JP6560153B2 - Optical module and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、光通信分野において使用される、光導波路素子とフォトダイオードとを備える光モジュールおよびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to an optical module including an optical waveguide element and a photodiode used in the field of optical communication, and a method for manufacturing the same.
昨今の大容量コンテンツの配信などを目的としたブロードバンドアクセスの普及により、光ファイバ通信システムの更なる超高速・大容量信号伝送能力の増大、更には消費電力の削減が求められている。この要求に応えるため、現在では、光の強度を信号として伝送する光強度伝送方式に加え、光の位相情報を信号として伝送するデジタルコヒーレント光通信が普及し始めている。これら高速大容量・低消費電力光通信システムでは、光部品、電気部品の機能を集積する光電子集積技術の開発が不可欠である。このため、光と電子の融合性が良く、低消費電力化に有利なシリコンフォトニクスを用いた小型光電子集積技術の開発が進んでいる。 With the recent widespread use of broadband access for the purpose of distributing large-capacity content and the like, there has been a demand for further increase in ultrahigh-speed and large-capacity signal transmission capability of optical fiber communication systems and further reduction in power consumption. In order to meet this demand, digital coherent optical communication that transmits light phase information as a signal is now widely used in addition to a light intensity transmission method that transmits light intensity as a signal. In these high-speed, large-capacity, low-power-consumption optical communication systems, it is indispensable to develop optoelectronic integration technology that integrates the functions of optical components and electrical components. For this reason, the development of compact optoelectronic integration technology using silicon photonics, which has good light-electron fusion and is advantageous for low power consumption, is in progress.
シリコンフォトニクスの光電子集積技術の基本光部品は、シリコン(Si)系光導波路とゲルマニウム(Ge)フォトダイオードとから構成される。これまでに、シリコン系光導波路してシリコンリッチな石英系材料であるSiOxをコアに用いたSiOx光導波路と、ゲルマニウムフォトダイオードとを同一基板上にモノリシックに集積作製した小型光モジュールが開発され(特許文献1参照)、通信システムへの適用がはじまっている。 The basic optical component of silicon photonics optoelectronic integration technology is composed of a silicon (Si) -based optical waveguide and a germanium (Ge) photodiode. So far, small optical modules have been developed in which a silicon-based optical waveguide and a silicon-rich quartz-based material, SiOx, and a germanium photodiode are monolithically integrated on the same substrate. Application to a communication system has begun.
しかしながら、SiOx光導波路とゲルマニウムフォトダイオードの集積モジュールには、以下のような課題があった。まず、SiOxはシリコンリッチにしているため、石英(SiO2)に比べて屈折率を高くすることができ、光閉じ込めの強い光導波路が作れるためモジュールの小型化が可能である。しかしながら、SiOxの屈折率制御にはシリコン量の微妙な制御が必要である。このため、より小型化を狙うためより屈折率を高めたSiOxを光導波路に適用しようとすると、少量のシリコン量の変化で屈折率が変化するために制御が難しく、光導波路特性の再現性に問題が生じることがあった。 However, the integrated module of the SiO x optical waveguide and the germanium photodiode has the following problems. First, since SiO x is silicon-rich, the refractive index can be made higher than that of quartz (SiO 2), and an optical waveguide with strong optical confinement can be made, so that the module can be miniaturized. However, the control of the refractive index of SiO x requires delicate control of the amount of silicon. Therefore, if SiO x with a higher refractive index is applied to the optical waveguide in order to reduce the size, it is difficult to control because the refractive index changes due to a small change in the amount of silicon. Could cause problems.
SiOxの替わりに屈折率制御性をよい酸窒化シリコン(SiON)を光導波路コアとする提案もあるが、従来の製造方法ではゲルマニウム成長においてNを含む酸窒化シリコン膜はゲルマニウム選択成長に使えないという問題があった。 There is a proposal to use silicon oxynitride (SiON) with good refractive index control instead of SiO x as an optical waveguide core, but in the conventional manufacturing method, silicon oxynitride film containing N cannot be used for germanium selective growth in germanium growth There was a problem.
また、ゲルマニウムフォトダイオードとモノリシックに集積するにあたり、ゲルマニウムに損傷を与えない低温でSiOxを形成する必要があるが、このような低温で形成したSiOxは、水素(H)を含有するため膜中にOH基が存在し、OH基に由来する1470nm付近に光吸収が存在し、この吸収の裾が通信波長帯にかかり、これが伝搬損失に影響するという問題があった。SiOxの替わりに酸窒化シリコンを光導波路コアとした場合においても、水素に由来する吸収は解決できなかった。 Further, when monolithically integrated with a germanium photodiode, it is necessary to form SiO x at a low temperature that does not damage germanium. Since SiO x formed at such a low temperature contains hydrogen (H), it is a film. There is a problem in that OH groups are present, light absorption is present in the vicinity of 1470 nm derived from the OH groups, and the bottom of this absorption is applied to the communication wavelength band, which affects propagation loss. Even when silicon oxynitride is used as the optical waveguide core instead of SiO x , absorption derived from hydrogen cannot be solved.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、酸窒化シリコンからなるコアによる光導波路とゲルマニウムフォトダイオードとを同一基板上にモノリシックに集積できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and it is an object of the present invention to make it possible to monolithically integrate an optical waveguide having a core made of silicon oxynitride and a germanium photodiode on the same substrate. And
本発明に係る光モジュールの製造方法は、ゲルマニウムフォトダイオード、シリコンコアからなるシリコン光導波路、酸窒化シリコンコアからなる酸窒化シリコン光導波路がこれらの順に接続した光モジュールの製造方法であって、シリコン基板の上に酸化シリコンからなる下部クラッド層を形成する工程と、下部クラッド層の上にシリコン層を形成する工程と、シリコン層をパターニングして第1領域に下部シリコンパターンを形成するとともに、第1領域に連続する第2領域にシリコンコアを形成する工程と、下部シリコンパターンおよびシリコンコアを覆って下部クラッド層の上に、酸窒化シリコンからなる第1酸窒化シリコン層を形成する工程と、第1酸窒化シリコン層の上に酸化シリコンからなる酸化シリコン層を形成する工程と、酸化シリコン層および第1酸窒化シリコン層の下部シリコンパターンの上部に開口部を形成する工程と、酸化シリコン層を選択成長マスクとして開口部の底部の下部シリコンパターンの上にゲルマニウムを選択的に成長してゲルマニウムパターンを形成し、下部シリコンパターンおよびゲルマニウムパターンよりなるゲルマニウムフォトダイオードを形成する工程と、酸化シリコン層を除去する工程と、酸化シリコン層を除去した後、第1酸窒化シリコン層の上に酸窒化シリコンからなる第2酸窒化シリコン層を形成する工程と、第1酸窒化シリコン層および第2酸窒化シリコン層をパターニングすることで第2領域の一部から第2領域に連続する第3領域にかけて酸窒化シリコンコアを形成する工程と、ゲルマニウムフォトダイオード,シリコンコア,および酸窒化シリコンコアの上に酸化シリコンからなる上部クラッド層を形成する工程とを備える。 An optical module manufacturing method according to the present invention is an optical module manufacturing method in which a germanium photodiode, a silicon optical waveguide made of a silicon core, and a silicon oxynitride optical waveguide made of a silicon oxynitride core are connected in this order, Forming a lower clad layer made of silicon oxide on the substrate; forming a silicon layer on the lower clad layer; patterning the silicon layer to form a lower silicon pattern in the first region; Forming a silicon core in a second region continuous with the one region; forming a first silicon oxynitride layer made of silicon oxynitride on the lower cladding layer so as to cover the lower silicon pattern and the silicon core; Forming a silicon oxide layer made of silicon oxide on the first silicon oxynitride layer; Forming an opening on the lower silicon pattern of the silicon oxide layer and the first silicon oxynitride layer, and selectively growing germanium on the lower silicon pattern at the bottom of the opening using the silicon oxide layer as a selective growth mask; Forming a germanium pattern, forming a germanium photodiode composed of the lower silicon pattern and the germanium pattern, removing the silicon oxide layer, removing the silicon oxide layer, and then removing the silicon oxide layer on the first silicon oxynitride layer. Forming a second silicon oxynitride layer made of silicon oxynitride on the substrate, and patterning the first silicon oxynitride layer and the second silicon oxynitride layer to form a second region continuous from the second region to the second region. Forming a silicon oxynitride core over three regions, a germanium photodiode, Rikonkoa, and and forming an upper clad layer made of silicon oxide on the silicon oxynitride core.
上記光モジュールの製造方法において、第1酸窒化シリコン層および第2酸窒化シリコン層は、SiD4、O2、およびN2を原料ガスとしたECRプラズマCVD法により形成すればよい。 In the optical module manufacturing method, the first silicon oxynitride layer and the second silicon oxynitride layer may be formed by an ECR plasma CVD method using SiD 4 , O 2 , and N 2 as source gases.
上記光モジュールの製造方法において、下部シリコンパターン上の第1酸窒化シリコン層および酸化シリコン層の合計の厚さは、ゲルマニウムパターンの厚さと同じ状態とし、第2酸窒化シリコン層は、第1酸窒化シリコン層より厚く形成し、第2酸窒化シリコン層の屈折率は、第1酸窒化シリコン層の屈折率以下とすればよい。 In the method for manufacturing an optical module, the total thickness of the first silicon oxynitride layer and the silicon oxide layer on the lower silicon pattern is the same as the thickness of the germanium pattern, and the second silicon oxynitride layer is The second silicon oxynitride layer may be formed thicker than the silicon nitride layer, and the refractive index of the second silicon oxynitride layer may be equal to or lower than the refractive index of the first silicon oxynitride layer.
本発明に係る光モジュールは、シリコン基板と、シリコン基板の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層と、下部クラッド層の上の第1領域に形成されたゲルマニウムフォトダイオードと、下部クラッド層の上の第1領域に連続する第2領域に形成されたシリコンコアと、第2領域の一部から第2領域に連続する第3領域にかけて形成された酸窒化シリコンコアと、ゲルマニウムフォトダイオード,シリコンコア,および酸窒化シリコンコアの上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層とを備え、ゲルマニウムフォトダイオードは、シリコンコアに連続して形成された下部シリコンパターンと、下部シリコンパターンの上に形成されたゲルマニウムパターンとから構成され、ゲルマニウムフォトダイオード、シリコンコアからなるシリコン光導波路、酸窒化シリコンコアからなる酸窒化シリコン光導波路がこれらの順に接続した状態に形成され、酸窒化シリコンコアは、シリコン基板側に配置されて酸窒化シリコンからなる第1酸窒化シリコン層と、酸窒化シリコンから構成されて第1酸窒化シリコン層の上に積層された第2酸窒化シリコン層とから構成されている。 An optical module according to the present invention includes a silicon substrate, a lower cladding layer made of silicon oxide formed on the silicon substrate, a germanium photodiode formed in a first region on the lower cladding layer, and a lower cladding layer A silicon core formed in a second region continuous with the first region, a silicon oxynitride core formed from a part of the second region to a third region continuous with the second region, a germanium photodiode, The germanium photodiode includes a silicon core and an upper clad layer made of silicon oxide formed on the silicon oxynitride core. The germanium photodiode is formed on the lower silicon pattern and the lower silicon pattern continuously formed on the silicon core. Germanium photodiode, silicon composed of germanium pattern formed A silicon optical waveguide made of silicon and a silicon oxynitride optical waveguide made of a silicon oxynitride core are connected in this order. A silicon nitride layer and a second silicon oxynitride layer made of silicon oxynitride and stacked on the first silicon oxynitride layer.
上記光モジュールにおいて、第2酸窒化シリコン層は、第1酸窒化シリコン層より厚くされ、第2酸窒化シリコン層の屈折率は、第1酸窒化シリコン層の屈折率以下とされている。 In the optical module, the second silicon oxynitride layer is thicker than the first silicon oxynitride layer, the refractive index of the second silicon oxynitride layer, that is less than the refractive index of the first silicon oxynitride layer.
上記光モジュールにおいて、第1酸窒化シリコン層および第2酸窒化シリコン層に含まれている水素は、重水素とされていればよい。 In the above optical module, hydrogen contained in the first silicon oxynitride layer and the second silicon oxynitride layer may be deuterium.
以上説明したことにより、本発明によれば、酸窒化シリコンからなるコアによる光導波路とゲルマニウムフォトダイオードとが、同一基板上にモノリシックに集積できるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an excellent effect that an optical waveguide having a core made of silicon oxynitride and a germanium photodiode can be monolithically integrated on the same substrate.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態における光モジュールの構成を示す断面図(a)および平面図(b)である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view (a) and a plan view (b) showing a configuration of an optical module according to an embodiment of the present invention.
この光モジュールは、シリコン基板100と、シリコン基板100の上に形成された酸化シリコン(SiO2)からなる下部クラッド層101と、下部クラッド層101の上の第1領域110に形成されたゲルマニウムフォトダイオード110aと、下部クラッド層101の上の第1領域110に連続する第2領域120に形成されたシリコンコア121と、第2領域120の一部から第2領域120に連続する第3領域130にかけて形成された酸窒化シリコンコア122とを備える。
This optical module includes a
また、ゲルマニウムフォトダイオード110a,シリコンコア121,および酸窒化シリコンコア122の上に形成された酸化シリコン(SiO2)からなる上部クラッド層103を備える。また、酸窒化シリコンコア122に連続し、シリコンコア121形成領域では上部クラッド層103の下に配置される中間クラッド層123を備える。
Further, an
ゲルマニウムフォトダイオード110aは、シリコンコア121に連続して形成された第1導電型の下部シリコンパターン111と、下部シリコンパターン111の上に形成されたノンドープ(i型)のゲルマニウムパターン112と、ゲルマニウムパターン112の上に形成された第2導電型の上部シリコンパターン113とから構成されている。例えば、第1導電型はp型とし、第2導電型はn型とすればよい。
The
ここで、酸窒化シリコンコア122が、第1酸窒化シリコン層141および第2酸窒化シリコン層142から構成されているところに特徴がある。なお、中間クラッド層123も、第1酸窒化シリコン層141および第2酸窒化シリコン層142から構成されている。第1酸窒化シリコン層141および第2酸窒化シリコン層142は、共に酸窒化シリコンから構成され、第1酸窒化シリコン層141の上に接して第2酸窒化シリコン層142が積層されている。
Here, the
また、第2酸窒化シリコン層142の形成領域(形成層)では、ゲルマニウムフォトダイオード110aを構成するゲルマニウムパターン112の側面が、酸化シリコン(SiO2)からなる側壁層124で覆われている。なお、第1酸窒化シリコン層141は、ゲルマニウムフォトダイオード110aを形成する前に、酸窒化シリコンを堆積することで形成された層である。一方、第2酸窒化シリコン層142は、ゲルマニウムフォトダイオード110aを形成した後に、酸窒化シリコンを堆積することで形成された層である。
In the formation region (formation layer) of the second
例えば、下部クラッド層101は、層厚3μm程度に形成され、上部クラッド層103は、層厚5μm程度に形成されている。また、シリコンコア121は、断面が幅300〜600nm,高さ200〜300nm程度に形成されている。酸窒化シリコンコア122は、断面が幅3μm、高さ3μm程度に形成されている。また、第1酸窒化シリコン層141は、厚さ200〜500nm程度に形成され、第2酸窒化シリコン層142は、厚さ2.5〜2.8μm程度に形成されている。また、シリコンコア121による第2領域120のシリコン光導波路は、光導波路長が200〜500nm程度とされている。
For example, the
ゲルマニウムパターン112は、全体の厚さが1μm程度とされている。また、ゲルマニウムフォトダイオード110aは、平面視で10×50μm程度の矩形に形成されている。なお、ゲルマニウムパターン112は、例えば、i型の下部ゲルマニウム層と第2導電型の上部ゲルマニウム層とから構成してもよい。
The
上述した光モジュールは、ゲルマニウムフォトダイオード110a、シリコンコア121からなるシリコン光導波路、酸窒化シリコンコア122からなる光導波路がこれらの順に接続した状態に、シリコン基板100の上にモノリシックに形成されている。
The optical module described above is monolithically formed on the
なお、図示していないが、上部クラッド層103、第1酸窒化シリコン層141、および第2酸窒化シリコン層142を貫通して下部シリコンパターン111に接続するコンタクト配線を備える。また、上部シリコンパターン113の上の第2酸窒化シリコン層142および上部クラッド層103を貫通して上部シリコンパターン113に接続するコンタクト配線を備える。
Although not shown, a contact wiring that penetrates the
この光モジュールでは、まず、酸窒化シリコンコア122による第3領域130の光導波路を導波してきた光を、酸窒化シリコンコア122で覆われている領域のシリコンコア121において、より高い屈折率のシリコンコア121よりなるシリコン光導波路へ移行させることができる。次いで、このシリコン光導波路を導波する光は、シリコンコア121に連続する下部シリコンパターン111の上の、更に屈折率の高いゲルマニウムパターン112へ吸収させることができる。
In this optical module, first, the light guided through the optical waveguide in the
このように、実施の形態によれば、酸窒化シリコンコア122による光導波路を導波してきた光を、ゲルマニウムフォトダイオード110aで光電変換させることができる。ゲルマニウムは通信波長帯である1.3〜1.6μmに高い受光感度を持つため、酸窒化シリコンコア122による光導波路デバイスとゲルマニウムフォトダイオードの同一基板上へのモノリシック集積は、小型で高機能を持たせた通信用光モジュールの実現に非常に有効である。
Thus, according to the embodiment, the light guided through the optical waveguide by the
次に、本発明の実施の形態における光モジュールの製造方法について、図2A〜図2Jを用いて説明する。図2A〜図2Jは、本発明の実施の形態における光モジュールの製造方法を説明する各工程における状態を示す構成図である。図2A〜図2Jは、断面を模式的に示している。 Next, the manufacturing method of the optical module in embodiment of this invention is demonstrated using FIG. 2A-FIG. 2J. 2A to 2J are configuration diagrams showing states in respective steps for explaining a method of manufacturing an optical module according to an embodiment of the present invention. 2A to 2J schematically show cross sections.
まず、図2Aに示すように、シリコン基板100の上にSiO2からなる下部クラッド層101を形成し、下部クラッド層101の上にシリコン層201を形成する。これは、よく知られたSOI(Silicon on Insulator)基板を用いることで得られる。SOI基板は、シリコン基部の上に埋め込み絶縁層を介して表面シリコン層が形成されている基板である。シリコン基部がシリコン基板100となり、埋め込み絶縁層が下部クラッド層101となり、表面シリコン層がシリコン層201となる。
First, as shown in FIG. 2A, a lower
次に、シリコン層201をパターニングし、図2Bに示すように、下部シリコンパターン111およびシリコンコア121を形成する。下部シリコンパターン111およびシリコンコア121は、連続して一体に形成する。例えば、よく知られたフォトリソグラフィーにより形成したマスクパターンを用い、エッチング技術により選択的にエッチングすることで、上記各パターンが形成できる。なお、パターン形成後に、マスクパターンは除去する。また、選択的なイオン注入などにより、下部シリコンパターン111に不純物を導入して第1導電型とする。例えば、p型とすればよい。
Next, the
次に、図2Cに示すように、下部シリコンパターン111およびシリコンコア121を覆って下部クラッド層101の上に、第1酸窒化シリコン層141を形成する。例えば、プラズマCVD法により、酸窒化シリコンを堆積して第1酸窒化シリコン層141を形成すればよい。次に、図2Dに示すように、第1酸窒化シリコン層141の上に、酸化シリコンからなる酸化シリコン層202を形成する。例えば、プラズマCVD法により、酸化シリコンを堆積して酸化シリコン層202を形成すればよい。ここで、第1酸窒化シリコン層141および酸化シリコン層202の、下部シリコンパターン111上の合計の厚さは、後述するゲルマニウムパターンの厚さと同じ状態としておくとよい。ゲルマニウムパターンの成長後段差構造が緩和され、後述するシリコン層の形成や上部シリコンパターンの形成がしやすくなりよい。
Next, as shown in FIG. 2C, a first
次に、図2Eに示すように、下部シリコンパターン111の上部にあたる酸化シリコン層202および第1酸窒化シリコン層141に、開口部202aおよび開口部151aを形成する。例えば、よく知られたフォトリソグラフィーにより形成したマスクパターンを用い、エッチング技術により選択的にエッチングすることで、開口部202aおよび開口部151aが形成できる。開口部202aおよび開口部151aは、開口部151aの底部に下部シリコンパターン111の上面が露出する状態に形成する。なお、開口部202aおよび開口部151aを形成した後に、マスクパターンは除去する。
Next, as shown in FIG. 2E, an
次に、図2Fに示すように、酸化シリコン層202を選択成長マスクとして用い、開口部151aの底部の下部シリコンパターン111の上にゲルマニウムを選択的に成長し、ゲルマニウムパターン112を形成する。例えば、GeH4をソースガスとした熱CVD法により、基板温度条件600℃でゲルマニウムを堆積することで、開口部151aの底部に露出している下部シリコンパターン111の上面に、選択的にゲルマニウムを堆積することができる。この選択成長では、酸化シリコン層202の上には、ゲルマニウムが堆積しない。また、前述したように、第1酸窒化シリコン層141および酸化シリコン層202の、下部シリコンパターン111上の合計の厚さは、ゲルマニウムパターン112の厚さと同じ状態にしているので、酸化シリコン層202およびゲルマニウムパターン112の上面は、平坦な状態となる。
Next, as shown in FIG. 2F, germanium is selectively grown on the
次に、図2Gに示すように、ゲルマニウムパターン112の部分を含めて酸化シリコン層202の上に、シリコン層203を形成する。次に、イオン注入によりシリコン層203に不純物を導入し、第2導電型とする。例えば、n型とする。このとき、ゲルマニウムパターン112の一部にまで上記不純物を導入し、ゲルマニウムパターン112の上層部分をn型としてもよい。例えば、イオン注入におけるイオンエネルギーを制御することで、第2導電型となる上層の部分の厚さを変化させることができる。このように、ゲルマニウムパターン112の第2導電型とする上層の部分の厚さを変化させることで、ゲルマニウムフォトダイオード110aの特性を変えることができる。
Next, as shown in FIG. 2G, a
次に、シリコン層203をパターニングし、また、酸化シリコン層202を除去することで、図2Hに示すように、ゲルマニウムパターン112の上に第2導電型の上部シリコンパターン113を形成する。なお、酸化シリコン層202の除去では、ゲルマニウムパターン112の側部の上部シリコンパターン113の下部の領域を残すことで、ゲルマニウムパターン112の側面に側壁層124を形成する。
Next, the
まず、シリコン層203を、公知のリソグラフィー技術により形成したマスクパターン(不図示)をマスクとしてエッチングすることによりパターニングし、上部シリコンパターン113を形成する。エッチングは、例えばリアクティブイオンエッチング(RIE)により実施すればよい。垂直異方性が高い加工が可能なRIEによれば、所望の寸法形状に上部シリコンパターン113が形成可能である。上部シリコンパターン113は、平面視でゲルマニウムパターン112より大きい面積とする。また、平面視で、上部シリコンパターン113の内側にゲルマニウムパターン112が配置される状態とする。
First, the
引き続き、酸化シリコン層202をドライエッチング(RIE)して除去する。上述したように、上部シリコンパターン113は、平面視でゲルマニウムパターン112より大きい面積に形成しているので、ゲルマニウムパターン112の周囲に酸化シリコン層202が残り、この部分が側壁層124となる。
Subsequently, the
上述したように、上部シリコンパターン113を形成することで、下部シリコンパターン111,ゲルマニウムパターン112,および上部シリコンパターン113よりなるゲルマニウムフォトダイオード110aが形成される。なお、ゲルマニウムパターン112の上層部を第2導電型としている場合、上部シリコンパターン113は必要なものではない。ゲルマニウムパターン112の上層部をn型としておけば、下部シリコンパターン111によりpin構造となり、フォトダイオードとして機能する。この場合、ゲルマニウムパターン112の上層部に電極を接続することになる。
As described above, by forming the
次に、図2Iに示すように、第1酸窒化シリコン層141の上に第2酸窒化シリコン層142を形成する。例えば、プラズマCVD法により、酸窒化シリコンを堆積して第2酸窒化シリコン層142を形成すればよい。この場合、上部シリコンパターン113の上にも、第2酸窒化シリコン層142が形成される。実施の形態によれば、ゲルマニウムパターン112の側面が側壁層124で覆われているので、第2酸窒化シリコン層142の形成時に、水素がゲルマニウムパターン112に入り込むことが抑制される。
Next, as shown in FIG. 2I, a second
次に、第1酸窒化シリコン層141および第2酸窒化シリコン層142をパターニングすることで、第2領域120の一部から第2領域120に連続する第3領域130にかけて酸窒化シリコンコア122を形成する。例えば、よく知られたフォトリソグラフィーにより形成したマスクパターンを用い、エッチング技術により第1酸窒化シリコン層141および第2酸窒化シリコン層142を選択的にエッチングすることで、酸窒化シリコンコア122を形成すればよい。
Next, by patterning the first
また、ゲルマニウムフォトダイオード110a,シリコンコア121,および酸窒化シリコンコア122の上にSiO2からなる上部クラッド層103を形成する(図2J)。上部クラッド層103の形成では、既に形成されているゲルマニウムフォトダイオード110aに熱的な損傷を与えないために、膜形成温度の条件を300℃以下とすることが重要となる。例えば、電子サイクロトロン(Electron Cyclotron Resonance:ECR)プラズマを用いたCVD法によれば、上述した条件を満たしてSiO2を堆積し、上部クラッド層103が形成できる。
Further, the upper clad
以上のことにより、ゲルマニウムフォトダイオード110a,シリコンコア121からなるシリコン光導波路、酸窒化シリコンコア122からなる光導波路がこれらの順に接続した状態となる。この後、図示していないが、上部クラッド層103、第1酸窒化シリコン層141、および第2酸窒化シリコン層142を貫通して下部シリコンパターン111に接続するコンタクト配線と、上部クラッド層103を貫通して上部シリコンパターン113に接続するコンタクト配線とを形成する。
As described above, the
ここで、上述した第1酸窒化シリコン層141および第2酸窒化シリコン層142の形成では、次に示すことが重要となる。
Here, in the formation of the first
第1に、第1酸窒化シリコン層141および第2酸窒化シリコン層142に水素Hが存在するとNH基が生成され、NH基は通信波長である1.5μm帯に吸収を持つために光導波を妨げる。よって、第1酸窒化シリコン層141および第2酸窒化シリコン層142は、Hを含ませないことが重要となる。
First, when hydrogen H is present in the first
第2に、既に形成されているゲルマニウムフォトダイオード110aに熱的な損傷を与えないために、第2酸窒化シリコン層142は、温度条件を300℃以下での形成することが重要となる。
Second, it is important to form the second
上記2つの条件を満足するため、第1酸窒化シリコン層141および第2酸窒化シリコン層142は、水素を重水素化した重水素シラン(SiD4)と酸素(O2)と窒素(N2)とを原料ガスとし、ECRプラズマを用いたCVD法を用いて形成している。ECRプラズマCVDによれば、ガスの分解効率が高いことで、SiD4、O2,N2のガス系で屈折率が1.45から2.0と広い範囲で所望の屈折率有する水素Hを含まない酸窒化シリコン膜を形成できる。また、ECRプラズマCVDは、ガスの分解効率が高いことで、基板を加熱することなく、高品質な酸窒化シリコン膜を基板上に形成することができる。
In order to satisfy the above two conditions, the first
ECRプラズマを用いたCVD法においてSiD4ガスを用いることにより、低温でも水素Hを含まない酸窒化シリコン膜が形成できるため、OH基およびNH基を持たない、通信波長帯での光伝搬に損失を与えない第1酸窒化シリコン層141および第2酸窒化シリコン層142が形成できる。SiD4ガスを用いるので、重水素が第1酸窒化シリコン層141および第2酸窒化シリコン層142に含まれることになるが、重水素は通信波長帯に光伝搬に損失を与えないため、特性に影響はないことが特徴である。
By using SiD 4 gas in the CVD method using ECR plasma, a silicon oxynitride film that does not contain hydrogen H can be formed even at a low temperature. Thus, the first
なお、第1酸窒化シリコン層141は厚さ0.3μm、第2酸窒化シリコン層142は厚さ2.7μm程度としたが、第2酸窒化シリコン層142は、第1酸窒化シリコン層141より十分厚くすることが望ましい。ゲルマニウム成長後に形成する第2酸窒化シリコン層142を十分厚くすることで、酸窒化シリコンコア122による光導波路の特性は、第2酸窒化シリコン層142により決定され、2つの酸窒化シリコン層から構成した影響をなくすことができる。
The first
また、第1酸窒化シリコン層141を薄くすることで、ゲルマニウム成長の工程まで表面段差構造を小さくできるので、集積作製がしやすいという製造上の利点もある。第1酸窒化シリコン層141と第2酸窒化シリコン層142の屈折率は同じであることが理想であるが、シリコンより屈折率の低い層を積層してコアとし、光導波路の低損失結合を実現しているので、より厚い第2酸窒化シリコン層142の屈折率が、第1酸窒化シリコン141より少し低い状態であれば、両者が同じ屈折率でなくてもよい。
Further, by making the first
本実施の形態によれば、ゲルマニウムからフォトダイオードを構成しているので、後からフォトダイオードを実装することなく、酸窒化シリコンコア122からなる光導波路デバイスとフォトダイオードとが、同一基板上にモノリシックに集積できる。
According to the present embodiment, since the photodiode is made of germanium, the optical waveguide device composed of the
本実施の形態では、光導波路のコアを2つの積層した酸窒化シリコン層から構成し、フォトダイオードを構成するゲルマニウムパターンの形成前と後とに分けて形成することで、酸窒化シリコン層が形成された基板においてもゲルマニウムの選択成長を可能にし、この結果、シリコン光導波路と酸窒化シリコン光導波路とゲルマニウムフォトオードのモノリシック集積が実現できた。 In this embodiment, the core of the optical waveguide is composed of two stacked silicon oxynitride layers, and the silicon oxynitride layer is formed by forming before and after the formation of the germanium pattern constituting the photodiode. As a result, selective growth of germanium was made possible on the fabricated substrate, and as a result, monolithic integration of the silicon optical waveguide, the silicon oxynitride optical waveguide, and the germanium photodiode was realized.
また、酸窒化シリコンコアを、2つの酸窒化シリコン層から構成し、2層目(上層)となる第2酸窒化シリコン層をゲルマニウム選択成長および選択マスクを除去などの層厚を変動させる工程の後に形成できるので、第2酸窒化シリコン層の形成厚さを調整することで酸窒化シリコンコアの厚さを、後の工程で所望の値とすることができ、製造余裕度が大きくできる利点がある。 In addition, the silicon oxynitride core is composed of two silicon oxynitride layers, and the second silicon oxynitride layer as the second layer (upper layer) is subjected to a layer thickness change such as germanium selective growth and removal of the selection mask. Since it can be formed later, by adjusting the formation thickness of the second silicon oxynitride layer, the thickness of the silicon oxynitride core can be set to a desired value in a later process, and the manufacturing margin can be increased. is there.
また、本実施の形態では、酸窒化シリコン層をSiD4ガスとO2とN2ガスを用いたECRプラズマCVD法で形成するようにしたので、ゲルマニウムに損傷を与えない低温で形成した酸窒化シリコン層においてもHを含むことがないため、通信波長帯での損失の原因となるNH基、OH基がないため、通信波長帯で低損失な酸窒化シリコン光導波路とゲルマニウムフォトダイオードのモノリシック集積ができるようになった。 In this embodiment, since the silicon oxynitride layer is formed by the ECR plasma CVD method using SiD 4 gas, O 2, and N 2 gas, oxynitride formed at a low temperature that does not damage germanium. Monolithic integration of silicon oxynitride optical waveguide and germanium photodiode with low loss in the communication wavelength band because there is no NH or OH group causing loss in the communication wavelength band because the silicon layer does not contain H. Can now.
以上に説明したように、本発明によれば、酸窒化シリコンによる光導波路とゲルマニウムフォトダイオードとの同一基板上へのモノリシック集積化が可能となり、小型で高性能なフォトダイオード付き光モジュールが実現できるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, it is possible to monolithically integrate a silicon oxynitride optical waveguide and a germanium photodiode on the same substrate, thereby realizing a small and high-performance optical module with a photodiode. An excellent effect is obtained.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、CVD法で堆積する酸化シリコンにより上部クラッド層を構成したが、これに限るものではない。例えば、スパッタ法で堆積することで、クラッド層を形成してもよい。スパッタ法によっても、酸化シリコンを堆積することができる。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, in the above description, the upper cladding layer is made of silicon oxide deposited by the CVD method, but the present invention is not limited to this. For example, the cladding layer may be formed by depositing by sputtering. Silicon oxide can also be deposited by sputtering.
また、下部クラッド層は、SOI基板を利用するものではなく、堆積することにより形成してもよい。また、シリコンコアは、単結晶シリコンに限るものではなく、多結晶シリコン、アモルファスシリコンであってもよいことはいうまでもない。 Further, the lower clad layer may be formed by depositing instead of using an SOI substrate. Needless to say, the silicon core is not limited to single crystal silicon, but may be polycrystalline silicon or amorphous silicon.
100…シリコン基板、101…下部クラッド層、103…上部クラッド層、110…第1領域、110a…ゲルマニウムフォトダイオード、111…下部シリコンパターン、112…ゲルマニウムパターン、113…上部シリコンパターン、120…第2領域、121…シリコンコア、122…酸窒化シリコンコア、123…中間クラッド層、124…側壁層、130…第3領域、141…第1酸窒化シリコン層、142…第2酸窒化シリコン層。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
シリコン基板の上に酸化シリコンからなる下部クラッド層を形成する工程と、
前記下部クラッド層の上にシリコン層を形成する工程と、
前記シリコン層をパターニングして第1領域に下部シリコンパターンを形成するとともに、前記第1領域に連続する第2領域に前記シリコンコアを形成する工程と、
前記下部シリコンパターンおよび前記シリコンコアを覆って前記下部クラッド層の上に、酸窒化シリコンからなる第1酸窒化シリコン層を形成する工程と、
前記第1酸窒化シリコン層の上に酸化シリコンからなる酸化シリコン層を形成する工程と、
前記酸化シリコン層および前記第1酸窒化シリコン層の前記下部シリコンパターンの上部に開口部を形成する工程と、
前記酸化シリコン層を選択成長マスクとして前記開口部の底部の前記下部シリコンパターンの上にゲルマニウムを選択的に成長してゲルマニウムパターンを形成し、前記下部シリコンパターンおよび前記ゲルマニウムパターンよりなる前記ゲルマニウムフォトダイオードを形成する工程と、
前記酸化シリコン層を除去する工程と、
前記酸化シリコン層を除去した後、前記第1酸窒化シリコン層の上に酸窒化シリコンからなる第2酸窒化シリコン層を形成する工程と、
前記第1酸窒化シリコン層および前記第2酸窒化シリコン層をパターニングすることで前記第2領域の一部から前記第2領域に連続する第3領域にかけて前記酸窒化シリコンコアを形成する工程と、
前記ゲルマニウムフォトダイオード,前記シリコンコア,および前記酸窒化シリコンコアの上に酸化シリコンからなる上部クラッド層を形成する工程と
を備えることを特徴とする光モジュールの製造方法。 Germanium photodiode, silicon optical waveguide made of silicon core, silicon oxynitride optical waveguide made of silicon oxynitride core is an optical module manufacturing method in which these are connected in this order,
Forming a lower clad layer made of silicon oxide on a silicon substrate;
Forming a silicon layer on the lower cladding layer;
Patterning the silicon layer to form a lower silicon pattern in a first region, and forming the silicon core in a second region continuous with the first region;
Forming a first silicon oxynitride layer made of silicon oxynitride on the lower cladding layer covering the lower silicon pattern and the silicon core;
Forming a silicon oxide layer made of silicon oxide on the first silicon oxynitride layer;
Forming an opening above the lower silicon pattern of the silicon oxide layer and the first silicon oxynitride layer;
Using the silicon oxide layer as a selective growth mask, germanium is selectively grown on the lower silicon pattern at the bottom of the opening to form a germanium pattern, and the germanium photodiode comprising the lower silicon pattern and the germanium pattern Forming a step;
Removing the silicon oxide layer;
Forming a second silicon oxynitride layer made of silicon oxynitride on the first silicon oxynitride layer after removing the silicon oxide layer;
Forming the silicon oxynitride core from a part of the second region to a third region continuous to the second region by patterning the first silicon oxynitride layer and the second silicon oxynitride layer;
And a step of forming an upper clad layer made of silicon oxide on the germanium photodiode, the silicon core, and the silicon oxynitride core.
前記第1酸窒化シリコン層および第2酸窒化シリコン層は、SiD4、O2、およびN2を原料ガスとしたECRプラズマCVD法により形成する
ことを特徴とする光モジュールの製造方法。 In the manufacturing method of the optical module of Claim 1,
The first silicon oxynitride layer and the second silicon oxynitride layer are formed by an ECR plasma CVD method using SiD 4 , O 2 , and N 2 as source gases.
前記下部シリコンパターン上の前記第1酸窒化シリコン層および前記酸化シリコン層の合計の厚さは、前記ゲルマニウムパターンの厚さと同じ状態とし、
前記第2酸窒化シリコン層は、前記第1酸窒化シリコン層より厚く形成し、
前記第2酸窒化シリコン層の屈折率は、前記第1酸窒化シリコン層の屈折率以下とする
ことを特徴とする光モジュールの製造方法。 In the manufacturing method of the optical module of Claim 1 or 2,
The total thickness of the first silicon oxynitride layer and the silicon oxide layer on the lower silicon pattern is the same as the thickness of the germanium pattern,
The second silicon oxynitride layer is formed thicker than the first silicon oxynitride layer,
The method of manufacturing an optical module, wherein a refractive index of the second silicon oxynitride layer is equal to or lower than a refractive index of the first silicon oxynitride layer.
前記シリコン基板の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上の第1領域に形成されたゲルマニウムフォトダイオードと、
前記下部クラッド層の上の前記第1領域に連続する第2領域に形成されたシリコンコアと、
前記第2領域の一部から前記第2領域に連続する第3領域にかけて形成された酸窒化シリコンコアと、
前記ゲルマニウムフォトダイオード,前記シリコンコア,および前記酸窒化シリコンコアの上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層と
を備え、
前記ゲルマニウムフォトダイオードは、前記シリコンコアに連続して形成された下部シリコンパターンと、前記下部シリコンパターンの上に形成されたゲルマニウムパターンとから構成され、
前記ゲルマニウムフォトダイオード、前記シリコンコアからなるシリコン光導波路、前記酸窒化シリコンコアからなる酸窒化シリコン光導波路がこれらの順に接続した状態に形成され、
前記酸窒化シリコンコアは、前記シリコン基板側に配置されて酸窒化シリコンからなる第1酸窒化シリコン層と、酸窒化シリコンから構成されて前記第1酸窒化シリコン層の上に積層された第2酸窒化シリコン層とから構成され、
前記第2酸窒化シリコン層は、前記第1酸窒化シリコン層より厚くされ、
前記第2酸窒化シリコン層の屈折率は、前記第1酸窒化シリコン層の屈折率以下とされている
ことを特徴とする光モジュール。 A silicon substrate;
A lower clad layer made of silicon oxide formed on the silicon substrate;
A germanium photodiode formed in a first region on the lower cladding layer;
A silicon core formed in a second region continuous with the first region on the lower cladding layer;
A silicon oxynitride core formed from a part of the second region to a third region continuous to the second region;
An upper cladding layer made of silicon oxide formed on the germanium photodiode, the silicon core, and the silicon oxynitride core;
The germanium photodiode is composed of a lower silicon pattern formed continuously on the silicon core, and a germanium pattern formed on the lower silicon pattern,
The germanium photodiode, the silicon optical waveguide made of the silicon core, and the silicon oxynitride optical waveguide made of the silicon oxynitride core are formed in a state of being connected in this order,
The silicon oxynitride core is disposed on the silicon substrate side and includes a first silicon oxynitride layer made of silicon oxynitride and a second silicon oxynitride layer stacked on the first silicon oxynitride layer. Composed of a silicon oxynitride layer ,
The second silicon oxynitride layer is thicker than the first silicon oxynitride layer;
The optical module , wherein a refractive index of the second silicon oxynitride layer is not more than a refractive index of the first silicon oxynitride layer .
前記第1酸窒化シリコン層および第2酸窒化シリコン層に含まれている水素は、重水素とされている
ことを特徴とする光モジュール。 In the optical module according to claim 4 Symbol mounting,
The optical module, wherein hydrogen contained in the first silicon oxynitride layer and the second silicon oxynitride layer is deuterium.
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