(57)【要約】【課題】光導波路に対しヒータを用いて給電するシリコンフォトニクス装置において、排熱効率および熱耐性を高め、装置の微細化を実現する。【解決手段】絶縁膜ＢＯＸ上に形成された光導波路ＣＲ１と、光導波路ＣＲ１を覆う層間絶縁膜ＩＬ１と、層間絶縁膜ＩＬ１上に形成されたヒータＭＨ１と、ヒータＭＨ１を覆う層間絶縁膜ＩＬ２を含む変調器において、光導波路ＣＲ１およびヒータＭＨ１と隣り合って層間絶縁膜ＩＬ１、ＩＬ２を貫通する熱伝導部ＰＧを形成する。【選択図】図３
2019012136.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
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、
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、回路を構成していない、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３】
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４】
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５】
請求項１記載の半導体装置において、
前記層間絶縁膜上に形成され、前記熱伝導部が接続された導電膜をさらに有し、
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６】
請求項１記載の半導体装置において、
前記層間絶縁膜上に形成され、前記熱伝導部が接続された導電膜をさらに有し、
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７】
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８】
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９】
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１０】
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１１】
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、
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１２】
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。
【請求項１３】
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、
を有する、半導体装置。
【請求項１４】
（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、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、
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、回路を構成していない、半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
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。
【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、特に、光通信を行う半導体装置およびその製造方法に適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信を行う半導体装置として、シリコンフォトニクス装置が知られている。シリコンフォトニクス装置を用いて光信号の変調を行う方法としては、光導波路の屈折率がキャリア濃度に依存する性質に基づくキャリアプラズマ効果を用いる方法と、当該屈折率が温度に依存する性質に基づく熱光学効果を用いる方法とがある。
【０００３】
特許文献１（特表２０１５−５１９６１８号公報）には、フォトニック集積回路において、加熱デバイスの近傍に断熱領域を設けることが記載されている。
【０００４】
特許文献２（特表２０１４−５１９６２３号公報）には、異なる共振温度を有する光共振器が記載されている。
【０００５】
特許文献３（特開２０１５−９４７８１号公報）には、縦列接続された複数の光共振器が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２０１５−５１９６１８号公報
【特許文献２】特表２０１４−５１９６２３号公報
【特許文献３】特開２０１５−９４７８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
シリコンフォトニクス装置において、光信号の強度または位相を変調させるために、熱による屈折率変化を行う場合、ヒータを用いて光導波路に対し給熱を行う。変調時には、通常の半導体装置の製造プロセスでは連続して印加されない高熱を抵抗（ヒータ）から光導波路に与える。このようなシリコンフォトニクス装置では、熱耐性を高めることが求められる。また、変調器同士の間での熱干渉を防ぐために、変調器同士の間の距離を大きくするとことが考えられる。しかし、この場合、半導体装置の面積が増大する問題が生じる。よって、熱を用いた光変調を行うシリコンフォトニクス装置では、熱伝導制御精度を向上し、排熱効率を高めることが求められる。
【０００８】
その他の目的と新規な特徴は、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】
【０００９】
本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００１０】
一実施の形態である半導体装置は、基板上に絶縁膜を介して形成された半導体膜から成る光導波路と、絶縁膜上で光導波路を覆う層間絶縁膜と、光導波路の直上に光導波路と離間して層間絶縁膜内に形成されたヒータと、光導波路およびヒータに層間絶縁膜を介して隣り合い、層間絶縁膜を貫通する熱伝導部と、を有するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本願において開示される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。特に、シリコンフォトニクス装置の排熱性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１である半導体装置を示す模式的な斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１である半導体装置を示す平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線における断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１である半導体装置の製造工程中の断面図である。
【図５】図４に続く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８に続く半導体装置の製造工程中の断面図である。
【図１０】図９に続く半導体装置の製造工程中の断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態１の変形例１である半導体装置を示す断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態１の変形例２である半導体装置を示す平面図である。
【図１３】図２のＢ−Ｂ線における断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態１の変形例３である半導体装置を示す断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態１の変形例４である半導体装置を示す断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態１の変形例５である半導体装置を示す斜視図である。
【図１７】本発明の実施の形態２である半導体装置を示す平面図である。
【図１８】比較例である半導体装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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、その言及した数に限定されるものではなく、言及した数以上でも以下でもよい。
【００１４】
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いうまでもない。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。また、実施の形態を説明する図面においては、構成を分かりやすくするために、平面図または斜視図等であってもハッチングを付す場合がある。
【００１６】
（実施の形態１）
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。
【００１７】
「シリコンフォトニクス」という用語は、光媒体としてＳｉ（シリコン）を使用するフォトニックシステムの技術に関する。光を用いた信号の伝達を行う際、Ｓｉは光の流れを誘導するために使用することが可能である。Ｓｉは約１．１マイクロメートルを越える波長を有する赤外線光を透過する材料である。Ｓｉは約３．５という高い屈折率も有する。この高い屈折率により提供される厳しい光学的制約により、例えば数百ｎｍ2の断面積を有する微小な光導波路が実現可能であり、シリコンフォトニクス装置は既存の半導体製造技術を使用して作ることが可能である。シリコンフォトニクス装置を用いた通信は、省電力であるため、例えばサーバ内部またはサーバ同士の間での通信にシリコンフォトニクス装置を使用することで、大幅な省電力化が可能となる。
【００１８】
シリコンフォトニクス装置において、光信号の強度または位相の変調を行う方法として、光導波路の屈折率がキャリア濃度に依存する性質に基づくキャリアプラズマ効果を用いる方法と、当該屈折率が温度に依存する性質に基づく熱光学効果を用いる方法とがある。本実施の形態では、半導体装置であるシリコンフォトニクス装置のうち、熱光学効果を用いて光の変調を行う変調器について説明する。
【００１９】
＜半導体装置の構造＞
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。
【００２０】
図１に示すように、本実施の形態の半導体装置は、変調器ＭＺを含むシリコンフォトニクス装置である。図１では、変調器ＭＺを構成する基板および当該基板上の埋込み酸化膜および層間絶縁膜を含む積層体と、当該積層体内に形成された光導波路ＣＲ１を示している。変調器ＭＺは、その内部にＳｉ（シリコン）から成る光導波路（コア）ＣＲ１を有している。本実施の形態の変調器ＭＺは、所謂マッハツェンダ型光変調器であり、光導波路ＣＲ１は、上記基板に沿う第１方向に延在する第１光導波路と、第１光導波路から分岐した第２光導波路および第３光導波路と、第２光導波路および第３光導波路が合流して共に接続された第４導波路とにより構成されている。言い換えれば、第２光導波路および第３光導波路は、第１光導波路と第４光導波路との間に並列に接続されている。
【００２１】
第２光導波路および第３光導波路は、互いに第１方向に延在する部分を有しており、それらの部分は、第１方向に対して直交する方向であって、上記基板の上面に沿う第２方向において並んでいる。つまり、それらの部分は互いに並行に配置されている。また、第４光導波路は、第１方向に延在している。第１光導波路は、変調器ＭＺに入力された光が通る導波路であり、入力光は、第１光導波路を通過した後、第２光導波路および第３光導波路のそれぞれに分岐する。その後、第２光導波路および第３光導波路のそれぞれの屈折率の差によって、第２光導波路を通る光と第３光導波路を通る光とのそれぞれの位相を相対的に変化させ、第４光導波路において再び交えることで、干渉により出力光の強度を変化させる。
【００２２】
変調器ＭＺに入力される光は、レーザ（例えば、ハイブリッドシリコンレーザまたはヒ化ガリウムレーザ）などのコヒーレント光源である。ここでは、図示していないが、第１光導波路に入力される光の出力源は変調器ＭＺ内で第１光導波路の端部に接続されていてもよい。同様に、第４光導波路から出力される光を受光して電気信号に変換する装置は、変調器ＭＺ内で第４光導波路の端部に接続されていてもよい。また、光信号の入力部が２つあり、それらの２つの入力部のそれぞれに接続された光導波路が第１光導波路に接続されていてもよい。また、第４光導波路は、その端部で再び２つに分岐していてもよい。その場合、第４光導波路から分岐した２つの光導波路のそれぞれの端部が出力部となる。
【００２３】
変調器ＭＺは、オンまたはオフという形で「１」または「０」の信号を伝える光信号の位相を変化させることで、「１」の信号を「０」に変え、または、「０」の信号を「１」に変える装置である。すなわち、変調器ＭＺはスイッチング素子として動作する。位相の変調は、第２光導波路または第３光導波路のいずれか一方において行われる。具体的には、第２光導波路または第３光導波路のいずれか一方において、光導波路ＣＲ１に変調器ＭＺ内のヒータＭＨ１から給熱することで、光導波路ＣＲ１の屈折率を変化させる。これにより、屈折率が変化した光導波路ＣＲ１内を光信号が通過し、その際光信号の位相が変化することで変調が行われる。本実施の形態は、変調器ＭＺの構造のうち、主に第２光導波路および第３光導波路の近傍の構造に係るものである。
【００２４】
図２および図３には、第２光導波路および第３光導波路の平面レイアウトおよび断面図を示している。図２に示すように、第２光導波路および第３光導波路である２つの光導波路ＣＲ１のそれぞれは、並行に配置され第１方向に延在している。図２および図３に示すように、各光導波路ＣＲ１の直上には、各光導波路ＣＲ１に沿って第１方向に延在するヒータ（変調ヒータ）ＭＨ１が配置されている。なお、図２では、ヒータＭＨ１の下の光導波路ＣＲ１の輪郭を破線で示している。また、図２に示す配線Ｍ２の下には、配線Ｍ２と同様のレイアウトを有する配線Ｍ１および半導体膜ＣＦ（図３参照）が形成されている。また、図２に示すプラグＰＧ３の下には、プラグＰＧ３と同様のレイアウトを有するプラグＰＧ１、ＰＧ２（図３参照）が形成されている。
【００２５】
図３に示すように、本実施の形態のシリコンフォトニクス装置である変調器は、例えばＳｉ（シリコン）から成る半導体基板ＳＢと、半導体基板ＳＢ上に形成され、半導体基板ＳＢの上面を覆う絶縁膜ＢＯＸとを有している。絶縁膜ＢＯＸは、埋込み酸化（ＢＯＸ：Buried Oxide）膜であり、例えば酸化シリコン膜から成る。絶縁膜ＢＯＸ上には、絶縁膜ＢＯＸの上面に接して２つの光導波路ＣＲ１が形成されている。光導波路ＣＲ１は、例えばＳｉから成る。光導波路ＣＲ１の断面形状は、例えば長方形である。光導波路ＣＲ１の断面積は、例えば数百ｎｍ2である。例えば、光導波路ＣＲ１の高さは２００ｎｍであり、４００ｎｍである。ここでは、光導波路ＣＲ１が加熱された後、光導波路ＣＲ１の熱を絶縁膜ＢＯＸを介して半導体基板ＳＢ側に排出するため、光導波路ＣＲ１と絶縁膜ＢＯＸとを接触させている。
【００２６】
絶縁膜ＢＯＸ上には、光導波路ＣＲ１の上面および側面を覆うように、層間絶縁膜ＩＬ１が形成されており、層間絶縁膜ＩＬ１上には、２つのヒータＭＨ１が形成されている。１つの光導波路ＣＲ１の直上には１つのヒータＭＨ１が配置されている。すなわち、光導波路ＣＲ１と光導波路ＣＲ１の直上のヒータＭＨ１との間には、層間絶縁膜ＩＬ１が介在している。ヒータＭＨ１は光導波路ＣＲ１と同様に第１方向に延在している。ヒータＭＨ１は、第２方向において、光導波路ＣＲ１よりも大きい幅を有している。つまり、ヒータＭＨ１の短手方向の幅は、ヒータＭＨ１の直下の光導波路ＣＲ１の短手方向の幅よりも大きい。このため、第２方向において、光導波路ＣＲ１の上面全体は、ヒータＭＨ１に覆われている。
【００２７】
ヒータＭＨ１は、例えばＴｉ（チタン）またはＴｉＮ（窒化チタン）から成る抵抗体であり、ヒータＭＨ１に電流を流すことで、ヒータＭＨ１を１００℃以上に加熱することができる。変調を行う際には、ヒータＭＨ１を加熱することで、層間絶縁膜ＩＬ１を介して光導波路ＣＲ１の温度を上昇させ、これにより光導波路ＣＲ１の屈折率を変化させる。
【００２８】
層間絶縁膜ＩＬ１上には、ヒータＭＨ１を覆う層間絶縁膜ＩＬ２が形成されている。層間絶縁膜ＩＬ２上には、層間絶縁膜ＩＬ３、ＩＬ４が順に積層されている。層間絶縁膜ＩＬ１〜ＩＬ４は、例えば酸化シリコン膜から成る。層間絶縁膜ＩＬ１〜ＩＬ４のそれぞれの上面は平坦化されている。
【００２９】
ここで、本実施の形態の半導体装置の主な特徴は、層間絶縁膜ＩＬ１〜ＩＬ４から成る積層膜の上面から下面に亘って貫通し、光導波路ＣＲ１と隣り合う熱伝導部（導電部）ＰＧを備えていることにある。熱伝導部ＰＧは、変調動作により温度が上昇した光導波路ＣＲ１および層間絶縁膜ＩＬ１〜ＩＬ４の冷却、光導波路ＣＲ１同士の熱干渉の防止、並びに、放熱を行うための熱伝導体部である。熱伝導部ＰＧは、層間絶縁膜ＩＬ１に上面および側面を覆われ、光導波路ＣＲ１と隣り合う位置に絶縁膜ＢＯＸの上面に接して形成された半導体膜ＣＦと、半導体膜ＣＦの直上に形成されたプラグ（ビア）ＰＧ１〜ＰＧ３、配線Ｍ１およびＭ２から成る。半導体膜ＣＦの上面の位置は、例えば光導波路ＣＲ１の上面の位置と同等であり、層間絶縁膜ＩＬ１の上面より下に位置する。熱伝導部ＰＧの熱伝導率は、層間絶縁膜ＩＬ１〜ＩＬ４および絶縁膜ＢＯＸのいずれの熱伝導率よりも高い。
【００３０】
ここで、熱伝導部ＰＧは電気回路を構成しておらず、電気的に浮遊状態である。つまり、熱伝導部ＰＧは、レーザーダイオードなどの半導体素子、または、実施の形態２において後述するｐ型半導体領域およびｎ型半導体領域を有する光導波路ＣＲ２（図１１参照）に電位を供給するプラグなどとは異なり、電圧印加経路として機能せず、電流経路としても機能しない。
【００３１】
半導体膜ＣＦの上面には、層間絶縁膜ＩＬ１およびＩＬ２を貫通するプラグＰＧ１が接続されており、プラグＰＧ１の上面は層間絶縁膜ＩＬ２の上面と同じ高さで平坦化されている。プラグＰＧ１は、第２方向において、ヒータＭＨ１と隣り合っている。つまり、ヒータＭＨ１は、プラグＰＧ１の上面と下面との間の高さに配置されている。プラグＰＧ１および層間絶縁膜ＩＬ２上には、第１方向に延在し、複数のプラグＰＧ１の上面に接続された配線Ｍ１が形成されている。
【００３２】
また、配線Ｍ１の直上において層間絶縁膜ＩＬ３の上面に形成された配線溝内には、第１方向に延在する配線Ｍ２が埋め込まれており、配線Ｍ２の上面は層間絶縁膜ＩＬ３の上面と同じ高さで平坦化されている。平面視で互いに重なる配線Ｍ１、Ｍ２の相互間には、配線Ｍ２の底面および配線Ｍ１の上面に接続され、層間絶縁膜ＩＬ３を貫通するプラグＰＧ２が複数形成されている。また、配線Ｍ２の上面には、層間絶縁膜ＩＬ４の上面から下面に亘って層間絶縁膜ＩＬ４を貫通する複数のプラグＰＧ３が接続されている。プラグＰＧ３の上面は層間絶縁膜ＩＬ４の上面と同じ高さで平坦化されている。
【００３３】
プラグＰＧ１〜ＰＧ３は、例えば主にＷ（タングステン）またはＣｕ（銅）から成る。プラグＰＧ１〜ＰＧ３を構成する熱伝導部として、Ｗ（タングステン）膜またはＣｕ（銅）膜の側面を覆うバリア導体膜が形成されていてもよい。バリア導体膜としては、例えばＴａ（タンタル）またはＴｉ（チタン）を含む膜が用いられる。配線Ｍ１、Ｍ２は、例えば主にＣｕ（銅）またはＡｌ（アルミニウム）から成る。ここでは、平坦な層間絶縁膜ＩＬ２上の配線Ｍ１はＡｌ（アルミニウム）膜から成り、層間絶縁膜ＩＬ３の上面に埋め込まれた配線Ｍ２はＣｕ（銅）膜から成る。
【００３４】
プラグＰＧ１〜ＰＧ３は、平面視で延在しておらず柱状の構造を有しており、光導波路ＣＲ１の延在方向に沿うように、第１方向に並んで複数配置されている。また、半導体膜ＣＦ、配線Ｍ１およびＭ２は、第１方向に延在している。また、複数の熱伝導部ＰＧは、第２方向（光導波路ＣＲ１の短手方向）において、各光導波路ＣＲ１を挟むように配置されている。言い換えれば、第２方向において光導波路ＣＲ１の両側に熱伝導部ＰＧが配置されている。熱伝導部ＰＧは光導波路ＣＲ１およびヒータＭＨ１に対し離間しており、熱伝導部ＰＧと光導波路ＣＲ１およびヒータＭＨ１との間には、層間絶縁膜ＩＬ１またはＩＬ２が介在している。
【００３５】
図３に示すように、層間絶縁膜ＩＬ４およびプラグＰＧ３のそれぞれの上面を覆うように、放熱板（放熱器、放熱フィン、導電膜、金属膜）ＲＢが形成されている。放熱板ＲＢは、プラグＰＧ３の上面に接続されている。ここでは、放熱板ＲＢは、平面視で光導波路ＣＲ１およびヒータＭＨ１の両方を覆うように、変調器の上面の全面に形成されている。このように、放熱板ＲＢが平面視で光導波路ＣＲ１およびヒータＭＨ１を覆い、変調器の上面の全面を覆っていることにより、放熱効率を高めることができる。放熱板ＲＢは、例えば主にＣｕ（銅）またはＡｌ（アルミニウム）から成る。放熱板ＲＢは、熱伝導部ＰＧから伝わった熱を半導体装置の外部に放出する役割を有している。
【００３６】
半導体基板ＳＢの主面または絶縁膜ＢＯＸの上面に対して垂直な方向（垂直方向、縦方向）における光導波路ＣＲ１と光導波路ＣＲ１の直上のヒータＭＨ１との間の距離ｂは、第２方向におけるヒータＭＨ１と熱伝導部ＰＧとの間の距離ａよりも小さい。言い換えれば、ヒータＭＨ１とプラグＰＧ１との間の最短の距離ａは、光導波路ＣＲ１とヒータＭＨ１との間の最短の距離ｂよりも大きい。これは、距離ａの大きさが距離ｂの大きさ以下である場合、光導波路ＣＲ１に給熱を行う目的でヒータＭＨ１を加熱しても、その熱が光導波路ＣＲ１よりもプラグＰＧ１に優先して伝わり、光導波路ＣＲ１を加熱することができないためである。
【００３７】
この場合、変調器を用いた変調ができなくなる問題、または、ヒータＭＨ１を用いた熱応答の速度が低下する問題が生じる。ここでいう熱応答とは、光導波路ＣＲ１が給熱されていない状態でヒータＭＨ１の加熱を開始してから、光導波路ＣＲ１が所望の屈折率に変化するまでの速さ（時間）、または、ヒータＭＨ１の加熱を停止してから光導波路ＣＲ１の屈折率が元に戻るまでの速さ（時間）を指す。つまり、熱応答とは、変調によりオンオフを切り替えるスイッチング速度である。
【００３８】
そこで、本実施の形態では、距離ａを距離ｂの２倍以上の大きさとすることで、変調器を用いた変調ができなくなることを防ぎ、光導波路ＣＲ１の屈折率を変化させる際の熱応答速度を高めている。特に、距離ａを１μｍ以上とすることで、ヒータＭＨ１の熱が過度に熱伝導部ＰＧから排出されることに起因して光導波路ＣＲ１への給電が不十分となることを防ぐことができる。ただし、熱伝導部ＰＧを介して放熱を十分効率的に行う観点から、距離ａは７μｍ以下である。
【００３９】
なお、ヒータＭＨ１の熱を効率よく光導波路ＣＲ１に伝えることを目的として、ヒータＭＨ１を光導波路ＣＲ１に接触させることはできない。また、距離ｂを数百ｎｍ〜５００ｎｍより小さくすることも困難である。これは、光導波路ＣＲ１内を通過する光が、光導波路ＣＲ１に近接する金属膜（ヒータ）に反射し、散乱することで、光導波路ＣＲ１内の光が減衰する虞があるためである。よって、光導波路ＣＲ１とヒータＭＨ１とは一定の距離を隔てて配置する必要があり、ここでは光導波路ＣＲ１とヒータＭＨ１との間に０．５μｍ以上の厚さの層間絶縁膜ＩＬ１が介在している。このため、距離ｂの倍以上の大きさである距離ａは、１μｍ以上の大きさを有している。
【００４０】
＜半導体装置の製造方法＞
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。
【００４１】
まず、図４に示すように、半導体基板ＳＢと、半導体基板ＳＢ上の絶縁膜ＢＯＸと、絶縁膜ＢＯＸ上の半導体膜（ＳＯＩ層）ＰＳとから成る積層基板であるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を準備する。半導体基板ＳＢおよび半導体膜ＰＳは、例えばＳｉ（シリコン）膜から成り、絶縁膜ＢＯＸは例えば酸化シリコン膜から成る。
【００４２】
次に、図５に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング法を用いて、半導体膜ＰＳを加工することで、絶縁膜ＢＯＸの上面の一部を露出させる。これにより、第１方向に延在し、半導体膜ＰＳから成る光導波路ＣＲ１を第２方向に並べて２つ形成し、さらに、第１方向に延在し、半導体膜ＰＳから成る半導体膜ＣＦのパターンを、第２方向に並べて複数形成する。ここでは、光導波路ＣＲ１を図１に示すように一部で分岐する第１光導波路、第２光導波路、第３光導波路および第４光導波路から成るパターンとして形成する。図４には、第２光導波路である光導波路ＣＲ１と、第３光導波路である光導波路ＣＲ１とを示している。また、第２方向で各光導波路ＣＲ１を挟むように、複数の半導体膜ＣＦを形成している。ここでは、隣り合う光導波路ＣＲ１同士の間に１つ半導体膜ＣＦを形成している。
【００４３】
次に、図６に示すように、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて、絶縁膜ＢＯＸ上に、光導波路ＣＲ１および半導体膜ＣＦを覆う層間絶縁膜ＩＬ１を形成する。層間絶縁膜ＩＬ１は例えば酸化シリコン膜から成る。その後、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法を用いて、層間絶縁膜ＩＬ１の上面を平坦化する。
【００４４】
続いて、層間絶縁膜ＩＬ１上に、例えばスパッタリング法を用いて、導電膜（金属膜）を形成する。当該導電膜は、例えばＴｉ（チタン）またはＴｉＮ（窒化チタン）から成る。その後、当該導電膜をフォトリソグラフィ技術およびエッチング法を用いて加工することで、層間絶縁膜ＩＬ１の上面の一部を露出させる。これにより、当該導電膜から成る抵抗体であるヒータＭＨ１を２つ形成する。それぞれのヒータＭＨ１は、光導波路ＣＲ１の直上において、第１方向に延在している。また、ヒータＭＨ１は、平面視で半導体膜ＣＦと重なっていない。
【００４５】
次に、図７に示すように、例えばＣＶＤ法を用いて、層間絶縁膜ＩＬ１上に、ヒータＭＨ１を覆う層間絶縁膜ＩＬ２を形成する。層間絶縁膜ＩＬ２は例えば酸化シリコン膜から成る。その後、例えばＣＭＰ法を用いて、層間絶縁膜ＩＬ２の上面を平坦化する。
【００４６】
次に、図８に示すように、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチングを用いて、層間絶縁膜ＩＬ１、ＩＬ２を貫通し、半導体膜ＣＦの上面を露出する接続孔を複数形成する。接続孔のそれぞれの底面には、半導体膜ＣＦの上面の一部のみが露出している。続いて、層間絶縁膜ＩＬ２上に金属膜を形成することで、各接続孔内を完全に埋め込む。当該金属膜は、例えば主にＷ（タングステン）またはＣｕ（銅）から成る。その後、例えばＣＭＰ法を用いて、層間絶縁膜ＩＬ２上の当該金属膜を除去することで、各接続孔内に残された当該金属膜から成るプラグＰＧ１を形成する。
【００４７】
続いて、例えばスパッタリング法を用いて、プラグＰＧ１上および層間絶縁膜ＩＬ２上に、金属膜を形成する。当該金属膜は、例えばＡｌ（アルミニウム）膜から成る。その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング法を用いて当該金属膜を加工することで、層間絶縁膜ＩＬ２の上面の一部を露出する。これにより、第１方向に延在し、複数のプラグＰＧ１の上面に接続された当該金属膜から成る配線Ｍ１を形成する。
【００４８】
次に、図９に示すように、例えばＣＶＤ法を用いて、層間絶縁膜ＩＬ２上に、配線Ｍ１を覆う層間絶縁膜ＩＬ３を形成する。層間絶縁膜ＩＬ３は例えば酸化シリコン膜から成る。その後、例えばＣＭＰ法を用いて、層間絶縁膜ＩＬ３の上面を平坦化する。
【００４９】
続いて、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチングを用いて、層間絶縁膜ＩＬ３の上面に、配線Ｍ１の上面に達しない配線溝を、配線Ｍ１の直上に形成する。その後、層間絶縁膜ＩＬ３を貫通し、配線Ｍ１の上面を露出する接続孔を当該配線溝の下面に形成する。その後、当該配線溝および接続孔のそれぞれの内部を完全に埋め込むように、層間絶縁膜ＩＬ３上に金属膜を形成する。当該金属膜は、例えば主にＣｕ（銅）から成る。その後、例えばＣＭＰ法を用いて、層間絶縁膜ＩＬ３上の当該金属膜を除去することで、各接続孔内に残された当該金属膜から成るプラグＰＧ２と、当該配線溝内に埋め込まれた当該金属膜から成る配線Ｍ２とを形成する。つまり、ここでは所謂デュアルダマシン法を用いて、配線Ｍ２と配線Ｍ２の下のプラグ（ビア）ＰＧ２とを共に形成する。
【００５０】
次に、図１０に示すように、例えばＣＶＤ法を用いて、配線Ｍ２上および層間絶縁膜ＩＬ３上に層間絶縁膜ＩＬ４を形成する。層間絶縁膜ＩＬ４は例えば酸化シリコン膜から成る。続いて、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチングを用いて、層間絶縁膜ＩＬ４を貫通し、配線Ｍ２の上面を露出する接続孔を複数形成する。その後、層間絶縁膜ＩＬ４上に金属膜を形成することで、各接続孔内を完全に埋め込む。当該金属膜は、例えば主にＷ（タングステン）またはＣｕ（銅）から成る。その後、例えばＣＭＰ法を用いて、層間絶縁膜ＩＬ４上の当該金属膜を除去することで、各接続孔内に残された当該金属膜から成るプラグＰＧ３を形成する。互いに電気的に接続された半導体膜ＣＦ、プラグ（ビア）ＰＧ１〜ＰＧ３、配線Ｍ１およびＭ２は、熱伝導部（導電部）ＰＧを構成している。
【００５１】
続いて、プラグＰＧ３上および層間絶縁膜ＩＬ４上に、例えばスパッタリング法を用いて金属膜を形成する。当該金属膜は、放熱板ＲＢを構成する。放熱板ＲＢは、熱伝導部ＰＧ、ヒータＭＨ１および光導波路ＣＲ１を覆うように形成されている。
【００５２】
以上により、本実施の形態の半導体装置を形成することができる。
【００５３】
＜本実施の形態の効果＞
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。
【００５４】
変調器を用いた変調時には、通常の半導体装置の製造工程では連続して印加されない１００℃程度の熱を抵抗（ヒータ）から光導波路に与える。この場合、光導波路上の層間絶縁膜が劣化する虞、および、当該層間絶縁膜が割れる虞がある。このため、熱を用いて変調を行う変調器は耐熱性が要求される。光導波路の放熱性能を向上させる方法としては、光導波路とその下の絶縁膜（ＢＯＸ膜）とを近付けることが考えられるが、光導波路と当該絶縁膜を接触させた場合、さらに放熱性を向上させることは困難である。
【００５５】
また、変調器を構成する２以上の光導波路、つまり、上述した第１〜第４光導波路のうち、並行する第２光導波路と第３光導波路との間では、熱干渉が起きる虞がある。ここでいう熱干渉とは、例えば第２光導波路に給熱して第２光導波路でのみ変調を行い、第３光導波路では変調を行わない場合において、第２光導波路の直上のヒータを加熱した際に熱が拡散し、第３光導波路の温度が上昇し、これにより第３光導波路の屈折率が変化することを指す。これにより、第３光導波路を通る光は意図せず位相がずれるため、第２光導波路を通った光と第３光導波路を通った光とのそれぞれの相互間の位相差が、所望の位相差からずれる問題が生じる。
【００５６】
このような熱干渉により、当該光導波路と隣り合う他の光導波路での変調が起こることを防ぐため、図１８に示すように、光導波路同士の間の距離を大きく確保することが考えられる。図１８に示す構造は、熱伝導部ＰＧおよび放熱板ＲＢ（図３参照）が形成されていない点と、２つの光導波路ＣＲ６同士の間の距離が大きい点とを除き、図３に示す構造と同様の構造を有している。なお、図１８では層間絶縁膜ＩＬ１上に層間絶縁膜ＩＬ２のみを示しているが、層間絶縁膜ＩＬ２上に複数の層間絶縁膜が形成されていてもよい。
【００５７】
図１８に示すように、第２光導波路である光導波路ＣＲ６と第３光導波路である光導波路ＣＲ６とを第２方向において互いに大きく離間させれば、１つのヒータＭＨ３を加熱して一方の光導波路ＣＲ６に給熱した場合でも、上記の熱干渉の発生を防ぐことができるように思える。また、熱変調のエネルギー効率を高めることを目的として、当該比較例のように、熱伝導率が低い材質から成る膜のみを光導波路ＣＲ６とヒータＭＨ３との周囲に配置することが考えられる。
【００５８】
しかし、光導波路ＣＲ６同士の距離を大きくすることで、半導体装置の面積が増大する問題が生じる。
【００５９】
そこで、本実施の形態の半導体装置では、層間絶縁膜ＩＬ１〜ＩＬ４を貫通し、光導波路ＣＲ１と隣り合う熱伝導部ＰＧを設けている。これにより、図３に示す２つのヒータＭＨ１のうち一方を加熱し、当該ヒータＭＨ１の直下の光導波路ＣＲ１に給熱した際に、ヒータＭＨ１、光導波路ＣＲ１および当該ヒータＭＨ１の周囲の層間絶縁膜ＩＬ１〜ＩＬ４および絶縁膜ＢＯＸの熱が、熱伝導部ＰＧおよび放熱板ＲＢを介して上方に排出される。なお、絶縁膜ＢＯＸに伝わった熱は、半導体基板ＳＢ側にも排出される。このように熱伝導部ＰＧおよび放熱板ＲＢを用いて放熱を行うことで、層間絶縁膜ＩＬ１〜ＩＬ４の熱による劣化および割れなどの破損の発生を防ぐことができる。よって、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
【００６０】
これにより、光導波路ＣＲ１の屈折率を変化させる際、ヒータＭＨ１をより高い温度に加熱して、熱応答速度を高めることができる。すなわち、より大きい電流をヒータに流すことで、熱応答速度を高めても、熱伝導部ＰＧにより放熱を行うことができるので、他の光導波路が熱の影響を受けることを防ぐことができる。つまり、変調器の動作速度を速くすることができる。また、熱伝導部ＰＧを設けることで、変調動作により加熱された光導波路ＣＲ１が冷却される時間を短縮することができる。よって、加熱により変化した屈折率が、加熱前の元の屈折率に戻るまでの熱応答時間を短縮することができる。つまり、変調器の動作速度を速くすることができる。
【００６１】
ここでは、例えば、応答速度をμｓ（μ秒）オーダーで向上することができる。例えば、比較例の半導体装置での熱応答に要する時間が１５μｓである場合、本実施の形態の半導体装置では、熱応答に要する時間を１０μｓに短縮することができると考えられる。よって、ヒータＭＨ１による変調温度範囲を拡げることが可能となり、変調器の制御性が向上する。よって、半導体装置の性能を向上させることができる。このような変調の高速化は、本実施の形態のような変調器で有効であるが、本実施の形態のような変調器よりも、後述する実施の形態２の共振器でさらに有効である。
【００６２】
また、熱伝導部ＰＧを設けることにより、図３に示す２つのヒータＭＨ１のうち一方を加熱し、当該ヒータＭＨ１の直下の光導波路ＣＲ１に給熱した際に、他方の光導波路ＣＲ１が加熱され、これに起因して意図せず変調が起きることを防ぐことができる。つまり、光導波路ＣＲ１同士の間での熱干渉を防ぐことができる。よって、比較例に比べ、光導波路ＣＲ１同士を第２方向において近付けることができるため、半導体装置を微細化することができる。
【００６３】
なお、ここでは光変調器の主な用途である意図的な位相の変化のための変調での排熱について説明した。これに対し、変調器において第２光導波路および第３光導波路のそれぞれの長さの小さい差などに起因して、それらの光導波路を通った光の位相差が合流時に意図せずずれることを防ぐ補正のために変調を行う場合もある。このような変調での排熱のために本実施の形態の熱伝導部を設けてもよい。つまり、合流する光信号の位相差は０であるか、または所望の位相差が生じていることが理想であるが、実際には相対的に小さく位相がずれている場合があり、この場合、光信号が合流する前に、第２光導波路および第３光導波路の両方またはいずれか一方において、光の位相のずれを直すために変調を行う必要がある。このような補正を行うための変調を、ヒータを用いた加熱により行う場合にも、本実施の形態の熱伝導部を用いることで排熱性能を向上させることができる。以下に記載する本実施の形態１の変形例１では、このように補正のために行う熱変調のために上記熱伝導部を設けることについて説明する。
【００６４】
また、図２では熱伝導部ＰＧを構成するプラグ（ビア）ＰＧ１〜ＰＧ３を柱状（島状）に形成した場合のレイアウトを示したが、排熱効率を高めるため、プラグＰＧ１〜ＰＧ３を平面視で第１方向に延在する形状で形成してもよい。ただし、層間絶縁膜を貫通する接続孔を長く延在させ、且つ深く形成することが困難である場合には、例えば、ヒータＭＨ１よりも短く延在するプラグＰＧ１〜ＰＧ３を、第１方向に複数並べて配置してもよい。
【００６５】
また、ここでは層間絶縁膜を４つ重ねることについて説明したが、層間絶縁膜の積層数は４より少なくても多くてもよい。また、配線Ｍ１、Ｍ２は、いずれも、配線Ｍ１のように層間絶縁膜上に形成された形でもよく、配線Ｍ２のように層間絶縁膜の上面に埋め込まれた形でもよい。また、熱伝導部ＰＧを構成する配線およびプラグのそれぞれの数は、適宜変更可能である。
【００６６】
以下では本実施の形態の変形例および他の実施の形態について説明するが、それらの変形例および実施の形態でも、光導波路およびヒータの近傍に熱伝導部を配置しており、これにより、半導体装置の排熱効率、熱耐性を高めることができ、半導体装置の微細化が可能となることは、いうまでもない。
【００６７】
＜変形例１＞
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。
【００６８】
図１１に示すように、本変形例の半導体装置の構造は、図３に示す構造とほぼ同様である。ただし、図１１に示す構造は、光導波路ＣＲ２が、絶縁膜ＢＯＸの上面に沿って第２方向に広がった第１部分と、第１部分上に位置し、第１部分よりも第２方向の幅が小さい第２部分とにより構成されている点と、第１部分の端部の上面に電極ＭＥが接続されている点とが、図３に示す構造と異なる。
【００６９】
光導波路ＣＲ２の全体は、Ｓｉ（シリコン）から成る。第２方向における光導波路ＣＲ２の中央において、光導波路ＣＲ２の上面は上方に突出しており、当該突出部である第２部分と、その直下の光導波路ＣＲ２とが主に導波路として光が通過する部分である。光導波路ＣＲ２は、ｐ型半導体領域ＰＲと、ｎ型半導体領域ＮＲとにより構成され、それらの半導体領域の相互感の界面は、第２方向の中央に位置する。つまり、光導波路ＣＲ２内には、第２方向において並ぶｐ型半導体領域ＰＲおよびｎ型半導体領域ＮＲを有している。なお、ｐ型半導体領域ＰＲおよびｎ型半導体領域ＮＲは互いに接していてもよいが、ｐ型半導体領域ＰＲおよびｎ型半導体領域ＮＲの間の光導波路ＣＲ２内に、不純物濃度が低くｐ型にもｎ型にも属さないイントリンシックな半導体層が形成されていてもよい。つまり、光導波路ＣＲ２内にＰＩＮ構造が形成されていてもよい。
【００７０】
光導波路ＣＲ２の第２方向における端部、つまり、ｐ型半導体領域ＰＲおよびｎ型半導体領域ＮＲのそれぞれの端部において、ｐ型半導体領域ＰＲの上面およびｎ型半導体領域ＮＲの上面のそれぞれには電極ＭＥが接続されている。電極ＭＥは、半導体膜であっても金属膜であってもよい。また、電極ＭＥが半導体から成る場合、電極ＭＥは光導波路ＣＲ２と一体となっていてもよい。電極ＭＥの上面は、層間絶縁膜ＩＬ１に覆われている。
【００７１】
本変形例の半導体装置の光導波路ＣＲ２を形成する方法としては、例えば、図４に示す半導体膜ＰＳの上面の２箇所を、半導体膜ＰＳの途中深さまで後退させて２つの溝を形成することで、２つの溝の直下の第１部分と、それらの溝同士の間の第２部分（凸部）とを形成した後、第１部分および第２部分よりも外側の半導体膜ＰＳを除去し、これにより絶縁膜ＢＯＸを露出させる方法がある。
【００７２】
ここでは、光変調器の主な用途である意図的な位相の変化のための変調、つまり、信号「０」を信号「１」に変えるために行う変調を、キャリアプラズマ効果を用いた方法により行う。すなわち、第２光導波路および第３光導波路のいずれか一方において、電極ＭＥを介して、ｎ型半導体領域ＮＲに正の電位を印加し、ｐ型半導体領域ＰＲに例えば０または負の電位を印加する。これにより、光導波路ＣＲ２内では電位差が生じ、第２部分（凸部分）近傍の光導波路ＣＲ２内に空乏層が生じる。これにより、第２部分（凸部分）近傍の光導波路ＣＲ２内の屈折率が変化するため、変調が行われる。
【００７３】
また、キャリアプラズマ効果による上記変調を行った後でも、第２光導波路および第３光導波路のそれぞれを通った光の位相差が合流時に意図せずずれる場合がある。このようなずれを補正する変調を、ヒータＭＨ１から光導波路ＣＲ２に対し給熱することで行う。これにより、光の位相のずれを補正することができる。このような補正を行うための変調を、ヒータＭＨ１を用いた加熱により行う場合にも、本実施の形態の熱伝導部ＰＧを用いることで、図１〜図１０を用いて説明した実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００７４】
なお、光導波路内にＰＩＮ構造が形成されている場合には、ｐ型半導体領域とｎ型半導体領域との間をオン状態にすることで、変調を行う。
【００７５】
＜変形例２＞
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。
【００７６】
図１２および図１３に示すように、本変形例の半導体装置の構造は、図２および３に示す構造とほぼ同様である。ただし、本変形例の構造は、放熱板ＲＢが平面視で第１方向に延在するパターンを並べたストライプ状のレイアウトを有している。また、ここでは、放熱板ＲＢは、層間絶縁膜ＩＬ４の上面に形成された溝内に埋め込まれている。複数の放熱板ＲＢのそれぞれは、第２方向に並んで配置されており、複数のプラグＰＧ３の上面に接続されている。また、放熱板ＲＢは、平面視でヒータＭＨ１および光導波路ＣＲ１を露出している。言い換えれば、放熱板ＲＢは、平面視でヒータＭＨ１に重なっていない。
【００７７】
ここでは、放熱板ＲＢが変調器の上面の全てを覆っていないことで、ヒータＭＨ１を変調器の上方から観察することが容易となっている。これにより、容易にヒータＭＨ１の温度計測を行うことができる効果を得ることができる。
【００７８】
＜変形例３＞
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。
【００７９】
図１４に示すように、本変形例の半導体装置の構造は、プラグＰＧ１と層間絶縁膜ＩＬ１、ＩＬ２との間に空隙ＥＧが形成されている点を除き、図３に示す構造とほぼ同様である。空隙ＥＧの全体は、プラグＰＧ１よりも横幅が大きい半導体膜ＣＦ、配線Ｍ１およびＭ２と平面視で重なる位置に形成されている。すなわち、絶縁膜ＢＯＸの上面に沿う横方向において、空隙ＥＧは、半導体膜ＣＦ、配線Ｍ１およびＭ２のそれぞれの端部よりも内側で終端している。空隙ＥＧは、プラグＰＧ１の側面を覆うように形成され、平面視でプラグＰＧ１を囲んでいる。プラグＰＧ１と層間絶縁膜ＩＬ１、ＩＬ２との間に空隙ＥＧが介在しているため、プラグＰＧ１は層間絶縁膜ＩＬ１、ＩＬ２に接していない。少なくとも、互いに隣り合うヒータＭＨ１とプラグＰＧ１との間には、空隙ＥＧが形成されている。
【００８０】
空隙ＥＧ内には、絶縁膜も導電膜も存在していない。空隙ＥＧが形成された領域は、層間絶縁膜ＩＬ１〜ＩＬ４を構成する材料（例えば酸化シリコン）よりも熱伝導率が低い領域となっている。このため、プラグＰＧ１が層間絶縁膜ＩＬ１、ＩＬ２に接している場合に比べ、変調のために加熱されたヒータＭＨ１の熱は、プラグＰＧ１を含む熱伝導部ＰＧに伝導し難い。すなわち、ヒータＭＨ１の熱は、優先的に光導波路ＣＲ１に伝わる。よって、変調動作の際にヒータＭＨ１を加熱する温度を低くしても、光導波路ＣＲ１を所望の屈折率に変化させ、変調を行うことができる。よって、ヒータＭＨ１の消費電力を、例えば数十ｍＷ低減することができる。すなわち、半導体装置の消費電力を低減することができる。
【００８１】
また、熱伝導率が層間絶縁膜ＩＬ１〜ＩＬ４より低い空隙ＥＧが存在するため、第２方向において熱伝導部ＰＧを光導波路ＣＲ１に近付けて形成しても、ヒータＭＨ１の熱が熱伝導部ＰＧを介して過度に放出され、光導波路ＣＲ１が十分に加熱されなくなることを防ぐことができる。このため、空隙ＥＧを形成し、第２方向において熱伝導部ＰＧを光導波路ＣＲ１に近付けて形成することで、半導体装置の微細化が可能となる。例えば、ヒータＭＨ１とプラグＰＧ１との間の距離は、１μｍよりも小さくすることができる。
【００８２】
なお、ヒータＭＨ１と熱伝導部ＰＧの一部（例えばプラグＰＧ１）との間に空隙ＥＧを形成すれば上記効果を得ることができのだから、空隙ＥＧをプラグＰＧ１に接触させず、ヒータＭＨ１とプラグＰＧ１との間の層間絶縁膜ＩＬ１、ＩＬ２内に空隙ＥＧを形成してもよい。
【００８３】
＜変形例４＞
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。
【００８４】
図１５に示すように、本変形例の半導体装置の構造は、図３に示す構造とほぼ同様である。ただし、図１５に示す構造は、ヒータＭＨ１と光導波路ＣＲ１との間にヒータＭＨ２が形成されている点で、図３に示す構造とは異なる。ヒータＭＨ２は、ヒータＭＨ１および光導波路ＣＲ１のそれぞれに対し、層間絶縁膜ＩＬ１を介して離間している。また、第２方向におけるヒータＭＨ２の幅は、第２方向におけるヒータＭＨ１の幅よりも小さく、第２方向における光導波路ＣＲ１の幅よりも大きい。平面視において、ヒータＭＨ１、ＭＨ２および光導波路ＣＲ１は、互いに重なっており、ヒータＭＨ２は、ヒータＭＨ１と同様に第１方向に延在している。
【００８５】
ここでは、層間絶縁膜ＩＬ１内にヒータＭＨ２を示しているが、実際には、ヒータＭＨ１と同様に、ヒータＭＨ２は層間絶縁膜ＩＬ１を構成する積層された２つの層間絶縁膜の間に位置している。つまり、ヒータＭＨ２は、ヒータＭＨ１と同様の方法で形成することができる。ヒータＭＨ２は、例えばＴｉ（チタン）またはＴｉＮ（窒化チタン）などにより構成されている。また、ヒータＭＨ２は、プラグＰＧ１の上面と下面との間の高さに位置し、第２方向でプラグＰＧ１と隣り合っている。ヒータＭＨ２は、ヒータＭＨ１と同様に、電流を流すことで加熱することができる熱伝導部である。ここでは、ヒータＭＨ１とヒータＭＨ２との間の距離は、距離ａよりも小さい。
【００８６】
本変形例では、ヒータＭＨ１と光導波路ＣＲ１との間にヒータＭＨ２を形成することで、ヒータＭＨ１から広がる熱の流れを、ヒータＭＨ２が形成された方向、つまり、光導波路ＣＲ１が形成された下側の方向に集めるように制御することができる。このため、ヒータＭＨ１の熱が過度に光導波路ＣＲ１に伝わることを防ぎ、効率よく光導波路ＣＲ１に給熱することができる。よって、ヒータＭＨ１とプラグＰＧ１との間の距離を縮小することが可能である。
【００８７】
＜変形例５＞
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。
【００８８】
本変形例の半導体装置の構造は、図３に示す構造とほぼ同様である。ただし、図１６に示すように、光導波路ＣＲ３は、フォトニック結晶により構成されている。フォトニック結晶とは、周期的な屈折率分布をもつ光ナノ構造のことであり、特に多次元周期構造のことを指す。フォトニック結晶は、人工的に光の波長と同程度の周期を持つ構造を作製したものであり、ここでは、光導波路ＣＲ３は、その上面から下面に亘って貫通する孔部を複数有している。すなわち、光導波路ＣＲ３には、平面視において複数の貫通孔が周期的に並んで開口されている。光信号は、例えば、図１６に示す矢印の方向でフォトニック結晶内を通る。
【００８９】
フォトニック結晶から成る光導波路ＣＲ３内を通る光は、上記複数の貫通孔を有さないシリコン膜内を通る場合に比べ、波長が短くなり、通過速度が遅くなる。このため、変調に要する光導波路ＣＲ３の距離を短縮することができる。すなわち、第２光導波路および第３光導波路の延在方向の距離を短くすることができる。よって、ヒータＭＨ１を省電力化することが可能となり、且つ、変調器の微細化が可能となる。
【００９０】
（実施の形態２）
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。
【００９１】
図１７に、本実施の形態２である半導体装置である共振器（光共振器）の平面図を示す。本実施の形態の共振器は、平面視で互いに並行に延在する光導波路ＣＲ４、ＣＲ５を有し、光導波路ＣＲ４と光導波路ＣＲ５との間に配置され、平面視で環状の構造を有するリング光導波路ＲＣＲを有しているリング光共振器である。光導波路ＣＲ４、ＣＲ５およびリング光導波路ＲＣＲは、互いに絶縁膜（図示しない）を介して離間している。ここでは、光導波路ＣＲ４から光信号を入力し、光導波路ＣＲ５から光信号を出力する。なお、リング光導波路ＲＣＲの平面視における形状は、円形でも楕円形でもよい。
【００９２】
光導波路ＣＲ４に光が入力されると、光導波路ＣＲ４内を通る光の一部がリング光導波路ＲＣＲとカップリングする。つまり、リング光導波路ＲＣＲと光導波路ＣＲ４とが十分近い箇所において、光導波路ＣＲ４内を通る光の一部がリング共振器へと透過する。環状のリング光導波路ＲＣＲ内に入射された光は、リング光導波路ＲＣＲ内を何周もするうちに干渉によって強度を増し、その後光導波路ＣＲ５に出力される。ここでは、いくつかの波長のみがリング光導波路ＲＣＲ内で共振を起こすため、リング光共振器をフィルターとして使用することができる。
【００９３】
本実施の形態の共振器は、リング光導波路ＲＣＲに対しヒータを用いて加熱を行い、リング光導波路ＲＣＲ内を通る光を変調することで、光導波路ＣＲ５に出力される光の波長を選択するものである。
【００９４】
光導波路ＣＲ４、ＣＲ５およびリング光導波路ＲＣＲのそれぞれの断面形状および断面積は、いずれも同様である。光導波路ＣＲ４、ＣＲ５およびリング光導波路ＲＣＲのそれぞれは例えばＳｉ（シリコン）から成り、図３に示す変調器と同様に、半導体基板上に埋込み酸化膜を介して形成され、層間絶縁膜ＩＬ１〜ＩＬ４（図３参照）により覆われている。また、リング光導波路ＲＣＲの直上には、ヒータＭＨ１（図３参照）と同様に、リング光導波路ＲＣＲを加熱するためのヒータ（図示しない）が、リング光導波路ＲＣＲのレイアウトに沿って曲線状に形成されている。なお、当該ヒータは環状に形成されている必要はない。
【００９５】
リング光導波路ＲＣＲの短手方向おいて、リング光導波路ＲＣＲの近傍には、複数の熱伝導部ＰＧが形成されている。複数の熱伝導部ＰＧのそれぞれは、リング光導波路ＲＣＲの側面に沿うように配置されている。熱伝導部ＰＧは、リング光導波路ＲＣＲの両側の側面に隣り合うように配置されている。言い換えれば、リング光導波路ＲＣＲの短手方向において、リング光導波路ＲＣＲを挟むように複数の熱伝導部ＰＧが配置されている。ここでは、リング光導波路ＲＣＲの外側の側面に沿う曲線状の２つの熱伝導部ＰＧと、リング光導波路ＲＣＲの内側の側面に沿う環状の熱伝導部ＰＧとを示している。また、各熱伝導部ＰＧに接続された放熱板（図示しない）が、層間絶縁膜上に形成されている。すなわち、リング光導波路ＲＣＲ、熱伝導部ＰＧおよびヒータを含む本実施の形態の半導体装置の断面構造は、図３に示す断面構造とほぼ同様である。
【００９６】
リング光導波路ＲＣＲ内を通る光のうち、所望の波長の光を抜き出して光導波路ＣＲ５から出力するため、ここでは、リング光導波路ＲＣＲをヒータにより加熱してリング光導波路ＲＣＲ内の屈折率を変化させ、これにより変調を行う。つまり、本実施の形態においても、リング光導波路ＲＣＲの近傍に熱伝導部ＰＧを配置することで、半導体装置の排熱効率、熱耐性を高めることができる。よって、半導体装置の性能を向上させることができる。
【００９７】
また、ヒータを用いた給熱により、リング光導波路ＲＣＲ、光導波路ＣＲ４またはＣＲ５において、意図しない変調が起こることを防ぐことができる。よって、半導体装置の信頼性を向上させることができる。光導波路ＣＲ４またはＣＲ５での変調を防ぐ観点から、光導波路ＣＲ４またはＣＲ５の近傍に熱伝導部ＰＧを配置してもよい。
【００９８】
以上、本発明者ら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。
【００９９】
例えば、前記実施の形態１、２および前記実施の形態１の各変形例の構造を互いに組み合わせてもよい。例えば、図１６に示すフォトニック結晶を、図１１に示す光導波路または図１７に示す共振器に用いてもよく、図１２および図１３に示すようにヒータと重ならない放熱板を図１７に示す共振器に用いてもよい。
【符号の説明】
【０１００】
ＢＯＸ    絶縁膜
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
【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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