CN105980895A - 用于光波导和接触导线交叉的结构 - Google Patents
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Abstract
提出了设备和用于制造设备的方法。设备包括脊、半岛结构和导电迹线。脊被限定于半导体材料中。半岛结构也被限定于半导体材料中，且与脊相邻，使得在半岛结构的端面和脊的侧壁之间存在间隙。导电迹线跨过间隙跨接，使得导电迹线在半岛的顶面和脊的顶面之上延伸。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及具有图案化接触导线的波导结构的设计和制造方法。
背景技术
类似于集成电路，集成光路(IOC)包括形成于基板上的光学组件。常用的光学组件是集成波导。波导被用于在芯片上的各种其它组件之间导光。波导可以是带状或肋状类型的，且通过在光导材料的结构层中蚀刻槽来形成。该槽引起了折射率的阶差，其提供了对光的限制并确保光在波导中传播。根据应用，波导可具有不同的厚度，且肋或带的高度可以是几微米厚度级的。集成光学器件的应用最普遍的是在光纤光通信中，尽管还存在许多其他应用。集成光学器件被利用的普通的光学功能包括定向切换、相位调制和强度调制。
波导一般被包层覆盖，在硅波导的情况下，包层可以是热生长的二氧化硅。许多有源集成光学系统已经以硅为基础。硅集成光学设备的优点包括标准硅集成电路制造技术的潜在利用，以及在一个硅设备上集成光路和电路。为了有效利用硅集成光学器件，被认为元件制造低损耗波导结构和电可控调制元件二者。出于这个目的，波导和电接触导线被制造在同一芯片上。该布局可能需要波导和导线跨过彼此，以有效利用芯片上的空间，或需要波导和导线接触任何位于波导顶部上的有源元件。
发明内容
在此处给出的实施例中，提出了设备及制造设备的方法，以提供用于接触导线和相关的光波导的改进的布局。
在实施例中，提出了一种设备，包括脊、半岛结构和导电迹线。脊被限定于半导体材料内。半岛结构也被限定于半导体材料内并相邻于脊，使得在半岛结构的端面和脊的侧壁之间存在间隙。导电迹线跨过间隙桥接，使得导电迹线在半岛的顶面和脊的顶面之上延伸。
提出了一种制造设备的示例的方法。该方法包括在半导体材料中蚀刻脊和半岛结构，使得半岛结构相邻于脊且在半岛结构的端面和脊的侧壁之间存在间隙。该方法还包括沉积导电迹线，使得该导电迹线跨过间隙跨接并在半岛的顶面和脊的顶面之上延伸。
附图说明
被并入本说明书并构成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并与说明一起进一步用于解释和例示本发明，并使相关领域的技术人员能够做出和利用本发明。
图1A-图1B示出了集成光路的部分。
图2示出了根据实施例的集成光路的一部分。
图3A-图3D示出了根据实施例的设备的制造工艺。
图4示出了示例方法。
下面将根据附图描述本发明的实施例。
具体实施方式
尽管论述了具体的配置和布置，但应当理解这样做仅仅是为了例示的目的。相关领域的技术人员将认识到，可以使用其他配置和布置而不脱离本发明的精神和范围。对于相关领域的技术人员显而易见的是，也可以在多种其他应用中采用本发明。
要指出的是，在说明书中提到“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等，表示所述实施例可以包括特定的特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。此外，这样的短语未必是指相同的实施例。此外，在结合一实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例实现这样的特征、结构或特性在本领域的技术人员的知识范围之内。
图1A示出了集成光路100的一部分的示例。图1A提供了一理想场景，其中接触导线112被图案化于脊108的侧壁上，并且与脊108的顶面上的有源元件114相接触。
不同材料层被示出，在其中限定了集成光路100。集成光路100包括基底102、在基底102上的缓冲层104、以及在缓冲层104上的有源层106。基底102和有源层106可实质上为相同材料。例如，基底102和有源层106都可以是硅。缓冲层104可以是具有低导电率和/或具有比有源层106的材料更低的折射率的材料。在有源层106是硅的例子中，缓冲层104可以是二氧化硅。脊108经由蚀刻工艺(例如，活性离子蚀刻或湿化合物蚀刻)被限定于有源层106中。用于有源层106的其他材料可以包括磷化铟、砷化镓或氮化镓。
在将脊108限定于有源层106中以后，包层110可被设置于集成光路100的表面上。包层110可被热生长或使用化学气相沉积技术沉积。例如，当有源层106是硅时，包层110可以是热生长的二氧化硅。其他材料也可被沉积。包层110通常被选择为具有比有源层106材料低的折射率的材料。
集成光路100包括导电迹线112，其被图案化为与脊108的顶面上的有源元件114相接触。例如，脊108可为被设计为限制和引导辐射光束的波导，而有源元件114可以是用于向脊108提供热量并改变其光学性质的加热器。导电迹线112可以是金属，例如，金、铜或铝，或者导电迹线可以是导电聚合物。导电迹线112可经由任何已知的沉积技术，例如溅射、蒸发或剥离工艺形成。
如图1A所示，导电迹线112顺着脊108的侧壁向上延伸，以与有源元件114相接触。然而，实际上，由于导电迹线112在侧壁上的极少的覆盖，这样的设计经常失败。图1B示出了导电迹线112在脊108的侧壁上的常见的中断。侧壁的中断可能由于许多原因而发生。导电迹线112通常非常薄(例如，为几百纳米级)，这种薄层的沉积方法沿着垂直结构通常提供极少的覆盖。通常在导电迹线的图案化工序过程中使用的光刻胶也提供极少的覆盖，或者有时在垂直特征(例如脊108的侧壁)的周围不能被充分清除。
用于解决侧壁不连续问题的一个选择是简单地提供桥接部，该桥接部被限定于有源层106中且与脊108相连，使得导电迹线能沿着桥接部的顶部延伸且到达脊108的顶面。尽管这个解决方案可以消除对沿着侧壁向上的导电迹线进行图案化的需求，但是当脊108被用作光波导时，连接至脊108上的桥接部导致漏光。其他问题，例如由桥接部与波导脊的相交区域引起的后向反射也可能在某些应用(例如，光学相干断层扫描(OCT))中是有害的。
在一实施例中，提出了一设备设计，其在保持将光限制在脊中的同时，允许导电迹线与脊的顶面相接触。请注意，术语“脊”意味着宽泛地解释，而非限制于脊波导。图2示出了集成光路200的一部分，该光路具有与前述基本相同的基底102、缓冲层104和有源层106。同样地，脊108被限制于有源层106中。根据实施例，半岛结构202(peninsula formation)也被限制于有源层106中。如图2所示，半岛结构202可填充与脊108相邻的槽201的一部分。在其他示例中，没有限定槽，并且除了脊108，有源层106是基本平坦的。
半岛结构202可相邻于脊108。在一个示例中，半岛结构202是有角的，使得半岛结构202的端面204以基本正交的方式朝向脊108的侧壁206。在端面204和侧壁206之间存在间隙。当脊108作为光波导时，该间隙允许光被限制在脊108内。间隙的宽度被设计为足够小以允许导电迹线112被悬挂在间隙之上，作为无支承的桥接部，如区域208中所示。例如，导电迹线的厚度可以在200nm至1μm之间，而间隙可以为宽100nm至500nm之间。在实施例中，间隙宽度可被限定成导电迹线112的厚度的大约一半。间隙的宽度足够大，以防止光从脊108泄露，但是又要足够小，使得导电迹线112可跨过间隙悬挂而不损坏。间隙的宽度可基于包层110的厚度被进一步限定，如在后面参照图3C描述的。
通过跨过间隙桥接，导电层112穿过半岛结构202的顶面延伸，且跨过脊108的顶面延伸。在一个示例中，导电层112与设置于脊108的顶面上的有源元件114(例如加热元件)相接触。
在实施例中，包层110覆盖脊108(包括侧壁206)，但是不覆盖半岛结构202的任何部分。在另一个实施例中，包层110覆盖脊108(包括侧壁206)，以及至少部分半岛结构202(包括端面204)。
图3A-图3D示出了根据实施例的制造工艺流程图。请注意，多种技术可被用于每个制造步骤以产生图示的结果。因而，这些图并不意味着限制提及的所示的相关尺寸或几何图形。它们作为示例被提供，以传达本发明的原理。
图3A示出了在对设备300进行任何工序步骤之前的基底102、缓冲层104和有源层106。所示的层可表现出绝缘体上硅(SOI)晶片的层。其他层材料可包括具有适合于与光学集成光路一起使用的光学特性的各种三元或四元半导体化合物。这种材料通常具有直接带隙和/或对红外光是透明的。
图3B示出了根据实施例的限定脊108和半岛结构202的蚀刻工艺。脊108和半岛结构202都可具有相同的厚度，且可经由相同的蚀刻工艺形成。在一个示例中，脊108和半岛结构202在1μm至5μm厚度之间。还被示出的是位于半岛结构202的端面204和脊108的侧壁206之间的间隙302a。
图3C示出了设置于设备300的表面之上的包层110。包层110可被热生长，例如从硅生长出二氧化硅。在实施例中，包层110也被设置于半岛结构202的端面204和脊108的侧壁206之上。因此，包层110的厚度有助于形成具有比原始间隙302a小的宽度的间隙302b。间隙302b可具有100nm和500nm之间的宽度。基于包层110的厚度，小于100nm的宽度也是有可能的。附加的层也可存在于包层110之上或之下。可使用任何数量的层，而不脱离本发明的范围和精神。
在另一个实施例中，包层110可被生长，使得其基本填充所有的间隙302a。在这种情况下，在半岛结构202的端面204和脊108的侧壁206之间不存在间隙。根据实施例，由于包层110的较低的折射率，基本填充半岛结构202的端面204和脊108的侧壁206之间的空间的包层材料仍将保持将光限制于脊108中。
图3D示出了根据实施例的导电迹线112的添加。导电迹线112在区域204中桥接于间隙302b之上，且在半岛结构202的顶面和脊108的顶面之上延伸。在包层110基本填充半岛结构202和脊108之间的区域的实施例中，导电迹线112将铺设于填充间隙的包层上。
在实施例中，导电迹线112可与设置于脊108的顶面之上的例如加热元件的有源元件(未示出)相接触。有源元件可被直接设置于脊108的顶面上，或者是在脊108的顶面之上的包层上。有源元件的其他示例包括晶体管、光开关、相位调制器和频率调制器。
图4示出了方法400的示例。根据实施例，方法400提供了制造集成光路的部分的制造工艺。
在方块402处，脊和半岛结构被蚀刻于半导体材料中。根据实施例，半岛结构被设计为使得其与脊基本成正交的角度。根据实施例，脊和半岛的蚀刻形成了在半岛结构的端面和脊的侧壁之间的间隙。
在方块404处，包层被可选择地设置。根据实施例，包层至少被设置于半岛结构的端面和脊的侧壁之上。包层可被热生长。根据实施例，包层的添加基于半岛结构的端面和脊的侧壁之间的包层的厚度限定了间隙的宽度。当增加包层时，间隙的宽度可被制成小于常规的光刻系统能提供的最小特征尺寸。在一个示例中，包层被生长成使得其基本填充半岛结构的端面和脊的侧壁之间的区域。
在方块406处，导电迹线被形成于脊和半岛结构之上，使得导电迹线桥接半岛结构的端面和脊的侧壁之间的间隙。可使用任何本领域技术人员已知的技术(例如，溅射或蒸发)来沉积导电迹线。导电迹线也可经由金属剥离工艺形成。导电迹线可具有大约间隙宽度的两倍的厚度。
附加的步骤可被认为是方法400的部分。例如，有源元件(例如加热元件)可被设置于脊的顶面之上的包层上。导电迹线可桥接间隙并与加热元件相接触。根据实施例，通过导电迹线向加热元件提供的电流可使得加热元件产生热量，从而改变脊的光学特性。当脊被用作光波导时，光学特性的改变可调制被限制于脊中的辐射光束。
将意识到，具体实施方式部分(而不是概述和摘要部分)意图为用来解释权利要求书。概述和摘要部分可以阐述一个或多个、但不是所有的如由发明人所考虑的、本发明的示例性实施例，并且因此概述和摘要部分不以任何方式意图为限制本发明和所附权利要求书。
在功能构建块的辅助下，上面已经描述了本发明的实施例，其中功能构建决示出所指定的功能和这些功能的关系的实施方式。这些功能构建块的边界为了描述的方便在本文中已经任意地定义。只要所指定的功能和这些功能的关系适当地执行，还能够定义备选的边界。
特定实施例的前述描述将如此完整地揭示本发明的一般性质，使得其他人通过应用本领域技术内的知识，不用过度的实验，不偏离本发明的一般概念，能够针对各种应用容易地修改和/或适配这种特定的实施例。因此，基于本文所提出的教导和指导，这样的适配和修改被意图为在所公开实施例的等效方案的含义和范围内。将理解，本文中的措辞或术语是用于描述的目的而非用于限制的目的，使得本说明书的术语或措辞将由技术人员根据教导和指导来解释。
本发明的宽度和范围不应当由上面所描述的示例性实施例中的任何一个来限定，而是仅应当根据下述权利要求和它们的等效方案来定义。
Claims (22)
1.一种设备，包括：
被限定于半导体材料内的脊；
被限定于半导体材料内的半岛结构，该半岛结构与脊相邻，使得在半岛结构的端面和脊的侧壁之间存在间隙；和
导电迹线，该导电迹线悬挂跨过所述间隙，使得该导电迹线在半岛结构的顶面和脊的顶面之上延伸。
2.根据权利要求1的设备，其中该间隙在100nm和500nm的宽度之间。
3.根据权利要求2的设备，其中导电迹线的厚度在200nm和1μm之间。
4.根据权利要求1的设备，其中脊是光波导，且半导体材料包括硅、磷化铟、和砷化镓中的至少一个。
5.根据权利要求1的设备，还包括布置在脊的顶面和侧壁之上的包层。
6.根据权利要求5的设备，其中该包层还被布置在半岛结构的顶面和端面之上。
7.根据权利要求6的设备，其中基于脊的侧壁和半岛结构的端面之间的包层的厚度来限定间隙的宽度。
8.根据权利要求5的设备，还包括布置在脊的顶面之上的包层上的加热元件。
9.根据权利要求8的设备，其中导电迹线提供与加热元件的电接触。
10.根据权利要求1的设备，其中脊的厚度在1μm和5μm之间。
11.根据权利要求1的设备，其中半岛结构与脊成基本正交的角度。
12.一种制造设备的方法，包括：
在半导体材料中蚀刻脊和半岛结构，使得半岛结构与脊相邻且在半岛结构的端面和脊的侧壁之间存在间隙；
形成导电迹线，使得该导电迹线悬挂跨过该间隙且在半岛的项面和脊的顶面之上延伸。
13.根据权利要求12的方法，其中该形成步骤包括使用溅射来沉积导电迹线。
14.根据权利要求12的方法，其中该形成步骤包括使用蒸发的金属来沉积导电迹线。
15.根据权利要求12的方法，还包括布置被布置在脊的顶面和侧壁之上的包层。
16.根据权利要求15的方法，还包括在半岛结构的顶面和端面之上设置包层。
17.根据权利要求16的方法，其中该包层是热生长的。
18.根据权利要求16的方法，其中间隙的宽度是基于脊的侧壁和半岛结构的端面之间的包层的厚度限定的。
19.根据权利要求15的方法，还包括将加热元件布置于在脊的顶面之上的包层上。
20.根据权利要求19的方法，其中导电迹线提供与加热元件的电接触。
21.根据权利要求19的方法，还包括向加热元件提供电流以调节穿过脊的辐射光束。
22.根据权利要求12的方法，其中该蚀刻步骤包括进行蚀刻使得半岛结构与脊成基本正交的角度。
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