JP5231632B2 - 光導波路及びその製造方法 - Google Patents

Description

関連特許出願の相互参照
本出願は、2008年5月6日にファイリングされた仮出願シリアル番号第６１／０５０６８２号、並びに、2008年10月31日にファイリングされた仮ではない出願シリアル番号第１２／２６３４００号の優先権を請求するものであり、それらの内容は、その全体が参照により本明細書内において組み込まれる。

背景
本開示は、一般に、光導波路と、その製造方法とに関する。

マイクロエレクトロニクスのはじまり以来、受動及び能動オプトエレクトロニクスデバイスの開発に向けての一貫した傾向がある。このことは、例えば、（多くのオーダの規模で）はるかにより広い帯域幅などの、典型的な電子デバイスを越える利点がオプトエレクトロニクスデバイスにある場合があるという事実に、少なくとも部分的には起因する可能性がある。そのようなオプトエレクトロニクスデバイスには、頻繁に、光信号の伝送と、そのような光信号の電気信号への相互変換とが含まれる。

図面の簡単な説明
本開示の実施形態の特徴及び利点が、以下の詳細な説明と図面とを参照することによって明らかとなってくるであろう。該図面内において、同様の参照数字（参照番号）は、その同等又は類似の数字（番号）の（おそらくは同一でないだろうが）構成要素に対応する。簡略化の目的のため、以前に説明した機能を有する参照数字（参照番号）は、それらがあらわれる後続の図面に関連して説明される場合があるか或いは説明されない場合がある。

図１Ａと図１Ｂとが共に、光導波路の一実施形態の構成の概略フロー図を示す図である。 図２Ａ〜図２Ｋは共に、図１Ｂの光導波路を形成するために用いられるエッチングシーケンスの概略フロー図を示す図であり、図２Ｌは、完全に酸化された後の図１Ｂ及び図２Ｋの光導波路の概略プロフィールを示す図である。 光導波路の別の実施形態の概略プロフィールを示す図である。

詳細な説明
本明細書内において開示した光導波路の実施形態は、剥き出しのシリコンウェーハの形状を成している。シリコン光導波路は、下部のバルクシリコンに熱的に良好に接続されており、該バルクシリコンはデバイスの効率的な冷却を可能にする。このことが、酸化層が熱バリアとして働いて放熱に有害な影響を及ぼす可能性がある場合には、該導波路を、（インシュレータウェーハ上のシリコン上に形成されたデバイスの典型の）温度変動を受けにくい状態にすると更に考えられる。更には、本明細書内において開示した光導波路は、受動又は能動シリコンオプトエレクトロニクスデバイスにおいて有利に用いられ得る。

次に図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、光導波路１０（そのプロフィールが図１Ｂ内に示されている）を含む構造１００が、（図１Ａ内に示されている）２つの対向した側部Ｓ_１、Ｓ_２を有する剥き出しのシリコンウェーハ１２から形成される。結果として生じた構造１００が、元のシリコンウェーハ１２の残り部分１２’上に設けられた光導波路１０を含むこととなるように、該光導波路１０がシリコンウェーハ１２内において画定される。

等方性及び異方性エッチングのシーケンスが用いられて、前記２つの対向した側部Ｓ_１、Ｓ_２の各々の中にノッチ１４、１６が形成される。エッチングシーケンスの、限定されない例は、単一ボッシュエッチングシーケンスである。該エッチングシーケンスは、図２Ａ〜図２Ｌに関連して本明細書内において更に後述される。

結果として生じた導波路１０が、ヘッド部分Ｈと第１のボトルネック又は柄部分Ｂ_１とを含むこととなるようにノッチ１４、１６が構成される。導波路１０の要素Ｈ、Ｂ_１が、シリコンウェーハ１２の部分１２’上に設けられる。図１Ｂ内に図示されているように、各ノッチ１４、１６は、ヘッド部分Ｈの下を切り取り、曲線エッジＲＥと直線エッジＳＥとを含む。曲線エッジＲＥは、導波路１０の柄部分Ｂ_１を画定し、直線エッジＳＥはまた、シリコンウェーハ部分１２’の、それぞれの表面である。ヘッド部分Ｈは、正方形のか、長方形のか、楕円形のか、円形のか、又は任意の他の望ましいジオメトリである断面形状を一般に有しており、丸められ且つ第１の柄部分Ｂ_１に導かれる底部側部を有する。柄部分Ｂ_１が、ヘッド部分Ｈ内にモード閉じ込め（又はモード制限）を可能にする光学バリアを提供すると考えられる。一実施形態において、導波路１０のＴＥモード（横方向モード）が、ヘッド部分Ｈ内において実質的に制限される（又は限定される）。

第１の柄部分Ｂ_１は、部分的にか又は完全に酸化され得るということが理解されよう。そのような酸化を、標準酸化炉内において成し遂げることができる。部分的な酸化が望まれているか或いは完全な酸化が望まれているか否かに依存して、加熱時間を変更することができる。そのような酸化が、導波路１０と、下部のシリコンウェーハ部分１２’との間の光学的な分離を高める一方で、更にまた、第１の柄部分Ｂ_１が、適切な構造上の支持を導波路１０に提供することを更に可能にすると考えられる。

図２Ａ〜図２Ｋは、図１Ｂ内及び図２Ｋ内において示された構造１００の実施形態を形成するために用いられるエッチングシーケンスにおける限定されない例を示す。そのようなシーケンスがまた、図３内に示された構造１００’の実施形態を形成するために使用され得るということが理解されよう。

図２Ａ内に示されているように、シリコンウェーハ１２は、酸化層２６と、その上に設けられたレジスト層２８とを有する。該酸化層２６を、任意の適合可能な成長又は蒸着技法により設けることができる。二酸化シリコンを形成する、シリコンの酸化によって、熱酸化インシュレータ層を形成することができる。酸化層２６をまた、任意の共形蒸着（共形堆積）技法により設けることもでき、該任意の共形蒸着技法の、限定されない例には、低圧化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ）か、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）か、 常圧気相化学成長法（ＡＰＣＶＤ）か、又は任意の他の適合可能な化学又は物理気相成長技法が含まれる（但し、これらに限定されない）。レジスト層２８をまた、任意の適合可能な化学又は物理気相成長技法によって酸化層２６上に設けることができる。

次いで、電子ビーム（ｅビーム）か又はフォトリソグラフィが用いられて、図２Ｂ内に示されているように、レジスト層２８がパターン化されて、酸化層２６の一部が露出される。構造１００（又は１００’）のヘッド部分Ｈを形成するために（或いは、図３の実施形態が形成される場合には、頂上部Ｔを形成するために）そのパターンが最終的に使用されるということが理解されよう。

図２Ｃ内に示されているように、金属層３０が、レジスト層２８の残り部分の上と、酸化層２６における新たに露出された部分の上とに設けられる。金属層３０における限定されない例には、アルミニウムか、チタンか、クロムか、又は他の類似の金属が含まれる。そのような層３０を、スパッタリング、化学気相成長法（ＣＶＤ）、原子層堆積法（ＡＬ）、蒸発（例えば、熱か又はｅビーム）、インクジェット蒸着、及び／又はスピンコーティングにより、蒸着することができる。

次いで、リフトオフを用いて、残りのレジスト層２８上に設けられている金属層３０の部分を除去することができ、それにより、酸化層２６の他の部分が露出される。リフトオフの後には、酸化層２６上に直接設けられた、金属層３０の一部分が残るということが理解されよう。次いで、ドライエッチング処理（例えば、ＣＦ_４）を用いて、これらの露出した酸化層２６部分を除去することができる。これらの処理は、それぞれ、図２Ｄ及び図２Ｅ内において図示されている。図２Ｅ内において示されているように、露出した酸化層２６部分が除去されると、シリコンウェーハ１２の一部分が露出される。

次いで、異方性エッチング処理を（例えば、ＨＢｒを用いて）実施して、シリコンウェーハ１２における望ましい量の露出部分を除去することができる。このことは、図２Ｆ内に示されている。示されているように、残っている金属層３０及び酸化層２６が、このエッチング処理中にマスクとして働き、従って、これら層３０、２６の下部のシリコンウェーハ１２が、実質的にはエッチングされないまま残る。

図２Ｇは、実質的にその構造全体上の別の酸化層３２の蒸着を示す。概して、この層３２は、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）によって、酸化層２６及び金属層３０に隣接するシリコンウェーハ１２の露出表面上に共形に蒸着される。図２Ｈは、酸化層３２上に実施されたドライエッチング処理の結果を示す。酸化層２６、金属層３０、及び図２Ｆ内において露出したシリコンウェーハ１２の一部分、の側壁上に設けられた酸化層３２は、ドライエッチング後に、失われないまま残るということが理解されよう。このエッチング処理は、図２Ｈ内に図示されているように、シリコン酸化ウェーハ１２及び金属層３０の表面を露出させる。

図２Ｉ内において示されているように、別の異方性ドライエッチング処理が、シリコンウェーハ１２上に実施される。残っている酸化層３２が、マスクとして働き、この層３２の下部のシリコンウェーハ１２が、エッチングされないまま残る。導波路１０のための望ましい高さが達成されるまで、そのエッチング処理が実施され得るということが理解されよう、そして、シリコンウェーハ１２の部分１２’が残る。以前に説明したように、シリコンウェーハ１２のこの部分１２’は、最終的に形成される導波路１０のための支持として働く（その限定されない例が、図２Ｋ及び図２Ｌ内に示されている）。

次いで、等方性ドライエッチング処理が、シリコンウェーハ１２上において実施されて、ノッチ１２、１４が形成される。該等方性ドライエッチング処理において、ＳＦ_６を用いることができる。該エッチング処理は、酸化層３２がウェーハ１２に隣接する領域においてシリコンウェーハ１２の下を切り取るように制御され得る。前述のように、結果として生じた下の切除が、ノッチ１２、１４を形成し、それによって第１の柄部分Ｂ_１が画定される。

（図３内に示された）構造１００’を形成する時には、処理が多少変化する場合があるということが理解されよう。該構造１００’は、追加的なノッチ１８、２０を含む。例えば、図２Ｈ〜図２Ｊ内に示された異方性及び等方性エッチング処理を、頂上部Ｔとヘッド部分Ｈとが、それらの間に形成されるノッチ１８、２０と共に形成されるように、変更することができる。

異方性（例えばＨＢｒ）及び等方性（例えばＳＦ_６）シリコンエッチングの相対継続期間を変化させることによって、導波路１０のアスペクト比を、制御することができるということが理解されよう。

図２Ｋは、残った酸化層２６、３２の除去と、その結果として生じた構造１００とを示しており、該構造１００は、導波路１０を含む。例えば、ＨＦディッピング処理により酸化物を除去することができる。

図２Ｌは、完全に酸化された導波路を有する構造１００を示す。追加的な酸化蒸着処理を、導波路１０の表面の各々の上に酸化物を共形に設けるために実施することができる。

次に図３を参照すると、構造１００’の別の実施形態が、光導波路１０’の別の実施形態を含む。そのような構造１００’を形成するための方法は、異方性及び等方性エッチング処理中に、２つの対向した側部Ｓ_１、Ｓ_２の各々の中に、第２のノッチ１８、２０を画定することを含む。該第２のノッチ１８、２０は、第１のノッチ１４、１６の各々からある距離を隔てて概して形成される。一実施形態において、第１のノッチ１２、１４は、ヘッド部分Ｈを介して、第２のノッチ１８、２０から隔離される。

第２のノッチ１８、２０の各々は、実質的には曲線のエッジを有しており、ノッチ１８、２０と共に合わせて、光路１０’の第２の柄Ｂ_２を画定する。第１の柄部分Ｂ_１及び第２の柄部分Ｂ_２が、ヘッド部分Ｈ内のモード閉じ込め（又はモード制限）を可能にする光学バリアを提供すると考えられる。

光導波路１０’が第２の柄Ｂ_２を含む時には、シリコンウェーハ１２の頂上部Ｔが第２の柄Ｂ_２に隣接することとなるようにエッチング処理を実施することができるということが理解されよう。第１の電気接触部（電気接点）２２を、頂上部Ｔに動作可能に結合することができる。幾つかの実施形態において、第２の電気接触部（電気接点）２４を、シリコンウェーハ部１２’に動作可能に結合することができる。シリコンウェーハ部１２’の、限定されない例は、図２内に示されている。第１及び第２の電気接触部２２、２４の限定されない例には、金属（例えば、アルミニウム）が含まれる。

高品質（抵抗）接触部２２、２４が、金属から生成されており、及び、高度にドープされた半導体材料上に設けられるということが理解されよう。従って、電気接触部２２、２４の各々に隣接する、頂上部Ｔと、部分１２’の領域とを、望ましい伝導性（又は伝導率）を表すためにドープすることができる。一実施形態において、頂上部Ｔは、ドープされたｐ型か又はｎ型であり、電気接触部２４に隣接する部分１２’の領域は、その他のｎ型か又はｐ型にドープされる。ｐ型の伝導性を導入するためのドーパントは、ホウ素か、他の類する要素か、又はこれらの組み合わせを含み（但し、これらに限定されない）、及び、ｎ型の伝導性を導入するためのドーパントは、リンか、ヒ素か、アンチモンか、他の類する要素か、又はこれらの組み合わせを含む（但し、これらに限定されない）。

幾つかの例では、電気接触部２２、２４によって、電流が、容易に、構造１００’の中へと導入され及び構造１００’を通過することが可能になり、及び、他の例では、電気接触部２２、２４によって、電荷が構造１００’から容易に抽出されることが可能になるということが理解されよう。電気接触部２２、２４の機能は、構造１００’が変調器デバイス内において使用されるか又は検出器デバイス内において使用されるか否かに、少なくとも部分的に依存する。

第１の柄部分Ｂ_１及び第２の柄部分Ｂ_２のうちの一方か又は両方を、部分的にか又は完全に酸化させることができるということが理解されよう。そのような酸化が、導波路１０’の光学的な分離を高めると考えられる。

ヘッド部分Ｈ及び柄部分（複数可）Ｂ_１、Ｂ_２の寸法は、使用される波長に、少なくとも部分的に依存し、及び、導波路１０、１０’が、シングルモードであるか又はマルチモードであるか否かに依存する。限定されない一例において、導波路１０、１０’の高さと幅は、それぞれ、約１００ｎｍから約１０００ｎｍまでの範囲にわたる。

柄部分Ｂ_１と柄部分Ｂ_２との両方を含む光導波路１０’の一実施形態において、電気的構成要素（ＣＭＯＳ）と、光学的構成要素とを、同じ構造内へと有利に統合させることができる。該電気的構成要素を、例えば、頂上部Ｐ上に動作可能に配置することができ、及び、酸化層と共に分離することができる。該光学的構成要素を、該電気的構成要素が位置付けられた端部とは反対の構造の端部において、それらが位置付けられることとなるように、シリコン基板部分１２’に隣接して配置することができる。電気的及び光学的構成要素を、スルーシリコンホール（バイア）を用いて動作可能に接続することができる。

幾つかの実施形態が詳細に説明されてきたが、開示した実施形態を改変することができるということが当業者であれば明らかであろう。従って、前述の説明は、限定ではなく、例示とみなされるべきである。

Claims (15)

1. 光導波路であって、
   ２つの対向した側部を有するシリコンウェーハと、
   前記シリコンウェーハがヘッド部分と第１の柄部分と底部とを含むこととなるように、前記２つの対向した側部の各々の中に画定された第１のノッチであって、該第１のノッチの各々が該ヘッド部分の下部を切り取って曲線エッジと直線エッジとを含むこととなるように、前記２つの対向した側部の各々の中に画定された第１のノッチ
   とを備え、
   前記曲線エッジは、前記第１の柄部分を画定するものであり、及び、前記直線エッジは、前記底部の各表面を画定するものであり、及び、
   前記第１の柄部分は、前記ヘッド部分内にモード閉じ込めを可能にする光学バリアを提供することからなる、光導波路。
2. 前記２つの対向した側部の各々の中に画定された第２のノッチであって、前記シリコンウェーハが該第２のノッチによって画定された第２の柄部分を更に含むこととなるように、前記第１のノッチの各々から前記ヘッド部分を介して前記底部の表面に対する高さ方向に隔置された該第２のノッチを、前記光導波路が更に備え、
   前記ヘッド部分が、前記第１の柄部分と前記第２の柄部分との間に位置付けられて前記第１の柄部分と前記第２の柄部分とに結合されており、及び、
   前記第１の柄部分と前記第２の柄部分とが、前記ヘッド部分内にモード閉じ込めを可能にする光学バリアを提供することからなる、請求項１に記載の光導波路。
3. 前記第２のノッチの各々が、曲線エッジを含むことからなる、請求項２に記載の光導波路。
4. 前記第１の柄部分か又は前記第２の柄部分のうちの少なくとも１つが、部分的にか又は完全に酸化されていることからなる、請求項２又は３に記載の光導波路。
5. 前記第２の柄部分に隣接する前記シリコンウェーハの頂上部と、
   前記頂上部に対して動作可能に接続された電気接触部
   とを更に備える、請求項２乃至４のいずれかに記載の光導波路。
6. 前記第２の柄部分に隣接する前記シリコンウェーハにおけるドープされた頂上部と、
   前記ドープされた頂上部に動作可能に接続された第１の電気接触部と、
   前記第１の柄部分に隣接する前記シリコンウェーハにおけるドープされた前記底部に動作可能に接続された第２の電気接触部
   とを更に備えることからなる、請求項２乃至４のいずれかに記載の光導波路。
7. 前記頂上部が、ｐ型伝導性か又はｎ型伝導性のうちの一方を有するようにドープされ、及び、
   前記底部が、他方のｎ型伝導性か又はｐ型伝導性を有するようにドープされることからなる、請求項６に記載の光導波路。
8. 前記光導波路のＴＥモードが、前記ヘッド部分内に実質的には制限されることからなる、請求項１又は２に記載の光導波路。
9. 前記第１の柄部分が、部分的にか又は完全に酸化されていることからなる、請求項１に記載の光導波路。
10. 光導波路を作成する方法であって、
    シリコンウェーハにおける２つの対向した側部を連続して異方性に及び等方性にエッチングし、それにより、該２つの対向した側部の各々の中に第１のノッチを形成して、該シリコンウェーハのヘッド部分と第１の柄部分と底部とを画定する
    ことを含み、
    前記第１のノッチの各々が前記ヘッド部分の下部を切り取って曲線エッジと直線エッジとを含むこととなるように、前記第１のノッチが前記２つの対向した側部の各々の中に形成され、ここで、該曲線エッジは、前記第１の柄部分を画定するものであり、該直線エッジは、前記底部におけるそれぞれの表面を画定するものであり、及び、
    前記第１の柄部分が、前記ヘッド部分内にモード閉じ込めを可能にする光学バリアを提供することからなる、方法。
11. 連続的な等方性及び異方性エッチング処理中に、前記第１のノッチの各々から前記ヘッド部分を介して前記底部の表面に対する高さ方向に隔置された第２のノッチを前記２つの対向した側部の各々の中に形成して、それにより、該第２のノッチが前記シリコンウェーハの第２の柄部分を画定することとなるようにすることを前記方法が更に含み、
    前記ヘッド部分が、前記第１の柄部分と前記第２の柄部分との間に位置付けられて前記第１の柄部分と前記第２の柄部分とに結合されており、及び、
    前記第１の柄部分と前記第２の柄部分とが、前記ヘッド部分内にモード閉じ込めを可能にする光学バリアを提供することからなる、請求項１０に記載の方法。
12. 前記第２のノッチの各々が、曲線エッジを含むように形成されることからなる、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１の柄部分か又は前記第２の柄部分のうちの少なくとも１つを部分的にか又は完全に酸化することを更に含むことからなる、請求項１１又は１２に記載の方法。
14. 前記第２の柄部分に隣接した前記シリコンウェーハの頂上部を画定し、及び、
    電気接触部を前記頂上部に動作可能に接続する
    ことを更に含むことからなる、請求項１３に記載の方法。
15. 前記頂上部をドープし、
    前記第１の柄部分に隣接した前記シリコンウェーハの前記底部をドープし、及び、
    前記ドープした前記底部に第２の電気接触部を動作可能に接続する
    ことを更に含むことからなる、請求項１４に記載の方法。

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