JPH0341404A - 光導波路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分封コ 本発明は半導体基板上に設けられた先導波路に関するも
のである。

［従来の技術］ プレーナ型光導波路は集積光学装置とオプトエレクトロ
ニクス装置との光学的な相互接続のために必要なもので
ある。プレーナ型光導波路を製造するプロセスは他の集
積装置を製造するのに用いられる半導体処理プロセスと
同様である。

プレーナ型先導波路は、基板の上に感光モノマを堆積し
、紫外線放射によりこの堆積されたモノマを選択的に露
光することによって製造されていた。紫外線放射は露光
されたモノマを重合し比較的に低い屈折率の領域の中に
比較的高〜）屈折率の領域を有するポリマを造る。ざら
にモノマ層は一般にポリマ層の上に部分的に堆積され、
表面の傷、汚れを防止するとともに、重合された領域か
ら光が漏れるのを防ぐ。

不幸にも、このプロセスで製造された光導波路は半導体
処理において用いられるような高温度中では不安定であ
る。したがって、光導波路が形成される前に高温処理を
終了していなければならない。さらに、このプロセスは
一般に２またはそれ以上の堆積処理過程を経なければな
らない。

プレーナ光導波路は半導体基板の上に第１のＳｉＯ２層
を堆積または成長させ、その上に５ｆＮＡ層を堆積し、
その」二に第２の５ｉ０２をｉ（１積し、その後第２の
ＳｉＯ２層の厚みの一部を選択的に除去することによっ
て製造されていた。選択された領域は下層の５ｉａＮａ
層の実効的な屈折率を低下させる。このプロセスは３つ
の堆積または成長の過程とＩっのエッチバック過程を必
要とする。これらの全ての過程は良好な結果を得るため
に慎重にコントロールされなければならない。

またシリコンベースのプレーナ先導波路はドープされて
いないＳｉＯ２の第１の層を半導体基板上に堆積または
成長させ、その上にＰドープされたＳｉＯ２層を堆積し
、そのＰドープされたＳｉＯ２層の領域を選択的に除去
し、ドープされていない５ｉ０２の第１の層を照射し、
照射されたＳｉＯ２の第１の層の領域の上およびその他
の残ったＰドープされたＳｉＯ２層の領域の上にドープ
されていない５１０２の第２の層を堆積させることによ
って製造されていた。

ＰドープされたＳｉＯ２層の領域はドープされていない
周囲の５ｉＣｈ領域よりも高い屈折率を示す。

このプロセスは前述したプロセスと同様に３つの堆積ま
たは成長の過程と１つのエッチバック過程を必要とする
。これらの全ての過程は良好な結果を得るために慎重に
コントロールされなければならない。

米国特許４，５８５．２９９において、ロバート　Ｊ。

ストレイン（Ｒｏｂｅｒｔ　Ｊ、５ｔｒａｉｎ）はシリ
カベースのプレーナ光導波路の製造方法を開示している
。その方法ではボロン、リン、ヒ素、ゲルマニウムが第
１のマスクを通じてシリコン基板の中に注入され、その
基板は第２のマスクを通じて酸化され、注入されたドー
パント（添加不純物）と一体化し、パターン化されたＳ
ｉＯ２ができる。この注入ドーパントはＳｉＯ２層の光
導波路となる中央領域の屈折率を増加させる。この特許
は酸化成長の間、ドーパントの移動が問題となるかもし
れないことを示唆している。

またシリコンベースのプレーナ光導波路は、半導体基板
上にＳｉＯ２層を堆積または成長させ、水素またはボロ
ンイオンと一緒にＳｉＯ２を選択的に射出し、比較的低
い屈折率で囲まれた領域中に比較的高い屈折率を有する
領域を形成することによって製造されていた。注入処理
は部分的に８１０２の密な領域を造り、５１０２の屈折
率を部分的に増加させる。また、注入された水素または
ボロンイオンは注入された５ｉ０２の屈折率を修正する
ことができる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、不幸にも、もし先導波路が何回も高温熱
処理過程に置かれる場合は、５ｉ０２は密度が小さくな
り注入された水素またはボロンイオンはＳｉＯ２層中で
拡散によって分散する。５ｉ０２の低密度化と注入され
た水素またはボロンイオンの移動は注入過程で形成され
た高屈折率を低減させる。

したがって、すべての高温処理の過程は光導波路が形成
される前に終了しておかなければならないという問題点
があった。

本発明はこのような従来のプレーナ先導波路およびその
製造」二の問題点を解決するものである。

この発明の目的はシリコン基板と、その基板上に設けら
れた５ｉＯＪｌとにより光導波路を形成することにより
、光導波路の構造が簡単でかつ高温中でも屈折率が低下
しない先導波路を提供するものである。

さらにこの発明の他の目的はシリコン基板の上にＳｉＯ
２層を設け、この５１０２層にマスクを通じてイオン注
入をし、または、このＳｉＯ２層にイオン注入した後に
マスクをしてアニーリングにより注入したイオンを除去
する簡単な処理過程により光導波路を製造する方法を提
供するものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、前記問題点を解決するために、シリコン基板
と、その基板上に設けられた低屈折率の８１０２層と、
その低屈折率ＳｉＯ２層の中に形成されシリコンが過度
に含まれる高屈折率領域と設けた先導波路を形成するこ
とにある。

［作用コ 本発明では、以上のようにシリコン基板上に設けられた
低屈折率の５ｉ０２層の中に形成されシリコンが過度に
含まれる高屈折率領域を設けたためにこの領域が光導波
路として作用する。

［実施例コ 第１図は本発明の一実施例における光導波路の第１の製
造過程を示す断面図である。

第２図はイオン注入によって製造された光導波路の深さ
と屈折率との関係を図示したものである。

第３図は本発明の一実施例における光導波路の第２の製
造過程を示す断面図である。

第４図は本発明の一実施例における先導波路の斜視図を
示す。　図において光は屈折率の大きな部分を太線の矢
印の方向に進行する。

第５図は第２図における先導波路の深さと屈折率との関
係を立体的に図示したものである。

第６図は、本発明の一実施例における光導波路の深さと
屈折率との関係が、非ガウス屈折率となるように、異な
る注入エネルギで複数回のンリコンイオン注入を行った
場合の屈折率分布を示す図である。

第１図、第３図、第４図中、　１０は５ｉｄ２層、１１
は境界面、　１２はシリコン基板、　１４はＳｉ３Ｎ４
層、１６は照射のための開口窓、１８は注入イオンであ
る。

以下に本発明の一実施例における先導波路を製造する第
１の過程を第１図を用いて説明する。

第１図Ａに示すように、５ｉ０２層１０は、＜１００〉
シリコン基板１２を蒸気酸化させることによって成長す
る。蒸気酸化は大気圧下、９５０°Ｃの温度で行われ、
約７１０ｎｍ厚さのＳｉＯ２層を形成させる。

約２ミクロン厚の５ｉａＮａ層１４をＳｉ０２層１０の
」二に堆積し、従来の写真食刻の技術を用いて５ｉａＮ
ａ層１４に光導波路チャネルができるところに開口窓１
６を開ける。第１図Ｂに示される開口窓１６を有する構
造体は、従来のイオン注入装置中に挿入され、そこで注
入電圧４０Ｋｅｙ、　　シリコン注入ｆｆ１４Ｘ１０”
ｃｍ−２でシリコンイオンが注入される。　　５ｉａＮ
ａ［１４はイオン注入マスクとして動作し、開口窓Ｉ６
を通じてのみシリコンイオン１８を選択的にＳｉｇｈ層
１０層性０する。

Ｓｉ３Ｎ４層１４は従来の技術を用いることによって除
去され、第１図Ｃに示されるように過度（化学量論的過
度）のシリコンを含む注入領域２０を有して〜）る５ｉ
Ｏ２１１ｊｌ　１０が残される。

過度のシリコンを含むＳ　ｉｏ２層１０の深さ方向は第
２図、第５図に示すようにガウス分布関数に近い形とな
る。注入領域２０の屈折率は過度のシリコンの集中度に
比例して大きくなる。このように過度のシリコンが低屈
折率領域によって囲まれる高屈折率領域を形成し、これ
によって傾斜屈折率が実現される。

第２図の光導波路の深さと屈折率との関係は従来の偏光
解析屈折率測定法と従来のエッチバック技術を組み合わ
せて測定したものである。図において、横軸はＳｉ層と
ＳｉＯ２層との境界面１１からの距離を示す。縦軸は屈
折率を示す。この図においては境界面から６５０ｎｍ付
近で屈折率がガ９− ウス分布的に最大になっている様子が示される。

第６図においては異なる注入エネルギと異なる任意の注
入量で注入を行うことによって非ガウス屈折率が得られ
る。異なる注入マスクを通して連続的に注入を行い、５
ｉ０２層１０の異なる領域に異なる屈折率を得ることが
できる。

なお、光導波路を光ファイバまたは光装置と表面結合を
するため、共通の注入マスクによる一連の注入によって
、５１０２層１０の表面に広がった高屈折率の井戸を形
成することができる。

上述の過程によって製造された光導波路は不活性雰囲気
のなかで１１００°Ｃの温度で１２時間アニールしたが
、屈折率の変化を検出することはできなかった。この結
果によれば、５１０２の高密度のため、または高温度で
反転するメカニズムのためであるかも知れないが、わず
かに屈折率が上昇した。屈折率が上昇しているのは、高
温中で安定になる他のメカニズムによるものにちがいな
い。

すなわち、シリコン注入ＳｉＯ２の屈折率の増加は第１
には高温中で安定な５ｉ−８ｉ結合が生じ０− たものと考えられる。このように、上述の方法を用いた
不活性雰囲気中で行われる高温半導体処理過程によって
、光導波路の晶質を落とすことなく光導波路が構成され
る。

しかしながら、注入層を酸化雰囲気中で高温処理をする
と、注入により大きくなった屈折率が逆に小さくなる。

これは、高温下で過度の酸素の存在により注入の間に形
成されたＳ　ｉ　−８ｉ結合が崩壊し、より多くのＳｉ
Ｏ２が形成されるからであると考えられる。

上記の効果は、以下に説明する本発明の一実施例におけ
る先導波路を製造する第２の過程に用いることができる
。本発明の一実施例における光導波路を製造する第２の
過程を第３図を用いて説明する。

この第２の製造過程では、第１の製造過程と同様に、Ｓ
ｉＯ２層１０が形成される。第１の製造過程で用いた注
入マスクＳ＋３Ｎ４層１４は省略され、第３図Ａに示さ
れるように５１０２層１０全而にシリコ］１− ンイオンが注入され、第３図Ｂのような高屈折率層が形
成される。５ｉａＮａ層１４がＳｉＯ２層１ｏの上に堆
積され、その後従来の写真食刻法を用いて、第３図Ｂの
ように、光導波路を作りたいＳｉ０２層１゜の領域の上
のみに５ｉａＮａ層１４が残される。

その後、Ｓｉ３Ｎ４層１４が一部に残されりＳｉＯ２層
１０は酸化雰囲気下で加熱され、ＳｉＯ２層１０の領域
中に注入されたＳｉを酸化する。これによって、残され
たＳｉ３Ｎ４層１４で被覆されなかったＳｉ０２層１０
の領域のみにおいて、第３図Ｃに示されるように高屈折
率層が除去される。Ｓｉ３Ｎ４層１４は酸化防止膜とし
て働き、注入されたＳｉの酸化を防止し、光導波路を作
りたい領域の高屈折率層が消去されるのを防止する。

前述した過程は異なる方１ｉｊｌ性のシリコン基板上に
、異なる温度または圧力でＳｉＯ２層１０を成長させる
こともできる。厚いＳ　ｉ０２層１０が必要な場合は大
気圧を越える圧力をかけなければならない。

またＳｉＯ２層１０は、シリコン基板または■−Ｖ族半
導体のような材料の上に、化学蒸気地積のよ２ うな熱成長以外の処理によっても形成できる。

ＳｉＯ２層の厚さ、注入エネルギ、注入量を変えること
によって先導波路の深さ、屈折率を調整できる。例えば
、注入エネルギは３Ｋｅｖから４００Ｋｅｖ、注入量は
Ｉ　Ｘ　１０”ｃ　ｍ−２から２Ｘ１０’７ａｍ−２の
範囲を取り得る。

ポリシリコンまたはアルミニュウムのような他のマスク
材料が注入の間伐用されることもある。

マスクの厚さは選択された注入エネルギにおいて選択さ
れたマスク材料中でＳｉイオンが発射される範囲の少な
くとも３〜５倍になるように選択されるべきである。

また、上記実施例において、半導体基板上に低屈折率の
ＳｉＯ２層を形成し、そのＳｉＯ２層の中にシリコンイ
オンを注入し、低屈折率領域によって囲まれる高屈折率
領域を形成するため、−度の堆積または成長過程により
光導波路を製造することもきる。

なお請求項に記載した発明の構成以外の特１３ 機内な構成を以下に列挙する。

１、半導体基板と、その半導体基板上に設けられた低屈
折率のＳｉＯ２層と、その低屈折率５ｉ０２層の中に形
成されシリコンが過度に含まれる高屈折率領域が傾斜屈
折率を有する光導波路。

２、（１）においてシリコンが過度に含まれる領域の深
さ方向の屈折率の関数がガウス分布関数に近い光導波路
。

３、半導体基板上に低屈折率のＳｉｇｈ層を形成し、そ
のＳｉＯ２層の中にシリコンイオンを注入することによ
って、低屈折率領域によって囲まれる高屈折率領域によ
って光導波路を形成する光導波路の製造方法。

４、　　　（３）においてシリコン基板上の低屈折率の
５ＩＯｚ層を５ｔ０２成長によって形成する光導波路の
製造方法。

５、　　　（４）において蒸気酸化によって８１０２を
成長させる光導波路の製造方法。

６、　　　（５）において蒸気酸化が大気圧以上の圧力
下で行われる光導波路゛の製造方法。

＝１４− ７、　　　（３）において化学蒸気堆積によって、半導
体基板上に低屈折率のＳｉＯ２層を形成する光導波路の
製造方法。

８、　　　（３）においてＳｉＯ２層の上にシリコンイ
オンを注入したい領域が開口部になっているイオン注入
マスクを形成し、その開口部を通してＮ　　ＳｉＯ２層
の中にシリコンイオンを選択的に注入する先導波路の製
造方法。

９、　　（３）においてシリコンイオンの注入量がＩ　
Ｘ　１０”ａｍ”から２　Ｘ　１０１７ｃ　ｍ−２の範
囲で、注入エネルギが３　Ｋｅｖから４００　Ｋｅｖの
範囲で、５１０２層の中にシリコンイオンを注入する光
導波路の製造方法。

１０、　　（３）において光導波路を形成したいシリコ
ン注入ＳｉＯ２層領域の上に酸化防止マスクを形成し、
酸化雰囲気中でＳｉｇｈ層を加熱することによって、Ｓ
ｉＯ２層の照射された領域に注入されたシリコンを酸化
する光導波路の製造方法。

１１、　　（３）において酸化雰囲気を用いないで、１
０００℃以上の温度で注入されたイオンをアニール５− する光導波路の製造方法。

１２、　　（３）において非ガウシアン屈折率部を形成
するために、異なる注入エネルギで、複数回のシリコン
イオン注入を行う光導波路の製造方法。

１３、　　（１２）において複数回のシリコンイオン注
入が連続的におこなわれる光導波路の製造方法。

１４、　　（１３）において連続的なイオン注入が異な
るマスクを通じて行われる光導波路の製造方法。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、半導体基板上に
低屈折率の５１０２層を形成し、そのＳｉＯ２層の中に
シリコンイオンを注入し、低屈折率領域によって囲まれ
る高屈折率領域を形成するようにしたので、光導波路の
構造が簡単でかつ高温中でも屈折率が低下しない光導波
路が得られ、しかも簡単な処理過程により先導波路を製
造できる効果を有する。

６−

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における光導波路の第１の製
造過程を示す光導波路の断面図である。 第２図は本発明の一実施例における光導波路の深さと屈
折率との関係を示す断面図である。 第３図は本発明の一実施例における光導波路の第２の製
造過程を示す断面図である。 第４図は本発明の一実施例における光導波路の斜視図を
示す。 第５図は本発明の一実施例における先導波路の深さと屈
折率との関係を立体的に示す図である。 第６図は、本発明の一実施例における光導波路の深さと
屈折率との関係が、非ガウス屈折率分布を示す場合の図
である。 １０・・・ＳｉＯ２層、　１１・・・境界面、　１２・
・・シリコン基板、　１４・・・５ｉａＮ４層、　１６
・・・開口窓、　１８・・・注入イオン、２０・・・イ
オン注入部。 １７ ＦＩＧ、　ＩＡ ＼ ０ ５．５ ０ ５ ０ Ｓｔ　　　５ｉ０２境界面からの距離（ｎｍ）ｘｔｏ”
ＦＩＧ、旧 ＦＩＧ、　ＪＣ ＦＩＧ、　２ ＦＩＧ、　３Ａ 特開平３−４１４０４　（７） ＦＩＧ、　４ ＦＩＧ、　３Ｂ ↑ −旨一

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　半導体基板と、 その半導体基板上に設けられた低屈折率ＳｉＯ＿２層と
   、 その低屈折率ＳｉＯ＿２層の中に形成され、シリコンが
   過度に含まれる高屈折率領域と を有することを特徴とする光導波路。