CN108873161A

CN108873161A - 硅基光波导结构及其制作方法

Info

Publication number: CN108873161A
Application number: CN201710340735.2A
Authority: CN
Inventors: 盛振; 武爱民; 仇超; 赵瑛璇; 高腾; 甘甫烷; 王曦
Original assignee: Shanghai New Micro Technology Service Co Ltd
Current assignee: Shanghai Industrial Utechnology Research Institute
Priority date: 2017-05-15
Filing date: 2017-05-15
Publication date: 2018-11-23
Anticipated expiration: 2037-05-15
Also published as: CN108873161B

Abstract

本发明提供一种硅基光波导结构及其制作方法，包括：提供一SOI衬底，所述SOI衬底包括硅衬底、埋氧层以及顶层硅；于所述顶层硅表面形成间隔排列的两个带状金属层；于所述顶层硅及所述两个带状金属层上形成上包层，且所述上包层的折射率小于所述顶层硅的折射率。本发明在纵向上，高折射率的顶层硅夹于低折射率的埋氧层与上包层之间，形成纵向的光场限制；在横向上，带状金属层区域具有强烈的光吸收，其等效折射率低于两个带状金属层之间的区域，形成横向的光场限制，最终实现纵向及横向上的光场限制，形成硅基光波导结构，可有效提高光波导的性能。本发明不需要对顶层硅材料进行干法刻蚀，大大降低了工艺难度，有利于设备及工艺成本的降低。

Description

硅基光波导结构及其制作方法

技术领域

本发明属于半导体领域和光电集成领域，特别是涉及一种硅基光波导结构及其制作方法。

背景技术

随着人们对信息传输、处理速度要求的不断提高和多核计算时代的来临，基于金属的电互连将会由于过热、延迟、电子干扰等缺陷成为发展瓶颈。而采用光互连来取代电互连，可以有效解决这一难题。在光互连的具体实施方案中，硅基光互连以其无可比拟的成本和技术优势成为首选。硅基光互连既能发挥光互连速度快、带宽大、抗干扰、功耗低等优点，又能充分利用微电子工艺成熟、高密度集成、高成品率、成本低廉等优势，其发展必将推动新一代高性能计算机、数据通信系统的发展，有着广阔的市场应用前景。

硅基光互连的核心技术是在硅基上实现各种光功能器件，如硅基激光器、电光调制器、光电探测器、滤波器、波分复用器、耦合器、分光器等。而实现这些功能器件的基本结构或基本器件是硅基光波导结构。

如图1所示，当前最常用的硅基光波导结构是在SOI(silicon-on-insulator，绝缘体上的硅)材料20上通过光刻、干法刻蚀等工艺制作的硅纳米线光波导。它以方形横截面的硅作为芯层201，四周以二氧化硅材料或其他低折射率材料环绕作为包层21，从而形成光波导结构。硅纳米线光波导由于芯层201和包层21之间巨大的折射率差，可以实现亚微米尺度的光波导尺寸及微米尺度的波导弯曲半径。但是，这种波导的制作需要昂贵的硅材料干法刻蚀设备，不利于降低设备成本投入；同时，这种波导具有较大的侧壁散射损耗，对干法刻蚀工艺要求很高；并且极易因光刻线宽偏差而引入相位误差，对光刻工艺要求也很高。

随着硅基光器件及硅基光互连系统的不断普及应用，如何开发出低成本、易加工的硅基光波导结构，从而在所需场合替代常用的但对制造工艺要求苛刻的硅纳米线光波导，成为本领域技术研发的一个重要目标。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种硅基光波导结构及其制作方法，用于解决现有技术中硅基光波导结构制作工艺困难，成本较高的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种硅基光波导结构的制作方法，所述制作方法包括：步骤1)，提供一SOI衬底，所述SOI衬底包括硅衬底、埋氧层以及顶层硅；步骤2)，于所述顶层硅表面形成间隔排列的两个带状金属层；步骤3)，于所述顶层硅及所述两个带状金属层上形成上包层，且所述上包层的折射率小于所述顶层硅的折射率；在纵向上，高折射率的顶层硅夹于低折射率的埋氧层与上包层之间，形成纵向的光场限制；在横向上，带状金属层区域具有强烈的光吸收，其等效折射率低于两个带状金属层之间的区域，形成横向的光场限制，最终实现纵向及横向上的光场限制，形成硅基光波导结构。

优选地，所述硅基光波导结构为单模传输的硅基光波导结构。

进一步地，通过调整顶层硅的厚度、两个带状金属层之间的距离以及两个带状金属层的宽度，实现硅基光波导结构的单模传输。

优选地，步骤2)包括：步骤2-1)，通过溅射或蒸镀工艺于所述顶层硅表面形成金属层；步骤2-2)，于所述金属层表面旋涂光刻胶，并通过曝光工艺形成带状掩膜图形；步骤2-3)，通过刻蚀工艺刻蚀所述金属层，以制备出所述两个带状金属层。

优选地，步骤2)包括：步骤2-1)，于所述顶层硅表面旋涂光刻胶，并通过曝光工艺形成带状掩膜窗口；步骤2-2)，通过溅射或蒸镀工艺于所述光刻胶及带状掩膜窗口内的顶层硅表面形成金属层；步骤2-3)，剥离去除所述光刻胶以及光刻胶上的金属层，以制备出所述两个带状金属层。

优选地，所述带状金属层包括结合于所述顶层硅表面的种子层及结合于所述种子层上的金属顶层，所述种子层包括Ti层，所述金属顶层包括Au层、以及Au层及Pt层的叠层中的一种。

优选地，所述上包层包括二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、有机聚合物材料及空气中的一种。

本发明还提供一种硅基光波导结构，包括：SOI衬底，所述SOI衬底包括硅衬底、埋氧层以及顶层硅；两个带状金属层，间隔排列于所述顶层硅表面；上包层，覆盖于所述顶层硅及所述两个带状金属层上，且所述上包层的折射率低于所述顶层硅的折射率；在纵向上，高折射率的顶层硅夹于低折射率的埋氧层与上包层之间，形成纵向的光场限制；在横向上，带状金属层区域具有强烈的光吸收，其等效折射率低于两个带状金属层之间的区域，形成横向的光场限制，最终实现纵向及横向上的光场限制，形成硅基光波导结构。

优选地，通过调整顶层硅的厚度、两个带状金属层之间的距离以及两个带状金属层的宽度，实现硅基光波导结构的单模传输。

如上所述，本发明的硅基光波导结构及其制作方法，具有以下有益效果：

1)本发明不需要对顶层硅材料进行干法刻蚀，大大降低了工艺难度，有利于设备及工艺成本的降低。

2)本发明通过在SOI上制作两带状金属以及上包层，使得在纵向上，高折射率的顶层硅夹于低折射率的埋氧层与上包层之间，形成纵向的光场限制；在横向上，带状金属层区域具有强烈的光吸收，其等效折射率低于两个带状金属层之间的区域，形成横向的光场限制，最终实现纵向及横向上的光场限制，形成硅基光波导结构。解决了传统硅基波导具有较大的侧壁散射损耗，并且极易因光刻线宽偏差而引入相位误差，对光刻及干法刻蚀工艺要求都很高的技术难题。

3)本发明通过调整两带状金属层的尺寸和金属层间空隙的尺寸，以及顶层硅的厚度，可以实现硅波导的单模传输。

4)本发明工艺简单，制作成本低，且可有效提高硅基光波导结构的性能，在光电集成领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1显示为现有技术中的硅基光波导结构的示意图。

图2显示为本发明的硅基光波导结构的制作方法的步骤流程示意图。

图3～图6显示为本发明的硅基光波导结构的制作方法各步骤所呈现示意图。

图7显示为本发明的硅基光波导结构的光场限制区域的结构示意图。

元件标号说明

10 SOI衬底

101 硅衬底

102 埋氧层

103 顶层硅

11 金属层

12 带状金属层

13 上包层

30 光场限制区域

S11～S13 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图2～图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图2～图7所示本实施例提供一种硅基光波导结构的制作方法，所述制作方法包括：

如图2～图3所示，步骤1)S11，提供一SOI衬底10，所述SOI衬底10包括硅衬底101、埋氧层102以及顶层硅103。

如图2及图4～图5所示，然后进行步骤2)S12，于所述顶层硅103表面形成间隔排列的两个带状金属层12。

在本实施例中，步骤2)包括：

步骤2-1)，通过溅射或蒸镀工艺于所述顶层硅103表面形成金属层11，所述金属层11包括结合于所述顶层硅103表面的种子层及结合于所述种子层上的金属顶层，所述种子层包括Ti层，所述金属顶层包括Au层、以及Au层及Pt层的叠层中的一种；所述种子层可以有效提高金属层11与顶层硅103的结合性能，避免金属层11的剥落，所述金属顶层采用Au或Au、Pt叠层，可以大大提高带状金属的光限制效果，以利于提高光波导结构的性能。

步骤2-2)，于所述金属层11表面旋涂光刻胶，并通过曝光工艺形成带状掩膜图形。

步骤2-3)，通过刻蚀工艺刻蚀所述金属层11，以制备出所述两个带状金属层12。

当然，在另一个实施方式中，步骤2)也可以通过以下方法实现：

步骤2-1)，于所述顶层硅103表面旋涂光刻胶，并通过曝光工艺形成带状掩膜窗口；

步骤2-2)，通过溅射或蒸镀工艺于所述光刻胶及带状掩膜窗口内的顶层硅103表面形成金属层11，所述金属层11包括结合于所述顶层硅103表面的种子层及结合于所述种子层上的金属顶层，所述种子层包括Ti层，所述金属顶层包括Au层、以及Au层及Pt层的叠层中的一种。所述种子层可以有效提高金属层11与顶层硅103的结合性能，避免金属层11的剥落，所述金属顶层采用Au或Au、Pt叠层，可以大大提高带状金属的光限制效果，以利于提高光波导结构的性能。

步骤2-3)，剥离去除所述光刻胶以及光刻胶上的金属层11，以制备出所述两个带状金属层12。

采用金属剥离的方法制作所述带状金属层12，可以有效简化工艺流程，降低生产成本。

如图2及图6所示，最后进行步骤3)S13，于所述顶层硅103及所述两个带状金属层12上形成上包层13，且所述上包层13的折射率小于所述顶层硅103的折射率；在纵向上，高折射率的顶层硅103夹于低折射率的埋氧层102与上包层13之间，形成纵向的光场限制；在横向上，带状金属层12区域具有强烈的光吸收，其等效折射率低于两个带状金属层12之间的区域，形成横向的光场限制，最终实现纵向及横向上的光场限制，形成硅基光波导结构。

作为示例，所述上包层13包括二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、有机聚合物材料及空气中的一种。

在本实施例中，所述硅基光波导结构为单模传输的硅基光波导结构。通过调整顶层硅103的厚度、两个带状金属层12之间的距离以及两个带状金属层12的宽度，可以实现硅基光波导结构的单模传输。例如，将所述顶层硅103厚度取值设定为100nm-500nm之间，两个带状金属层12之间的距离的取值设定为100nm-800nm，单个带状金属层12的宽度设定为大于3μm，可以实现硅基光波导结构的单模传输。

如图6所示，本实施例还提供一种硅基光波导结构，包括：SOI衬底10，所述SOI衬底10包括硅衬底101、埋氧层102以及顶层硅103；两个带状金属层12，间隔排列于所述顶层硅103表面；上包层13，覆盖于所述顶层硅103及所述两个带状金属层12上，且所述上包层13的折射率低于所述顶层硅103的折射率；在纵向上，高折射率的顶层硅103夹于低折射率的埋氧层102与上包层13之间，形成纵向的光场限制；在横向上，带状金属层12区域具有强烈的光吸收，其等效折射率低于两个带状金属层12之间的区域，形成横向的光场限制，最终实现纵向及横向上的光场限制，形成硅基光波导结构。

作为示例，所述硅基光波导结构为单模传输的硅基光波导结构。

作为示例，通过调整顶层硅103的厚度、两个带状金属层12之间的距离以及两个带状金属层12的宽度，实现硅基光波导结构的单模传输。例如，将所述顶层硅103厚度取值设定为100nm-500nm之间，两个带状金属层12之间的距离的取值设定为100nm-800nm，单个带状金属层12的宽度设定为大于3μm，可以实现硅基光波导结构的单模传输。

作为示例，所述带状金属层12包括结合于所述顶层硅103表面的种子层及结合于所述种子层上的金属顶层，所述种子层包括Ti层，所述金属顶层包括Au层、以及Au层及Pt层的叠层中的一种。

如图7所示，本实施例的硅基光波导结构的原理为：在纵向上，高折射率的顶层硅103夹于低折射率的埋氧层102与上包层13之间，形成纵向的光场限制；在横向上，带状金属层12区域具有强烈的光吸收，其等效折射率低于两个带状金属层12之间的区域，形成横向的光场限制，最终实现纵向及横向上的光场限制，形成硅基光波导结构，本实施例中，光波的传播会被限制在图7虚线框所示的光场限制区域30内，光波在横向上局限在这个区域里并沿着带状金属层12的延伸方向传播，而不会沿着其横向发散开来。

1)本发明不需要对顶层硅103材料进行干法刻，大大降低了工艺难度，有利于设备及工艺成本的降低。

2)本发明通过在SOI上制作两带状金属以及上包层13，使得在纵向上，高折射率的顶层硅103夹于低折射率的埋氧层102与上包层13之间，形成纵向的光场限制；在横向上，带状金属层12区域具有强烈的光吸收，其等效折射率低于两个带状金属层12之间的区域，形成横向的光场限制，最终实现纵向及横向上的光场限制，形成硅基光波导结构。解决了传统硅基波导具有较大的侧壁散射损耗，并且极易因光刻线宽偏差而引入相位误差，对光刻及干法刻蚀工艺要求都很高的技术难题。

3)本发明通过调整两带状金属层12的尺寸和金属层11间空隙的尺寸，以及顶层硅103的厚度，可以实现硅波导的单模传输。

4)本发明工艺简单，制作成本低，且可有效提高硅基光波导结构的性能，在光电集成领域具有广泛的应用前景。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种硅基光波导结构的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：

步骤1)，提供一SOI衬底，所述SOI衬底包括硅衬底、埋氧层以及顶层硅；

步骤2)，于所述顶层硅表面形成间隔排列的两个带状金属层；

步骤3)，于所述顶层硅及所述两个带状金属层上形成上包层，且所述上包层的折射率小于所述顶层硅的折射率；

在纵向上，高折射率的顶层硅夹于低折射率的埋氧层与上包层之间，形成纵向的光场限制；在横向上，带状金属层区域具有强烈的光吸收，其等效折射率低于两个带状金属层之间的区域，形成横向的光场限制，最终实现纵向及横向上的光场限制，形成硅基光波导结构。

2.根据权利要求1所述的硅基光波导结构的制作方法，其特征在于：所述硅基光波导结构为单模传输的硅基光波导结构。

3.根据权利要求2所述的硅基光波导结构的制作方法，其特征在于：通过调整顶层硅的厚度、两个带状金属层之间的距离以及两个带状金属层的宽度，实现硅基光波导结构的单模传输。

4.根据权利要求1所述的硅基光波导结构的制作方法，其特征在于：步骤2)包括：

步骤2-1)，通过溅射或蒸镀工艺于所述顶层硅表面形成金属层；

步骤2-2)，于所述金属层表面旋涂光刻胶，并通过曝光工艺形成带状掩膜图形；

步骤2-3)，通过刻蚀工艺刻蚀所述金属层，以制备出所述两个带状金属层。

5.根据权利要求1所述的硅基光波导结构的制作方法，其特征在于：步骤2)包括：

步骤2-1)，于所述顶层硅表面旋涂光刻胶，并通过曝光工艺形成带状掩膜窗口；

步骤2-2)，通过溅射或蒸镀工艺于所述光刻胶及带状掩膜窗口内的顶层硅表面形成金属层；

步骤2-3)，剥离去除所述光刻胶以及光刻胶上的金属层，以制备出所述两个带状金属层。

6.根据权利要求1所述的硅基光波导结构的制作方法，其特征在于：所述带状金属层包括结合于所述顶层硅表面的种子层及结合于所述种子层上的金属顶层，所述种子层包括Ti层，所述金属顶层包括Au层、以及Au层及Pt层的叠层中的一种。

7.根据权利要求1所述的硅基光波导结构的制作方法，其特征在于：所述上包层包括二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、有机聚合物材料及空气中的一种。

8.一种硅基光波导结构，其特征在于，包括：

SOI衬底，所述SOI衬底包括硅衬底、埋氧层以及顶层硅；

两个带状金属层，间隔排列于所述顶层硅表面；

上包层，覆盖于所述顶层硅及所述两个带状金属层上，且所述上包层的折射率低于所述顶层硅的折射率；

9.根据权利要求8所述的硅基光波导结构，其特征在于：所述硅基光波导结构为单模传输的硅基光波导结构。

10.根据权利要求8所述的硅基光波导结构，其特征在于：通过调整顶层硅的厚度、两个带状金属层之间的距离以及两个带状金属层的宽度，实现硅基光波导结构的单模传输。

11.根据权利要求8所述的硅基光波导结构，其特征在于：所述带状金属层包括结合于所述顶层硅表面的种子层及结合于所述种子层上的金属顶层，所述种子层包括Ti层，所述金属顶层包括Au层、以及Au层及Pt层的叠层中的一种。

12.根据权利要求8所述的硅基光波导结构，其特征在于：所述上包层包括二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、有机聚合物材料及空气中的一种。