JP6753526B2 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置および半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

この発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
特許文献１には、光半導体素子が開示されている。この光半導体素子では、半導体基板と光導波路層との間に、半導体基板の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する複数の島状半導体中間層が設けられる。複数の島状半導体中間層の間には、空隙が形成されている。この構造では、光導波路層の温度制御が好適に行われる。
日本特開２０１５−１７０７５０号公報
例えば特許文献１に示されるように、半導体レーザーと結合している導波路において、一般にレーザー光を導波させる導波路層と基板との間には導電性を有する層が設けられる。このとき、半導体レーザーの駆動時に半導体レーザーと導波路との結合部からこの導電性を有する層に電流が広がる場合がある。このため、半導体レーザーの特性が不安定となり、消費電力が大きくなる可能性がある。
本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、消費電力を低減できる半導体装置および半導体装置の製造方法を得ることである。
本願の発明に係る半導体装置は、基板と、該基板の上面に設けられ、レーザー光を発する半導体レーザーと、該基板の上面に設けられた第１導電性層と、該第１導電性層の上に設けられ該レーザー光を導波させる導波路層と、を有する導波路と、該基板の上面に設けられ、該半導体レーザーと該導波路とを取り囲む埋め込み層と、を備え、該導波路の該半導体レーザーと接続される端部の両側には、該埋め込み層が該導波路の導波方向に分断されることで、該基板が該埋め込み層から露出した露出部が設けられ、該端部には、該第１導電性層が該導波方向に分断されている分断領域が設けられる。
本願の発明に係る半導体装置の製造方法は、基板の上面に、レーザー光を発する半導体レーザーを形成する工程と、該基板の上面に設けられた第１導電性層と、該第１導電性層の上に設けられ該レーザー光を導波させる導波路層と、を有する導波路を形成する工程と、該基板の上面に、該半導体レーザーと該導波路とを取り囲む埋め込み層を形成する工程と、該埋め込み層が該導波路の導波方向に分断されるように、該導波路の該半導体レーザーと接続される端部の両側で該埋め込み層の一部を除去し、該基板が該埋め込み層から露出した露出部を形成する工程と、該半導体レーザーと、該導波路と、該埋め込み層と、該露出部と、を絶縁膜で覆う工程と、該絶縁膜に複数の開口を該導波路の両側にそれぞれ設け、該露出部を露出させる開口形成工程と、該絶縁膜をマスクとして、該導波路層よりも該第１導電性層に対してエッチングレートが大きいエッチング液を用いてウェットエッチングを行い、該端部で該第１導電性層の一部を除去し、該第１導電性層が該導波方向に分断された分断領域を該端部に設けるエッチング工程と、を備える。
本願の発明に係る半導体装置では、導波路の半導体レーザー側の端部で、基板と導波路層との間に設けられる第１導電性層が導波方向に分断されている。このため、第１導電性層を通って半導体レーザーから導波路側に電流が漏れることを抑制できる。従って、消費電力を低減できる。
本願の発明に係る半導体装置の製造方法では、導波路の半導体レーザー側の端部で、基板と導波路層との間に設けられる第１導電性層が導波方向に分断される。このため、第１導電性層を通って半導体レーザーから導波路側に電流が漏れることを抑制できる。従って、消費電力を低減できる。
実施の形態１に係る半導体装置の平面図である。 図１をI−II直線に沿って切断することで得られる半導体装置の断面図である。 図１をIII−IV直線に沿って切断することで得られる半導体装置の断面図である。 埋め込み層の一部が除去された状態を示す導波路の端部の断面図である。 絶縁膜を形成した状態を示す断面図である。 実施の形態１の開口形成工程を説明する平面図である。 実施の形態１の開口形成工程を説明する断面図である。 実施の形態１のエッチング工程を説明する断面図である。 実施の形態２の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。 実施の形態２のエッチング工程を説明する断面図である。 実施の形態３の半導体装置の断面図である。 実施の形態４の半導体装置の断面図である。
本発明の実施の形態に係る半導体装置および半導体装置の製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体装置１００の平面図である。半導体装置１００は基板２０を備える。基板２０は、絶縁性基板である。基板２０は、ｉ−ＩｎＰから形成される。半導体装置１００は、基板２０の上面に設けられ、レーザー光を発する半導体レーザー１２を備える。また、半導体装置１００は、半導体レーザー１２が発するレーザー光を導波させる導波路１６を備える。半導体装置１００は光半導体素子である。
本実施の形態では半導体装置１００は半導体レーザー１２を４つ備える。導波路１６は４つの入力端と１つの出力端を備える。導波路１６の複数の入力端は、複数の半導体レーザー１２にそれぞれ接続される。導波路１６は、複数の半導体レーザー１２が発する複数のレーザー光を１つにまとめ、出力端から出射する。複数の半導体レーザー１２は、互いに波長の異なるレーザー光をそれぞれ発する。半導体装置１００は、高速光通信が可能な４波長集積素子である。半導体装置１００が備える半導体レーザー１２の数は１つ以上であれば良い。
半導体装置１００は、基板２０の上面に設けられ、半導体レーザー１２と導波路１６とを取り囲む埋め込み層１４を備える。半導体レーザー１２の側面と導波路１６の側面は、埋め込み層１４に埋め込まれている。埋め込み層１４は電流ブロック層である。
導波路１６の半導体レーザー１２と接続される端部１７の両側には、基板２０が埋め込み層１４から露出した露出部１８が設けられる。露出部１８は、埋め込み層１４が導波路１６の導波方向に分断されることで形成される。ここで、導波方向は、レーザー光が半導体レーザー１２から出射される方向である。露出部１８において、埋め込み層１４は基板２０まで掘り下げられている。露出部１８によって、導波路１６の端部１７の側面が埋め込み層１４から露出する。複数のレーザー光は、埋め込み層１４が除去された領域を通り、１つにまとめられる。
基板２０には、溝２２が端部１７の直下に設けられる。溝２２は、導波方向と垂直な方向の幅が導波路１６の幅よりも広い。溝２２は、端部１７の下を通り、導波路１６の両側の露出部１８のうち一方から他方まで伸びる。
図２は、図１をI−II直線に沿って切断することで得られる半導体装置１００の断面図である。基板２０の上面には第１導電性層２４が設けられる。第１導電性層２４は、エピタキシャル成長層である。第１導電性層２４は、ｎ−ＩｎＰから形成される。第１導電性層２４の上には、発光層２６が設けられる。発光層２６は、レーザー光を発する。発光層２６は、ＡｌＧａＩｎＡｓから形成される。第１導電性層２４の上には、発光層２６と隣接して導波路層３２が設けられる。導波路層３２は、発光層２６が発するレーザー光を導波させる。導波路層３２は、ＩｎＧａＡｓＰから形成される。
発光層２６と導波路層３２の上には、第２導電性層２８が設けられる。第２導電性層２８は、エピタキシャル成長層である。第２導電性層２８はｐ−ＩｎＰから形成される。第２導電性層２８の上には、発光層２６の上部に電極形成用エピ層３０が設けられる。電極形成用エピ層３０はエピタキシャル成長層である。電極形成用エピ層３０はＰ−ＩｎＧａＡｓから形成される。第１導電性層２４、発光層２６、第２導電性層２８および電極形成用エピ層３０は半導体レーザー１２を構成する。また、第１導電性層２４、導波路層３２および第２導電性層２８は導波路１６を構成する。
導波路１６の半導体レーザー１２と接続される端部１７には、分断領域２３が設けられる。分断領域２３では、第１導電性層２４が導波方向に分断されている。分断領域２３において、第１導電性層２４は除去されている。また、溝２２は分断領域２３の直下に設けられる。分断領域２３において、導波路層３２と基板２０との間には空洞２５が形成されている。
図３は、図１をIII−IV直線に沿って切断することで得られる半導体装置１００の断面図である。分断領域２３において、第１導電性層２４は除去されている。また、分断領域２３の直下において、基板２０の上面には溝２２が形成される。このため、分断領域２３では、断面視において導波路１６が基板２０の上方に浮いた構造が形成される。なお、図３では、第１導電性層２４および基板２０の除去された部分が破線で示されている。
次に、半導体装置１００の製造方法を説明する。まず、基板２０の上面に、半導体レーザー１２を形成する。また、基板２０の上面に導波路１６を形成する。次に、基板２０の上面に、半導体レーザー１２と導波路１６とを取り囲む埋め込み層１４を形成する。
次に、導波路１６の半導体レーザー１２と接続される端部１７の両側で埋め込み層１４の一部を除去する。図４は、埋め込み層１４の一部が除去された状態を示す導波路１６の端部１７の断面図である。このとき、埋め込み層１４が導波路１６の導波方向に分断されるように、埋め込み層１４の一部を除去する。また、埋め込み層１４の一部を除去することで、基板２０を埋め込み層１４から露出させる。基板２０が埋め込み層１４から露出した部分は、露出部１８である。また、導波路１６の側面を露出させるように、埋め込み層１４の一部を除去する。導波路１６と半導体レーザー１２との結合領域では、埋め込み層１４が除去されることで、半導体レーザー１２と導波路１６以外の導電性を有する層が除去される。
次に、半導体レーザー１２と、導波路１６と、埋め込み層１４と、露出部１８とを絶縁膜３４で覆う。図５は、絶縁膜３４を形成した状態を示す断面図である。絶縁膜３４は、被覆性の良いスパッタ法またはＰ−ＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により成膜される。これにより、埋め込み層１４から露出した導波路１６の側面も絶縁膜３４に覆われる。
次に、開口形成工程を実施する。図６は、実施の形態１の開口形成工程を説明する平面図である。図７は、実施の形態１の開口形成工程を説明する断面図である。まず、絶縁膜３４の上にフォトレジストを形成する。次にフォトレジストをパターニングする。このとき、例えば端部１７の両側でフォトレジストに開口を設ける。次に、フォトレジストをマスクとして、絶縁膜エッチングを実施する。これにより、絶縁膜３４に複数の開口３６を設ける。複数の開口３６は、導波路１６の端部１７の両側にそれぞれ設けられる。開口３６からは露出部１８が露出する。
次に、エッチング工程を実施する。図８は、実施の形態１のエッチング工程を説明する断面図である。エッチング工程では、絶縁膜３４をマスクとして、ウェットエッチングを行う。このとき、導波路層３２よりも第１導電性層２４に対してエッチングレートが大きいエッチング液を用いる。また、エッチング液は、導波路層３２よりも基板２０に対してエッチングレートが大きい。このとき、ＨＢｒ系またはＨＣｌ系のエッチング液が使用できる。
エッチング工程では、基板２０をエッチング液に浸ける。これにより、等方性のエッチングが実施される。エッチング液は、開口３６から基板２０を侵食し、第１導電性層２４に到達する。この後、エッチング液は第１導電性層２４を侵食し、導波路層３２に到達する。導波路層３２でエッチングはストップする。以上から、端部１７において、導波路１６と基板２０の間には空洞２５が形成される。なお、図８では、エッチングにより除去された部分が破線で示されている。本実施の形態に係る半導体装置１００の製造方法では、ＨＢｒ系またはＨＣｌ系のエッチング液を使用することで、ＩｎＰ層とＩｎＧａＡｓＰ層のうちＩｎＰ層のエッチングを選択的に促進できる。
エッチング工程では、端部１７で第１導電性層２４の一部を除去し、分断領域２３を端部１７に設ける。また、基板２０には溝２２が分断領域２３の直下に設けられる。溝２２は、分断領域２３の直下を通り、導波路１６の両側の露出部１８のうち一方から他方まで伸びる。分断領域２３において、導波路１６は中空導波路となる。
本実施の形態に係る半導体装置１００では、導波路１６の端部１７の両側で埋め込み層１４が除去され、埋め込み層１４が導波方向に分断されている。半導体レーザー１２と導波路１６の結合部の周囲で、導電性を有する層が除去されることで、埋め込み層１４によるレーザー光の導波への電気的な影響を抑制できる。このため、埋め込み層１４への電流の広がりを抑制できる。
また、発光層２６および導波路層３２の直下に設けられた第１導電性層２４には電流が流れ易い。本実施の形態では、導波路１６の端部１７で、第１導電性層２４が導波方向に分断されている。従って、半導体レーザー１２と導波路１６の結合部から第１導電性層２４の導波路１６側に電流が漏れることを抑制できる。以上から、本実施の形態では、半導体装置１００の特性を安定させることができる。また、半導体装置１００の消費電力を低減できる。
本実施の形態では、半導体装置１００は４波長集積素子であるものとした。これに限らず、本実施の形態は半導体レーザーと導波路を接続したあらゆる構造に適用できる。この変形は以下の実施の形態に係る半導体装置および半導体装置の製造方法について適宜応用することができる。なお、以下の実施の形態に係る半導体装置および半導体装置の製造方法については実施の形態１との共通点が多いので、実施の形態１との相違点を中心に説明する。
実施の形態２．
図９は、実施の形態２の半導体装置２００の製造方法を説明する断面図である。実施の形態では、基板２２０の構造が実施の形態１と異なる。基板２２０の上面側には、エッチングストップ層２３８が設けられる。第１導電性層２４は、エッチングストップ層２３８の上に設けられる。エッチングストップ層２３８は絶縁性のエピタキシャル成長層である。エッチングストップ層２３８は、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰから形成される。また、露出部２１８ではエッチングストップ層２３８が埋め込み層１４から露出している。
次に、本実施の形態に係る半導体装置２００の製造方法を説明する。絶縁膜３４を形成する工程までは実施の形態１と同様である。次に、開口形成工程を実施する。開口形成工程では、導波路１６の端部１７の両側で絶縁膜３４に複数の開口２３６をそれぞれ設ける。複数の開口２３６は、エッチングストップ層２３８と、第１導電性層２４とを露出させるように設けられる。ここで、絶縁膜３４の第１導電性層２４の側面を覆う部分を除去することで、第１導電性層２４が露出する。
次に、エッチング工程を実施する。図１０は、実施の形態２のエッチング工程を説明する断面図である。エッチング工程では、エッチングストップ層２３８よりも第１導電性層２４に対してエッチングレートが大きいエッチング液を用いる。また、エッチング液は、導波路層３２よりも第１導電性層２４に対してエッチングレートが大きい。エッチング工程では、例えばＨＢｒ系のエッチング液を用いることができる。本実施の形態では、基板２２０にエッチングストップ層２３８が設けられることで、エッチング液は基板２２０を侵食せず、開口２３６から第１導電性層２４を侵食する。実施の形態１と同様に、エッチング液が導波路層３２に到達すると、エッチングはストップする。
以上から、導波路１６の端部１７に第１導電性層２４が導波方向に分断されている分断領域２３が形成される。分断領域２３の直下には、基板２２０と導波路１６との間に空洞２２５が形成される。なお、図１０ではエッチングにより除去された部分が破線で示されている。
本実施の形態では、エッチング工程において第１導電性層２４のみを除去できる。基板２２０が侵食されないことで、後の工程で半導体装置２００に塗布膜を設ける場合などに、実施の形態１と比較して塗布膜の均一性を向上できる。また、実施の形態１と比較して半導体装置２００を外力に対する強度を向上できる。
実施の形態３．
図１１は、実施の形態３の半導体装置３００の断面図である。半導体装置３００の分断領域２３では、導波路１６は断面視において保護絶縁膜３４０に取り囲まれる。本実施の形態に係る半導体装置３００の製造方法では、分断領域２３を形成した後に、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）成膜法で導波路１６の端部１７に保護絶縁膜３４０を形成する。本実施の形態では、被覆性の良いＣＶＤ成膜法を用いることで、分断領域２３で導波路１６が保護絶縁膜３４０で取り囲まれる。このとき、導波路１６の側面および裏面も保護絶縁膜３４０で覆われた構造が得られる。導波路１６の裏面は導波路１６の基板２０と対向する面である。
本実施の形態では、被覆性の良い成膜方法を使うことで中空導波路である導波路１６の端部１７を保護絶縁膜３４０で覆うことができる。これにより、後の工程での薬品への耐性を向上できる。また、実施の形態１と比較して、半導体装置３００の外力に対する強度を向上できる。また、保護絶縁膜３４０の厚みまたは屈折率を制御することで、レーザー光の導波の特性を安定させることができる。
実施の形態４．
図１２は、実施の形態４の半導体装置４００の断面図である。半導体装置４００は、分断領域２３で導波路層３２と基板２０との間を埋めるポリイミド４４２を備える。ポリイミド４４２は、半導体レーザー１２、導波路１６、埋め込み層１４および露出部１８を覆うように設けられる。本実施の形態に係る半導体装置４００の製造方法は、半導体レーザー１２、導波路１６、埋め込み層１４および露出部１８にポリイミド４４２を塗布する工程を備える。ポリイミド４４２は塗布膜であるため、分断領域２３において導波路層３２と基板２０との間はポリイミド４４２で埋められる。
本実施の形態では、導波路層３２と基板２０との間が塗布膜で埋められるため、後の工程での薬品耐性を向上できる。また、実施の形態１と比較して、半導体装置４００の外力に対する強度を向上できる。また、屈折率の低いポリイミド４４２で導波路１６を覆うことで、レーザー光の導波の特性を安定させることができる。本実施の形態の変形例として、ポリイミド４４２の代わりにＢＣＢ（Ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ）を用いても良い。なお、各実施の形態で説明した技術的特徴は適宜に組み合わせて用いてもよい。
１００、２００、３００、４００ 半導体装置、 １２ 半導体レーザー、 １４ 埋め込み層、 １６ 導波路、 １７ 端部、 １８、２１８ 露出部、 ２０、２２０ 基板、 ２２ 溝、 ２３ 分断領域、 ２４ 第１導電性層、 ３２ 導波路層、 ３４ 絶縁膜、 ３６、２３６ 開口、 ２３８ エッチングストップ層、 ３４０ 保護絶縁膜、 ４４２ ポリイミド

Claims (10)

  1. 基板と、
    前記基板の上面に設けられ、レーザー光を発する半導体レーザーと、
    前記基板の上面に設けられた第１導電性層と、前記第１導電性層の上に設けられ前記レーザー光を導波させる導波路層と、を有する導波路と、
    前記基板の上面に設けられ、前記半導体レーザーと前記導波路とを取り囲む埋め込み層と、
    を備え、
    前記導波路の前記半導体レーザーと接続される端部の両側には、前記埋め込み層が前記導波路の導波方向に分断されることで、前記基板が前記埋め込み層から露出した露出部が設けられ、
    前記端部には、前記第１導電性層が前記導波方向に分断されている分断領域が設けられることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記基板には、前記導波方向と垂直な方向の幅が前記導波路の幅よりも広い溝が、前記分断領域の直下に設けられることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記基板の上面側には、エッチングストップ層が設けられ、
    前記露出部では、前記エッチングストップ層が前記埋め込み層から露出していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記分断領域で、前記導波路は断面視において保護絶縁膜に取り囲まれることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置。
  5. 前記分断領域で、前記導波路層と前記基板との間を埋めるポリイミドを備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置。
  6. 基板の上面に、レーザー光を発する半導体レーザーを形成する工程と、
    前記基板の上面に設けられた第１導電性層と、前記第１導電性層の上に設けられ前記レーザー光を導波させる導波路層と、を有する導波路を形成する工程と、
    前記基板の上面に、前記半導体レーザーと前記導波路とを取り囲む埋め込み層を形成する工程と、
    前記埋め込み層が前記導波路の導波方向に分断されるように、前記導波路の前記半導体レーザーと接続される端部の両側で前記埋め込み層の一部を除去し、前記基板が前記埋め込み層から露出した露出部を形成する工程と、
    前記半導体レーザーと、前記導波路と、前記埋め込み層と、前記露出部と、を絶縁膜で覆う工程と、
    前記絶縁膜に複数の開口を前記導波路の両側にそれぞれ設け、前記露出部を露出させる開口形成工程と、
    前記絶縁膜をマスクとして、前記導波路層よりも前記第１導電性層に対してエッチングレートが大きいエッチング液を用いてウェットエッチングを行い、前記端部で前記第１導電性層の一部を除去し、前記第１導電性層が前記導波方向に分断された分断領域を前記端部に設けるエッチング工程と、
    を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  7. 前記エッチング液は、前記導波路層よりも前記基板に対してエッチングレートが大きく、
    前記エッチング工程では、前記導波方向と垂直な方向の幅が前記導波路の幅よりも広い溝が、前記基板の前記分断領域の直下に設けられることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記基板の上面側には、エッチングストップ層が設けられ、
    前記開口形成工程では、前記エッチングストップ層と、前記第１導電性層と、を露出させるように前記複数の開口が設けられ、
    前記エッチング液は、前記エッチングストップ層よりも前記第１導電性層に対してエッチングレートが大きいことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記分断領域で、前記導波路が断面視において保護絶縁膜で取り囲まれるように、ＣＶＤ成膜法で前記保護絶縁膜を形成する工程を備えることを特徴とする請求項６〜８の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記分断領域で、前記導波路層と前記基板との間をポリイミドで埋める工程を備えることを特徴とする請求項６〜８の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
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