JP3558479B2 - 導波光検出器及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導波光を光検出器に導く導波光検出器に関し、より具体的には光導波路（光導波路層）から光電変換素子への導波光の光結合を高効率に行うことができる導波光検出器及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光導波路層から光電変換素子へと伝搬する導波光の光結合手段として、最近ではテーパ導波路が多用される傾向にある。即ち、このようなテーパ導波路を用いる場合は、回折格子などを利用して光結合を行う場合に比べて光結合効率を高くできる長所があるからである。
【０００３】
このようなテーパ導波路を用いた導波光（導波路光）検出器の一従来例として、特開平５−２９１６０８号公報に開示されたものがある。図１２は、この導波光検出器を示す。この導波光検出器は、光導波路層（導波層）１４１と半導体基板１４７との間に積層形成されたシリコン酸化膜層からなる誘電体層１４２をテーパ形状、即ち、図中矢印で示す光の伝搬方向に向けて厚みが徐々に薄くなるテーパ状に形成することで光導波路１４１から導波光を光検出器（光電変換素子）に導く構成をとっている。
【０００４】
今少し具体的に説明すると、この導波光検出器では、光導波路層１４１と半導体基板１４７とを隔てる誘電体層１４２が受光部である拡散領域１４３の上に直接形成されている。また、この導波光検出器では、導波光が光検出器に検出される際に、逆バイアス時に発生するリーク電流を低減するためのチャネルストッパーとして、受光部最表面の導電型とは反対の導電型の拡散領域１４４を受光部である拡散領域１４３の周囲に形成してある。
【０００５】
ここで、上記のリーク電流は、半導体基板１４７上に積層されるシリコン酸化膜層からなる誘電体層１４２や光導波路層１４１中に負の固定電荷が発生することに起因して生じる。
【０００６】
なお、図１２において、図中１４５はＮ−エピタキシャル層、１４６はＮ＋シリコン基板である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年の導波光検出器は、その用途から高速応答性や高集積化が要求されており、このような要求に答えるために、最近では外部制御回路のＩＣを導波光検出器と一体的に作製した複雑な構成のものが開発されて来ている。
【０００８】
図１３（ａ）は、このような構成の導波光検出器の一例を示す。受光部２０１の周囲には不純物拡散時のマスクであると同時にＩＣ（ＩＣ部）では配線の働きをする金属層２０３、反射防止用の窒化ケイ素膜２０４や配線絶縁膜となる窒化ケイ素膜２０５及びＩＣと金属配線のための保護層２０６等が形成されている。このため、受光部２０１とその周囲のＩＣとでは、全体として数μｍの段差が発生している。なお、図１３（ａ）では、電極引き出し部分の構造については省略してある。
【０００９】
ここで、上記構成において、保護層２０６や金属層２０３は省略することが可能であるが、反射防止用の窒化ケイ素膜２０４はその働きから不可欠のものであり、また、熱酸化ＳｉＯ２膜２０２はＰＮ接合を保護するために不可欠のものである。このため、図１３（ｂ）に示すように、上記した省略可能なものを除去した最も簡単な構造を考えても、ＳｉＯ２ 層による段差の約１μｍは避けられない。但し、一般的な使用にあたっては、信号検出用の光は自由空間から入射するので、この程度の段差は全く問題にならない。
【００１０】
次に、上記ＳｉＯ２ 層による段差が生じる理由を図１４（ａ）〜（ｅ）に示す製造工程に基づき具体的に説明する。まず、図１４（ａ）に示すように、シリコン基板２３１上に熱酸化ＳｉＯ２膜２３２を形成する。この形成方法としては、酸素気流中で加熱するドライ酸化と、水蒸気を含んだ酸素気流中で加熱する水蒸気酸化が知られている。こうして得られた熱酸化ＳｉＯ２膜２３２をフォトレジスト等を用いたパターニングを行い、エッチング加工することで、図１４（ｂ）に示すような熱酸化ＳｉＯ２膜２３２によるマスク２３２ａを形成することができる。その後、このエッチング部分からシリコン基板２３１に拡散処理を行い、図１４（ｃ）に示すような不純物拡散領域２３１ａを形成する。この高温処理をするときにも、新たに図１４（ｃ）に示すような熱酸化膜２３３が形成される。
【００１１】
この導波光検出器は、ＩＣと同時に受光部、即ち光電変換素子等を形成していくため、図１４（ｄ）に示すように、ＣＶＤ法等でＳｉＯ２膜２３４をさらに積層する。その後、エッチング加工し、ＳｉＯ２膜２３４及び熱酸化膜２３３に、図１４（ｅ）に示すような開口部２３５を形成する。
【００１２】
ここで、上記した一回目と二回目のエッチングパターンは、マスクの位置合わせ精度やエッチングの精度等に起因して２〜３μｍのずれが発生し、これにより段差部２３６が生じる。
【００１３】
さて、図１３の構成で、ＩＣと光電変換素子とを集積した半導体基板上に、単に光導波路層やバッファ層、即ち光結合器の部分以外で光導波路層から半導体基板への光の吸収を防ぐため十分な厚さが確保された誘電体層として機能するシリコン酸化膜を積層してテーパ部を形成した後、導波光検出器を作製しようとすると、図１３（ａ）、（ｂ）のように段差が存在する構造に直接光導波路層を積層することになる。このため、波長オーダーに近い段差によって光導波路層が不連続部を持つことになる。この結果、伝搬光はほとんど不連続部によって散乱されるため、光導波路層としてほぼ機能しない。従って、テーパ部を形成しても、光導波路層から光電変換素子への光結合はほとんど成立しない。
【００１４】
また、段差の問題が解決されるという前提を仮定したとしても、以下に示す新たな問題点がある。即ち、図１３の光電変換素子上にバッファ層となるシリコン酸化膜及び光導波路層を積層し、テーパ導波路（テーパ部）を形成して導波光検出器を作製する場合に、図１３の例で示されるように、窒化ケイ素膜２０４の膜厚を空気中から光を入射させるときの反射防止膜の膜厚に設定すると、光導波路層とシリコン酸化膜（バッファ層）と窒化ケイ素膜２０４との境界での多重反射の影響から光導波路層から光電変換素子へ完全に光結合が完了するまでの伝搬長が長くなる。
【００１５】
ここで、光結合が完了するまでの伝搬長が長くなることは、散乱される光量も増えることを意味する。このため、結果的に光損失が増加し、光導波路層から光電変換素子への光結合効率が低下する。
【００１６】
また、図１２に示す構成の導波光検出器では、屈折率がｎ１、ｎ２、ｎ３（添字１、２、３は膜の最下層から順に付記）の３層で構成される多層膜が反射防止膜として機能する最低限の条件であるｎ１＜ｎ２＜ｎ３を満たさない。つまり、光導波路層１４１の屈折率ｎｇと、シリコン酸化膜（バッファ層）１４２の屈折率ｎｂと半導体基板１４７の屈折率ｎｓとが、光導波路として機能させるためｎｂ＜ｎｇ＜ｎｓの関係にあるため、これらの３層で構成される多層膜が反射防止膜として機能する上記最低限の条件を満たさない。この結果、図１２に示す構成の導波光検出器では、光電変換素子への光結合の際に層間境界での反射の低減が非常に困難であるため、光結合効率が低下する。
【００１７】
更に、図１２に示すようなテーパ導波路では、テーパ部の終端を通過した後も光は数１０μｍ伝搬するので、光導波路層１４１の屈折率ｎｇがシリコン酸化膜（バッファ層）１４２の屈折率ｎｂより高いことによる層間境界での反射により伝搬光の吸収効率が悪化し、伝搬距離が長くなる。伝搬距離が長くなると、光導波路表面及び導波光検出器の各層境界における散乱による光損失の影響が大きくなるため、結果的に光結合効率が悪化する。
【００１８】
従って、例えば、図１２の構成の導波光検出器において、窒化ケイ素膜をシリコン酸化膜１４２と光導波路層１４１との間に積層し、反射防止膜の機能を持たせたとしても、半導体基板１４７上にシリコン酸化膜１４２がある状態では、テーパ部終端通過後の吸収効率が悪く、上記散乱光損失の影響で光結合効率が低下してしまうという問題がある。
【００１９】
一方、図１２に示したテーパ導波路を用いた導波光検出器の技術を、図１２に示す導波光検出器より高度な特性の安定性が要求される光電変換素子、即ちＩＣと集積化した光電変換素子、高速応答特性を有する光電変換素子への導波光の光結合に用いた場合は、シリコン酸化物がバッファ層として受光部である拡散領域上に存在するため、製造プロセスにおいて、図１３に示す導波光検出器の受光部を含む半導体基板全体にわたり水分の混入等を防ぐ機能としては不十分であり、素子特性が劣化するという問題もある。
【００２０】
本発明はこのような現状に鑑みてなされたものであり、上記従来技術の問題点を解消し得、光結合効率を向上でき、外部制御回路としてのＩＣを集積化した、高速応答性や高集積化を享受することができる導波光検出器として好適な導波光検出器及びその製造方法を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明の導波光検出器は、同一の半導体基板上に、不純物拡散領域を有する光電変換素子と、該光電変換素子からの出力を処理するＩＣとが設けられ、該半導体基板の上方に少なくとも一層の窒化ケイ素膜が設けられ、更に、該窒化ケイ素膜の上方に少なくとも一層からなる光伝搬用の光導波路が設けられた導波光検出器であって、該窒化ケイ素膜上に、該窒化ケイ素膜の屈折率よりも低い屈折率を有する該光導波路層の最下層よりも屈折率の低い誘電体層が設けられており、該誘電体層は、該光導波路層の光の伝搬方向に厚みを徐々に薄く形成されて終端における厚みが０になったテーパ状領域と、該テーパ状領域よりも該光導波路層の光の伝搬方向とは反対側に位置する一定の厚さの平坦領域とを有しており、前記光導波路層は、該誘電体層の平坦領域上に位置する前部と、該誘電体層のテーパ状領域上に位置するテーパ部と、該テーパ部に連続して前記窒化ケイ素膜上に設けられた後部とを有し、該テーパ部と該後部とが該不純物拡散領域の形成時に前記半導体基板上に形成された段差部にて囲まれた領域内に設けられており、前記不純物拡散領域中に、該光導波路層における該テーパ部の一部および該テーパ部に連続する該後部の一部に対して光結合可能な受光領域が設けられており、該不純物拡散領域中における光導波路層内の伝搬光の光電変換に寄与する受光部の下方に位置する該窒化ケイ素膜の厚さが４５０ｎｍ〜５５０ｎｍになっていることを特徴とし、そのことにより上記目的が達成される。
【００２７】
また、本発明の導波光検出器の製造方法は、前記導波光検出器の製造方法において、半導体基板上に光電変換素子形成のための不純物拡散領域を形成する工程と、不純物拡散時に生じた該半導体基板上の酸化膜を除去する工程と、該酸化膜を除去した該半導体基板上に少なくとも一層の窒化ケイ素膜を形成する工程と、該窒化ケイ素膜上に前記光導波路層の最下層より屈折率の低い誘電体層を積層する工程と、該誘電体層をテーパ状に加工する工程と、テーパ状に加工された該誘電体層の上に少なくとも一層の該光導波路層を形成する工程とを包含しており、そのことにより上記目的が達成される。
【００２８】
以下に本発明の作用を説明する。
【００２９】
光結合可能な受光領域を、光導波路層より屈折率が低い誘電体層を光の伝搬方向に厚みを徐々に薄くすることで形成されたテーパ部とテーパ部通過後の光導波路層の一部で形成する上記構成によれば、このテーパ部によって、光導波路層から光電変換素子への光結合の際に光結合損失の最大要因となる構造変化を徐々に起こすことができるので、光結合効率を向上できる。
【００３０】
加えて、このテーパ部と光の伝搬方向に対してテーパ部の前後に位置する光導波路層を不純物拡散領域の形成時に形成される段差部に囲まれた領域の範囲内に設けると、段差によって生じる大きな光散乱損失を排除することができる。このため、この点においても、光結合効率を向上できる。
【００３１】
また、このような導波光検出器において、ＩＣとの集積プロセスで生じた突出部等がある場合には、光結合損失の最大要因となる構造変化が非常に大きくなるが、上記のように、研磨処理で滑らかな形状のテーパ部を形成する構成によれば、結果的にこの突出部を平坦化してテーパ部が形成されることになるので、光結合損失の最大要因となる構造変化を徐々に起こすことができる。従って、このような構成によっても、導波光検出器の光結合効率を向上できる。
【００３２】
また、テーパ部の最大傾斜度を１０°以下に設定する構成によれば、放射損失、即ち、光導波路層の表面凹凸による光散乱を除くテーパ部から空気中への放射による損失を理論的にほぼなくすことができるので、高光結合効率の導波光検出器を実現できる。なお、その具体的な理由については後述の実施形態で説明する。
【００３３】
また、受光領域において、窒化ケイ素膜、光導波路層、この光導波路層より屈折率の低い誘電体層及び半導体基板で多層膜構造をなし、光導波路層の屈折率をｎｇ１、誘電体層の屈折率をｎｂとした場合に、θｉ＝ｓｉｎ−１（ｎｂ／ｎｇ１）で定義され、かつ窒化ケイ素膜に対する垂線を基準とした入射角θｉに対して反射防止膜として機能する構成によれば、高光結合効率の光結合が達成される。以下にその理由を説明する。
【００３４】
光結合が主に起こるのはカットオフ付近（但し、カットオフとは、伝搬光が導波モードでなくなる、即ち半導体基板側への放射が大きくなり始める現象をいう）である。ここで、カットオフ付近での伝搬光の実効屈折率Ｎ、即ち伝搬光の位相定数を波数（ｋ０＝２π／λ、但し、λは波長であり、λ＝７８０ｎｍ）で除した値は誘電体層の屈折率ｎｂ付近の値になる。即ち、Ｎ≒ ｎｂの関係が成立する。
【００３５】
このことから、光導波路層から光が不純物拡散領域、即ち受光部に対して向かう場合において、窒化ケイ素膜に対する垂線を基準としたときの進行角度θｉは、θｉ＝ｓｉｎ−１（ｎｂ／ｎｇ１）で与えられるため、光導波路層から誘電体層、窒化ケイ素膜及び半導体基板までの一連の多層膜構造が、θｉ＝ｓｉｎ−１（Ｎ／ｎｇ１）を満たす入射角付近に対する反射防止膜となれば、高光結合効率での光結合を達成できるのである。
【００３６】
ここで、光導波路層の屈折率はその材質より通常１．５３近傍である。また、光導波路層より屈折率の低い誘電体層の屈折率は通常１．４５近傍である。このため、例えば窒化ケイ素膜の厚さが４５０ｎｍ〜５５０ｎｍの間にあるとき、光導波路層から、誘電体層、窒化ケイ素膜及び半導体基板までの一連の多層膜構造が、θｉ＝ｓｉｎ−１＝（ｎｂ／ｎｇ１）を満たす入射角付近に対して、ほぼ反射防止膜として機能すると考えられる。従って、窒化ケイ素膜の厚さを４５０ｎｍ〜５５０ｎｍに設定すると、高光結合効率での光結合という目的に対してより好ましい条件となる。
【００３７】
以上の他、上記のようなテーパ部を光導波路層に形成したとき、テーパ終端を通過した後も光は上記のように数１０μｍ伝搬するため、光結合可能な受光領域の中で、不純物拡散領域の先端位置での誘電体層の厚さが、バッファ層として十分機能する値であり、なおかつ、その不純物拡散領域内にその厚みが０となるテーパ終端を持つことで、テーパ終端を通過した後の伝搬距離を短くすることができる。この結果、光散乱損失を低減できるので、高光結合効率が得られる。この理由を以下に説明する。
【００３８】
まず、テーパが始まる位置の前ではバッファ層として機能する誘電体層がテーパ化されて、不純物拡散領域上に誘電体層が残った場合には、テーパ終端を通過した後の伝搬光の電磁界分布は、誘電体層がない場合に比べて、半導体基板から光導波路層側に強度中心がシフトする。ここで、テーパ終端を通過後の吸収効率はテーパ終端通過後の電磁界分布の強度中心が半導体基板に近いほど高くなる。従って、バッファ層の厚さを０にすれば、その分、伝搬光の電磁界分布の強度中心を半導体基板側に近付けることができるので、吸収効率の向上を図ることができる。このため、結果的にテーパ終端通過後の伝搬距離を短縮することできる。
【００３９】
このように、テーパ終端通過後の伝搬距離を短縮すれば、光散乱損失を低減できるので、不純物拡散領域の受光部上に厚さが０になるテーパ部の終端を有する上記構成によれば、高光結合効率を得ることができる。
【００４０】
上述のように、光がテーパ状の光導波路層を伝搬していく際、光導波路層より屈折率の低い誘電体層の厚さが０になっても光結合は完全に完了しない。具体的には、光結合可能な領域の中で、不純物拡散領域の受光部でのテーパ状導波路層の先端に、誘電体層の厚さが０である領域が２０μｍ以上続くことで光結合が完了する。従って、誘電体層の厚さが０である領域が２０μｍ以上続く上記構成によれば、高光結合効率での光結合を達成できる。
【００４１】
上記のような作用を有する導波光検出器は、上記製造工程を包含する本発明製造方法によって容易に作製することができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づき具体的に説明する。
【００４３】
（実施形態１）
図１は本発明導波光検出器の実施形態１を示す。まず、本実施形態１の導波光検出器の基本構造について説明する。
【００４４】
表層部に不純物拡散領域５が形成された半導体基板１の上には、窒化ケイ素膜２が積層され、その上にバッファ層となる誘電体層３が形成されている。誘電体層３の図上右側部分は光の伝搬方向に対して厚みが薄くなるテーパ状に形成されている。誘電体層３の上には光導波路層（導波層）４が積層されている。ここで、誘電体層３の屈折率は光導波路層４の屈折率よりも低くなっている。
【００４５】
なお、不純物拡散領域５の極性はＰ＋であり、図１中のＰ＋、Ｎ、Ｎ＋は半導体基板１の各部の極性を示し、Ｐ＋領域とＮ＋領域との間で光電変換素子が形成される。そして、Ｐ＋不純物拡散領域５中の伝搬光１０の光電変換に寄与する部分を受光部９（図中に斜線で示す部分）とし、この受光部９中にテーパ部６の形成により導波光検出器として機能するための光結合可能な受光領域７が形成されている。
【００４６】
ここで、半導体基板１にＰ＋不純物拡散領域５を形成する際には、１μｍ以上のＳｉＯ２の段差８が生じるが、本実施形態１では、この段差８に起因する上記した悪影響をなくすため、図１に示すようにテーパ部６及びその前後の光導波路部Ｘ，Ｙ（以下では導波路Ｘ，Ｙと称する）をＰ＋不純物拡散領域５の形成で生じた段差８の内側に形成してある。このため、本実施形態１の導波光検出器の構造によれば、段差によって生じる大きな光散乱損失を低減できるので、光結合効率の向上を図ることができる。
【００４７】
次に、図１を用いて各層の機能について説明する。光導波路層４は光を薄膜に閉じこめるための層であり、光はこの層を主に伝搬する。また、光導波路層４の伝搬光１０の電界或いは磁界は光導波路層４から半導体基板１の方へ裾を引く、つまり電気力線、磁力線の裾の部分が半導体基板１にかかるため、光導波路Ｘにおいて誘電体層３の厚さが十分な厚さでないと、電界或いは磁界の裾が半導体基板１にかかることになり、ここで光の吸収現象が起こる。それ故、本実施形態１の導波光検出器では、誘電体層３の厚さを十分に確保し、光の吸収現象を抑止している。
【００４８】
また、光電変換素子で光電変換された電気信号を処理するＩＣ（図示せず）と集積化される受光部９の上に光導波路層４を形成する場合は、誘電体層３の凹凸は除去する必要があるため、ＩＣとの集積化プロセスの都合上生じる段差等の突出部を覆うように、図１の誘電体層３はその段差等の突出部よりも厚いことが、バッファ層として機能する最低限の条件である。このため、本実施形態１では十分な厚さの誘電体層３を形成してある。
【００４９】
なお、図中ψは、テーパ部６の傾斜度を示す。
【００５０】
（実施形態２）
図２は本発明導波光検出器の実施形態２を示す。本実施形態２の導波光検出器は、テーパ部１６を滑らかな形状に形成することにより、光散乱損失を抑制する構成をとっている。
【００５１】
即ち、伝搬光１０の伝搬する途中に凹凸がある場合には、光結合損失の最大要因となる構造変化が大きくなり、受光領域７で導波光を検出する前に光散乱損失が非常に大きくなるため、この部分を滑らかにしてテーパ部１６を形成することにより、光散乱損失を抑制する構成をとっている。
【００５２】
具体的には、テーパ部１６を形成する過程で、研磨処理を施し、これにより滑らかなテーパ部１６を形成している。この結果、本実施形態２のテーパ部１６の形状は、実施形態１の直線的な形状ではなく、図２に示すような滑らかに膜厚が減少する形状となる。
【００５３】
なお、図２では、素子を構成する際の電極配置も示しており、導波光検出器の光電変換素子は電極配線１１により、ＩＣと接続され、ポリイミドからなる配線保護膜１２に覆われて保護される。
【００５４】
上記した理由により、本実施形態２の導波光検出器によれば、実施形態１の導波光検出器に比べて光散乱損失を一層抑制できる利点がある。
【００５５】
（実施形態３）
図３〜図９は本発明導波光検出器の実施形態３を示す。本実施形態３の導波光検出器は、窒化ケイ素膜及び光導波路層が２層構造になっている。以下に図３に基づきその構造を製造プロセスと共に説明する。但し、図３では、段差部、光導波路Ｙより右側の部分は省略してある。
【００５６】
半導体基板１の表面にＰ＋不純物拡散領域５を形成した後、その上に第１窒化ケイ素膜２１及び第２窒化ケイ素膜２２からなる２層構造の窒化ケイ素膜をこの順に積層する。続いて、その上に誘電体層３を積層し、その図上右側部分に光の伝搬方向３０に対して厚みが薄くなるテーパ部２６を形成する。誘電体層３の平坦な図上左側部分は光導波路Ｘでバッファ層となる。続いて、第１誘電体層４１及び第２誘電体層４２からなる２層構造の光導波路層をこの順に形成する。
【００５７】
ここで、本実施形態３において、窒化ケイ素膜の２層構造は、光電変換素子とＩＣ（図示せず）との集積化プロセスの途中で、保護膜としての第１窒化ケイ素膜２１の積層のプロセスを通して、その後に他の製造プロセスを通した後、導波光検出器の高光結合効率を達成するために、第２窒化ケイ素膜２２を第１窒化ケイ素膜２１の積層時とは異なる条件で積層したことによって得られる。
【００５８】
次に、上記構成でのテーパ部２６のテーパ斜度（テーパ傾斜度）の影響と窒化ケイ素膜（２１，２２）の機能について説明する。
【００５９】
但し、本実施形態３において、各層の屈折率、膜厚は以下のように表記する。即ち、半導体基板１の屈折率をｎｓ、第１窒化ケイ素膜２１の屈折率をｎ１、第２窒化ケイ素膜２２の屈折率をｎ２、誘電体層３の屈折率をｎｂ、光導波路層の第１誘電体層（導波層）４１の屈折率をｎｇ１、第２誘電体層４２の屈折率をｎｇ２とする。
【００６０】
また、第１窒化ケイ素膜２１の厚さをｔ１、第２窒化ケイ素膜２２の厚さをｔ２、光導波路Ｘでの誘電体層３の膜厚をｂｍａｘ、光導波路層４３の第１誘電体層４１の膜厚をｄ、第２誘電体層４２の膜厚をｓとする。
【００６１】
次に、上記各層の構成材料、屈折率の数値例等について説明する。半導体基板１はＳｉ基板であり、屈折率ｎｓ＝３．６８−ｊ０．１である。ここで、ｊ以降の部分は、光が媒質中（この場合はＳｉ）を伝搬する場合の吸収係数を表し、表記自体の意味は、吸収係数を含めた屈折率の表記法、複素屈折率（複素数で表した屈折率）表記である。
【００６２】
第１窒化ケイ素膜２１は屈折率ｎ１＝２．０、厚さｔ１が９５ｎｍのＳｉＮ膜、第２窒化ケイ素膜２２は屈折率ｎ２＝１．８６、厚さｔ２が４００ｎｍのＳｉＮ膜である。また、誘電体層３は、屈折率ｎｂ＝１．４５のＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）層である。光導波路層の第１誘電体層４１は、屈折率ｎｇ１＝１．５３、厚さｄが５７０ｎｍのコーニング社の商品名＃７０５９ガラスであり、第２誘電体層４２は、屈折率ｎｇ２＝１．４３、厚さｓが１４０ｎｍのＳｉＯ２層である。
【００６３】
ここで、誘電体層３の構成材料として、ＰＳＧを用いると、素子構造積層時の膜応力を緩和できる。このため、クラックの発生や、ＩＣ上の半導体素子の特性変化を防止できる利点がある。また、誘電体層３の構成材料として、他にＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ−ｄｏｐｅｄ Ｐｈｏｓｐｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜を用いることができる。更には、ＮＳＧ（ドープなしＣＶＤ−ＳｉＯ２）膜を用いることも可能である。この場合は、膜応力緩和の他、ドープ材による導波光の吸収効果も防げる利点がある。また、第１誘電体層４１としては、他にＳｉＯＮを用いることができる。
【００６４】
本実施形態３のテーパ部２６の形状は下記の表１に示すような変曲点のない滑らかな形状であり、テーパ長（Ｌで表記）は７０μｍであり、テーパ化する誘電体層（バッファ層）３の最大膜厚ｂｍａｘは３．６μｍのテーパ部である。また、テーパ部２６の終端（図３中に符号Ｅで示してあり、誘電体層３の膜厚が０になる位置）からの距離をｌ（μｍ）で表すと、ｌと厚さ（μｍ）との関係は下記表１のようになり、テーパ部２６は表１の各点を滑らかに結んだ形状である。
【００６５】
【表１】
【００６６】
図３に示す形状のテーパ部２６では、図１に示すテーパ部６の斜度ψ（窒化ケイ素膜２と誘電体層３（バッファ層）との境界に対する傾き角）のように厳密に斜度φは定義できないものの、表１が示すように最大斜度は１０゜以下になっている。
【００６７】
次に、図４に基づき本実施形態３の導波光検出器の光結合特性について説明する。但し、図４の横軸ｘはテーパ終端Ｅと不純物拡散領域５の受光部９の起点（図３中に符号Ｏで示す）との距離を示し、符号＋は受光部９とテーパ部２６が重なる場合を示している。
【００６８】
図４において、まず、光結合効率の最大値に着目する。図４の光結合効率の実験値について、テーパ部２６のエッジＥとの距離ｘが＋１０μｍを越えると、光結合効率の変化は小さくなり、一定の値に近づく。また、距離ｘが＋２０μｍ以上に達すれば、光結合効率は９０％以上に達する。一方、光結合効率の理論値は、テーパ部２６のエッジＥとの距離ｘが１０μｍを越えるとほぼ一定となり、ｘが＋２０μｍ以上に達すれば、１００％になることを示している。即ち、理論値と実験値との双方の変化は、ｘが＋２０μｍ以上に達すれば光結合がほぼ１００％完了することを意味している。なお、実験値ではｘが＋３０μｍのときでも光結合効率は９５％にしかならないが、残りの５％の損失は光散乱損失によるものであり、損失の別の要因であるテーパ部２６での空気側への放射損失は十分抑制されている。つまり、図３の具体例に示した構造の導波光検出器で空気側への放射損失が除去されたことになる。テーパ斜度制限による空気側への放射損失の低減の効果は、窒化ケイ素膜がないテーパ導波路で、テーパ導波路の放射特性を調べた実験（１９９５年秋季応用物理学会学術講演会２８ａ−ＳＱ−２９；シャープ（株）南 他）で既に明らかであるが、図４の実験結果が示すように窒化ケイ素膜がある状態でも、窒化ケイ素膜の影響で放射条件が変わるにも拘わらず、テーパの最大斜度が１０゜以下の場合に空気側への放射低減効果が発揮され、高光結合効率が達成できる。
【００６９】
但し、実際に作製した素子では、各層境界での凹凸の影響で光散乱損失が発生する場合がよくある。また、この損失の影響は、光導波路層４３から光電変換素子の受光部９に光結合が完了するまでの距離が長いほど大きくなる。以上の理由から、光散乱損失を低減するには、結合が完了するまでの伝搬距離を短くする必要がある。
【００７０】
そこで、本発明では、窒化ケイ素膜（２１，２２）がある場合に伝搬距離を短くするために、光導波路層４３からの窒化ケイ素膜を通して不純物拡散領域５の受光部９への光の透過率の向上を図っている。具体的には、本実施形態３の導波光検出器では、第１窒化ケイ素膜２１及び第２窒化ケイ素膜２２の膜厚を上記膜厚ｔ１＝９５ｎｍ、ｔ２＝４００ｎｍに設定することにより、光導波路層４３からの窒化ケイ素膜を通して不純物拡散領域５の受光部９への光の透過率を向上させている。
【００７１】
次に、図５及び図６に基づき、この透過率向上効果が得られる理由について説明する。ここで、図５はテーパ部２６の一部を抜き出し、多層膜とみなしたときの図である。光導波路層４３を主に伝搬する光１０の受光領域（光結合可能な領域）での入射角（図５中にθｉで表記）は、伝搬光のカットオフ付近の実効屈折率Ｎがおよそ誘電体層３の屈折率ｎｂであることと、光導波路層の第１誘電体層４１の屈折率がｎｇ１であることから、下記（１）式で表される。
【００７２】
θｉ＝ｓｉｎ−１（ｎｂ ／ｎｇ１） …（１）
上記（１）式にｎｂ ＝１．４５を代入してθｉを計算すると、７１．４゜となる。よって、光導波路層４３を主に伝搬する光１０の受光領域での入射角θｉは約７０゜付近と予想される。
【００７３】
ここで、図６（ａ）、（ｂ）は、本発明者等によるシミュレーション結果を示すものであり、テーパ部２６で伝搬光のカットオフとなる付近の構造を、入射光が入る媒質を光導波路層４３の導波層（コーニング社の商品名＃７０５９ガラス層）４１とした多層膜とみなしたときの反射率を示している。図６（ａ）は誘電体層（ＰＳＧ層）３の部分の膜厚ｂｐが２００ｎｍの場合、図６（ｂ）は誘電体層（ＰＳＧ層）３の部分の膜厚ｂｐが１００ｎｍの場合をそれぞれ表す。
【００７４】
図６（ａ）、（ｂ）では、反射率が小さいほど透過率が高いことを意味しており、いずれの図でも入射角θｉが約７０゜付近で反射率がほぼ０になることがわかる。つまり、第１窒化ケイ素膜２１、第２窒化ケイ素膜２２が、半導体基板（Ｓｉ基板）１と、誘電体層（ＰＳＧ層）３と、光導波路層４３の第１誘電体層（コーニング社の商品名＃７０５９ガラス層）４１との間で入射角θｉが約７０゜付近に対する反射防止膜を形成していることがわかる。
【００７５】
この反射防止膜としての機能が、光導波路層４３から不純物拡散領域５の受光部９への光の透過率向上につながる。テーパ斜度適正化の効果に上記透過率向上効果も加わって、本実施形態３導波路検出器では、光導波路層４３から受光部９への結合効率が図４に示すような高光結合効率となっている。
【００７６】
光導波路層４３の部分については、第１誘電体層４１、第２誘電体層４２の２層構成だけでなく、光導波路層４３は３層以上の多層構造でもよい。この理由は、光導波路層４３の最下層の誘電体層（図３の例では第１誘電体層４１）が、窒化ケイ素膜（２１，２２）に対する垂線を基準にした入射角θｉが定義される、入射側媒質と見なせる点にある。
【００７７】
また、窒化ケイ素膜は、窒化ケイ素膜に対する垂線を基準にした入射角θｉが約７０゜付近に対する反射防止膜としての機能が満たされればよいので、第１窒化ケイ素膜２１と第２窒化ケイ素膜２２というように成膜方法等の違う２層以上の構成でもよいし、１層だけとなってもよい。更に、図３の構成のように、第１窒化ケイ素膜２１と第２窒化ケイ素膜２２とでそれぞれの屈折率が異なってもよい。
【００７８】
従って、図７及び図８に示す構成例、また図２に示す構成例についても、本実施形態３に示した方法で高光結合効率を享受することができる。但し、図７は光導波路層が１層、窒化ケイ素膜が２層構造の導波光検出器を示し、図８は光導波路層が２層構造、窒化ケイ素膜が１層の導波光検出器を示す。なお、図３と対応する部分には同一の符号を付してあり、具体的な説明については省略する。
【００７９】
次に、図９（ａ）、（ｂ）に基づき、図３の構成の導波光検出器において、窒化ケイ素膜の厚さの変化に対する光結合特性の変化について説明する。なお、図９（ａ）、（ｂ）は、第１窒化ケイ素膜（図中のＳｉＮ下層）として屈折率ｎ１が２．０のＳｉＮを用い、第２窒化ケイ素膜として屈折率ｎ２が１．８６のＳｉＮを用いた場合のシミュレーション結果を示している。
【００８０】
図９（ａ）、（ｂ）では、光導波路層４３の第１誘電体層４１の厚さｄが５７０ｎｍであり、バッファ層３であるＰＳＧ層のテーパ形状が表１に示すような形状であるとき、屈折率ｎ１＝２．０のＳｉＮ膜の厚さｔ１、屈折率ｎ２＝１．８６のＳｉＮ膜の厚さｔ２をそれぞれ変化させた場合を示しており、図９（ａ）はＴＥモードに対する光結合特性の変化を示し、図９（ｂ）はＴＭモードに対する光結合特性の変化を示している。
【００８１】
図９（ａ）、（ｂ）において、光結合特性は規格化伝送パワー（光結合前の光導波路層４３の伝送パワーを１として、光電変換素子への光結合によって減少していく光導波路層４３の伝送パワーの相対値を示したもの）のテーパ部の終端Ｅからの距離ｌに対する変化をもって示される。
【００８２】
同図（ａ）、（ｂ）から、ＴＥモード、ＴＭモード双方に対する光結合特性は、第１窒化ケイ素膜２１と第２窒化ケイ素膜２２を合わせた厚さｔ１＋ｔ２が、４５０ｎｍ〜５５０ｎｍの間で変化しても、あまり変化しないことがわかる。また、誘電体層３には、屈折率ｎｂがほぼ１．４５の材料がよく使われ、第１誘電体層４１には屈折率ｎｇ１がほぼ１．５３の材料がよく使われることから、窒化ケイ素膜の厚さを４５０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲内に設定すれば、高光結合効率の導波光検出器を実現できることがわかる。
【００８３】
（実施形態４）
図１０及び図１１は本発明導波光検出器の実施形態４を示す。本実施形態４の導波光検出器は、光が伝搬して来る側のテーパ部の受光部上にあるテーパ終端から光の伝搬方向に誘電体層の厚さが０となる領域を２０μｍ以上形成し、これにより吸収効率を向上させ、結果的にテーパ終端通過後の伝搬距離を短縮し、高光結合効率を達成する構成を採用している。但し、図１０に示す導波光検出器は、光導波路層が２層構造、窒化ケイ素膜が１層の導波光検出器を示し、図１１に示す導波光検出器は、光導波路層が２層構造、窒化ケイ素膜が２層構造の導波光検出器を示す。
【００８４】
ここで、光結合のためのテーパ部はエッチング等の技術で作製されることが多いため、本発明の導波光検出器としては、図１０、図１１に示す構成になることが多い。ここで、図１０及び図１１に示す本実施形態４の導波光検出器は、光電変換素子を形成した後の半導体基板５１に窒化ケイ素膜（図１０では５２、図１１では５２ａ、５２ｂ）を形成した後、導波光検出器に必要なテーパ部５６を形成しており、光電変換素子の部分（図中窒化ケイ素膜５２より下の部分）は実施形態１〜実施形態３と同様である。
【００８５】
また、図示例では、いずれも光導波路層５９が、第１誘電体層５４と第２誘電体層５５からなる２層構造のものを示しているが、一層のものでも可能である。なお、図１０及び図１１では電極を省略しているが、電極が形成される領域は上記実施形態の場合と同様である。
【００８６】
まず、図１０に示す導波光検出器の構成を製造プロセスと共に説明する。半導体基板５１の表面に受光部（不純物拡散領域）５７を形成する。次に、その上に窒化ケイ素膜５２を積層することになるが、不純物拡散の際に半導体基板５１上に酸化ケイ素膜ができる。従って、ここでは半導体基板５１上にできた酸化ケイ素膜をまず除去し、その後、改めて窒化ケイ素膜５２を積層している。その後、実施形態１で説明したように、ＩＣと集積化された光電変換素子形成時に生じたＳｉＯ２段差６１よりも厚く誘電体層５３となる誘電体層を積層（バッファ層として機能させる）し、エッチング、研磨処理を施すことでテーパ部５６を形成する。そして最後に、第１誘電体層５４と第２誘電体層５５からなる２層構造の光導波路層５９をこの順に形成する。これにより、図１０に示す構成の導波光検出器が作製される。なお、ここで説明した製造プロセスは、上記実施形態１〜３の導波光検出器にも同様に適用することができる。
【００８７】
ここで、光導波路層５９から光電変換素子の受光領域（不純物拡散領域）５７への高光結合効率の光結合特性を達成するためには、テーパ終端Ｅ１を通過した後に数１０μｍ程度ある伝搬距離を短くすることが必要である。即ち、伝搬距離を短くすると、テーパ終端Ｅ１を通過した後の光散乱損失を低減でき、高光結合効率が得られるからである。伝搬距離を短くすることができる理由を以下に説明する。
【００８８】
まず、誘電体層５３がテーパ化されても、不純物拡散領域の受光部５７上に誘電体層５３が残った場合には、テーパ終端Ｅ１を通過した後の伝搬光の電磁界分布は、誘電体層がない場合に比べて、半導体基板５１から光導波路層５９側に強度中心がシフトする。このとき、テーパ終端Ｅ１を通過した後の伝搬光６０の吸収効率は、逆にテーパ終端Ｅ１通過後の電磁界分布の強度中心が半導体基板５１に近いほど高くなるので、誘電体層５３の厚さを０にすることで、伝搬光の電磁界分布の強度中心を半導体基板５１側に近付けることで吸収効率が向上する。この結果、テーパ終端Ｅ１通過後の伝搬距離を短縮することできる。
【００８９】
以上の点から、導波光検出器作製の際も、不純物拡散後に生じる酸化ケイ素膜を除去して窒化ケイ素膜を積層する操作が有効になる。
【００９０】
一方、図１１に示す構成の導波光検出器は、半導体基板５１の表面に不純物拡散領域の受光部５７を形成した後、不純物拡散の際に半導体基板５１上にできた酸化ケイ素膜を除去し、その後、窒化ケイ素膜を形成する。光電変換素子とＩＣを集積化する場合には、先に保護層として図１１のように第１窒化ケイ素膜５２ａを形成し、その後、他のプロセスを経て、反射防止膜の機能を持たせるために第２窒化ケイ素膜５２ｂを形成する。
【００９１】
なお、その後の製造プロセスは、図１０の導波光検出器のそれと同じである。図１１の導波光検出器も、光導波路層５９から光電変換素子の受光部（不純物拡散領域）５７への高光結合効率を達成するために、テーパ部５６を持つ誘電体層５３は不純物拡散領域の受光部５７上で膜厚が０になるように形成し、伝搬光のテーパ終端Ｅ１通過後の吸収効率を高めている。
【００９２】
以下、図１１の導波光検出器の具体的な構成例について説明する。一例として、図３の導波光検出器同様に、各層の構成材料として、次のものに選ぶ。即ち、半導体基板５１はＳｉ基板（ｎｓ＝３．６８−ｊ０．１）であり、第１窒化ケイ素膜５２は屈折率ｎ１＝２．０、厚さｔ１が９５ｎｍのＳｉＮ膜、第２窒化ケイ素膜５２’は屈折率ｎ２＝１．８６、厚さｔ２が４００ｎｍ のＳｉＮ膜である。また、誘電体層５３は、屈折率ｎｂ＝１．４５のＰＳＧ層であり、光導波路層の第１誘電体層５４は屈折率ｎｇ１＝１．５３、厚さｄが５７０ｎｍのコーニング社の商品名＃７０５９ガラスであり、第２誘電体層５５は屈折率ｎｇ２＝１．４３、厚さｓが１４０ｎｍのＳｉＯ２層である。
【００９３】
更に、テーパ部５６の形状も、テーパ長（Ｌで表記）が７０ｎｍであり、テーパ化する誘電体層５３の最大膜厚ｂｍａｘが３．６ｎｍであり、テーパ部終端Ｅ１からの距離をｌで表すとき、ｌと厚さｂとの関係が表１のようになる形状である。
【００９４】
従って、この具体的構成例で高光結合効率を得るためには、誘電体層５３の膜厚が０になる領域５８が、図４の結果が示すように２０μｍ以上必要である。即ち、図１１（図１０でも同様）において、Ｅ１〜Ｅ２が２０μｍ以上必要である。また、図９（ａ）、（ｂ）のように反射防止膜の機能がほぼ満たされるときは、光結合特性に大きな変化を生じないことから、図１０及び図１１双方の違いである窒化ケイ素膜の層数に関係なく高光結合効率を得るためには、誘電体層５３の膜厚が０になる領域５８は２０μｍ以上必要である。
【００９５】
【発明の効果】
以上の本発明導波光検出器は、光結合可能な受光領域を、光導波路層より屈折率が低い誘電体層を光の伝搬方向に厚みを徐々に薄くすることで形成されたテーパ部とテーパ部通過後の光導波路層の一部で形成する構成をとるので、テーパ部によって、光導波路層から光電変換素子への光結合の際に光結合損失の最大要因となる構造変化を徐々に起こすことができる。このため、光結合効率を向上できる。
【００９６】
加えて、このテーパ部と光の伝搬方向に対してテーパ部の前後に位置する光導波路層を不純物拡散領域の形成時に形成される段差部に囲まれた領域の範囲内に設ける構成をとるので、段差によって生じる大きな光散乱損失を排除することができる。このため、この点においても、光結合効率を向上できる。
【００９７】
また、特に、研磨処理で滑らかな形状のテーパ部を形成する構成とすれば、ＩＣとの集積プロセスで生じた突出部等がある場合であっても、結果的にこの突出部を平坦化してテーパ部が形成されることになるので、光結合損失の最大要因となる構造変化を徐々に起こすことができる。従って、このような構成によっても、導波光検出器の光結合効率を向上できる。
【００９８】
加えて、テーパ部の最大傾斜度を１０°以下に設定する構成によれば、放射損失、即ち、光導波路層の表面凹凸による光散乱を除くテーパ部から空気中への放射による損失を理論的にほぼなくすことができるので、高光結合効率の導波光検出器を実現できる。
【００９９】
また、特に、受光領域において、窒化ケイ素膜、光導波路層、この光導波路層より屈折率の低い誘電体層及び半導体基板で多層膜構造をなし、これが光導波路層の屈折率をｎg1、誘電体層の屈折率をｎbとした場合に、θi＝ｓｉｎ-1（ｎb/ｎg1）で定義され、かつ窒化ケイ素膜に対する垂線を基準とした入射角θiに対して反射防止膜として機能させる構成とすれば、上記した理由により、高光結合効率の光結合が達成される。
【０１００】
また、特に、窒化ケイ素膜の厚さを４５０ｎｍ〜５５０ｎｍの間に設定する構成とすれば、高光結合効率での光結合という目的に対してより好ましい条件となる導波光検出器を実現できる。
【０１０１】
また、特に、不純物拡散領域の先端位置での誘電体層の厚さが、バッファ層として十分機能する値であり、なおかつ、その不純物拡散領域内にその厚みが０となるテーパ終端を持つ構成とすれば、テーパ終端を通過した後の伝搬距離を短くすることができる。この結果、光散乱損失を低減できるので、高光結合効率が得られる。
【０１０２】
また、特に、誘電体層の厚さが０である領域が２０μｍ以上続く構成とすれば、高光結合効率での光結合を達成できる。
【０１０３】
また、本発明の導波光検出器の製造方法によれば、上記のような効果を奏することができる導波光検出器を容易に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１を示す、導波光検出器の断面図。
【図２】本発明の実施形態２を示す、導波光検出器の断面図。
【図３】本発明の実施形態３を示す、導波光検出器の断面図。
【図４】本発明の実施形態３を示す、導波光検出器の光結合特性を示すグラフ。
【図５】本発明の実施形態３を示す、反射防止膜機能を説明するための一部を拡大して示す導波光検出器の断面図。
【図６】本発明の実施形態３を示す、（ａ）、（ｂ）は導波光検出器のテーパ部を多層膜構造と見なした場合の反射特性を示すグラフ。
【図７】本発明の実施形態３を示す、光導波路層が１層、窒化ケイ素膜が２層構造の導波光検出器の断面図。
【図８】本発明の実施形態３を示す、光導波路層が２層構造、窒化ケイ素膜が１層の導波光検出器の断面図。
【図９】本発明の実施形態３を示す、（ａ）はＴＥモードを例にとって、窒化ケイ素膜の厚さ変化に対する光結合特性の変化を示すグラフ、（ｂ）はＴＭモードを例にとって、窒化ケイ素膜の厚さ変化に対する光結合特性の変化を示すグラフ。
【図１０】本発明の実施形態４を示す、光導波路層が２層構造、窒化ケイ素膜が１層の導波光検出器の断面図。
【図１１】本発明の実施形態４を示す、光導波路層が２層構造、窒化ケイ素膜が２層構造の導波光検出器の断面図。
【図１２】テーパ導波路を用いた導波光検出器の従来例を示す断面図。
【図１３】（ａ）はＩＣと集積化された導波光検出器の一従来例を示す断面図、（ｂ）はＩＣと集積化された導波光検出器の他の従来例を示す断面図。
【図１４】ＩＣと集積化された導波光検出器の場合における段差の発生理由を説明するための製造プロセス図。
【符号の説明】
１、５１ 半導体基板
２、５２ 窒化ケイ素膜
３、５３ 誘電体層（バッファ層）
４、４３、５９ 光導波路層
５、５７ 不純物拡散領域
６、１６、２６、５６ テーパ部
７ 受光領域
８、６１ ＳｉＯ２段差
９ 受光部
１０、６０ 導波光
１１ 電極
１２ 電極保護膜
２１ 第１窒化ケイ素膜
２２ 第２窒化ケイ素膜
４１、５４ 第１誘電体層
４２、５５ 第２誘電体層
５２ａ 第１窒化ケイ素膜
５２ｂ 第２窒化ケイ素膜
５８ 誘電体層の膜厚が０になる領域
【発明の属する技術分野】
本発明は、導波光を光検出器に導く導波光検出器に関し、より具体的には光導波路（光導波路層）から光電変換素子への導波光の光結合を高効率に行うことができる導波光検出器及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光導波路層から光電変換素子へと伝搬する導波光の光結合手段として、最近ではテーパ導波路が多用される傾向にある。即ち、このようなテーパ導波路を用いる場合は、回折格子などを利用して光結合を行う場合に比べて光結合効率を高くできる長所があるからである。
【０００３】
このようなテーパ導波路を用いた導波光（導波路光）検出器の一従来例として、特開平５−２９１６０８号公報に開示されたものがある。図１２は、この導波光検出器を示す。この導波光検出器は、光導波路層（導波層）１４１と半導体基板１４７との間に積層形成されたシリコン酸化膜層からなる誘電体層１４２をテーパ形状、即ち、図中矢印で示す光の伝搬方向に向けて厚みが徐々に薄くなるテーパ状に形成することで光導波路１４１から導波光を光検出器（光電変換素子）に導く構成をとっている。
【０００４】
今少し具体的に説明すると、この導波光検出器では、光導波路層１４１と半導体基板１４７とを隔てる誘電体層１４２が受光部である拡散領域１４３の上に直接形成されている。また、この導波光検出器では、導波光が光検出器に検出される際に、逆バイアス時に発生するリーク電流を低減するためのチャネルストッパーとして、受光部最表面の導電型とは反対の導電型の拡散領域１４４を受光部である拡散領域１４３の周囲に形成してある。
【０００５】
ここで、上記のリーク電流は、半導体基板１４７上に積層されるシリコン酸化膜層からなる誘電体層１４２や光導波路層１４１中に負の固定電荷が発生することに起因して生じる。
【０００６】
なお、図１２において、図中１４５はＮ−エピタキシャル層、１４６はＮ＋シリコン基板である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年の導波光検出器は、その用途から高速応答性や高集積化が要求されており、このような要求に答えるために、最近では外部制御回路のＩＣを導波光検出器と一体的に作製した複雑な構成のものが開発されて来ている。
【０００８】
図１３（ａ）は、このような構成の導波光検出器の一例を示す。受光部２０１の周囲には不純物拡散時のマスクであると同時にＩＣ（ＩＣ部）では配線の働きをする金属層２０３、反射防止用の窒化ケイ素膜２０４や配線絶縁膜となる窒化ケイ素膜２０５及びＩＣと金属配線のための保護層２０６等が形成されている。このため、受光部２０１とその周囲のＩＣとでは、全体として数μｍの段差が発生している。なお、図１３（ａ）では、電極引き出し部分の構造については省略してある。
【０００９】
ここで、上記構成において、保護層２０６や金属層２０３は省略することが可能であるが、反射防止用の窒化ケイ素膜２０４はその働きから不可欠のものであり、また、熱酸化ＳｉＯ２膜２０２はＰＮ接合を保護するために不可欠のものである。このため、図１３（ｂ）に示すように、上記した省略可能なものを除去した最も簡単な構造を考えても、ＳｉＯ２ 層による段差の約１μｍは避けられない。但し、一般的な使用にあたっては、信号検出用の光は自由空間から入射するので、この程度の段差は全く問題にならない。
【００１０】
次に、上記ＳｉＯ２ 層による段差が生じる理由を図１４（ａ）〜（ｅ）に示す製造工程に基づき具体的に説明する。まず、図１４（ａ）に示すように、シリコン基板２３１上に熱酸化ＳｉＯ２膜２３２を形成する。この形成方法としては、酸素気流中で加熱するドライ酸化と、水蒸気を含んだ酸素気流中で加熱する水蒸気酸化が知られている。こうして得られた熱酸化ＳｉＯ２膜２３２をフォトレジスト等を用いたパターニングを行い、エッチング加工することで、図１４（ｂ）に示すような熱酸化ＳｉＯ２膜２３２によるマスク２３２ａを形成することができる。その後、このエッチング部分からシリコン基板２３１に拡散処理を行い、図１４（ｃ）に示すような不純物拡散領域２３１ａを形成する。この高温処理をするときにも、新たに図１４（ｃ）に示すような熱酸化膜２３３が形成される。
【００１１】
この導波光検出器は、ＩＣと同時に受光部、即ち光電変換素子等を形成していくため、図１４（ｄ）に示すように、ＣＶＤ法等でＳｉＯ２膜２３４をさらに積層する。その後、エッチング加工し、ＳｉＯ２膜２３４及び熱酸化膜２３３に、図１４（ｅ）に示すような開口部２３５を形成する。
【００１２】
ここで、上記した一回目と二回目のエッチングパターンは、マスクの位置合わせ精度やエッチングの精度等に起因して２〜３μｍのずれが発生し、これにより段差部２３６が生じる。
【００１３】
さて、図１３の構成で、ＩＣと光電変換素子とを集積した半導体基板上に、単に光導波路層やバッファ層、即ち光結合器の部分以外で光導波路層から半導体基板への光の吸収を防ぐため十分な厚さが確保された誘電体層として機能するシリコン酸化膜を積層してテーパ部を形成した後、導波光検出器を作製しようとすると、図１３（ａ）、（ｂ）のように段差が存在する構造に直接光導波路層を積層することになる。このため、波長オーダーに近い段差によって光導波路層が不連続部を持つことになる。この結果、伝搬光はほとんど不連続部によって散乱されるため、光導波路層としてほぼ機能しない。従って、テーパ部を形成しても、光導波路層から光電変換素子への光結合はほとんど成立しない。
【００１４】
また、段差の問題が解決されるという前提を仮定したとしても、以下に示す新たな問題点がある。即ち、図１３の光電変換素子上にバッファ層となるシリコン酸化膜及び光導波路層を積層し、テーパ導波路（テーパ部）を形成して導波光検出器を作製する場合に、図１３の例で示されるように、窒化ケイ素膜２０４の膜厚を空気中から光を入射させるときの反射防止膜の膜厚に設定すると、光導波路層とシリコン酸化膜（バッファ層）と窒化ケイ素膜２０４との境界での多重反射の影響から光導波路層から光電変換素子へ完全に光結合が完了するまでの伝搬長が長くなる。
【００１５】
ここで、光結合が完了するまでの伝搬長が長くなることは、散乱される光量も増えることを意味する。このため、結果的に光損失が増加し、光導波路層から光電変換素子への光結合効率が低下する。
【００１６】
また、図１２に示す構成の導波光検出器では、屈折率がｎ１、ｎ２、ｎ３（添字１、２、３は膜の最下層から順に付記）の３層で構成される多層膜が反射防止膜として機能する最低限の条件であるｎ１＜ｎ２＜ｎ３を満たさない。つまり、光導波路層１４１の屈折率ｎｇと、シリコン酸化膜（バッファ層）１４２の屈折率ｎｂと半導体基板１４７の屈折率ｎｓとが、光導波路として機能させるためｎｂ＜ｎｇ＜ｎｓの関係にあるため、これらの３層で構成される多層膜が反射防止膜として機能する上記最低限の条件を満たさない。この結果、図１２に示す構成の導波光検出器では、光電変換素子への光結合の際に層間境界での反射の低減が非常に困難であるため、光結合効率が低下する。
【００１７】
更に、図１２に示すようなテーパ導波路では、テーパ部の終端を通過した後も光は数１０μｍ伝搬するので、光導波路層１４１の屈折率ｎｇがシリコン酸化膜（バッファ層）１４２の屈折率ｎｂより高いことによる層間境界での反射により伝搬光の吸収効率が悪化し、伝搬距離が長くなる。伝搬距離が長くなると、光導波路表面及び導波光検出器の各層境界における散乱による光損失の影響が大きくなるため、結果的に光結合効率が悪化する。
【００１８】
従って、例えば、図１２の構成の導波光検出器において、窒化ケイ素膜をシリコン酸化膜１４２と光導波路層１４１との間に積層し、反射防止膜の機能を持たせたとしても、半導体基板１４７上にシリコン酸化膜１４２がある状態では、テーパ部終端通過後の吸収効率が悪く、上記散乱光損失の影響で光結合効率が低下してしまうという問題がある。
【００１９】
一方、図１２に示したテーパ導波路を用いた導波光検出器の技術を、図１２に示す導波光検出器より高度な特性の安定性が要求される光電変換素子、即ちＩＣと集積化した光電変換素子、高速応答特性を有する光電変換素子への導波光の光結合に用いた場合は、シリコン酸化物がバッファ層として受光部である拡散領域上に存在するため、製造プロセスにおいて、図１３に示す導波光検出器の受光部を含む半導体基板全体にわたり水分の混入等を防ぐ機能としては不十分であり、素子特性が劣化するという問題もある。
【００２０】
本発明はこのような現状に鑑みてなされたものであり、上記従来技術の問題点を解消し得、光結合効率を向上でき、外部制御回路としてのＩＣを集積化した、高速応答性や高集積化を享受することができる導波光検出器として好適な導波光検出器及びその製造方法を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明の導波光検出器は、同一の半導体基板上に、不純物拡散領域を有する光電変換素子と、該光電変換素子からの出力を処理するＩＣとが設けられ、該半導体基板の上方に少なくとも一層の窒化ケイ素膜が設けられ、更に、該窒化ケイ素膜の上方に少なくとも一層からなる光伝搬用の光導波路が設けられた導波光検出器であって、該窒化ケイ素膜上に、該窒化ケイ素膜の屈折率よりも低い屈折率を有する該光導波路層の最下層よりも屈折率の低い誘電体層が設けられており、該誘電体層は、該光導波路層の光の伝搬方向に厚みを徐々に薄く形成されて終端における厚みが０になったテーパ状領域と、該テーパ状領域よりも該光導波路層の光の伝搬方向とは反対側に位置する一定の厚さの平坦領域とを有しており、前記光導波路層は、該誘電体層の平坦領域上に位置する前部と、該誘電体層のテーパ状領域上に位置するテーパ部と、該テーパ部に連続して前記窒化ケイ素膜上に設けられた後部とを有し、該テーパ部と該後部とが該不純物拡散領域の形成時に前記半導体基板上に形成された段差部にて囲まれた領域内に設けられており、前記不純物拡散領域中に、該光導波路層における該テーパ部の一部および該テーパ部に連続する該後部の一部に対して光結合可能な受光領域が設けられており、該不純物拡散領域中における光導波路層内の伝搬光の光電変換に寄与する受光部の下方に位置する該窒化ケイ素膜の厚さが４５０ｎｍ〜５５０ｎｍになっていることを特徴とし、そのことにより上記目的が達成される。
【００２７】
また、本発明の導波光検出器の製造方法は、前記導波光検出器の製造方法において、半導体基板上に光電変換素子形成のための不純物拡散領域を形成する工程と、不純物拡散時に生じた該半導体基板上の酸化膜を除去する工程と、該酸化膜を除去した該半導体基板上に少なくとも一層の窒化ケイ素膜を形成する工程と、該窒化ケイ素膜上に前記光導波路層の最下層より屈折率の低い誘電体層を積層する工程と、該誘電体層をテーパ状に加工する工程と、テーパ状に加工された該誘電体層の上に少なくとも一層の該光導波路層を形成する工程とを包含しており、そのことにより上記目的が達成される。
【００２８】
以下に本発明の作用を説明する。
【００２９】
光結合可能な受光領域を、光導波路層より屈折率が低い誘電体層を光の伝搬方向に厚みを徐々に薄くすることで形成されたテーパ部とテーパ部通過後の光導波路層の一部で形成する上記構成によれば、このテーパ部によって、光導波路層から光電変換素子への光結合の際に光結合損失の最大要因となる構造変化を徐々に起こすことができるので、光結合効率を向上できる。
【００３０】
加えて、このテーパ部と光の伝搬方向に対してテーパ部の前後に位置する光導波路層を不純物拡散領域の形成時に形成される段差部に囲まれた領域の範囲内に設けると、段差によって生じる大きな光散乱損失を排除することができる。このため、この点においても、光結合効率を向上できる。
【００３１】
また、このような導波光検出器において、ＩＣとの集積プロセスで生じた突出部等がある場合には、光結合損失の最大要因となる構造変化が非常に大きくなるが、上記のように、研磨処理で滑らかな形状のテーパ部を形成する構成によれば、結果的にこの突出部を平坦化してテーパ部が形成されることになるので、光結合損失の最大要因となる構造変化を徐々に起こすことができる。従って、このような構成によっても、導波光検出器の光結合効率を向上できる。
【００３２】
また、テーパ部の最大傾斜度を１０°以下に設定する構成によれば、放射損失、即ち、光導波路層の表面凹凸による光散乱を除くテーパ部から空気中への放射による損失を理論的にほぼなくすことができるので、高光結合効率の導波光検出器を実現できる。なお、その具体的な理由については後述の実施形態で説明する。
【００３３】
また、受光領域において、窒化ケイ素膜、光導波路層、この光導波路層より屈折率の低い誘電体層及び半導体基板で多層膜構造をなし、光導波路層の屈折率をｎｇ１、誘電体層の屈折率をｎｂとした場合に、θｉ＝ｓｉｎ−１（ｎｂ／ｎｇ１）で定義され、かつ窒化ケイ素膜に対する垂線を基準とした入射角θｉに対して反射防止膜として機能する構成によれば、高光結合効率の光結合が達成される。以下にその理由を説明する。
【００３４】
光結合が主に起こるのはカットオフ付近（但し、カットオフとは、伝搬光が導波モードでなくなる、即ち半導体基板側への放射が大きくなり始める現象をいう）である。ここで、カットオフ付近での伝搬光の実効屈折率Ｎ、即ち伝搬光の位相定数を波数（ｋ０＝２π／λ、但し、λは波長であり、λ＝７８０ｎｍ）で除した値は誘電体層の屈折率ｎｂ付近の値になる。即ち、Ｎ≒ ｎｂの関係が成立する。
【００３５】
このことから、光導波路層から光が不純物拡散領域、即ち受光部に対して向かう場合において、窒化ケイ素膜に対する垂線を基準としたときの進行角度θｉは、θｉ＝ｓｉｎ−１（ｎｂ／ｎｇ１）で与えられるため、光導波路層から誘電体層、窒化ケイ素膜及び半導体基板までの一連の多層膜構造が、θｉ＝ｓｉｎ−１（Ｎ／ｎｇ１）を満たす入射角付近に対する反射防止膜となれば、高光結合効率での光結合を達成できるのである。
【００３６】
ここで、光導波路層の屈折率はその材質より通常１．５３近傍である。また、光導波路層より屈折率の低い誘電体層の屈折率は通常１．４５近傍である。このため、例えば窒化ケイ素膜の厚さが４５０ｎｍ〜５５０ｎｍの間にあるとき、光導波路層から、誘電体層、窒化ケイ素膜及び半導体基板までの一連の多層膜構造が、θｉ＝ｓｉｎ−１＝（ｎｂ／ｎｇ１）を満たす入射角付近に対して、ほぼ反射防止膜として機能すると考えられる。従って、窒化ケイ素膜の厚さを４５０ｎｍ〜５５０ｎｍに設定すると、高光結合効率での光結合という目的に対してより好ましい条件となる。
【００３７】
以上の他、上記のようなテーパ部を光導波路層に形成したとき、テーパ終端を通過した後も光は上記のように数１０μｍ伝搬するため、光結合可能な受光領域の中で、不純物拡散領域の先端位置での誘電体層の厚さが、バッファ層として十分機能する値であり、なおかつ、その不純物拡散領域内にその厚みが０となるテーパ終端を持つことで、テーパ終端を通過した後の伝搬距離を短くすることができる。この結果、光散乱損失を低減できるので、高光結合効率が得られる。この理由を以下に説明する。
【００３８】
まず、テーパが始まる位置の前ではバッファ層として機能する誘電体層がテーパ化されて、不純物拡散領域上に誘電体層が残った場合には、テーパ終端を通過した後の伝搬光の電磁界分布は、誘電体層がない場合に比べて、半導体基板から光導波路層側に強度中心がシフトする。ここで、テーパ終端を通過後の吸収効率はテーパ終端通過後の電磁界分布の強度中心が半導体基板に近いほど高くなる。従って、バッファ層の厚さを０にすれば、その分、伝搬光の電磁界分布の強度中心を半導体基板側に近付けることができるので、吸収効率の向上を図ることができる。このため、結果的にテーパ終端通過後の伝搬距離を短縮することできる。
【００３９】
このように、テーパ終端通過後の伝搬距離を短縮すれば、光散乱損失を低減できるので、不純物拡散領域の受光部上に厚さが０になるテーパ部の終端を有する上記構成によれば、高光結合効率を得ることができる。
【００４０】
上述のように、光がテーパ状の光導波路層を伝搬していく際、光導波路層より屈折率の低い誘電体層の厚さが０になっても光結合は完全に完了しない。具体的には、光結合可能な領域の中で、不純物拡散領域の受光部でのテーパ状導波路層の先端に、誘電体層の厚さが０である領域が２０μｍ以上続くことで光結合が完了する。従って、誘電体層の厚さが０である領域が２０μｍ以上続く上記構成によれば、高光結合効率での光結合を達成できる。
【００４１】
上記のような作用を有する導波光検出器は、上記製造工程を包含する本発明製造方法によって容易に作製することができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づき具体的に説明する。
【００４３】
（実施形態１）
図１は本発明導波光検出器の実施形態１を示す。まず、本実施形態１の導波光検出器の基本構造について説明する。
【００４４】
表層部に不純物拡散領域５が形成された半導体基板１の上には、窒化ケイ素膜２が積層され、その上にバッファ層となる誘電体層３が形成されている。誘電体層３の図上右側部分は光の伝搬方向に対して厚みが薄くなるテーパ状に形成されている。誘電体層３の上には光導波路層（導波層）４が積層されている。ここで、誘電体層３の屈折率は光導波路層４の屈折率よりも低くなっている。
【００４５】
なお、不純物拡散領域５の極性はＰ＋であり、図１中のＰ＋、Ｎ、Ｎ＋は半導体基板１の各部の極性を示し、Ｐ＋領域とＮ＋領域との間で光電変換素子が形成される。そして、Ｐ＋不純物拡散領域５中の伝搬光１０の光電変換に寄与する部分を受光部９（図中に斜線で示す部分）とし、この受光部９中にテーパ部６の形成により導波光検出器として機能するための光結合可能な受光領域７が形成されている。
【００４６】
ここで、半導体基板１にＰ＋不純物拡散領域５を形成する際には、１μｍ以上のＳｉＯ２の段差８が生じるが、本実施形態１では、この段差８に起因する上記した悪影響をなくすため、図１に示すようにテーパ部６及びその前後の光導波路部Ｘ，Ｙ（以下では導波路Ｘ，Ｙと称する）をＰ＋不純物拡散領域５の形成で生じた段差８の内側に形成してある。このため、本実施形態１の導波光検出器の構造によれば、段差によって生じる大きな光散乱損失を低減できるので、光結合効率の向上を図ることができる。
【００４７】
次に、図１を用いて各層の機能について説明する。光導波路層４は光を薄膜に閉じこめるための層であり、光はこの層を主に伝搬する。また、光導波路層４の伝搬光１０の電界或いは磁界は光導波路層４から半導体基板１の方へ裾を引く、つまり電気力線、磁力線の裾の部分が半導体基板１にかかるため、光導波路Ｘにおいて誘電体層３の厚さが十分な厚さでないと、電界或いは磁界の裾が半導体基板１にかかることになり、ここで光の吸収現象が起こる。それ故、本実施形態１の導波光検出器では、誘電体層３の厚さを十分に確保し、光の吸収現象を抑止している。
【００４８】
また、光電変換素子で光電変換された電気信号を処理するＩＣ（図示せず）と集積化される受光部９の上に光導波路層４を形成する場合は、誘電体層３の凹凸は除去する必要があるため、ＩＣとの集積化プロセスの都合上生じる段差等の突出部を覆うように、図１の誘電体層３はその段差等の突出部よりも厚いことが、バッファ層として機能する最低限の条件である。このため、本実施形態１では十分な厚さの誘電体層３を形成してある。
【００４９】
なお、図中ψは、テーパ部６の傾斜度を示す。
【００５０】
（実施形態２）
図２は本発明導波光検出器の実施形態２を示す。本実施形態２の導波光検出器は、テーパ部１６を滑らかな形状に形成することにより、光散乱損失を抑制する構成をとっている。
【００５１】
即ち、伝搬光１０の伝搬する途中に凹凸がある場合には、光結合損失の最大要因となる構造変化が大きくなり、受光領域７で導波光を検出する前に光散乱損失が非常に大きくなるため、この部分を滑らかにしてテーパ部１６を形成することにより、光散乱損失を抑制する構成をとっている。
【００５２】
具体的には、テーパ部１６を形成する過程で、研磨処理を施し、これにより滑らかなテーパ部１６を形成している。この結果、本実施形態２のテーパ部１６の形状は、実施形態１の直線的な形状ではなく、図２に示すような滑らかに膜厚が減少する形状となる。
【００５３】
なお、図２では、素子を構成する際の電極配置も示しており、導波光検出器の光電変換素子は電極配線１１により、ＩＣと接続され、ポリイミドからなる配線保護膜１２に覆われて保護される。
【００５４】
上記した理由により、本実施形態２の導波光検出器によれば、実施形態１の導波光検出器に比べて光散乱損失を一層抑制できる利点がある。
【００５５】
（実施形態３）
図３〜図９は本発明導波光検出器の実施形態３を示す。本実施形態３の導波光検出器は、窒化ケイ素膜及び光導波路層が２層構造になっている。以下に図３に基づきその構造を製造プロセスと共に説明する。但し、図３では、段差部、光導波路Ｙより右側の部分は省略してある。
【００５６】
半導体基板１の表面にＰ＋不純物拡散領域５を形成した後、その上に第１窒化ケイ素膜２１及び第２窒化ケイ素膜２２からなる２層構造の窒化ケイ素膜をこの順に積層する。続いて、その上に誘電体層３を積層し、その図上右側部分に光の伝搬方向３０に対して厚みが薄くなるテーパ部２６を形成する。誘電体層３の平坦な図上左側部分は光導波路Ｘでバッファ層となる。続いて、第１誘電体層４１及び第２誘電体層４２からなる２層構造の光導波路層をこの順に形成する。
【００５７】
ここで、本実施形態３において、窒化ケイ素膜の２層構造は、光電変換素子とＩＣ（図示せず）との集積化プロセスの途中で、保護膜としての第１窒化ケイ素膜２１の積層のプロセスを通して、その後に他の製造プロセスを通した後、導波光検出器の高光結合効率を達成するために、第２窒化ケイ素膜２２を第１窒化ケイ素膜２１の積層時とは異なる条件で積層したことによって得られる。
【００５８】
次に、上記構成でのテーパ部２６のテーパ斜度（テーパ傾斜度）の影響と窒化ケイ素膜（２１，２２）の機能について説明する。
【００５９】
但し、本実施形態３において、各層の屈折率、膜厚は以下のように表記する。即ち、半導体基板１の屈折率をｎｓ、第１窒化ケイ素膜２１の屈折率をｎ１、第２窒化ケイ素膜２２の屈折率をｎ２、誘電体層３の屈折率をｎｂ、光導波路層の第１誘電体層（導波層）４１の屈折率をｎｇ１、第２誘電体層４２の屈折率をｎｇ２とする。
【００６０】
また、第１窒化ケイ素膜２１の厚さをｔ１、第２窒化ケイ素膜２２の厚さをｔ２、光導波路Ｘでの誘電体層３の膜厚をｂｍａｘ、光導波路層４３の第１誘電体層４１の膜厚をｄ、第２誘電体層４２の膜厚をｓとする。
【００６１】
次に、上記各層の構成材料、屈折率の数値例等について説明する。半導体基板１はＳｉ基板であり、屈折率ｎｓ＝３．６８−ｊ０．１である。ここで、ｊ以降の部分は、光が媒質中（この場合はＳｉ）を伝搬する場合の吸収係数を表し、表記自体の意味は、吸収係数を含めた屈折率の表記法、複素屈折率（複素数で表した屈折率）表記である。
【００６２】
第１窒化ケイ素膜２１は屈折率ｎ１＝２．０、厚さｔ１が９５ｎｍのＳｉＮ膜、第２窒化ケイ素膜２２は屈折率ｎ２＝１．８６、厚さｔ２が４００ｎｍのＳｉＮ膜である。また、誘電体層３は、屈折率ｎｂ＝１．４５のＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）層である。光導波路層の第１誘電体層４１は、屈折率ｎｇ１＝１．５３、厚さｄが５７０ｎｍのコーニング社の商品名＃７０５９ガラスであり、第２誘電体層４２は、屈折率ｎｇ２＝１．４３、厚さｓが１４０ｎｍのＳｉＯ２層である。
【００６３】
ここで、誘電体層３の構成材料として、ＰＳＧを用いると、素子構造積層時の膜応力を緩和できる。このため、クラックの発生や、ＩＣ上の半導体素子の特性変化を防止できる利点がある。また、誘電体層３の構成材料として、他にＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ−ｄｏｐｅｄ Ｐｈｏｓｐｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜を用いることができる。更には、ＮＳＧ（ドープなしＣＶＤ−ＳｉＯ２）膜を用いることも可能である。この場合は、膜応力緩和の他、ドープ材による導波光の吸収効果も防げる利点がある。また、第１誘電体層４１としては、他にＳｉＯＮを用いることができる。
【００６４】
本実施形態３のテーパ部２６の形状は下記の表１に示すような変曲点のない滑らかな形状であり、テーパ長（Ｌで表記）は７０μｍであり、テーパ化する誘電体層（バッファ層）３の最大膜厚ｂｍａｘは３．６μｍのテーパ部である。また、テーパ部２６の終端（図３中に符号Ｅで示してあり、誘電体層３の膜厚が０になる位置）からの距離をｌ（μｍ）で表すと、ｌと厚さ（μｍ）との関係は下記表１のようになり、テーパ部２６は表１の各点を滑らかに結んだ形状である。
【００６５】
【表１】
図３に示す形状のテーパ部２６では、図１に示すテーパ部６の斜度ψ（窒化ケイ素膜２と誘電体層３（バッファ層）との境界に対する傾き角）のように厳密に斜度φは定義できないものの、表１が示すように最大斜度は１０゜以下になっている。
【００６７】
次に、図４に基づき本実施形態３の導波光検出器の光結合特性について説明する。但し、図４の横軸ｘはテーパ終端Ｅと不純物拡散領域５の受光部９の起点（図３中に符号Ｏで示す）との距離を示し、符号＋は受光部９とテーパ部２６が重なる場合を示している。
【００６８】
図４において、まず、光結合効率の最大値に着目する。図４の光結合効率の実験値について、テーパ部２６のエッジＥとの距離ｘが＋１０μｍを越えると、光結合効率の変化は小さくなり、一定の値に近づく。また、距離ｘが＋２０μｍ以上に達すれば、光結合効率は９０％以上に達する。一方、光結合効率の理論値は、テーパ部２６のエッジＥとの距離ｘが１０μｍを越えるとほぼ一定となり、ｘが＋２０μｍ以上に達すれば、１００％になることを示している。即ち、理論値と実験値との双方の変化は、ｘが＋２０μｍ以上に達すれば光結合がほぼ１００％完了することを意味している。なお、実験値ではｘが＋３０μｍのときでも光結合効率は９５％にしかならないが、残りの５％の損失は光散乱損失によるものであり、損失の別の要因であるテーパ部２６での空気側への放射損失は十分抑制されている。つまり、図３の具体例に示した構造の導波光検出器で空気側への放射損失が除去されたことになる。テーパ斜度制限による空気側への放射損失の低減の効果は、窒化ケイ素膜がないテーパ導波路で、テーパ導波路の放射特性を調べた実験（１９９５年秋季応用物理学会学術講演会２８ａ−ＳＱ−２９；シャープ（株）南 他）で既に明らかであるが、図４の実験結果が示すように窒化ケイ素膜がある状態でも、窒化ケイ素膜の影響で放射条件が変わるにも拘わらず、テーパの最大斜度が１０゜以下の場合に空気側への放射低減効果が発揮され、高光結合効率が達成できる。
【００６９】
但し、実際に作製した素子では、各層境界での凹凸の影響で光散乱損失が発生する場合がよくある。また、この損失の影響は、光導波路層４３から光電変換素子の受光部９に光結合が完了するまでの距離が長いほど大きくなる。以上の理由から、光散乱損失を低減するには、結合が完了するまでの伝搬距離を短くする必要がある。
【００７０】
そこで、本発明では、窒化ケイ素膜（２１，２２）がある場合に伝搬距離を短くするために、光導波路層４３からの窒化ケイ素膜を通して不純物拡散領域５の受光部９への光の透過率の向上を図っている。具体的には、本実施形態３の導波光検出器では、第１窒化ケイ素膜２１及び第２窒化ケイ素膜２２の膜厚を上記膜厚ｔ１＝９５ｎｍ、ｔ２＝４００ｎｍに設定することにより、光導波路層４３からの窒化ケイ素膜を通して不純物拡散領域５の受光部９への光の透過率を向上させている。
【００７１】
次に、図５及び図６に基づき、この透過率向上効果が得られる理由について説明する。ここで、図５はテーパ部２６の一部を抜き出し、多層膜とみなしたときの図である。光導波路層４３を主に伝搬する光１０の受光領域（光結合可能な領域）での入射角（図５中にθｉで表記）は、伝搬光のカットオフ付近の実効屈折率Ｎがおよそ誘電体層３の屈折率ｎｂであることと、光導波路層の第１誘電体層４１の屈折率がｎｇ１であることから、下記（１）式で表される。
【００７２】
θｉ＝ｓｉｎ−１（ｎｂ ／ｎｇ１） …（１）
上記（１）式にｎｂ ＝１．４５を代入してθｉを計算すると、７１．４゜となる。よって、光導波路層４３を主に伝搬する光１０の受光領域での入射角θｉは約７０゜付近と予想される。
【００７３】
ここで、図６（ａ）、（ｂ）は、本発明者等によるシミュレーション結果を示すものであり、テーパ部２６で伝搬光のカットオフとなる付近の構造を、入射光が入る媒質を光導波路層４３の導波層（コーニング社の商品名＃７０５９ガラス層）４１とした多層膜とみなしたときの反射率を示している。図６（ａ）は誘電体層（ＰＳＧ層）３の部分の膜厚ｂｐが２００ｎｍの場合、図６（ｂ）は誘電体層（ＰＳＧ層）３の部分の膜厚ｂｐが１００ｎｍの場合をそれぞれ表す。
【００７４】
図６（ａ）、（ｂ）では、反射率が小さいほど透過率が高いことを意味しており、いずれの図でも入射角θｉが約７０゜付近で反射率がほぼ０になることがわかる。つまり、第１窒化ケイ素膜２１、第２窒化ケイ素膜２２が、半導体基板（Ｓｉ基板）１と、誘電体層（ＰＳＧ層）３と、光導波路層４３の第１誘電体層（コーニング社の商品名＃７０５９ガラス層）４１との間で入射角θｉが約７０゜付近に対する反射防止膜を形成していることがわかる。
【００７５】
この反射防止膜としての機能が、光導波路層４３から不純物拡散領域５の受光部９への光の透過率向上につながる。テーパ斜度適正化の効果に上記透過率向上効果も加わって、本実施形態３導波路検出器では、光導波路層４３から受光部９への結合効率が図４に示すような高光結合効率となっている。
【００７６】
光導波路層４３の部分については、第１誘電体層４１、第２誘電体層４２の２層構成だけでなく、光導波路層４３は３層以上の多層構造でもよい。この理由は、光導波路層４３の最下層の誘電体層（図３の例では第１誘電体層４１）が、窒化ケイ素膜（２１，２２）に対する垂線を基準にした入射角θｉが定義される、入射側媒質と見なせる点にある。
【００７７】
また、窒化ケイ素膜は、窒化ケイ素膜に対する垂線を基準にした入射角θｉが約７０゜付近に対する反射防止膜としての機能が満たされればよいので、第１窒化ケイ素膜２１と第２窒化ケイ素膜２２というように成膜方法等の違う２層以上の構成でもよいし、１層だけとなってもよい。更に、図３の構成のように、第１窒化ケイ素膜２１と第２窒化ケイ素膜２２とでそれぞれの屈折率が異なってもよい。
【００７８】
従って、図７及び図８に示す構成例、また図２に示す構成例についても、本実施形態３に示した方法で高光結合効率を享受することができる。但し、図７は光導波路層が１層、窒化ケイ素膜が２層構造の導波光検出器を示し、図８は光導波路層が２層構造、窒化ケイ素膜が１層の導波光検出器を示す。なお、図３と対応する部分には同一の符号を付してあり、具体的な説明については省略する。
【００７９】
次に、図９（ａ）、（ｂ）に基づき、図３の構成の導波光検出器において、窒化ケイ素膜の厚さの変化に対する光結合特性の変化について説明する。なお、図９（ａ）、（ｂ）は、第１窒化ケイ素膜（図中のＳｉＮ下層）として屈折率ｎ１が２．０のＳｉＮを用い、第２窒化ケイ素膜として屈折率ｎ２が１．８６のＳｉＮを用いた場合のシミュレーション結果を示している。
【００８０】
図９（ａ）、（ｂ）では、光導波路層４３の第１誘電体層４１の厚さｄが５７０ｎｍであり、バッファ層３であるＰＳＧ層のテーパ形状が表１に示すような形状であるとき、屈折率ｎ１＝２．０のＳｉＮ膜の厚さｔ１、屈折率ｎ２＝１．８６のＳｉＮ膜の厚さｔ２をそれぞれ変化させた場合を示しており、図９（ａ）はＴＥモードに対する光結合特性の変化を示し、図９（ｂ）はＴＭモードに対する光結合特性の変化を示している。
【００８１】
図９（ａ）、（ｂ）において、光結合特性は規格化伝送パワー（光結合前の光導波路層４３の伝送パワーを１として、光電変換素子への光結合によって減少していく光導波路層４３の伝送パワーの相対値を示したもの）のテーパ部の終端Ｅからの距離ｌに対する変化をもって示される。
【００８２】
同図（ａ）、（ｂ）から、ＴＥモード、ＴＭモード双方に対する光結合特性は、第１窒化ケイ素膜２１と第２窒化ケイ素膜２２を合わせた厚さｔ１＋ｔ２が、４５０ｎｍ〜５５０ｎｍの間で変化しても、あまり変化しないことがわかる。また、誘電体層３には、屈折率ｎｂがほぼ１．４５の材料がよく使われ、第１誘電体層４１には屈折率ｎｇ１がほぼ１．５３の材料がよく使われることから、窒化ケイ素膜の厚さを４５０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲内に設定すれば、高光結合効率の導波光検出器を実現できることがわかる。
【００８３】
（実施形態４）
図１０及び図１１は本発明導波光検出器の実施形態４を示す。本実施形態４の導波光検出器は、光が伝搬して来る側のテーパ部の受光部上にあるテーパ終端から光の伝搬方向に誘電体層の厚さが０となる領域を２０μｍ以上形成し、これにより吸収効率を向上させ、結果的にテーパ終端通過後の伝搬距離を短縮し、高光結合効率を達成する構成を採用している。但し、図１０に示す導波光検出器は、光導波路層が２層構造、窒化ケイ素膜が１層の導波光検出器を示し、図１１に示す導波光検出器は、光導波路層が２層構造、窒化ケイ素膜が２層構造の導波光検出器を示す。
【００８４】
ここで、光結合のためのテーパ部はエッチング等の技術で作製されることが多いため、本発明の導波光検出器としては、図１０、図１１に示す構成になることが多い。ここで、図１０及び図１１に示す本実施形態４の導波光検出器は、光電変換素子を形成した後の半導体基板５１に窒化ケイ素膜（図１０では５２、図１１では５２ａ、５２ｂ）を形成した後、導波光検出器に必要なテーパ部５６を形成しており、光電変換素子の部分（図中窒化ケイ素膜５２より下の部分）は実施形態１〜実施形態３と同様である。
【００８５】
また、図示例では、いずれも光導波路層５９が、第１誘電体層５４と第２誘電体層５５からなる２層構造のものを示しているが、一層のものでも可能である。なお、図１０及び図１１では電極を省略しているが、電極が形成される領域は上記実施形態の場合と同様である。
【００８６】
まず、図１０に示す導波光検出器の構成を製造プロセスと共に説明する。半導体基板５１の表面に受光部（不純物拡散領域）５７を形成する。次に、その上に窒化ケイ素膜５２を積層することになるが、不純物拡散の際に半導体基板５１上に酸化ケイ素膜ができる。従って、ここでは半導体基板５１上にできた酸化ケイ素膜をまず除去し、その後、改めて窒化ケイ素膜５２を積層している。その後、実施形態１で説明したように、ＩＣと集積化された光電変換素子形成時に生じたＳｉＯ２段差６１よりも厚く誘電体層５３となる誘電体層を積層（バッファ層として機能させる）し、エッチング、研磨処理を施すことでテーパ部５６を形成する。そして最後に、第１誘電体層５４と第２誘電体層５５からなる２層構造の光導波路層５９をこの順に形成する。これにより、図１０に示す構成の導波光検出器が作製される。なお、ここで説明した製造プロセスは、上記実施形態１〜３の導波光検出器にも同様に適用することができる。
【００８７】
ここで、光導波路層５９から光電変換素子の受光領域（不純物拡散領域）５７への高光結合効率の光結合特性を達成するためには、テーパ終端Ｅ１を通過した後に数１０μｍ程度ある伝搬距離を短くすることが必要である。即ち、伝搬距離を短くすると、テーパ終端Ｅ１を通過した後の光散乱損失を低減でき、高光結合効率が得られるからである。伝搬距離を短くすることができる理由を以下に説明する。
【００８８】
まず、誘電体層５３がテーパ化されても、不純物拡散領域の受光部５７上に誘電体層５３が残った場合には、テーパ終端Ｅ１を通過した後の伝搬光の電磁界分布は、誘電体層がない場合に比べて、半導体基板５１から光導波路層５９側に強度中心がシフトする。このとき、テーパ終端Ｅ１を通過した後の伝搬光６０の吸収効率は、逆にテーパ終端Ｅ１通過後の電磁界分布の強度中心が半導体基板５１に近いほど高くなるので、誘電体層５３の厚さを０にすることで、伝搬光の電磁界分布の強度中心を半導体基板５１側に近付けることで吸収効率が向上する。この結果、テーパ終端Ｅ１通過後の伝搬距離を短縮することできる。
【００８９】
以上の点から、導波光検出器作製の際も、不純物拡散後に生じる酸化ケイ素膜を除去して窒化ケイ素膜を積層する操作が有効になる。
【００９０】
一方、図１１に示す構成の導波光検出器は、半導体基板５１の表面に不純物拡散領域の受光部５７を形成した後、不純物拡散の際に半導体基板５１上にできた酸化ケイ素膜を除去し、その後、窒化ケイ素膜を形成する。光電変換素子とＩＣを集積化する場合には、先に保護層として図１１のように第１窒化ケイ素膜５２ａを形成し、その後、他のプロセスを経て、反射防止膜の機能を持たせるために第２窒化ケイ素膜５２ｂを形成する。
【００９１】
なお、その後の製造プロセスは、図１０の導波光検出器のそれと同じである。図１１の導波光検出器も、光導波路層５９から光電変換素子の受光部（不純物拡散領域）５７への高光結合効率を達成するために、テーパ部５６を持つ誘電体層５３は不純物拡散領域の受光部５７上で膜厚が０になるように形成し、伝搬光のテーパ終端Ｅ１通過後の吸収効率を高めている。
【００９２】
以下、図１１の導波光検出器の具体的な構成例について説明する。一例として、図３の導波光検出器同様に、各層の構成材料として、次のものに選ぶ。即ち、半導体基板５１はＳｉ基板（ｎｓ＝３．６８−ｊ０．１）であり、第１窒化ケイ素膜５２は屈折率ｎ１＝２．０、厚さｔ１が９５ｎｍのＳｉＮ膜、第２窒化ケイ素膜５２’は屈折率ｎ２＝１．８６、厚さｔ２が４００ｎｍ のＳｉＮ膜である。また、誘電体層５３は、屈折率ｎｂ＝１．４５のＰＳＧ層であり、光導波路層の第１誘電体層５４は屈折率ｎｇ１＝１．５３、厚さｄが５７０ｎｍのコーニング社の商品名＃７０５９ガラスであり、第２誘電体層５５は屈折率ｎｇ２＝１．４３、厚さｓが１４０ｎｍのＳｉＯ２層である。
【００９３】
更に、テーパ部５６の形状も、テーパ長（Ｌで表記）が７０ｎｍであり、テーパ化する誘電体層５３の最大膜厚ｂｍａｘが３．６ｎｍであり、テーパ部終端Ｅ１からの距離をｌで表すとき、ｌと厚さｂとの関係が表１のようになる形状である。
【００９４】
従って、この具体的構成例で高光結合効率を得るためには、誘電体層５３の膜厚が０になる領域５８が、図４の結果が示すように２０μｍ以上必要である。即ち、図１１（図１０でも同様）において、Ｅ１〜Ｅ２が２０μｍ以上必要である。また、図９（ａ）、（ｂ）のように反射防止膜の機能がほぼ満たされるときは、光結合特性に大きな変化を生じないことから、図１０及び図１１双方の違いである窒化ケイ素膜の層数に関係なく高光結合効率を得るためには、誘電体層５３の膜厚が０になる領域５８は２０μｍ以上必要である。
【００９５】
【発明の効果】
以上の本発明導波光検出器は、光結合可能な受光領域を、光導波路層より屈折率が低い誘電体層を光の伝搬方向に厚みを徐々に薄くすることで形成されたテーパ部とテーパ部通過後の光導波路層の一部で形成する構成をとるので、テーパ部によって、光導波路層から光電変換素子への光結合の際に光結合損失の最大要因となる構造変化を徐々に起こすことができる。このため、光結合効率を向上できる。
【００９６】
加えて、このテーパ部と光の伝搬方向に対してテーパ部の前後に位置する光導波路層を不純物拡散領域の形成時に形成される段差部に囲まれた領域の範囲内に設ける構成をとるので、段差によって生じる大きな光散乱損失を排除することができる。このため、この点においても、光結合効率を向上できる。
【００９７】
また、特に、研磨処理で滑らかな形状のテーパ部を形成する構成とすれば、ＩＣとの集積プロセスで生じた突出部等がある場合であっても、結果的にこの突出部を平坦化してテーパ部が形成されることになるので、光結合損失の最大要因となる構造変化を徐々に起こすことができる。従って、このような構成によっても、導波光検出器の光結合効率を向上できる。
【００９８】
加えて、テーパ部の最大傾斜度を１０°以下に設定する構成によれば、放射損失、即ち、光導波路層の表面凹凸による光散乱を除くテーパ部から空気中への放射による損失を理論的にほぼなくすことができるので、高光結合効率の導波光検出器を実現できる。
【００９９】
また、特に、受光領域において、窒化ケイ素膜、光導波路層、この光導波路層より屈折率の低い誘電体層及び半導体基板で多層膜構造をなし、これが光導波路層の屈折率をｎg1、誘電体層の屈折率をｎbとした場合に、θi＝ｓｉｎ-1（ｎb/ｎg1）で定義され、かつ窒化ケイ素膜に対する垂線を基準とした入射角θiに対して反射防止膜として機能させる構成とすれば、上記した理由により、高光結合効率の光結合が達成される。
【０１００】
また、特に、窒化ケイ素膜の厚さを４５０ｎｍ〜５５０ｎｍの間に設定する構成とすれば、高光結合効率での光結合という目的に対してより好ましい条件となる導波光検出器を実現できる。
【０１０１】
また、特に、不純物拡散領域の先端位置での誘電体層の厚さが、バッファ層として十分機能する値であり、なおかつ、その不純物拡散領域内にその厚みが０となるテーパ終端を持つ構成とすれば、テーパ終端を通過した後の伝搬距離を短くすることができる。この結果、光散乱損失を低減できるので、高光結合効率が得られる。
【０１０２】
また、特に、誘電体層の厚さが０である領域が２０μｍ以上続く構成とすれば、高光結合効率での光結合を達成できる。
【０１０３】
また、本発明の導波光検出器の製造方法によれば、上記のような効果を奏することができる導波光検出器を容易に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１を示す、導波光検出器の断面図。
【図２】本発明の実施形態２を示す、導波光検出器の断面図。
【図３】本発明の実施形態３を示す、導波光検出器の断面図。
【図４】本発明の実施形態３を示す、導波光検出器の光結合特性を示すグラフ。
【図５】本発明の実施形態３を示す、反射防止膜機能を説明するための一部を拡大して示す導波光検出器の断面図。
【図６】本発明の実施形態３を示す、（ａ）、（ｂ）は導波光検出器のテーパ部を多層膜構造と見なした場合の反射特性を示すグラフ。
【図７】本発明の実施形態３を示す、光導波路層が１層、窒化ケイ素膜が２層構造の導波光検出器の断面図。
【図８】本発明の実施形態３を示す、光導波路層が２層構造、窒化ケイ素膜が１層の導波光検出器の断面図。
【図９】本発明の実施形態３を示す、（ａ）はＴＥモードを例にとって、窒化ケイ素膜の厚さ変化に対する光結合特性の変化を示すグラフ、（ｂ）はＴＭモードを例にとって、窒化ケイ素膜の厚さ変化に対する光結合特性の変化を示すグラフ。
【図１０】本発明の実施形態４を示す、光導波路層が２層構造、窒化ケイ素膜が１層の導波光検出器の断面図。
【図１１】本発明の実施形態４を示す、光導波路層が２層構造、窒化ケイ素膜が２層構造の導波光検出器の断面図。
【図１２】テーパ導波路を用いた導波光検出器の従来例を示す断面図。
【図１３】（ａ）はＩＣと集積化された導波光検出器の一従来例を示す断面図、（ｂ）はＩＣと集積化された導波光検出器の他の従来例を示す断面図。
【図１４】ＩＣと集積化された導波光検出器の場合における段差の発生理由を説明するための製造プロセス図。
【符号の説明】
１、５１ 半導体基板
２、５２ 窒化ケイ素膜
３、５３ 誘電体層（バッファ層）
４、４３、５９ 光導波路層
５、５７ 不純物拡散領域
６、１６、２６、５６ テーパ部
７ 受光領域
８、６１ ＳｉＯ２段差
９ 受光部
１０、６０ 導波光
１１ 電極
１２ 電極保護膜
２１ 第１窒化ケイ素膜
２２ 第２窒化ケイ素膜
４１、５４ 第１誘電体層
４２、５５ 第２誘電体層
５２ａ 第１窒化ケイ素膜
５２ｂ 第２窒化ケイ素膜
５８ 誘電体層の膜厚が０になる領域
Claims (2)
- 同一の半導体基板上に、不純物拡散領域を有する光電変換素子と、該光電変換素子からの出力を処理するＩＣとが設けられ、該半導体基板の上方に少なくとも一層の窒化ケイ素膜が設けられ、更に、該窒化ケイ素膜の上方に少なくとも一層からなる光伝搬用の光導波路が設けられた導波光検出器であって、
該窒化ケイ素膜上に、該窒化ケイ素膜の屈折率よりも低い屈折率を有する該光導波路層の最下層よりも屈折率の低い誘電体層が設けられており、
該誘電体層は、該光導波路層の光の伝搬方向に厚みを徐々に薄く形成されて終端における厚みが０になったテーパ状領域と、該テーパ状領域よりも該光導波路層の光の伝搬方向とは反対側に位置する一定の厚さの平坦領域とを有しており、
前記光導波路層は、該誘電体層の平坦領域上に位置する前部と、該誘電体層のテーパ状領域上に位置するテーパ部と、該テーパ部に連続して前記窒化ケイ素膜上に設けられた後部とを有し、該テーパ部と該後部とが該不純物拡散領域の形成時に前記半導体基板上に形成された段差部にて囲まれた領域内に設けられており、
前記不純物拡散領域中に、該光導波路層における該テーパ部の一部および該テーパ部に連続する該後部の一部に対して光結合可能な受光領域が設けられており、
該不純物拡散領域中における光導波路層内の伝搬光の光電変換に寄与する受光部の下方に位置する該窒化ケイ素膜の厚さが４５０ｎｍ〜５５０ｎｍになっていることを特徴とする導波光検出器。 - 請求項１に記載の導波光検出器の製造方法において、
半導体基板上に光電変換素子形成のための不純物拡散領域を形成する工程と、
不純物拡散時に生じた該半導体基板上の酸化膜を除去する工程と、
該酸化膜を除去した該半導体基板上に少なくとも一層の窒化ケイ素膜を形成する工程と、
該窒化ケイ素膜上に前記光導波路層の最下層より屈折率の低い誘電体層を積層する工程と、
該誘電体層をテーパ状に加工する工程と、
テーパ状に加工された該誘電体層の上に少なくとも一層の該光導波路層を形成する工程と
を包含する導波光検出器の製造方法。
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