WO2019216153A1 - 半導体デバイス - Google Patents

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Abstract

有機材料上に絶縁膜を介して配置され、かつ、有機材料から絶縁膜と共に剥離しにくい電極を備えた半導体デバイスを提供すること。位相シフト用電極１２１および変調用電極１２２のパッド部分を含む領域の絶縁膜１１８は、位相シフト用電極１２１および変調用電極１２２のパッド部分の中央部に開口を有するが、その縁部分には位相シフト用電極１２１および変調用電極１２２上にも形成されている。このように、位相シフト用電極１２１および変調用電極１２２と絶縁膜１１６との接着端は、大気に露出しないよう全て絶縁膜１１８によって覆われている。作製過程で絶縁膜１１６に発生するクラックをＳｉＯ2やＳｉＮX、ＳｉＯＮXといった絶縁膜１１８で塞ぐことで、工程中に用いるアセトンやエタノールといった有機溶剤が絶縁膜１１６のクラックから有機材料１１４との間に浸入することを防止することができる。

Description

半導体デバイス
　本発明は、半導体デバイスに関し、より詳細には、製造歩留まりが改善された半導体デバイスに関する。
　光通信ネットワークにおける伝送速度の高速化に伴い、高速な電気信号を光信号へ変換する半導体レーザや光変調器の実現が進められている。
　例えば、非特許文献１には、マッハツェンダ（Ｍａｃｈ-Ｚｅｈｎｄｅｒ：ＭＺ）干渉計型の電界吸収型変調器が記載されている。これは、電界吸収（Ｅｌｅｃｔｒｏａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ：ＥＡ）層をＭＺ干渉計型に組み、電界吸収層による光吸収とＭＺ干渉計による位相差に応じた干渉を同時に使うことで、低電圧駆動を可能にしている。具体的には、０．２Ｖという低電圧で２５．８Ｇｂｉｔ／ｓという高速駆動が可能となっており、消費電力を抑制できるため、安価なＣＭＯＳドライバで駆動することができる。
　また、分布帰還型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ＦｅｅｄＢａｃｋ：ＤＦＢ）レーザを直接変調すれば、簡単な構成で変調光を送信することができる。
　高速な電気信号で変調を行う半導体光デバイスは、キャパシタンスを減らして電気信号を半導体デバイスに導入し易くするため、低容量・低誘電率の有機材料をチップ上に埋め込み、その上に絶縁膜を介して電極を設置する構造をとることがある。
　しかしながら、有機材料上の絶縁膜には作製時にマイクロクラックが生じるため、半導体デバイスの製造工程の最終段階において用いられる有機溶剤が有機材料と絶縁膜との間に浸入し、有機材料と絶縁膜との密着が脆弱になる。その結果、絶縁膜と共に電極が剥れ易くなり、ワイヤボンディング時に電極剥離が生じ易くなって歩留まりを大きく低下させるという課題がある。
　本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、有機材料上に絶縁膜を介して配置され、かつ、有機材料から絶縁膜と共に剥離しにくい電極を備えた半導体デバイスを提供することにある。
　上記の課題を解決するために、本発明の一態様は、半導体デバイスであって、前記半導体デバイス内に埋め込まれた有機材料に接する第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜上に形成された電極と、前記電極と前記第１の絶縁膜との接着端を覆い、かつ、前記電極の一部を露出する開口を有する第２の絶縁膜と、を含むことを特徴とする。
　本発明の別の態様では、前記電極は、前記有機材料および前記半導体デバイスの半導体材料に亘って設けられていることを特徴とする。
　本発明の別の態様では、前記半導体デバイスが、直接変調型の半導体レーザであることを特徴とする。
　本発明の別の態様では、さらに前記半導体デバイスが、マッハツェンダ変調器であることを特徴とする。
　本発明の別の態様では、さらに前記マッハツェンダ変調器が、電界吸収型変調器を含むことを特徴とする。
　本発明の別の態様では、さらに前記有機材料がポリイミドまたはベンゾシクロブテンであることを特徴とする。
　本発明の別の態様では、さらに前記第２の絶縁膜は、ＳｉＯ2、ＳｉＮX、およびＳｉＯＮXのいずれかであることを特徴とする。
　本発明に係る半導体デバイスによれば、半導体デバイスに形成された電極の縁が絶縁膜で覆われ、有機材料上の絶縁膜が大気に対して露出しない。そのため、製造工程で用いる有機溶剤が有機材料上の絶縁膜のマイクロクラックから染み込んで絶縁膜と有機材料との間に浸入せず、絶縁膜と有機材料との剥離が生じにくくなり、結果として電極の剥離も生じにくくなる。つまり、電極下に低誘電率の有機材料が挿入された構造であるにも関わらず、外力に対する破壊強度の低下を抑制して製造歩留まりを高めることができる。
本発明の実施形態１に係るＥＡ－ＭＺ変調器の電極形成前の上面図である。 図１のＩＩ－ＩＩ断面である。 図１のＩＩＩ－ＩＩＩ断面である。 図１のＩＶ－ＩＶ断面である。 本発明の実施形態１に係るＥＡ－ＭＺ変調器の電極形成後の上面図である。 図５のＶＩ－ＶＩ断面である。 図５のＶＩＩ－ＶＩＩ断面である。 本発明の実施形態２に係る直接変調ＤＦＢレーザの上面図である。 図８のＩＸ－ＩＸ断面である。 図８のＸ－Ｘ断面である。 図８のＸＩ－ＸＩ断面である。
　以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
　（実施形態１）
　本発明の実施形態１に係る半導体デバイスは、ＥＡ変調器をＭＺ干渉計型に組み、ＥＡ層による光吸収とＭＺ干渉計による位相差に応じた干渉を同時に使ったＥＡ－ＭＺ変調器である。高周波の電気信号を取り扱う電極の下（基板側）には、絶縁膜を介してベンゾシクロブテンという低容量の有機材料が埋め込まれている。尚、ベンゾシクロブテンの代わりにポリイミドを用いても同様に低容量化は可能である。
　図１に、本発明の実施形態１に係るＥＡ－ＭＺ変調器の電極形成前の上面図を示す。また、図２に図１のＩＩ－ＩＩ断面、図３に図１のＩＩＩ－ＩＩＩ断面、図４に図１のＩＶ－ＩＶ断面をそれぞれ示す。尚、図１では、図２～４に示す絶縁膜１１６を便宜上図示していない。
　ＥＡ－ＭＺ変調器は、図１に示すように、第１の合分波部１０１、変調および位相シフト部１０２、第２の合分波部１０３から構成される。図１に示す電極形成前の状態は、下部クラッド層１１１、パッシブ層１１２、ＥＡ層１１７、上部クラッド層１１３が順に積層され、２本の光導波路のコアとなる領域の両側がエッチングされて、その表面に絶縁膜１１５が形成されている。さらに、パッシブ層１１２のコアとなる部分の両側およびＥＡ層１１７の両側に絶縁膜１１５を介して有機材料１１４が埋め込まれている。有機材料１１４および絶縁膜１１５上には、図２～４に示すように、さらに絶縁膜１１６が積層されている。
　第１の合分波部１０１と第２の合分波部１０３の光導波路のコアを含むパッシブ層１１２は、十分に低い光学損失が要求されるので、変調される光よりも十分短波長にフォトルミネッセンス（Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ：ＰＬ）ピークを持つ組成（２００ｎｍ以上短波長のＰＬピーク）で構成した。
　また、変調および位相シフト部１０２の光導波路のコアとなるＥＡ層１１７は、多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ：ＭＱＷ）構造にて作製されている。
　次に、図５に、本発明の実施形態１に係るＥＡ－ＭＺ変調器の電極形成後の上面図を示す。また、図６に図５のＶＩ－ＶＩ断面、図７に図５のＶＩＩ－ＶＩＩ断面をそれぞれ示す。尚、図５では、図６、７に示す絶縁膜１１８を便宜上図示していない。
　図５に示すように、変調および位相シフト部１０２の領域に位相シフト用電極１２１および変調用電極１２２が形成されている。位相シフト用電極１２１および変調用電極１２２は、ＥＡ層１１７上の上部クラッド層１１３上に形成された部分と、ワイヤを接続するためのパッドとなる部分とからなる。変調用電極１２２のパッド部分は、全体が絶縁膜１１６を介して有機材料１１４上に形成されている。また、図６、７に示すように、下部クラッド層１１１には裏面電極１２３が形成されている。
　図６に示すように、コア上にのみ位相シフト用電極１２１および変調用電極１２２が形成されている領域の絶縁膜１１８は、位相シフト用電極１２１および変調用電極１２２を含めデバイス表面全体を覆うように形成されている。
　一方、図７に示すように、位相シフト用電極１２１および変調用電極１２２のパッド部分を含む領域の絶縁膜１１８は、位相シフト用電極１２１および変調用電極１２２のパッド部分の中央部に開口を有するが、その縁部分には位相シフト用電極１２１および変調用電極１２２上にも形成されている。
　このように、本発明の実施形態１に係るＥＡ－ＭＺ変調器では、位相シフト用電極１２１および変調用電極１２２と絶縁膜１１６との接着端は、大気に露出しないよう全て絶縁膜１１８によって覆われている。作製過程で絶縁膜１１６に発生するクラックをＳｉＯ2やＳｉＮX、ＳｉＯＮXといった絶縁膜１１８で塞ぐことで、工程中に用いるアセトンやエタノールといった有機溶剤が絶縁膜１１６のクラックから有機材料１１４との間に浸入することを防止することができる。
　絶縁膜１１８は、ＳｉＯ2、ＳｉＮX、ＳｉＯＮXのいずれでも効果は変わらない。これにより、ワイヤボンディング時に埋めた有機材料１１４と絶縁膜１１６の界面で剥がれが生じず、位相シフト用電極１２１および変調用電極１２２の剥離も生じなかった。プル試験においてはネックブレークモードで６ｇの強度が得られた。
　（実施形態２）
　図８に、本発明の実施形態２に係る直接変調ＤＦＢレーザ（Ｄｉｒｅｃｔｌｙ　Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ　Ｌａｓｅｒ：ＤＭＬ）の上面図を示す。また、図９に図８のＩＸ－ＩＸ断面を示し、図１０に図８のＸ－Ｘ断面を示し、図１１に図８のＸＩ－ＸＩ断面を示す。尚、図８では、図９～１１に示す絶縁膜２１７を便宜上図示していない。
　ＤＭＬは、図９、１１に示すように、下部クラッド層２１１、コア層２１２、上部クラッド層２１３が順に積層され、それらをエッチングしてリッジ型導波路が形成され、導波路の両側に横クラッド層２１４が形成されている。表面電極２２１のパッド部分の下部はエッチングされて、表面全体に絶縁膜２１５が形成された後に有機材料２１８が埋め込まれている。コア層２１２上の上部クラッド層２１３部分を除く、表面全体には絶縁膜２１６が積層されている。
　表面電極２２１は、コア層２１２上の上部クラッド層２１３上に形成された部分と、絶縁膜２１６を介して有機材料２１８上に形成され、ワイヤを接続するためのパッドとなる部分とからなる。また、下部クラッド層２１１には裏面電極２２２が形成されている。
　図９に示すように、コア上にのみ表面電極２２１が形成されている領域の絶縁膜２１７は、表面電極２２１を含めデバイス表面全体を覆うように形成されている。
　一方、図１０に示すように、表面電極２２１のパッドを含む領域の絶縁膜２１７は、表面電極２２１のパッド部分の中央部に開口を有するが、その縁部分には表面電極２２１上にも形成されている。
　コア層２１２はＭＱＷ構造にて作製され、図１１に示すように、光の伝播方向に対して回折格子を形成しており、単一モードで発振する。表面電極２２１への注入電流に強弱をつけて変調することで、光の強度が変調される。
　高周波をかけるため、表面電極２２１の下部には上述のようにベンゾシクロブテン等の低誘電率の有機材料２１８を埋め込み、容量成分を下げる構造としている。有機材料２１８にはポリイミドを用いても同様に容量低減効果がある。
　このように、本発明の実施形態２に係るＤＭＬでは、表面電極２２１と絶縁膜２１６との接着端は、大気に露出しないよう全て絶縁膜２１７によって覆われている。作製過程で絶縁膜２１６に発生するクラックをＳｉＯ2やＳｉＮX、ＳｉＯＮXといった絶縁膜２１７で塞ぐことで、工程中に用いるアセトンやエタノールといった有機溶剤が絶縁膜２１６のクラックから有機材料２１８との間に浸入することを防止することができる。
　絶縁膜２１７は、ＳｉＯ2、ＳｉＮX、ＳｉＯＮXのいずれでも効果は変わらない。これにより、ワイヤボンディングに対する十分な強度が得られた。ワイヤボンディング後に実施したプル試験では剥がれが生じず、ネックブレークモードで６ｇの強度が得られた。
　１０１、１０３　合分波部
　１０２　変調および位相シフト部
　１１１、２１１　下部クラッド層
　１１２　パッシブ層
　１１３、２１３　上部クラッド層
　１１４　有機材料
　１１５、１１６、１１８、２１５、２１６、２１７　絶縁膜
　１１７、２１２　ＥＡ層
　１２１　位相シフト用電極
　１２２　変調用電極
　１２３、２２２　裏面電極
　２１４　横クラッド層
　２２１　表面電極

Claims (7)

  1. 　半導体デバイスであって、
    　前記半導体デバイス内に埋め込まれた有機材料に接する第１の絶縁膜と、
    　前記第１の絶縁膜上に形成された電極と、
    　前記電極と前記第１の絶縁膜との接着端を覆い、かつ、前記電極の一部を露出する開口を有する第２の絶縁膜と、
    　を含むことを特徴とする半導体デバイス。
  2. 　前記電極は、前記有機材料および前記半導体デバイスの半導体材料に亘って設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
  3. 　前記半導体デバイスが、直接変調型の半導体レーザであることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体デバイス。
  4. 　前記半導体デバイスが、マッハツェンダ変調器であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体デバイス。
  5. 　前記マッハツェンダ変調器が、電界吸収型変調器を含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体デバイス。
  6. 　前記有機材料がポリイミドまたはベンゾシクロブテンであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
  7. 　前記第２の絶縁膜は、ＳｉＯ2、ＳｉＮX、およびＳｉＯＮXのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
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