JP6869830B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本実施の形態の半導体装置は、シリコンフォトニクス装置である変調器に係るものであり、ヒータを用いて光導波路を加熱して変調を行う場合に、ヒータおよび光導波路の近傍に熱伝導部を形成し、当該熱伝導部により放熱を行うことを主な特徴とするものである。
以下に、図1、図2および図3を用いて、本実施の形態1の半導体装置の構造を説明する。図1は、本実施の形態の半導体装置を示す模式的な斜視図である。図2は、本実施の形態の半導体装置を示す平面図である。図2には、図1において破線で囲む位置における半導体装置の平面図を示している。図3は、本実施の形態の半導体装置を示す断面図である。図3には、図2のA−A線における断面を示している。
以下に、本実施の形態の半導体装置の製造方法について、図4〜図10を用いて説明する。図4〜図10は、本実施の形態の半導体装置の製造工程中の断面図である。
以下に、本実施の形態の半導体装置の製造方法の効果について、図18に示す比較例を用いて説明する。図18は、比較例の半導体装置である変調器を示す断面図であり、図3に対応する箇所の断面を示している。
図11に、本実施の形態1の変形例1である半導体装置の断面図を示す。図11は、図3に対応する箇所の断面図である。ここでは、変調器を用いた変調動作に、キャリアプラズマ効果を用いた方法と、熱光学効果を用いた方法とを併用する場合について説明する。
図12に、本実施の形態1の変形例2である半導体装置の平面図を示し、図13に、本実施の形態の変形例2である半導体装置の断面図を示す。図12は、図2に対応する箇所の平面図である。図13は、図3に対応する箇所の断面図であり、図12のB−B線における断面を示すものである。ここでは、変調器の上部に形成する放熱板をストライプ状に形成することで、ヒータの温度観測を容易にすることについて説明する。図2では放熱板RBを示していないが、図12では放熱板RBを示している。
図14に、本実施の形態1の変形例3である半導体装置の断面図を示す。図14は、図3に対応する箇所の断面図である。ここでは、熱伝導部と層間絶縁膜との間に、酸化シリコンよりも熱伝導率が低い領域を設けることについて説明する。
図15に、本実施の形態1の変形例4である半導体装置の断面図を示す。図15は、図3に対応する箇所の断面図である。ここでは、ヒータと光導波路との間に第2のヒータ(抵抗)を設けることで、熱の流れを制御することについて説明する。
図16に、本実施の形態1の変形例5である半導体装置を構成する光導波路の斜視図を示す。ここでは、光導波路にフォトニック結晶を用いることについて説明する。
前記実施の形態1では、変調器を構成する光導波路の近傍に熱伝導部を設けることについて説明したが、当該熱伝導部は、シリコンフォトニクス装置である共振器を構成する光導波路の近傍に設けることもできる。
CF 半導体膜
CR1〜CR6 光導波路
IL1〜IL4 層間絶縁膜
M1、M2 配線
MH1〜MH3 ヒータ
PG 熱伝導部(導電部)
PG1〜PG3 プラグ
SB 半導体基板
Claims (15)
- 基板上に第1絶縁膜を介して形成され、前記第1絶縁膜の上面に沿う第1方向に延在する第1半導体膜から成る第1光導波路と、
前記第1絶縁膜上に形成され、前記第1光導波路を覆う層間絶縁膜と、
前記第1光導波路の直上に前記第1光導波路と離間して前記層間絶縁膜内に形成された第1ヒータと、
平面視において前記第1方向に直交する第2方向において、前記第1光導波路および前記第1ヒータと前記層間絶縁膜を介して隣り合い、前記層間絶縁膜の上面から下面に亘って貫通する熱伝導部と、
前記層間絶縁膜の前記上面上に形成され、前記熱伝導部が接続された導電膜と、
を有し、
前記熱伝導部は、前記層間絶縁膜および前記第1絶縁膜よりも熱伝導率が高く、
前記熱伝導部は、回路を構成しておらず、
前記層間絶縁膜の厚さ方向において、前記層間絶縁膜の前記上面と前記第1ヒータとの距離は、前記第1光導波路と前記第1ヒータとの距離より大きい、半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記第2方向における前記熱伝導部と前記第1ヒータとの間の第1距離は、前記第1絶縁膜の前記上面に対して垂直な方向における前記第1ヒータと前記第1光導波路との間の第2距離の2倍以上である、半導体装置。 - 請求項2記載の半導体装置において、
前記第1距離は、1μm以上である、半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記第1ヒータから前記第1光導波路に対して給熱することで、前記第1光導波路内を通過する光の変調を行う、半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記導電膜は、前記第1ヒータおよび前記第1光導波路を覆っている、半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記導電膜は、前記第1ヒータおよび前記第1光導波路を露出している、半導体装置。 - 請求項4記載の半導体装置において、
前記第1光導波路は、前記第2方向で互いに隣り合うp型半導体領域およびn型半導体領域を有しており、
前記p型半導体領域および前記n型半導体領域のそれぞれに対し給電を行うことで、前記第1光導波路内を通過する光の変調を行う、半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記第2方向において、前記第1ヒータと前記熱伝導部との間に空隙が存在している、半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記第1ヒータと前記第1光導波路との間に形成され、前記第1ヒータおよび前記第1光導波路のそれぞれに対し離間する第2ヒータをさらに有しており、
前記第2ヒータの前記第2方向の幅は、前記第1ヒータの前記第2方向の幅よりも小さい、半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記第1光導波路は、フォトニック結晶から成る、半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記第2方向において前記第1光導波路に隣り合って前記第1絶縁膜上に形成され、前記第1方向に延在する第2半導体膜から成る第2光導波路と、
前記第2光導波路の直上に前記第2光導波路と離間して前記層間絶縁膜内に形成された第2ヒータと、
を有し、
前記第2方向において、前記熱伝導部は、前記第1光導波路と前記第2光導波路との間に配置されている、半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記熱伝導部は、
前記第2方向において前記第1光導波路に隣り合って前記第1絶縁膜上に形成された第3半導体膜と、
前記第3半導体膜の上面に接続され、前記層間絶縁膜を貫通する金属膜と、
を含む、半導体装置。 - 基板上に第1絶縁膜を介して形成され、平面視で環状構造を有する第1半導体膜から成る第1光導波路と、
前記第1絶縁膜上に形成され、前記第1絶縁膜の上面に沿う第1方向に延在する第2半導体膜から成る第2光導波路と、
前記第1絶縁膜上に形成され、前記第1方向に延在する第3半導体膜から成る第3光導波路と、
前記第1絶縁膜上に形成され、前記第1光導波路、前記第2光導波路および前記第3光導波路を覆う層間絶縁膜と、
前記第1光導波路の直上に前記第1光導波路と離間して前記層間絶縁膜内に形成された第1ヒータと、
前記第1光導波路の短手方向において、前記第1光導波路および前記第1ヒータと前記層間絶縁膜を介して隣り合い、前記層間絶縁膜の上面から下面に亘って貫通する熱伝導部と、
前記層間絶縁膜の前記上面上に形成され、前記熱伝導部が接続された導電膜と、
を有し、
前記層間絶縁膜の厚さ方向において、前記層間絶縁膜の前記上面と前記第1ヒータとの距離は、前記第1光導波路と前記第1ヒータとの距離より大きい、半導体装置。 - (a)基板、前記基板上の第1絶縁膜および前記第1絶縁膜上の第1半導体膜を含む積層基板を用意する工程、
(b)前記第1半導体膜を加工することで、前記第1半導体膜から成り、前記第1絶縁膜の上面に沿う第1方向に延在する第1光導波路と、前記第1半導体膜から成り、平面視において前記第1方向に直交する第2方向において前記第1光導波路と離間して隣り合う第2半導体膜とを形成する工程、
(c)前記第1絶縁膜上に、前記第1光導波路および前記第2半導体膜を覆う第1層間絶縁膜を形成する工程、
(d)前記第1光導波路の直上において、前記第1層間絶縁膜上に、前記第1方向に延在する第1ヒータを形成する工程、
(e)前記第1層間絶縁膜上に、前記第1ヒータを覆う第2層間絶縁膜を形成する工程、
(f)前記第1層間絶縁膜および前記第2層間絶縁膜を貫通し、前記第1光導波路および前記第1ヒータと離間して前記第2半導体膜の上面に接続された金属膜を形成することで、前記第2半導体膜および前記金属膜から成る熱伝導部を形成する工程、
(g)前記熱伝導部が接続された導電膜を、前記第2層間絶縁膜の上面上に形成する工程、
を有し、
前記熱伝導部は、前記第1層間絶縁膜、前記第2層間絶縁膜および前記第1絶縁膜よりも熱伝導率が高く、
前記熱伝導部は、回路を構成しておらず、
前記第1層間絶縁膜の厚さ方向において、前記第2層間絶縁膜の前記上面と前記第1ヒータとの距離は、前記第1光導波路と前記第1ヒータとの距離より大きい、半導体装置の製造方法。 - 請求項14記載の半導体装置の製造方法において、
前記第2方向における前記熱伝導部と前記第1ヒータとの間の第1距離は、前記第1絶縁膜の前記上面に対して垂直な方向における前記第1ヒータと前記第1光導波路との間の第2距離の2倍以上である、半導体装置の製造方法。
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