CN109477936B - 集成结构以及其制造方法 - Google Patents

集成结构以及其制造方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109477936B
CN109477936B CN201780042757.9A CN201780042757A CN109477936B CN 109477936 B CN109477936 B CN 109477936B CN 201780042757 A CN201780042757 A CN 201780042757A CN 109477936 B CN109477936 B CN 109477936B
Authority
CN
China
Prior art keywords
cmos
silicon
cavity
photonic
waveguide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201780042757.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109477936A (zh
Inventor
A.齐尔基
A.里克曼
D.勒罗斯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rockley Photonics Ltd
Original Assignee
Rockley Photonics Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rockley Photonics Ltd filed Critical Rockley Photonics Ltd
Publication of CN109477936A publication Critical patent/CN109477936A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109477936B publication Critical patent/CN109477936B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/77—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate
    • H01L21/78—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices
    • H01L21/82—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices to produce devices, e.g. integrated circuits, each consisting of a plurality of components
    • H01L21/822—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices to produce devices, e.g. integrated circuits, each consisting of a plurality of components the substrate being a semiconductor, using silicon technology
    • H01L21/8232—Field-effect technology
    • H01L21/8234—MIS technology, i.e. integration processes of field effect transistors of the conductor-insulator-semiconductor type
    • H01L21/8238—Complementary field-effect transistors, e.g. CMOS
    • H01L21/823821—Complementary field-effect transistors, e.g. CMOS with a particular manufacturing method of transistors with a horizontal current flow in a vertical sidewall of a semiconductor body, e.g. FinFET, MuGFET
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/14—Mode converters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method
    • G02B6/131—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by using epitaxial growth
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method
    • G02B6/136—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by etching
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/30—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device
    • G02B6/305—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device and having an integrated mode-size expanding section, e.g. tapered waveguide
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/43—Arrangements comprising a plurality of opto-electronic elements and associated optical interconnections
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/77—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate
    • H01L21/78—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices
    • H01L21/82—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices to produce devices, e.g. integrated circuits, each consisting of a plurality of components
    • H01L21/8258—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices to produce devices, e.g. integrated circuits, each consisting of a plurality of components the substrate being a semiconductor, using a combination of technologies covered by H01L21/8206, H01L21/8213, H01L21/822, H01L21/8252, H01L21/8254 or H01L21/8256
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier
    • H01L27/12—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier the substrate being other than a semiconductor body, e.g. an insulating body
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12035—Materials
    • G02B2006/12038—Glass (SiO2 based materials)
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12035—Materials
    • G02B2006/12061—Silicon
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12083—Constructional arrangements
    • G02B2006/12097—Ridge, rib or the like
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12083—Constructional arrangements
    • G02B2006/121—Channel; buried or the like
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12133—Functions
    • G02B2006/12147—Coupler
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12133—Functions
    • G02B2006/12152—Mode converter
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12166—Manufacturing methods
    • G02B2006/12176—Etching
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12166—Manufacturing methods
    • G02B2006/12178—Epitaxial growth
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12166—Manufacturing methods
    • G02B2006/12195—Tapering
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/12004—Combinations of two or more optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1223—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths high refractive index type, i.e. high-contrast waveguides
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method
    • G02B6/132—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by deposition of thin films
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method
    • G02B6/134—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by substitution by dopant atoms
    • G02B6/1347—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by substitution by dopant atoms using ion implantation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
    • H01L21/76—Making of isolation regions between components
    • H01L21/762—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers
    • H01L21/76224—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using trench refilling with dielectric materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
    • H01L21/76—Making of isolation regions between components
    • H01L21/762—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers
    • H01L21/7624—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
    • H01L21/76—Making of isolation regions between components
    • H01L21/762—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers
    • H01L21/7624—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology
    • H01L21/76264—SOI together with lateral isolation, e.g. using local oxidation of silicon, or dielectric or polycristalline material refilled trench or air gap isolation regions, e.g. completely isolated semiconductor islands
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/0206—Substrates, e.g. growth, shape, material, removal or bonding
    • H01S5/021—Silicon based substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/0206—Substrates, e.g. growth, shape, material, removal or bonding
    • H01S5/0215—Bonding to the substrate
    • H01S5/0216—Bonding to the substrate using an intermediate compound, e.g. a glue or solder

Abstract

一种用于使用具有CMOS线和光子线的制造系统制造集成结构的方法，包括以下步骤：在所述光子线中，在硅晶片中制造第一光子部件；将所述晶片从所述光子线转移到所述CMOS线；以及在所述CMOS线中，在所述硅晶片中制造CMOS部件。另外，一种单片集成结构包括其中形成有波导和CMOS部件的硅晶片，其中所述波导结构包括远离所述硅晶片的上表面而延伸的隆脊。还提供一种单片集成结构，所述单片集成结构具有形成于其中的光子部件和CMOS部件，所述光子部件包括宽度为0.5μm至13μm的波导。

Description

集成结构以及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种制造包含光子部件和互补金属氧化物半导体 (CMOS)部件的集成结构的方法。本发明还涉及集成结构本身。
背景技术
随着CMOS技术向更小的节点大小(n14、n10、n7、n5、n3)移动 以符合摩尔定律，晶体管将使用硅、SiGe、GaAs和III-V FinFET结 构制造。这在图1中示出。这些材料系统也用于硅光子件，并且本发 明涉及光子集成电路与CMOS如何用单片工艺流程集成在一起。
将CMOS结构与光子件集成在一起并非易事。明确地说，CMOS 与大μm波导结构的集成难以实现。在一个已知示例中，通过使用 CMOS线中可用的工具和工艺制造硅光子件来实现集成。这是不利的， 因为所得光子装置仅限于可以使用CMOS线路设备制造的那些装置，例如小波导大小、低拓扑、仅CMOS材料系统(例如没有具有高锗含 量的SiGe)，这对于Franz-Keldysh调制器是必需的。
在另一已知的示例中，使用Bi-CMOS制造过程实现硅光子件与 Bi-CMOS(CMOS技术与双极结晶体管技术的组合)的单片集成。同样， 此处的缺点是使用Bi-CMOS制造设备制造的光子装置的特征大小、 拓扑结构和材料受到限制。
发明内容
概括地说，本发明的目的在于提供一种使用CMOS线和光子线 制造集成结构的方法，从而解决上述问题。以此方式，实现了光子件 与CMOS的单片集成，其允许超高集成密度和光学IO，其可以与高 速电子装置集成，而不需要高速电迹线。此技术有可能成为任何距离 的数据传输的突破性成果，大大降低了涉及电子和光子件集成的系统 的功耗和封装成本。此外，鉴于有迹象表明CMOS正朝着SiGe、GaAs 和III-VFinFET发展以便符合摩尔定律，这一点尤为重要。
具体地说，本发明的第一方面提供一种使用具有CMOS线和光 子线的制造系统制造集成结构的方法，所述方法包括以下步骤：
在所述光子线中，在硅晶片中制造第一光子部件；
将所述晶片从所述光子线转移到所述CMOS线；以及
在所述CMOS线中，在所述硅晶片中制造CMOS部件。
从上述方法可以清楚地看出，本发明在光子线中制备或制造光子 部件且在CMOS线中制备或制造CMOS部件。在这样做时，部件使 用专门适用于所述目的的设备制造，这意味着特别是光子部件可能具 有更理想的特征，特别是在其大小、材料特性和性质方面(较之于它 们是仅使用CMOS技术制造的那样)。
在本申请中，术语“集成”是指最终装置的所有部件优选存在于同 一芯片上，所述芯片优选是单片的。换句话说，集成结构优选地使用 集成芯片的形式。正是这种集成实现了高密度通信与数字处理的理想 组合，并且实现功率和封装成本的降低，因此集成度越高，本发明越 强大。
为了定义本发明的各种结构特征，定义在本申请中使用的某些几 何术语是有用的。这将相对于硅晶片进行，硅晶片形成本发明第一方 面的制造过程的起点。硅晶片在本发明的技术领域中是众所周知的， 通常是平面的，并且具有两个大致平坦的表面。大多数初始制造过程 的表面，即形成CMOS和光子部件的那些表面，在本文中称为“顶表 面”或“上表面”。接着，与此相对的表面在本文中称为“基底”、“底表 面”或“下表面”。从基底到顶表面的方向可以被称为“向上”(或等效方 向)，并且从顶表面到基底表面的方向可以被称为“向下”(或等效方向)。 例如“较高”、“较低”、“上”、“下”、“上方”和“下方”等的相对术语遵循相同的模式。以类似方式，硅晶片的平面可以限定宽的“水平”方向 (并且因此，“宽度”或“广度”，并且与所述宽度垂直的方向可以限定“垂 直”方向(并且因此“高度”、“深度”或“厚度”)。
第一光子部件优选为波导，并且优选具有不小于0.5μm的宽度， 更优选不小于1μm、更优选不小于2μm、甚至更优选不小于3μm。 在优选实施方案中，宽度优选不大于13μm、更优选不大于12μm、 更优选不大于11μm、更优选不大于10μm、更优选不大于9μm、更 优选不大于8μm、更优选不大于7μm、更优选不大于6μm、更优选 不大于5μm。使用传统的CMOS技术(如上文提到的先前示例中)制 造这种规模的波导是不可能的，其仅能够以更小的规模制造波导，通 常仅至多0.2μm。本发明的主要优点在于光子件和CMOS技术在集 成结构的生产中的使用。具体地说，使用光子技术来产生光子部件， 特别是波导，是特别有益的，因为可以产生更大规模的波导。这些的 优点是多方面的：首先，较大的波导对制造缺陷或变化具有较高的容 差，即较大波导中的表面缺陷或大小变化将成比例地对通过大波导 (与小波导相比)传播的光的损耗或相位具有小得多的影响。这意味着 通过本方法实现的大波导通常损耗更小且相位稳定性更高。其次，大 波导允许偏振独立性：可以在CMOS制造线中制造的小波导具有高 度偏振相关的光学模式特性，而在较大波导中，光学模式特性可以在 不同偏振状态下不变。第三，大波导允许较低的损耗和与光纤的可制 造联接，并且允许到在宽带宽上工作的光纤的联接方案。因此，较大 的波导能够制造光子集成电路，其在比用较小波导制造的波长更宽的 波长范围内工作。
波导通常是细长的形状，并且在垂直于波传播方向的平面中具有 矩形或基本矩形的横截面。矩形横截面的大小确定了给定波导可以支 持的模式。在优选实施方案中，波导是硅波导，其围绕其矩形横截面 被氧化物层包围，氧化物层用于将波限制在其中。应注意，此处“包 围”并不一定意味着硅通道被完全包围，并且在氧化物层中可能存在 间隙。优选地，硅通道基本上被氧化物层包围。
在本发明的优选实施方案中，波导是倒置的。
具体地说，制造优选呈波导形式的第一光子装置的步骤包括：
将空腔蚀刻到所述硅晶片的顶表面中；
在所述空腔的壁上沉积氧化物层；
用硅填充所述空腔；以及
在用于填充所述空腔的所述硅的顶部沉积氧化物帽。
优选地，空腔具有基本上矩形的横截面，并且壁包括侧壁和底壁。
在以此方式形成波导时，蚀刻形成通道的波导部分，接着重新填 充。这就是“倒置”的意思。此外，倒置的肋或隆脊形波导在波导的顶 部具有其平板区域(不具有氧化物限制的侧壁区域)，而在传统的肋或 隆脊形波导中，平板位于底部。这与用于形成波导结构的传统方法形 成对比，其中硅沉积在内埋氧化物层上，接着蚀刻掉通道任一侧上的 区域中的硅，接着在剩余的“凸块”上沉积氧化物层以便形成波导。发 明人认识到这仍然是可行的技术，其可适用于本发明的实施方案。然 而，倒置波导制造的一个优点是可以使形成二极管的传统平板区域在 晶片的顶部对齐，以使得二极管注入和退火步骤、氧化物填充和金属化步骤可以与CMOS线路中的低拓扑结构一起完成，以避免热预算 管理问题。换句话说，光子部件能够与CMOS共享注入步骤。
在本发明的一些实施方案中，制造步骤还可包括：在空腔的底壁 和侧壁上沉积氧化物层之后，形成(例如通过蚀刻)空腔的壁，优选为 底壁中的槽，以露出下方的硅。在此种实施方案中，用硅填充空腔优 选地包括将硅外延生长到由空腔底壁中的槽暴露的硅上。应注意，技 术人员非常了解可用硅填充空腔的其它方法。应注意，术语“填充” 不一定应理解为表示“完全填充”，其也可用于表示“基本上填充”。
在本发明的一些实施方案中，所述方法可以包括在制造第一光子 部件之后，在第一光子部件的顶部上沉积硅层以内埋第一光子部件的 步骤。此内埋可以通过外延生长发生，并且波导可以称为内埋波导。 在这些实施方案中，实际上在其中发生外延生长(或任何其它种类的 硅沉积)的所有其它实施方案中，可能存在使硅的上表面平坦化的步 骤，例如通过常规的化学机械平面化工艺。
在制造第一光子部件之后，但不一定紧接在制造第一光子部件之 后的某个时间，将硅晶片转移到CMOS线，在那里进行CMOS处理。 具体地说，CMOS处理包括制造第一CMOS部件的步骤。本文中， “CMOS处理”是指在CMOS线中执行的任何传统CMOS技术。此外， 术语“CMOS部件”是指使用常规CMOS工艺形成的任何部件。在优 选实施方案中，CMOS部件包括集成电路。制造CMOS部件的步骤 优选地包括注入或掺杂。
在硅晶片中制造CMOS部件的步骤之后，所述方法还可以包括 以下步骤：
将所述晶片从所述CMOS线转移到所述光子线；以及
在所述光子线中，在所述硅晶片中制造第二光子部件。
以此方式，可以在集成结构中形成额外部件。此任选特征突出了 本发明方法的一个关键优点，即为了形成额外光子部件，硅晶片被转 移回至光子线，而非继续在CMOS线中进行处理。
在一些实施方案中，制造第二光子部件可以包括与制造第一部件 相同的步骤，如本申请在前文所例示的。在此种实施方案中，第二光 子部件是无源部件，例如波导。
在优选实施方案中，第二光子装置包括由光学活性材料形成的光 学有源区。因此，在一些实施方案中，制造第二光子部件的步骤可以 包括：
将空腔蚀刻到所述硅晶片的顶表面中；
在所述空腔的壁上沉积氧化物层；以及
用光学活性材料填充所述空腔以形成光学活性区域。
在此种实施方案中，第二光子部件可以被称为有源部件。
在其它实施方案中，制造第二光子部件的步骤可包括：
将空腔蚀刻到所述硅晶片的顶表面中；
在所述空腔的壁上沉积氧化物层；
基本上用硅部分地填充或填充所述空腔；以及
在所述硅的顶部沉积光学活性材料，以形成光学活性区域。
在此种实施方案中，第二光子部件可以称为渐逝活性部件。
在一些实施方案中，所述方法还可以包括也在光子线中制造第三 光子部件的步骤。如上所述，第三光子部件可以与第一和第二光子部 件相同的方式制造。所述方法还可以包括也在光子线中制造额外光子 部件的步骤。这些光子部件可以按与第一、第二或第三光子部件中的 任一者相同的方式制备。
第二光子部件、第三光子部件和/或任何额外光子部件优选地呈 有源部件的形式，例如：光电二极管、调制器(例如电吸收调制器或 移相器)、放大器，或用不同于硅的活性材料制成的激光器。
因此，术语“活性材料”是指赋予第二光子部件或第三光子部件某 种光子电光或非线性光学特性的材料。具体地说，活性材料可以包括 以下中的一种或多种：锗(用于Ge光检测器)、SiGe块体或异质结构 堆叠(例如多量子阱堆叠)(分别用于Franz-Keldysh或量子限制-斯塔克 效应[QCSE]电吸收调制器或移相器)、SiGeSn或GeSn块体或异质结 构叠层(用于电吸收调制器和移相器)或III-V化合物或异质结构叠层 (用于激光器、放大器、电吸收调制器、移相器或光电二极管)。在本 申请中，“III-V化合物”是含有硼、铝、镓、铟和铊中的至少一者， 以及氮、磷、砷、锑和铋中的至少一者的化合物。特别优选的III-V 材料包括InP体层上的InAIGaAs或InGaAsP多量子阱异质结构，用 于制造激光增益区或QCSE调制器和移相器区。
在光子线中制造光子部件之后，所述方法可以包括将硅晶片转移 到CMOS线以执行额外CMOS处理的额外步骤。这可以包括在集成 结构的上表面上形成导电迹线。
为了在集成结构的上表面上提供导电迹线，所述方法还可以包括 以下步骤：在硅晶片的顶部沉积氧化物层；在氧化物层内形成一个或 多个通孔，通孔从氧化物层的上表面上的开口延伸到硅晶片的上表面 上的导电垫；金属化通孔和氧化物层的上表面以形成一个或多个导电 迹线。可以再次执行相同的步骤以产生多层结构，这意味着混合信号 模拟电路与多个金属层连接，以使得混合信号模拟电路驱动EAM功 能并且还连接到数字功能。
本发明的第二方面提供一种单片集成结构，所述单片集成结构包 括其中形成有波导和CMOS部件的硅晶片，其中波导结构包括远离 所述硅晶片的上表面而延伸的隆脊。本发明的第三个更广泛的方面还 可以提供一种光电装置，所述光电装置包括其中形成有波导的硅晶片， 所述波导包括远离所述硅晶片的上表面而延伸的隆脊。
更具体地说，在前一段中阐述的本发明的两个方面的情况下，硅 晶片可以呈绝缘体上硅(SOI)晶片的形式并且包括内埋氧化物层(BOX层)。波导结构可以如本申请前文所述形成，并且可以包括侧壁 和基底以形成基本上U形的隆脊，所述基本上U形的隆脊限定波导的传播区域。隆脊远离硅晶片的上表面而延伸应理解为U形隆脊的 基底位于侧壁的最远离硅晶片上表面的末端。在硅晶片呈SOI晶片的 形式的情况下，基底优选位于侧壁的末端，所述末端离硅晶片的上表 面最远并且最靠近BOX层。在本申请中先前阐述了这种倒置波导结构的优点。
本发明的另一、第四方面提供一种单片集成结构，所述单片集成 结构包括其中形成有光子部件和CMOS部件的硅晶片，所述光子部 件包括宽度为0.5μm至13μm的波导。
本发明的第二、第三和第四方面的结构/装置的实施方案可以包 括参考本发明的第一方面在本申请中较早提出的任何任选特征。尽管 本发明的第一方面涉及一种方法，但技术人员将理解，任选的方法步 骤产生结构特征，所述结构特征可以结合到本发明的第二、第三和第 四方面的结构/装置中。
附图说明
此处参考附图描述本发明，其中：
图1示出了CMOS技术如何向更小的节点大小发展，以便符合 摩尔定律和为这些技术集成到硅中所需的不同材料。
图2示出了根据本发明实施方案的集成结构的侧向横截面。
图3A至3R示出了根据本发明实施方案的制造图2的集成结构 所使用的制造步骤。
图4示出了本发明的集成结构的另一实施方案。
图5示出了类似于图3A至3R中所示的方法的替代起点。
图6A至6D示出了替代制造方法中的各个点，其使用与图3A 至3R中的不同的开始。
图7示出了包括本发明的集成结构的芯片的平面图的示意图。
具体实施方式
图2示出了根据本发明的实施方案的集成结构的横截面。图3A 至3R示出了可用于产生图2的集成波导结构的一系列制造步骤，其 包括含有两个内埋式波导(即无源部件)的单片硅晶片，每个内埋式波 导宽3μm。当然，本发明适合于在单片硅晶片内提供任何数量的波 导。所述结构还包括Si/SiGeEAM/PD和III/V激光器/EAM/放大器/ 移相器。这些光子部件集成在同一硅晶片(即单片)中，作为连接到导 电层的标记为CMOS、SiGeCMOS和III/VCMOS的三个CMOS部件。 所述结构还包括蚀刻小面和V形凹槽。参考图3A至3R更详细地描 述这些部件。
本发明的一个显著特征在于可以使用CMOS与硅光子技术的组 合来制造高度集成的单一结构。图3A至3R中所述的过程包括在“光 子线”中执行的步骤和在“CMOS线”中执行的步骤。所述制造方法的 独特特征在于将大μm波导、硅光子工具(例如MEMS线工具)与CMOS线工具混合在同一洁净室中。这意味着晶片可以根据需要在 CMOS线/MEMS线/光子线之间互换。
步骤3A至3J在光子线中发生。
图3A示出了可以制造本发明的集成波导结构的可能的开始布置 形式。替代开始布置示出于图5和6中，并且在本申请中稍后将更深 入地论述。在图3A中，本发明的起点是4至6μm的绝缘体上硅(SOI) 晶片。在本示例中，SOI晶片102包括例如硅处理晶片的衬底102a， 在其上为内埋氧化物(BOX)层104，其可以例如由二氧化硅形成。硅 装置层102b位于BOX层的顶部，硅装置层的厚度为4至6μm。
下一步骤示出于图3B中，其中空腔106被蚀刻到硅装置层102b 中。在本示例中，空腔106将形成波导，稍后将更深入地论述。可以 例如(未示出)通过在装置层上沉积硬掩模层来形成空腔106。举例来 说，硬掩模层可以是从硅装置层102b生长的热生长二氧化硅层。硬 掩模用作随后可以移除的牺牲层。其用作硅装置层102b的有效蚀刻 掩模和保护层。
可以使用光刻来图案化用于形成波导的空腔106的结构，接着蚀 刻硅装置层102b以形成空腔106本身。优选使用干式蚀刻工艺以保 持蚀刻特征的良好维度控制。在装置层102b中蚀刻出空腔106之后， 在空腔的侧壁112a、112b和基底114以及硅装置层102b的顶表面上 沉积氧化物层108，例如使用低压化学气相沉积(LPCVD)技术。接着 在空腔106的基底处的氧化物层108中开出小槽110。
接下来，如图3C所示，用硅116填充空腔106。在所示的示例 中，(晶体)硅116在空腔中外延生长，其中硅装置层102b的部分由小 槽110暴露在空腔106的基底114处的氧化物层108中作为晶体生长 的晶种。然而，在本发明的其它实施方案(未示出)中，空腔106可以按其它方式填充硅。举例来说，可以将晶体硅置于空腔中并且粘合。 或者，可以在氧化物层上生长非晶硅，接着通过例如退火将其转变为 晶体硅。或者，可以在氧化物层上直接生长晶体硅。在如图3D所描 绘的下一步骤中，使用任何合适的常规化学机械平坦化工艺，使沉积 的硅116a的上表面平坦化以与氧化物层108的表面齐平。
图3E示出了下一步骤的结果。在例如通过例如湿式化学蚀刻的 选择性蚀刻去除上部氧化物层108之后，氧化物盖118沉积在平坦硅 表面116a的表面上，具体地说，沉积在图3B所示步骤中沉积的氧化 物侧壁112a、112b之间。在这样做时，由空腔106的壁112a、112b、 114和氧化物帽118限定的硅通道限定硅波导120。形成波导120的 这种方法不同于本发明技术领域中使用的传统技术。因为波导120是 “倒置”的，所以可以实现本发明。现有技术中使用的技术(参见例如Reed“硅光子学：技术现状”，Wiley 2008)，不是通过蚀刻来限定空腔、 形成氧化物侧壁，接着填充空腔，而是蚀刻掉(向下在BOX层中)不 是波导结构的一部分的所有硅，随后用氧化物涂布剩余的“凸块”。波 导的倒置特性的优点将在下文的描述中变得明显。在图3F中，更多 的硅122外延地沉积在整个结构的顶部上，并且上表面124在另一 CMP工艺中变平，以给出12μm的厚度，波导120被“内埋”在集成 结构100的上表面124下方6至8μm左右。以直到现在描述的方式 形成的一组波导120优选地用作例如AWG等的无源光学结构。在一 些实施方案中，可以在下文论述的顶层波导126中形成AWG或类似 的无源光学结构。上文论述的内埋波导120可用于提供波导交叉，例 如，在AWG(或其它低损耗波导)下方传递光，或者可以充当光源总 线波导网络以从激光器引入光并且将激光分布在整个芯片中。稍后将 更深入地论述有源光学结构。
在图3G中，已经发生了三个额外的硅蚀刻步骤(具有不同的蚀刻 深度)，并且在图3H中，氧化物层136已经沉积在所得空腔126、128、 130的壁上，以便形成具有氧化物侧壁的空腔。在所示的实施方案中， 一个空腔126的宽度为3μm，以形成无源部件，一个空腔128的宽 度为0.5至1μm，以形成有源部件，另一空腔130的宽度为1至2μm， 深度为1至2μm，以形成渐逝有源部件。空腔128可以比空腔126 浅，并且空腔130可以比空腔128浅。接着，如图3D所示，在每个 空腔126、128、130的相应基底中蚀刻小槽127、129、131。
在图3G和3H的左侧，已经蚀刻了两个窄沟槽(也称为隔离沟槽) 132a、132b，并且还用氧化物136“填充”以形成12μm深的无源波导 结构137，其基底处具有BOX层。
接着(借助于空腔126、128、130的基底处的小槽127、129、131)， 在结构100的顶部外延生长更多的硅138，如图3I所示，以便填充在 空腔126、128、130中，从而形成具有如上所述的性质和大小的波导 结构152、148、150。在图3J中，与先前的附图一样，存在CMP步 骤以使结构100的上表面140变平，现在其中内埋有波导结构152、 148、150。
图3A至3J中所示的所有制造过程是在光子线上发生的硅光子过 程。
图3K所示的过程是在CMOS线中执行的第一个过程。首先，在 结构的上表面上沉积热氧化物层146，用于随后的CMOS处理。接着， 进行所述CMOS处理，其包括掺杂和激活以形成CMOS部件142。 覆盖除CMOS部件142之外的所有部分的氧化物层是注入阻挡层(例 如硬掩模)。除了要注入的区域之外，注入阻挡层覆盖集成结构的所 有表面。在存在多个注入步骤(例如p、n、p++、n++)的实施方案中， 每个步骤需要移除硬掩模，接着重新定位新的硬掩模，因为p、n、 p++、n++区域及其大小彼此不同。
图3K-2示出了执行p和n注入步骤以便形成Si二极管143的示 例。这些Si二极管注入步骤可以在CMOS线或光子线中执行(在与 CMOS植入共享的共同高温激活退火之前)。这些光子注入可以在 CMOS注入之前或之后但在共同退火之前进行。可能需要特殊注入 (即，非标准CMOS，这意味着其可以在光子线中执行)，因为在波导 311和312的情况下，可能需要深入注入以一直向下穿透到空腔的底 部，如图3K-2所示。在其它处，可以形成p-i-n结构141。
此时，我们返回光子线。在CMOS142牢固就位的情况下，在图 3L中，发生另一次硅蚀刻，以便从图3I到3K中沉积的波导结构152、 148、150上方去除氧化物层146和晶体硅138。应注意，BiCMOS处 理可以作为CMOS线中的下一步骤发生，因为在一些实施方案中， 高Si含量SiGe区域中的激活退火可能需要高于低Si含量SiGe区域 (可能在一些光子装置中使用)中的激活退火。
在图3L所示的具体示例中，波导结构148中的硅几乎完全被蚀 刻掉以留下空腔，而在波导结构150的情况下，仅蚀刻掉氧化物层部 分上方的硅，因此，剩余硅的上表面几乎与氧化物层146的上表面齐 平。这是在光子线中执行的，这是因为形成图3L所示特征需要高拓 扑处理，并且光刻和蚀刻只能在MEMS型线上进行。
仍然在光子线中，在图3M中，有源光子材料156、158分别在 波导结构148、150中或上生长，并且生长替代(非Si)CMOS材料。 在所示的特定实施方案中，空腔可以例如用SiGe或Ge填充以形成 电吸收调制器或光检测器，并且右侧的渐逝空腔可以填充有III-V有 源区以形成激光器或EAM。在其它实施方案中，具有高硅含量的SiGe 可以用于Bi-CMOS，具有低硅含量的SiGe可以用于Franz-Keldysh 调制器，锗可以用于光电二极管，并且InP可以用于激光器、调制器 和III-V CMOS。
在图3N中，为了使整个结构的表面160变平，执行另一CMP 步骤。
接下来，如图3O所示，装置返回到CMOS线(除了在CMOS线 中执行最近CMP的那些实施方案中)。此处，可能发生CMOS/SiGe 处理和CMOS/III-V处理，其包括用于二极管的注入步骤以及快速热 退火(RTA)。此处也可以发生异质结双极晶体管(HBT)处理。此外， 可以执行波导区域148和150中的注入掺杂。通常，这种掺杂将在对 具有较高活化温度的此步骤上游的先前材料进行快速热退火之后发 生，以避免注入的掺杂剂扩散。或者，掺杂可以在任何退火步骤之前 发生，并且退火步骤可以用于将掺杂剂扩散到所述波导区域或每个波 导区域的适当区域中。如将理解的，波导区域的掺杂性质取决于其中 含有的有源装置或CMOS装置的类型。通常，通过注入提供至少n 和p掺杂区域。可以为电触点提供额外的n+/n++和p+/p++区域。
在一些实施方案中，对于生长的每个材料系统，可能需要多个材 料外延生长、掺杂、退火和CMP步骤。在一个示例中，可以存在低 Ge含量的SiGe生长、注入、退火、CMP、SiGe生长、注入、退火、CMP、锗生长、注入、退火、CMP和InP生长、注入、退火，接着 是另一CMP，因为不同的材料需要不同的生长温度并且因此具有不 同的熔化温度，所以不同的材料具有不同的活化退火温度，以及不同 的CMP化学性质。在可能的情况下，当退火温度与材料熔化温度类 似时，应共享注入和退火步骤，并且当CMP化学品类似时，应共享 CMP步骤。具有较低生长和熔化温度以及较低活化退火温度的材料 应在具有高温的材料之后进行处理。此外，在其它实施方案中，在 CMOS线中可能需要CMP步骤，其中12英寸CMP工具可用于实现CMOS处理所需的均匀性和平面性。
接着，在图3P中，为了在整个结构的表面上提供导电迹线，在 顶部上沉积氧化物层168，并且将通孔170蚀刻到其中。蚀刻通孔170， 以便在氧化物层的上表面与图3O中注入的二极管之间提供通道。接 着，进行金属化以便在氧化物层的上表面与下方的二极管之间通过通 孔170提供导电路径。金属化的通孔在某些位置经由导电迹线172连 接。在图3Q中，沉积另一氧化物层174，形成更多的通孔176，并 且进行额外的金属化。再次，金属化通孔176接着经由导电迹线178 连接。CMOS或Bi-CMOS可以与多个金属层连接，使得混合信号模拟电路驱动EAM并且从PD接收信号，并且还可以连接到数字功能。 图3Q右侧所示的DC激光器焊盘179引出芯片外。
在最终步骤中，如图3R所示，其发生在MEMS型线中，对芯片 的光学IO进行额外的大规模拓扑蚀刻。举例来说，可以形成V形凹 槽182，可以执行小面蚀刻180，以及切割道的抗反射涂布和蚀刻。 V形凹槽182可以用于结合无源光纤附接。
图4示出了替代成品200，其可以形成本发明的另一实施方案。 在图4中，用于来自图3A至3R的等效特征的附图标记的初始数字“1” 由“2”代替，除非另有陈述。在此实施方案中，在图3K的阶段中添加 额外的仅硅p-n结构284或p-i-n有源结构286。图4示出了具体的尺 寸，但技术人员清楚地知道这些不必是限制性的。此实施方案示出了 也可用于制造硅有源结构(例如，用于Mach-Zehnder调制器的p-n或 p-i-n移相器，用于可变吸收器或吸收调制器的p-i-n二极管，用于加 热器的掺杂区域或二极管传感器)的硅基二极管可以如何结合到平台 中。例如这些的仅硅p-n或p-i-n有源结构可以用于代替或增强基于 其它材料的上述其它有源结构，即它们可以与或不与锗PD、SiGe EAM、SiGe CMOS、III-V CMOS和III-V激光器和调制器一起使用。
图3A至3R中所示的方法全部包括内埋波导结构。然而，在一 些实施方案中，不需要内埋波导结构。在那些实施方案中，可以从如 图5所示的布置开始执行与图3G至3Q相同的处理，其中仅存在具 有12μm深的BOX层304的SOI 302，并且无内埋波导。
类似地，在其它实施方案中，可以使用双SOI(DSOI)400，即具 有两个BOX层404a、404b的硅晶片402，如图6A所示。在这种情 况下，一个深度为3μm，另一个深度为12μm。显然，本发明不限于 BOX层的这些深度，其仅出于说明性目的而包括在内。等效于图3G 和3H中所示的步骤示出于图6B至6D中。这些类似于图3G和3H， 只是仅需要图3H的沉积步骤来覆盖空腔的侧壁，而不是侧壁和基底。 如图6D所示，通过从DSOI开始，如在此实施方案中的情况，可以 具有侧壁与基底氧化物具有不同厚度或甚至不同氧化物配方的空腔。 使第二BOX层处于固定的3μm深度意味着硅晶种层级处于大致相 同的深度，这允许整个晶片上的更均匀的外延生长高度，从而降低了 在外延生长之后所需的CMP层级。同样，具有固定3μm深度的第 二BOX层意味着内埋氧化物层可以用作具有3μm深度的所有波导 空腔的蚀刻停止层，从而允许空腔的深度在晶片上更精确和均匀(较 之于无此BOX层原本可能实现的情况)。
图7中的装置(芯片)具有CMOS数字、混合信号模拟，以及使用 本申请中描述的工艺单片集成在一起的硅光子元件和构建基块。这种 芯片允许以前所未有的密度和超低成本协同集成CMOS与光子功能， 但作为代价，制造良率需要非常高，因此光子工艺的良率需要非常高(类似于现代CMOS工艺)以使此变得实用。
图7的顶部部分描述了如何将具有光子IO的分组开关CMOS芯 片(RockleyPhotonics的产品之一)完全整体制造。
标记为“光子IO”的芯片边缘具有13μm波导大小的内埋锥形过 渡区，以便于光纤附接。示出了V形凹槽区域，且这些区域允许直 接边缘联接的无源光纤附接，这是此方案的一个重要优点(此光纤附 接平台具有低制造成本、低损耗、宽带且对偏振不敏感)。
连接到光子IO区域(蓝色区域)的是无源装置区域(例如图3J中的 波导结构120、152)，其通常执行例如波长复用/解复用、光学滤波和 路由等功能。注意，底部条形波导120与顶部肋形波导152之间的过 渡区也可以包括在此区域中，以使多层波导能够实现波导交叉(需要 两个层级来实现波导交叉)。
返回到图7的描述，无源区域接着与有源区域介接。调制器和光 电二极管的这些区域主要执行光学调制(换句话说，通过Bi-CMOS调 制器驱动器将电信号从CMOS转换为光信号)和光学检测(通过 Bi-CMOS光电二极管接收器电路将光转换为电)。Bi-CMOS调制器驱动器和接收器电路分别示出于图7的顶部的CMOS芯片的左侧与右 侧。
调制器驱动器和检测器接收器电路也可以简单地处于CMOS中， 在此情况下，不需要Bi-CMOS盒。
需要光源来生成从调制器输出的光，因此以橙色示出的III-V激 光器区域包括在芯片的一些边缘区域上。这些区域可以是激光器阵列， 所述激光器为外部空腔(分布式布拉格反射器或DBR)激光器，其中光 栅镜处于无源硅波导(一种已经提到的滤波功能)或为分布式反馈 (DFB)激光器，其中激光镜嵌入在III-V材料中，并且硅波导只是无 源波导。激光需要进入调制器的一个端口(输入端口)，因此示出了(例 如图3Q中)将激光器连接到调制器的一侧的线。因为这些波导需要越 过调制器输出波导，所以激光波导示出为某一部分处于与EAM输入 和输出波导不同的层(即，图3J中的内埋平板波导层140)上，使得它 们可以彼此交叉而无损失(这是如上所述的波导交叉所需的两层波导 的示例)。
最后，Bi-CMOS调制器驱动器和接收器电路连接到中心的 CMOS区域，在所述区域执行数字功能。
应注意，调制器区域可以替代地由看起来非常像激光材料的 III-V材料制成。
图7的底部示出了以不同方式将不同材料制成的不同功能连接 到不同应用的不同方式。光子件仍将用作光学I/O，但现在示出多个 CMOS芯片，在同一芯片上与光学IO连接在一起，从而形成多芯片 网络或芯片到芯片网络。不同块的功能与上述相同，但其排列方式不 同。与SiGe调制器一样，III-V区域可能需要非常靠近CMOS芯片， 因为III-V区也可以是调制器(如上所述)。
图7的底部芯片旨在表示此技术的其它可能应用，例如传感器或 信号处理芯片，其中CMOS芯片不是数据中心开关，而是需要光学 I/O的信号处理器或传感器处理芯片(其中CMOS进行一些信号分析) 和/或DSP，且需要驱动无源相位阵列，或连接到低速探测器阵列。 这可能需要直接连接到无源区域，其间没有调制器，或不需要 Bi-CMOS的调制器和具有低速驱动器的检测器。

Claims (19)

1.一种使用具有CMOS线和光子线的制造系统制造集成结构的方法，所述方法包括以下步骤：
在所述光子线中，在硅晶片中制造第一光子部件；
将所述晶片从所述光子线转移到所述CMOS线；以及
在所述CMOS线中，在所述硅晶片中制造CMOS部件，其中
所述制造所述第一光子部件的步骤包括以下步骤：
将空腔蚀刻到所述硅晶片的顶表面中；
在所述空腔的壁上沉积氧化物层；
用硅填充所述空腔；以及
在用于填充所述空腔的所述硅的顶部沉积绝缘帽。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述集成结构呈单片芯片的形式。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一光子部件是波导。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述波导的宽度不小于0.5μm，并且不大于13μm。
5.根据权利要求3或权利要求4所述的方法，其中所述波导是倒置波导。
6.根据权利要求3所述的方法，其中所述波导呈具有侧壁和基底的通道的形式，所述侧壁和所述基底是通过将所述氧化物层沉积在所述空腔的所述壁上而形成。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述通道在垂直于所述通道的纵向轴线的平面中在那点上具有基本上为矩形的横截面。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述制造所述第一光子部件的步骤包括在所述空腔的所述壁上沉积氧化物层的步骤之后，在侧壁和基底中的一者或多者中形成槽，以便暴露所述硅的在形成所述侧壁或基底的所述氧化物层下方的一部分。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述用硅填充所述空腔的步骤包括在经由所述槽暴露的所述硅上进行硅的外延生长。
10.根据权利要求1所述的方法，其中在所述硅晶片中制造所述CMOS部件的所述步骤之后，所述方法还包括以下步骤：
将所述晶片从所述CMOS线转移回到所述光子线；以及
在所述光子线中，在所述硅晶片中制造第二光子部件。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第二光子部件包括由光学活性材料形成的光学活性区域。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，其中所述制造所述第二光子部件的步骤包括：
将空腔蚀刻到所述硅晶片的顶表面中；
在所述空腔的壁上沉积氧化物层；以及
用光学活性材料填充所述空腔以形成光学活性区域。
13.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，其中所述制造所述第二光子部件的步骤包括：
将空腔蚀刻到所述硅晶片的顶表面中；
在所述空腔的壁上沉积氧化物层；
基本上用硅填充或部分地填充所述空腔；以及
在所述硅的顶部沉积光学活性材料，以形成光学活性区域。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述光学活性材料包括以下中的至少一者：锗、SiGe、SiGeSn、GeSn或III-V化合物。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述III-V化合物含有铝、镓和铟中的至少一者以及氮、磷、砷和锑中的至少一者。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述III-V化合物包括以下中的至少一者：InAIGaAs、InGaAsP或InP。
17.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，所述方法还包括将所述硅晶片转移回到所述CMOS线以执行额外CMOS处理。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述额外CMOS处理包括在所述集成结构的上表面上形成导电迹线。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述形成导电迹线的步骤包括：
在所述硅晶片的顶部沉积氧化物层；
在所述氧化物层内形成一个或多个通孔；以及
金属化所述通孔和所述氧化物层的所述上表面以形成一个或多个导电迹线。
CN201780042757.9A 2016-07-13 2017-07-13 集成结构以及其制造方法 Active CN109477936B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201662362012P 2016-07-13 2016-07-13
US62/362012 2016-07-13
PCT/EP2017/067767 WO2018011373A1 (en) 2016-07-13 2017-07-13 Integrated structure and manufacturing method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109477936A CN109477936A (zh) 2019-03-15
CN109477936B true CN109477936B (zh) 2022-03-29

Family

ID=59383584

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780042757.9A Active CN109477936B (zh) 2016-07-13 2017-07-13 集成结构以及其制造方法
CN201780043323.0A Active CN109642985B (zh) 2016-07-13 2017-07-13 模式转换器及其制造方法

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780043323.0A Active CN109642985B (zh) 2016-07-13 2017-07-13 模式转换器及其制造方法

Country Status (4)

Country Link
US (5) US10643903B2 (zh)
CN (2) CN109477936B (zh)
GB (2) GB2552263B (zh)
WO (2) WO2018011587A1 (zh)

Families Citing this family (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018011587A1 (en) * 2016-07-13 2018-01-18 Rockley Photonics Limited Mode converter and method of fabricating thereof
GB2588313B (en) * 2018-05-11 2022-10-05 Rockley Photonics Ltd Thermo-optical phase shift with ridged optical waveguide
FR3085369B1 (fr) * 2018-08-31 2021-01-08 St Microelectronics Crolles 2 Sas Modulateur electro-optique
US11029466B2 (en) 2018-11-21 2021-06-08 The Research Foundation For The State University Of New York Photonics structure with integrated laser
WO2020123008A1 (en) * 2018-11-21 2020-06-18 The Research Foundation For The State University Of New York Photonics structure with integrated laser
US11550099B2 (en) 2018-11-21 2023-01-10 The Research Foundation For The State University Of New York Photonics optoelectrical system
GB2594408B (en) * 2018-12-10 2022-12-07 Rockley Photonics Ltd Optoelectronic device and method of manufacture thereof
GB2583348A (en) * 2019-04-24 2020-10-28 Univ Southampton Photonic chip and method of manufacture
GB2584681B (en) 2019-06-11 2021-12-29 Rockley Photonics Ltd Interposer
GB2585391B (en) 2019-08-23 2021-10-27 Rockley Photonics Ltd Method of fabricating an optoelectronic component
US11239152B2 (en) 2019-09-04 2022-02-01 International Business Machines Corporation Integrated circuit with optical tunnel
US11169328B2 (en) * 2019-09-20 2021-11-09 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Photonic structure and method for forming the same
AU2020400081A1 (en) 2019-12-11 2022-08-04 Rockley Photonics Limited Optical sensing module
CN115605803A (zh) 2019-12-11 2023-01-13 洛克利光子有限公司（Gb） 光学感测模块
US11409139B2 (en) * 2019-12-13 2022-08-09 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Semiconductor device including waveguide heater, and method and system for generating layout diagram of same
CN111722321A (zh) * 2020-01-19 2020-09-29 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种光膜转换器及其制备方法
CN115151849A (zh) 2020-01-29 2022-10-04 普赛昆腾公司 低损耗高效率光子移相器
CN211928243U (zh) * 2020-03-02 2020-11-13 苏州旭创科技有限公司 一种半导体光耦合结构和硅光集成芯片
CN115427855A (zh) * 2020-03-03 2022-12-02 普赛昆腾公司 光子设备的制造方法
WO2022029486A1 (en) 2020-08-03 2022-02-10 Rockley Photonics Limited Optical sensing module
CN116472489A (zh) 2020-08-03 2023-07-21 洛克利光子有限公司 光学感测模块
WO2022064273A1 (en) 2020-09-28 2022-03-31 Rockley Photonics Limited Optical sensing module
US11588062B2 (en) * 2020-10-08 2023-02-21 Globalfoundries U.S. Inc. Photodetectors including a coupling region with multiple tapers
GB2601809A (en) * 2020-12-11 2022-06-15 Rockley Photonics Ltd Wafer with buried V-groove cavity for fiber coupling
US11860414B2 (en) * 2020-12-30 2024-01-02 Globalfoundries U.S. Inc. Edge couplers including a grooved membrane

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040114853A1 (en) * 2002-07-22 2004-06-17 Applied Materials, Inc. Optical ready substrates
US20040121507A1 (en) * 2002-12-18 2004-06-24 Bude Jeffrey Devin Semiconductor devices with reduced active region deffects and unique contacting schemes
US20120288971A1 (en) * 2011-05-09 2012-11-15 Universiteit Gent Co-Integration of Photonic Devices on a Silicon Photonics Platform

Family Cites Families (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0693068B2 (ja) 1986-10-13 1994-11-16 沖電気工業株式会社 導波型光スイツチ
WO1997042534A1 (en) 1996-05-03 1997-11-13 Bookham Technology Limited Connection between an integrated optical waveguide and an optical fibre
GB2317023B (en) 1997-02-07 1998-07-29 Bookham Technology Ltd A tapered rib waveguide
US6001067A (en) * 1997-03-04 1999-12-14 Shults; Mark C. Device and method for determining analyte levels
US6013936A (en) * 1998-08-06 2000-01-11 International Business Machines Corporation Double silicon-on-insulator device and method therefor
KR100277695B1 (ko) * 1998-09-12 2001-02-01 정선종 에스 오 아이 광도파로를 이용한 하이브리드 광집적회로용 기판 제조방법
GB2344933B (en) 1998-12-14 2001-08-29 Bookham Technology Ltd Process for making optical waveguides
KR100326046B1 (ko) 1999-06-21 2002-03-07 윤종용 열광학 스위치 및 그 제작방법
GB2355312B (en) * 1999-10-13 2001-09-12 Bookham Technology Ltd Method of fabricating an integrated optical component
GB2373343A (en) * 2001-03-16 2002-09-18 Bookham Technology Plc Rib waveguide for connection to an optical component
US7072534B2 (en) * 2002-07-22 2006-07-04 Applied Materials, Inc. Optical ready substrates
CA2565194A1 (en) 2004-05-18 2005-11-24 Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus A structure comprising an adiabatic coupler for adiabatic coupling of light between two optical waveguides and method for manufacturing such a structure
US7480435B2 (en) 2005-12-30 2009-01-20 Intel Corporation Embedded waveguide printed circuit board structure
JP5232981B2 (ja) * 2008-03-07 2013-07-10 日本電気株式会社 ＳｉＧｅフォトダイオード
US8000565B2 (en) 2008-12-31 2011-08-16 Intel Corporation Buried dual taper waveguide for passive alignment and photonic integration
KR20100079739A (ko) 2008-12-31 2010-07-08 주식회사 동부하이텍 이미지 센서 및 그의 제조 방법
US8093084B2 (en) * 2009-04-30 2012-01-10 Freescale Semiconductor, Inc. Semiconductor device with photonics
US8633067B2 (en) * 2010-11-22 2014-01-21 International Business Machines Corporation Fabricating photonics devices fully integrated into a CMOS manufacturing process
US8625942B2 (en) * 2011-03-30 2014-01-07 Intel Corporation Efficient silicon-on-insulator grating coupler
US8796747B2 (en) * 2013-01-08 2014-08-05 International Business Machines Corporation Photonics device and CMOS device having a common gate
US9274275B2 (en) * 2013-07-03 2016-03-01 Cisco Technology, Inc. Photonic integration platform
US10663663B2 (en) * 2014-02-28 2020-05-26 Ciena Corporation Spot-size converter for optical mode conversion and coupling between two waveguides
WO2015134968A1 (en) * 2014-03-07 2015-09-11 Skorpios Technologies, Inc. High-order-mode filter for semiconductor waveguides
EP3117252B1 (en) * 2014-04-11 2023-01-04 Huawei Technologies Co., Ltd. Suspended ridge oxide waveguide
WO2016018285A1 (en) 2014-07-30 2016-02-04 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Optical waveguide resonators
US9606291B2 (en) 2015-06-25 2017-03-28 Globalfoundries Inc. Multilevel waveguide structure
US10317620B2 (en) * 2015-07-01 2019-06-11 Rockley Photonics Limited Interposer beam expander chip
EP3153899A1 (en) * 2015-10-09 2017-04-12 Caliopa NV Optical coupling scheme
US9933566B2 (en) * 2015-11-13 2018-04-03 Cisco Technology, Inc. Photonic chip with an evanescent coupling interface
WO2018011587A1 (en) * 2016-07-13 2018-01-18 Rockley Photonics Limited Mode converter and method of fabricating thereof
US10690853B2 (en) * 2018-06-25 2020-06-23 International Business Machines Corporation Optoelectronics integration using semiconductor on insulator substrate

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040114853A1 (en) * 2002-07-22 2004-06-17 Applied Materials, Inc. Optical ready substrates
US20040121507A1 (en) * 2002-12-18 2004-06-24 Bude Jeffrey Devin Semiconductor devices with reduced active region deffects and unique contacting schemes
US20120288971A1 (en) * 2011-05-09 2012-11-15 Universiteit Gent Co-Integration of Photonic Devices on a Silicon Photonics Platform

Also Published As

Publication number Publication date
US20190244866A1 (en) 2019-08-08
GB2552264A (en) 2018-01-17
GB2552264B (en) 2021-06-02
US20200243397A1 (en) 2020-07-30
WO2018011373A1 (en) 2018-01-18
CN109642985B (zh) 2021-03-12
US20210335677A1 (en) 2021-10-28
GB2552263A (en) 2018-01-17
CN109477936A (zh) 2019-03-15
US20200258791A1 (en) 2020-08-13
CN109642985A (zh) 2019-04-16
GB201711258D0 (en) 2017-08-30
GB201711282D0 (en) 2017-08-30
US11600532B2 (en) 2023-03-07
WO2018011587A1 (en) 2018-01-18
US20190243070A1 (en) 2019-08-08
US11037839B2 (en) 2021-06-15
GB2552264A9 (en) 2020-12-23
US11133225B2 (en) 2021-09-28
US10643903B2 (en) 2020-05-05
GB2552263B (en) 2019-11-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109477936B (zh) 集成结构以及其制造方法
US11728624B2 (en) Tensile strained semiconductor photon emission and detection devices and integrated photonics system
KR102059891B1 (ko) 집적 도파관 커플러
EP2985645B1 (en) Method for producing an integrated optical circuit
US9966733B2 (en) Integration of laser into optical platform
CN109564362B (zh) 光电装置
US11075498B2 (en) Method of fabricating an optoelectronic component
US10795084B2 (en) Grating with plurality of layers
US11675126B1 (en) Heterogeneous integration of an electro-optical platform
US10678007B2 (en) Active-passive waveguide photonic system
KR101857160B1 (ko) 반도체 레이저 및 그의 제조방법
US11556043B2 (en) Monolithic III-V-on-silicon opto-electronic phase modulator with a ridge waveguide
CN103794985A (zh) 半导体装置及其制造方法
Fedeli et al. Photonics and Electronics Integration
CN117310873A (zh) 硅基片上异质集成iii-v族有源器件及其制备方法
IIYAMA Gen LI
EP3032661A1 (en) Method for manufacturing an optical transmitter by growth of structures on a thin inp buffer bonded onto a silicon based substrate

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CP02 Change in the address of a patent holder
CP02 Change in the address of a patent holder

Address after: WA14 2DT, 3rd Floor, 1 Ashley Road, Altringham, Cheshire, UK

Patentee after: ROCKLEY PHOTONICS Ltd.

Address before: London

Patentee before: ROCKLEY PHOTONICS Ltd.

PE01 Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right
PE01 Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right

Denomination of invention: Integrated structure and its manufacturing method

Effective date of registration: 20230621

Granted publication date: 20220329

Pledgee: Wilmington Savings Fund Association

Pledgor: ROCKLEY PHOTONICS Ltd.

Registration number: Y2023990000308