CN111077607B - 硅基光波导器件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅基光波导器件的制造方法，包括：形成SOI衬底，所述SOI衬底包括至下而上依次层叠设置的硅衬底、埋氧层以及顶硅层；对所述顶硅层进行刻蚀，形成波导结构和第一凹槽；在所述波导结构的上表面和所述埋氧层的上表面形成上包层，所述上包层的材料和所述埋氧层的材料相同；对所述上包层和所述埋氧层进行刻蚀，形成第二凹槽；对所述硅衬底进行刻蚀，形成第三凹槽，所述第三凹槽的深度小于所述硅衬底的厚度，且所述第三凹槽的水平投影与所述第二凹槽的水平投影重合。本发明提供的硅基光波导器件的制造方法，在形成用于端面耦合的深槽结构时，刻蚀工艺只需要切换一次，因而简化了刻蚀菜单，降低了刻蚀难度和对光刻胶厚度的要求。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种硅基光波导器件的制造方法。
背景技术
随着硅基光子芯片集成技术的不断发展，利用光子芯片实现如芯片与芯片间或者芯片内的短距离光通信越来越接近现实。绝缘体上硅(SOI，Silicon On Insulator)在光学上具有很好的特性，而且因为硅与二氧化硅或者空气具有非常大的折射率差，硅基光波导限制光场的能力非常强，所以硅基光波导可以被制作成非常小的尺寸。非常小尺寸的硅基光波导带来高器件集成度的同时，也带来了一个严重的问题—硅基光波导与光纤的耦合损耗非常大，如何实现光纤与波导的高效耦合是硅基光互连亟需解决的一个关键问题。
端面耦合比平面耦合更易实现高的耦合效率，器件的封装工艺也相对简单，是硅基光波导器件常用的一种耦合方法。采用端面耦合的硅基光波导器件，需要在耦合区域设置深槽结构。图1至图5是采用传统方法形成所述深槽结构的制作过程的结构示意图，即在其他器件制作完毕后，依次对位于端面耦合区域的上包层14、顶硅层13、埋氧层12以及硅衬底11进行刻蚀。由于形成所述深槽结构需要连续进行四次刻蚀，刻蚀工艺需要切换三次，因而该方法对于干法刻蚀菜单和光刻胶厚度具有严苛的要求。
发明内容
本发明所要解决的是采用传统方法形成用于端面耦合的深槽结构对干法刻蚀菜单和光刻胶厚度具有严苛要求的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种硅基光波导器件的制造方法，包括：
形成SOI衬底，所述SOI衬底包括至下而上依次层叠设置的硅衬底、埋氧层以及顶硅层；
对所述顶硅层进行刻蚀，形成波导结构和第一凹槽，所述第一凹槽的深度与所述顶硅层的厚度相同；
在所述波导结构的上表面和所述埋氧层的上表面形成上包层，所述上包层的材料和所述埋氧层的材料相同；
对所述上包层和所述埋氧层进行刻蚀，形成第二凹槽，所述第二凹槽的深度为所述上包层的厚度、所述顶硅层的厚度以及所述埋氧层的厚度之和，且所述第二凹槽的水平投影落入所述第一凹槽的水平投影内；
对所述硅衬底进行刻蚀，形成第三凹槽，所述第三凹槽的深度小于所述硅衬底的厚度，且所述第三凹槽的水平投影与所述第二凹槽的水平投影重合。
可选的，所述形成SOI衬底包括：
提供第一衬底；
向所述第一衬底注入氧离子。
可选的，所述形成SOI衬底包括：
提供第二衬底，并在所述第二衬底上形成第一氧化层；
提供第三衬底，并在所述第三衬底上形成第二氧化层；
连接所述第一氧化层和所述第二氧化层。
可选的，所述对所述顶硅层进行刻蚀包括：
采用干法刻蚀工艺对所述顶硅层进行刻蚀。
可选的，所述在所述波导结构的上表面和所述埋氧层的上表面形成上包层包括：
采用高温氧化气相沉积工艺在所述波导结构的上表面和所述埋氧层的上表面形成所述上包层。
可选的，所述对所述上包层进行刻蚀包括：
采用干法刻蚀工艺对所述上包层进行刻蚀。
可选的，所述对所述硅衬底进行刻蚀包括：
采用干法刻蚀工艺对所述硅衬底进行刻蚀，所述第三凹槽的深度为60微米至140微米。
可选的，所述埋氧层的材料为二氧化硅，所述埋氧层的厚度为2微米至3微米。
可选的，所述顶硅层的厚度为200纳米至240纳米。
可选的，所述上包层的材料为二氧化硅，所述上包层的厚度为1微米至4微米。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明提供的硅基光波导器件的制造方法，在对顶硅层进行刻蚀形成波导结构时，同时去除端面耦合区域的顶硅层形成第一凹槽，在端面耦合区域形成用于端面耦合的深槽结构时，刻蚀膜层变为氧化层和硅衬底，刻蚀工艺只需要切换一次，因而简化了刻蚀菜单，降低了刻蚀难度和对光刻胶厚度的要求。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1至图5是采用传统方法形成用于端面耦合的深槽结构的制作过程的结构示意图；
图6至图10是本发明实施例的硅基光波导器件的制作过程的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
本实施例提供一种硅基光波导器件的制造方法，所述硅基光波导器件的制造方法包括下列步骤：
形成SOI衬底，所述SOI衬底包括至下而上依次层叠设置的硅衬底、埋氧层以及顶硅层；
对所述顶硅层进行刻蚀，形成波导结构和第一凹槽，所述第一凹槽的深度与所述顶硅层的厚度相同；
在所述波导结构的上表面和所述埋氧层的上表面形成上包层，所述上包层的材料和所述埋氧层的材料相同；
对所述上包层和所述埋氧层进行刻蚀，形成第二凹槽，所述第二凹槽的深度为所述上包层的厚度、所述顶硅层的厚度以及所述埋氧层的厚度之和，且所述第二凹槽的水平投影落入所述第一凹槽的水平投影内；
对所述硅衬底进行刻蚀，形成第三凹槽，所述第三凹槽的深度小于所述硅衬底的厚度，且所述第三凹槽的水平投影与所述第二凹槽的水平投影重合。
如图6所示，形成所述SOI(绝缘体上硅，Silicon On Insulator)衬底，所述SOI衬底包括至下而上依次层叠设置的硅衬底21、埋氧层22以及顶硅层23。形成所述SOI衬底可以有多种方法，在一种可选实现方式中，可以采用注氧隔离技术(SIMOX)形成所述SOI衬底，即：提供第一衬底；向所述第一衬底注入氧离子。通过向所述第一衬底中注入氧离子，形成所述埋氧层22，所述埋氧层22将所述第一衬底分隔成上下两部分，位于所述埋氧层22下方的部分为所述硅衬底21，位于所述埋氧层22上方的部分为所述顶硅层23。在具体的实施方式中，通过高能量、大剂量注氧在硅中形成所述埋氧层22，所述氧离子的剂量可以为3×1017～2×1018cm-2；能量可以在200kev左右。在另一种可选实现方式中，可以采用键合减薄技术(BE)形成所述SOI衬底，即：提供第二衬底，并在所述第二衬底上形成第一氧化层；提供第三衬底，并在所述第三衬底上形成第二氧化层；采用键合的方式连接所述第一氧化层和所述第二氧化层。所述第一氧化层和所述第二氧化层连接后作为所述埋氧层22，所述第二衬底作为所述硅衬底21，所述第三衬底作为所述顶硅层23。在本实施例中，所述埋氧层22的材料为二氧化硅，所述埋氧层22的厚度为2微米至3微米，所述顶硅层的厚度为200纳米至240纳米。
如图7所示，可以采用干法刻蚀工艺对所述顶硅层23进行刻蚀，获得所述波导结构(图7未示出)和所述第一凹槽24。所述干法刻蚀工艺可以为反应离子刻蚀工艺，也可以为等离子刻蚀工艺。具体地，在所述顶硅层23的上表面形成光刻胶层或者采用掩膜版，对需要形成所述波导结构的部分进行保护，对未进行保护的所述顶硅层23的其他区域进行刻蚀，最后去除光刻胶或移开掩膜版，即形成所述波导结构和所述第一凹槽24。所述波导结构并非本发明的改进点，其具体形状可根据实际需求进行设置。对所述顶硅层23进行刻蚀形成所述第一凹槽24，即对位于端面耦合区域的所述顶硅层23进行刻蚀，直至暴露出所述埋氧层22，因而所述第一凹槽24的深度与所述顶硅层23的厚度相同，即所述第一凹槽24的深度与所述顶硅层23的厚度匹配。
如图8所示，可以通过等离子体增强化学气相沉积工艺在所述波导结构的上表面和所述埋氧层22暴露出的上表面形成上包层25。考虑到采用等离子体增强化学气相沉积工艺获得的所述上包层25离子损伤大，致密性欠缺，对波导造成的传输损耗大，在本实施例中，可以采用高温氧化(high-temperature oxidation)气相沉积工艺在所述波导结构的上表面和所述埋氧层22暴露出的上表面形成上包层25。作为一具体实施例，所述高温氧化气相沉积工艺的温度可以为800至1000度，反应式：SiH2Cl2+2N2O→SiO2+2N2+2HCl。所述上包层25的材料与所述埋氧层22的材料相同，可以为二氧化硅，所述上包层25的厚度可以为1微米至4微米。由于采用高温氧化工艺沉积的所述上包层25更为致密，更有利于波导的传输，因而可以显著降低波导的传输损耗。
如图9所示，可以采用干法刻蚀工艺对所述上包层25和所述埋氧层22进行刻蚀，形成所述第二凹槽26。所述干法刻蚀工艺可以为反应离子刻蚀工艺，也可以为等离子刻蚀工艺。具体地，在所述上包层25的上表面形成光刻胶层或者采用掩膜版，对不需要形成所述第二凹槽26的部分进行保护，对未进行保护的所述上包层25进行刻蚀，最后去除光刻胶或移开掩膜版，即形成所述第二凹槽26。由于所述上包层25和所述埋氧层22的材料相同，因而在对所述上包层25和所述埋氧层22进行刻蚀形成所述第二凹槽26时，可以直接刻蚀直至暴露出所述硅衬底21，即所述第二凹槽26的深度与所述上包层25的厚度、所述顶硅层23的厚度以及所述埋氧层22的厚度之和匹配。
如图10所示，可以采用干法刻蚀工艺对所述硅衬底21进行刻蚀形成所述第三凹槽27。所述干法刻蚀工艺可以为反应离子刻蚀工艺，也可以为等离子刻蚀工艺。具体地，在所述上包层25的上表面形成光刻胶层或者采用掩膜版，对暴露出的所述硅衬底21进行刻蚀，最后去除光刻胶或移开掩膜版，即形成所述第三凹槽27。在本实施例中，所述第三凹槽27的深度为60微米至140微米。
需要说明的是，本实施例的上述制作过程中，为包括所述波导结构的硅基光波导器件的制作过程，当该硅基光波导器件集成在光电子集成芯片中时，上述制作过程只是集成芯片的部分制作工艺，该部分制作工艺与其它器件的制作过程不冲突。
本实施例提供的硅基光波导器件的制造方法，在对所述顶硅层23进行刻蚀形成所述波导结构时，同时去除位于端面耦合区域的所述顶硅层23形成所述第一凹槽24，在端面耦合区域形成用于端面耦合的深槽结构时，刻蚀膜层变为氧化层和硅衬底，刻蚀工艺只需要切换一次，因而简化了刻蚀菜单，降低了刻蚀难度和对光刻胶厚度的要求。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种硅基光波导器件的制造方法，其特征在于，包括：
形成SOI衬底，所述SOI衬底包括至下而上依次层叠设置的硅衬底、埋氧层以及顶硅层；
对所述顶硅层进行刻蚀，形成波导结构和第一凹槽，所述第一凹槽的深度与所述顶硅层的厚度相同；
在所述波导结构的上表面和所述埋氧层的上表面形成上包层，所述上包层的材料和所述埋氧层的材料相同；
对所述上包层和所述埋氧层进行刻蚀，形成第二凹槽，所述第二凹槽的深度为所述上包层的厚度、所述顶硅层的厚度以及所述埋氧层的厚度之和，且所述第二凹槽的水平投影落入所述第一凹槽的水平投影内；
对所述硅衬底进行刻蚀，形成第三凹槽，所述第三凹槽的深度小于所述硅衬底的厚度，且所述第三凹槽的水平投影与所述第二凹槽的水平投影重合。
2.根据权利要求1所述的硅基光波导器件的制造方法，其特征在于，所述形成SOI衬底包括：
提供第一衬底；
向所述第一衬底注入氧离子。
3.根据权利要求1所述的硅基光波导器件的制造方法，其特征在于，所述形成SOI衬底包括：
提供第一衬底，并在所述第一衬底上形成第一氧化层；
提供第二衬底，并在所述第二衬底上形成第二氧化层；
连接所述第一氧化层和所述第二氧化层。
4.根据权利要求1所述的硅基光波导器件的制造方法，其特征在于，所述对所述顶硅层进行刻蚀包括：
采用干法刻蚀工艺对所述顶硅层进行刻蚀。
5.根据权利要求1所述的硅基光波导器件的制造方法，其特征在于，所述在所述波导结构的上表面和所述埋氧层的上表面形成上包层包括：
采用高温氧化气相沉积工艺在所述波导结构的上表面和所述埋氧层的上表面形成所述上包层。
6.根据权利要求1所述的硅基光波导器件的制造方法，其特征在于，所述对所述上包层和所述埋氧层进行刻蚀包括：
采用干法刻蚀工艺对所述上包层和所述埋氧层进行刻蚀。
7.根据权利要求1所述的硅基光波导器件的制造方法，其特征在于，所述对所述硅衬底进行刻蚀包括：
采用干法刻蚀工艺对所述硅衬底进行刻蚀，所述第三凹槽的深度为60微米至140微米。
8.根据权利要求1所述的硅基光波导器件的制造方法，其特征在于，所述埋氧层的材料为二氧化硅，所述埋氧层的厚度为2微米至3微米。
9.根据权利要求1所述的硅基光波导器件的制造方法，其特征在于，所述顶硅层的厚度为200纳米至240纳米。
10.根据权利要求1所述的硅基光波导器件的制造方法，其特征在于，所述上包层的材料为二氧化硅，所述上包层的厚度为1微米至4微米。
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