JP6014756B2 - フォトニックデバイスを断熱する方法および装置 - Google Patents

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Description

説明する実施形態は、全般的には、電子フォトニックデバイスに関し、さらに詳細には、電子フォトニックデバイスの断熱に関する。
光伝送は、別個の集積回路ダイ間の通信（ダイ間接続とも呼称される）のための手段として、および同一ダイ上の構成要素間の通信（ダイ内接続とも呼称される）のための手段として、使用され得る。フォトニックデバイスは、信号の光伝送のソーシング、制御、および／または検出を行う能力を有する種類のデバイスである。
「シリコンフォトニクス」という用語は光媒体としてシリコンを使用するフォトニックシステムの研究および応用に関する。電気の流れを支援するためにシリコンを使用することに対して代替的にまたは追加的に、シリコンは光子また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。シリコンは約１．１マイクロメートルを越える波長を有する赤外線光に対して透明である。シリコンは約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微小な光導波路（わずか数百ナノメートルの断面積を有し得る）が可能となり、それにより相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）技術などのシリコンを用いる現在のナノスケール半導体技術との統合化が支援されることとなる。したがってシリコンフォトニックデバイスは既存の半導体製作技法を使用して作ることが可能である。さらに、多数の電子集積回路のための基板としてシリコンがすでに使用されているため、単一のダイ上に統合された光構成要素および電子構成要素の両方を用いる混成デバイスを作製することが可能である。
半導体デバイスなどの電子デバイスに関して通信帯域幅、エネルギー消費、および性能基準に対する要求がより厳しくなりつつあることに応答して、フォトニックデバイスは、電子・フォトニック集積回路と呼称される種類の電子フォトニックデバイスを形成するために、光／電気回路との一体化の度合いを増加しつつある。例えば半導体産業において、フォトニックデバイスは、単一ダイ内での通信、コンピュータボードの複数ダイ間での通信、およびコンピュータボード間での通信を含む様々な用途を有する。
光相互接続部を介するダイ間通信では、回路基板上の各ダイが、光導波路を介して２つのダイが動作可能に接続される状態で、フォトニック・電子・送受信器回路とインターフェースされ得る。同様にイントラダイ通信においても、単一ダイ内の構成要素を接続するために、例えば集積光源（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｏｕｒｃｅ）とフォトニック検出器との間で、光導波路が使用され得る。
図１は従来のフォトニック多重化システム１００の１例のブロック図を図示する。システム１００は複数の搬送波入力デバイス１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ（入力デバイス１１０と総称される）を含み、これら入力デバイス１１０のそれぞれは例えば光搬送波をそれぞれの伝送波長で生成するよう構成された光源であり得る。例えば、各入力デバイス１１０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、または当該技術分野で周知である他の適切な光源を含み得る。
各入力デバイス１１０ａ〜ｄから発した光搬送波は、それぞれの光導波路１１５ａ〜ｄに沿ってそれぞれの共振搬送波変調器１２０ａ〜ｄに伝送される。搬送波変調器１２０ａ〜ｄは、異なる波長を有する各光搬送波を各入力デバイス１１０ａ〜ｄから受信すること、および、各搬送波変調器１２０ａ〜ｄが受信する光搬送波上のデータを変調すること、を行うよう構成される。例えば搬送波変調器１２０ａ〜ｄは、光データ信号を受信することおよび変調された光データ信号を出力することを行うよう構成された光変調器であってもよく、または導電性相互接続部から電気データ信号を受信することおよび変調された光データ信号を出力することを行うよう構成された電子・光変調器であり得る。次に、搬送波変調器１２０ａ〜ｄのうちのそれぞれから発した変調された光は組み合わされ、光マルチプレクサ１３０を使用して、単一の転送チャネル（例えば光導波路１４０）へと転送される。多重化された光は光導波路１４０に沿って、例えば光伝送を検出するための１つまたは複数のフォトニック検出器を含み得るエンドポイント（図示せず）へと伝送される。この場合、エンドポイントにおいて光は多重分離および復調された後、エンドポイントデバイスにより使用される。
光搬送波が光導波路１１５および１４０を通って導波することは、屈折率がより高い内側コアと屈折率がより低い外側クラッドとの間の境界面における光搬送波の電磁波の内部反射を通して行われる。例えば光導波路１１５の内側コアはシリコン（Ｓｉ）またはシリコン含有物質から形成され、約３．５の屈折率を有し得る。光導波路１１５のクラッドは屈折率がより低い物質（例えば約１．５の屈折率を有するＳｉＯ２物質）から形成され得る。
フォトニックシステム内のいくつかの構成要素は、特に共振周波数で動作する構成要素は、温度における変動により影響され得る。温度における変動により、デバイスの寸法変化（熱膨張に起因する）および物質の屈折率変化がもたらされ得る。一例として、１つまたは複数の搬送波波長を提供する光レーザは、その温度を変化させることにより、チューニングが可能である。他の例として、温度における変化は共振搬送波変調器１２０の動作に影響を及ぼし得る。特定の変調器１２０の共振周波数はその共振構造体の屈折率により部分的に制御される。当該屈折率は温度により変化し、次いで係る温度変化により変調器１２０の共振周波数にずれが生じることとなり得る。したがって特定のフォトニックデバイスが最適動作するためには熱的環境の安定化が必要となる。
フォトニックデバイスに安定した熱的環境を提供する１つの技法は１つまたは複数のフォトニックデバイスを、例えば電気加熱デバイスを用いることなどにより、能動的に温度制御することを含む。図２Ａはシリコンダイ２３０の１部分に形成された、入力デバイス１１０（例えばレーザ）、光導波路１１５、および共振搬送波変調器１２０を含むフォトニックデバイスの上面図を示す。加熱デバイス２１２が搬送波変調器１２０を能動的に温度制御する。加熱デバイス２１２は、エネルギー（例えば電気エネルギー）を受け取って周囲のフォトニックデバイスに熱を出力するよう構成された抵抗素子または誘導素子（例えばポリシリコン、シリコン、または銅素線など）であり得る。図２Ａに示すように加熱デバイス２１２は変調器１２０を部分的に包囲することにより変調器１２０に対してカスタマイズされてもよく、または任意の他の形状を有し、他の温度敏感性のフォトニックデバイスならびに搬送波変調器１２０の近傍に配置されてもよい。他の実施形態では加熱デバイス２１２は搬送波変調器１２０と一体化され得る。
図２Ｂは、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）集積回路ダイ２３０の１部分に形成されたフォトニックデバイスの断面図を示す。ダイ２３０は入力デバイス１１０（例えばレーザ）、光導波路１１５、および共振搬送波変調器１２０を含む。ダイ２３０は基板２３２を含み、基板２３２は例えば伝熱性シリコンのバルク領域であり得る。ＳＯＩ構造体はＳｉＯ２などの絶縁物質からなる絶縁体領域２３３（埋込酸化膜または「ＢＯＸ」領域とも呼称される）も含み、絶縁体領域２３３は光導波路１１５に対する底部クラッド層として機能する。ダイ２３０は、デバイス形成層２３５の上方に形成される例えばＳｉＯ２からなる下方層を有するレベル間誘電体（ＩＬＤ）領域２３６も含む。ＩＬＤ領域２３６の下方層は光導波路１１５に対する上方クラッド領域を提供し、ＩＬＤ領域２３６の上方レベルは、ダイ２３０の様々な位置（例えばデバイス形成領域２３５の上方）に電気接続部を形成するために使用される。入力デバイス１１０（例えばレーザ）、光導波路１１５、および共振搬送波変調器１２０の他にも加熱デバイス２１２を含むフォトニックデバイスは、通常、基板２３２上方のデバイス形成領域２３５に形成される。デバイス形成領域２３５は、フォトニックデバイス（例えば光導波路１１５の内側コアおよび変調器１２０など）を形成するためのシリコンの領域と、シリコン導波管コアを包囲するクラッドとして機能するため且つデバイス形成領域２３５内に形成されたデバイスに対する絶縁物質および機械的支持物質として機能するための、光導波路１１５の側部に接するクラッド物質（例えばＳｉＯ２など）の領域と、を含み得る。他のフォトニックデバイス（例えば他の光導波路、レーザ、フィルタ、またはフォトニック検出器など）もデバイス形成領域２３５内に形成され、加熱デバイス２１２を使用する能動的温度制御を受け得る。
図２Ｂを参照すると、加熱デバイス２１２はデバイス形成領域２３５内の１つまたは複数のフォトニックデバイス（例えば変調器１２０など）を能動的に温度制御する一方で、加熱デバイス２１２は熱ｑを放射し、熱ｑは全方向（伝熱性シリコン製の基板２３２に向かう方向と、ＩＬＤ領域２３６に向かう方向と、を含む）に放散する。結果的に熱流束が浪費され、加熱デバイス２１２の効率が低下してしまう。加えてダイ２３０内のフォトニックデバイスは、通常、基板２３２に熱的に連結されおり、ダイ２３０内の全体的な温度変動はフォトニックデバイスに影響を及ぼし得る。
加えて、フォトニックシステム内の加熱デバイスおよびフォトニックデバイスは、効率を改善するため、およびフォトニックデバイスの動作をより安定化するために、断熱されることが望ましい。
従来のフォトニックシステムのブロック図である。 ダイ内のフォトニックデバイスの上面図である。 ダイ内のフォトニックデバイスの断面図である。 本明細書で説明する実施形態に係る断熱領域を含むダイの上面図である。 本明細書で説明する実施形態に係る断熱領域を含むダイの断面図である。 本明細書で説明する実施形態に係る断熱領域を含むダイの断面図である。 本明細書で説明する実施形態に係る断熱領域を含むダイの断面図である。 本明細書で説明する実施形態に係る断熱領域を含むダイの断面図である。 本明細書で説明する実施形態に係る断熱領域を含むダイを形成するための過程を示す図である。 本明細書で説明する実施形態に係る断熱領域を含むダイを形成するための過程を示す図である。 本明細書で説明する実施形態に係る断熱領域を含むダイを形成するための過程を示す図である。 本明細書で説明する実施形態に係る断熱領域を含むダイを形成するための過程を示す図である。 本明細書で説明する実施形態に係る断熱領域を含むダイを形成するための過程を示す図である。 本明細書で説明する実施形態に係る断熱領域を含むダイを形成するための過程を示す図である。 本明細書で説明する実施形態に係る断熱領域を含むダイを形成するための過程を示す図である。 本明細書で説明する実施形態に係る断熱領域を含むダイの断面図である。 本明細書で説明する実施形態に係る断熱領域を含むダイの上面図である。 本明細書で説明する実施形態に係る断熱領域を含むダイの断面図である。 本明細書で説明する実施形態に係る断熱領域を含むダイの断面図である。 本明細書で説明する実施形態に係る断熱領域を含むダイの断面図である。 本明細書で説明する実施形態に係る断熱領域を含むダイの３次元ビューである。 本明細書で説明する実施形態に係る断熱領域を含むダイを形成するための過程を示す図である。 本明細書で説明する実施形態に係る断熱領域を含むダイを形成するための過程を示す図である。 本明細書で説明する実施形態に係る断熱領域を含むダイを形成するための過程を示す図である。 本明細書で説明する実施形態に係る断熱領域を含むダイを形成するための過程を示す図である。 本明細書で説明する実施形態に係る断熱領域を含むダイを形成するための過程を示す図である。 本明細書で説明する実施形態に係るプロセッサシステムを示す図である。
以下の詳細な説明では様々な実施形態が参照される。これらの実施形態は、当業者がこれらの実施形態を実施することが可能となるよう、十分詳細に説明される。他の実施形態も用いられ得ること、および様々な構造的変化、論理的変化、および電気的変化が可能であることが、理解されるべきである。加えて、様々な過程について説明されるが、過程のステップは、特記なき限り、特定的に説明される以外の順序で実施され得ることが理解されるべきである。
本明細書で説明する実施形態は、フォトニックシステムにおける熱の放散を制御するための断熱領域を有するフォトニックデバイスおよび集積回路を含む。例えば断熱領域は１つまたは複数の温度敏感性フォトニック構造体の近傍に形成され得る。
図３Ａおよび図３Ｂは１つの実施形態を図示する。図３Ａはダイ３３０の１部分に形成されたフォトニックデバイスの上面図を図示し、図３Ｂはダイ３３０の１部分に形成されたフォトニックデバイスの断面図を図示する。図３Ａに示すようにダイ３３０は、フォトニックシステムの１つまたは複数の温度敏感性フォトニックデバイス（例えば、リング共振器もしくはディスク共振器などの共振搬送波変調器３２０または任意の他の種類の共振変調器を含む）を含み得る。搬送波変調器３２０は、電気的に接続された相互接続部（例えば導電性信号ラインなど）から電気データ信号を受け取り、受け取ったデータにしたがって近傍の光導波路３１５内の搬送波を変調するよう構成された、電気・光変調器であり得る。代替的に搬送波変調器３２０は、他の光導波路などから光データ信号を受け取るよう構成された光変調器であり得る。
ダイ３３０は、１つまたは複数のフォトニックデバイス（例えば搬送波変調器３２０など）の能動的に温度制御を提供する１つまたは複数の加熱デバイス３１２も含む。加熱デバイス３１２は、電気的に接続された相互接続部（例えばバイアなど）から電気エネルギーを受け取って熱を出力するよう構成された抵抗素子（例えばポリシリコン、シリコン、または銅素線など）であり得る。搬送波変調器３２０および加熱デバイス３１２が図３Ａでは別個の構成要素として図示されるが、加熱デバイス３１２は搬送波変調器３２０と一体化されてもよいことを理解すべきである。
ダイ３３０は搬送波入力デバイス３１０（例えば光搬送波を出力するよう構成されたレーザ）も含み、搬送波入力デバイス３１０もまた温度敏感性フォトニックデバイスのさらなる一例である。ダイ３３０は搬送波変調器３２０により変調される光搬送波を搬送するよう構成された光導波路３１５も含む。本明細書で説明する温度敏感性フォトニックデバイス、構造体、および配列は単に例示を意図するものであり、以下で説明する実施形態は、任意の周知の温度敏感性フォトニック構造体（例えば温度敏感性フォトニック検出器、光導波路、フィルタ、または他の構造体を含む）と接続して適用され得ることを理解すべきである。
図３Ｂに示すように、例えば入力デバイス３１０、光導波路３１５、および導波管変調器３２０などのフォトニックデバイスの他にも加熱デバイス３１２が集積回路内に形成され得る。ダイ３３０は基板３３２を含み、基板３３２は例えば伝熱性シリコンのバルク領域であり得る。図３Ｂには図示しないが、基板３３２は省略可能であるＳｉＯ２などの電気絶縁性物質からなる絶縁体すなわち「ＢＯＸ」領域２３３（図２Ｂ）を含み、ＢＯＸ領域２３３はシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板を提供し得る。入力デバイス３１０、光導波路３１５、および導波管変調器３２０を含むフォトニックデバイスは基板３３２の１部分の上方に位置するデバイス形成領域３３５に形成される。デバイス形成領域３３５は、デバイス形成のためのシリコンエリアと、クラッド物質（例えばＳｉＯ２など）と、を含み得る。なおクラッド物質は、シリコン内側コアを包囲する光導波路３１５のためのクラッドとして機能し、１つまたは複数のフォトニックデバイスを光学的および／または電気的に絶縁する。ダイ３３０は、最下層（すなわちデバイス形成領域３３５に最も近接する層）として例えばＳｉＯ２を有する１つまたは複数のレベル間誘電体（ＩＬＤ）領域３３６も含む。
図３Ａおよび図３Ｂに示すように断熱領域３４０は、加熱デバイス３１２の近傍にまたは加熱デバイス３１２に近接して、形成される。断熱領域３４０は低熱伝導率物質のエリアをダイ３３０に形成することにより、形成され得る。例えば図３Ｂに示すように、断熱領域３４０は加熱デバイス３１２の下方に位置する基板３３２のエリアに形成された低熱伝導率物質を含み得る。断熱領域３４０は加熱デバイス３１２から伝熱性基板３３２へと熱が放散することを防止する。断熱領域３４０は基板３３２における熱的変化から温度敏感性フォトニックデバイスを断熱するために、加熱デバイス３１２の下に位置する基板３３２の領域を越えてダイ３３０における１つまたは複数の温度敏感性のフォトニックデバイス（例えば搬送波変調器３２０など）の下に位置するエリアへと、延長し得る。加えて１つまたは複数の追加的な断熱領域３４１が、基板３３２における熱的変化から温度敏感性フォトニックデバイスを断熱するために、ダイ３３０における温度敏感性フォトニックデバイスの下に位置する基板３３２のエリアに形成され得る。例えば第２断熱領域３４１が入力デバイス３１０の下方に位置する基板３３２のエリアに形成され得る。
断熱領域３４０および３４１は、例えば低熱伝導率物質（基板３３２のシリコンにたいして低い誘電率を有する物質など）からなり得る。例えばダイ３３０の基板３３２を形成するために使用されるシリコンの誘電率ｋは一般に１１．７であり、ＳＯＩ基板の絶縁体領域３３３（図４Ｂ）、デバイス領域３３５のクラッド、および／またはＩＬＤ領域３３６を形成するために使用されるＳｉＯ２は、約３．９である。以下で論じる技法はおよそ１．０〜３．８の範囲の誘電率ｋを有する低熱伝導率物質３４０を提供し得る。低熱伝導率物質３４０はダイ３３０において使用されるシリコンよりも低い熱伝導率も含み得る。例えば低熱伝導率物質３４０は約０．００６Ｗ／ｃｍ°Ｃよりも低い熱伝導率を有し得る。
断熱領域３４０および３４１のための低熱伝導率物質を形成するための１つの技法は、シリコンまたはＳｉＯ２のエリアをドーピングされる物質よりも低い誘電率の物質でドーピングすることによる。シリコンおよびＳｉＯ２よりも低い誘電率を有する物質の例としてはフッ素および炭素が挙げられる。シリコンまたはＳｉＯ２をこれらの物質または他の低誘電率物質でドーピングすることにより、ドーピングされる物質の誘電率が低下し、それによりドーピングされる物質の熱伝導率が低下することとなる。
低熱伝導率物質を形成するための他の技法は多孔性ＳｉＯ２のエリアを作ることである。ＳｉＯ２を堆積するための特定の技法（例えばプラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）など）は、環境空気または他のガス物質が充填された空隙または細孔を有するＳｉＯ２（多孔性ＳｉＯ２と呼称される）を形成する。多孔性ＳｉＯ２における空隙の誘電率はほぼ１．０となり得、そのために多孔性ＳｉＯ２は非多孔性ＳｉＯ２よりも低い誘電率を有することとなる。さらに多孔性ＳｉＯ２を低誘電率ドーパント（例えばフッ素または炭素など）でドーピングすると、熱伝導率がさらに低くなり得る。
低熱伝導率物質を形成するための他の技法は、スピンオン堆積技法を使用してＳｉＯ２を堆積することである（「スピンオンＳｉＯ２」と呼称される）。スピンオン堆積技法は一般にシリコン製造過程においてフォトレジストなどの物質を堆積するために使用され、その一方で化学気相成長などの技法は、一般にＳｉＯ２を堆積するために使用される。スピンオン低誘電率ポリマーのいくつかの例としては、ポリイミド、ポリノルボルネン、ベンゾシクロブテン、および／またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が挙げられる。ＳｉＯ２をスピンオン堆積すると、より低い誘電率およびより低い熱伝導率を有するＳｉＯ２が生じる。さらに、スピンオン堆積技法を使用して堆積されたＳｉＯ２を低誘電率ドーパント（例えばフッ素または炭素など）でドーピングすると、熱伝導率がさらに低くなり得る。
図３Ｃは断熱領域３４２を含むダイ３３０に形成されたフォトニックデバイスの他の実施形態を図示する。断熱領域３４２は加熱デバイス３１２、入力デバイス３１０、光導波路３１５、および搬送波変調器３２０の下方で延長する基板３３２のエリアに形成された低熱伝導率物質を含む。断熱領域３４２は、加熱デバイス３１２から基板３３２を断熱する他にも、基板３３２における温度変動から入力デバイス３１０、光導波路３１５、および共振搬送波変調器３２０を断熱する。当該技術分野で周知である低熱伝導率物質を堆積する他の方法も使用され得る。
低熱伝導性物質を形成するための上述の技法のうちの２つ以上が、ダイ３３０における断熱を提供するために組み合わされて使用され得る。例えば図３Ｄはダイ３３０の断面図を図示する。ここで、第１断熱領域３４４が加熱デバイス３１２の下に形成され、フォトニック構造体３１０、３１５、３２０のうちの１つまたは複数の下で延長する。第２断熱領域３４６が、加熱デバイス３１２の下に配置された第１断熱領域３４４内に形成される。第２断熱領域３４６は第１断熱領域３４４の物質よりも低い熱伝導率を有し得る。例えば第１断熱領域３４４は、多孔性ＳｉＯ２物質またはスピンオン堆積技法を使用して堆積されたＳｉＯ２物質からなり得る。第２断熱領域３４６内の多孔性物質またはスピンオン物質を例えばフッ素ドーパントまたは炭素ドーパントでドーピングすると、より低い熱伝導率が提供される。
図３Ｅは断熱領域を含むダイ３３０に形成されたフォトニックデバイスの他の実施形態を図示する。ダイ３３０は加熱デバイス３１２と一体化された共振搬送波変調器３２０を含む。図３Ｅでは、デバイス形成領域３６５は低熱伝導率物質を含む。例えばシリコンフォトニックデバイスが基板３３２の上方に形成された後、光導波路３１５に対する外側クラッドおよびダイ３００内の他のフォトニックデバイスに対する絶縁物質は、スピンオンＳｉＯ２または多孔性ＳｉＯ２をデバイス形成領域３６５に堆積することにより、デバイス形成領域３６５内に提供され得る。代替的に、デバイス形成領域３６５を形成するために使用されたＳｉＯ２物質の領域の一部分または全部がフッ素または炭素でドーピングされ得る。低熱伝導率物質を用いてデバイス形成領域３６５を形成することにより、加熱デバイス３１２からの望ましくない熱の放散は低減され、ダイ３３０における温度敏感性フォトニックデバイスは基板３３２および／またはレベル間誘電体３３６における温度変動から断熱される。
さらにダイ３３０はシリコンオンインシュレータ基板を提供する絶縁領域３６３を含む。この場合絶縁領域３６３は低熱伝導率物質を用いて形成される。例えば絶縁領域３６３はスピンオンＳｉＯ２もしくは多孔性ＳｉＯ２から、またはフッ素もしくは炭素でドーピングされたＳｉＯ２から、形成され得る。低熱伝導率物質を用いて絶縁領域３６３を形成することにより、加熱デバイス３１２からの望ましくない熱の放散はさらに低減され、ダイ３３０における温度敏感性フォトニックデバイスは基板３３２における温度変動からさらに断熱される。
図４Ａ〜図４Ｅは断熱領域を含むダイ３３０の実施形態に対する製造過程の事例を図示する。図４Ａでは、シリコン基板３３２が提供される。図４Ｂでは、化学気相成長または他の周知の過程を使用して基板３３２の上方に例えばＳｉＯ２を熱的に成長させることまたは堆積させることにより、省略可能な絶縁体３３３がシリコン基板３３２の上方に形成され、それによりシリコンオンインシュレータダイが提供され得る。他の実施形態では図４Ｂにおける絶縁体３３３の１部分または全部は低熱伝導率物質から形成される。例えば絶縁体３３３の１部分または全部は、プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）を使用して多孔性ＳｉＯ２を形成するために形成されてよもく、またはスピンオン堆積技法を使用してＳｉＯ２を堆積することにより形成されてもよい。他の実施形態では絶縁体３３３は省略され得る。
図４Ｃでは、例えば基板３３２においてエッチングを行うことにより、またはＳＯＩ基板が存在する場合にはＳＯＩ基板に対する絶縁体３３３においてエッチングを行うことにより、トレンチ３５１が形成され得る。トレンチ３５１は、例えばドライエッチング過程または他の周知のエッチング技法を使用して、形成され得る。図４Ｄでは、低熱伝導率物質の層３５５が基板３３２の上方でトレンチ３５１の中へと堆積される。１つの実施形態では、低熱伝導率物質は、より低い誘電率のドーパント（例えばフッ素または炭素）でドーピングされたＳｉＯ２である。なお、係るドーパントは化学気相成長などの標準的技法を使用して堆積される。他の実施形態では、低熱伝導率物質はＰＥＣＶＤ技法を使用して堆積された多孔性ＳｉＯ２である。他の実施形態では、低熱伝導率物質はスピンオン技法を使用して堆積されたＳｉＯ２である。図４Ｅでは、層３５５における余剰な低熱伝導率物質が、化学的研磨または機械的研磨などの周知の技法を使用して基板３３２から除去され、それにより断熱領域３４０が残される。
図４Ｆでは、フォトニックデバイス（例えば入力デバイス３１０、光導波路３１５、搬送波変調器３２０など）またはその他のフォトニックデバイスが基板３３２の上方に形成される。加熱デバイス３１２が断熱領域３４０の上方に形成される。
図４Ｇでは、絶縁物質およびクラッド物質（例えばＳｉＯ２など）を堆積することにより、形成されたフォトニックデバイス３１０、３１５、３２０を包囲するデバイス形成層３３５が完成される。他の実施形態では、低熱伝導率物質（例えばドーピングされたＳｉＯ２、多孔性ＳｉＯ２、またはスピンオンＳｉＯ２など）がデバイス形成領域を完成するために絶縁物質およびクラッド物質として使用される。ＩＬＤ領域３３６（図３Ｂ）などの他の領域がデバイス形成領域３３５の上方に形成され得る。
図５は温度分離領域を含むダイの他の実施形態を図示する。図５では、シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）領域３５０が、加熱デバイス３１２の下方に位置する基板３３２のエリアに形成される。既存のＣＭＯＳ製造過程では、ＳｉＯ２からなるＳＴＩ領域がダイ３３０内のデバイスを電気的に分離するために使用される。図５に示す実施形態では、例えばドーピングされたＳｉＯ２、多孔性ＳｉＯ２、スピンオンＳｉＯ２などの低熱伝導率物質または他の低熱伝導率物質からなるＳＴＩ領域３５０が加熱デバイス３１２の下方に位置する基板３３２のエリアに形成される。ＳＴＩ領域３５０は、加熱デバイス３１２を基板３３２から断熱し、加熱デバイス３１２から基板３３２への望ましくない熱の放散を低減する。加熱デバイス３１２の下方に位置するＳＴＩ領域３５０に対して追加的または代替的に、ダイ３３０は、基板３３２における熱的変動から１つまたは複数のフォトニックデバイスを断熱するために、当該フォトニックデバイスの下方に位置する基板３３２のエリア（例えば入力デバイス３１０の下方位置など）に形成されたＳＴＩ領域３５２を含み得る。ＳＴＩ領域３５０および３５２は、部分的にまたは実質的に完全に、低熱伝導率物質から形成され得る。
図６Ａ〜図６Ｅは温度敏感性フォトニックデバイスおよび断熱領域を含むダイ４３０の追加的な実施形態を図示する。任意の他のフォトニック構造体（例えばフォトニック検出器または光学フィルタなど）も含まれ得ることを理解すべきであるが、図６Ａ〜図６Ｅに示す代表的なフォトニック構造体は入力デバイス４１０、光導波路４１５、および／または共振搬送波変調器４２０を含む。ダイ４３０は１つまたは複数の加熱デバイス４１２も含み、加熱デバイス４１２は別個の加熱エレメントであってもよく、または搬送波変調器４２０と一体化されてもよい。ダイ４３０は、図３Ａ〜図３Ｅとの関係において上記で説明した同様の物質で形成され得る、基板４３２、デバイス形成領域４３５、ＩＬＤ領域４３６を含む。簡略化のために図示はしないが基板４３２は、ＳＯＩ基板を提供する絶縁領域２３３（図２Ｂ）を所望により含み得る。
図６Ａおよび図６Ｂでは、断熱領域は、物理的間隙４４０を形成しそれにより加熱デバイス４１２と、近接する物質と、の間に熱的遮断を形成するために、提供される。シリコンフォトニックシステムで使用される温度および寸法では、伝導が最も効果的な熱流束機構である。熱的遮断は、伝導性物質の１部分を除去し、間隙または空隙を残すことを含む。なお間隙または空隙は間隙を横断する熱伝導を妨げる。他の実施形態では、間隙４４０は、加熱デバイス４１２の下方に位置するＳＯＩ基板の絶縁領域２３３（図２Ａ）の部分に形成される。間隙４４０は、基板４３２内の熱的変動からフォトニックデバイスを断熱するために、加熱デバイス４１２の下方に位置する基板４３２のエリアに局部集中されてもよく、または１つもしくは複数のフォトニックデバイス（例えば搬送波変調器４２０など）の下方に位置する基板４３２のエリアへと延長してもよい。
熱的遮断は熱ｑの放散をそれぞれの方向において激減させるため、比較的小さい間隙が基板４３２の断熱のために十分である。間隙４４０は、間隙が熱伝導を防ぐにあたり十分である限り、例えば数ナノメートルのオーダーの、基板４３２に設けられた空隙であり得る。
図６Ｃに示す他の実施形態では、間隙４５２がシャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）領域４５０内に提供される。ＳＴＩ領域４５０はＳｉＯ２または他の酸化物などの電気絶縁性物質からなり得る。間隙４５２を有するＳＴＩ領域４５０により、熱ｑが加熱デバイス４１２からＳＴＩ領域４５０を通って基板４３２へと放散することが低減される。代替的にＳＴＩ領域４５０は、間隙４５２とＳＴＩ領域４５０との組み合わせにより加熱デバイス４１２が基板４３２から断熱されるよう、図５に関連して上述したように低熱伝導率物質からなり得る。
図６Ｄに示す他の実施形態では、ダイ４３０は、加熱デバイス４１２を包囲する基板４３２、デバイス形成領域４３５、およびＩＬＤ領域４３６の部分を含む、複数の側部と接する状態で加熱デバイス４１２を包囲する間隙５４０を含む。間隙５４０は、基板４３２へと、その他にも、加熱デバイス４１２からの能動的温度制御を受けることを意図しないＩＬＤ領域４３６およびデバイス形成領域４３５の他の部分へと、加熱デバイス４１２により放散される熱を低減するために断熱を提供する。それにより、能動的温度制御がより効果的となること、および全体的温度フラックスが低減されることが可能となる。間隙５４０は、上方に覆い被さる（すなわちＩＬＤ領域４３６内に形成される、またはＩＬＤ領域４３６の上方に形成される）回路および隣接する（すなわちダイ４３０の近位部分に位置する）回路が加熱デバイス４１２から断熱されることも改善し、それにより、上方の回路または隣接する回路に及ぼされる加熱デバイス４１２の熱効果が低減される。加熱デバイス４１２が能動的に調節することが意図される温度敏感性フォトニック構造体の方向に熱ｑが放散することは依然として望まれるため、加熱デバイス４１２が能動的温度制御を提供する熱敏感性フォトニック構造体（例えば搬送波変調器４２０など）の方向に間隙５４０が加熱デバイス４１２とデバイス形成領域４３５との間で提供する遮断は、ほとんどない状態であるかまたはまったくない状態であるべきである。
図６Ｄにも示すように温度敏感性フォトニックデバイスのうちの１つまたは複数の下（例えば搬送波変調器４２０の下）に位置する基板４３２のエリアに別個の間隙５４２を形成することにより、第２断熱領域が提供され得る。第２断熱領域５４２は基板４３２内の熱的変動から搬送波変調器４２０を断熱する。
図６Ａ〜図６Ｄに関連して上述した実施形態では、それぞれの間隙は、上方に覆い被さるデバイス（例えば加熱デバイス４１２など）が機械的支持を提供するされるために十分な物質が残るよう、エッチングされ得る。上述のように数ナノメートルのオーダーの間隙は、包囲する物質の断熱を提供するにあたり十分である。さらに図６Ｅに示すように、加熱デバイス４１２に電気エネルギーを提供するために使用される相互接続部５５１および５５２は、間隙５４０を包囲するデバイス形成領域４３２および／またはＩＬＤ領域４３６の物質の中へと延長する。加熱デバイス４１２の実質的に全部の側部が間隙５４０により包囲されるにも関わらず、相互接続部５５１および５５２が加熱デバイス４１２を機械的支持を提供するする。同様に、搬送波変調器４２０に電気データ信号を提供するよう構成された信号ライン４２１および４２２がデバイス形成領域４３２および／またはＩＬＤ領域４３６の物質の中へと延長し、それにより基板４３２内の間隙５４２が下方に存在するにも関わらず、搬送波変調器４２０が機械的支持を提供する。加熱デバイス４１２、搬送波変調器４２０、およびその他のフォトニックデバイスは微小スケールで製造されるため、これらのデバイスは質量が比較的小さく、したがって加熱デバイス４１２に対する相互接続部５５１ならびに５５２、および搬送波変調器４２０に対する信号ライン４２１ならびに４２２は、それぞれのデバイスを機械的支持を提供することが可能である。他のフォトニックデバイスも一般にデバイス形成領域４３２および／またはＩＬＤ領域４３６の包囲物質の中へと延長する同様の物理的接続部を含み、それによりフォトニックデバイスが機械的支持を提供されることとなる。
図７Ａ〜図７Ｅは間隙４４０を含む断熱領域を形成するための過程を図示する。図７Ａ〜図７Ｅに図示する実施形態では、フォトニックデバイス（例えば入力デバイス４１０、光導波路４１５、および搬送波変調器４２０を含む）および加熱デバイス４１２を含むデバイス形成領域４３５の形成が完了した後、基板４３２においてエッチング過程を行うことにより、間隙４４０が基板４３２に形成される。一方、代替的に、基板４３２の提供後に真空過程またはエッチング過程を実行することなどによりフォトニックデバイス４１０、４１５、４２０および加熱デバイス４１２がデバイス形成領域４３５内に形成される前に、間隙４４０が基板４３２に、または絶縁体領域２３３（図２Ａ）に、形成されてもよいことを理解すべきである。
図７Ａでは、フォトニックデバイス（例えば入力デバイス４１０、光導波路４１５、搬送波変調器４２０など）またはその他のフォトニックデバイスおよび能動的温度制御を提供するための加熱デバイス４１２がダイ４３０のデバイス形成領域４３５に形成される。ＳｉＯ２などの物質がデバイス形成領域４３５を完成するために堆積される。
図７Ｂでは、加熱デバイス４１２の近傍ではあるが加熱デバイス４１２の直上ではない位置におけるデバイス形成領域４３５の頂部表面を始点とする開口部４４８が形成される。開口部４４８はデバイス形成領域４３５を横切り、例えば反応性イオンエッチングまたは他の技法を使用して形成される。
図７Ｃでは、開口部４４８を通して間隙４４０が、例えば、エッチング液が開口部４４８を通るパルスエッチング過程を使用して、またはドライエッチング過程により、形成される。
エッチング過程の完了後、開口部４４８は図７Ｄに図示するように誘電物質で充填され得る。例えば開口部４４８は化学蒸着法によりＳｉＯ２で充填され得る。代替的に開口部４４８はさらなる過程の実行中、開放状態に保たれ得る。
図７Ｅでは、ＩＬＤ領域４３６がデバイス形成領域４３５および開口部４４８の上方に形成される。図７Ａ〜図７Ｅに関連して説明した過程は、ＩＬＤ領域４３６をデバイス形成領域４３５の上方に形成した後に実施されてもよいことを理解すべきである。
図７Ａ〜図７Ｅでは間隙４４０が加熱デバイス４１２の下に位置する基板４３２の領域に形成されることが図示されたが、図７Ａ〜図７Ｅに関連して説明した技法は、ダイ４３０内における任意の所望の位置（フォトニックデバイスのうちの１つまたは複数の下方、デバイス形成領域４３５もしくはＩＬＤ領域４３６内、ＳＴＩ領域内、または図６Ａ〜図６Ｅに関連して説明した様々な位置）に、間隙４４０を形成するために使用され得る。
上述の断熱領域を含むダイは集積回路の１部分として実装され得る。対応する集積回路は通常のプロセッサシステムにおいて利用され得る。例えば図８は、図３〜図７に関連して説明した断熱構造体および技法のうちの１つまたは複数を用いるプロセッサおよび／またはメモリデバイスを含む通常のプロセッサシステム７００を図示する。
例えばコンピュータシステムであり得るプロセッサシステム７００は、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、または他のプログラム可能デジタル論理デバイスなどの中央処理装置（ＣＰＵ）７６０を含み、ＣＰＵ７６０はバス７５０を通して１つまたは複数の入出力装置７８０と通信する。メモリデバイス７７０も、例えばメモリコントローラにより、ＣＰＵ７６０とバス７５０を通して通信する。メモリデバイス７７０は、例えばＲＡＭ、ハードドライブ、フラッシュドライブ、または着脱可能メモリを含み得る。コンピュータシステムの場合では、プロセッサシステム７００はバス７５０を通してＣＰＵ７６０と通信する他の周辺装置（例えば着脱可能媒体デバイスなど）を含み得る。いくつかの実施形態ではメモリデバイス７７０は単一の集積回路としてＣＰＵ７６０と組み合わされ得る。本明細書で説明した断熱構造体および技法を実装する集積回路は、フォトニックデバイスの、電子デバイスの、およびＣＰＵ７６０、メモリデバイス７７０、ならびに入出力装置７８０のうちの１つまたは複数の物質の、もしくは、プロセッサシステム７００の多数の他の側面と関連する物質の、効率的且つ信頼性の高い断熱を提供するために使用され得る。
上述の説明および図面は、本明細書で説明した特徴および特長を達成する特定的な実施形態を例示するのみであると解釈されるべきである。特定的な過程、構成要素、および構造体に対する改変および代替が可能である。例えば、上述の実施形態に関連して特定的に説明されたもの以外に適切な種類の半導体物質およびメモリ要素が使用され得ることを理解すべきである。したがって本発明の実施形態は、前述の説明および図面により限定されると考えるべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

Claims (22)

  1. 基板と、前記基板の上方に設けられたデバイス形成領域であって、クラッド物質を含むデバイス形成領域とを含むダイと、
    前記デバイス形成領域の前記クラッド物質に埋め込まれた温度敏感性フォトニックデバイスと、
    前記デバイス形成領域の前記クラッド物質に前記温度敏感性フォトニックデバイスと共に埋め込まれた加熱デバイスであって、前記温度敏感性フォトニックデバイスに温度制御を提供するよう構成された加熱デバイスと、
    前記加熱デバイスの下に位置する前記基板の一部分に形成された断熱領域であって、前記加熱デバイスから前記ダイへと前記断熱領域の方向に熱が放散することを低減させる断熱領域と
    を含み、
    前記断熱領域の熱伝導率が前記クラッド物質の熱伝導率よりも小さい、
    フォトニックシステム。
  2. 前記クラッド物質に前記温度敏感性フォトニックデバイス及び前記加熱デバイスとともに埋め込まれた光導波路をさらに備え、前記温度敏感性フォトニックデバイスの下部に位置する前記基板の部分と前記光導波路の下部に位置する前記基板の部分との間には前記断熱領域が設けられていない、
    請求項１に記載のフォトニックシステム。
  3. 基板と、
    前記基板の上方のデバイス形成領域であって、第１の熱伝導率を備えるクラッド領域を含むデバイス形成領域と、
    前記デバイス形成領域の前記クラッド領域に埋め込まれた温度敏感性フォトニックデバイスと、
    前記デバイス形成領域の前記クラッド領域に埋め込まれた加熱デバイスと、
    前記加熱デバイスの下方に位置する前記基板のエリアに形成された第１の断熱領域であって、前記第１の断熱領域は第２の熱伝導率を備える第１の断熱領域と
    を含み、
    前記第２の熱伝導率は前記第１の熱伝導率よりも小さい、
    集積回路。
  4. 集積回路を形成するための方法であって、
    基板を提供することと、
    前記基板に断熱領域を形成することと、
    前記基板の上方に温度敏感性フォトニックデバイスを形成することと、
    前記断熱領域の上方に加熱デバイスを形成することと、
    前記温度敏感性フォトニックデバイスと前記加熱デバイスとを覆うクラッド物質を形成することと
    を含み、
    前記断熱領域の熱伝導率が前記クラッド物質の熱伝導率よりも小さい、
    方法。
  5. 前記断熱領域を形成することは、
    前記基板にトレンチをエッチングすることと、
    前記トレンチに低熱伝導率物質を堆積することと
    を含む、請求項４に記載の方法。
  6. 前記トレンチに前記低熱伝導率物質を堆積することは、二酸化シリコンを、前記二酸化シリコンよりも低い誘電率を有する物質でドーピングすることを含む、請求項５に記載の方法。
  7. 前記トレンチに前記低熱伝導率物質を堆積することは多孔性二酸化シリコンを堆積することを含む、請求項５に記載の方法。
  8. 前記断熱領域を形成することは前記加熱デバイスと、前記加熱デバイスの１部分に近接する物質との間に物理的間隙を形成すること含む、請求項４に記載の方法。
  9. 第１の断熱領域を含む基板と、
    前記基板上に形成されたクラッド物質と、
    前記クラッド物質に埋め込まれて形成された温度敏感性フォトニックデバイスと、
    前記第１の断熱領域上に設けられた加熱デバイスであって、前記温度敏感性フォトニックデバイスと共に前記クラッド物質に埋め込まれて形成された加熱デバイスと、
    を備え、
    第１の断熱領域は前記クラッド物質とは異なる物質を含む
    集積回路。
  10. 前記クラッド物質に前記温度敏感性フォトニックデバイス及び前記加熱デバイスとともに埋め込まれた光導波路をさらに備え、前記温度敏感性フォトニックデバイスの下部に位置する前記基板の部分と前記光導波路の下部に位置する前記基板の部分との間には前記第１の断熱領域が設けられていない請求項３又は９に記載の集積回路。
  11. 前記第１の断熱領域は酸化物を含み、前記酸化物には、前記酸化物よりも低い熱伝導率を有するドーパントがドーピングされている、請求項３又は９に記載の集積回路。
  12. 前記酸化物は二酸化シリコンを含み，前記ドーパントはフッ素含む、請求項１１に記載の集積回路。
  13. 前記酸化物は二酸化シリコンを含み，前記ドーパントは炭素を含む、請求項１１に記載の集積回路。
  14. 前記基板に設けられシャロートレンチアイソレーション領域をさらに備え、前記シャロートレンチアイソレーション領域は前記第１の断熱領域を含む、請求項３又は９に記載の集積回路。
  15. 前記第１の断熱領域と前記加熱デバイスとの間の第１の間隙と、前記クラッド物質と前記加熱デバイスとの間であって、前記加熱デバイスと前記温度敏感性フォトニックデバイスとの間を除く領域に形成された第２の間隙と、を備える、請求項３又は９に記載の集積回路。
  16. 前記温度敏感性フォトニックデバイスは搬送波変調器を含む、請求項３又は９に記載の集積回路。
  17. 前記第１の断熱領域は前記クラッド物質よりも低い熱伝導率を有する、請求項９に記載の集積回路。
  18. 前記温度敏感性フォトニックデバイスと、前記加熱デバイスとは、前記基板の水平面に沿って並んで形成されることを特徴とする請求項３又は９に記載の集積回路。
  19. 前記加熱デバイスは前記デバイス形成領域の中へと延長する少なくとも１つの相互接続部により機械的に支持される、請求項３に記載の集積回路。
  20. 前記基板に設けられ第２の断熱領域をさらに備える、請求項３又は９に記載の集積回路。
  21. 前記基板に設けられ第２の断熱領域をさらに備え、前記第２の断熱領域は前記第１の断熱領域内に設けられ、前記第２の断熱領域は第３の熱伝導率を備え、前記第３の熱伝導率は前記第１の熱伝導率よりも小さい、請求項３に記載の集積回路。
  22. 前記第２の断熱領域は前記第１の断熱領域とは離れて設けられ、前記第２の断熱領域上に位置する前記デバイス形成領域に入力デバイスをさらに備える、請求項２０に記載の集積回路。
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