WO1991000534A1 - Verfahren zum herstellen eines verlustarmen, optischen wellenleiters in einer epitaktischen silizium-schicht - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines verlustarmen, optischen wellenleiters in einer epitaktischen silizium-schicht Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a low-loss optical waveguide in an epitaxial silicon layer of a silicon component with integrated electronic components in a silicon substrate
  • An advantage of an optical waveguide produced in this way is that interactions between an electric field and an optical field through charge carrier injections.
  • the waveguide is advantageously very low-loss because its insulation is less than 1 dB / cm.
  • the manufacture of such an optical waveguide presents difficulties insofar as the previously rare SOI material has to be used for its manufacture.
  • the invention is based on the object of applying a method for producing a low-loss optical waveguide in an epitaxial silicon layer of a silicon component. admit, with which an optical waveguide with low attenuation can be produced in an integrated manner in a comparatively inexpensive manner.
  • an epitaxial silicon layer with weak doping is applied to the silicim substrate in a method of the type mentioned above and a substance with an element from group IV of the periodic table with a higher real part of the refractive index than that of silicon diffused into the epitaxial silicon layer.
  • An advantage of the method according to the invention is that, owing to the use of widespread substances, it can be carried out with little effort and allows the production of an optical waveguide which, apart from a low attenuation, has the property that an interaction between an electrical and an optical field results from Charge carrier injection can be achieved. Additional losses due to free charge carriers are avoided by using the substance with an element from group IV of the periodic table.
  • the weak doping of the epitaxial silicon layer ⁇ 10 / c leads to sufficiently small attenuations in the optical waveguide.
  • germanium can be used as the substance of group IV of the periodic table. It should be noted, however, that because of the low diffusion constant of germanium in silicon, a high process temperature of approximately 1,200 * C is required, which is above the melting temperature of germanium ⁇ the melting temperature of germanium is 937 * C. As a result, u. U. Inhomogeneities result from drops of germanium-silicon alloy which can lead to absorption of the optical wave in the waveguide.
  • a Ge x si ⁇ _ x) alloy is used as the substance is used . Care should be taken to ensure that this alloy has a higher melting temperature than germanium. An optical waveguide made with this substance can then be formed very homogeneously.
  • the substance is applied in strips to the epitaxial silicon layer in accordance with the desired shape of the waveguide. This can be done, for example, after coating with photoresist by vapor deposition of a Ge ⁇ Si, _ ⁇ alloy.
  • the epitaxial silicon layer is provided with an SiO 2 coating on its surface carrying the substance before it diffuses in .
  • the silicon component is exposed to the diffusion temperature under protective gas for several hours and then the SiO 2 coating is etched away.
  • FIG. 1 a germanium-silicon state diagram is shown in FIG. 1 and the individual steps of the method according to the invention are shown in FIGS. 2 to 7.
  • an epitaxial silicon layer 2 is applied to a silicon substrate 1, which is weakly doped to achieve sufficiently low attenuations, that is to say, for example, has a doping of ⁇ 10 / cm.
  • a photoresist layer 4 is applied to the surface 3 of the epitaxial silicon layer 2 facing away from the silicon substrate 1 in a structure which corresponds to the shape of the optical waveguide to be created.
  • the photoresist coating consists advantageously of a reversible photoresist with which the inwardly drawn edges shown in FIG. 2 can be achieved in a known manner. The negative steepness of these edges enables the structuring of larger layer thicknesses, as are required when carrying out the method according to the invention for the application of the substance as a diffusion source.
  • the silicon component 5 treated so far is then introduced into a high vacuum system and surface-cleaned there by glowing. This is followed by vapor deposition with a Ge Si /.% Alloy in the high-vacuum system at a pressure of less than 10 " bar, as a result of which a layer 6 of such an alloy is formed both on the photoresist layer 4 and on the area 7 left by it is formed on the epitaxial silicon layer 2, as shown in FIG. 3.
  • the Ge Sir, • .- alloy can be made in different ways.
  • One method is that a
  • Electron beam is keyed between a germanium-filled and a silicon-filled crucible, wherein the alloy ratio x can be adjusted by the duty cycle.
  • Beam shift keying is typically carried out at a frequency of one Hz.
  • the alloy by alternating layers of germanium and silicon.
  • the component is removed from the high-vacuum system and then exposed to an organic solvent for lifting off the photoresist layer 4, the lifting off being able to be assisted by ultrasound, if necessary. All that then remains on the side 3 of the epitaxial silicon layer 2 is a strip 8 of the Ge Si *, - »- alloy as a diffusion source.
  • the silicon component 5 treated so far is shown in FIG.
  • the silicon component 5 is coated with an SiO 2 layer 9, for which a thickness of approximately 600 nm, on the surface 3 of the epitaxial silicon layer 2 carrying the substance or the diffusion source, with the aid of a high-frequency sputter system will (see Figure 5).
  • heating of the silicon component 5 to about 200 * C may be used to increase the packing density of the Si0 2 layer take place during the sputtering.
  • the silicon component 5 is diffused at a temperature of 1200 * C for a period of several, for example 50 hours under flowing argon with a flow rate of about 0.5 1 / min, so that the silicon component 5 then has a state has, as shown in Figure 6.
  • the substance 8 has diffused into the epitaxial silicon layer 2.
  • the Si0 2 layer 9 is etched away with hydrofluoric acid as the last method step, and a germanium-doped channel 10 with an increased refractive index is created in the silicon component 5 as a low-loss optical waveguide, as shown in FIG. 7.
  • a pure Si, *, •, - alloy as the diffusion source, but a Ge Si, *, •, alloy whose melting temperature is above the necessary diffusion temperature of 1200 ° C.
  • the germanium content x of the alloy must be chosen to be x 432 ⁇ .
  • a pure melt can also be used as the diffusion source.
  • spot sizes with a vertical dimension of 7 ⁇ m and a horizontal dimension of 11 ⁇ m can be achieved in this way.

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Abstract

Bei einem bekannten Verfahren zum Herstellen eines verlustarmen, optischen Wellenleiters in einer epitaktischen Silizium-Schicht eines Silizium-Bauelementes mit integrierten elektronischen Komponenten in einem Silizium-Substrat ist zwischen dem Silizium-Substrat und der epitaktischen Silizium-Schicht eine isolierende Schicht vorgesehen. Die epitaktische Schicht besteht aus SOI-Material. Bei diesem Material handelt es sich um einen seltenen Werkstoff. Um ein Verfahren zum Herstellen eines verlustarmen, optischen Wellenleiters relativ kostengünstig durchführen zu können, wird eine epitaktische Silizium-Schicht (2) mit schwacher Dotierung auf das Silizium-Substrat (1) aufgebracht. Ein Stoff mit einem Element der Gruppe IV des Periodensystems mit einem höheren Realteil der Brechzahl als der des Siliziums wird in die epitaktische Silizium-Schicht eindiffundiert.

Description

Verfahren zum Herstellen eines verlustarmen, optischen Wellen- leiters in einer epitaktischen Silizium-Schicht
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines verlustarmen, optischen Wellenleiters in einer epitaktischen Silizium-Schicht eines Silizium-Bauelementes mit integrierten elektronischen Komponenten in einem Silizium-Substra
Ein derartiges Verfahren ist in "Optics Letters", Vol.13, No.2, 1988, Seiten 175 bis 177 beschrieben. Bei diesem bekannten Ver¬ fahren zum Herstellen eines optischen Wellenleiters in einer epitaktischen Silizium-Schicht eines Silizium-Bauelementes wird zwischen dem Silizium-Substrat und der epitaktischen Silizium- Schicht eine isolierende Schicht aus Si02 oder A120, vorge- sehen;die epitaktische Schicht ist aus einem "silicon-on-insulato (SOI)-Material gebildet. Der optische Wellenleiter wird dadurch vervollständigt, daß bei dem bekannten Verfahren ein sog. Rippen¬ wellenleiter durch Ätzen gebildet wird, wie dies im einzelnen aus "IEEE Journal of Quantum Electronics", Vol. QE-22, No. 10, 1986, Seiten 873 bis 879 beschrieben ist. Damit ist die laterale Wellenführung verwirklicht. Ein Vorteil eines auf diese Weise hergestellten optischen Wellenleiters besteht darin, daß Wechsel¬ wirkungen zwischen einem elektrischen Feld und einem optischen Feld durch Ladungsträgerinjektionen möglich sind. Außerdem ist der Wellenleiter in vorteilhafter Weise sehr verlustarm, weil seine Dämpfung kleiner als 1 dB/cm ist. Schwierigkeiten bereitet jedoch die Herstellung eines derartigen optischen Wellenleiters insofern, als zu seiner Herstellung das bisher seltene SOI-Material verwendet werden muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines verlustarmen, optischen Wellenleiters in einer epitaktischen Silizium-Schicht eines Silizium-Bauelementes an- zugeben, mit dem in vergleichsweise kostengünstiger Weise ein optischer Wellenleiter geringer Dämpfung in integrierter Bau¬ weise hergestellt werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß eine epitaktische Silizium- Schicht mit schwacher Dotierung auf das Silizim-Substrat auf¬ gebracht und ein Stoff mit einem Element der Gruppe IV des Periodensystems mit einem höheren Realteil der Brechzahl als der des Siliziums in die epitaktische Silizium-Schicht eindiffundiert.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß es infolge Verwendung weitverbreiteter Stoffe mit wenig Aufwand durchgeführt werden kann und die Gewinnung eines optischen Wellenleiters gestattet, der außer einer geringen Dämpfung die Eigenschaft hat, daß eine Wechselwirkung zwischen einem elektri¬ schen und einem optischen Feld durch Ladungsträgerinjektion erzielbar ist. Dabei sind Zusatzverluste durch freie Ladungs¬ träger durch die Benutzung des Stoffes mit einem Element der Gruppe IV des Periodensystems vermieden. Die schwache Dotierung der epitaktischen Silizium-Schicht < 10 /c führt zu hinreichend kleinen Dämpfungen im optischen Wellenleiter.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann als Stoff Germanium als Element der Gruppe IV des Periodensystems verwendet werden. Dabei ist aber zu beachten, daß wegen der niedrigen Diffusions¬ konstante von Germanium in Silizium eine hohe Prozeßtemperatur von ca. 1.200* C erforderlich ist, die über der Schmelztemperatur von Germanium liegt} die Schmelztemperatur von Germanium beträgt 937* C. Es können sich demzufolge u. U. Inhomogenitäten durch Germanium-Silizium-Legierungstropfen ergeben, die zu einer Ab¬ sorption der optischen Welle im Wellenleiter führen können.
Als besonders vorteilhaft wird es in diesem Zusammenhang ange- sehen, wenn bei einer anderen Ausführungsform des erfindungs¬ gemäßen Verfahrens als Stoff eine Ge x siπ_x)- Legierung verwendet wird . Dabei ist darau f zu achten , daß diese Legierung eine höhere Schmelztemperatur als Germanium hat . Ein mit diesem Stoff hergestellter optischer Wellenleiter l äßt sich dann sehr homogen aus bilden .
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hat es sich ferner als vor¬ teilhaft erwiesen, wenn der Stoff dem gewünschten Verlauf des Wellenleiters entsprechend streifenförmig auf die epitaktische Silizium-Schicht aufgebracht wird. Dies kann beispielsweise nach einem Beschichten mit Fotolack durch Aufdampfen einer GeχSi ,_ \ - Legierung erfolgen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in vorteilhafter Weise - unabhängig davon, ob der Stoff als Festkörper oder als Schmelze auf die epitaktische Silizium-Schicht aufgebracht ist - vor dem Eindiffundieren die epitaktische Silizium-Schicht auf ihrer den Stoff tragenden Oberfläche mit einem Si02- Überzug versehen.
Als vorteilhaft wird es ferner erachtet, wenn bei dem erfindungs- gemäßen Verfahren das Silizium-Bauelement unter Schutzgas für mehrere Stunden der Diffusionstemperatur ausgesetzt wird und anschließend der Si02- Überzug weggeätzt wird.
Zur Erläuterung der Erfindung ist in Figur 1 ein Germanium-Silizium-Zustandsdiagra m und in den Figuren 2 bis 7 das erfindungsgemäße Verfahren in seinen einzelnen Schritten wiedergegeben.
Wie Figur 2 zeigt, ist auf einem Silizium-Substrat 1 eine epitaktische Silizium-Schicht 2 aufgebracht, die zur Erzielung hinreichend geringer Dämpfungen schwach dotiert ist, also bei¬ spielsweise eine Dotierung von <10 /cm aufweist. Auf die von den Silizium-Substrat 1 abgewandten Oberfläche 3 der epitaktischen Silizium-Schicht 2 ist eine Fotolackschicht 4 in einer Struktur aufgebracht, die dem Verlauf des zu schaffenden optischen Wellenleiters entspricht. Die Fotolackbeschichtung besteht dabei in vorteilhafter Weise aus einem umkehrbaren Fotoresist, mit dem sich in bekannter Weise die aus Figur 2 erkennbaren, nach innen gezogenen Kanten erzielen lassen. Die negativen Steilheiten dieser Kanten ermöglichen die Strukturierung größerer Schichtdicken, wie sie bei der Durch¬ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Aufbringung des Stoffes als Diffusionsquelle erforderlich sind.
Das soweit behandelte Silizium-Bauelement 5 wird anschließend in eine Hochvakuum-Anlage eingeschleust und dort durch Abglimmen oberflächengereinigt. Anschließend erfolgt in der Hochvakuum- Anlage bei einem Druck von weniger als 10" bar die Bedampfung mit einer Ge Si/, %- Legierung, wodurch eine Schicht 6 aus einer derartigen Legierung sowohl auf der Fotolackschicht 4 als auch auf dem von dieser freigelassenen Bereich 7 auf der epitaktischen Silizium-Schicht 2 entsteht, wie dies Figur 3 zeigt.
Die Ge Sir, •.- Legierung kann dabei in unterschiedlicher Weise hergestellt sein. Ein Verfahren besteht darin, daß ein
Elektronenstrahl zwischen einem germaniumgefüllten und einem siliziumgefüllten Schmelztiegel umgetastet wird, wobei sich das Legierungsverhältnis x durch das Tastverhältnis einstellen läßt. Die Strahlumtastung erfolgt typischerweise mit einer Frequenz von einem Hz.
Es ist aber auch möglich, die Legierung durch abwechselnden schichtweisen Aufbau von Germanium und Silizium herzustellen.
Ist beispielsweise im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens daran gedacht, einen ca. 3 μm - tiefen Kanal mit einer Brech- zahlanhebung von 1 % in der epitaktischen Silizium-Schicht 2 zu erzeugen, dann ist dafür im Falle der Verwendung von reinem Germanium, also einem Stoff mit einem Legierungsverhältnis x = 100 % Germanium, eine Schichtdicke des Stoffes von etwa 55 n erforderlich. Für ein anderes Legierungsverhältnis x ist die Schichtdicke um den Reziprokwert von x zu erhöhen, also für eine Legierung mit x = 10 % Germanium eine Schichtdicke von etwa 550 nm zu wählen.
Nach dem Bedampfen des Silizium-Bauelementes 5 in derv
Hochvakuum-Anlage wird das Bauelement dieser entnommen und an¬ schließend einem organischen Lösungsmittel zum Abheben der Fotolackschicht 4 ausgesetzt, wobei das Abheben ggf. durch Ultraschall-Beaufschlagung unterstützt werden kann. Es ver- bleibt dann auf der Seite 3 der epitaktischen Silizium-Schicht 2 lediglich ein Streifen 8 aus der Ge Si *, -»-Legierung als Diffusionsquelle. Das soweit behandelte Silizium-Bauelement 5 ist in Figur 4 dargestellt.
Anschließend wird das Silizium-Bauelement 5 mit Hilfe einer Hochfrequenz-Sputter-Anlage auf der den Stoff bzw. die Diffusionsquelle tragenden Oberfläche 3 der epitaktischen Silizium-Schicht 2 mit einer Si02-Schicht 9 überzogen, für die eine Stärke von etwa 600 nm gewählt wird (vgl. Figur 5). Dabei kann zur Erhöhung der Packungsdichte der Si02-Schicht während des Sputterns eine Aufheizung des Silizium-Bauelementes 5 auf etwa 200* C erfolgen.
Anschließend wird das Silizium-Bauelement 5 bei einer Temperatur von 1200* C für eine Zeitdauer von mehreren, beispielsweise 50 Stunden unter fließendem Argon mit einem Durchfluß von ca. 0,5 1/min eindiffundiert, so daß dann das Silizium-Bauelement 5 einen Zustand aufweist, wie er in Figur 6 gezeigt ist. Der Stoff 8 ist in die epitaktische Silizium-Schicht 2 eindiffundiert.
Schließlich wird als letzter Verfahrensschritt die Si02-Schicht 9 mit Flußsäure weggeätzt, und es ist ein germanium-dotierter Kanal 10 mit angehobener Brechzahl als verlustarmer optischer Wellenleiter in dem Silizium-Bauelement 5 entstanden, wie dies Figur 7 zeigt. Bereits oben war darauf hingewiesen worden, daß es besonders vorteilhaft erscheint, als Diffusionsquelle kein reines Germanium, sondern eine Ge Si,*, •,- Legierung zu verwenden, deren Schmelztemperatur über der notwendigen Diffusionstemperatur von 1200* C liegt. Aus dem Zustandsdiagramm gemäß Figur 1 folgt, daß in diesem Fall der Germanium-Gehalt x der Legierung zu x 432 Ä gewählt werden muß. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, als Diffusionsquelle eine Mischung aus Festkörper und Schmelze zu verwenden. In diesem Falle - so zeigt Figur 1 - kommt auch eine Legierung mit einem Legierungsverhältnis zwischen x = 32 % und x = 65 % in Frage. Außerdem kann als Diffusionsquelle eine reine Schmelze Verwendung finden.
Bewährt zur Herstellung eines verlustarmen Monomode-Wellen- leiters hat sich eine Legierung mit einem Legierungsverhältnis x = 0,5, einer Legierungsschichtdicke von 160 nm und einer Streifenbreite von b = 10 μm erwiesen. Bei einer Diffusionszeit von 69 Stunden und einer Diffusionstemperatur von 1200* C lassen sich auf diese Weise Fleckgrößen mit einer vertikalen Abmessung von 7 μm und einer horizontalen Abmessung von 11 μm erzielen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines verlustarmen, optischen Wellenleiters in einer epitaktischen Silizium-Schicht eines Silizium-Bauelementes mit integrierten elektronischen Komponenten in einem Silizium-Substrat, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine epitaktische Silizium-Schicht (2) mit schwacher Dotierung auf das Silizium-Substrat (1) aufgebracht wird und daß ein Stoff (8) mit einem Element der Gruppe IV des Perioden¬ systems mit einem höheren Realteil der Brechzahl als der des Siliziums in die epitaktische Silizium-Schicht (2) ein¬ diffundiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Stoff Germanium verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Stoff (8) eine GeχSi _χx- Legierung verwendet wird.
4. Verfahren nach einem. der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Stoff (8) dem gewünschten Verlauf des Wellenleiters entsprechend streifenför ig auf die epitaktische Silizium- Schicht (2) aufgebracht wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die epitaktische Silizium-Schicht (2) auf ihrer den Stoff (8) tragenden Oberfläche (3) mit einem Si02-Überzug (9) versehen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Silizium-Bauelement (5) unter Schutzgas für mehrere Stunden der Diffusionstemperatur ausgesetzt wird und daß an¬ schließend der Si02-überzug (9) weggeätzt wird.
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