JP2020098292A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光導波路を有する半導体装置の特性を向上させる。【解決手段】半導体装置ＳＤ１は、第１絶縁層ＩＬ１、グレーティングカプラＧＣ、第２絶縁層ＩＬ２および光屈折膜ＬＲ１を有する。グレーティングカプラＧＣは、第１絶縁層ＩＬ１上に形成されたコア部ＧＣＣと、コア部ＧＣＣ上に形成されており、かつ互いに並列している複数の突部ＰＪと、を有する。第２絶縁層ＩＬ２は、第１絶縁層ＩＬ１上に形成されており、かつグレーティングカプラＧＣからの出射光の光路上に形成された凹部ＲＰ１を有する。光屈折膜ＬＲ１は、凹部ＲＰ１内に形成されており、かつ第２絶縁層ＩＬ２を構成する材料の屈折率より大きい屈折率を有する材料で構成されている。光屈折膜ＬＲ１の下面は、光屈折膜ＬＲ１の上面に対して傾斜している。【選択図】図３

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。

光通信技術として、シリコンフォトニクス技術が知られている。シリコンフォトニクス技術が採用された半導体装置は、例えば、半導体基板と、当該半導体基板上に形成された第１絶縁層と、当該第１絶縁層上に形成された光導波路と、当該光導波路に接続されたグレーティングカプラと、光導波路およびグレーティングカプラを覆うように第１絶縁層上に形成された第２絶縁層と、を有する（例えば、特許文献１参照）。

上記グレーティングカプラは、光導波路として機能するコア部と、当該コア部上に形成されており、かつ互いに並列している複数の突部と、を有する。光導波路からグレーティングカプラに到達した光は、上記複数の突部のピッチや高さ、突部の形状、温度などに応じて決定される出射角（例えば、第１絶縁層の法線に対して８°）で、グレーティングカプラの外部に出射される。グレーティングカプラからの出射光は、例えば、光導波路（以下、「光ピン」とも称する）によって光ファイバに導光される。このとき、グレーティングカプラおよび光ファイバの間における光損失を低減する観点からは、上記光ピンは、グレーティングカプラからの出射光の出射角に応じて、傾けて形成されることが好ましい。

特開２０１８−１０５９２５号公報

しかしながら、光導波路を所定の角度だけ傾けて高精度に形成することは困難である。また、前述の通り、グレーティングカプラからの出射光の出射角は、グレーティングカプラの温度に応じて変動する。このため、外部環境の温度によっては、グレーティングカプラからの出射光を、光ピンを介して光ファイバなどに導光する際の光損失が大きくなることがある。半導体装置の特性向上の観点からは、改善の余地がある。

本発明の課題は、半導体装置の特性を高めることである。その他の課題および新規な特徴は、本明細書および図面の記載から明らかになる。

一実施の形態に係る半導体装置は、第１絶縁層と、上記第１絶縁層上に形成されたグレーティングカプラと、上記第１絶縁層上に形成された第２絶縁層と、上記グレーティングカプラからの出射光の光路上に形成された光屈折膜と、を有する。上記光屈折膜は、上記第２絶縁層を構成する材料の屈折率より大きい屈折率を有する材料で構成されている。上記光屈折膜の下面は、上記光屈折膜の上面に対して傾斜している。

他の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、基板と、上記基板上に形成された第１絶縁層と、上記第１絶縁層上に形成されたグレーティングカプラと、を有する半導体ウェハを準備する工程と、上記第１絶縁層上に上２絶縁層を形成する工程と、第２絶縁層の、前記グレーティングカプラからの出射光の光路上に位置する部分に、凹部を形成する工程と、上記第２絶縁層の屈折率より大きい屈折率を有する光屈折膜を上記凹部内に形成する工程と、を含む。上記凹部の底面は、上記第２絶縁層の上面に対して傾斜している。

一実施の形態に係る半導体装置では、光導波路を有する半導体装置の特性を向上させることができる。

図１は、実施の形態１、２に係る光電気混載装置の回路構成の一例を示すブロック図である。 図２は、実施の形態１に係る半導体装置の構成の一例を示す要部平面図である。 図３は、実施の形態１に係る半導体装置の構成の一例を示す要部断面図である。 図４は、比較用の半導体装置における光路を示す要部断面図である。 図５は、実施の形態１に係る半導体装置における光路を示す要部断面図である。 図６は、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法に含まれる工程の一例を示す要部断面図である。 図７は、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法に含まれる工程の一例を示す要部断面図である。 図８は、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法に含まれる工程の一例を示す要部断面図である。 図９は、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法に含まれる工程の一例を示す要部断面図である。 図１０は、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法に含まれる工程の一例を示す要部断面図である。 図１１は、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法に含まれる工程の一例を示す要部断面図である。 図１２は、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法に含まれる工程の一例を示す要部断面図である。 図１３は、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法に含まれる工程の一例を示す要部断面図である。 図１４は、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法に含まれる工程の一例を示す要部断面図である。 図１５は、実施の形態１の変形例に係る半導体装置の構成の一例を示す要部断面図である。 図１６は、実施の形態２に係る半導体装置の構成の一例を示す要部平面図である。 図１７は、実施の形態２に係る半導体装置の構成の一例を示す要部断面図である。 図１８は、実施の形態２に係る半導体装置の製造方法に含まれる工程の一例を示す要部断面図である。 図１９は、実施の形態２に係る半導体装置の製造方法に含まれる工程の一例を示す要部断面図である。 図２０は、実施の形態２に係る半導体装置の製造方法に含まれる工程の一例を示す要部断面図である。 図２１は、実施の形態２に係る半導体装置の製造方法に含まれる工程の一例を示す要部断面図である。

以下、実施の形態に係る半導体装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、明細書および図面において、同一の構成要件または対応する構成要件には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、図面では、説明の便宜上、構成を省略または簡略化している場合もある。また、各実施の形態と各変形例との少なくとも一部は、互いに任意に組み合わされてもよい。

［実施の形態１］
実施の形態１に係る半導体装置ＳＤ１では、グレーティングカプラＧＣからの出射光の進行方向を制御する光屈折膜ＬＲ１は、多層配線層ＭＷＬ１上の有機樹脂層ＯＲＬに形成された凹部ＲＰ１内に形成されている。

（光電気混載装置の回路構成）
図１は、実施の形態１に係る光電気混載装置ＬＥ１の回路構成の一例を示すブロック図である。

図１に示されるように、光電気混載装置ＬＥ１は、第１電子回路ＥＣ１、半導体装置ＳＤ１、光源ＬＳおよびＩＣチップＣＰを有する。実施の形態１に係る半導体装置ＳＤ１は、光導波路ＯＷ、光変調部ＬＭ、光出力部ＬＯ、光入力部ＬＩおよび受光部ＰＲを有する。ＩＣチップＣＰは、第２電子回路ＥＣ２および第３電子回路ＥＣ３を有する。半導体装置ＳＤ１の構成の詳細については、後述する。

第１電子回路ＥＣ１は、第２電子回路ＥＣ２および第３電子回路ＥＣ３をそれぞれ制御するための電気信号（制御信号）を出力する。また、第１電子回路ＥＣ１は、第３電子回路ＥＣ３から出力された電気信号を受信する。第１電子回路ＥＣ１は、第２電子回路ＥＣ２および第３電子回路ＥＣ３に電気的に接続されている。第１電子回路ＥＣ１は、例えば、制御回路および記憶回路を含む公知のＣＰＵ（Central Processing Unit）またはＦＰＧＡ（Field-Programmable gate array）によって構成されている。

光源ＬＳは、光を出射する。光源ＬＳの種類の例には、レーザダイオード（ＬＤ）が含まれる。光源ＬＳからの出射光の波長は、当該出射光が光導波路ＯＷの内部を透過できればよく、光導波路ＯＷを構成する材料に応じて適宜設定され得る。たとえば、光源ＬＳからの出射光のピーク波長は、１．３μｍ以上かつ１．６μｍ以下である。光源ＬＳは、光導波路ＯＷを介して光変調部ＬＭに光学的に接続されている。

第２電子回路ＥＣ２は、光変調部ＬＭの動作を制御するための電気信号（制御信号）を出力する。より具体的には、第２電子回路ＥＣ２は、第１電子回路ＥＣ１から受信した制御信号に基づいて、光変調部ＬＭを制御する。第２電子回路ＥＣ２は、光変調部ＬＭに電気的に接続されている。第２電子回路ＥＣ２は、例えば、制御回路を含む公知のトランシーバＩＣによって構成されている。

光変調部ＬＭは、第２電子回路ＥＣ２から受信した制御信号に基づいて、光源ＬＳから出射された光の位相を変調する。光変調部ＬＭは、当該制御信号に含まれる情報を含んだ光信号を生成する。光変調部ＬＭの種類の例には、マッハツェンダ型光変調部およびリング型光変調部が含まれる。また、光変調部ＬＭは、電気制御型光変調部であってもよいし、熱制御型光変調部であってもよいし、電気制御および熱制御を併用した併用型光変調部であってもよい。光変調部ＬＭは、光導波路ＯＷを介して、光出力部ＬＯに光学的に接続されている。

光出力部ＬＯは、光変調部ＬＭで変調された光信号を、半導体装置ＳＤ１の外部に出力する。たとえば、光出力部ＬＯは、光信号を外部の光ファイバに向けて出射する。実施の形態１では、光出力部ＬＯは、グレーティングカプラ（ＧＣ）である。

光入力部ＬＩは、外部からの光を半導体装置ＳＤ１の内部に入力する。たとえば、外部の光ファイバから出射された光信号を半導体装置ＳＤ１の内部に入力する。光入力部ＬＩの種類の例には、グレーティングカプラ（ＧＣ）およびスポットサイズコンバータ（ＳＳＣ）が含まれる。光入力部ＬＩは、光導波路ＯＷを介して、受光部ＰＲに光学的に接続されている。

受光部ＰＲは、光入力部ＬＩから受信した光信号に基づいて、電子正孔対を生成する。受光部ＰＲは、光信号を電気信号に変換する。受光部ＰＲは、光電変換特性を有していればよい。受光部ＰＲの種類の例には、アバランシェフォトダイオード型受光部が含まれる。受光部ＰＲは、第３電子回路ＥＣ３に電気的に接続されている。

第３電子回路ＥＣ３は、受光部ＰＲから受信した電気信号を処理するとともに、処理された電気信号を第１電子回路ＥＣ１に出力する。より具体的には、第３電子回路ＥＣ３は、受光部ＰＲから受信した電気信号を増幅し、第１電子回路ＥＣ１に出力する。第３電子回路ＥＣ３は、例えば、増幅回路を含む公知のレシーバＩＣによって構成されている。

（光電気混載装置の動作）
次いで、実施の形態１に係る光電気混載装置ＬＥ１の動作例について説明する。

まず、光電気混載装置ＬＥ１の送信用部分について説明する。光源ＬＳからの出射光は、光導波路ＯＷを介して光変調部ＬＭに到達する。第２電子回路ＥＣ２は、第１電子回路ＥＣ１から受信した制御信号に基づいて光変調部ＬＭの動作を制御し、光変調部ＬＭに到達した光を変調する。これにより、電気信号が、光信号に変換される。そして、当該光信号は、光導波路ＯＷを介して光出力部ＬＯに到達し、光出力部ＬＯにおいて半導体装置ＳＤ１の外部に出射される。半導体装置ＳＤ１から出力された光信号は、光ファイバなどを介して他の半導体装置に導光される。

次いで、光電気混載装置ＬＥ１の受信用部分について説明する。光ファイバなどを介して他の半導体装置から導光された光信号は、光入力部ＬＩに到達する。当該光信号は、光入力部ＬＩにおいて光導波路ＯＷの内部に導かれる。上記光信号は、光導波路ＯＷを介して受光部ＰＲに到達し、電気信号に変換される。そして、当該電気信号は、第３電子回路ＥＣ３で処理された後、第１電子回路ＥＣ１に送信される。

（半導体装置の構成）
次いで、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤ１の構成について説明する。

図２は、半導体装置ＳＤ１の要部平面図である。図３は、実施の形態１に係る半導体装置の構成の一例を示す要部断面図であり、図２中のＢ−Ｂ線における半導体装置ＳＤ１の断面図である。

図３に示されるように、半導体装置ＳＤ１は、基板ＳＵＢ、絶縁層ＣＬ（第１絶縁層）、光導波路ＯＷ、グレーティングカプラＧＣ、多層配線層ＭＷＬ１（第２絶縁層）、有機樹脂層ＯＲＬ（第３絶縁層）、光屈折膜ＬＲ１および光ピンユニットＬＰＵを有する。

ここで、多層配線層ＭＷＬ１は、第１層間絶縁層ＩＬ１および第２層間絶縁層ＩＬ２を有する。光ピンユニットＬＰＵは、光ピンＬＰ（光導波路）およびクラッド部ＣＬＰを有する。図面では、説明の便宜上、多層配線層ＭＷＬ１における配線およびプラグは、図示しない他の断面に配置されている。

なお、図２および図３では、グレーティングカプラＧＣの延在方向をｘ方向とし、グレーティングカプラＧＣの幅方向をｙ方向とし、光導波路ＯＷの高さ方向をｚ方向とする。ｘ方向は、グレーティングカプラＧＣの一端部（グレーティングカプラＧＣおよび光導波路ＯＷの連結部）から他端部（グレーティングカプラＧＣの末端部）に向かう方向（第１方向）でもある。ｘ方向、ｙ方向およびｚ方向は、互いに直交している。

基板ＳＵＢは、絶縁層ＣＬを介して基板ＳＵＢ上に形成された光導波路ＯＷやグレーティングカプラＧＣなどの光学素子を支持する支持体である。基板ＳＵＢの種類の例には、シリコン基板が含まれる。当該シリコン基板は、例えば、ボロン（Ｂ）やリン（Ｐ）などのｐ型不純物を含むシリコン単結晶基板である。たとえば、当該シリコン基板の主面の面方位は（１００）であり、当該シリコン基板の抵抗率は５Ω・ｃｍ以上かつ５０Ω・ｃｍ以下である。基板ＳＵＢの厚さは、例えば、１００μｍ以上かつ９００μｍ以下である。

絶縁層ＣＬは、基板ＳＵＢ上に形成されている。絶縁層ＣＬは、光導波路ＯＷの内部を伝搬する光を光導波路ＯＷの内部に実質的に閉じ込めるためのクラッド層である。絶縁層ＣＬは、光導波路ＯＷを構成する材料の屈折率より小さい屈折率を有する材料で構成されている。絶縁層ＣＬを構成する材料の例には、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）が含まれる。絶縁層ＣＬを構成する材料の屈折率は、例えば、１．４６（ＳｉＯ_２）である。なお、本明細書における屈折率は、波長１．５μｍの光に対する数値である。

絶縁層ＣＬの厚さは、光導波路ＯＷからの光の染み出し距離（詳細については後述）より大きいことが好ましい。半導体装置ＳＤに加わる応力を低減させる観点と、半導体装置ＳＤの製造時における静電チャックによる半導体ウェハの貼りつきを抑制する観点とから、絶縁層ＣＬの厚さは、小さいことが好ましい。たとえば、絶縁層ＣＬの厚さは、２μｍ以上かつ３μｍ以下である。

なお、絶縁層ＣＬが支持体として機能する場合には、半導体装置ＳＤ１は、基板ＳＵＢを有していなくてもよい。この場合、絶縁層ＣＬは、例えば、サファイヤ基板である。

光導波路ＯＷは、その内部を光が伝送可能な経路である。光導波路ＯＷは、絶縁層ＣＬ上に形成されている。光導波路ＯＷは、絶縁層ＣＬおよび第１層間絶縁層ＩＬ１により覆われている。実施の形態１では、光導波路ＯＷの上面および両側面は、第１層間絶縁層ＩＬ１に直接接しており、かつ光導波路ＯＷの下面は、絶縁層ＣＬに直接接している。光導波路ＯＷは、光導波路ＯＷを構成する材料の屈折率より小さい屈折率を有する絶縁層ＣＬおよび第１層間絶縁層ＩＬ１によって覆われている。これにより、光は、光導波路ＯＷの内部に実質的に閉じ込められた状態で、光導波路ＯＷの内部を進行することができる。ただし、当該光は、当該光の波長オーダ分、光導波路ＯＷの外部に染み出しながら、光導波路ＯＷの内部を進行する。

光導波路ＯＷを構成する材料は、その内部を通る光に対して透明な半導体材料である。光導波路ＯＷを構成する半導体材料の例には、シリコンおよびゲルマニウムが含まれる。光導波路ＯＷを構成する半導体材料の結晶構造は、単結晶であってもよいし、多結晶であってもよい。光導波路ＯＷを構成する材料の屈折率は、例えば、３．５（Ｓｉ）である。

光導波路ＯＷの幅および高さは、光が光導波路ＯＷの内部を適切に通過できればよい。光導波路ＯＷの幅および高さは、光導波路ＯＷの内部を通過する光の波長や、当該光のモードなどの条件に応じて適宜設定され得る。光導波路ＯＷの幅は、例えば、３００ｎｍ以上かつ５００ｎｍ以下である。光導波路ＯＷの高さは、例えば、２００ｎｍ以上かつ３００ｎｍ以下である。

図３に示されるように、グレーティングカプラＧＣは、絶縁層ＣＬ上に形成されている。グレーティングカプラＧＣは、コア部ＧＣＣおよび複数の突部ＰＪを有する。グレーティングカプラＧＣは、光導波路ＯＷを介してグレーティングカプラＧＣに到達した光をグレーティングカプラＧＣの外部に、所定の出射角で出射したり、光ピンＬＰを通ってグレーティングカプラＧＣに到達した光をグレーティングカプラＧＣの内部に、所定の入射角で入射させたりする。上記出射角および上記入射角は、グレーディングカプラＧＣを構成する突部ＰＪの形状、間隔および高さなどの条件に応じて適宜調整され得る。

グレーティングカプラＧＣの構成は、上記機能を発揮することができれば特に限定されない。グレーティングカプラＧＣは、コア部ＧＣＣと、コア部ＧＣＣ上に形成されており、かつ互いに並列している複数の突部ＰＪを有する。グレーティングカプラＧＣの一端部は、光導波路ＯＷと光学的に接続されている。

コア部ＧＣＣは、グレーティングカプラＧＣにおいて光導波路として機能する部分である。コア部ＧＣＣは、絶縁層ＣＬ上に形成されている。コア部ＧＣＣの大きさは、上記機能を発揮することができれば特に限定されない。コア部ＧＣＣの幅は、光導波路ＯＷの幅より大きい。コア部ＧＣＣの幅（ｙ方向における長さ）および長さ（ｘ方向における長さ）は、光ピンＬＰの受光面の大きさに応じて適宜設定され得る。

コア部ＧＣＣの形状も、上記機能を発揮することができれば特に限定されない。たとえば、コア部ＧＣＣの一端部の平面視形状は、コア部ＧＣＣの一端部から他端部に向かうｘ方向に沿ってその幅が連続に大きくなるテーパ形状である。コア部ＧＣＣの一端部以外の部分の平面視形状は矩形状である（図２参照）。なお、コア部ＧＣＣの全部の平面視形状がテーパ形状であってもよい。

突部ＰＪの形状および位置は、所望の上記出射角（上記入射角）に応じて適宜調整され得る。突部ＰＪは、コア部ＧＣＣ上に形成されている。突部ＰＪは、コア部ＧＣＣと一体として形成されていてもよいし、別体として形成されていてもよい。実施の形態１では、突部ＰＪは、コア部ＧＣＣと一体として形成されている。突部ＰＪは、グレーティングカプラＧＣの両側面を互いに接続するように延在している。実施の形態１では、複数の突部ＰＪは、平面視において、グレーティングカプラＧＣの延在方向（ｘ方向）に垂直な方向（ｙ方向）に沿って並列している。

互いに隣り合う２つの突部ＰＪの間隔は、例えば、２５０ｎｍ以上かつ３５０ｎｍ以下である。突部ＰＪの高さ（２つの突部ＪＰ間の凹部の深さ）は、例えば、光導波路ＯＷの１／３倍以上かつ２／３倍以下である。ここで、突部ＰＪの高さは、互いに隣接する２つの突部ＰＪの間に形成された凹部の底面と、突部ＰＪの上面との間の長さである。

ｘ方向において、グレーティングカプラＧＣにおける複数の突部ＰＪが形成された領域の中心位置は、光ピンＬＰの光軸（中心軸）ＯＡと一致していてもよいし、一致していなくてもよい。光ピンＬＰの中心軸ＯＡは、ｘ方向において、上記中心位置よりもグレーティングカプラＧＣの一端部側に位置していてもよいし、グレーティングカプラＧＣの他端部（末端部）側に位置していてもよい。実施の形態１では、光ピンＬＰの中心軸ＯＡは、ｘ方向において、上記中心位置よりもグレーティングカプラＧＣの一端部側に位置していている。

多層配線層ＭＷＬ１は、２つ以上の配線層により構成された層である。多層配線層ＭＷＬ１は、第１絶縁層ＣＬおよび有機樹脂層ＯＲＬの間に形成されている。当該配線層は、絶縁層と、当該絶縁層内に形成された配線およびビア（「プラグ」ともいう）の一方または両方と、を有する層である。当該ビアは、互いに重なる層に形成された２つの配線を電気的に接続する導電体である。実施の形態１では、多層配線層ＭＷＬは、互いに積層された２つの配線層を有する。なお、前述の通り、図面では、説明の便宜上、配線およびビアについては省略し、第１層間絶縁層ＩＬ１および第２層間絶縁層ＩＬ２を示している。

第１層間絶縁層ＩＬ１は、光導波路ＯＷおよびグレーティングカプラＧＣを覆うように、絶縁層ＣＬ上に形成されている。第１層間絶縁層ＩＬ１は、互いに隣り合う２つの突部ＰＪの間にも形成されている。第１層間絶縁層ＩＬ１は、光導波路ＯＷを構成する材料の屈折率より小さい屈折率を有する材料で構成されている。第１層間絶縁層ＩＬ１を構成する材料の例には、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）が含まれる。第１層間絶縁層ＩＬ１を構成する材料の屈折率は、例えば、１．４６（ＳｉＯ_２）である。

第１層間絶縁層ＩＬ１上に形成されている配線によって、光導波路ＯＷから染み出した光が散乱されるのを抑制する観点から、第１層間絶縁層ＩＬ１の厚さは、１μｍ以上かつ５μｍ以下であることが好ましく、２μｍ以上かつ３μｍ以下であることがより好ましい。

配線については、半導体技術において配線として採用されている公知の構成が採用され得る。配線の例には、チタン層、窒化チタン層、アルミニウム層、窒化チタン層およびチタン層がこの順で積層されたアルミニウム配線が含まれる。また、アルミニウム層の代わりに、銅層またはタングステン層が用いられてもよい。

ビアについても、半導体技術においてビアとして採用されている公知の構成が採用され得る。ビアの材料の例には、タングステン（Ｗ）およびアルミニウム（Ａｌ）が含まれる。

第２層間絶縁層ＩＬ２は、第１層間絶縁層ＩＬ１上に形成されている。第２層間絶縁層ＩＬ２を構成する材料の例は、第１層間絶縁層ＩＬ１と同様である。第２層間絶縁層ＩＬ２の厚さは、例えば、０．８μｍ以上かつ１．２μｍ以下である。第２層間絶縁層ＩＬ２にも、配線およびビアが形成されている。第２層間絶縁層ＩＬ２における配線およびビアについては、第１層間絶縁層ＩＬ１における配線およびビアと同様であるため、その説明を省略する。

有機樹脂層ＯＲＬは、多層配線層ＭＷＬ１上に形成させている。有機樹脂層ＯＲＬには、凹部ＲＰ１が形成されている。凹部ＲＰ１は、光屈折膜ＬＲ１の位置、形状および大きさを規定する。凹部ＲＰ１の位置、形状および大きさは、光屈折膜ＬＲ１の位置、形状および大きさに応じて適宜設計され得る。凹部ＲＰ１は、グレーティングカプラＧＣからの出射光の光路上に形成されている。凹部ＲＰ１の底面は、有機樹脂層ＯＲＬの上面に対して傾斜している。凹部ＲＰ１の底面は、有機樹脂層ＯＲＬの上面に対して、一定の角度で傾斜していてもよいし、連続して傾斜角度が大きくなるように傾斜していてもよい（後述の変形例参照）。

有機樹脂層ＯＲＬの厚さは、所望の厚さの光屈折膜ＬＲ１を形成するための凹部ＲＰ１を形成できる厚さであればよい。たとえば、有機樹脂層ＯＲＬの厚さは、５μｍ以上かつ８μｍ以下である。有機樹脂層ＯＲＬは、少なくともグレーティングカプラＧＣからの出射光の光路上に凹部ＲＰを形成できる範囲に亘って形成されていればよい。多層配線層ＭＷＬ１の全部上に形成されていてもよいし、多層配線層ＭＷＬ１の一部上に形成されていてもよい。

有機樹脂層ＯＲＬを構成する材料は、グレーティングカプラＧＣからの出射光に対して透明な樹脂組成物である。有機樹脂層ＯＲＬを構成する材料の屈折率は、第２層間絶縁層ＩＬ２を構成する材料の屈折率と同じか、それ以上であることが好ましい。これにより、有機樹脂層ＯＲＬおよび第２層間絶縁層ＩＬ２の界面で、上記出射光が光ピンＬＰの光軸ＯＡから離れるように屈折するのを抑制することができる。

光屈折膜ＬＲ１は、グレーティングカプラＧＣからの出射光を鉛直方向（絶縁層ＣＬに対する法線、ｚ方向）に沿う光ピンＬＰの光軸ＯＡにより近づくように屈折させる。光屈折膜ＬＲ１は、凹部ＲＰ１内に形成されており、グレーティングカプラＧＣからの出射光の光路上に形成されている。

光屈折膜ＬＲ１の形状は、上記機能を発揮することができればよい。光屈折膜ＬＲ１の下面は、光屈折膜ＬＲ１の上面に対して傾斜している。光屈折膜ＬＲ１の下面は、光屈折膜ＬＲ１の上面に対して、所定の傾斜角度で傾斜している平面であってもよいし、ｘ方向に沿って連続して傾斜角度が大きくなるように傾斜している曲面であってもよい（後述の変形例参照）。本実施の形態では、光屈折膜ＬＲ１の下面は、平面である。上記所定の傾斜角度は、例えば、６°以上かつ１０°以下である。

光屈折膜ＬＲ１は、第２層間絶縁層ＩＬ２を構成する材料の屈折率より大きい屈折率を有する材料により構成されている。光屈折膜ＬＲ１を構成する材料の例には、窒化シリコン（ＳｉＮ、屈折率２．０）および酸化チタン（ＴｉＯ_２、屈折率２．４〜２．７）が含まれる。

光ピンユニットＬＰＵは、有機樹脂層ＯＲＬ上に配置されている。光ピンユニットＬＰＵは、光ピンＬＰおよびクラッド部ＣＬＰを有する。

光ピンＬＰは、光屈折膜ＬＲ１上に形成されている。光ピンＬＰは、グレーティングカプラＧＣから出射され、光屈折膜ＬＲ１により進行方向を調整された光を外部の光ファイバ（不図示）に導くための光導波路である。光ピンＬＰの形状、大きさおよび材料は、上記機能を発揮することができれば特に限定されない。光ピンＬＰの形状の例には、円筒形状および円柱台形状が含まれる。実施の形態１では、光ピンＬＰの形状は、下面、側面および上面を有する円筒形状である。

光ピンＬＰの大きさは、上記光ファイバの対向面の大きさに応じて適宜調整され得る。たとえば、光ピンＬＰの直径は、２０μｍ以上かつ５０μｍ以下である。

光ピンＬＰを構成する材料は、その内部を通る光に対して透明な樹脂組成物である。光ピンＬＰは、光ピンＬＰを構成する材料の屈折率より小さい屈折率を有するクラッド部ＣＬＰによって覆われている。光ピンＬＰを構成する材料の例には、所望の特性に応じて適宜選択され得る。光ピンＬＰの数は、グレーティングカプラＧＣの数に応じて適宜設定され、例えば、１２個である。実施の形態１では、光ピンＬＰの数は、１個である。

実施の形態１では、光ピンＬＰの光軸（中心軸）ＯＡは、鉛直方向（ｚ方向）に沿っている。実施の形態１では、また、光ピンＬＰの光軸ＯＡは、絶縁層ＣＬの上面に対する法線および光屈折膜ＬＲ１の上面に対する法線と一致している。

クラッド部ＣＬＰは、光ピンＬＰの側面を覆うように形成されている。クラッド部ＣＬＰは、光ピンＬＰを構成する材料の屈折率より小さい屈折率を有する材料で構成されている。

（光屈折膜の機能）
ここで、光屈折膜ＬＲ１の機能について説明するため、半導体装置ＳＤ１における、グレーティングカプラＧＣからの出射光の光路について説明する。比較のため、光屈折膜ＬＲ１を有しない半導体装置ＲＳＤ１（以下、「比較用の半導体装置」ともいう）についても説明する。

図４は、比較用の半導体装置ＲＳＤ１における光路を示す要部断面図であり、図５は、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤ１における光路を示す要部断面図である。図４および図５では、説明の便宜上、グレーティングカプラＧＣの中心位置からの出射光の一部のみを示している（図４および図５における矢印参照）。グレーティングカプラＧＣの中心位置とは、グレーティングカプラＧＣの凹凸構造が形成された領域の、ｘ方向およびｙ方向における中心位置を意味する。

なお、図４および図５では、第１温度における出射光Ｌ１と、第２温度における出射光Ｌ２と、第３温度における出射光Ｌ３とについて示している。第１温度は第２温度より小さく、第２温度は第３温度より小さい。

図４に示されるように、比較用の半導体装置ＲＳＤ１の光ピンＲＬＰは、グレーティングカプラＧＣからの出射光の出射角に合わせて、光ピンＲＬＰの光軸を鉛直方向に対して所定の角度だけ傾斜させるように配置されている。

比較用の半導体装置ＲＳＤ１では、グレーティングカプラＧＣから所定の出射角で出射された光は、多層配線層ＭＷＬ１（第１層間絶縁層ＩＬ１および第２層間絶縁層ＩＬ２）の内部を経由して、光ピンＲＬＰの下面に到達する。グレーティングカプラＧＣからの出射光は、第１層間絶縁層ＩＬ１および第２層間絶縁層ＩＬ２の界面で大きく屈折されることなく、光ピンＲＬＰに到達し、光ピンＲＬＰの内部に入射する。次いで、上記出射光は、所定の出射角で光ピンＲＬＰの内部を通過して、光ファイバに導光される（図４における出射光Ｌ２、Ｌ３参照）。

このとき、光ピンＲＬＰの内部を進行する光は、主として、光ピンＲＬＰとクラッド部ＣＬＰとの界面で全反射されながら光ピンＲＬＰの内部を進行し、光ファイバに導光される。しかしながら、グレーティングカプラＧＣからの出射光の出射角は、グレーティングカプラＧＣの温度が高いほど小さくなる。このため、外部環境の温度が高すぎたり、低すぎたりする場合には、光ピンＲＬＰとクラッド部ＣＬＰとの界面に対する光の入射角が、臨界角より小さくなる。この結果として、光ピンＲＬＰの内部を進行する光が、光ピンＲＬＰの側面で全反射されず、光ピンＲＬＰの外部に出射されることがある（図４における出射光Ｌ１参照）。

次いで、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤ１における光路について説明する。図５に示されるように、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤ１では、グレーティングカプラＧＣから所定の出射角で出射された光は、多層配線層ＭＷＬ１（第１層間絶縁層ＩＬ１および第２層間絶縁層ＩＬ２）および有機樹脂層ＯＲＬの内部を経由して、光屈折膜ＬＲ１の下面に到達する。有機樹脂層ＯＲＬを構成する材料の屈折率は、第１層間絶縁層ＩＬ１および第２層間絶縁層ＩＬ２を構成する材料の屈折率と同程度である。このため、グレーティングカプラＧＣからの出射光は、第１層間絶縁層ＩＬ１および第２層間絶縁層ＩＬ２の界面と、第２層間絶縁層ＩＬ２および有機樹脂層ＯＲＬの界面とで大きく屈折することなく、光屈折膜ＬＲ１に到達する。一方で、光屈折膜ＬＲ１を構成する材料の屈折率は、第２層間絶縁層ＩＬ２を構成する材料の屈折率より大きい。このため、光屈折膜ＬＲ１に到達した光は、光屈折膜ＬＲ１の下面において、光ピンＬＰの光軸ＯＡに近づくように屈折する（図４における出射光Ｌ１〜Ｌ３参照）。このとき、光屈折膜ＬＲ１の下面は、Ｘ方向に沿って光屈折膜ＬＲ１の厚さが小さくなるように、光屈折膜ＬＲ１の上面に対して傾斜している。これにより、光屈折膜ＬＲ１の下面が、光屈折膜ＬＲ１の上面と平行である場合と比較して、光屈折膜ＬＲ１は、光屈折膜ＬＲ１に到達した光を光ピンＬＰの光軸ＯＡに近づくように、より効果的に屈折させることができる。光屈折膜ＬＲ１から光ピンＬＰの内部に入射した光は、光ピンＬＰの内部を全反射されながら光ファイバに導光され得る（図５における出射光Ｌ１参照）。

以上の通り、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤ１では、光屈折膜ＬＲ１が、光ピンＬＰの光軸ＯＡに近づくように光を屈折させることができる。このため、外部環境の温度が変動したとしても、光ピンＬＰの内部を進行する光のうち、臨界角を超えて光ピンＬＰの側面に入射する光の割合を低減することができる。これにより、光ピンＬＰの内部における光の損失を低減し、半導体装置ＳＤ１から出射される光信号を光ファイバに効率よく導くことができる。

（半導体装置の製造方法）
次いで、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤ１の製造方法の一例について説明する。図６〜図１４は、半導体装置ＳＤ１の製造方法に含まれる工程の一例を示す断面模式図である。

実施の形態１に係る半導体装置ＳＤ１の製造方法は、（１）半導体ウェハＳＷを準備する工程と、（２）多層配線層ＭＷＬ１を形成する工程と、（３）凹部ＲＰ１を有する有機樹脂層ＯＲＬを形成する工程と、（４）凹部ＲＰ１内に光屈折膜ＬＲ１を形成する工程と、（５）光ピンユニットＬＰＵを配置する工程と、を含む。

（１）半導体ウェハＳＷを準備する工程
まず、図６に示されるように、基板ＳＵＢと、基板ＳＵＢ上に形成された絶縁層ＣＬと、絶縁層ＣＬ上に形成された半導体層ＳＬと、を有する半導体ウェハＳＷを準備する。半導体ウェハＳＷは、製造されてもよいし、市販品として購入されてもよい。

半導体ウェハＳＷは、例えば、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板である。ＳＯＩ基板の製造方法としては、ＳＯＩ基板の製造方法として公知の製造方法から適宜選択され得る。ＳＯＩ基板の製造方法の例には、ＳＩＭＯＸ（Separation by Implantation of Oxygen）法およびスマートカット法が含まれる。

基板ＳＵＢの材料の例は、前述の通りである。基板ＳＵＢの厚さは、例えば、７００〜９００μｍである。絶縁層ＣＬの材料および厚さの例は、前述の通りである。半導体層ＳＬの材料の例には、シリコンおよびゲルマニウムが含まれる。半導体層ＳＬの材料の結晶構造は、単結晶であってもよいし、多結晶であってもよい。

次いで、準備した半導体ウェハＳＷを加工して光導波路ＯＷやグレーティングカプラＧＣなどの光学素子を形成する。実施の形態１では、光導波路ＯＷおよびグレーティングカプラＧＣが、以下の手順により形成される。

まず、図７に示されるように、所望のパターンを有するレジストマスクＲＭ１を半導体層ＳＬ上に形成する。レジストマスクＲＭ１は、半導体層ＳＬの、光導波路ＯＷおよびグレーティングカプラＧＣとなる領域を覆うとともに、かつ半導体層ＳＬの、当該領域以外の領域を露出するように形成される。レジストマスクＲＭ１の形成方法は、特に限定されず、公知の方法から適宜選択され得る。レジストマスクＲＭ１の形成方法の例には、フォトリソグラフィ法が含まれる。なお、レジストマスクＲＭ１は、必要に応じて、半導体層ＳＬの他の領域を覆うように形成されてもよい。たとえば、レジストマスクＲＭ１は、半導体層ＳＬの、受光部や光変調部などの他の光学素子が形成される領域も覆うように形成されてもよい。

次いで、レジストマスクＲＭ１をエッチングマスクとして用い、半導体層ＳＬの一部を所望の厚さ分エッチングする。実施の形態１では、レジストマスクＲＭ１から露出する半導体層ＳＬの一部を半導体層ＳＬの厚さ分エッチングする。半導体層ＳＬのエッチング方法は、特に限定されず、公知の方法から適宜選択され得る。半導体層ＳＬのエッチング方法の例には、ドライエッチング法が含まれる。エッチング後、レジストマスクＲＭ１を除去する。これにより、光導波路ＯＷが形成され得る。

次いで、図８に示されるように、所望のパターンを有するレジストマスクＲＭ２を半導体層ＳＬ上に形成する。レジストマスクＲＭ２は、半導体層ＳＬの、光導波路ＯＷおよびグレーティングカプラＧＣの突部ＰＪとなる領域を覆うとともに、かつ半導体層ＳＬの、当該領域以外の領域を露出するように絶縁層ＣＬ上に形成される。なお、レジストマスクＲＭ２は、必要に応じて、半導体層ＳＬの他の領域を覆うように形成されてもよい。たとえば、レジストマスクＲＭ２は、半導体層ＳＬの、受光部や光変調部などの他の光学素子が形成される領域も覆うように形成されてもよい。

次いで、レジストマスクＲＭ２をエッチングマスクとして用い、ドライエッチング法により、半導体層ＳＬの他の一部を所望の厚さ分エッチングする。実施の形態１では、レジストマスクＲＭ２から露出する半導体層ＳＬの一部が、半導体層ＳＬの厚さ方向において残存するように部分的にエッチングする。エッチング後、レジストマスクＲＭ２を除去する。これにより、グレーティングカプラＧＣが形成され得る。以上の工程によって、基板ＳＵＢ、絶縁層ＣＬ、光導波路ＯＷおよびグレーティングカプラＧＣを有する半導体ウェハＳＷが準備され得る。

（２）多層配線層ＭＷＬ１を形成する工程
次いで、図９に示されるように、第１層間絶縁層ＩＬ１および第２層間絶縁層ＩＬ２を有する多層配線層ＭＷＬ１を形成する。

まず、光導波路ＯＷおよびグレーティングカプラＧＣを覆うように、絶縁層ＣＬ上に第１層間絶縁層ＩＬ１を形成する。第１層間絶縁層ＩＬ１の形成方法は、特に限定されず、公知の方法から適宜選択され得る。第１層間絶縁層ＩＬ１の形成方法の例には、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法が含まれる。第１層間絶縁層ＩＬ１を構成する材料の例には、酸化シリコンが含まれる。なお、必要に応じて、第１層間絶縁層ＩＬ１の上面は、平坦化処理が施されてもよい。第１層間絶縁層ＩＬ１の上面の平坦化処理の例には、リフロー法、エッチバック法、ＣＭＰ（Chemical mechanical polishing）法が含まれる。

次いで、第１層間絶縁層ＩＬ１上に第２層間絶縁層ＩＬ２を形成する。第２層間絶縁層ＩＬ２の形成方法の例は、第１層間絶縁層ＩＬ１の形成方法と同様である。

なお、前述の通り、第１層間絶縁層ＩＬ１および第２層間絶縁層ＩＬ２には、必要に応じて配線およびビアの一方または両方を形成され得る。配線およびビアの形成方法は、特に限定されず、公知の方法から適宜選択され得る。配線は、例えば、スパッタリング法により導電膜を第１層間絶縁層ＩＬ１または第２層間絶縁層ＩＬ２上に形成した後、リソグラフィ法およびドライエッチング法により当該導電膜を所望のパターンに加工することによって形成され得る。また、ビアは、例えば、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法によって、第１層間絶縁層ＩＬ１または第２層間絶縁層ＩＬ２に貫通孔を形成し、スパッタリング法によって当該貫通孔を埋めるように導電膜を形成した後、当該導電膜のうち、上記貫通孔の外部に形成された部分をＣＭＰ法によって除去することによって形成され得る。

（３）有機樹脂層ＯＲＬを形成する工程
次いで、凹部ＲＰを有する有機樹脂層ＯＲＬを形成する。たとえば、実施の形態１では、ナノインプリント技術によって、凹部ＲＰ１を有する有機樹脂層ＯＲＬを第２多層配線層ＭＷＬ１（第２層間絶縁層ＩＬ２）上に形成する。実施の形態１では、有機樹脂層ＯＲＬを形成する工程と、凹部ＲＰ１を形成する工程とは、同じタイミングで行われる。

凹部ＲＰ１を有する有機樹脂層ＯＲＬを形成する工程は、（３−１）硬化性樹脂組成物ＲＣを提供（供給）する工程と、（３−２）硬化性樹脂組成物ＲＣを成形する工程と、（３−３）硬化性樹脂組成物ＲＣを硬化させる工程と、を含む。

（３−１）硬化性樹脂組成物ＲＣを提供する工程
まず、図１０に示されるように、多層配線層ＭＷＬ１（第２層間絶縁層ＩＬ２）上に硬化性樹脂組成物ＲＣを提供する。硬化性樹脂組成物ＲＣの種類の例には、光硬化性樹脂組成物および熱硬化性樹脂組成物が含まれる。実施の形態１では、硬化性樹脂組成物ＲＣは、紫外線硬化性樹脂組成物である。

硬化性樹脂組成物ＲＣを構成する樹脂組成物の例には、旭硝子株式会社製のＮＩＦ−Ａ−１、ダイキン工業株式会社製のオプツールＨＤ−１１００ＴＨ（「オプツール」は、同社の登録商標）および株式会社ダイセル製のセルビーナスＰＵＲ（「セルビーナス」は、同社の登録商標）が含まれる。

（３−２）硬化性樹脂組成物ＲＣを成形する工程
次いで、図１１に示されるように、所望の形状を有する押圧部材Ｐを硬化性樹脂組成物ＲＣに押し当てて、硬化性樹脂組成物ＲＣを所望の形状に成形する。実施の形態１では、押圧部材Ｐには、凹部ＲＰ１の形状に対する凸部が形成されている。押圧部材Ｐを硬化性樹脂組成物ＲＣに押し当てるときの成形圧力および加圧時間は、硬化性樹脂組成物ＲＣを構成する材料や、硬化性樹脂組成物ＲＣの厚さなどに応じて適宜調整され得る。たとえば、上記成形圧力は、０．１ＭＰａ以上かつ１０ＭＰａ以下である。たとえば、上記加圧時間は、１０秒以上かつ１０分以下である。

（３−３）硬化性樹脂組成物ＲＣを硬化させる工程
次いで、図１２に示されるように、硬化性樹脂組成物ＲＣが押圧部材Ｐに押圧された状態で、硬化性樹脂組成物ＲＣを硬化させる。これにより、凹部ＲＰ１を有する有機樹脂層ＯＲＬが、第２層間絶縁層ＩＬ２上に形成され得る。硬化性樹脂組成物ＲＣが熱硬化性樹脂組成物の場合には、硬化性樹脂組成物ＲＣを加熱し、硬化性樹脂組成物ＲＣが光硬化性樹脂組成物の場合には、硬化性樹脂組成物ＲＣに対して所定の光を照射すればよい。これにより、凹部ＲＰ１を有する有機樹脂層ＯＲＬが、第２層間絶縁層ＩＬ２上に形成され得る。

実施の形態１では、硬化性樹脂組成物ＲＣに対して、紫外線を照射することによって、硬化性樹脂組成物ＲＣを硬化させる。たとえば、当該紫外線のピーク波長は、３６５ｎｍであり、当該紫外線の照射エネルギーは、１０ｍＪ／ｃｍ^２以上かつ６０００ｍＪ／ｃｍ^２以下である。光源の例には、高圧ＨｇランプおよびＬＲＤランプが含まれる。

（４）光屈折膜ＬＲ１を形成する工程
次いで、図１３に示されるように、凹部ＲＰ１内に光屈折膜ＬＲ１を形成する。光屈折膜ＬＲ１の形成方法は、特に限定されない。たとえば、光屈折膜ＬＲ１は、ＣＶＤ法によって、凹部ＲＰ１の内部を埋めるように有機樹脂層ＯＲＬ上に、光屈折膜ＬＲ１を構成する材料からなる膜を形成した後に、当該膜の、凹部ＲＰ１の外部に位置する部分をＣＭＰ法によって除去することによって形成され得る。光屈折膜ＬＲ１を構成する材料の例は、前述の通りである。

ここで、半導体ウェハＳＷをダイシングすることによって、複数のチップに個片化しておいてもよい。

（５）光ピンユニットＬＰＵを配置する工程
次いで、図１４に示されるように、光ピンＬＰが形成された光ピンユニットＬＰＵを第２層間絶縁層ＩＬ２上に配置する。具体的には、光ピンユニットＬＰＵを配置する工程は、（５−１）光ピンユニットＬＰＵを準備する工程と、（５−２）光ピンユニットＬＰＵを第２層間絶縁層ＩＬ２上に配置する工程と、を含む。

（５−１）光ピンユニットＬＰＵを準備する工程
光ピンユニットＬＰＵを準備する工程は、特に限定されない。たとえば、光ピンユニットＬＰＵは、製造されてもよいし、市販品として購入されてもよい。光ピンユニットＬＰＵの製造方法は、公知の方法から適宜選択され得る。

光ピンユニットＬＰＵを製造する場合、まず、ガラスウェハを準備する。当該ガラスウェハは、例えば、ガラスブロックを所望の厚さにダイシングすることによって形成され得る。

次いで、準備したガラスウェハ上に光ピンＬＰ形成用の硬化性樹脂組成物を提供し、当該硬化性樹脂組成物の塗膜を形成する。光ピンＬＰ形成用の硬化性樹脂組成物の種類の例には、光硬化性樹脂組成物および熱硬化性樹脂組成物が含まれる。実施の形態１では、硬化性樹脂組成物は、紫外線硬化性樹脂組成物である。

次いで、貫通孔が形成されたフォトマスクを上記塗膜上に配置する。次いで、フォトマスクを介して上記塗膜に紫外線を照射して、上記塗膜の一部を硬化させる。次いで、上記塗膜の硬化していない部分を、溶剤などで除去する。これにより、光ピンＬＰが上記ガラスウェハ上に形成され得る。

次いで、光ピンＬＰを覆うように、クラッド部ＣＬＰ形成用の硬化性樹脂組成物を上記ガラスウェハ上に提供し、硬化させる。クラッド部ＣＬＰ形成用の硬化性樹脂組成物の種類の例には、光硬化性樹脂組成物および熱硬化性樹脂組成物が含まれる。実施の形態１では、硬化性樹脂組成物は、紫外線硬化性樹脂組成物である。これにより、光ピンＬＰを覆うクラッド部ＣＬＰが、上記ガラスウェハ上に形成され得る。

次いで、光ピンＬＰおよびクラッド部ＣＬＰが形成された上記ガラスウェハをダイシングすることによって、個片化する。これにより、複数の光ピンユニットＬＰＵが得られる。

（５−２）光ピンユニットＬＰＵを配置する工程
最後に、光ピンＬＰが光屈折膜ＬＲ１上に位置するように、光ピンユニットＬＰＵを有機樹脂層ＯＲＬ上に配置し、固定する。光ピンユニットＬＰＵを上記半導体チップ上に固定する方法は、特に限定されない。たとえば、特に図示しないが、位置決め用の開口部が形成された、半導体装置ＳＤ１用のガラスカバーの当該開口部内に、位置決め用の突部が形成された光ピンユニットＬＰＵを勘合すればよい。

以上の製造方法により、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤ１を製造することができる。なお、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤ１の製造方法は、必要に応じて、他の工程をさらに含んでいてもよい。たとえば、他の工程の例には、光源としてレーザダイオードを配置する工程、光変調部を形成する工程、スポットサイズコンバータを形成する工程、および受光部を形成する工程が含まれる。

（効果）
以上のように、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤ１は、グレーティングカプラＧＣからの出射光の光路上に形成された光屈折膜ＬＲ１を有する。光屈折膜ＬＲ１は、光屈折膜ＬＲ１に到達した光の進行方向を鉛直方向（絶縁層ＣＬの表面に対する法線）に沿うように、制御する。このため、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤ１では、光ピンＬＰの光軸ＯＡが鉛直方向に対して所定の角度だけ傾くように、光ピンＬＰを形成する必要がない。光ピンＬＰを所定の角度だけ傾けて形成する場合と比較して、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤ１では、光ピンＬＰの製造誤差をより小さくすることができる。また、前述の通り、外部環境の温度が変動したとしても、光ピンＬＰの内部を伝搬する際の光の損失を低減することができる。結果として、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤ１では、光ファイバに対して低損失で光を出力することができる。すなわち、実施の形態１では、半導体装置ＳＤ１の特性を向上させることができる。

［変形例］
図１５は、実施の形態１の変形例に係る半導体装置ｍＳＤ１の構成の一例を示す断面模式図である。

図１５に示されるように、変形例に係る半導体装置ｍＳＤ１では、光屈折膜ｍＬＲ１の下面（凹部ｍＲＰ１の底面）は、光屈折膜ｍＬＲ１の上面に対して、連続して傾斜角度が大きくなるように傾斜している曲面である。光屈折膜ｍＬＲ１の上面に対する光屈折膜ｍＬＲ１の下面の傾斜角は、ｘ方向に沿って連続して大きくなる。換言すると、光屈折膜ｍＬＲ１の厚さは、ｘ方向に沿って連続して小さくなる。ここで、「連続して」とは、光屈折膜ｍＬＲ１の下面が、光を屈折させる光学面として機能する程度に傾斜していることを意味し、光屈折膜ｍＬＲ１としての機能を発揮できない程度に不連続に傾斜している場合を除く意味である。

変形例に係る半導体装置ｍＳＤ１では、グレーティングカプラＧＣからの出射光の出射角が大きいほど、光屈折膜ｍＬＲ１の下面で屈折する度合いが大きくなる。すなわち、変形例では、グレーティングカプラＧＣからの出射光の出射角が大きい場合（低温の場合）には、光屈折膜ｍＬＲ１は、相対的に光を大きく屈折させ、グレーティングカプラＧＣからの出射光の出射角が小さい場合（高温の場合）には、光屈折膜ｍＬＲ１は、相対的に光を小さく屈折させる。結果として、変形例では、外部環境の温度が変動したとしても、光ファイバに対してより低損失で光を出力することができる。

［実施の形態２］
実施の形態２に係る半導体装置ＳＤ２では、グレーティングカプラＧＣからの出射光の進行方向を制御する光屈折膜ＬＲ２は、多層配線層ＭＷＬ２に形成された凹部ＲＰ２内に形成されている。

実施の形態２に係る光電気混載装置ＬＥ２は、半導体装置ＳＤ２の構成のみが実施の形態１に係る光電気混載装置ＬＥ１と異なる（図１参照）。

実施の形態２に係る半導体装置ＳＤ２は、主として、有機樹脂層ＯＲＬが形成されていない点と、光屈折膜ＬＲ２が多層配線層ＭＷＬ２に形成された凹部ＲＰ２内に形成されている点との２点について、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤ１と異なる。そこで、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤ１と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その説明を省略する。

図１６は、半導体装置ＳＤ２の要部平面図である。図１７は、半導体装置ＳＤ２の要部断面図であり、図１６中のＢ−Ｂ線における半導体装置ＳＤ２の断面図である。

図１７に示されるように、半導体装置ＳＤ２は、基板ＳＵＢ、絶縁層ＣＬ、光導波路ＯＷ、グレーティングカプラＧＣ、多層配線層ＭＷＬ２、光屈折膜ＬＲ２および光ピンユニットＬＰＵを有する。多層配線層ＭＷＬ２は、第１層間絶縁層ＩＬ１および第２層間絶縁層ＩＬ２２（第２絶縁層）を有する。なお、図面では、説明の便宜上、多層配線層ＭＷＬ２における配線およびプラグを省略している。

第２層間絶縁層ＩＬ２２は、第１層間絶縁層ＩＬ１上に形成されている。第２層間絶縁層ＩＬ２２には、凹部ＲＰ２が形成されている。凹部ＲＰ２は、光屈折膜ＬＲ２の位置、形状および大きさを規定する。凹部ＲＰ２の位置、形状および大きさは、光屈折膜ＬＲ２の位置、形状および大きさに応じて適宜設計され得る。たとえば、凹部ＥＰ２は、グレーティングカプラＧＣからの出射光の光路上に形成されている。実施の形態２では、凹部ＲＰ２の底面は、第２層間絶縁層ＩＬ２２の上面に対して連続して傾斜角度が大きくなるように傾斜している。凹部ＲＰ２の底面は、連続して傾斜角度が大きくなるように光屈折膜ＬＲ２の上面に対しても傾斜している。

光屈折膜ＬＲ２は、グレーティングカプラＧＣからの出射光を鉛直方向（絶縁層ＣＬに対する法線、ｚ方向）に沿う光ピンＬＰの光軸ＯＡにより近づくように屈折させる。光屈折膜ＬＲ２の形状は、当該機能を発揮することができればよい。実施の形態２では、光屈折膜ＬＲ２の下面は、グレーティングカプラＧＣ側に凸の曲面である。

光屈折膜ＬＲ２の下面のうち、ｘ方向に沿って光屈折膜ＬＲ２の厚さが連続して小さくなるように、光屈折膜ＬＲ２の上面に対して傾斜している部分（ｘ方向に沿って光屈折膜ＬＲ２の上面に対する傾斜角度が連続して大きくなるように傾斜している部分）は、グレーティングカプラＧＣからの出射光の光路上に位置している。一方で、光屈折膜ＬＲ２の下面のうち、ｘ方向に沿って光屈折膜ＬＲ２の厚さが連続して大きくなるように、光屈折膜ＬＲ２の上面に対して傾斜している部分（ｘ方向に沿って光屈折膜ＬＲ２の上面に対する傾斜角度が連続して小さくなるように傾斜している部分）は、グレーティングカプラＧＣからの出射光の光路外に位置している。

（半導体装置の製造方法）
次いで、実施の形態２に係る半導体装置ＳＤ２の製造方法の一例について説明する。図１８〜図２１は、半導体装置ＳＤ２の製造方法に含まれる工程の一例を示す要部断面図である。

実施の形態２に係る半導体装置ＳＤ２の製造方法は、（１）半導体ウェハＳＷを準備する工程と、（２）多層配線層ＭＷＬ２を形成する工程と、（３）凹部ＲＰ２を形成する工程と、（４）凹部ＲＰ２内に光屈折膜ＬＲ２を形成する工程と、（５）光ピンユニットＬＰＵを配置する工程と、を含む。実施の形態２では、多層配線層ＭＷＬ２を形成する工程と、凹部ＲＰ２を形成する工程とは、異なるタイミングで行われる。

実施の形態２に係る半導体装置ＳＤ２の製造方法に含まれる工程のうち、（３）凹部ＲＰ２を形成する工程のみが、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤ１の製造方法と異なる。そこで、以下では、（３）凹部ＲＰ２を形成する工程についてのみ、詳細に説明する。

図１８に示されるように、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤ１の製造方法と同様に（１）半導体ウェハＳＷを準備する工程と、（２）多層配線層ＭＷＬ２を形成する工程と、を行う。

（３）凹部ＲＰ２を形成する工程
次いで、凹部ＲＰ２を形成する。たとえば、実施の形態２では、フォトエッチング法によって、第２層間絶縁層ＩＬ２の上面に凹部ＲＰ２を形成する。実施の形態２では、（３）凹部ＲＰ２を形成する工程は、（３−１）第２層間絶縁層ＩＬ２２に不純物をイオン注入する工程と、（３−２）当該不純物を含む領域をウェットエッチングすることによって、第２凹部ＲＰ２を形成する工程と、を含む。

（３−１）不純物をイオン注入する工程
まず、図１９に示されるように、所望のパターンを有するレジストマスクＲＭ３を第２層間絶縁層ＩＬ２上に形成する。レジストマスクＲＭ３は、第２層間絶縁層ＩＬ２２の、凹部ＲＰ２が形成される領域を露出するとともに、かつ第２層間絶縁層ＩＬ２２の、当該領域以外の領域を覆うように形成される。レジストマスクＲＭ３の形成方法は、特に限定されず、公知の方法から適宜選択され得る。レジストマスクＲＭ３の形成方法の例には、フォトリソグラフィ法が含まれる。

次いで、レジストマスクＲＭ３をイオン注入マスクとして第２層間絶縁層ＩＬ２２（凹部ＲＰ２が形成される領域）に不純物をイオン注入する。図１９では、不純物が注入された不純物領域ＩＲは、縦線を付した領域で示されている。イオン注入後、レジストマスクＲＭ３を除去する。

当該不純物の種類および濃度は、特に限定されない。たとえば、上記不純物は、ヒ素（Ａｓ）やリン（Ｐ）などのｎ型不純物である。後述のウェットエッチング工程において、曲率半径の大きい凹部ＲＰ２を形成しやすくする観点からは、上記不純物の濃度は大きいことが好ましい。たとえば、上記不純物の濃度は、１×１０^１８／ｃｍ^３以上かつ１×１０^２０／ｃｍ^３以下であることが好ましい。

（３−２）ウェットエッチングによって凹部ＲＰ２を形成する工程
次いで、図２０に示されるように、所望のパターンを有するレジストマスクＲＭ４を第２層間絶縁層ＩＬ２２上に形成する。より具体的には、レジストマスクＲＭ４は、不純物領域ＩＲの中心部を露出するとともに、かつ第２層間絶縁層ＩＬ２２の、不純物領域ＩＲの外縁部と、第２層間絶縁層ＩＬ２２上の、当該外縁部の外側の領域とを覆うように形成される。レジストマスクＲＭ４の形成方法の例は、レジストマスクＲＭ３の形成方法と同様である。

次いで、レジストマスクＲＭ４をエッチングマスクとして用い、第２層間絶縁層ＩＬ２２の、上記不純物が注入された領域（不純物領域ＩＲ）を除去する。たとえば、第２層間絶縁層ＩＬ２２の不純物領域ＩＲは、ウェットエッチングによって除去され得る。このとき、第２層間絶縁層ＩＬ２２の不純物領域ＩＲのエッチングレートは、第２層間絶縁層ＩＬ２２の不純物が導入されていない領域のエッチングレートより大きい。このため、エッチング液は、第２層間絶縁層ＩＬ２２における不純物領域ＩＲを主として除去することができる。エッチング後、レジストマスクＲＭ４を除去する。

レジストマスクＲＭ４は、不純物領域ＩＲの中心部を露出するとともに、不純物領域ＩＲの外縁部を覆っている。このため、ウェットエッチングの過程では、エッチング液は、不純物領域ＩＲの中心部を、第２層間絶縁層ＩＬ２２の厚さ方向（ｚ方向）においてエッチングしつつ、レジストマスクＲＭ４の直下において、第２層間絶縁層ＩＬ２２の層内方向（ｘ方向およびｙ方向）において不純物領域ＩＲの外縁に向かって進行する。このとき、第２層間絶縁層ＩＬ２２の厚さ方向（ｚ方向）におけるエッチングレートは、第２層間絶縁層ＩＬ２２の層内方向（ｘ方向およびｙ方向）におけるエッチングレートより大きい。このため、ウェットエッチングによって不純物領域ＩＲを除去することで形成される凹部ＲＰ２の底面は、グレーティングカプラＧＣの側に凸の曲面となる。

図２１に示されるように、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤ１の製造方法と同様に（４）凹部ＲＰ２内に光屈折膜ＬＲ２を形成する工程と、（５）光ピンユニットＬＰＵを配置する工程と、を行う。以上の製造方法により、実施の形態２に係る半導体装置ＳＤ２を製造することができる。

（効果）
実施の形態２に係る半導体装置ＳＤ２も、実施の形態１に係る半導体装置ＳＤ１と同様の効果を奏する。実施の形態２に係る半導体装置ＳＤ２は、フォトリソグラフィ法、イオン注入法およびウェットエッチング法を含む一般的な半導体製造技術によって形成され得る。このため、実施の形態２に係る半導体装置ＳＤ２は、高い生産性で製造され得る。

なお、本発明は、上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され得る。たとえば、上記実施の形態１，２に係る半導体装置ＳＤ１、ＳＤ２は、光学素子として、光導波路ＯＷおよびグレーティングカプラＧＣを有する態様について説明したが、必要に応じて光変調部や、スポットサイズコンバータ、受光部などの他の光学素子を有していてもよい。また、実施の形態２に係る半導体装置ＳＤ２では、光屈折膜ＬＲ２が、第２層間絶縁層ＩＬ２に形成された凹部ＲＰ２内に形成されている場合について説明したが、光屈折膜は、第１層間絶縁層ＩＬ１に形成された凹部内に形成されていてもよい。

また、上記実施の形態では、多層配線層が二層である場合について説明したが、多層配線層を構成する配線層の数は、３つ以上であってもよい。

また、特定の数値例について記載した場合であっても、理論的に明らかにその数値に限定される場合を除き、その特定の数値を超える数値であってもよいし、その特定の数値未満の数値であってもよい。また、成分については、「Ａを主要な成分として含むＢ」などの意味であり、他の成分を含む態様を排除するものではない。

ＣＬ 絶縁層
ＣＬＰ クラッド部
ＣＰ ＩＣチップ
ＥＣ１ 第１電子回路
ＥＣ２ 第２電子回路
ＥＣ３ 第３電子回路
ＧＣ グレーティングカプラ
ＧＣＣ コア部
ＩＬ１ 第１絶縁層
ＩＬ２、ＩＬ２２ 第２絶縁層
ＩＲ 不純物領域
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ 光
ＬＥ１、ＬＥ２ 光電気混載装置
ＬＭ 光変調部
ＬＰ、ＲＬＰ 光ピン
ＬＰＵ 光ピンユニット
ＬＲ１、ｍＬＲ１、ＬＲ２ 光屈折膜
ＬＯ 光出力部
ＭＷＬ１、ＭＷＬ２ 多層配線層
ＯＡ 光ピンの光軸
ＯＲＬ 有機樹脂層
ＯＷ 光導波路
Ｐ 押圧部材
ＰＪ 突部
ＰＲ 受光部
ＲＣ 有機樹脂組成物
ＲＭ１、ＲＭ２、ＲＭ３、ＲＭ４ レジストマスク
ＲＰ１、ｍＲＰ１、ＲＰ２ 凹部
ＳＤ１、ｍＳＤ１、ＳＤ２、ＲＳＤ１ 半導体装置
ＳＬ 半導体層
ＳＵＢ 基板
ＳＷ 半導体ウェハ

Claims (15)

1. 第１絶縁層と、
   前記第１絶縁層上に形成されたコア部と、前記コア部上に形成されており、かつ互いに並列している複数の突部と、を有するグレーティングカプラと、
   前記第１絶縁層上に形成されており、かつ前記グレーティングカプラからの出射光の光路上に形成された凹部を有する第２絶縁層と、
   前記凹部内に形成されており、かつ前記第２絶縁層を構成する材料の屈折率より大きい屈折率を有する材料で構成された光屈折膜と、
   を有し、
   前記光屈折膜の下面は、前記光屈折膜の上面に対して傾斜している、半導体装置。
2. 前記第１絶縁層上において、前記グレーティングカプラの一端部に接続された第１光導波路をさらに有し、
   前記グレーティングカプラの一端部から前記グレーティングカプラの他端部に向かう第１方向に沿って、前記光屈折膜の厚さは、連続して小さくなる、
   請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記光屈折膜の下面は、曲面である、請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記光屈折膜の下面は、平面である、請求項１に記載の半導体装置。
5. 前記第２絶縁層は、酸化シリコンにより構成されており、
   前記光屈折膜は、窒化シリコンにより構成されている、
   請求項１に記載の半導体装置。
6. 前記第１絶縁層および前記第２絶縁層の間に形成された第３絶縁層をさらに有し、
   前記第２絶縁層は、樹脂組成物により構成されている、
   請求項１に記載の半導体装置。
7. 前記光屈折膜は、窒化シリコンにより構成されており、かつ
   前記第３絶縁層は、酸化シリコンにより構成されている、
   請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記光屈折膜上に形成された樹脂組成物により構成されている第２光導波路をさらに有し、
   前記第２光導波路の光軸は、前記第１絶縁層の表面に対する法線に沿っている、
   請求項１に記載の半導体装置。
9. 基板と、前記基板上に形成された第１絶縁層と、前記第１絶縁層上に形成されたコア部と、前記コア部上に形成されており、かつ互いに並列している複数の突部と、を有するグレーティングカプラと、を有する半導体ウェハを準備する工程と、
   前記第１絶縁層上に第２絶縁層を形成する工程と、
   前記第２絶縁層の、前記グレーティングカプラからの出射光の光路上に位置する部分に、凹部を形成する工程と、
   前記第２絶縁層の屈折率より大きい屈折率を有する光屈折膜を前記凹部内に形成する工程と、
   を含み、
   前記凹部の底面は、前記第２絶縁層の上面に対して傾斜している、
   半導体装置の製造方法。
10. 前記半導体ウェハを準備する工程では、前記第１絶縁層上において、前記グレーティングカプラの一端部に接続された第１光導波路をさらに有する半導体ウェハを準備し、
    前記凹部を形成する工程では、前記グレーティングカプラの一端部から前記グレーティングカプラの他端部に向かう第１方向に沿って、その深さが連続して小さくなるように前記凹部を形成する、
    請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
11. 前記第２絶縁層を形成する工程および前記凹部を形成する工程は、前記凹部を有する前記第２絶縁層を形成する工程として、同じタイミングで行われ、
    前記凹部を有する前記第２絶縁層を形成する工程は、
    硬化性樹脂組成物を供給する工程と、
    前記硬化性樹脂組成物を押圧部材で押圧して、前記硬化性樹脂組成物を成形する工程と、
    前記硬化性樹脂組成物を前記押圧部材で押圧した状態で、熱または光により前記硬化性樹脂組成物を硬化させる工程と、
    を含む、
    請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
12. 前記凹部を形成する工程では、フォトエッチング法により前記グレーティングカプラ側に凸の前記凹部を形成する、請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
13. 前記凹部において、前記グレーティングカプラの一端部から前記グレーティングカプラの他端部に向かう第１方向に沿ってその深さが小さくなる部分は、前記グレーティングカプラからの出射光の光路上に位置している、請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
14. 前記第２絶縁層は、酸化シリコンにより構成されており、
    前記光屈折膜は、窒化シリコンにより構成されている、
    請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
15. 前記光屈折膜上に樹脂組成物により構成された第２光導波路を形成する工程をさらに含み、
    前記第２光導波路の光軸は、前記第１絶縁層の表面に対する法線に沿っている、
    請求項９に記載の半導体装置の製造方法。

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