JP6509509B2 - 光半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は光半導体装置およびその製造技術に関し、例えば光方向性結合器を含む光半導体装置およびその製造に好適に利用できるものである。

シリコン基板の表面に形成する第１の光導波路と第２の光導波路のそれぞれのほぼ中央部を、所定長近接・平行して光結合部を設けることで構成される光方向性結合器において、それぞれの光結合部の光導波路の外側に、所望の距離を隔てて平行する高さが光結合部の高さに等しいガラス堤防が形成された構成が特開平０６−０５９１４２号公報（特許文献１）に記載されている。

特開平０６−０５９１４２号公報

前記特許文献１に記載された光方向性結合器では、第１の光導波路の入力側ポートから互いに波長の異なる第１波長の光と第２波長の光が進行すると、光結合部において、第１波長の光は光導波路間を１回結合して、第２の光導波路の出力側ポートから出射し、第２波長の光は光導波路間を２回結合して、第１の光導波路の出力側ポートから出射する。すなわち、特定の波長の光を第１の光導波路から第２の光導波路へ移行することができる。

しかし、光導波路の光の伝播損失（信号が距離などに応じて減衰する度合い）を小さくするため、例えば光導波路のラインエッジラフネス（ＬＥＲ（Line Edge Roughness）；ラインパターンの側面の粗さまたは凹凸）が小さくなるように光導波路を形成すると、光結合部において、特定の波長の光を移行することが困難になる現象が発生した。

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光半導体装置は、第１の光結合部を有するシリコンからなる第１の光導波路と、第１の光導波路と第１方向に離間して形成された、第２の光結合部を有するシリコンからなる第２の光導波路とを有し、第１の光結合部と第２の光結合部とは互いに対向する位置に形成されている。そして、第１の光結合部の第２の光結合部と対向する側面のラインエッジラフネスを、第１の光導波路の第１の光結合部以外の両側面のラインエッジラフネスよりも大きくし、第２の光結合部の第１の光結合部と対向する側面のラインエッジラフネスを、第２の光導波路の第２の光結合部以外の両側面のラインエッジラフネスよりも大きくする。

一実施の形態によれば、光の移行精度を向上させ、かつ、伝播損失を抑制することのできる光半導体装置を実現することができる。

実施の形態１による光方向性結合器の要部平面図である。 実施の形態１による光方向性結合器の要部断面図（図１に示すＡ−Ａ線に沿った断面図）である。 実施の形態１による光方向性結合器の変形例の要部平面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、実施の形態１による光方向性結合器の製造工程を示す要部断面図および要部平面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、図４に続く光方向性結合器の製造工程を示す要部断面図および要部平面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、図５に続く光方向性結合器の製造工程を示す要部断面図および要部平面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、図６に続く光方向性結合器の製造工程を示す要部断面図および要部平面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、実施の形態２による光方向性結合器の製造工程を示す要部断面図および要部平面図である。 実施の形態２による光導波路を形成する際に用いられるフォトマスクのマスクパターンを示す要部平面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、図８に続く光方向性結合器の製造工程を示す要部断面図および要部平面図である。 実施の形態３によるシングルリング共振器波長フィルタの要部平面図である。 実施の形態３による４次直列結合したリング共振器波長フィルタの要部平面図である。

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良い。

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、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。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。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１）
＜光方向性結合器の構造＞
本実施の形態１による光方向性結合器を図１および図２を用いて説明する。図１は、本実施の形態１による光方向性結合器の要部平面図である。図２は、本実施の形態１による光方向性結合器の要部断面図（図１に示すＡ−Ａ線に沿った断面図）である。

図１および図２に示すように、単結晶シリコンからなる半導体基板ＳＵＢの表面に、酸化シリコンからなる絶縁膜（クラッド層、アンダクラッド層とも言う）ＵＣＬが形成されている。絶縁膜ＵＣＬの厚さは、例えば２〜３μｍ程度である。

さらに、絶縁膜ＵＣＬ上に、シリコンからなる第１の光導波路（光を用いる第１の伝送線路、コアとも言う）ＯＷ１と、第１の光導波路ＯＷ１に並行してシリコンからなる第２の光導波路（光を用いる第２の伝送線路、コアとも言う）ＯＷ２が設けられている。第１の光導波路ＯＷ１および第２の光導波路ＯＷ２のそれぞれの厚さおよび幅は、例えば１００〜５００ｎｍが適切な範囲と考えられるが（他の条件によってはこの範囲に限定されないことはもとよりである）、３００ｎｍを中心値とする範囲が最も好適と考えられる。

また、第１の光導波路ＯＷ１および第２の光導波路ＯＷ２は、平面視においてそれぞれのほぼ中央部は屈曲し、所定の長さ（結合長さＬ）において近接する光結合領域ＯＣを有している。すなわち、光結合領域ＯＣには、第１の光導波路ＯＷ１の第１の光結合部ＯＷ１ａおよび第２の光導波路ＯＷ２の第２の光結合部ＯＷ２ａが設けられている。光結合領域ＯＣの結合長さＬは、例えば１μｍ以上が適切な範囲と考えられるが（他の条件によってはこの範囲に限定されないことはもとよりである）、１０〜１００μｍの範囲が最も好適と考えられる。また、第１の光結合部ＯＷ１ａと第２の光結合部ＯＷ２ａとの距離ｄは、例えば１００〜５００ｎｍが適切な範囲と考えられるが（他の条件によってはこの範囲に限定されないことはもとよりである）、２００ｎｍを中心値とする範囲が最も好適と考えられる。

さらに、第１の光導波路ＯＷ１および第２の光導波路ＯＷ２を含む絶縁膜ＵＣＬの全表面は、層間絶縁膜（クラッド層またはオーバクラッド層とも言う）ＯＣＬにより覆われている。層間絶縁膜ＯＣＬは、例えば酸化シリコンからなり、その厚さは、例えば２〜３μｍ程度である。

上述のような一対の光導波路の一方の第１の光導波路ＯＷ１を進行する光の光電界分布は、層間絶縁膜ＯＣＬを介して隣接した他方の第２の光導波路ＯＷ２まで広がった光電界分布である。従って、第１の光導波路ＯＷ１を進行した光が第１の光結合部ＯＷ１ａの始端に達すると、第２の光導波路ＯＷ２に電界振幅が等しい偶対称モードと奇対称モードが同相で励起される。これら２つのモードが光結合領域ＯＣを伝搬していくにつれて、２つのモード間に位相差が生じ、この位相差がπになる伝播距離（すなわち、光結合領域ＯＣの結合長さＬ）に達すると、第１の光導波路ＯＷ１から第２の光導波路ＯＷ２へ光が移行する。

よって、光結合領域ＯＣにおける第１の光結合部ＯＷ１ａと第２の光結合部ＯＷ２ａとの距離ｄ、結合長さＬおよび屈折率差（第１の光導波路ＯＷ１および第２の光導波路ＯＷ２の屈折率と層間絶縁膜ＯＣＬの屈折率との差）を選択することにより、所望する光方向性結合器が構成される。

例えば第１の光導波路ＯＷ１の入力側ポートＩＰから波長λ１（例えば１．３１μｍ）と波長λ２（例えば１．５５μｍ）の光が進行すると、波長λ２の光は光結合領域ＯＣにおいて、第１の光結合部ＯＷ１ａと第２の光結合部ＯＷ２ａとの間を２回結合して、第１の光導波路ＯＷ１の第１の出力側ポートＯＰ１から出射する。また、波長λ１の光は光結合領域において、第１の光結合部ＯＷ１ａと第２の光結合部ＯＷ２ａとの間を１回結合して、第２の光導波路ＯＷ２の第２の出力側ポートＯＰ２から出射する。

ここで、第１の光結合部ＯＷ１ａの第２の光結合部ＯＷ２ａと対向する側面（以下、単に第１の光結合部ＯＷ１ａの内側面と言う）ＩＳ１のラインエッジラフネスが、第１の光導波路ＯＷ１の第１の光結合部ＯＷ１ａ（光結合領域ＯＣ）以外の両側面ＩＳ３，ＯＳ３のラインエッジラフネスよりも大きい。同様に、第２の光結合部ＯＷ２ａの第１の光結合部ＯＷ１ａと対向する側面（以下、単に第２の光結合部ＯＷ２ａの内側面と言う）ＩＳ２のラインエッジラフネスが、第２の光導波路ＯＷ２の第２の光結合部ＯＷ２ａ（光結合領域ＯＣ）以外の両側面ＩＳ４，ＯＳ４のラインエッジラフネスよりも大きい。

すなわち、第１の光結合部ＯＷ１ａの内側面ＩＳ１のラインエッジラフネスが、第１の光結合部ＯＷ１ａの第２の光結合部ＯＷ２ａと対向しない側面（内側面と反対側の側面；以下、単に第１の光結合部ＯＷ１ａの外側面と言う）ＯＳ１および光結合領域ＯＣ以外の第１の光導波路ＯＷ１の両側面ＩＳ３，ＯＳ３のラインエッジラフネスよりも大きい。同様に、第２の光結合部ＯＷ２ａの内側面ＩＳ２のラインエッジラフネスが、第２の光結合部ＯＷ２ａの第１の光結合部ＯＷ１ａと対向しない側面（内側面と反対側の側面；以下、単に第２の光結合部ＯＷ２ａの外側面と言う）ＯＳ２および光結合領域ＯＣ以外の第２の光導波路ＯＷ２の両側面ＩＳ４，ＯＳ４のラインエッジラフネスよりも大きい。

第１の光結合部ＯＷ１ａの内側面ＩＳ１および第２の光結合部ＯＷ２ａの内側面ＩＳ２のラインエッジラフネスは、例えば６〜８ｎｍであり、第１の光結合部ＯＷ１ａの外側面ＯＳ１および第２の光結合部ＯＷ２ａの外側面ＯＳ２、並びに光結合領域ＯＣ以外の第１の光導波路ＯＷ１の両側面ＩＳ３，ＯＳ３および第２の光導波路ＯＷ２の両側面ＩＳ４，ＯＳ４のラインエッジラフネスは、例えば３ｎｍ以下である。

このように、本実施の形態１では、光結合領域ＯＣの第１の光結合部ＯＷ１ａの内側面ＩＳ１および第２の光結合部ＯＷ２ａの内側面ＩＳ２のラインエッジラフネスを大きくしているので、アンテナ効果により、第１の光導波路ＯＷ１から第２の光導波路ＯＷ２への光の結合、すなわち光の移行を容易とすることができる。一方、光結合領域ＯＣの第１の光結合部ＯＷ１ａの外側面ＯＳ１および第２の光結合部ＯＷ２ａの外側面ＯＳ２、並びに光結合領域ＯＣ以外の第１の光導波路ＯＷ１の両側面ＩＳ３，ＯＳ３および第２の光導波路ＯＷ２の両側面ＩＳ４，ＯＳ４のラインエッジラフネスを小さくしているので、アンテナ効果が抑制されて、光の伝播損失を小さく維持することができる。

＜変形例＞
前述した光方向性結合器では、光結合領域ＯＣにおいて、第１の光結合部ＯＷ１ａの内側面ＩＳ１および第２の光結合部ＯＷ２ａの内側面ＩＳ２のラインエッジラフネスを大きくしたが、これに加えて、第１の光結合部ＯＷ１ａの外側面ＯＳ１および第２の光結合部ＯＷ２ａの外側面ＯＳ２のラインエッジラフネスを大きくしてもよい。

図３に、本実施の形態１による光方向性結合器の変形例である要部平面図を示す。

この光方向性結合器の変形例では、第１の光結合部ＯＷ１ａの内側面ＩＳ１および外側面ＯＳ１のラインエッジラフネスが、第１の光導波路ＯＷ１の第１の光結合部ＯＷ１ａ以外の両側面ＩＳ３，ＯＳ３のラインエッジラフネスよりも大きい。同様に、第２の光結合部ＯＷ２ａの内側面ＩＳ２および外側面ＯＳ２のラインエッジラフネスが、第２の光導波路ＯＷ２の第２の光結合部ＯＷ２ａ以外の両側面ＩＳ４，ＯＳ４のラインエッジラフネスよりも大きい。

このように、第１の光結合部ＯＷ１ａの内側面ＩＳ１および外側面ＯＳ１、並びに第２の光結合部ＯＷ２ａの内側面ＩＳ２および外側面ＯＳ２のラインエッジラフネスを大きくすることにより、加工が容易になるとともに、よりアンテナ効果が生じて、第１の光導波路ＯＷ１から第２の光導波路ＯＷ２への光の結合、すなわち光の移行を容易とすることができる。

＜光方向性結合器の製造方法＞
本実施の形態１による光方向性結合器の製造方法を図４〜図７を用いて工程順に説明する。図４〜図７の各々の（ａ）は、製造工程中の光方向性結合器の要部断面図（図４〜図７の各々の（ｂ）に示すＢ−Ｂ線に沿った断面図）、図４〜図７の各々の（ｂ）は、製造工程中の光方向性結合器の要部平面図である。

まず、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、半導体基板ＳＵＢと、半導体基板ＳＵＢの主面に積層された絶縁膜ＵＣＬと、絶縁膜ＵＣＬ上に形成された半導体層ＳＬとからなるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を準備する。半導体基板ＳＵＢは単結晶シリコンからなる支持基板であり、絶縁膜ＵＣＬは酸化シリコンからなり、半導体層ＳＬはシリコンからなる。絶縁膜ＵＣＬの厚さは、例えば２〜３μｍ程度であり、半導体層ＳＬの厚さは、例えば３００ｎｍ程度である。

ＳＯＩ基板は、例えばＳＩＭＯＸ（Silicon Implanted Oxide）法または貼り合わせ法により形成することができる。ＳＩＭＯＸ法では、シリコンからなる半導体基板の主面に高いエネルギーで酸素をイオン注入し、その後の熱処理でシリコンと酸素とを結合させ、半導体基板の主面よりも少し深い位置に絶縁膜を形成することで、ＳＯＩ基板は形成される。また、貼り合わせ法では、上面に絶縁膜を形成したシリコンからなる半導体基板と、もう１枚のシリコンからなる半導体基板とを高熱および圧力を加えることで接着して貼り合わせた後、片側の半導体基板を研磨して薄膜化することで、ＳＯＩ基板は形成される。

次に、半導体層ＳＬ上にフォトレジストを塗布し、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）を用いたドライ露光またはＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）を用いたドライ露光を行い、その後、現像処理を行うことにより、フォトレジストをパターニングする。

この際、パターニングされるのは、半導体層ＳＬのラインエッジラフネスを大きくしたい箇所である。すなわち、前記図１に示した第１の光結合部ＯＷ１ａの内側面ＩＳ１および第２の光結合部ＯＷ２ａの内側面ＩＳ２の加工に用いるレジストマスクＲＰ１を形成する。

露光装置の解像度は、式（１）に示すように、光源の波長が短ければ短いほど、また、投影レンズのＮＡ（投影レンズの明るさ（開口数））が大きければ大きいほど、高い解像度が得られる。

解像度＝ｋ（プロセス係数）×λ（照明光の波長）／ＮＡ 式（１）
ここで、ＮＡは、
ＮＡ＝ｎ×ｓｉｎθ 式（２）
で求められる。「ｎ」は、露光光が通過する媒質の屈折率であり、空気の場合はｎ＝１となる。「θ」は、露光光の最大の入射角度を示す。従って、屈折率が１の場合、ＮＡは理論的には最高でも１．０未満となり、例えばＡｒＦエキシマレーザを光源としたドライ露光の場合の解像度は、６５ｎｍ付近となる。

次に、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、レジストマスクＲＰ１をマスクとして、ドライエッチングにより半導体層ＳＬを加工する。これにより、半導体層ＳＬのラインエッジラフネスを大きくしたい箇所がエッチングされる。すなわち、前記図１に示した第１の光結合部ＯＷ１ａの内側面ＩＳ１および第２の光結合部ＯＷ２ａの内側面ＩＳ２が形成される。その後、レジストマスクＲＰ１を除去する。

次に、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、半導体層ＳＬ上にフォトレジストを塗布し、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）を用いた液浸露光を行い、その後、現像処理を行うことにより、フォトレジストをパターニングする。

この際、パターニングされるのは、半導体層ＳＬのラインエッジラフネスを小さくしたい箇所である。すなわち、前記図１に示した第１の光結合部ＯＷ１ａの内側面ＩＳ１以外および第２の光結合部ＯＷ２ａの内側面ＩＳ２以外の加工に用いるレジストマスクＲＰ２を形成する。

露光装置の解像度は、前記式（１）および（２）に示したように、露光光が通過する媒質の屈折率ｎに依存する。液浸露光では、露光光が通過する媒質が空気ではなく、屈折率が１．４４の純水である。従って、理論上、液浸露光では、ドライ露光と比べてＮＡを１．４４倍にまで増やすことができて、４０〜４５ｎｍ程度の解像度が得られる。

次に、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、レジストマスクＲＰ２をマスクとして、ドライエッチングにより半導体層ＳＬを加工する。これにより、半導体層ＳＬのラインエッジラフネスを小さくしたい箇所がエッチングされる。すなわち、前記図１に示した第１の光結合部ＯＷ１ａの内側面ＩＳ１以外（光結合領域ＯＣの第１の光結合部ＯＷ１ａの外側面ＯＳ１および光結合領域ＯＣ以外の第１の光導波路ＯＷ１の両側面ＩＳ３，ＯＳ３）および第２の光結合部ＯＷ２ａの内側面ＩＳ２以外（光結合領域ＯＣの第２の光結合部ＯＷ２ａの外側面ＯＳ２および光結合領域ＯＣ以外の第２の光導波路ＯＷ２の両側面ＩＳ４，ＯＳ４）が形成される。その後、レジストマスクＲＰ２を除去する。

上記製造工程により、絶縁膜ＵＣＬ上に第１の光導波路ＯＷ１および第２の光導波路ＯＷ２が形成される。光結合領域ＯＣにおいては、ラインエッジラフネスが大きい内側面ＩＳ１とラインエッジラフネスが小さい外側面ＯＳ１とを有する第１の光結合部ＯＷ１ａが形成され、また、ラインエッジラフネスが大きい内側面ＩＳ２とラインエッジラフネスが小さい外側面ＯＳ２とを有する第２の光結合部ＯＷ２ａが形成される。さらに、光結合領域ＯＣ以外においては、ラインエッジラフネスが小さい両側面ＩＳ３，ＯＳ３を有する第１の光導波路ＯＷ１およびラインエッジラフネスが小さい両側面ＩＳ４，ＯＳ４を有する第２の光導波路ＯＷ２が形成される。

その後、第１の光導波路ＯＷ１および第２の光導波路ＯＷ２を含む絶縁膜ＵＣＬの全表面を、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜ＯＣＬによって覆う。層間絶縁膜ＯＣＬの厚さは、例えば２〜３μｍ程度である。これにより、光方向性結合器が略完成する。

なお、本実施の形態１では、まず、図４および図５に示したように、ラインエッジラフネスが大きい光結合領域ＯＣの第１の光結合部ＯＷ１ａの内側面ＩＳ１および第２の光結合部ＯＷ２ａの内側面ＩＳ２を形成した。その後、図６および図７に示したように、ラインエッジラフネスが小さい光結合領域ＯＣの第１の光結合部ＯＷ１ａの外側面ＯＳ１および第２の光結合部ＯＷ２ａの外側面ＯＳ２、並びに光結合領域ＯＣ以外の第１の光導波路ＯＷ１の両側面ＩＳ３，ＯＳ３および第２の光導波路ＯＷ２の両側面ＩＳ４，ＯＳ４を形成した。しかし、光方向性結合器の製造方法は、これに限定されるものではない。例えばまず、ラインエッジラフネスが小さい光結合領域ＯＣの第１の光結合部ＯＷ１ａの外側面ＯＳ１および第２の光結合部ＯＷ２ａの外側面ＯＳ２、並びに光結合領域ＯＣ以外の第１の光導波路ＯＷ１の両側面ＩＳ３，ＯＳ３および第２の光導波路ＯＷ２の両側面ＩＳ４，ＯＳ４を形成する。その後、ラインエッジラフネスが大きい光結合領域ＯＣの第１の光結合部ＯＷ１ａの内側面ＩＳ１および第２の光結合部ＯＷ２ａの内側面ＩＳ２を形成してもよい。

このように、本実施の形態１では、光方向性結合器の光結合領域ＯＣにおいて、第１の光結合部ＯＷ１ａの内側面ＩＳ１および第２の光結合部ＯＷ２ａの内側面ＩＳ２のラインエッジラフネスが大きいので、アンテナ効果により、第１の光導波路ＯＷ１から第２の光導波路ＯＷ２への光の結合、すなわち光の移行を容易とすることができる。一方、光結合領域ＯＣの第１の光結合部ＯＷ１ａの外側面ＯＳ１および第２の光結合部ＯＷ２ａの外側面ＯＳ２、並びに光結合領域ＯＣ以外の第１の光導波路ＯＷ１の両側面ＩＳ３，ＯＳ３および第２の光導波路ＯＷ２の両側面ＩＳ４，ＯＳ４のラインエッジラフネスを小さくしていることから、アンテナ効果が抑制されて、光の伝播損失を小さく維持することができる。

これにより、光の移行精度を向上させ、かつ、伝播損失を抑制することのできる光方向性結合器を実現することができる。

（実施の形態２）
本実施の形態２による光方向性結合器の構成は、前述の実施の形態１による光方向性結合器の構成とほぼ同じであるが、本実施の形態２と前述の実施の形態１とは、第１の光導波路ＯＷ１および第２の光導波路ＯＷ２の製造方法の点で相違する。

＜光方向性結合器の製造方法＞
本実施の形態２による光方向性結合器の製造方法を図８〜図１０を用いて工程順に説明する。図８および図１０の各々の（ａ）は、製造工程中の光方向性結合器の要部断面図（図８および図１０の各々の（ｂ）に示すＣ−Ｃ線に沿った断面図）、図８および図１０の各々の（ｂ）は、製造工程中の光方向性結合器の要部平面図である。図９は、光導波路を形成する際に用いられるフォトマスクのマスクパターンを示す要部平面図である。

まず、図８（ａ）および（ｂ）に示すように、半導体基板ＳＵＢと、半導体基板ＳＵＢの主面に積層された絶縁膜ＵＣＬと、絶縁膜ＵＣＬ上に形成された半導体層ＳＬとからなるＳＯＩ基板を準備する。半導体基板ＳＵＢは単結晶シリコンからなる支持基板であり、絶縁膜ＵＣＬは酸化シリコンからなり、半導体層ＳＬはシリコンからなる。絶縁膜ＵＣＬの厚さは、例えば２〜３μｍ程度であり、半導体層ＳＬの厚さは、例えば３００ｎｍ程度である。

次に、半導体層ＳＬ上にフォトレジストを塗布し、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）を用いた液浸露光を行い、その後、現像処理を行うことにより、フォトレジストをパターニングする。なお、ここでは、液浸露光を行ったが、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）を用いたドライ露光またはＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）を用いたドライ露光を行ってもよい。

このフォトリソグラフィ工程において使用されるフォトマスクの表面に描画されたマスクパターンＭＰの一例を図９に示す。半導体層ＳＬのラインエッジラフネスを大きくしたい箇所、すなわち、前記図１に示した第１の光結合部ＯＷ１ａの内側面ＩＳ１に対応する第１の光結合部マスクパターンＭＰ１の内側および前記図１に示した第２の光結合部ＯＷ２ａの内側面ＩＳ２に対応する第２の光結合部マスクパターンＭＰ２の内側のみに、複数の突出し部（段差部、凸部または突き出た部分とも言う）が形成されている。

具体的には、第２方向（図９に示すｙ方向）に延在する第１の光結合部マスクパターンＭＰ１と第２の光結合部マスクパターンＭＰ２とが、第２方向と直交する第１方向（図９に示すｘ方向）に距離Ｌｓを有して隣り合っている。そして、第１の光結合部マスクパターンＭＰ１の第２の光結合部マスクパターンＭＰ２側の側面に、第２の光結合部マスクパターンＭＰ２に向かって突き出た複数の突出し部が、第２方向に所定の間隔を有して設けられている。同様に、第２の光結合部マスクパターンＭＰ２の第１の光結合部マスクパターンＭＰ１側の側面に、第１の光結合部マスクパターンＭＰ１に向かって突き出た複数の突出し部が、第２の方向に所定の間隔を有して設けられている。さらに、第１の光結合部マスクパターンＭＰ１の複数の突出し部と、第２の光結合部マスクパターンＭＰ２の複数の突出し部とが対向しないように、第２方向に交互に第１の光結合部マスクパターンＭＰ１の複数の突出し部と、第２の光結合部マスクパターンＭＰ２の複数の突出し部とは配置されている。

第１の光結合部マスクパターンＭＰ１および第２の光結合部マスクパターンＭＰ２の突出し部の長さＬｅは、例えば２０〜５０ｎｍが適切な範囲と考えられるが（他の条件によってはこの範囲に限定されないことはもとよりである）、３０ｎｍを中心値とする範囲が最も好適と考えられる。

上記マスクパターンＭＰを用いて、露光を行い、その後、現像処理を行うことにより、フォトレジストをパターニングする。このフォトリソグラフィ工程において使用されるレジストマスクのパターンの一例を図８（ｂ）に示している。半導体層ＳＬのラインエッジラフネスを大きくしたい箇所、すなわち、前記図１に示した第１の光結合部ＯＷ１ａの内側面ＩＳ１に対応する第１の光結合部レジストパターンＰＰ１の内側および前記図１に示した第２の光結合部ＯＷ２ａの内側面ＩＳ２に対応する第２の光結合部レジストパターンＰＰ２の内側のみに、角部に鈍りが生じた凹凸部が形成されている。

次に、図１０（ａ）および（ｂ）に示すように、レジストマスクＲＰ３をマスクとして、ドライエッチングにより半導体層ＳＬを加工する。これにより、半導体層ＳＬのラインエッジラフネスを大きくしたい箇所がエッチングされる。すなわち、前記図１に示した第１の光結合部ＯＷ１ａの内側面ＩＳ１および第２の光結合部ＯＷ２ａの内側面ＩＳ２が形成される。同時に、導体層ＳＬのラインエッジラフネスを小さくしたい箇所がエッチングされる。すなわち、前記図１に示した第１の光結合部ＯＷ１ａの内側面ＩＳ１以外（光結合領域ＯＣの第１の光結合部ＯＷ１ａの外側面ＯＳ１および光結合領域ＯＣ以外の第１の光導波路ＯＷ１の両側面ＩＳ３，ＯＳ３）および第２の光結合部ＯＷ２ａの内側面ＩＳ２以外（光結合領域ＯＣの第２の光結合部ＯＷ２ａの外側面ＯＳ２および光結合領域ＯＣ以外の第２の光導波路ＯＷ２の両側面ＩＳ４，ＯＳ４）が形成される。その後、レジストマスクＲＰ３を除去する。

上記製造工程により、絶縁膜ＵＣＬ上に第１の光導波路ＯＷ１および第２の光導波路ＯＷ２が形成される。前述の実施の形態１と同様に、光結合領域ＯＣにおいては、ラインエッジラフネスが大きい内側面ＩＳ１とラインエッジラフネスが小さい外側面ＯＳ１とを有する第１の光結合部ＯＷ１ａが形成され、また、ラインエッジラフネスが大きい内側面ＩＳ２とラインエッジラフネスが小さい外側面ＯＳ２とを有する第２の光結合部ＯＷ２ａが形成される。さらに、光結合領域ＯＣ以外においては、ラインエッジラフネスが小さい両側面ＩＳ３，ＯＳ３を有する第１の光導波路ＯＷ１およびラインエッジラフネスが小さい両側面ＩＳ４，ＯＳ４を有する第２の光導波路ＯＷ２が形成される。

その後、第１の光導波路ＯＷ１および第２の光導波路ＯＷ２を含む絶縁膜ＵＣＬの全表面を、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜ＯＣＬによって覆う。層間絶縁膜ＯＣＬの厚さは、例えば２〜３μｍ程度である。これにより、光方向性結合器が略完成する。

このように、本実施の形態２では、前述した実施の形態１と同様の効果が得られ、さらに、前述した実施の形態１に比べて、フォトリソグラフィ工程およびドライエッチング工程をそれぞれ１回減らすことができるので、光方向性結合器の製造コストを低減でき、また、製造ＴＡＴを短くすることができる。

（実施の形態３）
前述の実施の形態１および２では、２つの光結合部を、所定の間隔を設けて平行に配置した光方向性結合器について説明したが、本実施の形態３では、複数の光結合部を適用した光導波路型波長フィルタについて説明する。図１１は、本実施の形態３によるシングルリング共振器波長フィルタの一例の要部平面図であり、図１２は、本実施の形態３による４次直列結合したリング共振器波長フィルタの一例の要部平面図である。

図１１に示すシングルリング共振器波長フィルタは、特定波長の光信号のみが各光導波路相互に移ることにより、ＡＤＤ／ＤＲＯＰ動作を行う光導波路型波長フィルタの一例であり、入力側光導波路ＩＬと出力側光導波路ＯＬとの間に１つのリング共振器ＲＬが備わっている。ＡＤＤ動作とは、任意の波長の光信号をバスラインに加える動作であり、ＤＲＯＰ動作とは任意の波長の光信号をバスラインから取り出す動作を言う。

リング共振器ＲＬは、平面視において外形と内形とで囲まれた環状の形状であり、平行に配置された入力側光導波路ＩＬと出力側光導波路ＯＬとの間に、配置されている。

シングルリング共振器波長フィルタでは、リング共振器ＲＬが入力側光導波路ＩＬと出力側光導波路ＯＬとの間の光結合部としての役割を担っている。すなわち、入力側光導波路ＩＬとリング共振器ＲＬとの間および出力側光導波路ＯＬとリング共振器ＲＬとの間を光結合部とみなし、リング共振器ＲＬ内を位相変化部とみなすことができる。

具体的には、波長多重光信号が入力側光導波路ＩＬの入力ポート（Input port）に入射されると、リング共振器ＲＬの共振波長と一致する波長の光信号だけが、リング共振器ＲＬを介して出力側光導波路ＯＬに移りＤＲＯＰポート（Drop port）から出射され、他の波長の光信号はそのまま入力側光導波路ＩＬのスルーポート（Through port）に流れる。また、出力側光導波路ＯＬのＡＤＤポート（Add port）から入射された光信号は、リング共振器ＲＬの共振波長と一致する場合にのみ入力側光導波路ＩＬのスルーポート（Through port）に合波される。

入力側光導波路ＩＬ、出力側光導波路ＯＬおよびリング共振器ＲＬの断面構造は、前述の実施の形態１において説明した光方向性結合器とほぼ同じである。

すなわち、図示は省略するが、単結晶シリコンからなる半導体基板の表面に、酸化シリコンからなる絶縁膜が形成され、絶縁膜上にシリコンからなる入力側光導波路ＩＬと、出力側光導波路ＯＬと、リング共振器ＲＬとが形成されている。絶縁膜の厚さは、例えば２〜３μｍ程度である。入力側光導波路ＩＬ、出力側光導波路ＯＬおよびリング共振器ＲＬのそれぞれの厚さおよび幅は、例えば３００ｎｍ程度である。さらに、入力側光導波路ＩＬ、出力側光導波路ＯＬおよびリング共振器ＲＬを含む絶縁膜の全表面は層間絶縁膜により覆われている。層間絶縁膜は、例えば酸化シリコンからなり、その厚さは、例えば２〜３μｍ程度である。

ここで、入力側光導波路ＩＬの光結合部として機能する部分であって、リング共振器ＲＬと対向する側面のラインエッジラフネスが、入力側光導波路ＩＬの光結合部として機能しない他の部分の側面のラインエッジラフネスよりも大きい。また、出力側光導波路ＯＬの光結合部として機能する部分であって、リング共振器ＲＬと対向する側面のラインエッジラフネスが、出力側光導波路ＯＬの光結合部として機能しない他の部分の側面のラインエッジラフネスよりも大きい。また、リング共振器ＲＬの光結合部として機能する部分であって、入力側光導波路ＩＬと対向する側面および出力側光導波路ＯＬと対向する側面のラインエッジラフネスが、リング共振器ＲＬの光結合部として機能しない他の部分の側面のラインエッジラフネスよりも大きい。

入力側光導波路ＩＬ、出力側光導波路ＯＬおよびリング共振器ＲＬの光結合部として機能する部分の側面のラインエッジラフネスは、例えば６〜８ｎｍであり、光結合部として機能しない他の部分の側面のラインエッジラフネスは、例えば３ｎｍ以下である。

このように、入力側光導波路ＩＬとリング共振器ＲＬとのそれぞれの対向面、出力側光導波路ＯＬとリング共振器ＲＬとのそれぞれの対向面のラインエッジラフネスを大きくしているので、アンテナ効果により、光の移行を容易とすることができる。一方、それ以外の入力側光導波路ＩＬ、出力側光導波路ＯＬおよびリング共振器ＲＬの側面のラインエッジラフネスを小さくしているので、アンテナ効果が抑制されて、光の伝播損失を小さく維持することができる。

図１２に、リング共振器ＲＬを４つ直列に接続した４次直列結合したリング共振器波長フィルタを示す。リング共振器は高次に直列接続させることができる。リング共振器に屈折率変化を起こすことにより共振波長がシフトして、任意の波長の光を作り出すことができる。図１２に示すリング共振器波長フィルタは、前記図１１に示したリング共振器を４つ接続している。

前述のシングルリング共振器波長フィルタと同様に、入力側光導波路ＩＬとリング共振器ＲＬとのそれぞれの対向面、出力側光導波路ＯＬとリング共振器ＲＬとのそれぞれの対向面およびリング共振器ＲＬ同士のそれぞれの対向面のラインエッジラフネスは大きくしているので、アンテナ効果により、光の移行を容易とすることができる。一方、それ以外の入力側光導波路ＩＬ、出力側光導波路ＯＬおよびリング共振器ＲＬの側面のラインエッジラフネスは小さくしているので、アンテナ効果が抑制されて、光の伝播損失を小さく維持することができる。

なお、図１１および図１２には、入力側光導波路ＩＬとリング共振器ＲＬとのそれぞれの対向面、出力側光導波路ＯＬとリング共振器ＲＬとのそれぞれの対向面およびリング共振器ＲＬ同士のそれぞれの対向面のラインエッジラフネスを大きくしたリング共振器波長フィルタを例示しているが、これに限定されるものではない。例えば入力側光導波路ＩＬのリング共振器ＲＬと対向する側面と反対側の側面、出力側光導波路ＯＬのリング共振器ＲＬと対向する側面と反対側の側面、およびリング共振器ＲＬの外形の全側面のラインエッジラフネスを大きくしてもよい。

また、図１１および図１２には、平面視において楕円の外形と楕円の内形とで囲まれた環状の形状のリング共振器を例示しているが、正円の外形と正円の内形とで囲まれた環状の形状のリング共振器であってもよい。

また、図１２には、４次直列結合したリング共振器波長フィルタを例示しているが、２次直列結合、３次直列結合したリング共振器波長フィルタでも同様である。

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。

ＩＬ 入力側光導波路
ＩＰ 入力側ポート
ＩＳ１，ＩＳ２ 内側面
ＩＳ３，ＩＳ４ 側面
ＭＰ マスクパターン
ＭＰ１ 第１の光結合部マスクパターン
ＭＰ２ 第２の光結合部マスクパターン
ＯＣ 光結合領域
ＯＣＬ 層間絶縁膜
ＯＬ 出力側光導波路
ＯＰ１ 第１の出力側ポート
ＯＰ２ 第２の出力側ポート
ＯＳ１，ＯＳ２ 外側面
ＯＳ３，ＯＳ４ 側面
ＯＷ１ 第１の光導波路
ＯＷ１ａ 第１の光結合部
ＯＷ２ 第２の光導波路
ＯＷ２ａ 第２の光結合部
ＰＰ１ 第１の光結合部レジストパターン
ＰＰ２ 第２の光結合部レジストパターン
ＲＬ リング共振器
ＲＰ１，ＲＰ２，ＲＰ３ レジストマスク
ＳＵＢ 半導体基板
ＳＬ 半導体層
ＵＣＬ 絶縁膜

Claims (19)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板上に形成された第１絶縁膜と、
   前記第１絶縁膜上に形成されており、かつシリコンからなる第１光導波路と、
   前記第１絶縁膜上に前記第１光導波路と離間して形成されており、かつシリコンからなる第２光導波路と、
   前記第１光導波路および前記第２光導波路を覆うように前記第１絶縁膜上に形成された第２絶縁膜と、
   を備え、
   前記第１光導波路の一部と前記第２光導波路の一部とは、前記第１光導波路の他の一部と前記第２光導波路の他の一部とよりも、互いに近接する位置に形成されており、
   前記第１光導波路の一部の、前記第２光導波路の一部と対向する第１内側面のラインエッジラフネスと、前記第２光導波路の一部の、前記第１光導波路の一部と対向する第２内側面のラインエッジラフネスとが、前記第１光導波路の他の一部の両側面のラインエッジラフネスおよび前記第２光導波路の他の一部の両側面のラインエッジラフネスよりも大きく、
   前記第１光導波路の一部の前記第１内側面のラインエッジラフネスは、前記第１光導波路の一部の、前記第１内側面と反対側の第１外側面のラインエッジラフネスより大きく、
   前記第２光導波路の一部の前記第２内側面のラインエッジラフネスは、前記第２光導波路の一部の、前記第２内側面と反対側の第２外側面のラインエッジラフネスより大きい、光半導体装置。
2. 請求項１記載の光半導体装置において、
   前記第１光導波路の一部と前記第２光導波路の一部とは、第１方向に沿うように延在しており、
   前記第１方向における前記第１光導波路の一部の長さと、前記第１方向における前記第２光導波路の一部の長さとは、１μｍ以上である、光半導体装置。
3. 請求項１記載の光半導体装置において、
   前記第１光導波路の平面視形状は、環状であり、
   前記第２光導波路の平面視形状は、環状である、光半導体装置。
4. 請求項１記載の光半導体装置において、
   前記第１光導波路は、前記第１内側面および前記第１外側面が前記第２絶縁膜と接触するように前記第２絶縁膜に覆われており、
   前記第２光導波路は、前記第２内側面および前記第２外側面が前記第２絶縁膜と接触するように前記第２絶縁膜に覆われている、光半導体装置。
5. 請求項１記載の光半導体装置において、
   前記第１光導波路の一部と前記第２光導波路の一部との距離は、１００〜５００ｎｍである、光半導体装置。
6. 請求項１記載の光半導体装置において、
   前記第２絶縁膜は、前記第１光導波路の第１上面、前記第１内側面および前記第１外側面と、前記第２光導波路の第２上面、前記第２内側面および前記第２外側面とに接触している、光半導体装置。
7. 請求項１記載の光半導体装置において、
   前記第１光導波路の幅は、１００〜５００ｎｍであり、
   前記第２光導波路の幅は、１００〜５００ｎｍである、光半導体装置。
8. 請求項１記載の光半導体装置において、
   前記第１光導波路の一部は、第１光結合部を構成し、
   前記第２光導波路の一部は、第２光結合部を構成している、光半導体装置。
9. 請求項８記載の光半導体装置において、
   前記第１光結合部に光が入射した際に、前記第１光結合部と前記第２光結合部と間で、前記光が移行される、光半導体装置。
10. 第１光結合部を有する第１光導波路と、第２光結合部を有する第２光導波路とを備え、前記第１光結合部と前記第２光結合部とが互いに離間して対向する位置にある光半導体装置の製造方法であって、
    （ａ）半導体基板、前記半導体基板上に形成された第１絶縁膜、および前記第１絶縁膜上に形成された半導体層を有するＳＯＩ基板を準備する工程、
    （ｂ）前記半導体層上に第１フォトレジストを塗布した後、ＡｒＦエキシマレーザを用いたドライ露光またはＫｒＦエキシマレーザを用いたドライ露光、および現像処理を行うことにより、前記半導体層上に前記第１フォトレジストからなる第１レジストパターンを形成する工程、
    （ｃ）前記第１レジストパターンをマスクとして前記半導体層を加工して、前記第１光結合部の前記第２光結合部と対向する側面および前記第２光結合部の前記第１光結合部と対向する側面を形成した後、前記第１レジストパターンを除去する工程、
    （ｄ）前記半導体層上に第２フォトレジストを塗布した後、ＡｒＦエキシマレーザを用いた液浸露光および現像処理を行うことにより、前記半導体層上に前記第２フォトレジストからなる第２レジストパターンを形成する工程、
    （ｅ）前記第２レジストパターンをマスクとして前記半導体層を加工して、前記第１光結合部以外の前記第１光導波路の両側面および前記第２光結合部以外の前記第２光導波路の両側面を形成した後、前記第２レジストパターンを除去する工程、
    （ｆ）前記第１光導波路および前記第２光導波路を覆うように前記第１絶縁膜上に第２絶縁膜を形成する工程、
    を含む光半導体装置の製造方法。
11. 請求項１０記載の光半導体装置の製造方法において、
    前記（ｃ）工程で、前記第１光結合部の前記第２光結合部と対向する側面と反対側の側面および前記第２光結合部の前記第１光結合部と対向する側面と反対側の側面を形成する、光半導体装置の製造方法。
12. 請求項１０記載の光半導体装置の製造方法において、
    前記（ｅ）工程で、前記第１光結合部の前記第２光結合部と対向する側面と反対側の側面および前記第２光結合部の前記第１光結合部と対向する側面と反対側の側面を形成する、光半導体装置の製造方法。
13. 第１光結合部を有する第１光導波路と、第２光結合部を有する第２光導波路とを備え、前記第１光結合部と前記第２光結合部とが互いに離間して対向する位置にある光半導体装置の製造方法であって、
    （ａ）半導体基板、前記半導体基板上に形成された第１絶縁膜、および前記第１絶縁膜上に形成された半導体層を有するＳＯＩ基板を準備する工程、
    （ｂ）前記半導体層上にフォトレジストを塗布した後、フォトマスクを用いた露光および現像処理を行うことにより、前記半導体層上に前記フォトレジストからなるレジストパターンを形成する工程、
    （ｃ）前記レジストパターンをマスクとして前記半導体層を加工して、前記第１光導波路および前記第２光導波路を形成した後、前記レジストパターンを除去する工程、
    （ｄ）前記第１光導波路および前記第２光導波路を覆うように前記第１絶縁膜上に第２絶縁膜を形成する工程、
    を含み、
    前記フォトマスクには、第１方向に延在する第１光結合部マスクパターンと第２光結合部マスクパターンとが、前記第１方向と直交する第２方向に離間して隣り合っており、
    前記第１光結合部マスクパターンの前記第２光結合部マスクパターン側の側面に、前記第２光結合部マスクパターンに向かって突き出た複数の第１突出し部が設けられ、
    前記第２光結合部マスクパターンの前記第１光結合部マスクパターン側の側面に、前記第１光結合部マスクパターンに向かって突き出た複数の第２突出し部が設けられ、
    前記第１光結合部マスクパターンの前記複数の第１突出し部と、前記第２光結合部マスクパターンの前記複数の第２突出し部とが互いに対向しないように、前記第１方向に交互に配置されている、光半導体装置の製造方法。
14. 請求項１３記載の光半導体装置の製造方法において、
    前記（ｂ）工程の露光は、ＡｒＦエキシマレーザを用いた液浸露光である、光半導体装置の製造方法。
15. 請求項１３記載の光半導体装置の製造方法において、
    前記第１突出し部および前記第２突出し部の長さは、２０〜５０ｎｍである、光半導体装置の製造方法。
16. 請求項１０〜１５の何れか１項に記載の光半導体装置の製造方法において、
    前記第１光結合部に光が入射した際に、前記第１光結合部と前記第２光結合部と間で、前記光が移行される、光半導体装置の製造方法。
17. （ａ）半導体基板、前記半導体基板上に形成された第１絶縁膜、および前記第１絶縁膜上に形成された半導体層を有するＳＯＩ基板を準備する工程、
    （ｂ）前記半導体層上に第１フォトレジストを塗布した後、ＡｒＦエキシマレーザを用いたドライ露光またはＫｒＦエキシマレーザを用いたドライ露光、および現像処理を行うことにより、前記半導体層上に前記第１フォトレジストからなる第１レジストパターンを形成する工程、
    （ｃ）前記第１レジストパターンをマスクとして前記半導体層をエッチング加工して、前記半導体層に溝を形成する工程、
    （ｄ）前記溝を形成した後、前記第１レジストパターンを除去する工程、
    （ｅ）前記溝内および前記半導体層上に第２フォトレジストを塗布した後、ＡｒＦエキシマレーザを用いた液浸露光および現像処理を行うことにより、前記溝内および前記半導体層上に前記第２フォトレジストからなる第２レジストパターンを形成する工程、
    （ｆ）前記第２レジストパターンをマスクとして前記半導体層をエッチング加工して、前記溝の互いに対向する２つの内面の一方を第１内側面の一部とする第１光導波路と、前記溝の互いに対向する２つの内面の他方を第２内側面の一部とする第２光導波路とを形成する工程、
    （ｇ）前記第１光導波路および前記第２光導波路を形成した後、前記第２レジストパターンを除去する工程、
    （ｈ）前記第１光導波路および前記第２光導波路を覆うように前記第１絶縁膜上に第２絶縁膜を形成する工程、
    を含む、光半導体装置の製造方法。
18. 請求項１７記載の光半導体装置の製造方法において、
    前記（ｃ）工程では、その長さが１μｍ以上となるように前記溝を形成する、光半導体装置の製造方法。
19. 請求項１７記載の光半導体装置の製造方法において、
    前記（ｃ）工程では、その幅が１００〜５００ｎｍとなるように前記溝を形成する、光半導体装置の製造方法。

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