JP2018180332A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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愼一 桑原
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康▲隆▼ 中柴
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哲也 飯田
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真一 綿貫
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Abstract

【課題】半導体装置の製造コストの低減および半導体装置の特性の向上を図る。【解決手段】グレーティングカプラGCは、光導波方向に互いに離間する複数の突起部と、互いに隣り合う突起部の間のそれぞれに突起部と一体に形成されたスラブ部とを有し、MOS型光変調器PCは、光導波方向に延在する突起部と、突起部の両側のそれぞれに突起部と一体に形成されたスラブ部とを有する。そして、グレーティングカプラGCおよびMOS型光変調器PCの突起部は、第1絶縁層CL1上に順次積層された第1半導体層SL1、第2絶縁層CL2および第2半導体層SL2から構成され、グレーティングカプラGCおよびMOS型光変調器PCのスラブ部は、第1半導体層SL1から構成される。【選択図】図1

Description

本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、例えばシリコンフォトニクスデバイスを内蔵した半導体装置に好適に利用できるものである。
リブ導波路のスラブ部分に金属電極が接続された領域を有し、その金属電極が接続された領域においてスラブ部分の厚さをその周囲のスラブ部分の厚さよりも大きくした電気光学装置が特開2011−180595号公報(特許文献1)に記載されている。この電気光学装置では、リブ導波路を用いてMOS(Metal Oxide Semiconductor)型光変調器が構成されている。
特開2011−180595号公報
例えば前記特許文献1に記載されているように、MOS型光変調器をシリコンプラットフォームで実現する技術が提案されている。しかし、SOI(Silicon On Isolation)基板にリブ導波路を用いたMOS型光変調器を形成すると、製造工程が複雑となり、製造コストが高くなるという課題がある。また、さらなるMOS型光変調器およびグレーティングカプラの特性の向上も望まれている。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
一実施の形態による半導体装置は、半導体基板の主面上に形成された第1絶縁層上にグレーティングカプラおよびMOS型光変調器を備える。グレーティングカプラは、光導波方向に互いに離間する複数の第1突起部と、互いに隣り合う第1突起部の間のそれぞれに第1突起部と一体に形成され、第1突起部よりも高さの低い第1スラブ部とを有する。MOS型光変調器は、光導波方向に沿って延在する第2突起部と、第2突起部の両側のそれぞれに第2突起部と一体に形成され、第2突起部よりも高さの低い第2スラブ部とを有する。そして、第1突起部および第2突起部のそれぞれは、第1絶縁層上に順次積層された第1半導体層、第2絶縁層および第2半導体層から構成され、第1スラブ部および第2スラブ部のそれぞれは、第1半導体層から構成される。
一実施の形態による半導体装置の製造方法は、半導体基板の主面上に第1絶縁層、単結晶シリコンからなる第1半導体層、第2絶縁層および単結晶シリコンからなる第2半導体層が、半導体基板の主面側から順次形成された基板を準備する工程と、第2半導体層、第2絶縁層および第1半導体層を順次エッチングする工程と、を含む。上記エッチングでは、グレーティングカプラの形成領域に、第1半導体層、第2絶縁層および第2半導体層からなり、光導波方向に互いに離間する複数の第1突起部と、第1半導体層からなり、互いに隣り合う第1突起部の間のそれぞれに位置する第1スラブ部とを形成する。また、上記エッチングでは、MOS型光変調器の形成領域に、第1半導体層、第2絶縁層および第2半導体層からなり、光導波方向に沿って延在する第2突起部と、第1半導体層からなり、第2突起部の両側のそれぞれに位置する第2スラブ部とを形成する。
一実施の形態によれば、半導体装置の製造コストの低減および半導体装置の特性の向上を図ることができる。
実施の形態による光信号線、グレーティングカプラおよびMOS型光変調器を示す要部断面図である。 実施の形態による製造工程中の光デバイスの要部断面図および比較例による製造工程中の光デバイスの要部断面図である。 図2に示す実施の形態による光デバイスの要部平面図である。 図2に続く、実施の形態による製造工程中の光デバイスの要部断面図、および図2に続く、比較例による製造工程中の光デバイスの要部断面図である。 図4に示す実施の形態による光デバイスの要部平面図である。 図4に続く、実施の形態による製造工程中の光デバイスの要部断面図、および図4に続く、比較例による製造工程中の光デバイスの要部断面図である。 図6に示す実施の形態による光デバイスの要部平面図である。 図6に続く、実施の形態による製造工程中の光デバイスの要部断面図、および図6に続く、比較例による製造工程中の光デバイスの要部断面図である。 図8に示す実施の形態による光デバイスの要部平面図である。 図8に続く、実施の形態による製造工程中の光デバイスの要部断面図である。 図10に示す実施の形態による光デバイスの要部平面図である。 図10に続く、実施の形態による製造工程中の光デバイスの要部断面図である。 図12に示す実施の形態による光デバイスの要部平面図である。 図12に続く、実施の形態による製造工程中の光デバイスの要部断面図である。 図14に示す実施の形態による光デバイスの要部平面図である。 図14に続く、実施の形態による製造工程中の光デバイスの要部断面図、および図8に続く、比較例による製造工程中の光デバイスの要部断面図である。 図16に示す実施の形態による光デバイスの要部平面図である。 図16に続く、実施の形態による製造工程中の光デバイスの要部断面図、および図16に続く、比較例による製造工程中の光デバイスの要部断面図である。 図18に示す実施の形態による光デバイスの要部平面図である。 図18に続く、実施の形態による製造工程中の光デバイスの要部断面図、および図18に続く、比較例による製造工程中の光デバイスの要部断面図である。 図20に示す実施の形態による光デバイスの要部平面図である。 図20に続く、比較例による製造工程中の光デバイスの要部断面図である。 図22に続く、比較例による製造工程中の光デバイスの要部断面図である。 図23に続く、比較例による製造工程中の光デバイスの要部断面図である。 図24に続く、比較例による製造工程中の光デバイスの要部断面図である。 図25に続く、比較例による製造工程中の光デバイスの要部断面図である。 図26に続く、比較例による製造工程中の光デバイスの要部断面図である。 図27に続く、比較例による製造工程中の光デバイスの要部断面図である。 図28に続く、比較例による製造工程中の光デバイスの要部断面図である。 図29に続く、比較例による製造工程中の光デバイスの要部断面図である。 図20に続く、実施の形態による製造工程中の光デバイスの要部断面図、および図30に続く、比較例による製造工程中の光デバイスの要部断面図である。 図31に示す実施の形態による光デバイスの要部平面図である。 実施の形態の変形例による製造工程中の光デバイスの要部断面図である。 図33に続く、変形例による製造工程中の光デバイスの要部断面図である。 図34に続く、変形例による製造工程中の光デバイスの要部断面図である。 図35に続く、変形例による製造工程中の光デバイスの要部断面図である。
以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
また、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
また、「Aからなる」、「Aよりなる」、「Aを有する」、「Aを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、断面図において、各部位の大きさは実デバイスと対応するものではなく、図面を分かりやすくするため、特定の部位を相対的に大きく表示する場合がある。
以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
(実施の形態)
≪光デバイスの構造≫
本実施の形態による半導体装置を構成する種々の光デバイスの構造について図1を用いて説明する。図1は、本実施の形態による光信号線(光信号用の伝送線路)、グレーティングカプラ(Grating Coupler)およびMOS型光変調器を示す要部断面図である。
図1では、光信号線OTおよびMOS型光変調器PCは、光導波方向(光が伝搬する方向)と直交する断面を示しており、グレーティングカプラGCは、光導波方向の断面を示している。また、光信号線には、種々の構造があるが、本実施の形態では、光導波方向と直交する断面が四角形状の光信号線を例示する。
図1に示すように、光信号線OT、グレーティングカプラGCおよびMOS型光変調器PCは、単結晶シリコン(Si)からなる半導体基板SBの主面上に、第1絶縁層(BOX層、下層クラッド層とも言う。)CL1を介して形成されている。第1絶縁層CL1の厚さは、例えば2.0μm程度であり、相対的に厚く形成されているので、光信号線OT、グレーティングカプラGCおよびMOS型光変調器PCと半導体基板SBとの間の静電容量を小さく抑えることができる。
以下に、光信号線OT、グレーティングカプラGCおよびMOS型光変調器PCのそれぞれの構造について説明する。
<光信号線>
図1に示すように、光信号線OTは、単結晶シリコン(Si)からなる第1半導体層SL1により形成されており、光導波方向と直交する断面は四角形状である。光信号線OTの高さは、例えば0.2μm程度である。光導波方向と直交する断面における光信号線OTの幅は、例えば0.1μm〜0.5μm程度であり、代表的な値としては0.45μmを例示することができる。
なお、本実施の形態では、光導波方向と直交する断面が四角形状の光信号線OTを例示したが、これに限定されるものではない。例えば光導波方向と直交する断面が凸形状であり、突起部を有する光信号線を用いてもよい。すなわち、光導波方向に沿って延在する突起部と、突起部の両側のそれぞれに突起部と一体に形成されたスラブ部とを有する光信号線を用いてもよい。
光信号線OTは、層間絶縁膜(上層クラッド層とも言う。)IDにより覆われている。さらに、層間絶縁膜ID上に保護膜TCが形成されている。層間絶縁膜IDは、例えば酸化シリコン(SiO)などからなる。保護膜TCは、例えば酸化シリコン(SiO)、酸窒化シリコン(SiON)、PSG(Phospho Silicate Glass)または窒化シリコン(SiN)などからなる。光信号線OTの上方には、後述の配線MLは形成されていない。
<グレーティングカプラ>
図1に示すように、グレーティングカプラGCは、リブ構造を有する。グレーティングカプラGCの光導波方向に沿った断面は凸形状であり、グレーティングカプラGCは光導波方向に互いに離間した複数の突起部を有する。すなわち、グレーティングカプラGCは、光導波方向に互いに離間する複数の突起部と、互いに隣り合う突起部の間のそれぞれに突起部と一体に形成され、突起部よりも高さの低いスラブ部とを有する。
具体的には、第1絶縁層CL1上に、単結晶シリコン(Si)からなり、リブ構造を有する第1半導体層SL1が形成されている。第1半導体層SL1は、光導波方向に互いに離間する複数の突起部と、互いに隣り合う突起部の間のそれぞれに突起部と一体に形成され、突起部よりも高さの低いスラブ部とを有し、光導波路として機能する。第1半導体層SL1の突起部の高さは、例えば0.2μm程度であり、光信号線OTの高さと同じである。
さらに、第1半導体層SL1の複数の突起部上に、第2絶縁層CL2を介して光導波路として機能する第2半導体層SL2が形成されている。すなわち、グレーティングカプラGCの突起部は、第1半導体層SL1の突起部、第2絶縁層CL2および第2半導体層SL2からなり、グレーティングカプラGCのスラブ部は、第1半導体層SL1のスラブ部からなる。
第2絶縁層CL2は、例えば酸化シリコン(SiO)からなり、第2半導体層SL2は、例えば単結晶シリコン(Si)からなる。第2絶縁層CL2の厚さは、例えば0.002μm〜0.01μm程度であり、代表的な値としては0.005μmを例示することができる。また、第2半導体層SL2の厚さは、例えば0.1μm〜0.3μm程度であり、代表的な値としては0.16μmを例示することができる。
従って、グレーティングカプラGCの突起部の高さは、第1半導体層SL1の突起部と、第2絶縁層CL2と、第2半導体層SL2とを積層した高さとなり、第1半導体層SL1から構成される光信号線OTの高さよりも約2倍程度高くなる。
グレーティングカプラGCは、光導波路を伝搬する光に外部から入射するレーザ光を結合したり、光導波路を伝搬する光を外部へ出射したりする光デバイスである。グレーティングカプラGCを伝搬する光は、光導波路面に、伝搬方向に沿って設けられた周期的屈折率変調により、ある特定の方向に回折放射される。従って、グレーティングカプラGCの突起部の高さが高くなると、回折放射される光の量が多くなる。例えばグレーティングカプラGCの突起部の高さが約2倍になると、グレーティングカプラGCの特性は約20%程度改善する。
グレーティングカプラGCは、層間絶縁膜IDにより覆われている。さらに、層間絶縁膜ID上に保護膜TCが形成されている。グレーティングカプラGCの上方には、後述の配線MLは形成されていない。また、グレーティングカプラGCの上方に、保護膜TCを形成しない場合もある。
<MOS型光変調器>
図1に示すように、MOS型光変調器PCは、リブ構造を有する。MOS型光変調器PCの光導波方向と直交する断面は凸形状であり、MOS型光変調器PCは光導波方向に沿って延在する突起部を有する。すなわち、MOS型光変調器PCは、光導波方向に沿って延在し、光を伝搬するコア層となる突起部と、突起部の両側のそれぞれに突起部と一体に形成され、突起部よりも高さの低いスラブ部とを有する。
具体的には、第1絶縁層CL1上に、第1導電型(例えばp型)の単結晶シリコン(Si)からなり、リブ構造を有する第1半導体層SL1が形成されている。第1半導体層SL1は、光導波方向に沿って延在する突起部と、突起部の両側のそれぞれに突起部と一体に形成され、突起部よりも高さの低いスラブ部とを有し、その突起部は、光導波路として機能する。第1半導体層SL1の突起部の高さは、例えば0.2μm程度であり、光信号線OTの高さと同じである。
また、スラブ部の光導波方向と直交する断面における両端部は、後述の配線MLが電気的に接続される部分であり、この配線接続部において、第1半導体層SL1は厚く形成されており、第1半導体層SL1の突起部の高さと第1半導体層SL1の配線接続部の高さとは同じである。なお、ここでは、第1半導体層SL1の配線接続部の高さは、第1半導体層SL1の突起部の高さと同じにしたが、第1半導体層SL1の突起部の高さよりも低くしてもよい。
さらに、第1半導体層SL1の突起部上に、第2絶縁層CL2を介して光導波路として機能する第2半導体層SL2が形成されている。すなわち、MOS型光変調器PCの突起部は、第1半導体層SL1の突起部、第2絶縁層CL2および第2半導体層SL2からなり、MOS型光変調器PCのスラブ部は、第1半導体層SL1のスラブ部からなる。
第2絶縁層CL2は、例えば酸化シリコン(SiO)からなり、第2半導体層SL2は、例えば第1導電型とは異なる第2導電型(例えばn型)の単結晶シリコン(Si)からなる。第2絶縁層CL2の厚さは、例えば0.002μm〜0.01μm程度であり、代表的な値としては0.005μmを例示することができる。また、第2半導体層SL2の厚さは、例えば0.1μm〜0.3μm程度であり、代表的な値としては0.16μmを例示することができる。
MOS型光変調器PCでは、第1半導体層SL1の突起部およびその直上に設けられた第2半導体層SL2が光を伝搬するコア層となる。すなわち、MOS型光変調器PCの光導波路の本体であるコア層は、第2絶縁層CL2を介して設けられたp型の半導体である第1半導体層SL1とn型の半導体である第2半導体層SL2とから構成される。
MOS型光変調器PCでは、p型の半導体である第1半導体層SL1とn型の半導体である第2半導体層SL2との間に逆バイアス電圧を印加すると、キャリアプラズマ効果により、コア層を伝搬する光に対する実効的な屈折率が変化する変調動作が行われて、MOS型光変調器PCから出力される光の位相を変化させることができる。
MOS型光変調器PCを構成する第1半導体層SL1および第2半導体層SL2は、単結晶シリコン(Si)からなることから、コア層における第1半導体層SL1と第2半導体層SL2との間に位置する第2絶縁層CL2の厚さの均一性がよい。例えばコア層を構成する第2半導体層SL2を多結晶シリコン(Si)で形成した場合は(前記特許文献1参照)、多結晶シリコン(Si)のグレインにより第2絶縁層CL2の厚さが不均一となる虞があるが、本実施の形態では、このような第2絶縁層CL2の厚さが不均一となる問題を回避することができる。これにより、屈折率のばらつきが低減できるので、MOS型光変調器PCにおいて精度よく光の位相を変化させることができる。
MOS型光変調器PCは、層間絶縁膜IDにより覆われている。層間絶縁膜IDは、例えば酸化シリコン(SiO)などからなり、その厚さは、例えば1μm〜2μm程度である。
層間絶縁膜ID上には、配線MLが形成されている。配線MLは、例えばアルミニウム(Al)または銅(Cu)などからなる主導電材料と、主導電材料の下面および上面に形成されたバリアメタルとから構成されている。バリアメタルは、配線MLを構成する主導電材料の金属の拡散防止などのために設けられており、例えばタンタル(Ta)、チタン(Ti)、窒化タンタル(TaN)または窒化チタン(TiN)などからなる。その厚さは、例えば5nm〜20nm程度である。
さらに、層間絶縁膜IDには、第1半導体層SL1の突起部上の第2半導体層SL2に達する接続孔(図示は省略)および第1半導体層SL1の配線接続部に達する接続孔CTが形成されている。これら接続孔CTの内部には、バリアメタルが併用されたタングステン(W)などを主導電材料とするプラグPLが形成されている。バリアメタルは、プラグPLを構成する主導電材料の金属の拡散防止などのために設けられており、例えばチタン(Ti)または窒化チタン(TiN)などからなる。その厚さは、例えば5nm〜20nm程度である。このプラグPLを介して第1半導体層SL1の突起部上の第2半導体層SL2と配線MLが電気的に接続され、第1半導体層SL1の配線接続部と配線MLとが電気的に接続されている。
配線MLは、保護膜TCにより覆われており、その一部を開口して、配線MLの上面を露出させている。なお、ここでは、1層の配線MLを例示したが、2層以上の多層構造の配線を形成してもよい。
≪光デバイスの製造方法≫
本実施の形態による光デバイスの製造方法について、図2〜図32を用いて工程順に説明する。図2、4、6、8、10、12、14、16、18、20および22〜31は、光デバイスの要部断面図であり、図3、5、7、9、11、13、15、17、19、21および32は、光デバイスの要部平面図である。ここでは、比較例による光デバイスの製造方法と対比しながら、本実施の形態による光デバイスの製造方法について説明する。
本実施の形態では、光デバイスのうち、光信号線OT、グレーティングカプラGCおよびMOS型光変調器PCの製造方法について説明する。同様に、比較例では、光デバイスのうち、光信号線OTR、グレーティングカプラGCRおよびMOS型光変調器PCRの製造方法について説明する。半導体層の加工には、フルエッチングおよびハーフエッチングを用いるが、フルエッチングとは、半導体層を上面から下面にかけてドライエッチングすることを言い、ハーフエッチングとは、所定の厚さを残して半導体層を上面からドライエッチングすることを言う。また、以下の説明においては、本実施の形態による光デバイスを光デバイスODと記し、比較例による光デバイスを比較光デバイスODRと記す。
まず、図2および図3に示すように、光デバイスODでは、半導体基板SBと、半導体基板SBの主面上に形成された第1絶縁層CL1と、第1絶縁層CL1上に形成された第1半導体層SL1と、第1半導体層SL1上に形成された第2絶縁層CL2と、第2絶縁層CL2上に形成された第2半導体層SL2とからなる基板(この段階ではウェハと称する平面略円形の基板)を準備する。MOS型光変調器PCが形成される領域の第1半導体層SL1の導電型と第2半導体層SL2の導電型とは互いに異なり、例えば第1半導体層SL1の導電型はp型であり、第2半導体層SL2の導電型はn型である。
比較光デバイスODRでは、半導体基板SBRと、半導体基板SBRの主面上に形成された第1絶縁層CLR1と、第1絶縁層CLR1上に形成された第1半導体層SLR1とからなる基板(この段階ではウェハと称する平面略円形の基板)を準備する。MOS型光変調器PCRが形成される領域の第1半導体層SLR1の導電型は、例えばp型である。
半導体基板SB,SBRは単結晶シリコン(Si)からなる支持基板であり、その厚さは、例えば750μm程度である。第1絶縁層CL1,CLR1および第2絶縁層CL2は、例えば酸化シリコン(SiO)からなり、第1絶縁層CL1,CLR1の厚さは、例えば2.0μm程度、第2絶縁層CL2の厚さは、例えば0.005μm程度である。第1半導体層SL1,SLR1および第2半導体層SL2は、例えば単結晶シリコン(Si)からなり、第1半導体層SL1,SLR1の厚さは、例えば0.2μm程度、第2半導体層SL2の厚さは、例えば0.16μm程度である。
光デバイスOD用に準備される基板(ウェハ)の製造方法の一例を、以下に説明する(例えば特開2007−109961号公報など参照)。なお、光デバイスOD用に準備される基板(ウェハ)の製造方法は、これに限定されないことは言うまでもない。
まず、単結晶シリコン(Si)からなる第1ウェハおよび単結晶シリコン(Si)からなる第2ウェハを準備する。続いて、第1ウェハの第1主面から酸素イオンを注入した後、熱酸化することにより、第1ウェハの第1主面に所定の厚さの第1酸化シリコン(SiO)層を形成する。同様に、第2ウェハの第1主面から酸素イオンを注入した後、熱酸化することにより、第2ウェハの第1主面に所定の厚さの第2酸化シリコン(SiO)層を形成する。
続いて、第1酸化シリコン(SiO)層と第2酸化シリコン(SiO)層とが接するように第1ウェハと第2ウェハとを貼り合わせて熱処理を加え、第1酸化シリコン(SiO)層と第2酸化シリコン(SiO)層とからなる第1絶縁層CL1を形成する。その後、第2ウェハをその第1主面と反対側の第2主面から、例えば研削、研磨方法またはイオン注入剥離法などにより薄くして、単結晶シリコン(Si)からなる第1半導体層SL1を形成する。さらに、熱酸化することにより、第1半導体層SL1の表面に第3酸化シリコン(SiO)層を形成する。
また、単結晶シリコン(Si)からなる第3ウェハを準備する。続いて、第3ウェハの第1主面から酸素イオンを注入した後、熱酸化することにより、第3ウェハの第1主面に所定の厚さの第4酸化シリコン(SiO)層を形成する。
続いて、第3酸化シリコン(SiO)層と第4酸化シリコン(SiO)層とが接するように第1ウェハと第3ウェハとを貼り合わせて熱処理を加え、第3酸化シリコン(SiO)層と第4酸化シリコン(SiO)層とからなる第2絶縁層CL2を形成する。その後、第3ウェハをその第1主面と反対側の第2主面から、例えば研削、研磨方法またはイオン注入剥離法などにより薄くして、単結晶シリコン(Si)からなる第2半導体層SL2を形成する。
以上の工程により、半導体基板SBの主面上に第1絶縁層CL1、第1半導体層SL1、第2絶縁層CL2および第2半導体層SL2が順次積層された、光デバイスOD用に準備される基板(ウェハ)が製造される。
次に、図4および図5に示すように、光デバイスODでは、第2半導体層SL2、第2絶縁層CL2および第1半導体層SL1を順次加工するための第1レジストマスクPM1を形成する。
比較光デバイスODRでは、第1半導体層SLR1を加工するための第1レジストマスクPMR1を形成する。平面視における第1レジストマスクPM1のパターンと第1レジストマスクPMR1のパターンとはほぼ同じである。
図4では単層レジストマスクを例示しているが多層レジストマスクも用いられる。光デバイスODに用いられる第1レジストマスクPM1は、例えば第2半導体層SL2の上面上にフォトレジストを塗布した後、ArFエキシマレーザ(波長193nm)を用いた液浸露光を行い、続いて現像処理を行い、フォトレジストをパターニングすることにより形成される。同様に、比較光デバイスODRに用いられる第1レジストマスクPMR1は、例えば第1半導体層SLR1の上面上にフォトレジストを塗布した後、ArFエキシマレーザ(波長193nm)を用いた液浸露光を行い、続いて現像処理を行い、フォトレジストをパターニングすることにより形成される。
次に、図6および図7に示すように、光デバイスODでは、第1レジストマスクPM1をエッチングマスクとして、第2半導体層SL2、第2絶縁層CL2および第1半導体層SL1を順次エッチングして、加工する。このとき、第1半導体層SL1をハーフエッチングにより加工して、リブ構造を有する第1半導体層SL1を形成する。
比較光デバイスODRでは、第1レジストマスクPMR1をエッチングマスクとして、第1半導体層SLR1をハーフエッチングにより加工して、リブ構造を有する第1半導体層SLR1を形成する。
次に、図8および図9に示すように、光デバイスODおよび比較光デバイスODRでは、酸素(O)プラズマアッシングにより第1レジストマスクPM1,PMR1を除去し、さらに、RCA洗浄を行う。
次に、図10および図11に示すように、光デバイスODでは、グレーティングカプラGCが形成される領域の周囲およびMOS型光変調器PCが形成される領域の周囲の不要な第2半導体層SL2および第2絶縁層CL2を除去するための第2レジストマスクPM2を形成する。
図10では単層レジストマスクを例示しているが多層レジストマスクも用いられる。第2レジストマスクPM2は、例えば第2半導体層SL2の上面上にフォトレジストを塗布した後、ArFエキシマレーザ(波長193nm)を用いた液浸露光を行い、続いて現像処理を行い、フォトレジストをパターニングすることにより形成される。
次に、図12および図13に示すように、光デバイスODでは、第2レジストマスクPM2をエッチングマスクとして、第2半導体層SL2をフルエッチングにより加工する。このとき、第2絶縁層CL2がエッチングストッパとして機能する。さらに、第2レジストマスクPM2をエッチングマスクとして、第2絶縁層CL2を加工する。このとき、第1半導体層SL1のダメージを避けるため、第2絶縁層CL2はウエットエッチングにより加工することが好ましい。
次に、図14および図15に示すように、光デバイスODでは、酸素(O)プラズマアッシングにより第2レジストマスクPM2を除去し、さらに、RCA洗浄を行う。
次に、図16および図17に示すように、光デバイスODでは、第1半導体層SL1を加工して、光信号線OT、グレーティングカプラGCおよびMOS型光変調器PCをそれぞれ分離するための第3レジストマスクPM3を形成する。
比較光デバイスODRでは、第1半導体層SLR1を加工して、光信号線OTR、グレーティングカプラGCRおよびMOS型光変調器PCRをそれぞれ分離するための第3レジストマスクPMR3を形成する。平面視における第3レジストマスクPM3のパターンと第3レジストマスクPMR3のパターンとはほぼ同じである。
図16では単層レジストマスクを例示しているが多層レジストマスクも用いられる。光デバイスODに用いられる第3レジストマスクPM3は、例えば第1半導体層SL1および第2半導体層SL2の上面上にフォトレジストを塗布した後、ArFエキシマレーザ(波長193nm)を用いた液浸露光を行い、続いて現像処理を行い、フォトレジストをパターニングすることにより形成される。同様に、比較光デバイスODRに用いられる第3レジストマスクPMR3は、例えば第1半導体層SLR1の上面上にフォトレジストを塗布した後、ArFエキシマレーザ(波長193nm)を用いた液浸露光を行い、続いて現像処理を行い、フォトレジストをパターニングすることにより形成される。
次に、図18および図19に示すように、光デバイスODでは、第3レジストマスクPM3をエッチングマスクとして、第1半導体層SL1をフルエッチングにより加工する。
比較光デバイスODRでは、第3レジストマスクPMR3をエッチングマスクとして、第1半導体層SLR1をフルエッチングにより加工する。
次に、図20および図21に示すように、光デバイスODおよび比較光デバイスODRでは、酸素(O)プラズマアッシングにより第3レジストマスクPM3,PMR3を除去し、さらに、RCA洗浄を行う。その後、ウエットエッチング処理を行う。これにより、光デバイスODでは、第1半導体層SL1および第2半導体層SL2の表面などに形成された自然酸化膜などを除去する。また、比較光デバイスODRでは、第1半導体層SLR1の表面などに形成された自然酸化膜などを除去する。
ここまでの工程により、光デバイスODでは、光信号線OT、グレーティングカプラGCおよびMOS型光変調器PCのそれぞれの構造が略完成する。
光信号線OTは、光導波方向に延在する第1半導体層SL1から構成され、光導波方向と直交する断面は四角形状である。
グレーティングカプラGCは、第1半導体層SL1と、第2絶縁層CL2と、第2半導体層SL2とから構成され、光導波方向に互いに離間する複数の突起部を有する。具体的には、第1半導体層SL1が、光導波方向に互いに離間する複数の突起部と、互いに隣り合う突起部の間のそれぞれに突起部と一体に形成されたスラブ部とを有し、その突起部上に第2絶縁層CL2を介して第2半導体層SL2が形成されている。
MOS型光変調器PCは、p型の半導体からなる第1半導体層SL1と、第2絶縁層CL2と、n型の半導体からなる第2半導体層SL2とから構成され、光導波方向に沿って延在し、光を伝搬するコア層となる突起部を有する。具体的には、第1半導体層SL1が、光導波方向に沿って延在する突起部と、突起部の両側のそれぞれに突起部と一体に形成されたスラブ部とを有し、その突起部上に第2絶縁層CL2を介して第2半導体層SL2が形成されている。
また、ここまでの工程により、比較光デバイスODRでは、光信号線OTRおよびグレーティングカプラGCRのそれぞれの構造が略完成する。
光信号線OTRは、光導波方向に延在する第1半導体層SLR1から構成され、光導波方向と直交する断面は四角形状である。
グレーティングカプラGCRは、第1半導体層SLR1から構成され、光導波方向に互いに離間する複数の突起部を有する。
しかし、MOS型光変調器PCRは完成しておらず、さらに、以下の製造工程が必要となる。
次に、図22に示すように、比較光デバイスODRでは、第1半導体層SLR1を覆うように、第1絶縁層CLR1上に第3絶縁層CLR3を形成する。
次に、図23に示すように、比較光デバイスODRでは、MOS型光変調器PCRのコア層となる第1半導体層SLR1の突起部上が開口するように第4レジストマスクPMR4を形成する。
図23では単層レジストマスクを例示しているが多層レジストマスクも用いられる。第4レジストマスクPMR4は、例えば第3絶縁層CLR3の上面上にフォトレジストを塗布した後、ArFエキシマレーザ(波長193nm)を用いた液浸露光を行い、続いて現像処理を行い、フォトレジストをパターニングすることにより形成される。
次に、図24に示すように、比較光デバイスODRでは、第4レジストマスクPMR4をエッチングマスクとして、MOS型光変調器PCRのコア層となる第1半導体層SLR1の突起部上の第3絶縁層CLR3を除去する。
次に、図25に示すように、比較光デバイスODRでは、酸素(O)プラズマアッシングにより第4レジストマスクPMR4を除去し、さらに、RCA洗浄を行う。その後、ウエットエッチング処理を行い、第3絶縁層CLR3から露出した第1半導体層SLR1の突起部の表面などに形成された自然酸化膜などを除去する。
次に、図26に示すように、比較光デバイスODRでは、熱酸化することにより、第3絶縁層CLR3から露出した第1半導体層SLR1の突起部の表面などに第4絶縁層CLR4を形成する。第4絶縁層CLR4は、例えば酸化シリコン(SiO)からなり、その厚さは、例えば0.005μm程度である。熱酸化条件として、一例として熱処理温度は850℃程度、熱処理雰囲気は酸素(O)、熱処理時間は3分〜6分程度を挙げることができる。
ところで、比較光デバイスODRでは、図23を用いて説明した工程において、第4レジストマスクPMR4とMOS型光変調器PCRのコア層となる第1半導体層SLR1の突起部との合わせがずれると、MOS型光変調器PCRのコア層となる第1半導体層SLR1の突起部の上面および側面に第4絶縁層CLR4が形成されることになり、MOS型光変調器PCRに特性変動が生じる可能性がある。
しかし、光デバイスODでは、図6を用いて説明した工程において、第1レジストマスクPM1を用いて、第2半導体層SL2、第2絶縁層CL2および第1半導体層SL1を順次加工しており、MOS型光変調器PCのコア層となる第1半導体層SL1の突起部の上面のみに第2絶縁層CL2が形成されるので、レジストマスクの合わせずれなどに起因したMOS型光変調器PCの特性変動は生じない。
次に、図27に示すように、比較光デバイスODRでは、第3絶縁層CLR3および第4絶縁層CLR4上に、例えば多結晶シリコン(Si)からなる第3半導体層SLR3を成膜する。第3半導体層SLR3の導電型は、例えばn型である。
次に、図28に示すように、比較光デバイスODRでは、第3半導体層SLR3を加工するための第5レジストマスクPMR5を形成する。
図28では単層レジストマスクを例示しているが多層レジストマスクも用いられる。第5レジストマスクPMR5は、例えば第3半導体層SLR3の上面上にフォトレジストを塗布した後、ArFエキシマレーザ(波長193nm)を用いた液浸露光を行い、続いて現像処理を行い、フォトレジストをパターニングすることにより形成される。
次に、図29に示すように、比較光デバイスODRでは、第5レジストマスクPMR5をエッチングマスクとして、第3半導体層SLR3を加工して、第4絶縁層CLR4上に第3半導体層SLR3を残す。
次に、図30に示すように、酸素(O)プラズマアッシングにより第5レジストマスクPMR5を除去し、さらに、RCA洗浄を行う。
ここまでの工程により、比較光デバイスODRでは、MOS型光変調器PCRの構造が略完成する。
MOS型光変調器PCRは、p型の半導体からなる第1半導体層SLR1と、第4絶縁層CLR4と、n型の半導体からなる第3半導体層SLR3とから構成され、光導波方向に沿って延在し、光を伝搬するコア層となる突起部を有する。
次に、図31および図32に示すように、光デバイスODでは、光信号線OT、グレーティングカプラGCおよびMOS型光変調器PCを覆うように層間絶縁膜IDを半導体基板SB上に形成する。
比較光デバイスODRでは、光信号線OTR、グレーティングカプラGCRおよびMOS型光変調器PCRを覆うように層間絶縁膜IDRを半導体基板SBR上に形成する。
比較光デバイスODRでは、MOS型光変調器PCRのコア層を構成するp型の半導体は、グレーティングカプラGCRと共通の工程で製造することができるが、p型の半導体とn型の半導体との間の絶縁層およびn型の半導体を製造する工程を追加しなくてはならず、ここまでの製造工程数は17工程となる。しかし、これに対して、光デバイスODでは、MOS型光変調器PCのコア層を構成するp型の半導体、p型の半導体とn型の半導体との間の絶縁層およびn型の半導体は、グレーティングカプラGCと共通の工程で製造できることから、ここまでの製造工程数は11工程である。従って、光デバイスODは、比較光デバイスODRと比較して、製造工程数が少なくなるので製造コストを低減することができる。
その後、前述の図1に示したように、光デバイスODおよび比較光デバイスでは、接続孔、プラグおよび配線などを形成する。
このように、本実施の形態によれば、MOS型光変調器PCのコア層を構成する第1半導体層SL1と第2半導体層SL2との間の第2絶縁層CL2の厚さの均一性が向上するので、屈折率のばらつきが低減する。これにより、MOS型光変調器PCにおいて精度よく光の位相を変化させることができる。また、グレーティングカプラGCの突起部を第1半導体層SL1の突起部と、第2絶縁層CL2と、第2半導体層SL2との積層構造とすることによって、その突起部の高さを高くすることができる。これにより、グレーティングカプラGCにおいて回折放射される光の量を多くすることができる。また、MOS型光変調器PCとグレーティングカプラGCとを共通の工程で製造することにより、半導体装置の製造工程数が少なくなり製造コストを低減することができる。
≪実施の形態の変形例≫
本実施の形態の変形例による光デバイスの製造方法について、図33〜図36を用いて工程順に説明する。図33〜図36は、本実施の形態の変形例による光デバイスの要部断面図である。
前述の実施の形態では(図2参照)、ウェハの貼り合わせによって、単結晶シリコン(Si)からなる第2半導体層SL2を形成したが、第2半導体層SL2の形成方法はこれに限定されるものではない。
以下に、本実施の形態の変形例による第2半導体層SL2の形成方法について説明する。第2半導体層SL2の形成方法以外の製造過程は、前述の実施の形態(図2〜図21および図31〜図32参照)の製造工程とほぼ同様であるため、その説明を省略する。
まず、図33に示すように、半導体基板SBと、半導体基板SBの主面上に形成された第1絶縁層CL1と、第1絶縁層CL1上に形成された第1半導体層SL1とからなる基板(この段階ではウェハと称する平面略円形の基板)を準備する。半導体基板SBは単結晶シリコン(Si)からなる支持基板であり、その厚さは、例えば750μm程度である。第1絶縁層CL1は、例えば酸化シリコン(SiO)からなり、その厚さは、例えば2.0μm程度である。第1半導体層SL1は、例えば単結晶シリコン(Si)からなり、その厚さは、例えば0.2μm程度である。
次に、図34に示すように、熱酸化することにより、第1半導体層SL1の表面に、第2絶縁層CL2を形成する。第2絶縁層CL2は、例えば酸化シリコン(SiO)からなり、その厚さは、例えば0.002μm〜0.01μ程度であり、代表的な値としては0.005μmを例示することができる。熱酸化法に代えて、CVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いて第2絶縁層CL2を成膜することもできる。
次に、図35に示すように、CVD法を用いて第2絶縁層CL2の上面に多結晶シリコン(Si)膜PSIを成膜する。多結晶シリコン膜PSIは、例えば600℃〜700℃程度の温度で成膜され、その厚さは、例えば0.1μm〜0.3μm程度である。
次に、図36に示すように、多結晶シリコン膜PSIを再結晶化するため、熱処理を加える。熱処理温度は、例えば700℃〜800℃程度であり、熱処理雰囲気は、例えば窒素(N)である。これにより、単結晶シリコン(Si)からなる第2半導体層SL2を形成する。
このように、本実施の形態の変形例では、前述の実施の形態における効果に加えて、多結晶シリコン(Si)を再結晶化することにより単結晶シリコン(Si)からなる第2半導体層SL2を形成しているので、ウェハの貼り合わせにより第2半導体層SL2を形成する前述の実施の形態よりも、製造コストを低く抑えることができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
CL1,CLR1 第1絶縁層
CL2 第2絶縁層
CLR3 第3絶縁層
CLR4 第4絶縁層
CT 接続孔
GC,GCR グレーティングカプラ
ID,IDR 層間絶縁膜
ML 配線
OD 光デバイス
ODR 比較光デバイス
OT,OTR 光信号線
PC,PCR MOS型光変調器
PL プラグ
PM1,PMR1 第1レジストマスク
PM2 第2レジストマスク
PM3,PMR3 第3レジストマスク
PMR4 第4レジストマスク
PMR5 第5レジストマスク
PSI 多結晶シリコン膜
SB,SBR 半導体基板
SL1,SLR1 第1半導体層
SL2 第2半導体層
SLR3 第3半導体層
TC 保護膜

Claims (14)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板の主面上に形成された第1絶縁層と、
    前記第1絶縁層上の第1領域に形成されたグレーティングカプラと、
    前記第1絶縁層上の前記第1領域とは異なる第2領域に形成された光変調器と、
    前記グレーティングカプラおよび前記光変調器を覆うように、前記第1絶縁層上に形成された層間絶縁膜と、
    を備え、
    前記グレーティングカプラは、
    光導波方向に互いに離間する複数の第1突起部と、
    互いに隣り合う前記第1突起部の間のそれぞれに前記第1突起部と一体に形成され、前記第1突起部よりも高さの低い第1スラブ部と、
    を有し、
    前記光変調器は、
    光導波方向に延在する第2突起部と、
    前記第2突起部の両側のそれぞれに前記第2突起部と一体に形成され、前記第2突起部よりも高さの低い第2スラブ部と、
    を有し、
    前記第1突起部および前記第2突起部のそれぞれは、前記第1絶縁層上に順次積層された第1半導体層、第2絶縁層および第2半導体層から構成され、前記第1スラブ部および前記第2スラブ部のそれぞれは、前記第1半導体層から構成される、半導体装置。
  2. 請求項1記載の半導体装置において、
    前記第1半導体層および前記第2半導体層は、単結晶シリコンからなる、半導体装置。
  3. 請求項1記載の半導体装置において、
    前記第2絶縁層は、酸化シリコンからなり、
    前記第2絶縁層の厚さは、0.002μm以上、かつ、0.01μm以下である、半導体装置。
  4. 請求項1記載の半導体装置において、
    前記第1絶縁層および前記第2絶縁層は、酸化シリコンからなり、
    前記第2絶縁層の厚さは、前記第1絶縁層の厚さよりも薄い、半導体装置。
  5. 請求項1記載の半導体装置において、
    前記第2半導体層の厚さは、0.1μm以上、かつ、0.3μm以下である、半導体装置。
  6. 請求項1記載の半導体装置において、
    前記光変調器を構成する前記第1半導体層の導電型と、前記光変調器を構成する前記第2半導体層の導電型とは、互いに異なる、半導体装置。
  7. 請求項1記載の半導体装置において、
    前記第1スラブ部を構成する前記第1半導体層の厚さは、前記第1突起部の一部を構成する前記第1半導体層の厚さよりも薄く、
    前記第2スラブ部を構成する前記第1半導体層の厚さは、前記第2突起部の一部を構成する前記第1半導体層の厚さよりも薄い、半導体装置。
  8. グレーティングカプラおよび光変調器を備える半導体装置の製造方法であって、
    (a)半導体基板の主面上に第1絶縁層、第1半導体層、第2絶縁層および第2半導体層が前記半導体基板の前記主面側から順次形成された基板を準備する工程、
    (b)前記グレーティングカプラが形成される第1領域および前記光変調器が形成される第2領域において、前記第2半導体層、前記第2絶縁層および前記第1半導体層をエッチングにより順次加工することにより、
    前記第1領域に、前記第1半導体層、前記第2絶縁層および前記第2半導体層からなり、光導波方向に互いに離間する複数の第1突起部と、前記第1半導体層からなり、互いに隣り合う前記第1突起部の間のそれぞれに位置する第1スラブ部とを形成し、
    前記第2領域に、前記第1半導体層、前記第2絶縁層および前記第2半導体層からなり、光導波方向に延在する第2突起部と、前記第1半導体層からなり、前記第2突起部の両側のそれぞれに位置する第2スラブ部とを形成する工程、
    (c)前記第1領域および前記第2領域の周囲の領域において、前記第2半導体層、前記第2絶縁層および前記第1半導体層を順次除去する工程、
    を含み、
    前記第1半導体層および前記第2半導体層は、単結晶シリコンからなり、
    前記第1絶縁層および前記第2絶縁層は、酸化シリコンからなる、半導体装置の製造方法。
  9. 請求項8記載の半導体装置の製造方法において、
    前記(a)工程は、
    (a1)前記半導体基板の前記主面上に、前記半導体基板の前記主面側から前記第1絶縁層および前記第1半導体層を順次形成する工程、
    (a2)前記第1半導体層上に熱酸化法またはCVD法を用いて前記第2絶縁層を形成する工程、
    (a3)前記第2絶縁層上にCVD法を用いて多結晶シリコン膜を形成する工程、
    (a4)前記多結晶シリコン膜に対して熱処理を施し、前記多結晶シリコン膜を再結晶化して、単結晶シリコンからなる前記第2半導体層を形成する工程、
    を含む、半導体装置の製造方法。
  10. 請求項8記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第2絶縁層の厚さは、0.002μm以上、かつ、0.01μm以下である、半導体装置の製造方法。
  11. 請求項8記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第2絶縁層の厚さは、前記第1絶縁層の厚さよりも薄い、半導体装置の製造方法。
  12. 請求項8記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第2半導体層の厚さは、0.1μm以上、かつ、0.3μm以下である、半導体装置の製造方法。
  13. 請求項8記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第2領域の前記第1半導体層の導電型と、前記第2領域の前記第2半導体層の導電型とは互いに異なる、半導体装置の製造方法。
  14. 請求項8記載の半導体装置の製造方法において、
    前記(b)工程では、
    前記第1スラブ部を構成する前記第1半導体層をハーフエッチングして、前記第1スラブ部を構成する前記第1半導体層の厚さを前記第1突起部の一部を構成する前記第1半導体層の厚さよりも薄く加工し、
    前記第2スラブ部を構成する前記第1半導体層をハーフエッチングして、前記第2スラブ部を構成する前記第1半導体層の厚さを前記第2突起部の一部を構成する前記第1半導体層の厚さよりも薄く加工する、半導体装置の製造方法。
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