JPS62124511A - 光導波膜付シリコンウエハの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光鵡積回路分野で用いる光導波膜付シリコン
ウェハの製造方法に関するものである。

〔従来技術・発明が解決しようとする問題点〕光導波膜
を形成したシ１；コ／ウェハは、導波形光部品や光％　
ｊＪ回路を作製するための出発材料として期待されてい
る。特に、石英系光導波膜を形成したシリコンウェハは
、光伝送路の主流を占める石英系光ファイバとの接続特
性などの整合性に浸れていることから、実用的な導波形
光部品や光集積回路の実現手段として注目されている。

従来、シリコンウェハ上に光７アイパと整合し得る石英
系光導波膜を形成するには、５１ｃｌ！、を主成分とし
、Ｇｅ０１４１　ＴｉＣｌ４　　ＨＢｅ／３　＋　ＰＣ
ｌｑ等−を適正に添加したガラス形成原料ガスの火炎加
水分解反応により、シリコンウェハ上に、８　ｉ　ｏ。

を主成分とし　ＧｅＯ２、Ｔｉｅ、　、　Ｂｌ　Ｏ３、
Ｐ、Ｏ。

等をドーパントとして含むガラス微粒子を堆積し、しか
る後、ガラス微粒子膜が堆積されたシリコンウェハを電
気炉中で高温（１１００〜１４００℃）に加熱して、ガ
ラス微粒子膜を焼結・透明ガラス化し、光導波膜付シリ
コンとする方法が用いられていた。ガラス微粒子堆積期
間中のガラス形成原料ガスの組成を時間的に変化させる
ことにより模厚方向に導波構造の形成に必要な屈折率分
布を与えることができるのである（参考文献：　Ｍ　−
Ｋａｗａｃｈｉ他：　Ｊａｐａｎ、Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈ
ｙｓ、ｖｏｌ、　２２（１９８３）随１２　　ｐ、１９
３２　Ｌガラス組成には、この屈折率分布を制御するド
ーパントＧθＯ，，Ｔｉ○、の他に、ガラス微粒子の軟
化温度を低下さ？、透明ガラス化を容易にするためのド
ーパントＢ、Ｏ，、ｐ、ｏ、が添加されているが、本発
明者らの検討によれば、透明ガラス化時にＢあるいはＰ
がシリコンウェハ内部にまで拡散し、それぞれＰ型、Ｎ
１ｔＪのドーパントとして作用し、シリコンウェハの極
性や電気伝導度を大幅に変化さ？、その後のシリコンウ
ェハの緒特性を利用する光集積回路の構成に重大な支障
を及ぼすという問題点があった。

本発明の目的は、光導波膜付シリコンウェハの製造工程
において、石英系ガラス膜からシリコンウェハ側へのド
ーパント拡散を檀極的に制御して、光集積回路の＋１成
に適した光導波膜付シリコンウェハの製造方法を提供す
ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明ｃｔ、シリコン基板上への石英系光導波模の形成
に先だちドーパント拡散時ｌＥ用の拡散阻止層を設け、
しかる後ガラス数粒子膜を堆積し、高温で透明ガラス化
することを主要な特徴とする。

シリコンウェハ側へのドーパント拡散の影響に配ａして
いる点で、従来の光導波膜付シリコンウェハの製造方法
とは異なるっ本発明によれば、拡散阻止層をパ４−ン状
に設けておくことＫより、シ１）コンウェハへのドーパ
ント拡散を選択的に制御し、光＾波膜形成と同時にシリ
コンウエノ・表面のドーパント分布をパターン状に変化
さ忙ることもできる。

拡散阻止層としては、シリコンウェハ表面を熱酸化する
ことによって得られるＳｉｎ、膜、あるいはＣＶＤ法な
どによりシリコンウェハ表面に形成される窒化シリコン
（ＳｉＮ）＄１を用いる。これらの膜は、その密度が高
いために、ドーパントの拡散を有効に阻止できることが
基本的な機能であるつそのなかにも、均一な薄い膜が形
成でき、シリコンウェハに大きな歪を与えないこと、以
後の処理においても結晶化を生じないこと、ｅ！＋体で
あるためにシリコンの伝導型に影響を与えｒｅいなどの
特徴を有するっこの拡散阻止／４ｉは、シリコンウェハ
表面の全面に形成する場合と、全面忙形成した後、所望
の部分を除去する場合とがある。後者の場合は、拡散阻
止層を除去した部分では、シリコンウェハ上に堆積され
るガラス微粒子中のドーパントがガラス微粒子の透明化
の工程でシリコンウェハ中に拡散するために、その部分
の伝導型を制御することができ、シリコンウェハ中ＫＷ
別な機能を有する部分を形成するだめの第１の工程とな
りつる。

〔実施例１〕 第１図は、本発明の第一の実施例を説明する工程図であ
って、光導波β冒ζｔシリコンウェハの断面を示す、ま
す、シリコンウェハ１の表面を熱酸化することにより、
８１０．膜からなるドーパント拡散阻止Ｉ→２を形成し
た（第１図（ａ））。使用したシリコンウェハは、Ｐ型
９面方位（１ｎＱ）、抵抗率９ｎｃｒｎのＣＺウニ・・
であろつ熱酸化は、ドライＯ，ガス雰囲気中１０００℃
にて実施したもので、Ｓ１０！膜厚は約１ｎｎｎ　Ａで
ちろうつづいて、５ＩＣ１４を主成分として、ドーパン
トとしてＧｅ０１４　、ＢＣｌｇ　、ＰＯｌｑを適宜添
加したガラス形成原料ガスの火炎加水分解反応により、
約７００μｍ厚のガラス微粒子膜３を堆積した（第１図
ｆｂｌ　）。

つづいて、電気炉中（酸化性雰囲気）で１１５０℃にま
で加熱し、２時間保持してガラス微粒子膜３を透明ガラ
ス化し、シリコンウエノ・１上の光導波膜４を得た（第
１図（ｃｌ　）　、光導波Ｉ！１′￥４は、？Ｒ１図（
ｄｌ　＋Ｃ示すようにバッファＮ４ａ、コアｔｎ−ｔｂ
、クラッド層４ｃから成る三Ｒｙ１ｔ、Ｎ造を有し、ガ
ラス組成および層厚は以下の通りである。

バッファ層　ｓｔｏ、　　９０モ／Ｉ／％　１０μｍＢ
、０．　　６モ／ｌ、％ Ｐ、０．　　４モルチ コ　ア　層　Ｓｉｎ、　　８３モアｔ、％　５０μｍＧ
ｅＯ２８モ／ｌ、チ Ｂ、０．　　５モ／Ｌ／チ ｐ、ｏ！１４モルチ クラッド層　Ｓｉｎ、　　９０モルチ　　５μｍ！３．
ｏ、６モルチ Ｐ？　Ｏ！＋　　　４モ／Ｌ／ｓ 第２図は透明ガラス化処理した光導波膜付シリコンウェ
ハでのガラス膜中ドーパントのシリコンウェハへの拡散
の様子を斜め研磨試料での広がり抵抗測定により調べ、
ドーパント拡散に換算したものである。ｐｎ判定器によ
り調べたシリコンウェハ表面の伝導厖はｎ型で、８１０
を膜中の拡散係数がホウ素（Ｂ）よりも数桁大きいリン
（Ｐ）の拡散が起こっていることがわかる。

第３図は、拡散阻止層を設けなかった場合の測定結果を
示す。第２図に比較して表面のＰの濃度は、４０倍以上
と高い５以上示したように、本発明の方法における厚さ
１０（１１１Ａの熱酸化Ｓｉｏ、％Ｓからなるドーパン
ト拡散阻止層により、ドーパントの拡散量を１／４ｏ以
下に制御する効果を得た。

〔実施例２〕 実施例１における熱酸化５１ｏＪｊ’、の代わりに減圧
ＯＶＤにより２（１００Ａ厚の窒化シリ：ｒｙ（ｓＩＮ
）７１Ｋ　ヲ＋ｓ着さぜたシリコンウェハにより同様の
光導波膜作製を行なったところ、やはり一部近いドーパ
ント拡散量の抑制効果が得られたつ 以上の実施例においては、シリコンウェハ表面に一様に
ドーパント拡散阻止層を設けたが、拡散阻止層をパター
ン状に設けておイことにより、以下に説明するようにシ
リコンウニノーへのドーパント拡散を局部的に制御でき
ろう 〔実施例３〕 第４図（ａｔ〜（（１１は、ドーパント拡散を故意に所
望部分に発生さ？る本発明の一実施例を示す工程図であ
る。シリコンクエバ１上に拡散阻止層２を形成する工程
第４図（ａｔに綬いて、拡散阻止層２の所望部分を除去
し、パターン化された拡散阻止層２ａを得る第４図（ｌ
ｔｌ。次に、ガラス微粒子膜３を堆積し第４図（ｃｌ、
続いて高温電気炉中で暁結し、透明ガラス化し、光導波
膜４を付けたシリコンウェハとする第４図（ｄ）５この
工程によれば、焼結透明ガラス化期間中、拡散阻止、Ｎ
２ａの窓５を通してガラス微粒子膜３からシリコンウニ
ノー１１１１１ヘドーノくントがｌ：？Ｊ部的に拡散し
た領域６が形成される。例えば、実施例１と同様のシリ
コンウニノ・と光導波膜形成条件ならびに抵抗率０．５
ΩσのＰ型シリコンウェハを用い、熱酸化Ｓ１０．膜を
、レジストエ梶とフッ酸を利用してパターン化した例で
は、ドーパントが局部的に拡散した領域はｎ型で抵抗率
は０．１０傭となり、その他のシリコンウニノ・領域は
ｐ型０．５Ωσに留まり、パターン化された拡散阻止層
をシリコンウェハ尺面に形成することにより、シリコン
ウェハの所望部分にドーパントを肯択的に拡散できるこ
とがわかる。

〔応用例〕

第５図は、第４図の方法を利用して、光検出器付光導波
路を製造する工程の説明図である５第５図ｆａｔは、第
４図の方法で製造された光導波膜付シリコン基板であり
、ｐ型シリコン基板１の一部６は、ドーパントが局部的
に拡散した領域（ｎ型領域）が形成されている。第５図
ｆｂｌは、光導波膜４の不要部分を反応性イオンエツチ
ング工程により除去してｎ型領域６に光導波路端部７ｅ
Ｌが位置するように光導波路７を形成したものである。

光導波路７を左方から伝播してくる信号光は、光導波路
端面７ａから放射され、その一部はｎ型領域６へと吸収
される。ｎ型領域は、ｐ型シリコン基板１との間で深さ
数μ謂の位置にｐｎ接合を有しているので、ｐ型シリコ
ン基板１とｎ型領域６にそれぞれ電極リード（図では省
略）を設けることにより光起電力を取り出し、光検出器
として動作さ忙ることか可能とｆｔ−リ、光集積回路の
構成に介するところが大である。

その他の応用例としては、第４図の方法で形成されるｐ
ｎ　Ｗ合に逆バイアス」圧を印加することにより、複数
のｎ型領域上に装着したレーザダイオード等の光素子や
プリアンプ等の電子素子間の電気的アイソレーションを
容易にすること等を挙げることができる。これは、シリ
コン基板上に形成した石英系光導波路にレーザダイオー
ドアレイやプリアンプ、ドライバー回路５１Ｆを複合搭
載したハイブリッド光集積回路の構成に有効である。

また、シリコン基板の化学エツチング特性を活用して、
光集積回路構造に多様性を付与する技術分野に応用する
と、光導波膜の不要部分が除去され光導波路等が形成さ
れたシリコン基板表面の所望領域（例えばｎ型領域）の
みを化学エツチングにより掘り下げ、光フアイバ接続用
や光素子装着用ガイド溝として応用できることも付記し
てお（５これは、シリコン基板の化学エツチング速度が
シリコン基板の極性にきわめて敏感であることを利用し
ているものである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、拡散阻止層を設
けることにより、光導波膜作製時のシリコン基板側への
ドーパント拡散を１／４ｏ以下に抑制することができる
。また、拡散阻止層をパターン化しておけば、所望部分
に選択的にドーパント拡散を引き起こすこともできる。

この発明は、光導波膜で光回路素子を形成したシリコン
基板に別プロセスで電子素子を製作する光集積回路への
応用において特に効果がある。すなわち、この発明によ
れば、光回路素子形成時の基板ドーパント濃度の変化を
極めて小さくできる。

よって、従来法のように、光回路素子形成時のドーパン
ト拡散による基板ドーパント濃度の大幅な変化によって
生じるプロセス上の制約を受けることな（、光回路素子
形成済の基板に電子素子を製作できる。また、拡散阻止
層をパターン化しておけば、光導波膜を形成する間に電
子素子製作に必要な拡散工程を副次的に行なうことがで
きるため、プロセスを大幅に簡略化できるという利点が
生じるっまた高温熱処理を伴なう拡散工程を光回路素子
形成済行なう場合に生じる光回路素子の特性劣化を避け
られるほか、高温熱処理の回数を減ら？るため、電子素
子特性を支配する基板の結晶性を良好な状態に保ち易い
という特長も有する。光導波膜作製時のドーパント拡散
を抑制する本発明の光導波膜付シリコンウェハの製造方
法は、シリコン基板の緒特性を活用するシリコン基板上
の光集積回路の構成に際しその役割が大であるう

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実、ｍ９’ｌｌを示す図であって、第
１図（ａｌ〜（ｃｌは工程図、第１図（ｄｉは第１図（
ｃｌｌ矢印部部分拡大図、第２図は本発明の方法で作製
した拡散阻止層を有する光導波膜付シリコンクエバのド
ーパント濃度深さ方向分布の測定結果を示す図、第３図
は従来法におけろドーパント濃度深さ方向分布の測定結
果を示す図、第４図ｆａｌ〜（ｄ３は本発明の別の実ｍ
　９＋１を示す工程図、第５図（ａｌ、＋ｂｔは本発明
を応用して作製した光検出器付光導波路の構造を示す図
である。 １・・・・・・シリコンウェハ、２・・・・・・ドーパ
ント拡散阻止層、５・・・・・・ガラス微粒子膜、４・
・・・・・光導波膜。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. シリコンウェハ上に、ガラス形成原料ガスの熱酸化ある
   いは火炎加水分解反応により、ＳｉＯ＿２を主成分とし
   、ドーパントを含むガラス微粒子膜を堆積した後、前記
   シリコンウェハとガラス微粒子膜を加熱してガラス微粒
   子膜を透明ガラス化する光導波膜付シリコンウェハの製
   造方法において、ガラス微粒子膜の堆積に先だち、ドー
   パントのシリコンウェハ側への拡散を抑制する拡散阻止
   層をシリコンウェハ表面の所望の部分に形成しておくこ
   とを特徴とする光導波膜付シリコンウェハの製造方法。