(57)【要約】【課題】半導体装置の性能を向上させる。【解決手段】半導体装置は、光導波路ＷＧと、光導波路ＷＧに接続されたグレーティングカプラＧＣとを備え、グレーティングカプラＧＣは、交互に配置された複数の格子溝ＧＧと複数の格子歯ＧＴとを含む。そして、格子歯ＧＴは、半導体層ＳＬの主面ＳＬａ側に形成された凸部ＳＬｐと、凸部ＳＬｐ上に形成されたキャップ層ＣＰとの積層構造で構成され、半導体層ＳＬおよびキャップ層ＣＰは、単結晶シリコン層で構成されている。【選択図】図３
2020091309.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、第１領域と第２領域とを備え、前記第１領域において、その主面側に複数の凸部と複数の凹部とが交互に形成された半導体層と、
前記複数の凸部上に形成された複数のキャップ層と、
前記複数のキャップ層上に形成された第２絶縁層と、
を有し、
前記半導体層および前記複数のキャップ層は、単結晶シリコン層で構成され、
前記第１絶縁層および前記第２絶縁層の屈折率は、前記半導体層および前記複数のキャップ層の屈折率よりも低い、半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
さらに、
前記複数の凸部間において、前記複数の凹部の各々を埋めるように設けられた第３絶縁層を有し、
前記第３絶縁層の屈折率は、前記半導体層および前記複数のキャップ層の屈折率よりも低い、半導体装置。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記半導体層の前記第１領域において、前記複数の凹部および前記複数の凸部を含む前記半導体層ならびに前記複数のキャップ層は、グレーティングカプラを構成し、
前記第１領域に連続する前記第２領域において、前記半導体層は、光導波路を構成している、半導体装置。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体装置において、
前記凹部の深さは、前記光導波路の膜厚の１／４〜１／２である、半導体装置。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記複数のキャップ層の各々の膜厚は、光導波路の膜厚の１／１０〜１／３である、半導体装置。
【請求項６】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記複数の凹部と前記複数の凸部とが配列された方向において、前記複数のキャップ層の各々の幅は、前記凸部の幅よりも狭い、半導体装置。
【請求項７】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記第１領域において、前記第２領域との境界には、前記複数の凸部の内の１つの凸部が配置されており、
前記１つの凸部上には、前記複数のキャップ層の内の１つのキャップ層が配置されている、半導体装置。
【請求項８】
請求項２に記載の半導体装置において、
前記複数の凹部と前記複数の凸部とが配列された方向において、前記キャップ層の各々は、中央部と、前記中央部を挟む２つの端部とを有し、前記中央部の膜厚は、前記２つの端部の各々の膜厚よりも大きい、半導体装置。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体装置において、
前記複数の凹部と前記複数の凸部とが配列された方向において、前記２つの端部の断面形状は、円弧状である、半導体装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の半導体装置において、
前記２つの端部は、ぞれぞれ、前記第３絶縁層上に乗り上げている、半導体装置。
【請求項１１】
（ａ）基板と、前記基板上の第１絶縁層と、前記第１絶縁層上の半導体層と、を含むＳＯＩ基板を準備する工程、
（ｂ）前記半導体層の主面側に、第１方向に等間隔に配置される複数の凹部を形成する工程、
（ｃ）前記複数の凹部を埋め、前記複数の凹部間に位置する複数の凸部を露出する第２絶縁層を形成する工程、
（ｄ）前記複数の凸部上に複数のキャップ層を形成する工程、
（ｅ）前記半導体層の前記主面上に、前記第２絶縁層および前記複数のキャップ層を覆う第３絶縁層を形成する工程、
を有し、
前記半導体層および前記複数のキャップ層は、単結晶シリコン層で構成され、
前記第１絶縁層および前記第３絶縁層の屈折率は、前記半導体層および前記複数のキャップ層の屈折率よりも低い、半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記（ｄ）工程において、前記キャップ層は、エピタキシャル成長法を用いて形成する、半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記（ｄ）工程において、前記複数のキャップ層の各々の膜厚は、前記凸部の高さよりも薄い、半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
請求項１１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記（ｃ）工程において、前記第２絶縁層は、その一部が前記複数の凸部に重なるように加工する、半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１方向において、前記複数のキャップ層の各々の幅は、前記複数の凸部の各々の幅よりも狭い、半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、例えば、グレーティングカプラを含む半導体装置に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信技術として、シリコンフォトニクスが知られている。シリコンフォトニクスで用いられる半導体装置は、例えば、半導体基板、半導体基板上の絶縁層、および、絶縁層上の半導体層で構成されたＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板に形成されており、半導体層には、光導波路と、光導波路に接続されたグレーティングカプラとが形成されている。半導体装置と、外部の光ファイバとの間の光信号の受け渡しは、グレーティングカプラおよび光導波路を介して行われる。グレーティングカプラは、例えば、光導波路を介して入力光（光入力信号）を受け取り回折により光軸を変換して光ファイバへ出力光（光出力信号）するものである。グレーティングカプラは、凹部である格子溝と、凸部である格子歯とが交互に配置された回折格子を含む。
【０００３】
例えば、特開２０１７−３２９１１号公報（特許文献１）には、ＳＯＩ基板に形成されたグレーティングカプラが開示されている。
【０００４】
また、非特許文献１には、深い格子溝を設けることで、結合強度（グレーティングカプラの入力光に対する出力光の比率）を向上させる技術が開示されている。具体的には、ＳＯＩ基板の半導体層上に、グレーティングカプラ形成領域に開口を有するマスクを形成し、ＳＯＩ基板上にポリシリコン層を堆積した後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）を用いて開口内に選択的にポリシリコン層を残す。そして、半導体層およびポリシリコン層の積層膜にエッチングを実施して、ポリシリコン層および半導体層に深い格子溝を形成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１７−３２９１１号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Gunther Roelkens, Dries Van Thourhout, Roel Baets, “High efficiency Silicon-on-Insulator grating coupler based on a poly-Silicon overlay” 27 November 2006 / Vol. 14, No. 24 / OPTICS EXPRESS 11622
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１８は、先行技術文献の課題を説明する断面図である。非特許文献１の製法では、ＣＭＰを用いるため、半導体層ＳＬ上のポリシリコン層ＰＬにディッシングが発生し、ポリシリコン層ＰＬの膜厚が不均一となる。例えば、グレーティングカプラＧＣの形成領域において、中央部の膜厚は、周辺部の膜厚に比べてｄ０だけ薄くなる。そして、半導体層ＳＬおよびポリシリコン層ＰＬの積層膜にエッチングを実施すると、中央部の格子溝ＧＧの深さは、周辺部の格子溝ＧＧの深さよりｄ０だけ深くなる。このように、グレーティングカプラＧＣの複数の格子溝ＧＣにおいて深さバラツキが発生する。
【０００８】
また、深い格子溝ＧＧをエッチングで形成するため、半導体ウエハ面内におけるエッチングバラツキが発生する。つまり、複数のチップ（半導体装置）が配置された半導体ウエハにおいて、チップ間で格子溝ＧＧの深さバラツキが発生する。
【０００９】
このように、チップ内またはチップ間において、格子溝ＧＧの深さバラツキが発生するため、結合強度（出力光Ｌｏ／入力光Ｌｉ）が低下し、半導体装置の性能が低下することが判明した。
【００１０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一実施の形態によれば、半導体装置は、光導波路と、光導波路に接続されたグレーティングカプラとを備え、グレーティングカプラは、交互に配置された複数の格子溝と複数の格子歯とを含む。そして、格子歯は、半導体層の主面側に形成された凸部と、凸部上に形成されたキャップ層との積層構造で構成され、半導体層およびキャップ層は、単結晶シリコン層で構成されている。
【発明の効果】
【００１２】
一実施の形態によれば、半導体装置の性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態１の半導体装置と光ファイバとの結合を示す斜視図である。
【図２】実施の形態１のグレーティングカプラの平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ´に沿う断面図である。
【図４】図３のＢ部の拡大断面図である。
【図５】実施の形態１の半導体装置の製造工程中の断面図である。
【図６】図５に続く半導体装置の製造工程中の断面図である。
【図７】図６に続く半導体装置の製造工程中の断面図である。
【図８】図７に続く半導体装置の製造工程中の断面図である。
【図９】図４の変形例１である拡大断面図である。
【図１０】図４の変形例２である拡大断面図である。
【図１１】実施の形態２の半導体装置と光ファイバとの結合を示す斜視図である。
【図１２】実施の形態２のグレーティングカプラの平面図である。
【図１３】図１２のＣ−Ｃ´に沿う断面図である。
【図１４】実施の形態３の半導体装置が適用されるシステム図である。
【図１５】実施の形態３の半導体装置で用いられる波長帯域を示す図である。
【図１６】実施の形態３の半導体装置と光ファイバとの結合を示す斜視図である。
【図１７】実施の形態３の半導体装置の要部拡大断面図である。
【図１８】先行技術文献の課題を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下の実施の形態においては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。さらに、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。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。
【００１５】
以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
【００１６】
また、実施の形態で用いる平図面においては、図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。
【００１７】
（実施の形態１）
＜半導体装置の構造＞
図１は、実施の形態１の半導体装置ＳＤ１と光ファイバＦＢとの結合を示す斜視図、図２は、実施の形態１のグレーティングカプラの平面図、図３は、図２のＡ−Ａ´に沿う断面図、図４は、図３のＢ部の拡大断面図である。
【００１８】
図１に示すように、半導体装置ＳＤ１は、グレーティングカプラＧＣと、グレーティングカプラＧＣに接続された光導波路ＷＧとを含む。図視しないが、半導体装置ＳＤ１は、論理回路を含み、例えば、論理回路からの信号は、光信号に変換され、光導波路ＷＧを介して入力光ＬｉとしてグレーティングカプラＧＣに入力され、グレーティングカプラＧＣで回折により光軸変換され、光ファイバＦＢに出力光Ｌｏとして出力される。光ファイバＦＢは、光を導波するコアＣＲと、コアＣＲの周囲を囲むクラッドＣＬとで構成されている。ここでは、グレーティングカプラＧＣを介して、光信号を、光ファイバＦＢに出力する例を示したが、逆に、光ファイバＦＢからグレーティングカプラＧＣを介して、半導体装置ＳＤ１に光信号を取り込むことも出来る。
【００１９】
図２に示すように、Ｘ方向において、光導波路ＷＧは、テーパ導波路ＴＷＧを介してグレーティングカプラＧＣに接続されている。Ｙ方向において、グレーティングカプラＧＣの幅は、光導波路ＷＧの幅よりも広く、テーパ導波路ＴＷＧでは、光導波路ＷＧからグレーティングカプラＧＣに向かって、徐々に、その幅が増加している。以下、テーパ導波路ＴＷＧを含めて光導波路ＷＧと呼ぶ場合が有る。なお、Ｘ方向は、光導波路ＷＧからグレーティングカプラＧＣに向かう方向であり、Ｙ方向は、Ｘ方向に直交する方向である。
【００２０】
グレーティングカプラＧＣは、平面視において矩形を有し、複数の格子溝ＧＧと複数の格子歯ＧＴとを含み、Ｘ方向において、格子溝ＧＧと格子歯ＧＴとは交互に配置されている。また、格子溝ＧＧと格子歯ＧＴとは、Ｙ方向に直線的に延在している。また、格子歯ＧＴ上には、キャップ層（シリコン層）ＣＰが設けられている。なお、グレーティングカプラＧＣは、矩形に限定されるものではなく、例えば、扇型でもよい。その場合、格子溝ＧＧと格子歯ＧＴとは、円弧状とするのが好ましい。
【００２１】
図３に示すように、グレーティングカプラＧＣ、テーパ導波路ＴＷＧおよび光導波路ＷＧは、ＳＯＩ基板ＳＳＢの半導体層ＳＬに形成されている。図示しない論理回路を構成する複数のＭＩＳＦＥＴも半導体層ＳＬに形成されている。
【００２２】
ＳＯＩ基板ＳＳＢは、ｐ型またはｎ型の単結晶シリコンからなる基板（半導体基板）ＳＢと、基板ＳＢ上に形成された絶縁層（埋め込み絶縁層、クラッド層）ＢＸと、絶縁層ＢＸ上に形成された半導体層（シリコン層、コア層）ＳＬで構成されている。絶縁層ＢＸは、例えば酸化シリコン層からなり、その膜厚は、例えば、２〜３μｍである。絶縁層ＢＸは、光導波路ＷＧを伝播する光が基板ＳＢに漏れ出すのを防止する為に、比較的厚く形成されている。半導体層ＳＬは、単結晶シリコン層からなり、その膜厚は、２００〜２５０ｎｍである。半導体層ＳＬは、主面（第１面）ＳＬａと、主面ＳＬａと反対側の裏面（第２面）ＳＬｂとを有する。図３に示すＺ方向は、裏面ＳＬｂから主面ＳＬａに向かう方向であり、主面ＳＬａに垂直な方向である。
【００２３】
光導波路ＷＧおよびテーパ導波路ＴＷＧは、半導体層ＳＬで構成されており、その膜厚は、２００〜２５０ｎｍである。
【００２４】
グレーティングカプラＧＣは、複数の格子歯ＧＴおよび複数の格子溝ＧＧを含み、格子歯ＧＴと格子溝ＧＧとは、Ｘ方向において、交互に配置されている。格子歯ＧＴは、半導体層ＳＬの主面ＳＬａ側に形成された単結晶シリコン層からなる凸部ＳＬｐと、凸部ＳＬｐ上に形成された単結晶シリコン層からなるキャップ層（シリコン層）ＣＰとの積層構造からなる。また、格子溝ＧＧは、半導体層ＳＬの主面ＳＬａ側に形成された凹部ＳＬｃと、隣り合うキャップ層ＣＰの間の凹部ＣＰｃとからなる。凹部ＳＬｃの深さは、半導体層ＳＬの膜厚よりも小さく、凹部ＳＬｃおよび凸部ＳＬｐと、裏面ＳＬｂとの間には、板状半導体層ＳＬｔが存在しており、光導波路ＷＧから入射した光は、板状半導体層ＳＬｔを伝播して、グレーティングカプラＧＣの端部に位置する格子溝ＧＧおよび格子歯ＧＴに達する。
【００２５】
また、グレーティングカプラＧＣの複数の格子歯ＧＴの内で、最も光導波路ＷＧに近接した格子歯ＧＴも、凸部ＳＬｐと、凸部ＳＬｐ上に形成されたキャップ層ＣＰとの積層構造となっている。
【００２６】
複数の格子溝ＧＧは、酸化シリコン層からなる絶縁層ＩＦで埋め込まれており、キャップ層ＣＰおよび絶縁層ＩＦは、例えば、酸化シリコン層からなる層間絶縁層（絶縁層、クラッド層）ＩＬで覆われている。また、光導波路ＷＧ（テーパ導波路ＴＷＧを含む）は、絶縁層ＩＦと層間絶縁層ＩＬの積層膜で覆われている。グレーティングカプラＧＣおよび光導波路ＷＧ（テーパ導波路ＴＷＧを含む）の側壁は、絶縁層ＩＦで覆われている。絶縁層ＢＸ、絶縁層ＩＦおよび層間絶縁層ＩＬは、光導波路ＷＧを伝播する光を、光導波路ＷＧの内部に閉じ込めるためのクラッド層であり、絶縁層ＢＸ、絶縁層ＩＦおよび層間絶縁層ＩＬの屈折率は、半導体層ＳＬおよびキャップ層ＣＰの屈折率よりも小さい。
【００２７】
図３に示すように、入力光Ｌｉは、光導波路ＷＧ（テーパ導波路ＴＷＧを含む）からグレーティングカプラＧＣに入り、複数の格子溝ＧＧおよび複数の格子歯ＧＴで回折され、半導体装置ＳＤ１の外部に出力光Ｌｏを出力する。
【００２８】
図４に示すように、グレーティングカプラＧＣは、半導体層ＳＬの主面ＳＬａ側に形成された格子溝ＧＧ、格子歯ＧＴ、ならびに、格子溝ＧＧおよび格子歯ＧＴと裏面ＳＬｂとの間に設けられた板状半導体層ＳＬｔを含む。板状半導体層ＳＬｔの膜厚ｄ５は、光導波路ＷＧから入力した光をグレーティングカプラＧＣの全域に伝播する為に、光導波路ＷＧの膜厚ｄ４の１／２以上とするのが好ましい。
【００２９】
格子溝ＧＧは、半導体層ＳＬに設けられた凹部ＳＬｃと、隣接するキャップ層ＣＰ間に位置する凹部ＣＰｃとで構成されている。つまり、格子溝ＧＧの深さｄ３は、凹部ＳＬｃの深さｄ１と、凹部ＣＰｃの深さｄ２との和となっている。半導体層ＳＬに設けられた凹部ＳＬｃの深さｄ１は、例えば、５０〜１００ｎｍ程度とする。凹部ＳＬｃの深さｄ１は、光導波路ＷＧ（言い換えると、半導体層ＳＬ）の膜厚ｄ４の１／４〜１／２が好ましい。
【００３０】
格子歯ＧＴは、半導体層ＳＬに設けられた凸部ＳＬｐと、凸部ＳＬｐ上に設けられたキャップ層ＣＰとの積層構造である。つまり、格子歯ＧＴの高さｄ３は、凸部ＳＬｐの高さｄ１と、キャップ層の膜厚ｄ２との和となっている。キャップ層ＣＰの膜厚ｄ２は、例えば、２０〜８０ｎｍ程度とする。キャップ層の膜厚ｄ２は、光導波路ＷＧの膜厚ｄ４の１／１０〜１／３が好ましい。また、Ｘ方向において、キャップ層ＣＰの幅ｃは、凸部ＳＬｐの幅ｂよりも小さく、キャップ層ＣＰの側面Ｓ２は、凸部ＳＬｐの側面Ｓ１よりも、凸部ＳＬｐの内部側に寸法ａだけ後退している。言い換えると、絶縁層ＩＦは、凸部ＳＬｐ上に寸法ａだけオーバーラップしている。また、キャップ層ＣＰは、凸部ＳＬｐから格子溝ＧＧ側に張り出していない。キャップ層ＣＰの反対側の側面Ｓ２も同様である。
【００３１】
＜半導体装置の製造方法＞
次に、実施の形態１の半導体装置ＳＤ１の製造方法を説明する。図５〜図８は、実施の形態１の半導体装置ＳＤ１の製造工程中の断面図である。図５〜図８に示す断面図は、図３の断面図に対応している。
【００３２】
まず、ＳＯＩ基板ＳＳＢを準備する。ＳＯＩ基板ＳＳＢは、ｐ型またはｎ型の単結晶シリコンからなる基板ＳＢと、基板ＳＢ上に形成された絶縁層ＢＸと、絶縁層ＢＸ上に形成された半導体層ＳＬで構成されている。
【００３３】
次に、図５に示すように、半導体層ＳＬの主面ＳＬａ上に、複数の開口ＯＰ１を有する絶縁層（マスク層）ＩＦ１を設ける。複数の開口ＯＰ１は、グレーティングカプラＧＣの形成領域に設けられており、図３の格子溝ＧＧに対応している。光導波路ＷＧの形成領域は、絶縁層ＩＦ１で覆われている。次に、絶縁層ＩＦ１をマスクとして、半導体層ＳＬに、例えば、ドライエッチングを施し、開口ＯＰ１から露出した半導体層ＳＬに凹部ＳＬｃを形成する。その結果、複数の凹部ＳＬｃ間には、凸部ＳＬｐが形成される。凹部ＳＬｃの深さは、比較的浅く、前述のとおり、光導波路ＷＧ（言い換えると、半導体層ＳＬ）の膜厚の１／４〜１／２が好ましい。ドライエッチングの完了後に、絶縁層ＩＦ１を除去する。
【００３４】
次に、図６に示すように、複数の凹部ＳＬｃを埋めるように、半導体層ＳＬ上に絶縁層ＩＦａを形成する。絶縁層ＩＦａは、グレーティングカプラＧＣおよび光導波路ＷＧの形成領域の全体に形成される。次に、絶縁層ＩＦａ上に、複数の開口ＯＰ２を有する絶縁層（マスク層）ＩＦ２を形成する。開口ＯＰ２は、凸部ＳＬｐに対応しており、光導波路ＷＧの形成領域および複数の凹部ＳＬｃは、絶縁層ＩＦ２で覆われている。
【００３５】
次に、絶縁層ＩＦ２をマスクとして、絶縁層ＩＦａをパターニングし、図７に示す絶縁層ＩＦを形成する。絶縁層ＩＦの形成後に、絶縁層ＩＦ２を除去する。絶縁層ＩＦは、光導波路ＷＧの形成領域を覆っており、グレーティングカプラＧＣの形成領域で、複数の凹部ＳＬｃを覆っている。図４で説明したように、絶縁層ＩＦは、凹部ＳＬｃを覆い、さらに、凹部ＳＬｃの両側に位置する２つの凸部ＳＬｐ上に延在している。
【００３６】
次に、図８に示すように、絶縁層ＩＦから露出した半導体層ＳＬの主面ＳＬａ上に、エピタキシャル成長により単結晶シリコンからなるキャップ層ＣＰを形成する。キャップ層ＣＰの膜厚は、前述のとおり、光導波路ＷＧ（言い換えると、半導体層ＳＬ）の膜厚の１／１０〜１／３が好ましい。
【００３７】
次に、図３に示すように、絶縁層ＩＦおよびキャップ層ＣＰを覆うように層間絶縁層ＩＬを形成して、半導体装置ＳＤ１が完成する。
【００３８】
＜実施の形態１の半導体層ＳＤ１およびその製造方法の特徴＞
グレーティングカプラＧＣの格子歯ＧＴを、単結晶シリコンからなる半導体層ＳＬの主面ＳＬａ側に設けられた凸部ＳＬｐと、凸部ＳＬｐ上に設けられた単結晶シリコンからなるキャップ層ＣＰとの積層構造としたことで、深い格子溝ＧＧおよび高い格子歯ＧＴとすることができ、結合強度を向上することができる。
【００３９】
また、格子歯ＧＴを、単結晶シリコンからなる凸部ＳＬｐと、単結晶シリコンからなるキャップ層ＣＰとで形成したことで、光の反射、散乱を防止でき、結合強度を向上することができる。非特許文献１の格子歯は、単結晶シリコンと多結晶シリコンとの積層構造となっているため、単結晶シリコンと多結晶シリコンとの界面または多結晶シリコンの粒界において、光の反射、散乱が発生し、結合強度が低下する。
【００４０】
また、凸部ＳＬｐをエッチングで形成し、キャップ層ＣＰをエピタキシャル成長で形成したことにより、格子溝ＧＧの深さバラツキを低減することができ、結合強度を向上できる。非特許文献１に比べ、エッチング量を低減できること、さらに、エッチングに比べて膜厚制御性が高いエピタキシャル成長でキャップ層ＣＰを形成するからである。
【００４１】
また、ＣＭＰを使用しない製造方法の為、非特許文献１にくらべ、格子溝ＧＧの深さバラツキ（言い換えると、格子歯ＧＴの高さバラツキ）を低減することができる。
【００４２】
また、図４および図７で説明したように、エピタキシャル成長において、絶縁膜ＩＦが凹部ＳＬｃを覆い、かつ、凸部ＳＬｐ上に延在しているため、凸部ＳＬｐの側壁にキャップ層ＣＰが形成されることがなく、結合強度を向上することができる。つまり、キャップ層ＣＰの幅ｃは、凸部ＳＬｐの幅ｂよりも小さいことが好ましい。仮に、幅ｃ≧幅ｂの関係の場合、凹部ＳＬｃの側壁が絶縁層ＩＦから露出するケースが発生し、エピタキシャル成長工程において、凹部ＳＬｃの側壁にも単結晶シリコンからなるキャップ層ＣＰが形成され、格子溝ＧＧおよび格子歯ＧＴの幅が変動してしまう。その為、適切な回折がなされず、結合強度が低下する。
【００４３】
また、凹部ＳＬｃの深さｄ３（図４参照）を、光導波路ＷＧ（言い換えると、半導体層ＳＬ）の膜厚ｄ４の１／４〜１／２とするのが好適である。凹部ＳＬｃの深さｄ３が光導波路ＷＧの膜厚ｄ４の１／４未満だと、光導波路ＷＧとグレーティングカプラＧＣとの屈折率変化が小さいため、回折強度が弱くなり、結合強度が低下する。また、凹部ＳＬｃの深さｄ３が光導波路ＷＧの膜厚ｄ４の１／２以上だと、格子溝ＧＧにおける散乱のため、板状半導体層ＳＬｔを伝播する光の損失が大となり、結合強度が低下する。
【００４４】
また、キャップ層ＣＰの膜厚ｄ２（図４参照）は、光導波路ＷＧ（言い換えると、半導体層ＳＬ）の膜厚ｄ４の１／１０〜１／３とするのが好適である。キャップ層ＣＰの膜厚ｄ２が光導波路ＷＧの膜厚ｄ４の１／１０未満だと屈折率変化量が小さく、キャップ層ＣＰの膜厚ｄ２が光導波路ＷＧの膜厚ｄ４の１／３以上だとキャップ層ＣＰに結晶欠陥が発生しやすい。また、エピタキシャル成長工程で、絶縁層ＩＦ上にも単結晶シリコンが成長する選択エピタキシャル成長崩れが発生しやすい。その結果、格子溝ＧＧまたは格子歯ＧＴにおいて、光の散乱、反射が発生し、結合強度が低下する。
【００４５】
図９は、図４の変形例１である拡大断面図である。変形例１では、実施の形態１に比べ、キャップ層ＣＰ１を厚く形成している。図９に示すように、キャップ層ＣＰ１は、中央部ＣＰｍと、中央部ＣＰｍの両側に端部ＣＰｅを有する。中央部ＣＰｍの断面は、矩形であり、端部ＣＰｅの断面は、中心角が９０°の円の一部である。つまり、端部ＣＰｅは、断面視にて、円弧状である。中央部ＣＰｍの膜厚は、端部ＣＰｅの膜厚よりも大きい。
【００４６】
実施の形態１よりもキャップ層ＣＰ１の側壁長を増加させることができるため、言い換えると、格子溝ＧＧの深さ、格子歯ＧＴの高さを増加させることができるため、結合強度を向上することができる。さらに、変形例１によれば、図３に示す入力光Ｌｉの波長範囲を拡大できる。つまり、広帯域の波長の入力光Ｌｉに対して適用できる。
【００４７】
図１０は、図４の変形例２である拡大断面図である。変形例２では、変形例１に比べ、キャップ層ＣＰ２を厚く形成している。その結果、キャップ層ＣＰ２は、絶縁層ＩＦ上に、一部乗り上げている。つまり、Ｘ方向において、キャップ層ＣＰの幅Ｗ１は、凸部ＳＬｐ上における隣接する絶縁層ＩＦの間隔Ｗ２よりも大きい。実施の形態１よりもキャップ層ＣＰ２の側壁長を増加させることができるため、言い換えると、格子溝ＧＧの深さ、格子歯ＧＴの高さを増加させることができるため、結合強度を向上することができる。
【００４８】
（実施の形態２）
実施の形態２は、実施の形態１のグレーティングカプラの構造を、偏光分離グレーティングカプラに適用した例である。図１１は、実施の形態２の半導体装置と光ファイバとの結合を示す斜視図、図１２は、実施の形態２のグレーティングカプラの平面図、図１３は、図１２のＣ−Ｃ´に沿う断面図である。
【００４９】
グレーティングカプラＧＣａは、偏光分離グレーティングカプラである。図１１に示すように、半導体装置ＳＤ２は、グレーティングカプラＧＣａと、グレーティングカプラＧＣａに接続された光導波路ＷＧａおよびＷＧｂとを含む。グレーティングカプラＧＣａは、光ファイバＦＢからＰ偏光およびＳ偏光を入射させ、例えば、光導波路ＷＧａに出力光ＬｏａとしてＰ偏光を、光導波路ＷＧｂに出力光ＬｏｂとしてＳ偏光を分岐して出力することができる。
【００５０】
図１２に示すように、グレーティングカプラＧＣａには、テーパ導波路ＴＷＧを介して光導波路ＷＧａが接続され、光導波路ＷＧａとは異なる方向に、テーパ導波路ＴＷＧを介して光導波路ＷＧｂが接続されている。グレーティングカプラＧＣａは、例えば、円形の格子溝ＧＧを複数有し、複数の格子溝ＧＧは等間隔にマトリックス状に配置されている。そして、個々の格子溝ＧＧを囲むように格子歯ＧＴが面上に形成されており、格子歯ＧＴ上にキャップ層ＣＰ３が配置されている。格子溝ＧＧの形状は、円形に限定されず、矩形またはダイヤモンド形状等でもよい。
【００５１】
図３で説明した実施の形態１の半導体装置ＳＤ１と同様に、図１３に示すように、格子歯ＧＴは、単結晶シリコン層からなる半導体層ＳＬの主面ＳＬａ側に形成された凸部ＳＬｐと、凸部ＳＬｐ上に形成された単結晶シリコン層からなるキャップ層（シリコン層）ＣＰ３との積層構造からなる。また、格子溝ＧＧは、半導体層ＳＬの主面ＳＬａ側に形成された凹部ＳＬｃと、隣り合うキャップ層ＣＰ３の間の凹部ＣＰｃとからなる。従って、実施の形態１の半導体装置ＳＤ１と同様に、偏光分離グレーティングカプラの結合強度（出力光Ｌｏａ＋Ｌｏｂ／入力光Ｌｉ）を向上することができる。
【００５２】
なお、光導波路ＷＧａおよびＷＧｂから、それぞれ、Ｐ偏光およびＳ偏光をグレーティングカプラＧＣａに入射し、それらを合波して光ファイバＦＢに出力することもできる。
【００５３】
（実施の形態３）
実施の形態３は、実施の形態１のグレーティングカプラの構造を、合波器に適用した例である。例示しないが、分波器に適用することも出来る。図１４は、実施の形態３の半導体装置が適用されるシステム図、図１５は、実施の形態３の半導体装置で用いられる波長帯域を示す図、図１６は、実施の形態３の半導体装置と光ファイバとの結合を示す斜視図、図１７は、実施の形態３の半導体装置の要部拡大断面図である。
【００５４】
図１４は、波長分割多重方式（WDM:Wavelength Division Multiplexing）と呼ばれる大容量の信号を伝送するシステムを示している。このシステムは、送信側では、異なる波長の光を出射する複数の半導体レーザＬＤと光変調器を用いて光信号を作り、これらの光信号を、合波器を介して１本の光ファイバＦＢで伝送し、受信側では、分波器を介して各波長の光に分けてから光検出器ＰＤで信号を受信する。なお、各半導体レーザＬＤから出射される一定波長の光は、光変調器により電気信号を載せた光信号に変調される。光変調器は、入力される電気信号に応じて光の振幅や位相などを変調することで電気信号の情報を載せた光信号を作り合波器に出力する。波長分割多重方式には、ＤＷＤＭ（Dense WDM）と呼ばれる波長間隔の狭い規格で大容量長距離伝送に適したシステムと、ＣＷＤＭ（Coarse WDM）と呼ばれる波長間隔の広い規格で、比較的小容量で近距離の伝送に適したシステムがあるが、ここでは、ＤＷＤＭを用いて説明する。
【００５５】
図１５に示すように、ＤＷＤＭでは、Ｃ−ｂａｎｄおよびＬ−ｂａｎｄの光を使用している。例えば、短波長側からＬ−ｂａｎｄを複数のブロックＢＬ１〜ＢＬｎに分割し、ブロック毎に図１４に示す波長分割多重方式で光信号を伝送している。ブロックＢＬ１およびＢＬ２には、それぞれ、波長の異なる複数の光が含まれているが、ブロックＢＬ２の光の中心波長λ２は、ブロックＢＬ１の光の中心波長λ１よりも長い。
【００５６】
図１６に示すように、半導体装置ＳＤ３には、複数のグレーティングカプラＧＣ１およびＧＣ２、ならびに、複数の光導波路ＷＧ１およびＷＧ２が形成されている。例えば、ブロックＢＬ１では、中心波長λ１を有する複数の光信号が入力光Ｌ１ｉとして、光導波路ＷＧ１からグレーティングカプラＧＣ１に入力され、グレーティングカプラＧＣ１で回折により光軸変換され、光ファイバＦＢ１に出力光Ｌ１ｏとして出力される。同様に、ブロックＢＬ２では、中心波長λ２を有する複数の光信号が入力光Ｌ２ｉとして、光導波路ＷＧ２からグレーティングカプラＧＣ２に入力され、グレーティングカプラＧＣ２で回折により光軸変換され、光ファイバＦＢ２に出力光Ｌ２ｏとして出力される。なお、図１６では、ブロックＢＬ１およびＢＬ２のみを示しており、ブロックＢＬ３〜ＢＬｎを省略しているが、ブロックＢＬ３〜ＢＬｎも同様の構造を有する。
【００５７】
図１７に示すように、グレーティングカプラＧＣ１およびＧＣ２は、複数の格子歯ＧＴおよび複数の格子溝ＧＧを含み、格子歯ＧＴは、単結晶シリコン層からなる半導体層ＳＬの主面ＳＬａ側に形成された凸部ＳＬｐと、凸部ＳＬｐ上に形成された単結晶シリコン層からなるキャップ層ＣＰとの積層構造からなる。また、格子溝ＧＧは、半導体層ＳＬの主面ＳＬａ側に形成された凹部ＳＬｃと、隣り合うキャップ層ＣＰの間の凹部ＣＰｃとからなる。上記実施の形態１と同様である。
【００５８】
実施の形態３では、ブロックＢＬ２のグレーティングカプラＧＣ２に設けられたキャップ層ＣＰの膜厚を、ブロックＢＬ１のグレーティングカプラＧＣ１に設けられたキャップ層ＣＰの膜厚よりも薄くしている。言い換えると、中心波長λ２が長いブロックＢＬ２のグレーティングカプラＧＣ２に設けられたキャップ層ＣＰの膜厚を、中心波長λ１が短いブロックＢＬ１のグレーティングカプラＧＣ１に設けられたキャップ層ＣＰの膜厚よりも薄くしている。この関係は、全てのブロックＢＬ１〜ＢＬｎに対して適用する。このような構成とすることで、図１６に示すように、ブロックＢＬ１およびＢＬ２において、光ファイバＦＢの傾斜角度θを揃えることができる。つまり、多数の光ファイバＦＢを含む受光器の製造が容易となる。光ファイバＦＢの傾斜角度θとは、図１７に示すＺ方向に対する傾斜角であり、言い換えると、半導体層ＳＬの主面ＳＬａに垂直な面に対する傾斜角である。
【００５９】
以上、本願発明者によってなされた発明をその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言うまでもない。上記実施の形態に記載された内容の一部を以下に記載する。
【００６０】
［付記１］
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、グレーティングカプラの形成領域と、第１光導波路の形成領域と、第２光導波路の形成領域とを備え、前記グレーティングカプラの形成領域において、その主面側に複数の凸部と複数の凹部とが交互に形成された半導体層と、
前記複数の凸部上に形成されたキャップ層と、
前記キャップ層上に形成された第２絶縁層と、
を有し、
前記半導体層および前記キャップ層は、単結晶シリコン層で構成され、
前記第１絶縁層および前記第２絶縁層の屈折率は、前記半導体層および前記キャップ層の屈折率よりも低い、半導体装置。
【００６１】
［付記２］
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、第１グレーティングカプラの形成領域と、第１光導波路の形成領域とを備え、前記第１グレーティングカプラの形成領域において、その主面側に複数の第１凸部と複数の第１凹部とが交互に形成された第１半導体層と、
前記第１絶縁層上に形成され、第２グレーティングカプラの形成領域と、第２光導波路の形成領域とを備え、前記第２グレーティングカプラの形成領域において、その主面側に複数の第２凸部と複数の第２凹部とが交互に形成された第２半導体層と、
前記複数の第１凸部上に形成された複数の第１キャップ層と、
前記複数の第２凸部上に形成された複数の第２キャップ層と、
前記第１キャップ層上および前記第２キャップ層上に形成された第２絶縁層と、
を有し、
前記第１半導体層、前記第２半導体層、前記複数の第１キャップ層、および、前記複数の第２キャップ層は、単結晶シリコン層で構成され、
前記第１絶縁層および前記第２絶縁層の屈折率は、前記第１半導体層、前記第２半導体層、前記複数の第１キャップ層、および、前記複数の第２キャップ層の屈折率よりも低く、
前記第２キャップ層の膜厚は、前記第１キャップ層の膜厚よりも薄く、
前記第１光導波路から前記第１グレーティングカプラに、波長の異なる複数の光を含む第１入射光が入力され、
前記第２光導波路から前記第２グレーティングカプラに、波長の異なる複数の光を含む第２入射光が入力され、
前記第２入射光の中心波長は、前記第１入射光の中心波長よりも長い、半導体装置。
【符号の説明】
【００６２】
ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３、ＢＬｎ    ブロック
ＢＸ    絶縁層（埋め込み絶縁層、クラッド層）
ＣＬ    クラッド
ＣＰ、ＣＰ１、ＣＰ２    キャップ層（シリコン層）
ＣＰｃ    凹部
ＣＰｅ    端部
ＣＰｍ    中央部
ＣＲ    コア
ＦＢ、ＦＢ１、ＦＢ２    光ファイバ
ＧＣ、ＧＣａ、ＧＣ１、ＧＣ２    グレーティングカプラ
ＧＧ    格子溝
ＧＴ    格子歯
ＨＭ  マスク
ＩＦ、ＩＦａ    絶縁層
ＩＦ１、ＩＦ２    絶縁層（マスク層）
ＩＬ    層間絶縁層（絶縁層、クラッド層）
Ｌｉ    入力光
Ｌｏ    出力光
ＯＰ１、ＯＰ２    開口
ＰＬ    ポリシリコン層
ＳＢ    基板（半導体基板）
ＳＤ１、ＳＤ２、ＳＤ３    半導体装置
ＳＬ    半導体層（シリコン層、コア層）
ＳＬａ    主面（第１面）
ＳＬｂ    裏面（第２面）
ＳＬｃ    凹部
ＳＬｐ    凸部（シリコン層）
ＳＬｔ    板状半導体層
Ｓ１、Ｓ２  側壁（側面）
ＳＳＢ    ＳＯＩ基板
ＴＷＧ    テーパ導波路
ＷＧ、ＷＧａ、ＷＧｂ、ＷＧ１、ＷＧ２    光導波路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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