JPH0529298A

JPH0529298A - 薄膜構造素子の形成方法

Info

Publication number: JPH0529298A
Application number: JP3220521A
Authority: JP
Inventors: Masakane Aoki; 真金青木; Tami Isobe; 民磯部; Shunsuke Fujita; 俊介藤田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1990-09-18
Filing date: 1991-08-30
Publication date: 1993-02-05

Abstract

(57)【要約】【目的】大きいテーパー比を有し、効率の良い導波光結
合等を得られるテーパー構造を備えた薄膜構造素子の形
成方法を提供する。【構成】基板１３上にフッ酸系溶液によりエッチングさ
れる誘電体層１４を形成し、この誘電体層上にＳｉＨ₄
とＮＨ₃とＮ₂Ｏと不活性キャリアガスとを有する原料
ガスを用いてプラズマＣＶＤ法により誘電体層１４より
も大きなエッチレートを有するシリコンオキシナイトラ
イド層（ＳｉＯＮ層）１５を形成し、このＳｉＯＮ層上
にマスク１６を形成し、このマスクを用いてフッ酸系溶
液によってＳｉＯＮ層１５と誘電体層１４とを選択的に
エッチングすることによりテーパー構造を有する薄膜構
造素子を作製する。【効果】ＳｉＯＮ層のエッチレートが下地の誘電体層に
対して色々な値を選択できるため、テーパー比が１：１
から１：３０程度までの幅広いテーパー構造を有する薄
膜構造素子を形成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光集積回路におけるＴ
Ｅ，ＴＭモード分離素子や受光素子への導波光結合素子
等として用いられる薄膜構造素子の形成方法に関し、特
に、テーパー構造を有する薄膜構造素子の形成方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、テーパー構造を有する薄膜構造素
子が提案されており、光集積回路におけるＴＥ，ＴＭモ
ード分離素子や受光素子への導波光結合素子等として利
用されている。例えば、光導波路から受光素子や、膜厚
・屈折率の異なる他の光導波路に導波光を損失を少なく
して滑らかに導くものとして、テーパー型の導波路構造
素子がある。第一の従来例として、そのテーパー型の導
波路構造素子としては、ＩＥＥＥ、Ｊ．Ｑ．Ｅ．，ＱＥ
−２２、８４５（１９８６）に、「Ｉntegrated Ｏpti
csＣomponents and Ｄevices Ｕsing Ｐeriodic
Ｓtructures」として開示されているものがある。これ
は、光導波路からテーパー型の導波路構造素子を介し
て、光導波路とモノリシックに形成された受光素子に光
を導くようにしたものであり、テーパー型とすることに
より導波光の損失を少なくするようにしている。

【０００３】ここで、図１２はテーパー構造による受光
素子部への導波光結合の様子の具体例を示すものであ
る。先ず、図１２（ａ）では、Ｓｉ基板１上に受光素子
２を形成し、その表面にバッファ層（熱酸化膜）３を形
成し、このバッファ層３の表面にこれよりもエッチレー
トの大きい図示しない高エッチレート層を積層し、さら
に、この表面に受光素子２の上部に図示しないフォトレ
ジストが残るように形成する。そして、ウェットエッチ
ングによってバッファ層３と高エッチレート層とのエッ
チレート差を利用して、バッファ層３をテーパー状に形
成した後、高エッチレート層を除去し、次にテーパー状
に形成されたバッファ層３上に導波光４の通過する光導
波路層５を積層するようにしたものである。また、図１
２（ｂ）では、バッファ層（熱酸化膜）３をＬＯＣＯＳ
法を用いて形成し、その時にできるバースビーク部分の
テーパーを受光素子２への導波光４の結合に利用するよ
うにしたものである。しかしながら、上述したような２
種のテーパー形状の形成方法の場合、テーパー比は１：
５程度までしか得ることができない。

【０００４】次に、第二の従来例として、平成元年春季
第３６回応物学会予稿集１ａ−ＰＢ−９に「テーパー型
導波路の対向重畳によるスポットサイズ変換器（ＳＳ
Ｔ）の低損失化」として開示されているものがある。こ
の従来例では、膜厚・屈折率の異なる光導波路間をテー
パー型の導波路構造素子で結合することにより光損失を
なくして導波光を結合させることができる。図１３は、
その具体例を示すものであり、テーパー形成方法として
シャドウマスク法を用いて作製する場合の様子を示すも
のである。これは、基板６上に光導波路７，８をスパッ
タ法、ＣＶＤ法等のステップカバレッジの良い成膜法で
形成する時に、その基板６上にシャドウマスク９，１０
を設置して、シャドウマスク端への反応種Ａの回り込み
によりテーパーを形成する方法である。すなわち、図１
３（ａ）において、一方の光導波路１１の端をテーパー
状に形成し、次に、図１３（ｂ）でシャドウマスク端を
光導波路１１のテーパー端に合わせて、次の光導波路１
２をテーパー状に形成する。このような作製方法では、
テーパー比約１：５が得られており、テーパー比が小さ
い時は、テーパー端での導波損失が大きいことが示され
ている。また、上述したような導波路構造素子以外にテ
ーパー形状の素子を作製した例としては、第三の従来例
として、特開昭５７−１８３２７号公報に「半導体装置
の製造方法」として開示されているものがある。これ
は、半導体の配線技術において、コンタクトホール等の
段差部の形状をテーパー状に形成することによって配線
材の断線を防止することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述したような第一の
従来例（図１２参照）や、第二の従来例（図１３参照）
で示したような３種類のテーパー形成方法では、テーパ
ー比が約１：５程度しか得られない。光導波路素子の場
合、この程度のテーパー比では、テーパー部分での導波
損失が大きく、また、場合によっては、テーパー部で導
波光のモード変換が起こり、その変換したモードは等価
屈折率が当初設計した値と異なるため、当初設計した光
路を導波しなくなる等の問題が生じる。また、シャドウ
マスク法では、位置決め精度が得られないという問題も
ある。上述したように、光導波路素子では、導波損失や
不必要なモード変換を抑え、効率の良い導波光結合を実
現するためには、より大きなテーパー比を有する光導波
路層のテーパー形成方法が必要であり、しかも、フォト
リソグラフィー法と同程度の位置決め精度も必要とされ
るが、従来の方法においては、何れの場合にもこのよう
な問題は解決されていない。

【０００６】また、第三の従来例の方法では、図１２
（ａ）と同様に、段差部を形成する絶縁被膜層上にプラ
ズマ堆積法によりＰ−Ｓｉ₃Ｎ₄膜を形成し、前記絶縁被
膜層に対するＰ−Ｓｉ₃Ｎ₄膜のＢＨＦに対するエッチレ
ートが最大約６倍まで変化させ得ることを利用して、段
差部にテーパーを形成している。しかし、この方法を光
導波路のテーパー形成に応用しても、そのテーパー比
は、そのエッチレート差程度しか作り得ず、光導波路層
のテーパー比としては、前述した第一及び第二の従来例
と同様に不十分である。本発明は上記事情に鑑みてなさ
れたものであって、従来技術による問題点を解決し、効
率の良い導波光結合が得られ、また、フォトリソグラフ
ィー法と同程度の位置決め精度も得られ、且つ、極端に
大きいテーパー比を有するテーパー構造をも形成可能な
薄膜構造素子の形成方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明では、基板上にフッ酸系溶液に
よりエッチングされる誘電体層を形成し、この誘電体層
上にＳiＨ₄とＮＨ₃ とＮ₂Ｏと不活性キャリアガスとを
有する原料ガスを用いてプラズマＣＶＤ法により前記誘
電体層よりも大きなエッチレートを有するシリコンオキ
シナイトライド層を形成し、このシリコンオキシナイト
ライド層上にマスクを形成し、このマスクを用いて前記
フッ酸系溶液によって前記シリコンオキシナイトライド
層と前記誘電体層とを選択的にエッチングすることによ
り、テーパー構造を有する薄膜構造素子を作製するよう
にした。また、請求項２記載の発明では、基板上にＳi
Ｈ₄とＮＨ₃ とＮ₂Ｏと不活性キャリアガスとを有する
原料ガスを用いてプラズマＣＶＤ法によりシリコンオキ
シナイトライド層からなる光同ハロ層を形成し、この光
導波路層上に前記原料ガスを用いてプラズマＣＶＤ法に
より前記光導波路層よりも低温又は低電力、若しくは、
低温かつ低電力の成膜条件でシリコンオキシナイトライ
ド層を形成し、このシリコンオキシナイトライド層上に
マスクを形成し、このマスクを用いてフッ酸系溶液によ
って前記光導波路層と前記シリコンオキシナイトライド
層とを選択的にエッチングすることにより、テーパー構
造を有する薄膜構造素子を作製するようにした。

【０００８】請求項３記載の発明では、基板上に第一薄
膜層を形成し、この第一薄膜層上にこれと同一のエッチ
ング溶液に対するエッチレートが前記第一薄膜層よりも
大きくしかもその第一薄膜層よりも膜厚の厚い第二薄膜
層を形成し、この第二薄膜層上にマスクを形成し、この
マスクを用いて前記エッチング溶液によって前記第一薄
膜層と前記第二薄膜層とを選択的にエッチングすること
により、テーパー構造を有する薄膜構造素子を作製する
ようにした。また、請求項４記載の発明では、基板上に
フッ化水素酸を水で希釈してなるフッ酸系溶液によりエ
ッチングされる第一薄膜層を形成し、この第一薄膜層上
に前記フッ酸系溶液によりエッチングされる前記第一薄
膜層よりもエッチレートの大きい第二薄膜層を形成し、
この第二薄膜層上にマスクを形成し、このマスクを用い
て前記フッ酸系溶液によって前記第一薄膜層と前記第二
薄膜層とを選択的にエッチングすることにより、テーパ
ー構造を有する薄膜構造素子を作製するようにした。ま
た、請求項５記載の発明では、基板上にフッ酸系溶液に
よってエッチングされる第一薄膜層を形成し、この第一
薄膜層上に前記フッ酸系溶液によりエッチングされる前
記第一薄膜層よりもエッチレートの大きい第二薄膜層を
形成し、この第二薄膜層上にマスクを形成し、このマス
クを用いて前記フッ酸系溶液によって前記第一薄膜層と
前記第二薄膜層とを選択的にエッチングすることによ
り、テーパー構造を有する薄膜構造素子を作製する薄膜
構造素子の形成方法において、前記フッ酸系溶液として
界面活性剤を添加したフッ酸系溶液を用いることを特徴
とした。

【０００９】

【作用】請求項１記載の発明によれば、シリコンオキシ
ナイトライド層のエッチレートがその下地の誘電体層に
対して各種値を選択できるため、エッチレート差に応じ
てテーパー比が１：１から約１：３０程度までの幅広い
テーパー形状部を有する薄膜構造素子を形成することが
できる。請求項２記載の発明によれば、シリコンオキシ
ナイトライド層のエッチレートがその下地の光導波路層
に対して各種色々な値を選択できるため、エッチレート
差に応じてテーパー比が１：１から約１：３０程度まで
の幅広いテーパー形状部を有する薄膜構造素子を形成す
ることができ、効率の良い導波路結合を達成することが
可能となり、また、光導波路層とその上層のシリコンオ
キシナイトライド層とが同一の成膜装置で連続的に形成
できるため、生産性の向上を図ることができる。請求項
３記載の発明によれば、エッチング溶液の反応界面への
供給が不足とならないようにしているため、テーパー比
の大きなテーパー形状に形成することができる。請求項
４記載の発明によれば、フッ酸系溶液の染み込み効果を
大きくしているため、テーパー比の一段と大きなテーパ
ー形状を形成することができる。請求項５記載の発明に
よれば、フッ酸系溶液として界面活性剤を添加したフッ
酸系溶液を用いることにより、エッチング溶液の反応界
面への供給が不足とならないので、さらにテーパー比の
大きなテーパー形状を形成することができる。

【００１０】

【実施例】先ず、請求項１記載の発明の一実施例を図１
（ａ）〜（ｃ）に基づいて説明する。以下、本実施例に
おける薄膜構造素子の形成方法を順次述べる。図１
（ａ）において、基板としての半導体基板１３上に誘電
体層としてのＳｉＯ₂ 層１４を熱酸化法により形成す
る。このＳｉＯ₂ 層１４はフッ酸系溶液によりエッチン
グ可能とされている。このＳｉＯ₂ 層１４上に、原料ガ
スとしてＳｉＨ₄、ＮＨ₃、Ｎ₂Ｏ、不活性キャリアガス
を用いたプラズマＣＶＤ法により前記ＳｉＯ₂ 層１４よ
りも大きなエッチレートを持つシリコンオキシナイトラ
イド層１５（以下、ＳｉＯＮ層と呼ぶ）を積層する。こ
のＳｉＯＮ層１５上に、フォトリソグラフィー技術によ
りマスクとしてのフォトレジスト層１６を所望のパター
ン形状に形成する。この場合、プラズマＣＶＤ法で形成
されたＳｉＯＮ層１５のＢＨＦ（ＨＦ：ＮＨ₄Ｆ：Ｈ₂Ｏ
＝１：１０：１６、容積比）のエッチレートは、図７及
び図８に示すように変化することが我々の実験結果より
見出されている。但し、図７、図８において、成膜条件
は、ａ：高周波出力５０Ｗ、基板温度２００℃でのエッチレ
ートｂ：高周波出力１５０Ｗ、基板温度２００℃でのエッチ
レートｃ：高周波出力１００Ｗ、基板温度３００℃でのエッチ
レートｄ：熱ＳｉＯ₂ 層のエッチレートｅ：高周波出力１００Ｗ、基板温度３５０℃でのエッチ
レートである。尚、図７の横軸はＳｉＯＮ層１５の屈折率を示
すものである。このように従来のプラズマＣＶＤ法によ
るシリコンナイトライドのエッチレートよりも大きなエ
ッチレートが得られ、また、成膜条件を変えることによ
り、色々なエッチレートを有するＳｉＯＮ層１５が得ら
れることが見出されるため、従来よりも極端に大きなテ
ーパー形状を得ることができる。

【００１１】次に、図１（ｂ）において、フォトレジス
ト層１６をマスクとしてフッ酸系溶液でエッチングする
と、図７からわかるように、熱酸化ＳｉＯ₂ 層１４のエ
ッチレート（約５００Å／ｍｉｎ）に比べＳｉＯＮ層１
５のエッチレートは大きいため、テーパー比として１：
１〜約１：３０程度までのテーパー比を有するテーパー
形状を得ることができる。その後、フォトレジスト層１
６を除去し、ＳｉＯＮ層１５を薄いフッ酸系溶液で除去
する。この時、熱酸化ＳｉＯ₂ 層１４もエッチングさ
れ、そのテーパー形状が後退するが、ＳｉＯ₂ 層１４と
ＳｉＯＮ層１５とのエッチレート比が大きい場合には、
熱酸化ＳｉＯ₂ 層１４のパターン後退量はパターン寸法
に比べ極くわずかである。尚、ＳｉＯＮ層１５は除去せ
ずに残してもよい。次に、図１（ｃ）において、熱拡散
法またはイオン注入法等により拡散層１７を形成し、そ
の表面に配線層１８を積層する。このようにして形成さ
れた配線層１８は、段差部の傾斜が緩やかなため、その
部分で断線を起こすことなく良好な配線を得ることがで
きる。

【００１２】次に請求項１記載の発明の変形例を図２
（ａ）〜（ｄ）に基づいて説明する。ここでは、前述の
第一の従来例（図１２参照）でも述べたように、導波光
を受光素子へ効率良く結合させるために、受光素子の周
囲にテーパー形状を形成する場合に適用するものであ
る。図２（ａ）に示すように、先ず、ｎ+ 型Ｓｉ基板１
９上に真性半導体（ｉ）に近い低濃度（高抵抗）のｎ-
型Ｓｉ層２０が形成され、その一部に受光素子としての
ｐ+ 型Ｓｉ層２１が形成されてなる半導体基板１３上に
熱酸化法によりＳｉＯ₂ 層１４を形成し、その表面に原
料ガスとしてＳｉＨ₄、ＮＨ₃、Ｎ₂Ｏ、不活性キャリア
ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によりＳｉＯＮ層１５を
積層する。このＳｉＯＮ層１５の表面にフォトリソグラ
フィー技術によって、ｐ+ 型Ｓｉ層２１に合わせてフォ
トレジスト層１６のマスクを形成する。次に、図２
（ｂ）に示すように、フッ酸系溶液でエッチングする
と、ＳｉＯＮ層１５の方がＳｉＯ₂ 層１４よりもエッチ
レートが大きいためＳｉＯ₂ 層１４にテーパー形状が形
成される。この時、ｐ+ 型Ｓｉ層２１の上部のＳｉＯ₂
層１４は完全には除去されない。その後、フォトレジス
ト層１６、ＳｉＯＮ層１５を除去する。

【００１３】次に、図２（ｃ）に示すように、ｐ+ 型Ｓ
ｉ層２１の上部に残ったＳｉＯ₂ 層１４にコンタクトホ
ールを設け、その上部に配線層２２を形成し、また、裏
面側に電極２３を形成する。この場合、配線層２２は、
テーパー形状をした段差部が緩やかなため、断線を起こ
すようなことがなく良好な配線が得られる。次に、図２
（ｄ）に示すように、そのＳｉＯ₂ 層１４の上部に光導
波路層２４をＣＶＤ法、スパッタ法等により形成する。
この時、その光導波路層２４の屈折率ｎａがＳｉＯ₂ 層
１４の屈折率ｎｂ（≒１．４６）より大きく（ｎａ＞ｎ
ｂ）なるように設定する。ここで図７、図８に示すよう
に、ＳｉＯＮ層１５のエッチレートは、ＳｉＯ₂層１４
よりも少なくとも５倍以上の値をもつように選ぶことが
できるため、これにより形成されるテーパー形状もテー
パー比にして前述の従来技術によるテーパー比１：５以
上のテーパー形状を得ることができる。従って、導波光
２５は、従来よりも効率良く受光素子（ｐ+ 型Ｓｉ層２
１）へ受光できることになる。尚、本実施例では、受光
素子として、ｐｉｎ型としたがこれに限るものではな
く、ｐｎ型でもよく、また、Ｓｉを用いた受光素子だけ
でなくＧｅを用いた受光素子でもよく、さらに、ＩｎＰ
基板やＧａＳｂ基板上に形成されたIII−Ｖ族多元結晶
型の受光素子でもよい。

【００１４】次に、請求項２記載の発明の一実施例を図
３（ａ）〜（ｄ）に基づいて説明する。以下、本実施例
における薄膜構造素子の形成方法を順次述べる。図３
（ａ）において、基板２６は、半導体基板２７上にバッ
ファ層としてＳｉＯ₂ 層２８を形成することによりなっ
ている。この基板２６上に原料ガスとしてＳｉＨ₄、Ｎ
Ｈ₃、Ｎ₂Ｏ、及び不活性キャリアガスを用いたプラズ
マＣＶＤ法により、シリコンオキシナイトライド層から
なる光導波路層２９を形成する。この光導波路層２９
は、例えば図７のｃ条件（高周波出力１００Ｗ、基板温
度３００℃）で屈折率ｎｃ＝１．８７、エッチレートは
約８００Å／ｍｉｎとすることにより形成できる。次に
その光導波路層２９上に前記原料ガスと同一のガスを用
いてプラズマＣＶＤ法により前記光導波路層２９よりも
低温、低電力の成膜条件でシリコンオキシナイトライド
層３０（以下、ＳｉＯＮ層と呼ぶ）を積層する。このＳ
ｉＯＮ層３０は、例えば図７のａ条件（高周波出力５０
Ｗ、基板温度２００℃）で、屈折率ｎｄ＝１．６５、エ
ッチレート約１６０００Å／ｍｉｎとすることにより形
成できる。その後、フォトリソグラフィー技術によりフ
ォトレジスト層３１を所望のパターン形状に形成するこ
とができる。

【００１５】次に、図３（ｂ）において、フッ酸系溶液
でフォトレジスト層３１をマスクとしてエッチングする
と、エッチレート比で約２０倍の差があるため、テーパ
ー比１：５よりも極端に緩やかなテーパー形状が光導波
路層２９に形成される。次に、図３（ｃ）において、フ
ォトレジスト層３１とＳｉＯＮ層３０とを除去する。次
に、図３（ｄ）において、テーパー形状の光導波路層２
９上に、ＣＶＤ法、スパッタ法等により別の光導波路層
３２を形成する。この場合、光導波路層３２の屈折率ｎ
ｅは、その下面の光導波路層２９の屈折率ｎｆよりも低
い値（例えばｎｅ＝１．５５）とする。また、バッファ
層であるＳｉＯ₂ 層２８の屈折率ｎｇはｎｇ＝１．４６
とする。これにより、光導波路層３２に導波した光３３
は、光導波路層２９とのテーパー状の界面で、屈折率の
大きい光導波路層２９に移行し、且つ、テーパー形状が
極端に緩やかであるため、前述の第二の従来例に比べ光
損失やモード変換発生等の少ない効率の良い導波光結合
を達成することができる。また、光導波路層２９から光
導波路層３２への逆の結合も同様に効率良く達成するこ
とができる。尚、基板２６は、石英ガラス等の半導体以
外の誘電体基板でもよい。

【００１６】次に請求項２記載の発明の変形例を図４
（ａ）〜（ｃ）に基づいて説明する。以下、この例にお
ける薄膜構造素子の形成方法を順次述べる。基板２６
は、半導体基板２７上にバッファ層としてのＳｉＯ₂ 層
２８を形成し、そのＳｉＯ₂ 層２８の表面にＣＶＤ法、
スパッタ法等により光導波路層３４を形成してなる。こ
の場合、ＳｉＯ₂ 層２８は屈折率ｎｈ＝１．４６、光導
波路層３４は屈折率ｎｉ＝１．５５とする。この光導波
路層３４の表面に、原料ガスとしてＳｉＨ₄、ＮＨ₃、Ｎ
₂Ｏ、及び不活性キャリアガスを用いたプラズマＣＶＤ
法により光導波路層２９を形成する。この光導波路層２
９は、例えば図７のｃ条件（高周波出力１００Ｗ、基板
温度３００℃）で、屈折率ｎｊ＝１．８７、エッチレー
トは約８００Å／ｍｉｎとする。次に、その光導波路層
２９の表面に同一の原料ガス、キャリアガスを用いたプ
ラズマＣＶＤ法によりＳｉＯＮ層３０を積層する。この
ＳｉＯＮ層３０は、例えば図７のａ条件（高周波出力５
０Ｗ、基板温度２００℃）で屈折率ｎｋ＝１．６５と
し、そのエッチレートは約１６０００Å／ｍｉｎとす
る。その後、フォトリソグラフィー技術によりフォトレ
ジスト層３１を所望のパターンに形成する。

【００１７】次に、図４（ｂ）に示すように、フッ酸系
溶液でフォトレジスト層３１をマスクとしてエッチング
すると、エッチレート比で約２０倍の差があるため、テ
ーパー比１：５よりも極端に緩やかなテーパー形状が光
導波路層２９に形成される。次に、図４（ｃ）に示すよ
うに、フォトレジスト層３１、ＳｉＯＮ層３０を除去す
る。これにより光導波路層３４に導波した導波光３５
は、光導波路層２９とのテーパー形状の界面で、屈折率
の大きい光導波路層２９に移行する。この時、テーパー
形状が極端に緩やかであるため、前述の第二の従来例に
比べ光損失やモード変換発生等の少ない効率の良い導波
光結合を達成することができる。また、光導波路層２９
から光導波路層３４への逆の結合の場合も、同様にして
効率良く達成することができる。尚、基板２６は、石英
ガラス等の半導体以外の誘電体基板でもよい。

【００１８】次に、請求項３記載の発明の一実施例を図
５（ａ）、（ｂ）に基づいて説明する。以下、本実施例
における薄膜構造素子の形成方法を順次述べる。図５に
おいて、基板３６は、半導体基板３７上にバッファ層と
してのＳｉＯ₂層３８を形成することによりなってい
る。このＳｉＯ₂ 層３８上に、原料ガスとしてのＳｉＨ
₄、ＮＨ₃、Ｎ₂Ｏ、及び不活性キャリアガスを用いたプ
ラズマＣＶＤ法により第一薄膜層としての光導波路層３
９を形成する。この光導波路層３９は、例えば図７のｃ
条件（高周波出力１００Ｗ、基板温度３００℃）で、屈
折率ｎ₁ ＝１．８７、膜厚ｄ₁ ＝３０００Å、エッチレ
ート約８００Å／ｍｉｎとする。この光導波路層３９の
表面に同一の原料ガス、キャリアガスを用いたプラズマ
ＣＶＤ法により第二薄膜層としてのＳｉＯＮ層４０を積
層する。この場合、ＳｉＯＮ層４０は、光導波路層３９
に比べエッチレートが大きく、しかも、膜厚が厚く形成
されている。また、このＳｉＯＮ層４０の上部には、マ
スクとしてのフォトレジスト層４１が形成されている。
ここで、図５（ａ）に示すように、ＳｉＯＮ層４０が、
例えば図７のａ条件(高周波出力５０Ｗ、基板温度２０
０℃）で、屈折率ｎ₂ ＝１．７６、膜厚ｄ₂ ＝２１００
Å(ｄ₂／ｄ₁＝０．７)、エッチレート約１３０００Å／
ｍｉｎの場合と、（ｂ）に示すように、これと同一の成
膜条件で屈折率ｎ₂ ＝１．５４、膜厚ｄ₂ ＝１３８００
Å(ｄ₂／ｄ₁＝４．６)、エッチレート約４８００Å／ｍ
ｉｎの場合とを比較する。

【００１９】図９は、エッチング溶液としてのフッ酸系
溶液の濃度に対するテーパー長さＷの様子を示すもので
ある。この場合、ａ，ｂ条件は、図５のａ，ｂ条件の場
合に対応している。この実験からエッチレート比で大き
な差のとれるエッチレート比１６．３の場合よりも、エ
ッチレート比がより小さなエッチレート比６の場合の方
がテーパー長さＷが大きくなる。このようにテーパー長
さＷが大きくなるのは、光導波路層３９よりＳｉＯＮ層
４０の膜厚が厚い場合であり、フッ酸系溶液がフォトレ
ジスト層４１で形成されたマスクの奥まで効率良く新鮮
なフッ酸系溶液が供給されることによる。さらに詳しく
述べると、実際にエッチングを担うＨＦ分子やＨＦ₂-イ
オンがＳｉＯＮ層４０が厚い場合は、フォトレジスト層
４１の奥まで十分に供給され、実際の反応界面で同分子
や同イオンが不足しないことによるからである。このよ
うなことから本実施例では、第一薄膜層としての光導波
路層３９よりも第二薄膜層としてのＳｉＯＮ層４０の方
の膜厚を厚く形成している。従って、第三の従来例で述
べたようなテーパー技術では、テーパー形状を有する層
の上層の高エッチレート層は、そのテーパーを形成する
層よりも薄く形成されていたため大きなテーパー比を有
するテーパー形状を得ることはできなかったが、本実施
例のように上層側のＳｉＯＮ層４０の方を厚く形成する
ことにより、従来よりも一段と大きなテーパー比を有す
るテーパー形状を得ることができる。

【００２０】次に、請求項４記載の発明の一実施例を図
６（ａ）、（ｂ）に基づいて説明する。以下、本実施例
における薄膜構造素子の形成方法を順次述べる。これ
は、前述した請求項３記載の発明の実施例と構成は同じ
であるが、ここでは、エッチング溶液として、フッ化水
素酸を水で希釈してなるフッ酸系溶液を用いたものであ
る。すなわち、この場合、図９に示すように、ＳｉＯＮ
層４０の膜厚が同じであれば、図６（ｂ）に示すよう
に、バッファ−ドフッ酸（以下ＢＨＦと呼ぶ、ＨＦ：Ｎ
Ｈ₄Ｆ：Ｈ₂Ｏ＝１：１０：１６容積比、室温）でエッチ
ングした場合よりも、（ａ）に示すように、フッ酸（Ｈ
Ｆ）を水（Ｈ₂Ｏ）で希釈した方がテーパー長さＷを大
きくとることができる。このように、通常の場合はＢＨ
Ｆによるエッチングが行なわれているが、本実施例のよ
うにエッチング溶液を希釈して用いることにより、従来
に比べて一段と大きなテーパー比を有するテーパー形状
を得ることができる。

【００２１】次に、請求項５記載の発明の一実施例を図
１０（ａ）、（ｂ）に基づいて説明する。以下、本実施
例における薄膜構造素子の形成方法を順次述べる。図１
０において、基板１００は、半導体基板１１０上にバッ
ファ層としての熱酸化ＳｉＯ₂ 層１１５（屈折率１．４
６）を形成することによりなっている。このＳｉＯ₂ 層
１１５上に、原料ガスとしてのＳｉＨ₄、ＮＨ₃、Ｎ₂Ｏ
、及び不活性キャリアガスを用いたプラズマＣＶＤ法
により第一薄膜層としてのシリコンオキシナイトライド
層（ＳｉＯＮ層）１０２を形成する。次に、このＳｉＯ
Ｎ層１０２の上に同じ原料ガス、キャリアガスを用いた
プラズマＣＶＤ方により、第二薄膜層としてのＳｉＯＮ
層１０３を形成する。この時、第一のＳｉＯＮ層１０２
の成膜条件は、例えば図７のｃ条件（高周波出力１００
Ｗ、基板温度３００℃）で、屈折率ｎ₁＝１．８７、Ｂ
ＨＦ（ＨＦ：ＮＨ₄Ｆ：Ｈ₂Ｏ＝１：１０：１６容積比）
でのエッチレート約８００Å／ｍｉｎとする。また、第
二のＳｉＯＮ層１０３の成膜条件は、例えば、図７のａ
条件(高周波出力５０Ｗ、基板温度２００℃）で、屈折
率ｎ₂ ＝１．６５、ＢＨＦでのエッチレート約１６００
０Å／ｍｉｎとする。

【００２２】ここで、ＳｉＯＮ層１０２と１０３は、上
述の成膜条件では約２０倍のエッチレート差があるの
で、上記ＢＨＦでレジスト１０４をマスクとしてエッチ
ングすると、図１０（ｂ）のように、エッチレート差程
度のテーパー比１：２０を持つ長さ（Ｗ₂)のテーパーが
形成される。これに対して、請求項５記載の発明では、
上記エッチレート差１：２０以上のテーパー比をもつテ
ーパーを形成する方法を提供するものである。すなわち
本発明では、上記と同じ膜構成で、レジスト１０４をマ
スクとして、上記ＢＨＦ（ＨＦ：ＮＨ₄Ｆ：Ｈ₂Ｏ＝１：
１０：１６容積比）に界面活性剤を少量添加したフッ酸
系溶液でエッチングすることにより、図１０（ａ）に示
すように、界面活性剤を添加しないＢＨＦでエッチング
した時に比べて更に大きなテーパー比を有するテーパー
長さ（Ｗ₁＞Ｗ₂）のテーパーを得ることができる。これ
は、ＢＨＦに界面活性剤を少量添加することにより、Ｂ
ＨＦの表面張力が低下し、微細部分へ浸透しやすくなる
ためであり、このため、実際にエッチングを担うＨＦ分
子やＨＦ₂-イオンがレジストとＳｉＯＮ層１０２，１０
３との間隙ｄに充分に供給され、実際の反応界面で、同
分子、同イオンが不足せずに供給されることによると考
えられる。また同様に、フッ酸（ＨＦ）を水（Ｈ₂Ｏ)で
希釈した溶液に、界面活性剤を少量添加した溶液を用い
ても、界面活性剤を添加しない希釈フッ酸水溶液でエッ
チングした時に比べ、より大きなテーパー比を有するテ
ーパーが得られる。

【００２３】さて、以上のようにしてテーパー形状を形
成した後は、フォトレジスト層１０４を除去し、さらに
第二のＳｉＯＮ層１０３を薄いフッ酸系溶液で除去す
る。この時、第二ＳｉＯＮ層１０３は第一ＳｉＯＮ層１
０２及び熱酸化ＳｉＯ₂ 層１１５に比べ、２０倍以上の
高エッチレートを有するため、第二ＳｉＯＮ層１０３の
みが選択的に除去される。この除去後、図１１（ａ）に
示すように第一ＳｉＯＮ層１０２及び熱酸化ＳｉＯ₂ 層
１１５上に、ＣＶＤ法、スパッタ法等により、別の光導
波路層１２０を形成する。この光導波路層１２０の屈折
率は、ＳｉＯＮ層１０２よりも低い値（例えば、１．５
５）に設定されており、これにより、図１１（ａ）に示
すように、光導波路層１２０に導波した導波光８０は、
光導波路層１２０とＳｉＯＮ層１０２とのテーパー形状
の界面で、屈折率の大きいＳｉＯＮ層１０２に移行す
る。この時、テーパー形状が極端に緩やかであるため、
前述の第二の従来例に比べ、光損失やモード変換発生等
の少ない効率の良い導波光結合を達成することができ
る。また図１１（ｂ）に示すように、ＳｉＯＮ層１０２
から光導波路層１２０への逆の結合の場合も、同様にし
て効率良く達成することができる。また本発明の場合、
テーパー形状が極端に緩やに形成できるため、図１１
（ｂ）の構造で、テーパー部への導波光８１の入射角
が、全反射角となるように導波光８１を入射させると、
テーパー部での散乱、損失の少ない反射効率の良い導波
路ミラー素子を得ることもできる（図示せず）。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明は、基板上にフッ酸系溶液によりエッチングされる誘
電体層を形成し、この誘電体層上にＳiＨ₄とＮＨ₃ とＮ
₂Ｏと不活性キャリアガスとを有する原料ガスを用いて
プラズマＣＶＤ法により誘電体層よりも大きなエッチレ
ートを有するシリコンオキシナイトライド層を形成し、
このシリコンオキシナイトライド層上にマスクを形成
し、このマスクを用いてフッ酸系溶液によってシリコン
オキシナイトライド層と誘電体層とを選択的にエッチン
グすることにより、テーパー構造を有する薄膜構造素子
を作製するようにしたので、シリコンオキシナイトライ
ド層のエッチレートがその下地の誘電体層に対して色々
な値を選択できるため、エッチレート差に応じてテーパ
ー比が１：１から約１：３０程度までの幅広いテーパー
形状部を有する薄膜構造素子を形成することができる。

【００２５】また、請求項２記載の発明では、基板上に
ＳｉＨ₄とＮＨ₃ とＮ₂Ｏと不活性キャリアガスとを有
する原料ガスを用いてプラズマＣＶＤ法によりシリコン
オキシナイトライド層からなる光導波路層を形成し、こ
の光導波路上に同じ原料ガスを用いてプラズマＣＶＤ法
により光導波路層よりも低温又は低電力若しくは低温且
つ低電力の成膜条件でシリコンオキシナイトライド層を
形成し、このシリコンオキシナイトライド層上にマスク
を形成し、このマスクを用いてフッ酸系溶液によって光
導波路層とシリコンオキシナイトライド層とを選択的に
エッチングすることにより、テーパー構造を有する薄膜
構造素子を作製するようにしたので、シリコンオキシナ
イトライド層のエッチレートがその下地の光導波路層に
対して色々な値を選択できるため、エッチレート差に応
じてテーパー比が１：１から約１：３０程度までの幅広
いテーパー形状部を有する薄膜構造素子を形成すること
ができ、効率の良い導波路結合を達成することが可能と
なり、また、光導波路層とその上層のシリコンオキシナ
イトライド層とが同一の成膜装置で連続的に形成できる
ため、生産性の向上を図ることができるものである。

【００２６】また、請求項３記載の発明では、基板上に
第一薄膜層を形成し、この第一薄膜層上にこれと同一の
エッチング溶液に対するエッチレートが第一薄膜層より
も大きくしかもその第一薄膜層よりも膜厚の厚い第二薄
膜層を形成し、この第二薄膜層上にマスクを形成し、こ
のマスクを用いてエッチング溶液によって第一薄膜層と
第二薄膜層とを選択的にエッチングすることにより、テ
ーパー構造を有する薄膜構造素子を作製するようにした
ので、この場合、エッチング溶液の反応界面への供給が
不足とならないようにすることができ、テーパー比の大
きなテーパー形状を有する薄膜構造素子を形成すること
ができる。また、請求項４記載の発明では、基板上にフ
ッ化水素酸を水で希釈してなるフッ酸系溶液によりエッ
チングされる第一薄膜層を形成し、この第一薄膜層上に
前記フッ酸系溶液によりエッチングされる前記第一薄膜
層よりもエッチレートの大きい第二薄膜層を形成し、こ
の第二薄膜層上にマスクを形成し、このマスクを用いて
前記フッ酸系溶液によって前記第一薄膜層と前記第二薄
膜層とを選択的にエッチングすることにより、テーパー
構造を有する薄膜構造素子を作製するようにしたので、
この場合、フッ酸系溶液の染み込み効果を大きくするこ
とができ、テーパー比の一段と大きなテーパー形状を形
成することができる。

【００２７】また、請求項５記載の発明では、基板上に
フッ酸系溶液によってエッチングされる第一薄膜層を形
成し、この第一薄膜層上に前記フッ酸系溶液によりエッ
チングされる前記第一薄膜層よりもエッチレートの大き
い第二薄膜層を形成し、この第二薄膜層上にマスクを形
成し、このマスクを用いて前記フッ酸系溶液によって前
記第一薄膜層と前記第二薄膜層とを選択的にエッチング
することにより、テーパー構造を有する薄膜構造素子を
作製する薄膜構造素子の形成方法において、前記フッ酸
系溶液として界面活性剤を添加したフッ酸系溶液を用い
ることにより、エッチング溶液の反応界面への供給が不
足とならないので、さらにテーパー比の大きなテーパー
形状を形成することができる。これにより、フォトリソ
グラフィー技術レベルの高い位置決め精度を保ったま
ま、散乱、損失の少ない効率の良い導波光結合器や、導
波路上のミラー等を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の発明の一実施例を示す薄膜構造
素子の形成工程説明図である。

【図２】請求項１記載の発明の変形例を示す薄膜構造素
子の形成工程説明図である。

【図３】請求項２記載の発明の一実施例を示す薄膜構造
素子の形成工程説明図である。

【図４】請求項２記載の発明の変形例を示す薄膜構造素
子の形成工程説明図である。

【図５】請求項３記載の発明の一実施例を示す側面図で
ある。

【図６】請求項４記載の発明の一実施例を示す側面図で
ある。

【図７】ＳｉＯＮ層の屈折率に対するエッチレートの様
子を示す波形図である。

【図８】原料ガスＳｉＨ₄ とＮ₂Ｏの流量比に対するエ
ッチレートの様子を示す波形図である。

【図９】フッ酸系溶液濃度に対するテーパー長さの様子
を示す波形図である。

【図１０】請求項５記載の発明の一実施例を示す側面図
である。

【図１１】請求項５記載の発明の一実施例を示す薄膜構
造素子の側面図である。

【図１２】従来技術の説明図であって、テーパー構造及
びそのテーパー構造による受光素子部への導波光結合の
様子の具体例を示す図である。

【図１３】従来技術の説明図であって、テーパー構造形
成方法の工程説明図である。

【符号の説明】

１３・・・基板１４・・・誘電体層１５・・・シリコンオキシナイトライド層１６・・・マスク２６・・・基板２９・・・光導波路層３０・・・シリコンオキシナイトライド層３１・・・マスク３６・・・基板３９・・・第一薄膜層４０・・・第二薄膜層４１・・・マスク１００・・・基板１０２・・・第一薄膜層１０３・・・第二薄膜層１０４・・・マスク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上にフッ酸系溶液によりエッチングさ
れる誘電体層を形成し、この誘電体層上にＳiＨ₄とＮＨ
₃ とＮ₂Ｏと不活性キャリアガスとを有する原料ガスを
用いてプラズマＣＶＤ法により前記誘電体層よりも大き
なエッチレートを有するシリコンオキシナイトライド層
を形成し、このシリコンオキシナイトライド層上にマス
クを形成し、このマスクを用いて前記フッ酸系溶液によ
って前記シリコンオキシナイトライド層と前記誘電体層
とを選択的にエッチングすることにより、テーパー構造
を有する薄膜構造素子を作製することを特徴とする薄膜
構造素子の形成方法。
【請求項２】基板上にＳiＨ₄とＮＨ₃ とＮ₂Ｏと不活性
キャリアガスとを有する原料ガスを用いてプラズマＣＶ
Ｄ法によりシリコンオキシナイトライド層からなる光同
ハロ層を形成し、この光導波路層上に前記原料ガスを用
いてプラズマＣＶＤ法により前記光導波路層よりも低温
又は低電力、若しくは、低温かつ低電力の成膜条件でシ
リコンオキシナイトライド層を形成し、このシリコンオ
キシナイトライド層上にマスクを形成し、このマスクを
用いてフッ酸系溶液によって前記光導波路層と前記シリ
コンオキシナイトライド層とを選択的にエッチングする
ことにより、テーパー構造を有する薄膜構造素子を作製
することを特徴とする薄膜構造素子の形成方法。
【請求項３】基板上に第一薄膜層を形成し、この第一薄
膜層上にこれと同一のエッチング溶液に対するエッチレ
ートが前記第一薄膜層よりも大きくしかもその第一薄膜
層よりも膜厚の厚い第二薄膜層を形成し、この第二薄膜
層上にマスクを形成し、このマスクを用いて前記エッチ
ング溶液によって前記第一薄膜層と前記第二薄膜層とを
選択的にエッチングすることにより、テーパー構造を有
する薄膜構造素子を作製することを特徴とする薄膜構造
素子の形成方法。
【請求項４】基板上にフッ化水素酸を水で希釈してなる
フッ酸系溶液によりエッチングされる第一薄膜層を形成
し、この第一薄膜層上に前記フッ酸系溶液によりエッチ
ングされる前記第一薄膜層よりもエッチレートの大きい
第二薄膜層を形成し、この第二薄膜層上にマスクを形成
し、このマスクを用いて前記フッ酸系溶液によって前記
第一薄膜層と前記第二薄膜層とを選択的にエッチングす
ることにより、テーパー構造を有する薄膜構造素子を作
製することを特徴とする薄膜構造素子の形成方法。
【請求項５】基板上にフッ酸系溶液によってエッチング
される第一薄膜層を形成し、この第一薄膜層上に前記フ
ッ酸系溶液によりエッチングされる前記第一薄膜層より
もエッチレートの大きい第二薄膜層を形成し、この第二
薄膜層上にマスクを形成し、このマスクを用いて前記フ
ッ酸系溶液によって前記第一薄膜層と前記第二薄膜層と
を選択的にエッチングすることにより、テーパー構造を
有する薄膜構造素子を作製する薄膜構造素子の形成方法
において、前記フッ酸系溶液として界面活性剤を添加し
たフッ酸系溶液を用いることを特徴とする薄膜構造素子
の形成方法。