DE3922009A1

DE3922009A1 - Verfahren zum herstellen eines verlustarmen, optischen wellenleiters in einer epitaktischen silizium-schicht

Info

Publication number: DE3922009A1
Application number: DE3922009A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr Ing Schueppert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1989-06-30
Filing date: 1989-06-30
Publication date: 1991-01-03
Anticipated expiration: 2009-07-01
Also published as: EP0479837A1; US5252514A; JPH04506577A; DE3922009C2; WO1991000534A1

Description

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-Substrat.

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 SiO₂ oder Al₂O₃ vorge sehen;die epitaktische Schicht ist aus einem "silicon-on-insulator" (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 < 10¹⁶/cm³ 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_xSi_(1-x)-Legierung verwendet wird. Dabei ist darauf zu achten, daß diese Legierung eine höhere Schmelztemperatur als Germanium hat. Ein mit diesem Stoff hergestellter optischer Wellenleiter läßt sich dann sehr homogen ausbilden.

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 Ge_xSi_(1-x)-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 SiO₂- 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 SiO₂-Überzug weggeätzt wird.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in

Fig. 1 ein Germanium-Silizium-Zustandsdiagramm und in den

Fig. 2 bis 7 das erfindungsgemäße Verfahren in seinen einzelnen Schritten wiedergegeben.

Wie Fig. 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 < 10¹⁶/cm³ 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 Fig. 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^-7 mbar die Bedampfung mit einer Ge_xSi_(1-x)-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 Fig. 3 zeigt.

Die Ge_xSi_(1-x)-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 nm 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 der 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_xSi_(1-x)-Legierung als Diffusionsquelle. Das soweit behandelte Silizium-Bauelement 5 ist in Fig. 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 SiO₂-Schicht 9 überzogen, für die eine Stärke von etwa 600 nm gewählt wird (vgl. Fig. 5). Dabei kann zur Erhöhung der Packungsdichte der SiO₂-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 l/min eindiffundiert, so daß dann das Silizium-Bauelement 5 einen Zustand aufweist, wie er in Fig. 6 gezeigt ist. Der Stoff 8 ist in die epitaktische Silizium-Schicht 2 eindiffundiert.

Schließlich wird als letzter Verfahrensschritt die SiO₂-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 Fig. 7 zeigt.

Bereits oben war darauf hingewiesen worden, daß es besonders vorteilhaft erscheint, als Diffusionsquelle kein reines Germanium, sondern eine Ge_xSi_(1-x)-Legierung zu verwenden, deren Schmelztemperatur über der notwendigen Diffusionstemperatur von 1200°C liegt. Aus dem Zustandsdiagramm gemäß Fig. 1 folgt, daß in diesem Fall der Germanium-Gehalt x der Legierung zu x < 32% gewählt werden muß. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, als Diffusionsquelle eine Mischung aus Festkörper und Schmelze zu verwenden. In diesem Falle - so zeigt Fig. 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

1. Verfahren zum Herstellen eines verlustarmen, optischen Wellenleiters in einer epitaktischen Silizium-Schicht eines Silizium-Bauelementes mit integrierten elektronischen Komponenten in einem Silizium-Substrat, dadurch gekennzeichnet, 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, dadurch gekennzeichnet, daß als Stoff Germanium verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stoff (8) eine Ge_xSi_(1-x)-Legierung verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff (8) dem gewünschten Verlauf des Wellenleiters entsprechend streifenförmig auf die epitaktische Silizium- Schicht (2) aufgebracht wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die epitaktische Silizium-Schicht (2) auf ihrer den Stoff (8) tragenden Oberfläche (3) mit einem SiO₂-Überzug (9) versehen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Silizium-Bauelement (5) unter Schutzgas für mehrere Stunden der Diffusionstemperatur ausgesetzt wird und daß an schließend der SiO₂-Überzug (9) weggeätzt wird.