１層目のＳｉＯＮ層を形成し、この上に選択成長マスクを形成し、この状態でＧｅを選択成長し、選択成長マスクをドライエッチングで除去した後、コアとする２層目のＳｉＯＮ層を形成し、コアとする層を所望とする厚さにする。ＳｉＯＮを用いる従来の技術では，コア厚３μｍ程度としているが、ＳｉＮを用いる場合、前述したように、コア厚を０．４～０．６μｍとするため、上述した従来の技術を適用しようとすると、成膜とエッチングにおいて厚さ制御の余裕が小さく、特性の良い光導波路を再現性良く作製することが難しいという問題がある。
また、従来技術では、Ｇｅフォトダイオードに接続している光導波路を構成するＳｉコアの上に、厚さ３μｍ程度のＳｉＯＮコアを配置している。これに対し、厚さ０．４～０．６μｍと薄いＳｉＮコアとする場合、下側のＳｉコアの存在による段差が無視できなくなり、ＳｉＮコアによる光導波路の特性に影響がでるという課題も明らかになった。
さらに、酸素を含まないＳｉＮを材料とする場合、Ｇｅ選択成長中に、ＳｉＮが露出していると、この部分にＧｅが付着し、結果として、導波路損失を増加させるという課題もある。これらのように、従来の技術では、ＳｉＮからなるコアによる光導波路とＧｅ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することが、容易ではないという問題があった。
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、ＳｉＮからなるコアによる光導波路とＧｅ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。
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、窒化シリコンコアからなる窒化シリコン光導波路がこれらの順に光学的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第１工程と、下部クラッド層の上にシリコン層を形成する第２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第３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、酸化シリコンからなる第１酸化シリコン層を形成する第４工程と、第１酸化シリコン層の上に、窒化シリコンからなる窒化シリコン層を形成する第５工程と、窒化シリコン層の、第１領域および第１領域に連続する第２領域の一部を除去し、第１酸化シリコン層を露出させる第６工程と、第６工程の後で、第１酸化シリコン層および窒化シリコン層の上に酸化シリコンからなる第２酸化シリコン層を形成する第７工程と、下部シリコンパターンの上部の、第２酸化シリコン層および第１酸化シリコン層に開口部を形成する第８工程と、第２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第９工程と、第２酸化シリコン層および窒化シリコン層をパターニングして、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、窒化シリコンコアを形成し、窒化シリコンコアの上に第２酸化シリコン層の一部が配置された状態とする第１０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第１１工程とを備える。
上記光モジュールの製造方法の一構成例において、窒化シリコン層は、ＳｉＤ4、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。
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、シリコンコアを覆って下部クラッド層の上に形成された、酸化シリコンからなる第１酸化シリコン層と、第１酸化シリコン層の上の、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窒化シリコンコアと、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第２酸化シリコン層と、第２酸化シリコン層の上に、ゲルマニウムフォトダイオード、および第２酸化シリコン層を覆って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、窒化シリコンコアからなる窒化シリコン光導波路がこれらの順に光学的に接続した状態に形成されている。
上記光モジュールの一構成例において、第２酸化シリコン層は、窒化シリコンコアを覆って形成されている。
上記光モジュールの一構成例において、第２領域において、窒化シリコンコアは、シリコンコア上に重なるように配置されている。
上記光モジュールの一構成例において、シリコンコアの第３領域の側の先端部、および窒化シリコンコアの第１領域の側の先端部の少なくとも一方は、先端に向けて先細りとされている。
上記光モジュールの一構成例において、窒化シリコンコアに含まれている水素は、重水素とされている。
以上説明したことにより、本発明によれば、ＳｉＮからなるコアによる光導波路とＧｅ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。
図１は、本発明の実施の形態に係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。 図２Ａは、本発明の実施の形態に係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２Ｂは、本発明の実施の形態に係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２Ｃは、本発明の実施の形態に係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２Ｄは、本発明の実施の形態に係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２Ｅは、本発明の実施の形態に係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２Ｆは、本発明の実施の形態に係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２Ｇは、本発明の実施の形態に係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２Ｈは、本発明の実施の形態に係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２Ｉは、本発明の実施の形態に係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２Ｊは、本発明の実施の形態に係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２Ｋは、本発明の実施の形態に係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２Ｌは、本発明の実施の形態に係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３は、本発明の実施の形態に係る他の光モジュールの構成を示す平面図である。
以下、本発明の実施の形態に係る光モジュールについて図１を参照して説明する。
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、シリコンコア１２１を覆って下部クラッド層１０１の上に形成された酸化シリコンからなる第１酸化シリコン層１０２とを備える。
また、第１酸化シリコン層１０２の上の、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窒化シリコンコア１２２と、窒化シリコンコア１２２の上に形成された、酸化シリコンからなる第２酸化シリコン層１０３と、第２酸化シリコン層１０３の上に、ゲルマニウムフォトダイオード１１０ａ、および第２酸化シリコン層１０３を覆って形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層１０４を備える。第２領域１２０において、窒化シリコンコア１２２は、シリコンコア１２１上に重なるように配置されている。なお、第２酸化シリコン層１０３は、クラッドとして機能する。第２酸化シリコン層１０３は、窒化シリコンコア１２２を覆って形成されている。また、ゲルマニウムパターン１１２の側面は、第１酸化シリコン層１０２および第２酸化シリコン層１０３で覆われている。窒化シリコンコア１２２は、第２酸化シリコン層１０３に覆われ、ゲルマニウムパターン１１２の側面は、第１酸化シリコン層１０２および第２酸化シリコン層１０３で覆われ、窒化シリコンコア１２２とゲルマニウムパターン１１２とは、接触することなく分離されている。
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型とすることができる。
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１０４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。窒化シリコンコア１２２は、断面が幅１．０～１．２μｍ、高さ０．５～０．６μｍ程度に形成されている。第２酸化シリコン層１０３は、第１領域で厚さ１μｍ程度とされている。また、シリコンコア１２１が形成されている第２領域１２０のシリコン光導波路は、光導波路長が２００～５００μｍ程度とされている。
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することもできる。
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、窒化シリコンコア１２２からなる光導波路がこれらの順に光学的に接続した状態に、シリコン基板１００の上にモノリシックに形成されている。
なお、上部シリコンパターン１１３の上の、第２酸化シリコン層１０３および上部クラッド層１０４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１１４を備える。また、上部クラッド層１０４、および第２酸化シリコン層１０３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１１５を備える。
この光モジュールでは、まず、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、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。
このように、実施の形態によれば、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、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。
次に、本発明の実施の形態に係る光モジュールの製造方法について、図２Ａ～図２Ｌを用いて説明する。図２Ａ～図２Ｋは、本発明の実施の形態に係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。
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（第１工程）、下部クラッド層１０１の上にシリコン層２０１を形成する（第２工程）。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。
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（第３工程）。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、パターンを形成した後に、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型とすることができる。
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酸化シリコン層１０２を形成する（第４工程）。例えば、プラズマＣＶＤ法により、酸化シリコンを堆積し、堆積した酸化シリコンの膜を研磨もしくはエッチングすることで、シリコンコア１２１による段差を解消し、薄膜化および平坦化することで、第１酸化シリコン層１０２が形成できる。
次に、図２Ｄに示すように、第１酸化シリコン層１０２の上に、窒化シリコン層２０２を形成する（第５工程）。窒化シリコン層２０２は、重水素シラン（ＳｉＤ4），Ｎ2、Ａｒの混合ガスを用いたＥＣＲプラズマＣＶＤ法によって堆積する。ＥＣＲプラズマＣＶＤ法を用いることで、基板加熱を必要とせずに、高品質な窒化シリコンが堆積できる。また、ＳｉＤ4ガスを用いることで、窒化シリコンに取り込まれる水素は重水素が主となるため、この後で形成される窒化シリコンコア１２２で、低損失な光導波路が実現できる。
次に、窒化シリコン層２０２の、第１領域１１０、および第１領域１１０に連続する第２領域１２０の一部を除去し、図２Ｅに示すように、この領域の第１酸化シリコン層１０２が露出する窒化シリコン層２０２ａを形成する（第６工程）。例えば、よく知られたフォトリソグラフィーおよびエッチング技術により、窒化シリコン層２０２をパターニングすることで、窒化シリコン層２０２ａが形成できる。また、よく知られたリフトオフ法により窒化シリコン層２０２ａが形成を形成することができる。例えば、図２Ｄでは省略しているが、窒化シリコン層２０２ａを形成する箇所以外の領域に、フォトリソグラフィー技術によりリフトオフマスクを形成する。次に、このリフトオフマクスを形成した第１酸化シリコン層１０２の上に窒化シリコン層２０２を形成する。この後、リフトオフマクスを除去することで、窒化シリコン層２０２ａが形成できる。
次に、図２Ｆに示すように、窒化シリコン層２０２ａおよび露出した第１酸化シリコン層１０２の上に、酸化シリコンからなる第２酸化シリコン層２０３を形成する（第７工程）。
次に、図２Ｇに示すように、下部シリコンパターン１１１の上部にあたる第１酸化シリコン層１０２および第２酸化シリコン層２０３に、開口部２０３ａを形成する（第８工程）。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２０３ａが形成できる。開口部２０３ａは、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２０３ａを形成した後に、マスクパターンは除去する。
次に、図２Ｈに示すように、第２酸化シリコン層２０３を選択成長マスクとして用い、開口部２０３ａ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２０３ａ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、第２酸化シリコン層１０３の上には、ゲルマニウムが堆積しない。
次に、図２Ｉ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。例えば、ゲルマニウムパターン１１２の部分を含めて第２酸化シリコン層２０３の上に、シリコン層を形成する。このシリコン層を、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、シリコンパターンを形成する。次に、イオン注入により、形成したシリコンパターンに不純物を導入し、第２導電型（例えば、ｎ型）とすることで、上部シリコンパターン１１３が形成できる。
なお、上記不純物の導入において、ゲルマニウムパターン１１２の一部にまで不純物を導入し、ゲルマニウムパターン１１２の上層部分をｎ型とすることもできる。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、ゲルマニウムパターン１１２のｎ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ｎ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。なお、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。
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（第９工程）。なお、ゲルマニウムパターン１１２の上層部を第２導電型（例えばｎ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。
次に、図２Ｊに示すように、第２酸化シリコン層２０３の上に、レジストパターン２０４を形成する。例えば、よく知られたフォトレジストを塗布して塗布膜を形成し、形成した塗布膜をフォトリソグラフィーによりパターニングすることで、レジストパターン２０４が形成できる。次に、レジストパターン２０４をマスクとして、第２酸化シリコン層２０３および窒化シリコン層２０２ａを連続的に、また、選択的にエッチングする。
このパターニング処理により、図２Ｋに示すように、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、窒化シリコンコア１２２を形成し、窒化シリコンコア１２２の上に第２酸化シリコン層１０３の一部が配置された状態とする（第１０工程）。なお、図２Ｋは、レジストパターン２０４を除去した後の状態を示している。
次に、第１酸化シリコン層１０２、ゲルマニウムフォトダイオード１１０ａ、および第２酸化シリコン層１０３シリコンコア１２１の上に、例えばＳｉＯ2を堆積し、図２Ｌに示すように、上部クラッド層１０４を形成する（第１１工程）。
上部クラッド層１０４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、形成（堆積）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１０４が形成できる。
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からなる光導波路、窒化シリコンコア１２２からなる光導波路がこれらの順に光学的に接続した状態となる。この後、上部クラッド層１０４にコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールの電極材料を充填することなどにより、図１を用いて説明した、コンタクト配線１１４、およびコンタクト配線１１５を形成する。
ここで、上述した窒化シリコン層の形成では、次に示すことが重要となる。窒化シリコン層に水素（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、窒化シリコン層は、Ｈを含ませないことが重要となる。
この条件を満足するため、窒化シリコン層は、水素を重水素化した重水素シラン（ＳｉＤ4）と窒素（Ｎ2）とを少なくとも含むガスを原料ガスとし、ＥＣＲプラズマを用いたＣＶＤ法を用いて形成する。ＥＣＲプラズマＣＶＤによれば、ガスの分解効率が高いことで、ＳｉＤ4、Ｎ2のガス系で水素Ｈを含まない窒化シリコンが堆積できる。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、高品質で密着性の良い窒化シリコンを基板の上に堆積することができる。
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を含まない窒化シリコンが堆積できるため、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窒化シリコン層による窒化シリコンコアが形成できる。ＳｉＤ4ガスを用いるので、重水素が窒化シリコン層（窒化シリコンコア）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。
本実施の形態によれば、ゲルマニウム成長の前に、窒化シリコンコアとなる窒化シリコン層を段差のない平坦な第１酸化シリコン層の上に形成するので、設計値通りの厚さを持った窒化シリコン層を形成できる。
また、本実施の形態によれば、第２酸化シリコン層を選択成長マスクとしてゲルマニウムを成長し、選択成長マスクとした第２酸化シリコン層を除去することなく、第２酸化シリコン層と窒化シリコン層とを連続してエッチングして窒化シリコンコアを形成している。従って、窒化シリコン層が、ゲルマニウムフォトダイオード形成工程におけるプラズマや洗浄薬品に触れることがない。
この結果、形状も品質も劣化することなく、窒化シリコン導波路単体で作製する場合と同等の、低損失な窒化シリコンコアによる光導波路が、ゲルマニウムフォトダイオードとの集積においても実現できる。この結果、シリコン光導波路と窒化シリコン光導波路とゲルマニウムフォトオードの同一基板上へのモノリシック集積が実現できた。
また、本実施の形態では、窒化シリコン層をＳｉＤ4ガスとＮ2ガスとを用いた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。
なお、上述した実施の形態では、図１の（ｂ）に示すように、シリコンコア１２１の第３領域１３０の側の先端部を、先端に向けて先細りテーパ形状とした例を示したが、これに限るものではない。例えば、図３に示すように、窒化シリコンコア１２２ａの第１領域１１０の側の先端部を、先端に向けて先細りとすることもできる。また、シリコンコアは、先細りとせず、窒化シリコンコアだけ先端を先細りテーパとしても同様な特性の集積モジュールを作ることができる。両方のコアとも先端を先細りテーパとすると、２つの光導波路の結合効率は高くできる。
以上に説明したように、本発明によれば、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。
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、クラッド層を形成することもできる。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。
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することもできる。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。
１００…シリコン基板、１０１…下部クラッド層、１０２…第１酸化シリコン層、１０３…第２酸化シリコン層、１０４…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、１１４…コンタクト配線、１１５…コンタクト配線、１２０…第２領域、１２１…シリコンコア、１３０…第３領域。

Claims (7)

  1. 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、窒化シリコンコアからなる窒化シリコン光導波路がこれらの順に光学的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第１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第２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第３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、酸化シリコンからなる第１酸化シリコン層を形成する第４工程と、
    前記第１酸化シリコン層の上に、窒化シリコンからなる窒化シリコン層を形成する第５工程と、
    前記窒化シリコン層の、前記第１領域および前記第１領域に連続する前記第２領域の一部を除去し、前記第１酸化シリコン層を露出させる第６工程と、
    前記第６工程の後で、前記第１酸化シリコン層および前記窒化シリコン層の上に酸化シリコンからなる第２酸化シリコン層を形成する第７工程と、
    前記下部シリコンパターンの上部の、前記第２酸化シリコン層および前記第１酸化シリコン層に開口部を形成する第８工程と、
    前記第２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第９工程と、
    前記第２酸化シリコン層および前記窒化シリコン層をパターニングして、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、前記窒化シリコンコアを形成し、前記窒化シリコンコアの上に前記第２酸化シリコン層の一部が配置された状態とする第１０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第１１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。
  2. 請求項１記載の光モジュールの製造方法において、
    前記窒化シリコン層は、ＳｉＤ4、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。
  3. シリコン基板と、
    前記シリコン基板の上に形成された酸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、
    前記シリコンコアを覆って前記下部クラッド層の上に形成された、酸化シリコンからなる第１酸化シリコン層と、
    前記第１酸化シリコン層の上の、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窒化シリコンコアと、
    前記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第２酸化シリコン層と、
    前記第２酸化シリコン層の上に、前記ゲルマニウムフォトダイオード、および前記第２酸化シリコン層を覆って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、前記窒化シリコンコアからなる窒化シリコン光導波路がこれらの順に光学的に接続した状態に形成されている
    ことを特徴とする光モジュール。
  4. 請求項３記載の光モジュールにおいて、
    前記第２酸化シリコン層は、前記窒化シリコンコアを覆って形成されていることを特徴とする光モジュール。
  5. 請求項３または４記載の光モジュールにおいて、
    前記第２領域において、前記窒化シリコンコアは、前記シリコンコア上に重なるように配置されていることを特徴とする光モジュール。
  6. 請求項５記載の光モジュールにおいて、
    前記シリコンコアの前記第３領域の側の先端部、および前記窒化シリコンコアの前記第１領域の側の先端部の少なくとも一方は、先端に向けて先細りとされている
    ことを特徴とする光モジュール。
  7. 請求項３～６のいずれか１項に記載の光モジュールにおいて、
    前記窒化シリコンコア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。
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