(57)【要約】【課題】シリコン光変調器を内蔵した半導体装置の小型化を実現する。【解決手段】第１光導波路と、位相変調部ＰＭと、第２光導波路とをこの順に接続し、第１方向Ｙに光を導波する光変調器を有する半導体装置であって、位相変調部ＰＭは、第１方向Ｙと直交する第２方向Ｘの幅Ｗ１より第１方向Ｙの長さＬ１が大きい単結晶シリコンからなる半導体層ＳＬと、半導体層ＳＬに形成された光導波領域であって、第１方向Ｙに延在するコア部ＣＲと、第２方向Ｘにおいて、コア部ＣＲの両側に配置された一対のスラブ部ＳＢと、一方のスラブ部ＳＢに接続された第１電極Ｍｐと、他方のスラブ部ＳＢに接続された第２電極Ｍｎと、を有する。そして、コア部ＣＲは、第１方向Ｙに延在するｐ型半導体領域ＣＲｐおよびｎ型半導体領域ＣＲｎを有し、第２方向Ｘは、半導体層ＳＬの結晶方位＜１００＞と一致する。【選択図】図２
2018197817.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１光導波路と、位相変調部と、第２光導波路とをこの順に接続し、第１方向に光を導波する光変調器を有する半導体装置であって、
前記位相変調部は、
前記第１方向と直交する第２方向において第１幅を有し、前記第１方向において前記第１幅よりも大きい第１長さを有する単結晶シリコンからなる半導体層と、
前記半導体層に形成された光導波領域であって、前記第１方向に延在するコア部と、
前記半導体層に形成され、前記第２方向において、前記コア部の両側に配置された第１スラブ部および第２スラブ部と、
前記第１スラブ部に接続された第１電極と、
前記第２スラブ部に接続された第２電極と、
を有し、
前記コア部は、前記第１方向に延在するｐ型の第１半導体領域と、前記第１方向に延在するｎ型の第２半導体領域とを有し、
前記第１スラブ部は、前記第１半導体領域に接続された前記ｐ型の第３半導体領域を有し、
前記第２スラブ部は、前記第２半導体領域に接続された前記ｎ型の第４半導体領域を有し、
前記第２方向は、前記半導体層の結晶方位＜１００＞と一致する、半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、
前記第１半導体領域と前記第２半導体領域とはＰＮ接合を形成し、
前記第１電極および前記第２電極によって、前記ＰＮ接合に印加される電界の方向は、前記結晶方位＜１００＞と一致する、半導体装置。
【請求項３】
請求項１記載の半導体装置において、
前記第１半導体領域および前記第２半導体領域の不純物濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３以下である、半導体装置。
【請求項４】
請求項１記載の半導体装置において、
前記第３半導体領域の不純物濃度は、前記第１半導体領域の不純物濃度より高く、前記第４半導体領域の不純物濃度は、前記第２半導体領域の不純物濃度より高い、半導体装置。
【請求項５】
請求項１記載の半導体装置において、
前記コア部の膜厚は、前記第１スラブ部および前記第２スラブ部の膜厚と等しいかそれよりも厚い、半導体装置。
【請求項６】
請求項１記載の半導体装置において、
さらに、
前記コア部の前記半導体層の裏面と、前記第１スラブ部および前記第２スラブ部の前記半導体層の裏面とに接触する第１絶縁層、
を有し、
前記第１絶縁層の屈折率は、前記半導体層の屈折率よりも低い、半導体装置。
【請求項７】
請求項６記載の半導体装置において、
さらに、
前記コア部の前記半導体層の主面および側壁、ならびに、前記第１スラブ部および前記第２スラブ部の前記半導体層の主面および側壁を覆い、前記第１絶縁層に接触する第２絶縁層、
を有し、
前記第２絶縁層の屈折率は、前記半導体層の屈折率よりも低い、半導体装置。
【請求項８】
請求項１記載の半導体装置において、
前記第１電極および前記第２電極は、前記第１方向に延在する、半導体装置。
【請求項９】
第１光導波路と、位相変調部と、第２光導波路とをこの順に接続し、第１方向に光を導波する光変調器を有する半導体装置であって、
前記位相変調部は、
前記第１方向と直交する第２方向において第１幅を有し、前記第１方向において前記第１幅よりも大きい第１長さを有する単結晶シリコンからなる半導体層と、
前記半導体層に形成された光導波領域であって、前記第１方向に延在するコア部と、
前記半導体層に形成され、前記第２方向において、前記コア部の両側に配置された第１スラブ部および第２スラブ部と、
前記第１スラブ部に接続された第１電極と、
前記第２スラブ部に接続された第２電極と、
を有し、
前記コア部は、真性半導体領域を有し、
前記第１スラブ部は、前記真性半導体領域に接続されたｐ型の第１半導体領域を有し、
前記第２スラブ部は、前記真性半導体領域に接続されたｎ型の第２半導体領域を有し、
前記第２方向は、前記半導体層の結晶方位＜１００＞と一致する、半導体装置。
【請求項１０】
請求項９記載の半導体装置において、
さらに、
前記コア部の前記半導体層の裏面と、前記第１スラブ部および前記第２スラブ部の前記半導体層の裏面とに接触する第１絶縁層と、
前記コア部の前記半導体層の主面および側壁、ならびに、前記第１スラブ部および前記第２スラブ部の前記半導体層の主面および側壁を覆い、前記第１絶縁層に接触する第２絶縁層と、
を有し、
前記第１絶縁層および前記第２絶縁層の屈折率は、前記半導体層の屈折率よりも低い、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置に関し、例えば、シリコン光導波路を備える光変調器を内蔵した半導体装置に好適に利用できるものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ブロードバンド回線の普及に加え、スマートフォンに代表されるモバイル機器による高速通信利用の拡大により、光通信網におけるデータ通信需要は増加の一途をたどっている。この通信需要に応えるため、長距離通信網では、これまで利用されてきた１０Ｇｂ／Ｓの伝送方式から、４０Ｇｂ／Ｓおよび１００Ｇｂ／Ｓへと高速化が進められている。
【０００３】
国際公開第２０１４／０７６８１３号（特許文献１）には、リブ構造を有するシリコン光導波路素子からなるマッハツェンダ型の光変調器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１４／０７６８１３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
シリコン光導波路を備える光変調器を内蔵した半導体装置において、光変調器の小型化が求められている。言い換えると、光変調器を内蔵した半導体装置の小型化が求められている。
【０００６】
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】
【０００７】
一実施の形態の半導体装置は、第１光導波路と、位相変調部と、第２光導波路とをこの順に接続し、第１方向に光を導波する光変調器を有する。そして、位相変調部は、第１方向と直交する第２方向の幅より第１方向の長さが大きい単結晶シリコンからなる半導体層と、半導体層に形成された光導波領域であって、第１方向に延在するコア部と、第２方向においてコア部の両側に配置された一対のスラブ部と、一方のスラブ部に接続された第１電極と、他方のスラブ部に接続された第２電極と、を有する。そして、コア部は、第１方向に延在するｐ型半導体領域およびｎ型半導体領域を有し、第２方向は、半導体層の結晶方位＜１００＞と一致する。
【発明の効果】
【０００８】
一実施の形態によれば、半導体装置の小型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施の形態の半導体装置である光変調器の構成を示す図面である。
【図２】本実施の形態の光変調器の一部である位相変調部の構成を示す平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ´線に沿う断面図である。
【図４】本実施の形態の半導体装置の構成を示す図面である。
【図５】本実施の形態の位相変調部の製造工程中の断面図である。
【図６】図５に続く、位相変調部の製造工程中の断面図である。
【図７】図６に続く、位相変調部の製造工程中の断面図である。
【図８】図７に続く、位相変調部の製造工程中の断面図である。
【図９】図８に続く、位相変調部の製造工程中の断面図である。
【図１０】変形例１の位相変調部の構成を示す断面図である。
【図１１】比較例の光変調器の構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
また、以下の実施の形態で、結晶方位＜１００＞は、結晶学的に等価な結晶方位［１００］、［０１０］ほかを含む。また、結晶面｛１００｝は、結晶学的に等価な結晶面（１００）、（０１０）ほかを含む。
【００１６】
（実施の形態）
近年、シリコン（Ｓｉ）を材料とした伝送線路を作製し、この伝送線路により構成した光回路をプラットフォームとして、種々の光デバイスと電子デバイスとを集積することで光通信用モジュールを実現する技術、いわゆるシリコンフォトニクス技術の開発が積極的に行われている。
【００１７】
本実施の形態は、光デバイス、特に、光変調器を内蔵する半導体装置に関する。以下の説明では、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板に形成された光変調器の構造およびその製造方法について説明する。
【００１８】
＜光変調器＞
図１は、本実施の形態の半導体装置である光変調器の構成を示す図面である。図２は、本実施の形態の光変調器の一部であるキャリアプラズマ効果による屈折率の変化を利用した位相変調部の構成を示す平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ´線に沿う断面図である。図４は、本実施の形態の半導体装置の構成を示す図面である。
【００１９】
図１は、マッハツェンダ型の光変調器である。図１に示すように、光変調器ＰＣは、入射光が入射される光導波路（入力用光導波路）ＷＧｉｎと、出射光を出力する光導波路（出力用光導波路）ＷＧｏｕｔと、光導波路ＷＧｉｎとＷＧｏｕｔとの間で分配された２つの光を導波する光導波路（分配光導波路）ＷＧａおよびＷＧｂと、を有する。さらに、光導波路ＷＧａおよびＷＧｂには、それぞれ、光の位相を変調するための位相変調部ＰＭが接続されている。位相変調部ＰＭは、光導波路ＷＧａ又はＷＧｂのどちらか一方のみに設けても良い。
【００２０】
図２に示すように、位相変調部ＰＭは、コア部（光導波領域、厚板部）ＣＲと、コア部の両側に配置された一対のスラブ部（薄板部）ＳＢと、を有している。位相変調部ＰＭは、光を導波（伝播）する方向であるＹ方向（第１方向）において、長さＬ１（例えば、１ｍｍ以上）を有し、光が導波される方向であるＹ方向と直交するＸ方向（第２方向）において、幅Ｗ１（例えば、５μｍ）を有する。つまり、位相変調部ＰＭは、Ｙ方向に延在しており、位相変調部ＰＭの長さＬ１は、幅Ｗ１よりも大きい。従って、位相変調部ＰＭの長さ方向のサイズを短縮することが、光変調器ＰＣの小型化に有効である。図２において、光を導波する方向は、例えば、紙面の右側から左側に向かうＹ方向である。
【００２１】
コア部ＣＲは、光導波領域であり、Ｙ方向における両端部でそれぞれ光導波路（分配光導波路）ＷＧａに接続されており、図２の右側の光導波路ＷＧａから入力された光を、左側の光導波路ＷＧａに出力する。コア部ＣＲは、Ｙ方向に延在しており、コア部ＣＲのＹ方向の長さは、Ｘ方向の幅よりも長い。図２に示すように、コア部ＣＲには、ｐ型半導体領域（第１半導体領域）ＣＲｐおよびｎ型半導体領域（第２半導体領域）ＣＲｎが形成されている。ｐ型半導体領域ＣＲｐおよびｎ型半導体領域ＣＲｎは、Ｘ方向において接触し、Ｙ方向に延在している。ｐ型半導体領域ＣＲｐとｎ型半導体領域ＣＲｎの境界にはＰＮ接合（ＰＮ接合部）が形成され、ＰＮ接合（ＰＮ接合部）は、Ｙ方向に延在している。
【００２２】
Ｘ方向において、コア部ＣＲの両端には、一対のスラブ部ＳＢが配置されている。つまり、コア部ＣＲの一端側（図２の上側）には、コア部ＣＲのｐ型半導体領域ＣＲｐに接触したｐ型半導体領域（第１スラブ部）ＳＢｐが配置され、コア部ＣＲの他端側（図２の下側）には、コア部ＣＲのｎ型半導体領域ＣＲｎに接触したｎ型半導体領域（第２スラブ部）ＳＢｎが配置されている。ｐ型半導体領域ＳＢｐおよびｎ型半導体領域ＳＢｎは、それぞれ、Ｙ方向に延在しており、ｐ型半導体領域ＳＢｐおよびｎ型半導体領域ＳＢｎのそれぞれのＹ方向の長さは、Ｘ方向の幅よりも長い。
【００２３】
また、図２に示すように、ｐ型半導体領域ＳＢｐ上には、電極（第１電極、配線、金属配線）Ｍｐが配置され、ｎ型半導体領域ＳＢｎ上には、電極（第２電極、配線、金属配線）Ｍｎが配置されている。電極Ｍｐは、電気的に、ｐ型半導体領域ＳＢｐに接続され、電極Ｍｎは、電気的に、ｎ型半導体領域ＳＢｎに接続されている。電極ＭｐおよびＭｎは、それぞれ、Ｙ方向に延在しており、電極ＭｐおよびＭｎのそれぞれのＹ方向の長さは、Ｘ方向の幅よりも長い。
【００２４】
図３は、図２のＡ−Ａ´線に沿う断面図、つまり、位相変調部ＰＭの断面図である。コア部（光導波領域、厚板部）ＣＲおよびスラブ部（薄板部）ＳＢは、半導体基板ＳＵＢ上に絶縁層（埋め込み絶縁層）ＢＯＸを介して形成された半導体層ＳＬに形成されている。半導体基板ＳＵＢは単結晶シリコン（Ｓｉ）からなる支持基板であり、その膜厚は、例えば、７５０μｍ程度である。なお、半導体装置の完成段階では、半導体基板ＳＵＢの膜厚を５０〜２００μｍとすることができる。絶縁層ＢＯＸは酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなり、例えば、２〜３μｍ程度の膜厚である。
【００２５】
また、半導体層ＳＬは、単結晶シリコンからなり、コア部ＣＲの膜厚Ｔ１は、例えば、２００ｎｍであり、スラブ部ＳＢの膜厚Ｔ２は、例えば、１００ｎｍである。コア部ＣＲの膜厚は、スラブ部ＳＢの膜厚よりも厚い。コア部ＣＲには、ｐ型半導体領域ＣＲｐおよびｎ型半導体領域ＣＲｎが形成されており、ｐ型半導体領域ＣＲｐとｎ型半導体領域ＣＲｎの境界には、ＰＮ接合が形成されている。また、コア部ＣＲのｐ型半導体領域ＣＲｐに接続されたスラブ部ＳＢにはｐ型半導体領域ＳＢｐが形成され、コア部ＣＲのｎ型半導体領域ＣＲｎに接続されたスラブ部ＳＢにはｎ型半導体領域ＳＢｎが形成されている。ｐ型半導体領域ＳＢｐの不純物濃度は、ｐ型半導体領域ＣＲｐの不純物濃度よりも高濃度であり、ｎ型半導体領域ＳＢｎの不純物濃度は、ｎ型半導体領域ＣＲｎの不純物濃度よりも高濃度である。なお、コア部ＣＲの膜厚は、スラブ部ＳＢの膜厚と等しくしても良い。
【００２６】
半導体層ＳＬの主面および側壁は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる層間絶縁層ＩＬで覆われている。言い換えると、コア部ＣＲの主面ＣＲａおよび側壁ＣＲｓ、ならびに、スラブ部ＳＢの主面ＳＢａおよび側壁ＳＢｓは、層間絶縁層ＩＬで覆われている。また、層間絶縁層ＩＬは、半導体層ＳＬが存在しない領域で、絶縁層ＢＯＸと接触している。つまり、半導体層ＳＬは、その主面、裏面、および、側壁を層間絶縁層ＩＬおよび絶縁層ＢＯＸで囲まれている。絶縁層ＢＯＸおよび層間絶縁層ＩＬの屈折率は、半導体層ＳＬの屈折率よりも小であり、絶縁層ＢＯＸおよび層間絶縁層ＩＬは、半導体層ＳＬに光を閉じ込めるクラッド層としての機能を有する。
【００２７】
また、図３に示すように、スラブ部ＳＢのｐ型半導体領域ＳＢｐは、プラグ電極（導体層）ＰＧを介して、電極（第１電極、配線、金属配線）Ｍｐに接続され、スラブ部ＳＢのｎ型半導体領域ＳＢｎは、プラグ電極（導体層）ＰＧを介して、電極（第２電極、配線、金属配線）Ｍｎに接続されている。プラグ電極ＰＧは、スラブ部ＳＢの主面ＳＢａが露出するように層間絶縁層ＩＬに設けられた開口ＯＰ内に形成されている。プラグ電極ＰＧは、バリア導体層と、バリア導体層上の主導体層との積層構造からなる。バリア導体層は、例えばチタン（Ｔｉ）または窒化チタン（ＴｉＮ）などからなる。その厚さは、例えば５〜２０ｎｍ程度である。主導体層は、例えば、タングステン（Ｗ）からなる。また、電極ＭｐおよびＭｎは、バリア導体層と、バリア導体層上の主導体層との積層構造からなる。バリア導体層は、例えば、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、窒化タンタル（ＴａＮ）または窒化チタン（ＴｉＮ）などからなる。主導体層は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）またはアルミニウム−銅合金（Ａｌ−Ｃｕ合金）からなる。
【００２８】
電極ＭｐおよびＭｎに所望の電位を供給することにより、コア部ＣＲに形成されたＰＮ接合部を順バイアスまたは逆バイアスすることができる。
【００２９】
光変調器ＰＣの位相変調部ＰＭでは、キャリアプラズマ効果を利用して、電気信号により光の位相を制御している。キャリアプラズマ効果とは、光導波領域であるコア部ＣＲに存在する自由キャリア（電子および正孔）密度に依存して、コア部ＣＲの屈折率が増減する現象である。位相変調部ＰＭでは、この現象を利用して、入力された光に対して、位相の異なる光を形成し、それを出力している。
【００３０】
前述の通り、コア部ＣＲにはＰＮ接合部が形成されているが、ＰＮ接合部には、空乏層と呼ばれる自由キャリア密度が低い領域が生じる。空乏層の幅は、ＰＮ接合部を順バイアスまたは逆バイアスすることにより、任意に変化させることができる。つまり、ＰＮ接合部を順バイアスまたは逆バイアスすることにより、コア部ＣＲにおける自由キャリア密度を変化させ、コア部ＣＲの屈折率を、任意に変化させることができる。そして、コア部ＣＲを伝搬する光に対する実効的な屈折率（言い換えると、光の伝搬速度）を変化させ、位相変調部ＰＭから出力する光の位相を変化させることができる。
【００３１】
このような位相変調部ＰＭを備えた光変調器ＰＣは、バイアス電圧を調整することにより、出力光の位相状態を制御することができる。バイアス電圧として、例えば、逆バイアス電圧を供給する。また、図示しないが、電極ＭｎおよびＭｐ間には、スイッチ（スイッチ素子）が介在しており、例えば、スイッチのオン時に、電極Ｍｎ側に電極Ｍｐ側より高い電圧が給電される。ここで、光の導波（伝播）方向（Ｙ方向）と、バイアス電圧の電界方向（Ｘ方向）とは、直交している。また、バイアス電圧の電界方向は、前述の空乏層の幅が変動する方向であり、自由キャリア（電子および正孔）の実質的な移動方向と言うことができる。本願発明者は、自由キャリア（特に、正孔）の移動度を向上させることによって、位相変調部ＰＭ（言い換えると、光変調器ＰＣ）の小型化、および、低消費電力化が達成することを検討した。
【００３２】
そして、本実施の形態では、図３および図４に示すように、バイアス電圧の電界方向（Ｘ方向）を半導体層ＳＬの結晶方位＜１００＞と一致させた。言い換えると、半導体層ＳＬの幅方向を結晶方位＜１００＞と一致させた。この構成により、位相変調部ＰＭにバイアス電圧を印加した際、自由キャリアである正孔の移動度が向上するため、光変調器ＰＣの高速動作が可能となり、光変調器ＰＣの小型化、および、低消費電力化を達成することができる。
【００３３】
図４に示すように、例えば、結晶方位＜１１０＞にノッチＮＣを有する半導体ウエハＷＦの主面に、光変調器ＰＣを有する半導体チップＣＨを形成した。半導体ウエハＷＦの主面は、例えば、結晶面｛１００｝である。なお、ノッチＮＣは、結晶方位＜１００＞に形成しても良い。半導体ウエハＷＦには、１つの半導体チップＣＨのみ示しているが、実際には、多数の半導体チップＣＨが行列状に形成されている。ここで、光変調器ＰＣの光の導波方向は、Ｙ方向である結晶方位＜１００＞に一致している。そして、位相変調部ＰＭのバイアス電圧の電界方向は、Ｘ方向である結晶方位＜１００＞に一致している。つまり、位相変調部ＰＭにバイアス電圧を印加した際、図３に示すコア部ＣＲにおいて、自由キャリアである正孔は、実質的に、結晶方位＜１００＞に一致する方向に移動するため、自由キャリアである正孔の移動度が向上する。
【００３４】
また、図３に示すように、半導体層ＳＬの主面および側壁は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる層間絶縁層ＩＬで覆われている。そして、半導体層ＳＬに形成されたコア部ＣＲの主面ＣＲａおよび側壁ＣＲｓ、ならびに、スラブ部ＳＢの主面ＳＢａおよび側壁ＳＢｓは、層間絶縁層ＩＬと接触している。
【００３５】
このように、位相変調部ＰＭにおいて、バイアス電圧の電界方向（言い換えると、自由キャリアである正孔の移動方向）を、半導体層ＳＬの結晶方位＜１００＞に一致させたことにより正孔の移動度を向上させることができる。
【００３６】
因みに、図１１は、比較例の光変調器の構成を示す平面図である。光変調器ＰＣ１は、例えば、結晶方位＜１１０＞にノッチＮＣを有する半導体ウエハＷＦ１の主面に形成されている。半導体ウエハＷＦ１の主面は、例えば、結晶面｛１００｝である。光変調器ＰＣ１の光の導波方向は、結晶方位＜１１０＞に配置されている。そして、位相変調部ＰＭのバイアス電圧の電界方向は、結晶方位＜１１０＞に配置されている。位相変調部ＰＭにバイアス電圧を印加した際、自由キャリアである正孔は、結晶方位＜１１０＞に移動する。
【００３７】
本実施の形態の光変調器ＰＣでは、比較例の光変調器ＰＣ１に比べ、およそ２割の低消費電力化を実現することができた。本願発明者は、低消費電力化の要因を以下のように分析している。つまり、位相変調部ＰＭのバイアス電圧の電界方向を、結晶方位＜１００＞にしたことにより、自由キャリアである正孔（ホール）の移動度が向上した。これは、正孔の有効質量が小さく成るためと考えられる。（式１）から明らかなように、正孔の有効質量が小さくなると大きなキャリアプラズマ効果を引き起こすことから、屈折率の変化量を大きくすることができる。
【００３８】
【数１】
2018197817.tif 000003
式中、Δｎは、シリコン層の屈折率変化の実部および虚部を表している。ｅは電荷、λは光波長、ε０は真空中の誘電率、ｎは真性半導体シリコンの屈折率、ｍｅは電子キャリアの有効質量、ｍｈはホールキャリアの有効質量、ΔＮｅは電子キャリアの濃度変化、ΔＮｈはホールキャリアの濃度変化である。
【００３９】
従って、自由キャリアである正孔の移動度を向上させることにより、光変調器ＰＣの小型化（言い換えると、位相変調部ＰＭの短尺化）、および、低消費電力化（言い換えると、低バイアス電圧）を達成することができる。
【００４０】
≪位相変調部の製造方法≫
本実施の形態による半導体装置の一部である位相変調部の製造方法について、図５〜図９を用いて工程順に説明する。図５〜図９は、本実施の形態による位相変調部の製造工程中の断面図である。
【００４１】
まず、図５に示すように、半導体基板ＳＵＢと、半導体基板ＳＵＢの主面上に形成された絶縁層ＢＯＸと、絶縁層ＢＯＸ上に形成された半導体層ＳＬ０と、からなるＳＯＩ基板（この段階ではＳＯＩウエハと称する平面略円形の基板）を準備する。このＳＯＩ基板が、図４で説明した半導体ウエハＷＦに対応する。
【００４２】
半導体基板ＳＵＢは単結晶シリコン（Ｓｉ）からなる支持基板であり、絶縁層ＢＯＸは酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなり、半導体層ＳＬ０は単結晶シリコン（Ｓｉ）からなる。半導体層ＳＬ０の主面ＳＬ０ａは、結晶面｛１００｝を有する。半導体基板ＳＵＢの厚さは、例えば７５０μｍ程度である。絶縁層ＢＯＸの厚さは、例えば２〜３μｍ程度である。半導体層ＳＬ０の厚さは、例えば１００〜４００ｎｍ程度であるが、ここでは一例として２００ｎｍとした。なお、絶縁層ＢＯＸの屈折率は、半導体層ＳＬへ光を封じ込めるために、半導体層ＳＬ０の屈折率よりも小さい。
【００４３】
次に、図６に示すように、前述の半導体層ＳＬ０にフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を施し、リブ構造を有する半導体層ＳＬを形成する。半導体層ＳＬは、コア部ＣＲと、その両側に位置する一対のスラブ部ＳＢとを有する。Ｘ方向において、半導体層ＳＬの幅Ｗ１は、例えば、５μｍである。そして、Ｘ方向において、コア部ＣＲは半導体層ＳＬの中央部に位置しており、コア部ＣＲの幅Ｗ２は、例えば、４００〜６００ｎｍである。コア部ＣＲの膜厚Ｔ１は、例えば、２００ｎｍであり、スラブ部ＳＢの膜厚Ｔ２は、例えば、１００ｎｍである。従って、スラブ部ＳＢの主面ＳＢａから突出するコア部ＣＲの膜厚Ｔ３は、例えば、１００ｎｍである。
【００４４】
次に、図７に示すように、コア部ＣＲの一部の領域にｐ型不純物（例えば、ボロン（Ｂ））を注入し、ｐ型半導体領域ＣＲｐを形成する。さらに、コア部ＣＲにおいて、ｐ型半導体領域ＣＲｐ以外の領域にｎ型不純物（例えば、リン（Ｐ）またはヒ素（Ａｓ））を注入し、ｎ型半導体領域ＣＲｎを形成する。コア部ＣＲにおいて、ｐ型半導体領域ＣＲｐとｎ型半導体領域ＣＲｎとは、互いに接触し、ＰＮ接合（ＰＮ接合部）を形成している。
【００４５】
さらに、一方のスラブ部ＳＢにｐ型不純物（例えば、ボロン（Ｂ））を注入し、ｐ型半導体領域ＣＲｐに接触するように、ｐ型半導体領域ＳＢｐを形成し、他方のスラブ部ＳＢにｎ型不純物（例えば、リン（Ｐ）またはヒ素（Ａｓ））を注入し、ｎ型半導体領域ＣＲｎに接触するようにｎ型半導体領域ＳＢｎを形成する。
【００４６】
ここで、ｐ型半導体領域ＳＢｐの不純物濃度は、ｐ型半導体領域ＣＲｐの不純物濃度よりも高く、ｐ型半導体領域ＳＢｐは、ｐ型半導体領域ＣＲｐより低抵抗となっている。また、ｎ型半導体領域ＳＢｎの不純物濃度は、ｎ型半導体領域ＣＲｎの不純物濃度よりも高く、ｎ型半導体領域ＳＢｎは、ｎ型半導体領域ＣＲｎより低抵抗となっている。また、ｐ型半導体領域ＣＲｐおよびｎ型半導体領域ＣＲｎの不純物濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３とするのが好適である。ｐ型半導体領域ＣＲｐおよびｎ型半導体領域ＣＲｎの不純物濃度は、例えば、コア部ＣＲに形成されたＰＮ接合に逆バイアスを印加して形成される空乏層の幅を制御する上で、１×１０１７ｃｍ−３以上とするのが好ましい。また、ｐ型半導体領域ＣＲｐおよびｎ型半導体領域ＣＲｎの不純物濃度は、例えば、コア部ＣＲを伝播する光の散乱を防止するために、１×１０１８ｃｍ−３以下とするのが好ましい。また、ｐ型半導体領域ＳＢｐおよびｎ型半導体領域ＳＢｎの不純物濃度は、低抵抗とする為に、１×１０２０ｃｍ−３以上とするのが好ましい。
【００４７】
次に、図８に示すように、半導体層ＳＬを覆うように、層間絶縁層ＩＬを形成する。層間絶縁膜ＩＬは、例えば、圧縮応力を有する酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる。コア部ＣＲの主面ＣＲａおよび側壁ＣＲｓ、ならびに、スラブ部ＳＢの主面ＳＢａおよび側壁ＳＢｓは、層間絶縁層ＩＬと接触している。そして、Ｘ方法およびＹ方向において、コア部ＣＲおよびスラブ部ＳＢは、層間絶縁層ＩＬから圧縮応力を受けている。また、半導体層ＳＬへ光を封じ込めるために、層間絶縁膜ＩＬの屈折率は、半導体層ＳＬ０の屈折率よりも小さくする。さらに、半導体層ＳＬ０から染み出す漏れ光（エバネッセント光）が散乱されることによって導波光が減損されないように、層間絶縁層ＩＬの膜厚は、１〜２μｍとするのが好適である。
【００４８】
次に、図９に示すように、層間絶縁層ＩＬに開口ＯＰを形成し、一対のスラブＳＢの主面ＳＢａの一部を露出する。次に、開口ＯＰ内にプラグ電極ＰＧを形成する。次に、図３で説明した電極ＭｐおよびＭｎを形成し、スラブＳＢのｐ型半導体層ＳＢｐにプラグ電極ＰＧを介して電極Ｍｐを接続し、スラブＳＢのｎ型半導体層ＳＢｎにプラグ電極ＰＧを介して電極Ｍｎを接続する。こうして、本実施の形態の半導体装置の位相変調部ＰＭが完成する。
【００４９】
本実施の形態によれば、光変調器ＰＣの光変調部ＰＭを単結晶シリコンからなる半導体層ＳＬで形成し、半導体層ＳＬは、光の導波方向である第１方向（Ｙ方向）と直交する第２方向（Ｘ方向）において第１幅Ｗ１を有し、第１方向において第１幅Ｗ１より大きい第１長さＬ１を有する。半導体層ＳＬは、ｐ型半導体領域ＣＲｐおよびｎ型半導体領域ＣＲｎを含み、第１方向に延在するコア部ＣＲと、コア部ＣＲの両端に配置された第１スラブ部ＳＢおよび第２スラブ部ＳＢとを有する。さらに、第１スラブ部ＳＢには、第１電極Ｍｐが接続され、第２スラブ部ＳＢには、第２電極Ｍｎが接続されている。そして、半導体層ＳＬの幅方向である第２方向（Ｘ方向）は、半導体層ＳＬの結晶方位＜１００＞と一致している。
【００５０】
このような構成により、位相変調部ＰＭにおいて、自由キャリアである正孔の移動方向を結晶方位＜１００＞と一致させることができ、例えば、比較例に比べ正孔の移動度が向上するため、位相変調部ＰＭの小型化または低消費電力化を実現出来る。
【００５１】
また、コア部ＣＲを構成するｐ型半導体領域ＣＲｐおよびｎ型半導体領域ＣＲｎは、ＰＮ接合部を有し、ＰＮ接合に印加される電界の方向を、半導体層ＳＬの結晶方位＜１００＞と一致させたことで、正孔の移動度を向上させることができる。
【００５２】
＜変形例１＞
変形例１は、上記実施の形態の位相変調部ＰＭの変形例である。変形例１の位相変調部ＰＭ１は、コア部ＣＲが真性半導体領域ＣＲｉで形成されている。上記実施の形態と共通する部分には同様の符号を付している。
【００５３】
図１０は、変形例１の位相変調部の構成を示す断面図である。図１０に示すように、半導体層ＳＬ１は、光導波領域であるコア部ＣＲと、コア部ＣＲの両端に配置された一対のスラブ部ＳＢとを有する。そして、コア部ＣＲは、真性半導体領域ＣＲｉで構成されている。Ｘ方向において、コア部ＣＲの一端に接触するスラブ部ＳＢには、ｐ型半導体領域ＳＢｐが形成され、他端に接触するスラブ部ＳＢには、ｎ型半導体領域ＳＢｎが形成されている。つまり、半導体層ＳＬ１には、ＰＩＮダイオードが形成されている。変形例１の位相変調部ＰＭ１では、電極ＭｐおよびＭｎ間に、例えば、順バイアスを印加して、コア部ＣＲの自由キャリア（電子および正孔）密度を変化させることで、キャリアプラズマ効果を利用し、コア部ＣＲにおける光の屈折率を変化させる。
【００５４】
上記実施の形態と同様に、ＰＩＮダイオードに対するバイアス電圧の電界方向を、半導体層ＳＬ１の結晶方位＜１００＞と一致させたことにより、正孔の移動度を向上させることができ、位相変調部ＰＭ１の小型化及び低消費電力化を実現することができる。
【００５５】
変形例１における位相変調部ＰＭ１の平面構造は、図２において、コア部ＣＲのｐ型半導体領域ＣＲｐおよびｎ型半導体領域ＣＲｎを、真性半導体領域ＣＲｉに置換した構造となる。つまり、ＰＩＮダイオードに対するバイアス電圧の電界方向（言い換えると、自由キャリアである正孔の移動方向）は、半導体層ＳＬ１の幅方向（図２のＸ方向）と一致する。
【００５６】
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。
【符号の説明】
【００５７】
ＢＯＸ  絶縁層（埋め込み絶縁層）
ＣＨ  半導体チップ（半導体装置）
ＣＲ  コア部（光導波領域、厚板部）
ＣＲａ  主面
ＣＲｂ  裏面
ＣＲｓ  側壁
ＣＲｉ  真性半導体領域
ＣＲｎ  ｎ型半導体領域（第２半導体領域）
ＣＲｐ  ｐ型半導体領域（第１半導体領域）
ＩＬ  層間絶縁層
Ｍｎ  電極（第２電極、配線、金属配線）
Ｍｐ  電極（第１電極、配線、金属配線）
ＮＣ  ノッチ
ＯＰ  開口
ＰＣ、ＰＣ１  光変調器
ＰＧ  プラグ電極（導体層）
ＰＭ、ＰＭ１  位相変調部
ＳＢ  スラブ部（薄板部）
ＳＢａ  主面
ＳＢｂ  裏面
ＳＢｓ  側壁
ＳＢｎ  ｎ型半導体領域
ＳＢｐ  ｐ型半導体領域
ＳＬ、ＳＬ０、ＳＬ１  半導体層
ＳＬ０ａ  主面
ＳＵＢ  半導体基板
ＷＦ、ＷＦ１  半導体ウエハ
ＷＧａ、ＷＧｂ  光導波路（分配光導波路）
ＷＧｉｎ  光導波路（入力用光導波路）
ＷＧｏｕｔ  光導波路（出力用光導波路）
Ｘ  第２方向
Ｙ  第１方向
【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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