CN102323646A - 光栅耦合器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光栅耦合器及其制作方法，该种光栅耦合器利用CMOS晶体管的多晶硅层制作光栅，其制造方法与CMOS晶体管器件的工艺流程一致，包括以下步骤：刻蚀SOI衬底的顶硅层，形成光波导；在光波导上热氧化生长氧化层，在氧化层上沉积多晶硅层；刻蚀多晶硅层，形成光栅。所述刻蚀SOI衬底的顶硅层，形成光波导的步骤采用CMOS的有源区刻蚀工艺，所述刻蚀多晶硅层，形成光栅的步骤采用CMOS的栅极区刻蚀工艺。本发明具有工艺简单，成本低，易于与CMOS晶体管器件集成，同时保持光栅耦合器效率不受影响的优点。

Description

光栅耦合器及其制作方法
技术领域
本发明涉及光子器件技术领域，特别涉及一种光栅耦合器及其制作方法。
背景技术
集成硅基光学系统，由于其小的器件尺寸，以及与传统集成电路CMOS工艺良好的兼容性，成为目前研究的一个热点。许多微纳米器件已经在硅基上实现集成，如激光器、调制器、滤波器、耦合器、缓存器等。而光栅用于实现耦合器功能，有着耦合面积小、耦合效率高等优点，从而广泛用在平面光学系统中。
进入新世纪以来，随着微纳光电集成技术的不断发展。芯片的集成度越来越高，器件的尺寸不断缩小，用于传输光信号的波导逐渐缩小到了亚微米尺寸。在用于通信波段的众多光波导材料中，绝缘体上硅材料由于波导层有强大的光限制能力，易于制作亚微米级别的低损耗光波导；同时制备工艺与微电子集成电路工艺兼容，大大减少了制备光电芯片的成本，使之成为实现高密度光电集成电路芯片的最有竞争力的材料之一。然而，如图1、图2所示，现有技术光栅耦合器的制作方法包括以下步骤：绝缘层上硅(SOI：silicon-on-insulator)衬底从下往上依次为背衬底6、埋氧化层7，顶硅层(图中未示)；通过刻蚀所述顶硅层形成光波导81，作为光传输层，该步刻蚀可以与CMOS的有源区刻蚀一步形成；再采用光刻、刻蚀工艺在光波导81内形成光栅82，将光波导中传输的光耦合到光纤中。所述采用光刻、刻蚀工艺在光波导81内形成光栅82是一步浅刻蚀工艺，需要单独的光罩掩模，增加了工艺流程的复杂程度，成本高。
发明内容
本发明的目的是提供一种与CMOS工艺兼容的光栅耦合器及其制作方法，以简化工艺、降低成本，同时不影响光栅耦合器的效率。
本发明的技术解决方案是提供一种光栅耦合器，包括绝缘层上硅衬底，所述绝缘层上硅衬底包括背衬底、埋氧化层、顶硅层，还包括在顶层硅中形成的光波导，作为光传输层；光波导上的氧化层，用作刻蚀阻挡层；氧化层上的多晶硅光栅，将光波导中传输的光耦合到光纤中。
本发明还提供一种光栅耦合器的制作方法：包括以下步骤：
刻蚀绝缘层上硅衬底的顶硅层，形成光波导；
在光波导上热氧化生长氧化层，在氧化层上沉积多晶硅层；
刻蚀所述多晶硅层，形成光栅。
作为优选：所述刻蚀绝缘层上硅衬底的顶硅层，形成光波导的步骤与CMOS的有源区刻蚀工艺兼容，所述刻蚀所述多晶硅层，形成光栅的步骤与CMOS的栅极区刻蚀工艺兼容。
作为优选：所述氧化层为二氧化硅，与CMOS的栅氧化层制作工艺兼容。
作为优选：所述氧化层的厚度为10-100埃。
作为优选：所述多晶硅层的厚度小于2500埃。
本发明采用两步分别与CMOS工艺有源区刻蚀工艺和栅极区刻蚀工艺兼容的刻蚀工艺制作光栅耦合器，从而与现有技术相比，省掉一张形成光栅的光罩掩模，也省去一步加工步骤，使得本发明具有工艺简单，成本低，易于与CMOS晶体管器件集成，同时保持光栅耦合器效率不受影响的优点。
附图说明
图1是现有技术的光栅耦合器的剖面图。
图2是现有技术的光栅耦合器的俯视图。
图3是本发明光栅耦合器的制作流程图。
图4是本发明的光栅耦合器的剖面图。
具体实施方式
本发明下面将结合附图作进一步详述：
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
如图4所示，本发明的光栅耦合器，包括绝缘层上硅衬底，所述绝缘层上硅衬底包括背衬底1、埋氧化层2、顶硅层(图中未示)，还包括在顶层硅中形成的光波导3，作为光传输层；光波导3上的氧化层4，用作刻蚀阻挡层；氧化层4上的多晶硅光栅5，将光波导中传输的光耦合到光纤中。
在本实施例中，该光栅耦合器的制作流程图如图3所示：
在步骤101中，刻蚀顶层硅形成光波导3；所述刻蚀顶层硅形成光波导3的步骤包括在顶层硅上涂覆第一光刻胶并通过光刻形成光波导窗口，刻蚀光波导窗口内的顶层硅，形成光波导3，再除去第一光刻胶。所述刻蚀顶层硅形成光波导3的步骤与CMOS的有源区刻蚀工艺兼容；
在步骤103中，在光波导3上热氧化生长氧化层4，在氧化层4上沉积多晶硅层(图中未示)；所述氧化层4为二氧化硅层。所述氧化层4的厚度为10-100埃，所述多晶硅层的厚度小于2500埃。
在步骤104中，刻蚀所述多晶硅层，形成光栅5。所述刻蚀多晶硅层，形成光栅5的步骤包括在多晶硅层上涂覆第二光刻胶并通过光刻形成光栅窗口，刻蚀光栅窗口内的多晶硅层，形成光栅5，再除去第二光刻胶。得到本发明所述方法制作的光栅耦合器。所述刻蚀多晶硅层，形成光栅5的步骤与CMOS的栅极区刻蚀工艺兼容。与现有技术相比，省掉一张形成光栅的光罩掩模，也省去一步加工步骤，使得本发明具有工艺简单，成本低，易于与CMOS晶体管器件集成，同时保持光栅耦合器效率不受影响的优点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种光栅耦合器，包括绝缘层上硅衬底，所述绝缘层上硅衬底包括背衬底、埋氧化层、顶硅层，其特征在于：还包括在顶层硅中形成的光波导，作为光传输层；光波导上的氧化层，用作刻蚀阻挡层；氧化层上的多晶硅光栅，将光波导中传输的光耦合到光纤中。
2.一种根据权利要求1所述的光栅耦合器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
刻蚀绝缘层上硅衬底的顶硅层，形成光波导；
在光波导上热氧化生长氧化层，在氧化层上沉积多晶硅层；
刻蚀所述多晶硅层，形成光栅。
3.根据权利要求2所述的光栅耦合器的制作方法，其特征在于：所述刻蚀绝缘层上硅衬底的顶硅层，形成光波导的步骤与CMOS的有源区刻蚀工艺兼容，所述刻蚀所述多晶硅层，形成光栅的步骤与CMOS的栅极区刻蚀工艺兼容。
4.根据权利要求3所述的光栅耦合器的制作方法，其特征在于：所述氧化层为二氧化硅，与CMOS的栅氧化层制作工艺兼容。
5.根据权利要求4所述的光栅耦合器的制作方法，其特征在于：所述氧化层的厚度为10-100埃。
6.根据权利要求2所述的光栅耦合器的制作方法，其特征在于：所述多晶硅层的厚度小于2500埃。
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