CN108873167A

CN108873167A - 硅基光波导结构及其制作方法

Info

Publication number: CN108873167A
Application number: CN201710338188.4A
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: CN108873167B

Abstract

本发明提供一种硅基光波导结构及其制作方法，所述制作方法包括：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；2）刻蚀所述顶层硅以形成带状硅层；3）采用氧化工艺对所述带状硅层进行氧化，以形成二氧化硅层包覆的亚微米量级的硅波导芯层；所述硅波导芯层的折射率高于周围的二氧化硅层，使得光信号限制于硅波导芯层中传输，形成硅基光波导结构。本发明通过高温氧化的方式来减小硅波导芯层的线宽，达到亚微米尺度，从而避免使用昂贵的高精度步进式光刻设备；同时，采用的氧化工艺有助于减小硅波导侧壁的粗糙度，从而降低传输损耗。

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：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；2)刻蚀所述顶层硅以形成带状硅层；3)采用氧化工艺对所述带状硅层进行氧化，以形成二氧化硅层包覆的亚微米量级的硅波导芯层；所述硅波导芯层的折射率高于周围的二氧化硅层，使得光信号限制于硅波导芯层中传输，形成硅基光波导结构。

优选地，所述硅波导芯层的尺寸为亚微米量级，使得所述硅基光波导结构实现单模传输。

优选地，步骤2)包括：2-1)于所述顶层硅表面形成硬掩膜以及光刻胶层；2-2)对所述光刻胶层进行曝光并于所述硬掩膜中打开刻蚀区域；2-3)基于所述刻蚀区域刻蚀所述顶层硅，以形成带状硅层。

进一步地，步骤3)中，保留所述带状硅层上的硬掩膜，采用氧化工艺对所述带状硅层进行氧化，使得所述带状硅层在氧化过程中的最大厚度保持不变。

优选地，步骤2)所述的带状硅层的宽度范围为800nm～2μm，厚度范围为100nm～500nm。

优选地，步骤3)中，采用高温氧化工艺或常温氧化工艺对所述带状硅层进行氧化，以形成二氧化硅层包覆的亚微米量级的硅波导芯层。

优选地，步骤3)中，采用湿式氧化方式或干式氧化方式对所述带状硅层进行氧化，以形成二氧化硅层包覆的亚微米量级的硅波导芯层。

优选地，步骤3)中，采用化学试剂氧化的方式对所述带状硅层进行氧化，以形成二氧化硅层包覆的亚微米量级的硅波导芯层。

优选地，步骤3)中，氧化后所获得的硅波导芯层的宽度范围为300nm～800nm。

优选地，步骤3)中，所述硅波导芯层的侧面为曲面。

本发明还提供一种硅基光波导结构，包括：SOI衬底，包括硅衬底、埋氧层以及顶层硅，所述顶层硅被刻蚀及氧化形成亚微米量级的硅波导芯层；二氧化硅层，包覆于所述亚微米量级的硅波导芯层；所述硅波导芯层的折射率高于周围的二氧化硅层，使得光信号限制于硅波导芯层中传输，形成硅基光波导结构。

优选地，所述硅波导芯层的宽度范围为300nm～800nm。

优选地，所述硅波导芯层的最大厚度等于所述顶层硅的厚度，其厚度范围为100nm～500nm。

优选地，所述硅波导芯层的侧面为曲面。

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)本发明通过高温氧化的方式来减小硅波导芯层的线宽，达到亚微米尺度，从而避免使用昂贵的高精度步进式光刻设备；同时，采用的氧化工艺有助于减小硅波导侧壁的粗糙度，从而降低传输损耗。

2)本发明通过将SOI的顶层硅刻蚀并氧化形成二氧化硅包覆的硅波导芯层，所述硅波导芯层的折射率高于周围的二氧化硅层，使得光信号限制于硅波导芯层中传输，形成硅基光波导结构，并且，由于所述硅波导芯层的尺寸为亚微米量级，使得所述硅基光波导结构实现单模传输。

3)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。

元件标号说明

10 SOI衬底

101 硅衬底

102 埋氧层

103 顶层硅

104 硬掩膜

105 带状硅层

106 硅波导芯层

107 二氧化硅层

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6。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6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，首先进行步骤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，刻蚀所述顶层硅103以形成带状硅层105。

具体地，步骤2)包括：

步骤2-1)，于所述顶层硅103表面形成硬掩膜104以及光刻胶层；在本实施例中，所述硬掩膜104的材料可以为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。

步骤2-2)，对所述光刻胶层进行曝光并于所述硬掩膜104中打开刻蚀区域，如图4所示。

步骤2-3)，基于所述刻蚀区域刻蚀所述顶层硅103，以形成带状硅层105，如图5所示。

作为示例，本步骤所述的带状硅层105的宽度范围为800nm～2μm，厚度范围为100nm～500nm。由于后续可以通过氧化工艺减小所述带状硅层105的宽度，在本步骤中，可以先形成一个较宽的带状硅层105，以大大降低曝光及刻蚀的工艺难度，降低工艺成本。

如图2及图6所示，最后进行步骤3)S13，采用氧化工艺对所述带状硅层105进行氧化，以形成二氧化硅层107包覆的亚微米量级的硅波导芯层106；所述硅波导芯层106的折射率高于周围的二氧化硅层107，使得光信号限制于硅波导芯层106中传输，形成硅基光波导结构。在本实施例中，所述硅波导芯层106的尺寸为亚微米量级，使得所述硅基光波导结构实现单模传输。

作为示例，步骤3)中，保留所述带状硅层105上的硬掩膜104，采用氧化工艺对所述带状硅层105进行氧化，使得所述带状硅层105在氧化过程中的最大厚度保持不变。

作为示例，步骤3)中，采用高温氧化工艺或常温氧化工艺对所述带状硅层105进行氧化，以形成二氧化硅层107包覆的亚微米量级的硅波导芯层106。例如，步骤3)中，采用高温的湿式氧化方式或高温的干式氧化方式对所述带状硅层105进行氧化，以形成二氧化硅层107包覆的亚微米量级的硅波导芯层106。所述高温的湿式氧化方式或高温的干式氧化方式的氧化温度范围为700～1200℃。

作为另一优选实施方式，步骤3)中，可以采用化学试剂氧化的方式对所述带状硅层105进行氧化，以形成二氧化硅层107包覆的亚微米量级的硅波导芯层106。

作为示例，步骤3)中，氧化后所获得的硅波导芯层106的宽度范围为300nm～800nm，作为示例，步骤3)中，所述硅波导芯层106的侧面为曲面。

本发明通过高温氧化的方式来减小硅波导芯层106的线宽，达到亚微米尺度，从而避免使用昂贵的高精度步进式光刻设备；同时，采用的氧化工艺有助于减小硅波导侧壁的粗糙度，从而降低传输损耗。

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，包括硅衬底101、埋氧层102以及顶层硅103，所述顶层硅103被刻蚀及氧化形成亚微米量级的硅波导芯层106；二氧化硅层107，包覆于所述亚微米量级的硅波导芯层106；所述硅波导芯层106的折射率高于周围的二氧化硅层107，使得光信号限制于硅波导芯层106中传输，形成硅基光波导结构。

作为示例，所述硅波导芯层106的尺寸为亚微米量级，使得所述硅基光波导结构实现单模传输。

作为示例，所述硅波导芯层106的宽度范围为300nm～800nm。

作为示例，所述硅波导芯层106的最大厚度等于所述顶层硅的厚度，其厚度范围为100nm～500nm。

作为示例，所述硅波导芯层106的侧面为曲面。

1)本发明通过高温氧化的方式来减小硅波导芯层106的线宽，达到亚微米尺度，从而避免使用昂贵的高精度步进式光刻设备；同时，采用的氧化工艺有助于减小硅波导侧壁的粗糙度，从而降低传输损耗。

2)本发明通过将SOI的顶层硅103刻蚀并氧化形成二氧化硅包覆的硅波导芯层106，所述硅波导芯层106的折射率高于周围的二氧化硅层107，使得光信号限制于硅波导芯层106中传输，形成硅基光波导结构，并且，由于所述硅波导芯层106的尺寸为亚微米量级，使得所述硅基光波导结构实现单模传输。

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：

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；

2)刻蚀所述顶层硅以形成带状硅层；

3)采用氧化工艺对所述带状硅层进行氧化，以形成二氧化硅层包覆的亚微米量级的硅波导芯层；

所述硅波导芯层的折射率高于周围的二氧化硅层，使得光信号限制于硅波导芯层中传输，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：所述硅波导芯层的尺寸为亚微米量级，使得所述硅基光波导结构实现单模传输。

3.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：

2-1)于所述顶层硅表面形成硬掩膜以及光刻胶层；

2-2)对所述光刻胶层进行曝光并于所述硬掩膜中打开刻蚀区域；

2-3)基于所述刻蚀区域刻蚀所述顶层硅，以形成带状硅层。

4.根据权利要求3所述的硅基光波导结构的制作方法，其特征在于：步骤3)中，保留所述带状硅层上的硬掩膜，采用氧化工艺对所述带状硅层进行氧化，使得所述带状硅层在氧化过程中的最大厚度保持不变。

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)所述的带状硅层的宽度范围为800nm～2μm，厚度范围为100nm～500nm。

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：步骤3)中，采用高温氧化工艺或常温氧化工艺对所述带状硅层进行氧化，以形成二氧化硅层包覆的亚微米量级的硅波导芯层。

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：步骤3)中，采用湿式氧化方式或干式氧化方式对所述带状硅层进行氧化，以形成二氧化硅层包覆的亚微米量级的硅波导芯层。

8.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3)中，采用化学试剂氧化的方式对所述带状硅层进行氧化，以形成二氧化硅层包覆的亚微米量级的硅波导芯层。

9.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3)中，氧化后所获得的硅波导芯层的宽度范围为300nm～800nm。

10.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3)中，所述硅波导芯层的侧面为曲面。

11.一种硅基光波导结构，其特征在于，包括：

SOI衬底，包括硅衬底、埋氧层以及顶层硅，所述顶层硅被刻蚀及氧化形成亚微米量级的硅波导芯层；

二氧化硅层，包覆于所述亚微米量级的硅波导芯层；

12.根据权利要求11所述的硅基光波导结构，其特征在于：所述硅波导芯层的尺寸为亚微米量级，使得所述硅基光波导结构实现单模传输。

13.根据权利要求11所述的硅基光波导结构，其特征在于：所述硅波导芯层的宽度范围为300nm～800nm。

14.根据权利要求11所述的硅基光波导结构，其特征在于：所述硅波导芯层的最大厚度等于所述顶层硅的厚度，其厚度范围为100nm～500nm。

15.根据权利要求11所述的硅基光波导结构，其特征在于：所述硅波导芯层的侧面为曲面。