JPH04506577A - エピタキシアルシリコン層中の低損失光導波路の製造方法 - 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】 エピタキシアルシリコン層中の低損失光導波路の製造方法この発明は、シリコン 基板中に集積電子回路を鋼えたシリコンデバイスのエピタキシアルシリコン層中 の低損失光導波路の製造方法に関する。

この種の方法は「オプティンクス　レターグー１第１３巻、第２号、１９８８年 、第１７５〜１７７ページに記載されている。シリコンデバイスのエピタキシア ルシリコン層中の光導波路のこの公知の製造方法の場合には、シリコン基板とエ ピタキシアルシリコン層との間にＳｉｎｇ又はＡｌ□０雪から成る絶縁層が設け られる。すなわちエピタキシアル瑠は「絶縁層上シリコンｊ　（Ｓｏｌ）材料か ら形成される。光導波路はこの公知の方法の場合に、詳細に「アイトリプルイー 　ジャーナル　オプ　クオンタム　エレクトロニクス」第ＱＥ−２２４、第１０ 号、１９８６年、第８７３〜８７９ページに記載されているように、いわゆるリ ッジ導波路がエツチングにより形成されることにより完成される。それにより側 面の導波が実現される。この方法により造られた先導波路の長所は、電界と光電 磁界との間の交互作用がキャリヤ注入により可能であるということにある。更に 導波路は非常に低損失であるので有利である。なぜならば減衰がｌｄＢ／ｃｍよ り小さいからである。しかしながらこの種の先導波路の製作はその製作のために 従来稀なＳｏｌ材料を使用しなければならないという点で困難をもたらす。

この発明のＳａＷは、比較的経済的な方法で低減衰の先導波路を集積構造で製造 できるような、シリコンデバイスのエピタキシアルシリコン層中の低損失先導波 路の製造方法を提供することにある。

この１ａｉａの解決のために前記の種類の方法においてこの発明に基づき、弱い ドーピングを育するエピタキシアルシリコン層がシリコン基板上に被覆され、シ リタキシアルシリコン層中へ拡散導入されることにより解決される。

この発明に基づく方法の長所は、広く用いられる物質を利用するゆえに経済的に 寞施でき、小さい減衰のほかに電界と光電磁界との間の相互作用がキャリヤ注人 により達成できる光導波路の入手が可能となるということにある。その際自由キ ャリヤによる付加損失は周期表のＩＶ族の元素を含む物質の利用により回避され る。エピタキシアルシリコン層の１０　”／　（ｍ”より小さいドーピングは光 導波路中に十分に小さい減衰をもたらす。

この発明に基づ（方法の場合に物質として周期表のＩＶ族の元素としてゲルマニ ウムを用いることができる。その際シリコンへのゲルマニウムの低い拡散係数の ゆえに約１２００“Ｃの高い処理温度が必要であり、この処理温度はゲルマニウ ムの融点を超えるということに注意すべきである。ゲルマニウムの融点は９３７ 　’Ｃである。その結果として事情によってはゲルマニウム・シリコン合金層に よる不均一性が生じ、この不均一性が導波路中の光波の吸収を招くおそれがある 。

これに関連して、この発明に基づく方法の別の実施態様の場合に、物質としてＧ ｅ、Ｓｉ　ｆｌ−ｍｌ　合金が用いられるのが特に有利である。その際この合金 はゲルマニウムより高い融点を有することに注意すべきである。そしてこの物質 により製造された光導波路は非常に均一に形成することができる。

この発明に基づく方法の場合に更に、物質が導波路の所望の形状に応して帯状に エピタキシアルシリコン層上に被覆されるのが有利であることが判明している。

このことは例えばホトレジストによる被覆の後にＧｅ＋＋Ｓｉ　（１−１１１合 金の蒸着により行うことができる。

この発明に基づく方法の場合に、物質が固体として又は融液としてエピタキシア ルシリコン層上に被覆されるかどうかに無関係に、導入拡散の前にエピタキシア ルシリコン層が物質を支持するその表面上に５ｉＯｚ被覆層を設けられるのが有 利である。

更にこの発明に基づく方法の場合に、シリコンデバイスが保護ガスのもとに数時 間拡散温度にさらされ、続いてＳｉＯ□被覆層がエツチング除去されるのが有利 である。

この発明の説明のために、第１図はゲルマニウム・シリコン状態図を示し、第２ 図ないし第７図はこの発明に基づく方法を個々の段階で示す。

第２図に示すように、シリコン基板ｌ上にはエピタキシアルシリコン層２が被覆 され、層２は十分に小さい減衰を得るために弱くドープされており、従って例え ば１０′＆／ｃｍ’より低いドーピングを有する。エビタキンアルシリコンｌ１ １２のシリコン基板ｌと反対側の表面３上には、設けようとする光導波路の形状 に相応するパターンでホトレジストｌ１Ｉ４が被覆される。その際ホトレジスト 層は公知の方法で第２図に示された内向きに引っ込んだ縁が得られる可逆性ホト レジストから成るのが有利である。これらの縁の負の傾斜は、この発明に基づく 方法を実施する場合に拡散源としての物質の被覆のために必要であるような、比 較的大きい層厚のパターン形成を可能にする。

そのように処理されたシリコンデバイス５力儂いて高真空設備中へ送り込まれ、 そこで真空エンチングにより表面浄化される。続いて高真空設備中で１０−’ｍ ｂａｒ以下の圧力でＧｅ、Ｓｉ　Ｈ−８９合金によるＩＩ着が行われ、それによ りこの種の合金から成る層６がホトレジスト層４上ばかりでなく、エピタキシア ルシリコン層２のホトレジストから露出された領域７上にも第３図に示すように 生じる。

その１ｌｌＦＧｅｔｓｉ　ｔｌ−＊＋金合金種々の方法で作ることができる。一 つの方法は、電子線がゲルマニウムを入れたるつぼとシリコンを入れたるつぼと の間で切り換え走査され、その際合金比Ｘが走査比率により３１１１節されるも のである。電子線切り換え走査は通常ＩＨｚの周波数により行われる。

しかし合金をゲルマニウムとシリコンの交互の層状構造により作ることもできる 。

例えばこの発明に基づく方法の枠内で、１％の屈折率増加を有する約３μｍの深 さのチャネルをエピタキシアルシリコン屡２中に作ることを考えると、そのため に純粋なゲルマニウム従って合金比ｘ＝１００％ゲルマニウムを有する物質を用 いる場合に、約５５ｎｍの物質の層厚が必要である。別の合金比Ｘに対しては層 厚をＸの逆数だけ高めるべきであり、従ってｘ＝１０％ゲルマニウムを有する合 金に対しては約５５０ｎｍＯ層厚を選択すべきである。

高真空設備中でのシリコンデバイス５の蓼着後にデバイスがこの設備から取り出 され、続いてホトレジスト層４の除去のために有Ｗ１溶媒にさらされ、その際除 去は場合によっては超音波投射により促進することができる。そのときエピタキ シアルシリコン層２の面３上にはＧｅｗｉｉ　１１−Ｍｌ　合金から成る帯８だ けが拡散源として残っている。そのように処理されたシリコンデバイス５が第４ 図に示されている。

続いてシリコンデバイス５が高周波スパッタリング設備により、エピタキシアル シリコン層２の物質又は拡散源を支持する表面３上にＳｉ０ｇ層９を被覆され、 層９に対しては約６００ｎｍの厚さが選ばれる（第５図参照）、その＠ｓｉｏ□ 層の充填密度向上のために、スパッタリング中に約２００　’Ｃヘシリコンデ／ ＜イス５の加熱を行うことができる。

続いてシリコンデバイス５が１２００℃の温度である時間例えば５０時間にわた り約０．　５　１／ｓｉｎの流量を有するアルゴン流のもとて拡散導入され、そ の結果シリコンデバイス５は第６図に示すような状態を有する。物質８がエピタ キシアルシリコン層２中へ拡散導入される。

最後の工程として５ｉＯｔ１９がフッ酸によりエツチング除去され、増加した屈 折率を有しゲルマニウムをＦ−プされたチャネル１０が、低損失光導波路として 第７図に示すようにシリコンデバイス５中に生しる。

既に述べたように拡散源として純粋なゲルマニウムでなく、融点が必要な拡散温 度１２００℃を超えるＧｅｍＳｉ　ｎ−＊＋金合金用いるのが特に有利である。

第１図に示す状態図から分かるように、この場合に合金のゲルマニウム含有量Ｘ をＸ〈３２％に選ばなければならない、しかし基本的に拡散源として固体及び融 液から成る混合物を用いることも可能である。この場合には第１図に示すように ｘ−３２％ないしｘ−６５％の合金比を有する合金も用いられる。更に拡散源と して純粋な融液を用いることもできる。

低損失単一モード導波路の製造のために、合金比ｘ−０，５，１６０ｎｍの合金 理工及びｂ−１０μｍの帯幅を育する合金が有利である。６９時間の拡散時間及 び１２００°Ｃの拡散温度の場合に、こうして７μｍの垂直寸法及び１１μｍの 水平寸法を育す□るスポットサイズが得られる。

ＩＧ　１ ＦＩＧ　２　ＦＩＧ　５ ＦＩ０３　ＦＩＧ　６ ＦＩＧ　４　ＦＩＧ　７ 国際調査報告 一一一一一一一一一−Ｑ　ＰＣＴ／ＤＩ！９０１００４９７国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．シリコン基板中に集積電子回路を有するシリコンデバイスのエピタキシアル シリコン層中の低損失光導波路の製造方法において、弱いドーピングを有するエ ピタキシアルシリコン層（２）がシリコン基板（１）上に被覆され、シリコンよ り高い屈折率実数部分を有する周期表のＩＶ族の元素を含む物質（８）が、エピ タキシアルシリコン層（２）中へ拡散導入されることを特徴とするエピタキシア ルシリコン層中の低損失光導波路の製造方法。 ２．物質としてゲルマニウムが用いられることを特徴とする請求の範囲１記載の 方法。 ３．物質（８）としてＧｅｘＳｉ（１−ｘ）合金が用いられることを特徴とする 請求の範囲１記載の方法。 ４．物質（８）が導波路の所望の形状に応じて帯状にエピタキシアルシリコン層 （２）上に被覆されることを特徴とする請求の範囲１ないし３の一つに記載の方 法。 ５．エピタキシアルシリコン層（２）が物質（８）を支持するその表面（３）上 にＳｉＯ２被覆層（９）を設けられることを特徴とする請求の範囲１ないし４の 一つに記載の方法。 ６．シリコンデバイス（５）が保護ガスのもとに数時間にわたり拡散温度にさら され、続いてＳｉＯ２被覆層（９）がエッチング除去されることを特徴とする請 求の範囲５記載の方法。