JPH08503338A - 一体集積型半導体構造体とその製造法 - Google Patents

一体集積型半導体構造体とその製造法

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JPH08503338A JP6512447A JP51244794A JPH08503338A JP H08503338 A JPH08503338 A JP H08503338A JP 6512447 A JP6512447 A JP 6512447A JP 51244794 A JP51244794 A JP 51244794A JP H08503338 A JPH08503338 A JP H08503338A
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ジョゼフ ネグリ,アルフレッド
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ジーティーイー ラボラトリーズ インコーポレイテッド
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Abstract

(57)【要約】 ヘテロ構造装置はうね形導波レーザ部(11)と、それに一体に集積した背面ファセットモニタRFM検出部(12)とを有する。基体(10)に直接形成した一体のV溝蝕刻溝が、光学ファイバ(13)をレーザ(11)の活性領域(11−1)に対して非賦活整列を行わせることができる。レーザ及びRFMファセット面は多段階の活性イオン蝕刻法により形成される。

Description

【発明の詳細な説明】 一体集積型半導体構造体とその製造法 技術分野 本発明は半導体構造体、特に一体集積したレーザ部、光検出部、及びファイバ 受容溝よりなる構造体に関する。 従来技術 一体集積型光子回路を間発すると光学装置の機能性、信頼性及び経済効率は向 上する。これに対して、個別の装置及び光電子集積回路(OEIC)のパッケー ジはしばしば光学ファイバ端との賦活整列を必要とするので、これらの素子のコ ストを増す。レーザの賦活整列の代わりに非賦活整列を用いるレーザの経済的な ファイバ結合はファイバを収容するためのV溝を有する別個のシリコン基板を使 用することにより得られる。 特に、基準線等の機械的特徴パターンはシリコン基板面に蝕刻で形成され、チ ップ部品の位置決め用基準台として使用される。 従来技術による整列技術の例は、アミエント他の論文「シリコンウエーハを使 用するInGaAsP/InPレーザ整列とシングルモードファイバの非賦活結 合」E1ectronic Letters,ppll09− 1110(1991)コーへン他の論文「インデックス法による非賦活レーザフ ァイバ整列」 IEEE Trans.Phot.Tech.Letters, Vol.3,pp985−987(1991)、および米国特許第507787 8号に記載されている。 発明の説明 本発明の一態様によると、本発明の半導体構造体は、ファイバ受容溝と、検出 部と、これらの間にこれらと直列に整列して一体に(monolithic)集 積されたレーザ部を含む。 本発明の他の態様によると、基板上に成長させたへテロ構造を有する素材ウエ ーハから半導体構造物を製造する本発明の方法は、素材ウエーハの装置領域に対 応した露出窓を有する第1のマスクパターンでウエーハをマスクし、この第1マ スクパターンを有するウエーハの露出領域を所定の程度に蝕刻してうね形導波領 域とファイバ受容領域とを形成し、前記うね形導波領域にファセット面を形成す る領域に対応した露出窓を有する第2のマスクパターンでウエーハをマスクし、 この第2マスクパタ−ンを有するウエーハの露出領域を所定の程度に蝕刻してレ ーザ部と検出部とを形成し、前記ファイバ受容領域に対応した露出窓を有する第 3のマスクでウエーハをマスクし、この第3マスクパターンを有するウエーハの 露出領域を所定の程度に蝕刻してファイバ受容溝を形成す る段階を含む。 以下本発明を図面に関連して詳しく説明する。 図面の簡単な説明 図1は本発明による集積装置構造体の断面図である。 図2は図1に示した装置を複数個配した一体型配列の上面斜視図である。 図3は第1図の装置構造体に関し、レーザ駆動電流の関数として表したレーザ ファセット面からの出力と、対応する検出電流とを示す。 図4は本発明による背部ファセット面モニタ(RFM)の応答を示す。 図5は図1の構造と一体化したシングルモード及びマルチモードファイバに導 入される光学エネルギーを示す。 図6−10は本発明の好ましい実施例に従って集積装置構造体を製造する方法 の順次工程を例示する斜視図及び断面図である。 上記のように、光ファイバと光学電子素子とを集積する従来の方法には、光学 電子素子を賦活しながらファイバを積極的に操作する必要のある賦活(active) 整列法が行われた。最近の技術では整列用の基準台或いは基準線を有する基板を 使用することにより賦活整列が回避された。本発明は以下に示すように、レーザ にシリコン等の混成基板を必要としないでファイバの非賦活(passive) 整列を可能にするV溝を一体化するものである。 本発明の好ましい実施例 本発明は図1に示されているように、レーザ部と、検出部と、ファイバ受容溝 とを一体化した装置とその製造法に関する。断面図で示されたように、活性レー ザ部11−1は活性層12−1と検出部12を一体に有する。図示しないが、フ ァイバ受容溝が心線14を有するファイバ13を受容するようにレーザ部11に 隣接して基板10に蝕刻で形成されている。充分な駆動電流がレーザ部に印加さ れると、光がレーザ部11の前部ファセット面から光ファイバ13に向けて前方 に放出されると共に、レーザ部11の背部ファセット面から検出部12に向けて 後方に放出される。 検出部12はレーザ部11の光出力を監視するのに役立つ背面モニタ(RFM )光検出器であり、これを用いて駆動回路(図示せず)のレーザ駆動電流は光信 号15の所望の出力を維持するように調製できる。以下に詳細に示すように、領 域11及び12は共通の素材ウエーハより製造される。従って、活性層11−1 及び12−1は同軸上に正確に整列している。ファイバ受容溝の加工は、ファイ バ13を溝内に位置付ける時に、心線14が実質的に活性層11−1とほぼ同軸 上に配列するようにほぼ調整される。各装置構造体はファイバ13を受け入れる 好ましくはV字形の溝を蝕刻して得たファイバ受容溝を有する。 本発明の装置構造体の性能は各種の測定を行うことにより評価される。レーザ の背面特性はパルスモードで動作する組み立て前の装置について測定した。装置 の相対的な光−電流特性の測定はウエーハ形態で、集積された光検出部を検査す ることにより行った。 図3はレーザの前面からの光出力(曲線31)と、背面モニタ(RFM)によ り検出した対応する光電流(曲線32)をレーザ駆動電流(LD電流)の関数と して測定した値である。V溝を取り除いた装置をこの測定に使用した。グラフは レーザ閾値電流40mA及び背面抵抗率RFM0.36A/Wの装置を示す。各 種の装置構造体を測定したところ、28mA程度の閾値電流と0.49A/W程 度の背面抵抗率RFMを有した。図4は背面抵抗率RFMとレーザ光出力の関係 を示す。レーザ部及び背面検出部と光学ファイバを本発明に従って非賦活接続し た集積体の特性は図5に示される。具体的に説明すると、これらの特性はV溝に シングルモードファイバ(SMF)及びマルチモードファイバ(MMF)を挿入 することにより得た。測定の結果シングルモードファイバ及びマルチモードファ イバに対する結合効率はそれぞれ8%及び18%であった。 図6〜10は本発明の一体集積型装置構造体の製造における中間段階の斜視図 及び断面図を示す。次の製造工程の説明は好ましい装置の材料及び構造について 行うが、本発明を限定するものと考えるべきではなく、他の材 料及び形状も本発明の範囲内で可能なことは当業者には明らかであろう。 図6は製造の第1工程を示す。ただし、製造方法の開始前には素材ウエーハは 基板10及び層61〜65を有するものとする。具体的に説明すると、2重へテ ロ構造(異種層構造)を金属気相エピタキシアル法(MOVPE)により成長さ せたもので、これらの層はp−InGaAs抵抗性接触層65(Znドープ量2 ×1019cm−3)と、p−InP上部クラッド層64(Znドープ量1×101 8 cm−3)と、未ドープInGaAsPエッチ停止層63(λ=1.0μm)と 、未ドープInGaAsP活性層62(λ=1.3μmミクロン)と、4.0μ m(7)n−InP下側クラッド層61、100)n+ーInP基板10とより なる。 レーザ部、背面モニタ検出部及びV溝を組み合わせた一体集積型装置の製造工 程の多くは一般に反応性イオン蝕刻(RIE)法を含む。この反応性蝕刻法は化 学反応が違う4つの別々の蝕刻室を備えたコンピュータ制御反応性イオン蝕刻装 置により実施される。この装置には装入ロック室、及び上記4つの室の間でウエ ーハを移動させるロボット腕を備えた中央トランスファー室を含む。このような 反応性イオン蝕刻装置の例はロースマン他の論文「InGaAsPうね形導波部 の多室RIE処理」Math.Res.Soc.Symp.Proc.Vo1. 242,pp341−348(1992)に記載さ れている。 集積装置構造体の第1工程は、Plasma Tech.PECVD装置を使 用して、素材ウエーハ上にSiNx層の蒸着を行うことにより開始する。PEC VD装置のプロセス1工程3のタイマーは厚さ200nmのSiN層を蒸着する ように16分にセットされる。SiNX蒸着に先立ってバッファHF蝕刻を15 分間行う。 うね形導波領域とファイバ受容溝領域を形成するためのマスク開口を有するフ ォトレジトパターンを形成する。このうね形導波領域はレーザ部と背面検出部を 形成する箇所に対応し、溝領域はV溝部を形成する箇所に相当する。うね形領域 とv溝部に対して共通の一つのマスクを使用するため、両者の正確な整列と間隔 が確保される。パターンは次の工程で現像される。 a)HMDSを5krpmで60秒間回転する。 b)Ship1ey2400を5krpmで60秒間回転する。 c)90℃で20分間ベークする。 d)壁開縁部を介してウエーハをマスクに対して適正な方向に配向する。 e)マスクをKarl Suss300マスク整列器により整列し13秒間S Tモードで露出する。 f)マスクを溶液(1部のAz2401と4部の水)中で75秒間現像する。 このフォトレジストパターンは次にSF6反応性イオ ン蝕刻法によりSiNx層に転写される。具体的に説明すると、パターンを有す るSiNxをSF6プラズマにより2分間蝕刻し、次いで酸素プラズマで10分 間蝕刻する。このパターン蝕刻工程を行った後のウエーハの構造は図6に斜視図 で示す。 SiNx層66はフォトレジストパターンに従って蝕刻され抵抗性接触層65 の選択された領域を露出させる。 次に、反応性イオン蝕刻法を使用して、抵抗性接触層65の露出領域を通して その下のクラッド層64まで蝕刻を行う。詳しく言うと、CH4/H2/Arプラ ズマを使用して30分間乾式蝕刻を行った後に、蝕刻の深さを測定し、最終的に 蝕刻が停止層63の0.25μm以内に至るように蝕刻を進める。湿式蝕刻に先 立って、ウエーハをアセトン及びイソプロピルアルコールで各10分間煮沸して 清浄化し、N。中で乾燥する。湿式化学蝕刻は8:1のH3PO4/HCI混合液 を使用する。乾式蝕刻と湿式蝕刻の後の状態を図7Aに示す。 図7Bは図7Aの構造からSiNxをバッファHFを使用して除去した後の前 端から見た断面図である。ウエーハは次いで脱イオン水中でゆすぎ、N2中で吹 付け乾燥する。 次いで図7Bのウエーハ上にSiNx層を蒸着して下記の次処理工程において ウエーハを保護する。これはうね形領域の上にp−オーミック金属(AuZn) と最終 金属(TiAu)のパターンを形成する工程である。図8の前面断面図に示され ているように、SiNx蒸着工程に対しては、Plasma Tech.PEC VD装置のプロセス2工程5のタイマーを32分にセットし、SiNx層81が 厚さ400nmになるように蒸着する。背面検出部(RFM)及びレーザ部の上 のうね形構造の金属パターンニングは次のように実施される。 第2のフォトレジストパターンはウエーハのうね形構造に対応する露出領域を 形成するためのものである。このパターンは次の工程により形成される。 a)HMDSを5krpmで60秒間回転する。 b)AZ1450を5krpmで60秒間回転し、1krpmで25秒間回転 する。 c)90℃で20分間ベークする。 d)マスクをKarl Suss300マスク整列器により整列し13秒間現 像する。 e)マスクを溶液(1部のAz2401と4部の水)中で75秒間現像する。 このフォトレジストパターンは次にウエーハに転写される。すなわち露出され たSiNxはSF4プラズマで4分間蝕刻することにより除去される。露出され た抵抗性接触層は80:1:1のH2O/H22/HSO4混合液で20秒間蝕刻 し、ついで脱イオン水でゆすぎ、更にN。中で吹付乾燥する。厚さ200μmの Au:Zn層65をウエーハ全体に蒸着し、次いでアセトン中で 煮沸しスプレーしてAu:Znのうね形構造のみを残す。Au:Zn層はウエー ハの面を上にしてHeat Pulse 210装置に装入し、30%の電力で 使用して手動で温度を400℃に上昇させ、その温度に10秒間保ち、電力を切 ることにより台金化する。ウエーハを次に100℃に冷却し、装置から取り出す 。 図9Aは、最終金属をウエーハ上に蒸着し、次いでうね形領域に垂直なファセ ット面を形成することにより個別の背面検出部(RFM)とレーザ部を形成する ための処理工程(次に説明する)を経て得られた構造体の斜視図である。ファセ ット面は具体的には反応性イオン蝕刻法により形成される。 ウエーハ上に最終金属を蒸着するために第3のフォトレジストパターンが図9 Aの表面92〜95に対応した露出領域を形成するように形成される。第3のフ ォトレジストパターンは次の工程により作製される。 a)HMDSを5krpmで60秒間回転する。 b)AZ2400を5krpmで60秒間回転する。 c)90℃で20分間ベークする。 d)マスクをKarl Suss300マスク整列器によりSTモードで整列 し30秒間露出する。 e)マスクを4:1のH2O/AZ24O1溶液中で30秒間現像する。 次にTi/Auを次の工程で上記パターンを有するウ エーハ上に蒸着する。 a)SiNxをSF6プラズマ中で25秒間蝕刻する。 b)酸素プラズマ中で60秒間蝕刻する。 c)Tiを50nmNAuを500nmの厚さに上表面に蒸着し、次いで好ま しくはうね形の線方向に対して両側45゜の角度に交互に傾動させてステップカ バレッジを改善する。 d)アセトン中で煮沸及びスプレーによりリフトオフし、 e)SF。プラズマ中で4分間蝕刻する。 更に、次の工程で垂直ファセット面を形成する。個別の背面検出部及びレーザ 部をうね形領域に形成するための準備として、第3のSiNx層をウエーハ上に 蒸着する。すなわち、Plasma Tech.PECVD装置のプロセス2工 程5のタイマーを32分にセットし、400nmの厚さのSiNx層を蒸着する 。第4のフォトレジストパターンを形成してウエーハにおけるファセット面領域 に対応する露出領域を形成する。このパターンは次の工程による。 a)HMDSを5krpmで60秒間回転する。 b)AZ4400を5krpmで60秒間回転する。 c)90℃で20分間ベークする。 d)マスクをKarl Suss300マスク整列器 によりSTモードで整列し15秒間露出する。 e)マスクを3:1のH2O/AZ400k溶液中で90秒間現像する。 SiNx層を上記マスクでパターン形成し、SF6プラズマ中で3分間蝕刻し て所望のファセット領域に対応するウエーハ領域を露出させる。乾式活性イオン 蝕刻工程とそれに続く湿式化学蝕刻工程により活性層を4μmの深さに蝕刻して 平滑な垂直ファセット面を形成する。この乾式蝕刻では酸素プラズマ中で5分間 蝕刻し、CH4/H2/Arプラズマで300Å/分の速度で深さ4μmまで蝕刻 する。この湿式化学蝕刻では8:1のH3PO3/HCI混合物で30秒蝕刻しフ ァセット面を平滑化する。 図9Aの斜視図に示されているように、活性イオン蝕刻工程により形成される ファセットはレーザ部と背面検出部を分離すると共に、レーザ部とV溝とを分離 する。活性イオン蝕刻工程はまたうね形導波領域及びv溝領域に隣接した基体上 のウエーハ部分を除去する。最終の処理工程ではウエーハにファイバ受容溝が形 成される。すなわち、V溝がレーザ部の前方のウエーハ領域に形成される。 ウエーハにv溝を形成する準備として、第4のSiNX層91をウエーハ上に 蒸着する。すなわち、Plasma Tech.PECVD装置のプロセス2工 程5のタイマーを32分にセットし、400nmの厚さのSi Nx層を蒸着する。次いで第5のフォトレジストパタ−ンを形成してウエーハに おけるV溝領域に対応する露出領域を形成する。具体的には、このマスクパター ンは後続のV溝の下記の深蝕刻工程中にレーザ部と背面検出部を保護する。この パターンの形成は次の工程による。 a)HMDSを5krpmで60秒間回転する。 b)AZ4400を5krpmで60秒間回転する。 c)90℃で20分間ベークする。 d)マスクをKarl Suss300マスク整列器により15秒間露出する 。 e)マスクを3:1のH2O/AZ400k溶液中で90秒間現像する。 ウエーハを上記マスクでパターン形成し、SiNx層91をSF6プラズマ中 で3分間蝕刻してV溝領域の下の蝕刻停止層63を露出させる。抵抗性接触層6 5の一部93も露出する。図9BはSiNx層91を蝕刻した後のV溝領域の前 面断面図である。 乾式活性イオン蝕刻工程とそれに続く湿式化学蝕刻工程によりV溝を形成する 。すなわち、この乾式蝕刻では酸素プラズマ中で5分間蝕刻し、CH4/H2/A rプラズマで30分間蝕刻する。この湿式化学蝕刻では1:1のHCI/CH3 COOH混合物で15分間蝕刻し、次いで残りのSiNx層をSF6プラズマで 4分間蝕刻する。蝕刻工程では(112)A結晶面がウエーハの( 100)面に対して35度の角度をなすことが分かる。 最終構造の斜視図及び前面断面図は図10A及び10Bにそれぞれ示されている 。図示のように、V溝の縁部は停止層まで蝕刻することにより階段状になってい る。 V溝は深さ44.7μmである。溝の端部は垂直な(110)面であり、レー ザのファセット面とファイバの端部との間の正確かつ再現性の良い距離を与える ための機械的ストッパを提供する。V溝のこの垂直面はまたファイバ挿入時の機 械的な損傷からレーザ部のファセット面を保護する。 製造された構造体は、5μm幅のチャンネルで隔離されたレーザ部及び背面検 出部に対する3μm幅のうね形導波領域を含む。レーザキャビティの長さは30 0μmであり、背面検出部RFM部の長さは150μmである。V溝の幅と深さ はそこに挿入される光学ファイバの心線がレーザ部の活性領域に整列するように 制御して蝕刻される。 好ましくは、本製造方法はSnAuのn−抵抗性接触金属化層を基体裏面上に 形成する工程を含む。この裏面金属化は10nmのSnと、30nmのAuと、 50nmのTiと、200nmのAuとをウエーハの裏面に蒸着し、次いでそれ らを合金化することにより達成される。 以上の説明ではレーザ部と背面検出部とV溝とよりなる単一の構造体の形成に 関して詳述したが、このような 構造のもの複数個を適当なフォトレジストマスクパターンを使用して単一のウエ ーハ上に形成し、次いで切断して個々の棒状の単一構造体にし得ることは当業者 には明らかであろう。 以上により本発明の好ましいと思われる実施例を説明したが、本発明の範囲内 で種々の変形例及び修正例が可能である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シエー,チャンロング アメリカ合衆国 85253 アリゾナ,パラ ダイス バリー,イースト バー ゼッド レイン 6739 (72)発明者 アーミエントー,クレイグ アルフレッド アメリカ合衆国 01720 マサチューセッ ツ,アクトン,バジャー サークル 4 (72)発明者 トンプソン,ジョン アルビン アメリカ合衆国 01730 マサチューセッ ツ,ベドフォード,ジョナサン レイン 15 (72)発明者 ネグリ,アルフレッド ジョゼフ アメリカ合衆国 02154 マサチューセッ ツ,ウォルサム,ライマン ストリート 37

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.ファイバ受容溝と、光検出部と、前記ファイバ受容溝及び前記光検出部と直 列に整列してそれらの間に配置されたレーザ部とを具備した一体集積型半導体構 造体。 2.前記ファイバ受容部は光ファイバが位置決めできるV溝を有し、前記光検出 部は背面モニタ構造を有する請求項1の一体集積型半導体構造体。 3.前記光検出部及びレーザ部はうね形導波構造を含む請求項1の一体集積型半 導体構造体。 4.一体集積型半導体構造体は、下から順にInP基体と、第1のInPクラッ ド層と、InGaAs活性層と、InGaAsP蝕刻停止層と、第2のInPク ラッド層と、InGaAs抵抗性接触層とよりなる請求項1に記載の一体集積型 半導体構造体。 5.基板上に成長させたへテロ構造を有する素材ウエーハから半導体構造物を製 造する方法において、 素材ウエーハの装置領域に対応した露出窓を有する第1マスクパターンでウエ ーハをマスクし、 この第1マスクパターンを有するウエーハの露出領域を蝕刻してうね形導波領 域とファイバ受容領域とを形成し、 前記うね形導波領域にファセット面を形成する領域に対応した露出窓を有する 第2マスクパターンでウエーハ をマスクし、 この第2マスクパターンを有するウエーハの露出領域を蝕刻してレーザ部と検 出部とを形成し、 前記ファイバ受容領域に対応した露出窓を有する第3マスクでウエーハをマス クし、 この第3マスクパターンを有するウエーハの露出領域を蝕刻してファイバ受容 溝を形成する段階を含む、基板上に成長させたへテロ構造を有する素材ウエーハ から半導体構造物を製造する方法。 6.前記第1マスクパターンを有するウエーハの露出領域を蝕刻してうね形導波 領域とファイバ受容領域とを形成する工程は、活性イオン蝕刻法により蝕刻停止 層に達するまで前記露出領域を蝕刻するものである請求項5の半導体構造物を製 造する方法。 7.前記第2マスクパターンでウエーハをマスクする前に、抵抗性金属と最終金 属をうね形導波領域にパターンニングする請求項5の半導体構造物を製造する方 法。 8.前記第2マスクパターンを有するウエーハの露出領域を蝕刻してレーザ部と 検出部とを形成する工程は、前記露出領域を活性層の下まで深さに活性イオン蝕 刻を行うものである請求項5の半導体構造物を製造する方法。 9.前記第3マスクパターンを有するウエーハの露出領域を蝕刻してファイバ受 容溝を形成する段階は、前記露出領域を蝕刻してファイバ受容溝を形成するもの である 請求項5の半導体構造物を製造する方法。 10.ファイバ受容溝はV溝を含む請求項5の半導体構造物を製造する方法。 11.複数のファイバ受容溝と、前記ファイバ受容溝のそれぞれに関連している 複数の光検出部と、前記ファイバ受容溝と前記関連している光検出部との間にあ ってそれらに対してそれぞれ直列に整列している複数レーザ部とよりなる、一体 集積型ウエーハの組立て体。 12.前記ファイバ受容部は光ファイバを位置決めできるV溝を有し、前記光検 出部は背面モニタ構造を有する請求項11の一体集積型ウエーハの組立て体。 13.前記光検出部及びレーザ部はうね形導波構造を含む請求項11の一体集積 型ウエーハの組立て体。 14.複数の光検出手段と、各々が対応した前記光検出手段に関連している複数 のファイバ受容溝と、各々が対応した前記光検出手段と対応した前記ファイバ受 容溝に位置付けられる光案内手段との間に介在して光学的に結合し得る複数の光 発生手段とよりなる、一体集積型光学組立て体。 15.前記複数の光検出手段の各々は背面モニタ光検出器を有し、前記複数のフ ァイバ受容溝の各々はv溝を有し、前記光発生手段の各々はレーザを含む請求項 14の一体集積型光学組立て体。
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