(57)【要約】  フォトニック結晶（ＰｈＣ）構造体の形成方法及びその方法を用いて形成されたＰｈＣ構造体。前記方法は、Ｓｉ系ホスト層にホールを形成すること、前記Ｓｉ系ホスト層の表面がＳｉ系酸化物で直接覆われるように、高密度プラズマ（ＨＤＰ）堆積のＳｉ系酸化物を前記ホールに充填すること、及び、得られたＰｈＣ構造体の表面が平坦化されるように、前記Ｓｉ系酸化物をエッチングするための少なくとも選択的ウェットエッチング工程を実行すること、を備えている。【選択図】  図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニック結晶（ＰｈＣ）構造体の形成方法であって、
Ｓｉ系ホスト層にホールを形成する工程と、
高密度プラズマ（ＨＤＰ）堆積のＳｉ系酸化物を前記ホールに充填して、前記Ｓｉ系ホスト層の表面が前記Ｓｉ系酸化物で直接覆われるようにする工程と、
得られたＰｈＣ構造体の表面が平坦化されるように、前記Ｓｉ系酸化物をエッチングするための少なくとも選択的ウェットエッチング工程を実行する工程と、を備えたことを特徴とするフォトニック結晶構造体の形成方法。
【請求項２】
請求項１記載のフォトニック結晶構造体の形成方法であって、
前記ホスト層は、Ｓｉを含むことを特徴とするフォトニック結晶構造体の形成方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載のフォトニック結晶構造体の形成方法であって、
前記Ｓｉ系酸化物は、ＳｉＯ２を含むこと特徴とするフォトニック結晶構造体の形成方法。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載のフォトニック結晶構造体の形成方法であって、
前記ウェットエッチングは、ＨＦエッチングを含むことを特徴とするフォトニック結晶構造体の形成方法。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかに記載のフォトニック結晶構造体の形成方法であって、
前記ウェットエッチング工程よりも前に、部分的ドライエッチング工程を実行することをさらに備えたことを特徴とするフォトニック結晶構造体の形成方法。
【請求項６】
請求項５記載のフォトニック結晶構造体の形成方法であって、
前記ドライエッチング工程は、プラズマエッチング工程を含むことを特徴とするフォトニック結晶構造体の形成方法。
【請求項７】
請求項１〜６の何れかに記載のフォトニック結晶構造体の形成方法であって、
前記ウェットエッチング工程よりも前に、化学機械研磨（ＣＭＰ）工程を実行することをさらに備えたことを特徴とするフォトニック結晶構造体の形成方法。
【請求項８】
請求項５及び７記載のフォトニック結晶構造体の形成方法であって、
前記ＣＭＰ工程は、前記ドライエッチング工程よりも前に実行されることを特徴とするフォトニック結晶構造体の形成方法。
【請求項９】
請求項１〜８の何れかに記載のフォトニック結晶構造体の形成方法であって、
前記ＰｈＣ構造体の前記平坦化された表面上に、少なくとも一つの光学デバイス構造体を直接形成することをさらに備えたことを特徴とするフォトニック結晶構造体の形成方法。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れかに記載のフォトニック結晶構造体の形成方法であって、
前記ＰｈＣ構造体の前記平坦化された表面上に、１又は複数の金属接点を直接形成することをさらに備えたことを特徴とするフォトニック結晶構造体の形成方法。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れかに記載のフォトニック結晶構造体の形成方法であって、
得られたＰｈＣ構造体の表面が、約１０ｎｍ未満に平坦化されることを特徴とするフォトニック結晶構造体の形成方法。
【請求項１２】
請求項１〜１１の何れかに記載のフォトニック結晶構造体の形成方法を用いて製造されたことを特徴とするＰｈＣ構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してフォトニック結晶構造体の形成方法及びその方法を用いて製造されたフォトニック結晶構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶（ＰｈＣ）は、次世代のフォトニック個別デバイスや集積回路のために、様々な光の波長のデバイスを製造するための有望な光学デバイスプラットフォームである。ＰｈＣは、幾つかの光学上の波長の次元を備えた人工の周期的構造であり、電子工学において広く用いられる電子バンド構造と同様の光学バンド構造であり、光が存在できないフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）と呼ばれる周波数バンドを有している。このことは、ＰｈＣにおける線欠陥が導波路として機能し、ＰｈＣにおける点欠陥が光を漏らさない共振器として機能することを意味している。
【０００３】
近年、フォトニック集積回路（ＰＩＣｓ）に光学機能がますます組み込まれて一体化されてきている。現在のところ、既存のＰＩＣｓは、少数の機能を単一のチップ上に集約しているにすぎず、その少数の機能は、光をある機能要素から他に導波路を介して伝播するのに必要とされる、より大きな空間によって制限されている。特に、放射損失を防ぐためには屈曲半径を十分に大きくしなければならないので、導波路における屈曲は大きな制限となる。それ故に、ＰＩＣｓの集積化のレベルを向上させるためには、個々の機能要素を小型化するだけでなく、導波路構造体のために必要とされる空間を減少させることも必要である。このため、少ない損失で小さく屈曲可能な細い導波路が求められている。
【０００４】
面内方向におけるＰＢＧと厚さ方向における屈折率の差とにより光を中に閉じ込める二次元（２Ｄ）ＰｈＣスラブは、チップサイズを小さくするために研究されてきた。そのようなスラブは、ＬＳＩ（Large Scale Integration）プロセスによって簡単に製造され、その構造は一般的な平面光波回路と類似している。
【０００５】
近年、ＰｈＣｓの品質を著しく改良した二次元ＰｈＣデバイスの面外放射損失の減少に関して研究されている。現在のところ、ほとんどのシリコンＰｈＣ構造体は、Ｓｉホストとエアホールによって構成されている。しかしながら、そのようなエアギャップ構造でデバイスの集積化を行うことは困難であるので、真のＰＩＣｓを実現するのに適切な選択ではない。真のＰＩＣｓを実現するためには、デバイスにおける導波路やモード変換器等の光学的要素間のブリッジング（すなわち、それらを光学的に接続するＰｈＣｓの表面上のなんらかの残留層）を取り除くために、高い平面性の上面を有するエアギャップフリーＰｈＣｓを作ることが不可欠となっている。ＰｈＣｓでエアギャップフリーの平面のスラブを実現するためには、フォトニック結晶のホールを埋めて、その後に上面を平坦にすることが重要である。エアギャップのない、ＳｉベースのＰｈＣｓスラブデバイスの概念構造は、変調器や、光源のための高い‘Ｑ’の空洞共振器、色分散補償器等のフォトニックデバイスの製造において広く適用される。加えて、十分にＣＭＯＳとの互換性のあるプロセス設計と製造技術は、そのようなデバイス構造体の多様性を実現するために、より集積する能力を提供することができる。
【０００６】
エアギャップフリー構造の形成に係る主要課題の一つは、フォトニック結晶のボイドフリー充填と、光学グレードのＰｈＣスラブを得るためのそれに続く平坦化である。従来のＳＴＩ（Shalow Trench Isolation）プロセスでは、高密度プラズマ（HDP）二酸化シリコンで溝を埋めた後に、一定の平坦化が実現されている。しかしながら、ＳＴＩでは、シリコン窒化層が、平坦化のためのエッチングストップとして用いられている。また、平坦化が完了した後に、“窪み”、すなわちエッチングストップに隣接した非平面欠陥、が形成されることが、このプロセスの欠点である。
【０００７】
ＰｈＣスラブの製造には、シリコン窒化層を平坦化のためのエッチングストップとして用いることができず、また、光感度の理由から窪みの形成を許容することはできない。さらに、ギャップを埋めることは、フォトニック結晶のホールの内部になされるものであり、ＳＴＩにおいて一般的により大きな溝を塞ぐよりも難しい。平坦性の要求は、光学グレードの仕様を充足するためにデバイス領域の範囲内で検証され、そのことがプロセスを高度に挑戦的なものにしている。
【０００８】
従って、上述の問題の少なくとも一つに対処しようと努めるＰｈＣスラブ構造体及びその製造方法を提供する必要性が存在する。
【発明の概要】
【０００９】
本発明の第１の観点によれば、フォトニック結晶（ＰｈＣ）構造体の形成方法であって、Ｓｉ系ホスト層にホールを形成する工程と、高密度プラズマ（ＨＤＰ）堆積のＳｉ系酸化物を前記ホールに充填して、前記Ｓｉ系ホスト層の表面が前記Ｓｉ系酸化物で直接覆われるようにする工程と、得られたＰｈＣ構造体の表面が平坦化されるように、前記Ｓｉ系酸化物をエッチングするための少なくとも選択的ウェットエッチング工程を実行する工程と、を備えた方法が提供される。
【００１０】
前記ホスト層は、Ｓｉを含んでもよい。
【００１１】
前記Ｓｉ系酸化物は、ＳｉＯ２を含んでもよい。
【００１２】
前記ウェットエッチングは、ＨＦエッチングを含んでもよい。
【００１３】
前記方法は、前記ウェットエッチング工程よりも前に、部分的ドライエッチング工程を実行することをさらに備えてもよい。
【００１４】
前記ドライエッチング工程は、プラズマエッチング工程を含んでもよい。
【００１５】
前記方法は、前記ウェットエッチング工程よりも前に、化学機械研磨（ＣＭＰ）工程を実行することをさらに備えてもよい。
【００１６】
前記ＣＭＰ工程は、前記ドライエッチング工程よりも前に実行されてもよい。
【００１７】
前記方法は、前記ＰｈＣ構造体の前記平坦化した表面上に、少なくとも一つの光学デバイス構造体を直接形成することをさらに備えてもよい。
【００１８】
前記方法は、前記ＰｈＣ構造体の前記平坦化された表面上に、１又は複数の金属接点を直接形成することをさらに備えてもよい。
【００１９】
前記得られたＰｈＣ構造体の前記表面が、約１０ｎｍ未満に平坦化されてもよい。
【００２０】
本発明の第２の観点によれば、前記第１の観点で特徴づけられる方法を用いて製造されたＰｈＣ構造体が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１ａは、一実施形態に従ったＳｉフォトニック結晶スラブの概略斜視図を示している。図１ｂは、図１のフォトニック結晶スラブの概略断面図を示している。
【図２】図２ａ〜図２ｄは、図１のフォトニック結晶スラブの形成方法を説明する概略断面図を示している。
【図３】図３ａは、一実施形態におけるＨＤＰ酸化物が充填されたＰｈＣホールの、走査電子顕微鏡による上面画像を示している。図３ｂは、図３ａのＨＤＰ酸化物が充填されたＰｈＣホールの、走査電子顕微鏡による断面画像を示している。
【図４】図４は、一実施形態のＰｈＣスラブの、原子間力顕微鏡によるスキャンを示している。
【図５】図５は、図４のスキャンが行われたＰｈＤスラブの上面画像を示している。
【図６】図６は、一実施形態に従った最初のエッチング工程後のフォトニック結晶スラブの概略断面図を示している。
【図７】図７は、後に続くウェットエッチング工程後の図６のフォトニック結晶スラブの概略断面図を示している。
【図８】図８ａは、一実施形態に従ったフォトニック結晶スラブ上に形成された導波路を斜めから見た側壁ＳＥＭ画像を示す。図８ｂは、図８ａの部分拡大画像を示している。
【図９】図９ａは、一実施形態に従ったフォトニック結晶スラブ上に形成された導波路の、透過電子顕微鏡解析による断面像を示している。図９ｂは、図９ａの部分拡大画像を示している。
【図１０】図１０は、一実施形態に従ったフォトニックデバイス構造体のＳＥＭ画像を示している。
【図１１】図１１は、一実施形態に従ったフォトニック結晶構造体の形成方法を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の実施形態は、添付図面と共に、例示だけを目的とした以下の記載を参照することによって、よりよく理解され、当業者にとって容易に明らかなものとなるであろう。
【００２３】
図１ａ及び図１ｂは、本実施形態に従ってＳｉＯ２１０２が充填されていると共に平坦化されたＳｉフォトニック結晶スラブ１００の概略斜視図及び概略断面図をそれぞれ示している。Ｓｉ／ＳｉＯ２フォトニック結晶（ＰｈＣ）層１０３は、ＰｈＣスラブの製造が完了した時に、ホストＳｉ層１０４に埋め込まれたＳｉＯ２ピラー１０２の二次元の三角形又は四角形の格子から構成されている。この三角形又は四角形の格子の単位セルは、４００ｎｍ以下のピッチを有している。また、本実施形態においては、ホール内部に充填されたＳｉＯ２ピラー１０２の直径は、２００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲であり、そのピラーの高さは、１００ｎｍ〜４００ｎｍの範囲である。薄いＳＯＩ（Silicon-on-Insulator）  Ｓｉ層１０４は、ＰｈＣ層１０３のホスト媒体としての機能を果たす。
【００２４】
ＰｈＣスラブ１００の形成方法は、ＰｈＣスラブ１００を得るために、ＳＯＩ  Ｓｉ層にホールを形成し、続いて二酸化シリコンを充填し、最後に平坦化することを含む。図２ａ〜図２ｄは、本実施形態におけるＰｈＣスラブ１００を形成する際の段階的なプロセスの流れの概略図を示している。
【００２５】
フォトニック結晶のホール２００のマトリックスは、図２ａに示すように、２４８ｎｍ−ニコン  ＫｒＦ  Ｄｅｅｐ  ＵＶ  リソグラフィ−を用いてパターニングされる。最初に、厚さ４１００Ａのフォトレジストを、ＴＥＬ  ＡＣＴ‐８  ウェハ塗布装置ＴＲＡＣＫを用いて塗布した。微細なホール構造を可能とするために、フォトレジストの塗布前にボトム反射防止膜（BARC）層を追加した。そして、日立  ＣＤ  ＳＥＭ  Ｓ９２００モデルを用いて、パターニングされたホールの直径を確認した。このＢＡＲＣ層を、ホールの直径、言い換えれば限界寸法（ＣＤ）、を管理しながら、Ｎ２／Ｏ２プラズマガス混合を用いてエッチングした。そして、平滑で垂直な側壁を有するフォトニック結晶のホール２００を形成するために、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のドライエッチングプロセスを用いて薄い最上シリコン層１０４をエッチングした。このようにして形成されたフォトニック結晶のホール２００を、図２ｂに示すように、高密度プラズマ（ＨＤＰ）ＳｉＯ２２０２で埋めた。この後に、化学機械研磨（ＣＭＰ）プロセス、（図２ｃ）を含む平坦化プロセスが続き、その後にドライ及びウェットエッチング工程（図２ｄ）の組み合わせが続く。平坦化プロセスの詳細を以下に説明する。
【００２６】
上述したように、本実施形態においては、Ｓｉホールを形成した後にそのホールを埋めるために、ＨＤＰ技術が用いられる。これにより、フォトニック結晶ホールの内部にボイドが形成されるのを有効に回避する。
【００２７】
図３ａ及び図３ｂは、本実施形態において、ＨＤＰ酸化物が充填されたＰｈＣホールの、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）による上面及び断面画像３００,３０２をそれぞれ示しており、ボイドフリーのホール、すなわちＰｈＣにおけるエアギャップの解消を図示している。
【００２８】
本実施形態では、上述したような様々なホール寸法を有するホールのマトリックス全体に対して、ホールを完全に埋めるための堆積厚が５０００Åで最適化された。
【００２９】
本実施形態では停止層がないため（従来のＳＴＩのプロセスの流れと相違する）、最上層シリコンを損失することなく酸化物が充填されたフォトニック結晶を平坦化することは不可能となっている。しかしながら、ＰｈＣスラブの厚さや平坦性が重要であるため、最上層シリコンに窪み／粗さをもたらさないことが重要である。本実施形態では、最初に、最上層二酸化シリコン（〜３５００Å）の一部を、化学機械研磨（ＣＭＰ）プロセスによって部分的に平坦化する。その後の平坦化は、プラズマドライエッチングと、酸化層への最終的なウェット化学エッチングとの組み合わせを実行することで達成される。図４に示すように、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のスキャン４００によって測定されたＰｈＣスラブでは、１０ｎｍ未満の優れた平坦性を達成した。図５は、１０ｎｍ未満の平坦性の最終的なウェットエッチングの後のＰｈＣスラブの上面ＳＥＭ画像５００を示している。
【００３０】
本発明者らは、ＣＭＰによる部分的平坦化の後に、最上層シリコンで停止するようなプラズマドライエッチングを行うことは、結果的に表面の粗さや選択性に依存したＳｉの損失をももたらす表面損傷の原因となりうるものであるということを確認した。その代わりに、本実施形態では、ウェット化学エッチングが後に続く部分的なドライプラズマエッチングを用いて、又は、ウェットエッチングのみを単独で用いて、酸化物の除去を実行する。二酸化シリコンのエッチングレートは、オープン領域（シリコン）の表面と比較して、フォトニック結晶領域では小さいことを見出した。このため、図６に示すように、オープン領域６０２においてＳｉ６００に達した後に酸化物のエッチングを停止した時に、フォトニック結晶領域に残された酸化物が、半円の突起６０４を形成した。例えば本例のシリコンに対する化学的なＨＦウェットエッチングの高い選択性は、残った酸化物の突起６０４をフォトニック結晶領域で更に取り除くために、エッチングを続けることを可能とし、十分なプロセスの余裕を提供する。図７に示すように、デバイス領域内の、言い換えればＰｈＣスラブ内の、オープン領域７００とフォトニック結晶領域７０２の両方において１０ｎｍ未満の平坦度を実現する。本実施形態では、Ｃ４Ｆ８系ガス混合を用いて酸化物ドライプラズマエッチングを行い、希釈されたフッ化水素酸溶液（Hydro-Fluoric acid solution）によって最終的なウェットエッチングを行った。
【００３１】
ＨＦウェットエッチングは、多少のシリコン（数オングストローム）を除去するが、表面の著しい粗さをもたらすものではないことを見出した。さらに、Ｓｉに対するウェットエッチングの選択性はドライエッチングよりも高いことが判明しているので、本実施形態におけるウェットエッチングによる酸化物の最終的な除去には有利である。このことは、好ましくは、ＰｈＣ内部の多量の酸化物を損失することなく、Ｓｉ表面上に残ったいかなる酸化物を除去するために、ウェットエッチングでオーバーエッチングを行う柔軟性を付与する。オープン領域と結晶のホール領域とのトポグラフィーの相違によってＰｈＣ内部での酸化物の除去が制限され、そのため、本実施形態では１０ｎｍ未満の表面の平坦性を有効に維持することができると考えられる。
【００３２】
ＰＣスラブの平坦性は、スラブ上の更なるデバイス製造と、そのようなビルトオンのデバイスの光学性能と、に対して非常に重要であるので、本実施形態において説明された十分に制御可能であると共に再現可能なプロセスが、様々な用途についての本例の可能性を明らかにしている。このことは、本実施形態のロバストなＣＭＯＳとの互換性あるプロセスの集積化アプローチによって更に促進される。
【００３３】
デバイス製造について後に続くプロセス集積化の可能性を実証するために、本実施形態におけるＰｈＣスラブ上に窒化シリコン導波路を形成した。窒化シリコン層の堆積の後に、ＰｈＣスラブを導波路構造体のためにパターニングした。厳しい光学デバイスの要求は、エッチングプロセスが垂直な導波路の外形と平坦な側壁を達成するという、より大きな課題を提示する。さらに、その基材としてのＰｈＣスラブの場合には、エッチングストップの正確な制御には、最上層のシリコン及びフォトニック結晶領域に存在する二酸化シリコンの無視し得る損失で、ＰｈＣスラブに穏やかに到達することが求められる。導波路を形成するために、ＣＦ４／Ｏ２系ガスの組み合わせを用いてこの窒化シリコンをエッチングした。ＰｈＣ上で精度よくエッチングストップする終点ベースのエッチングを用いることで、最適化されたエッチングプロセス性能を達成した。エッチングプロセスは、ウェハ及びバッチ内での良好な均一性と再現性に対して最適化された。図８ａ及び図８ｂに示す、斜めから見た側壁ＳＥＭ画像８００,８０２は、デバイスの優れた光学性能を達成するのに重要である、窒化シリコン導波路８０６の滑らかな側壁８０４を示す。
【００３４】
Ｓｉ３Ｎ４導波路形成後の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）解析は、図９ａ及び図９ｂに示すように、フォトニック結晶の底又はＰｈＣスラブ９００（二酸化シリコンとシリコンの両方の表面からなる）に窪みがないことを示しており、窒化シリコン導波路エッチングの正確な制御を裏付けている。
【００３５】
ＰｈＣスラブ上への導波路構造の形成を完了した後に、二層のアルミニウム金属接点が更に形成され、本実施形態のＰｈＣ系フォトニックデバイスの集積化の実現可能性が実証された。図１０は、その基材としてのＰｈＣを用いた製造が完了した後の本実施形態におけるフォトニックデバイスの物理的構造のＳＥＭ画像を示し、導波路１０００とアルミニウムの二層金属接点のトレースの例１００２を示している。この実施形態では、ＰｈＣ構造体は導波路１０００の下に位置している。
【００３６】
以上述べた実施形態は、十分にＣＭＯＳとの互換性あるプロセスを用いたフォトニック結晶系スラブの形成の製造技術を提供する。エアギャップが解消され、優れた表面平坦性を有するボイドフリーフォトニック結晶構造体が実現可能とされる。また、１０ｎｍ未満の平坦性を有する光学グレードのＰｈＣスラブが実現可能とされる。アルミニウムの二層金属接点を備えた窒化シリコン導波路の製造を通じて、後に続くデバイス集積化の実現可能性が実証された。変調器や、光源のための高い‘Ｑ’の空洞共振器、色分散補償器等の光学及び／又は光電子デバイスに、実施形態のデバイスプラットフォームを用いることができる。また、本実施形態の集積化の基本構想において用いられるプロセスモジュールは、優れたプロセス制御を可能とする。このことは、製造可能な技術プラットフォームが、高度なフォトニックデバイスを抵コストで大量生産することを可能とする。
【００３７】
図１１は、本実施形態に従ったフォトニック結晶構造体の形成方法を説明するフローチャート１００を示している。工程１１０２では、Ｓｉ系ホスト層にホールを形成する。工程１１０４では、シリコン系ホスト層の表面がＳｉ系酸化物で直接覆われるように、高密度プラズマ（ＨＤＰ）堆積のＳｉ系酸化物をホールに充填する。工程１１０６では、得られたＰｈＣ構造体の表面を平坦化するように、シリコン系酸化物をエッチングするための少なくとも選択的なウェットエッチング工程が実行される。
【００３８】
広く規定された本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、具体的な実施形態に示されているように、本発明に対して様々な変更及び／又は修正を行うことができることは、当業者であれば理解することができる。それゆえ、本実施形態は、あらゆる点において、説明のためであって限定しないものとみなされるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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2011504616.tif 000015