(57)【要約】開示された方法及び装置の実施形態は、支持基板から光学的に分離したフォトニックデバイスを提供する。略矩形断面の空洞（１２５）をフォトニックデバイス素子（１２９）の下に設け、当該空洞上部にある支持基板の縁から上記素子を形成してよい。【選択図】図１
2016509262.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニック構造の形成方法であって、
半導体基板をエッチングして、前記半導体基板の縁部の下に空洞を作製すること、及び
前記半導体基板の縁部からフォトニックデバイス素子を形成すること、を含む方法。
【請求項２】
前記フォトニックデバイス素子が導波路コアで構成されている、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記空洞をクラッド材料で充填することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記クラッド材料が酸化物で構成されている、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記半導体基板がシリコン基板で構成されている、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記酸化物が二酸化ケイ素で構成されている、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
マスク及び最初のエッチングを用いて、前記半導体基板の表面にトレンチを形成すること、及び
前記トレンチを通じた第１等方性エッチングを用いて前記空洞を形成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記半導体基板の上部にハードマスクを形成すること、
前記ハードマスクの上部にパターン化フォトレジストを形成して、前記トレンチの位置を確定すること、及び
前記ハードマスクを通じて前記半導体基板をエッチングして、前記トレンチを形成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記ハードマスクと前記半導体基板の間に酸化物材料を形成することをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１等方性エッチングを行う前に、前記トレンチの側壁にエッチング保護ライナーを形成することをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記エッチング保護ライナーが酸化物で構成されている、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記酸化物が二酸化ケイ素で構成されている、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１等方性エッチングが水酸化物エッチングで構成されている、請求項７に記載の方法。
【請求項１４】
前記水酸化物エッチングは、ＮＨ４ＯＨまたはＴＭＡＨを前記エッチング液として用いることを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１等方性エッチングに続いて第２等方性エッチングを行って、前記空洞をエッチングすることをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記第２等方性エッチングは、緩衝フッ化物を前記エッチング液として用いることを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記緩衝フッ化物エッチング溶液がＮＨ４Ｆ、ＱＥＩＩ及びＨ２Ｏ２で構成されている、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記フォトニックデバイス素子を形成することが前記第２等方性エッチングの後に行われる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記フォトニックデバイス素子を形成した後に、前記空洞を前記クラッド材料で充填する、請求項３に記載の方法。
【請求項２０】
前記フォトニックデバイス素子を形成する前に、前記空洞を前記クラッド材料で充填する、請求項３に記載の方法。
【請求項２１】
前記フォトニックデバイス素子の上部及び側面周囲にクラッド材料を形成することをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項２２】
前記フォトニックデバイス素子の上部及び側面周囲の前記クラッド材料が酸化物で構成されている、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記酸化物が二酸化ケイ素で構成されている、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記空洞が略矩形の断面形状を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
フォトニック構造の形成方法であって、
半導体基板の上にフォトニックデバイス素子を形成すること、及び
前記フォトニックデバイス素子の下の前記半導体基板内に略矩形の空洞をエッチングすること、を含む方法。
【請求項２６】
前記空洞の上にある前記半導体基板の縁部から前記フォトニックデバイス素子を形成する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記空洞の上に設けられたフォトニックデバイス製造材料から前記フォトニックデバイス素子を形成する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
少なくとも、第１等方性エッチング溶液を用いた前記半導体基板の第１等方性エッチング、及び第２等方性エッチング溶液を用いた前記半導体基板の第２等方性エッチングによって前記略矩形の空洞を形成する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
第１等方性エッチング溶液が水酸化物エッチング溶液で構成され、前記第２等方性エッチング溶液が緩衝フッ化物エッチング溶液で構成されている、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
フォトニック構造であって、
フォトニックデバイス素子の形成に適した基板材料で構成された基板と、
前記基板材料で構成されたフォトニックデバイス素子と、
前記フォトニックデバイス素子の下の前記基板内にあり、前記フォトニックデバイス素子を前記基板から光学的に分離するためのクラッド材料を含有する空洞と、を備えるフォトニック構造。
【請求項３１】
前記基板材料が半導体材料で構成されている、請求項３０に記載のフォトニック構造。
【請求項３２】
前記半導体材料がシリコンで構成されている、請求項３１に記載のフォトニック構造。
【請求項３３】
前記シリコンが単結晶シリコンで構成されている、請求項３２に記載のフォトニック構造。
【請求項３４】
前記クラッド材料が酸化物で構成されている、請求項３０に記載のフォトニック構造。
【請求項３５】
前記酸化物が二酸化ケイ素で構成されている、請求項３４に記載のフォトニック構造。
【請求項３６】
前記フォトニックデバイス素子の上部に上部クラッド材料をさらに備える、請求項３０に記載のフォトニック構造。
【請求項３７】
前記上部クラッド材料が酸化物で構成されている、請求項３６に記載のフォトニック構造。
【請求項３８】
前記酸化物が二酸化ケイ素で構成されている、請求項３７に記載のフォトニック構造。
【請求項３９】
前記上部クラッド材料が金属配線構造の層間絶縁（ＩＬＤ）の一部を構成する、請求項３６に記載のフォトニック構造。
【請求項４０】
前記フォトニックデバイス素子が導波路コアである、請求項３０に記載のフォトニック構造。
【請求項４１】
前記空洞が略矩形である、請求項３０に記載のフォトニック構造。
【請求項４２】
略矩形断面の空洞を有する基板であって、フォトニックデバイス素子を前記基板から光学的に分離するための材料を含有する基板と、
前記空洞の上に形成された前記フォトニックデバイス素子と、を備えるフォトニック構造。
【請求項４３】
前記フォトニックデバイス素子は、前記基板の上部に設けられた製造材料から形成されている、請求項４１に記載の構造。
【請求項４４】
前記フォトニックデバイス素子は、前記空洞の上部に設けられた前記基板の一部から形成されている、請求項４１に記載の構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［米国政府の権利］
本発明は、ＤＡＲＰＡによって裁定された契約第ＨＲ００１１−１１−９−０００９号の下で、政府の支援を受けてなされた。米国政府は本発明に対して一定の権利を有する。
【０００２】
［技術分野］
本明細書に記載した構造及び方法の実施形態は、フォトニックデバイスと基板材料の間の光学的分離を十分保った状態で集積回路基板上にフォトニックデバイスを形成して、両者の間のエバネッセント結合を抑制することに関する。
【背景技術】
【０００３】
今日、フォトニックデバイスと電子デバイスを同じ半導体基板上に集積する傾向がある。こうした集積のための支持基板としては、シリコン・オン・インシュレータ（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ：ＳＯＩ）基板を用いることができる。光導波路などのフォトニックデバイスを形成する際には、導波路に沿って伝搬する光波を閉じ込めるためのクラッドを導波路のコアの周囲に設ける。コア材料は、クラッドの屈折率よりも大きい屈折率を有する。シリコン（約３．４７の屈折率を有する）を導波路のコア材料として用いる場合、導波路のクラッドは、それより低い屈折率の材料で形成することができる。例えば、二酸化ケイ素（約１．５４の屈折率を有する）を導波路のクラッドとして用いることが多い。
【０００４】
シリコン・オン・インシュレータ基板を支持基板として用いる際には、導波路コアの下のクラッド材料は、ＳＯＩ基板の埋め込み酸化物（ｂｕｒｉｅｄ  ｏｘｉｄｅ：ＢＯＸ）絶縁体（これも同様に、通常は二酸化ケイ素である）とすることができ、導波路コアは、ＢＯＸ絶縁体の上のシリコンから形成することができる。ＢＯＸクラッドは、シリコン導波路コアからＳＯＩ構造の支持シリコン基板へのエバネッセント結合による光信号の漏れを防ぐように機能する。しかしながら、こうしたエバネッセント結合を防ぐために、導波路コアの下のＢＯＸクラッド材料を比較的厚くする必要がある。例えば、この厚さは、１．０μｍより厚くし、多くの場合には２．０〜３．０μｍとする。ＢＯＸクラッド材料が厚くなると、このクラッド材料によって下地のシリコンへの熱の流れが阻害される。そのため、特に、同一基板上に形成され得るＣＭＯＳ回路にとって、シリコン基板の放熱器としての効果が低減する。加えて、一定の電子デバイス（フォトニックデバイスと同一のＳＯＩ基板上に集積された高速論理回路など）の場合には、ＳＯＩ基板のＢＯＸを比較的薄くする必要があり、通常は１００〜２００ｎｍの範囲の厚さとする。こうした薄いＢＯＸ絶縁体のＳＯＩは、電子デバイスに良好な基板を提供するが、ＳＯＩ基板の下地となる支持シリコンにシリコン導波路コアがエバネッセント結合するのを防ぐには不十分であるため、それによって不要な光学的信号損失が発生する。さらに、ＳＯＩ基板は比較的高価であり、時には入手性の制限を受けることがある。
【０００５】
従って、電子デバイスとフォトニックデバイスを同一基板上に集積するのに、非ＳＯＩ基板も用いられてきた。光デバイスと下地の非ＳＯＩ基板のエバネッセント結合を防ぐのに利用可能な１つの技法が、米国特許第７，９２０，７７０号に開示されている。本特許では、製造した光デバイスの下の基板内に、深い分離トレンチをエッチングする。記載されたエッチングにより、略曲線状に形成されたトレンチが光デバイスの下に設けられる。既に述べたように、フォトニックデバイス（導波路コアなど）用の下地クラッド材料は、少なくとも１μｍ厚とする必要があり、好ましくは、２．０〜３．０μｍ厚である。さらに、このクラッド材料を、上記の深さで、フォトニックデバイスの各側端部を過ぎて横方向に少なくとも１μｍは延伸すべきである。しかしながら、このクラッドの深さの基準に適合するためには、フォトニックデバイスの側端部を過ぎて、曲線状のトレンチを横方向に１μｍ超延伸する必要がある。曲線状のトレンチがフォトニックデバイスの側端部を超えて横方向により大きく延伸すると、フォトニックデバイスの形成に供すべき基板領域がより大きくなる。第７，９２０，７７０号の特許では、光デバイスを形成する基板の上部に別の光デバイス製造材料を設けることも開示されている。
【０００６】
必要とされているのは、フォトニックデバイス及び下地クラッドを形成する簡略化された方法のみならず、ＣＭＯＳとフォトニックデバイスの双方の形成に適した、略矩形の下部クラッドを提供する非ＳＯＩ基板である。非ＳＯＩ基板の上部に別の光デバイス製造材料の存在を必要としない基板構造も望まれている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】基板の上部に製造したフォトニックデバイスの一実施形態を断面で示す図である。
【図２】基板の上部に製造したフォトニックデバイスの別の実施形態を断面で示す図である。
【図３Ａ】図１の実施形態の形成に利用可能な処理シーケンスを断面で示す図である。
【図３Ｂ】図１の実施形態の形成に利用可能な処理シーケンスを断面で示す図である。
【図３Ｃ】図１の実施形態の形成に利用可能な処理シーケンスを断面で示す図である。
【図３Ｄ】図１の実施形態の形成に利用可能な処理シーケンスを断面で示す図である。
【図３Ｅ】図１の実施形態の形成に利用可能な処理シーケンスを断面で示す図である。
【図３Ｆ】図１の実施形態の形成に利用可能な処理シーケンスを断面で示す図である。
【図３Ｇ】図１の実施形態の形成に利用可能な処理シーケンスを断面で示す図である。
【図３Ｈ】図１の実施形態の形成に利用可能な処理シーケンスを断面で示す図である。
【図３Ｉ】図１の実施形態の形成に利用可能な処理シーケンスを断面で示す図である。
【図３Ｊ】図１の実施形態の形成に利用可能な処理シーケンスを断面で示す図である。
【図３Ｋ】図１の実施形態の形成に利用可能な処理シーケンスを断面で示す図である。
【図３Ｌ】図１の実施形態の形成に利用可能な処理シーケンスを断面で示す図である。
【図３Ｍ】図１の実施形態の形成に利用可能な処理シーケンスを断面で示す図である。
【図３Ｎ】図１の実施形態の形成に利用可能な処理シーケンスを断面で示す図である。
【図３Ｏ】図１の実施形態の形成に利用可能な処理シーケンスを断面で示す図である。
【図４Ａ】図１の実施形態の一部についての断面視及び平面視を示す図である。
【図４Ａ−１】図１の実施形態の一部についての断面視及び平面視を示す図である。
【図４Ｂ】図１の実施形態の他の一部についての断面視及び平面視を示す図である。
【図４Ｂ−１】図１の実施形態の他の一部についての断面視及び平面視を示す図である。
【図５Ａ】図２の実施形態の形成に利用可能な処理シーケンスを断面で示す図である。
【図５Ｂ】図２の実施形態の形成に利用可能な処理シーケンスを断面で示す図である。
【図５Ｃ】図２の実施形態の形成に利用可能な処理シーケンスを断面で示す図である。
【図５Ｄ】図２の実施形態の形成に利用可能な処理シーケンスを断面で示す図である。
【図５Ｅ】図２の実施形態の形成に利用可能な処理シーケンスを断面で示す図である。
【図５Ｆ】図２の実施形態の形成に利用可能な処理シーケンスを断面で示す図である。
【図６】図１の実施形態に係る基板であって、上部に電子デバイスとフォトニックデバイスが共に製造された基板の断面を示す図である。
【図７】図２の実施形態に係る基板であって、上部に電子デバイスとフォトニックデバイスが共に製造された基板の断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本明細書に記載した実施形態は、フォトニックデバイスを提供する。このフォトニックデバイスは、例えば、半導体基板材料から形成されたコア、及びこれに関連する下部クラッド材料であって、基板材料の空洞内に設けられた下部クラッド材料を備えた導波路である。この空洞は、フォトニックデバイスの下に位置している。フォトニックデバイス及び下地クラッドの形成方法の実施形態についても説明する。
【０００９】
本明細書に記載した実施形態は、内部に略矩形の下部クラッドが形成された半導体基板の上部にフォトニックデバイス（例えば、導波路）も提供する。
【００１０】
本明細書に記載した種々の実施形態は、ＣＭＯＳデバイスとフォトニックデバイスの集積に適した非ＳＯＩ基板を提供する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態を構造的に示す図である。この実施形態では、半導体基板１０１の一部に、フォトニックデバイスの下部クラッドとして機能する酸化物（例えば、二酸化ケイ素）充填空洞１２５を設けている。図１に示すフォトニックデバイスは、その構成要素として導波路コア１２９を備えた導波路である。酸化物充填空洞１２５は、略矩形断面を有する。フォトニックデバイスはさらに、酸化物１３５（例えば、導波路コア１２９の両側及び上部に形成された二酸化ケイ素）の形態をとった上部クラッドを備える。導波路コア１２９の上部に形成された酸化物１３５は、以下で詳細に説明するように、ＣＭＯＳ回路とフォトニック回路を相互接続する金属配線の一部として形成される層間絶縁（ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ  ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ：ＩＬＤ）構造の一部であってよい。
【００１２】
導波路コア１２９は、基板１０１の縁部１３１（図３Ｋ）から形成される。この縁部は、基板１０１のエッチング中に生成されて、酸化物充填空洞１２５を略矩形にする。導波路コア１２９は、内部に酸化物充填空洞１２５が形成された同一の半導体材料から形成されるため、処理工程を追加して、別のフォトニックデバイス製造層を基板１０１の上部に形成する必要がない。
【００１３】
図２は、別の実施形態を示す図である。この実施形態でも、基板２０１を製造して、略矩形の酸化物充填空洞２２５を生成する。酸化物充填空洞２２５は、導波路の下部クラッドとして機能する。この導波路は、酸化物材料２０３の上部に設けられた導波路コア２２９を備える。この酸化物材料は、例えば、二酸化ケイ素であり、基板２０１の保護層として機能する。導波路コア２２９の上部に形成された酸化物２３５（例えば、二酸化ケイ素）は、導波路コア２２９の両側及び上部に設けられた上部クラッドとなる。上記酸化物は、ＣＭＯＳ回路とフォトニック回路を相互接続する金属配線の一部として形成される層間絶縁（ＩＬＤ）構造の一部であってよい。図１の実施形態とは異なり、図２の実施形態は、フォトニックデバイス製造層から形成された導波路コア２２９を備えており、このフォトニックデバイス製造層は、酸化物層２２５及び酸化物スペーサ層２０３の上部に設けられている。
【００１４】
図３Ａ〜３Ｏは、半導体基板１０１から開始して図１の構造を形成する処理シーケンスを示す図である。基板材料は、単結晶シリコンの半導体材料であってよい。しかしながら、この処理シーケンスは、ＣＭＯＳデバイス及びフォトニックデバイスの製造に適した他の基板材料に用いてもよい。このような基板材料としては、多結晶シリコン、炭化ケイ素及びシリコンゲルマニウムなどがある。図３Ａ〜３Ｏに示した処理シーケンスは、同一の基板１０１の他の一部にＣＭＯＳデバイスを形成するために基板１０１に施す処理の前、後または最中に行うことができる。
【００１５】
図３Ａは、プロセスの開始点となる上面１０４を有する半導体基板１０１の一部を示す図である。図３Ｂに示すように、基板１０１の上面に保護材料１０３の層を形成する。この保護材料は、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）などの酸化物であってよく、基板１０１の上面に成長または積層されて、その後の処理工程から基板１０１を保護する。ハードマスク材料１０５は、例えば、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）であり、次いで、保護材料１０３の上に堆積される。
【００１６】
次に、図３Ｃに示すように、ハードマスク材料１０５の上部にパターン化フォトレジスト材料１０７を形成する。このパターンは、フォトレジスト材料１０７において開口１０９を画定する。
【００１７】
図３Ｄに示すように、開口１０９は、ハードマスク材料１０５及び保護材料１０３を通じて基板１０１に至るエッチングに用いられて、基板１０１の上面１０４に基板トレンチ１１１を形成する。トレンチ１１１を形成するための、保護層１０３及びハードマスク１０５を通じてエッチングを行う上記エッチングは、異方性乾式エッチングとすることができる。次いで、フォトレジスト材料１０７を除去する。
【００１８】
図３Ｅは、トレンチ１１１の側面と、開口１０９における保護材料１０３及びハードマスク材料１０５の側面とに保護ライナー１１３を形成した状態を示す図である。保護ライナー１１３は、例えば、ＳｉＯ２などの酸化物であってよく、堆積によって付着させることができる。その後の処理中に保護すべき領域は、基板トレンチ１１１の側壁の箇所であるため、堆積によって付着させる代わりに、トレンチ１１１の側壁及び底部に保護ライナー１１３を成長させてもよい。いずれにしても、図３Ｆに示すように、トレンチ１１１内の保護ライナー１１３の底部を異方性湿式エッチングまたは異方性乾式エッチングによって除去して、トレンチ１１１の側面に保護ライナー１１３を残すようにする。保護ライナー１１３を堆積によって付着させた場合、保護ライナー１１３は、保護材料１０３及びハードマスク材料１０５に設けられた開口１０９の側面にも残される。基板トレンチ１１１の深さによってトレンチ１１１の側面に沿った保護ライナー１１３の長さｌ（図３Ｆ）も決まるが、この深さは、その後生成される基板１０１の縁部１３１（図３Ｊ）の目標厚に基づいて選択される。この縁部は、以下に説明するようにフォトニックデバイス素子の形成に用いられる。例えば、フォトニックデバイス素子（導波路コア１２９など）の目標厚が約３０ｎｍ〜約１μｍの範囲の値である場合、トレンチ１１１の深さ、及びトレンチ１１１の側面に沿った保護ライナー１０３の長さｌ（トレンチ１１１の深さによって必然的に決まる）は、同様に、約３０ｎｍ〜約１μｍの範囲に該当する同じ値となる。
【００１９】
保護ライナー１１３の形成後、図３Ｇに示すように、開口１０９及びトレンチ１１１を通じて基板１０１の等方性湿式エッチングが開始され、これによって基板１０１内に空洞１１７が形成され始める。エッチング液は、保護ライナー１１３でも保護材料１０３でもなく、シリコン基板１０１をエッチングする。フォトニックデバイス及びこれに関連する下地クラッドによって占有される基板１０１の領域を最小化しやすくするため、略矩形のエッチング空洞が望まれる。シリコン基板における略矩形の空洞エッチングを実施可能な方法及びそのための適切なエッチング液は、米国特許第７，６２８，９３２号及び米国特許第８，１５９，０５０号に開示されており、ここに本明細書の一部を構成するものとしてこれらの出願全体を援用する。
【００２０】
湿式エッチングの前に、最初にトレンチ１１１内でシリコンエッチングを行って、基板１０１の所望のシリコン面を露出させる。所望の空洞形状、基板１０１の縁部１３１（図３Ｊ）の望ましい形状及び基板の結晶方位に基づき、湿式エッチング液を選択してよい。<１００>面のシリコンを用いた場合、湿式エッチング液は、水酸化物とすることができる。このような水酸化物としては、例えば、ＮＨ４ＯＨまたは水酸化テトラメチルアンモニウム（ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ：ＴＭＡＨ）などがあるが、ＮＨ４ＯＨはＴＭＡＨよりも速く形状空洞を形成する。基板１０１のエッチング速度は、シリコン面の方向に応じて異なる。図３Ｇは、エッチングの開始を示す図であり、ここでは、略六角形の空洞を形成し始めている。さらにエッチングを行うことにより、図３Ｈに示すように、略菱形の空洞１１９が生成される。なおさらにエッチングを行うことにより、図３Ｉでは、横方向に延伸した略六角形の空洞１２１が生成される。図３Ｉの空洞から略矩形に形作るために、異なるエッチング液を用いて、空洞１２１に直角の角部を作製してよい。従って、ＮＨ４Ｆ：ＱＥＩＩ：Ｈ２Ｏ２の体積比が約４：２：３である緩衝フッ化物エッチング溶液を用いて、図３Ｉの空洞１２１にさらに等方性エッチングを行い、より角張った角部を空洞に形成してよく、これらの角部によって図３Ｊに示した略矩形の空洞１２３が生成される。ＱＥＩＩは、「Ｏｌｉｎ  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」（コネチカット州、ノーウォーク）から入手可能な市販のエッチング溶液である。略矩形の空洞１２３により、空洞１２３の上部に基板材料の縁部１３１が作製される。
【００２１】
図３Ｊに示した略矩形の断面形状を有する空洞１２３を確定する湿式エッチングに続き、保護材料１０３及びハードマスク材料１０５を乾式エッチングまたは化学機械研磨によって除去して、基板１０１の上面１０４を露出させる。次いで、基板１０１を洗浄することにより、図３Ｋに示すように、略矩形の空洞１２３、縁部１３１及び保護ライナー１１３の一部を備えた基板１０１が残る。
【００２２】
次に、図３Ｌに示すように、空洞１２３を酸化物材料１２５（例えば、二酸化ケイ素）で充填する。酸化物材料１２５は、その後形成されるフォトニックデバイスの下部クラッドとして機能するものであり、堆積、スピンコーティングまたは熱成長によって形成されてよい。
【００２３】
図３Ｍは、基板１０１の縁部１３１の上部にパターン化フォトレジスト材料１２７を形成した状態を示す図である。フォトレジスト材料は、基板１０１及び縁部１３１に異方性エッチングを行う際のマスクとして機能する。図３Ｎに示すように、このエッチングは、酸化物１２５の上面で停止して、導波路コア１２９の形態でフォトニックデバイス素子を生成する。導波路コア１２９は、酸化物材料１２５の上面に支持されており、この酸化物材料は、導波路コア１２９の下部クラッドとなる。次に、図３Ｏに示すように、酸化物１３５（例えば、二酸化ケイ素）の形態をとった上部クラッド材料をシリコン導波路コア１２９の両側及び上部に形成して、図１に示した完成状態の導波路を形成する。
【００２４】
酸化物材料１２５については、図３Ｌに関連して説明しており、その際には、導波路コアデバイス１２９を形成する前に、この酸化物材料を略矩形の空洞１２３内に形成するものとした。しかしながら、導波路コア１２９を形成した後に、酸化物材料１２５を空洞１２３内に形成することもできる。
【００２５】
図４Ａ及び４Ａ−１は、図１の構造の一部についての平面視及び断面視（線Ａ−１〜Ａ−１に沿った）をそれぞれ示す図である。図４Ａの平面視は、酸化物１３５の下の構造を点線で示している。図４Ａ−１は、基板１０１に設けられたトレンチ１１１の位置を横断して取り出した断面視であり、このトレンチを通じて略矩形の空洞１２３を形成するエッチングが行われる。酸化物１２５、１３５は、図４Ａ−１の断面に共に示されている。また、酸化物１２５は、図４Ａの平面視にも点線で示されている。図４Ａに示すように、複数のトレンチ１１１が形成されており、これらのトレンチは、基板１０１に沿った直線方向に配置されている。従って、直線的に延在する導波路コア１２９に対し、直線的に延在する下地のクラッド酸化物１２５が提供される。
【００２６】
図４Ｂ及び４Ｂ−１は、図１の構造の他の一部についての平面視及び断面視（線Ｂ−１〜Ｂ−１に沿った）をそれぞれ示す図である。図４Ｂの平面視は、酸化物１３５の下の構造を点線で示している。この断面視は、直線的に延在する導波路コア１２９を横断して取り出したものであり、図４Ｂ−１の断面のクラッド酸化物１２５、１３５によって導波路コア１２９が囲まれている状態を示している。直線的に延在する酸化物１２５及び導波路コア１２９は、図４Ｂの平面視において点線で示されている。上部クラッド酸化物１３５は、図６に関連して以下で説明する方法により、ＣＭＯＳデバイスとフォトニックデバイスを接続するための金属配線パターンを支持するのに用いられる層間絶縁（ＩＬＤ）構造の一部とすることができる。
【００２７】
図１の実施形態は、基板材料で形成されたコア１２９を備えた導波路の形態で光デバイスを提供する。この導波路は、断面で見ると、基板の略矩形空洞に形成された下部クラッドを備えており、曲線状の空洞と比較すると、光デバイスの形成に必要な基板１０１の領域の大きさを抑制しつつ、製造が容易な構造を呈する。
【００２８】
図５Ａ〜５Ｅは、図２の実施形態の形成に利用可能な処理シーケンスを断面で示す図である。
【００２９】
図５Ａは、基板１０１と同一の材料（一例として、単結晶シリコン）で構成可能な半導体基板２０１を示す図である。
【００３０】
図５Ｂは、基板２０１の上部に保護酸化物材料２０３（例えば、二酸化ケイ素）を形成した状態を示す図である。酸化物材料２０３は、成長させることができ、あるいは堆積またはスピンコーティングによって形成することができる。フォトニックデバイス製造材料２１３は、例えば、堆積により、酸化物材料２０３の上部に形成される。フォトニックデバイス製造材料２１３は、単結晶シリコン、多結晶シリコン、非晶質シリコン、またはフォトニックデバイスの形成に適した他の材料とすることができる。このような他の材料としては、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉｘＮｙ、ＳｉＯｘＮｙ、ＳｉＣ、ＳｉｘＧｅｙ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓまたはＩｎＰなどがあり、ここで、ｘ及びｙは正整数である（例えば、１、２など）。材料２１３は、後に形成される周囲のクラッド材料よりも屈折率が高くなるように選択する。図５Ｂは、フォトニックデバイス製造材料２１３の上部に設けられたパターン化フォトレジスト２２７も示している。
【００３１】
図５Ｃは、図５Ｂの構造を示す図である。この図は、フォトレジスト２２７をマスクに利用し、異方性湿式エッチングまたは異方性乾式エッチングを用いてフォトニックデバイス製造材料２１３をエッチングし、次いで、フォトレジスト２２７を除去した後の状態を示している。酸化物材料２０３の上部には、フォトニックデバイス製造材料２０３で形成されたフォトニックデバイス素子（例えば、導波路コア２２９）が残る。
【００３２】
次に、図５Ｄに示すように、パターン化フォトレジスト（図示せず）を用いて、酸化物材料２０３に開口２０９をエッチングする。開口２０９は、一部が基板２０１に延伸して、基板２０１内にトレンチ２１１を形成する。これに続き、図３Ｇ〜３Ｋに関して上述した技法及びエッチング材料を用いて、基板２０１をさらにエッチングすることにより、基板内に略矩形の空洞２２３を形成する。この空洞は、導波路コア２２９の側端部を過ぎて横方向に延伸している。エッチング液は、保護材料２０３ではなくシリコン基板２０１をエッチングする。次いで、図５Ｅに示すように、空洞２２３及び開口２０９を、成長、堆積またはスピンコーティングによって形成される酸化物２２５（例えば、二酸化ケイ素）で充填する。図５Ｆに示すように、酸化物２３５（例えば、二酸化ケイ素）を導波路コア２２９の上部に形成して、酸化物下部クラッド２２５及び酸化物上部クラッド２３５が導波路コア２２９を完全に囲むようにする。この酸化物２３５は、図７に関連して以下で説明する方法により、別個に形成することができ、あるいはＣＭＯＳデバイスとフォトニックデバイスを接続するための金属配線パターンを支持するのに用いられる層間絶縁（ＩＬＤ）の一部とすることができる。
【００３３】
図６は、図１の実施形態を基板１０１に形成した状態を示す図である。この基板１０１は、その一部にＣＭＯＳ回路が形成され、他の一部にはフォトニックデバイス（例えば、導波路）が形成されている。図６は、１層以上の金属配線層１４１を支持する層間絶縁（ＩＬＤ）構造の一部として、上部クラッド酸化物１３５が形成され得ることも示している。このＣＭＯＳ回路は、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ１５１によって例示されている。このトランジスタは、ゲート酸化物１５５の上部に形成され、側壁スペーサ１６３を有するゲート１５３と共に、ソース領域１５７及びドレイン領域１５９を備える。このＣＭＯＳ回路は、浅いトレンチ分離構造１６１によって分離されている。このＣＭＯＳデバイス（例えば、トランジスタ１５１）は、導波路コア１２９及びこれに関連する酸化物充填空洞１２５の形成の前、後または最中に、基板１０１に形成することができる。
【００３４】
図７は、図２の実施形態を基板２０１に形成した状態を示す図である。この基板２０１は、その一部にＣＭＯＳ回路が形成され、他の一部にはフォトニックデバイス（例えば、導波路）が形成されている。図７は、１層以上の金属配線層１４１を支持する層間絶縁（ＩＬＤ）構造の一部として、上部クラッド酸化物１３５が形成され得ることも示している。このＣＭＯＳ回路は、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ１５１によって例示されている。このトランジスタは、ゲート酸化物１５５の上部に形成され、側壁スペーサ１６３を有するゲート１５３と共に、ソース領域１５７及びドレイン領域１５９を備える。このＣＭＯＳ回路は、浅いトレンチ分離構造１６１によって分離されている。このＣＭＯＳデバイス（例えば、トランジスタ１５１）は、導波路コア２２９及びこれに関連する酸化物充填空洞２２５の形成の前、後または最中に、基板２０１に形成することができる。
【００３５】
図６及び７から理解できるように、図１及び２に示した実施形態は、上部にＣＭＯＳ回路並びにフォトニックデバイス及びフォトニック回路を共に形成した共通基板１０１（２０１）の一部とすることができる。
【００３６】
本発明の例示となる方法及び装置の実施形態について上述してきたが、本発明はこれらの実施形態の具体的な事項には限定されず、本発明の概念または範囲を逸脱せずに変更をなすことが可能である。例えば、関連するコア１２９（２２９）を備えた導波路、並びに周囲の上部酸化物クラッド及び下部酸化物クラッドについて説明し、図示してきたが、基板１０１（図１）由来のシリコンを用いて、またはフォトニックデバイス製造材料（図２）から、他のフォトニックデバイスも構築することができる。このようなフォトニックデバイスとしては、光変調器、フィルタ、回折格子、分岐器、光検出器、光放出器及び他のフォトニックデバイスがある。また、トランジスタ１５１は、基板１０１（２０１）のＣＭＯＳ領域内に形成可能な様々な電子デバイス及び電子回路の一例にすぎない。また、図１の実施形態に関連してシリコン基板について説明したが、基板１０１は、フォトニックデバイス素子の形成に適した他の材料で形成することもできる。同様に、図２に関連して説明したシリコン基板２０１は、フォトニックデバイスの支持に適した他の材料で形成されてもよい。
【００３７】
従って、本発明は、前述の説明によって限定されるものではなく、添付された特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2016509262.tif 000006
【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
2016509262.tif 000008
【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
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【図３Ｈ】
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【図３Ｉ】
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【図３Ｊ】
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【図３Ｋ】
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【図３Ｌ】
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【図３Ｍ】
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【図３Ｎ】
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【図３Ｏ】
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【図４Ａ】
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【図４Ａ−１】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｂ−１】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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