(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
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。
【請求項２】
請求項１記載の光モジュールの製造方法において、
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。
【請求項３】
請求項１または２記載の光モジュールの製造方法において、
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。
【請求項４】
シリコン基板と、
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。
【請求項５】
請求項４記載の光モジュールにおいて、
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５７６１７５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【発明の効果】
【００１５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】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。
【図２Ａ】図２Ａ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２Ｂ】図２Ｂ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２Ｃ】図２Ｃ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２Ｄ】図２Ｄ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２Ｅ】図２Ｅ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２Ｆ】図２Ｆ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２Ｇ】図２Ｇ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２Ｈ】図２Ｈ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２Ｉ】図２Ｉ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２Ｊ】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。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【符号の説明】
【００５８】
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。
【図１】
0006560153.tif 000002
【図２Ａ】
0006560153.tif 000003
【図２Ｂ】
0006560153.tif 000004
【図２Ｃ】
0006560153.tif 000005
【図２Ｄ】
0006560153.tif 000006
【図２Ｅ】
0006560153.tif 000007
【図２Ｆ】
0006560153.tif 000008
【図２Ｇ】
0006560153.tif 000009
【図２Ｈ】
0006560153.tif 000010
【図２Ｉ】
0006560153.tif 000011
【図２Ｊ】
0006560153.tif 000012