CN111522094A - 一种box形氮化硅波导及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种BOX形氮化硅波导及其制备方法，属于光学材料技术领域，该方法包括：在半导体衬底上依次形成第一包覆层、第一牺牲层以及第二牺牲层；刻蚀第一牺牲层和第二牺牲层，去除第二牺牲层，形成条形槽；生长氮化硅材料，一部分生长在条形槽内，一部分覆盖在第一牺牲层上，表面平坦化，形成BOX氮化硅槽；生长第二包覆层，一部分填充满BOX氮化硅槽，一部分覆盖在第一牺牲层上，表面平坦化，形成光滑表面；生长氮化硅材料，覆盖光滑表面；刻蚀BOX氮化硅槽外的氮化硅材料，形成BOX氮化硅波导，刻蚀第一牺牲层；在第一包覆层和BOX氮化硅波导上生长第三包覆层，解决了传统工艺直接刻蚀介质材料SiO2垂直度不高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光学材料技术领域，特别是涉及一种BOX形氮化硅波导及其制备方法。
背景技术
光波导(Optical Waveguide)是引导光波在其中传播的介质装置，又称介质光波导。介质波导是集成光学系统及其元件的基本结构单元。介质波导主要起限制、传输、耦合光波的作用。介质波导按截面形状可分圆柱波导(光纤)、薄膜(平面)波导、矩形(条形)波导和脊形波导四大类。集成光学中常用的是薄膜波导和矩形波导(BOX波导)。用于形成光波导的材料种类很多，氮化硅就是目前常用的一种制作光波导材料。
目前，BOX波导生长制备方法主要有PECVD(等离子体增强化学的气相沉积法)和LPCVD(低压化学气相沉积)等。采用PECVD方法制备的氮化硅波导应力低，能够制备较厚的波导，但由于生长温度较低，杂质含量较高。而用LPCVD制备的波导通常均匀性更好，但残余应力很高，当厚度超过300纳米时，会出现龟裂脱落现象。现有生产工艺中，通常采用多次沉积或者干法刻蚀工艺在二氧化硅包裹层中开槽，然后在槽中填充氮化硅的方式获得BOX氮化硅光波导。但是在二氧化硅上直接挖槽得到的侧壁不够陡直，垂直度不高，底部和侧面不够平整，而且大多通过RIE刻蚀技术控制沟槽深度，对槽的宽度有要求。此外，当需要改变氮化硅光波导厚度时，需要重新调整生产制备工艺，花费的时间较多，非常的不方便。
发明内容
本发明的目的是提供一种BOX形氮化硅波导及其制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，该方法采用光刻/刻蚀αSi层形成BOX波导生长槽，使得BOX生长槽侧壁倾角达到86-88°，同时改善了氮化硅波导光滑程度，降低了同种介质层内采用RIE刻蚀技术控制沟槽深度的难度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种BOX形氮化硅波导的制备方法，包括：
在半导体衬底上依次形成第一包覆层、第一牺牲层以及第二牺牲层；
刻蚀所述第一牺牲层和所述第二牺牲层，去除第二牺牲层，形成条形槽；
生长氮化硅材料，一部分生长在所述条形槽内，一部分覆盖在所述第一牺牲层上，然后进行表面平坦化，形成BOX氮化硅槽；
生长第二包覆层，一部分填充满所述BOX氮化硅槽，一部分覆盖在所述第一牺牲层上，然后进行表面平坦化，形成光滑表面；
生长氮化硅材料，覆盖所述光滑表面；
刻蚀BOX氮化硅槽外的氮化硅材料，形成BOX氮化硅波导，然后刻蚀第一牺牲层；
在所述第一包覆层和所述BOX氮化硅波导上生长第三包覆层。
进一步地，所述半导体衬底为硅衬底。
进一步地，所述第一包覆层的厚度为2-3μm。
进一步地，所述第一牺牲层为αSi，所述第二牺牲层为光刻胶。
进一步地，所述第一牺牲层的厚度为100nm-2μm，所述第二牺牲层的厚度为3-5μm。
进一步地，所述第一包覆层、所述第二包覆层和所述第三包覆层包括二氧化硅。
进一步地，所述第三包覆层的厚度为4-10μm。
进一步地，形成条形槽后，所述条形槽通过氢退火和热氧化处理工艺。
进一步地，所述生长的方法包括物理气相沉积和化学气相沉积；所述刻蚀包括光刻、离子束刻蚀、湿法腐蚀刻蚀；所述表面平坦化采用化学机械平坦化工艺。
本发明还提供一种BOX形氮化硅波导，包括：
位于半导体衬底上的第一包覆层；
和位于所述第一包覆层之上的BOX氮化硅波导；和位于所述BOX氮化硅波导内部的第二包覆层；
和位于所述第一包覆层之上和包覆所述BOX氮化硅波导的第三包覆层；
所述第一包覆层、所述第二包覆层和所述第三包覆层包括二氧化硅；
所述半导体衬底为硅衬底；
所述第一包覆层的厚度为100nm-2μm；所述第三包覆层的厚度为4-10μm。
本发明公开了以下技术效果：
光刻/刻蚀αSi层形成BOX波导生长槽，解决了传统工艺直接刻蚀介质材料SiO2垂直度不高的问题，使得BOX生长槽侧壁倾角达到86～88°。
αSi的BOX波导生长槽通过氢退火和热氧化处理工艺降低波导侧壁表面粗糙度，最终可以大幅度改善氮化硅波导光滑程度，从而降低侧壁散射损耗。
通过生长的αSi层厚度确定沟槽深度，降低了同种介质层内采用RIE刻蚀技术控制沟槽深度的难度。
αSi的生长槽制备BOX波导仅需两次氮化硅材料的生长和两次光刻，较传统氮化硅BOX波导的氮化硅的生长和4～5次光刻刻蚀次数，减少了工艺环节，节约了生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明BOX形氮化硅波导结构示意图；其中，1-半导体衬底，2-第一包覆层，3-BOX氮化硅波导，4-第二包覆层，5-第三包覆层；
附图2-14为本发明的制备方法中一系列制程对应的剖面结构示意图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
技术用语说明：
热氧工艺，硅热氧化工艺，是硅平面技术中一项重要的工艺。硅(Si)与含有氧化物质的气体，例如水汽和氧气在高温下进行化学反应，而在硅片表面产生一层致密的二氧化硅(SiO2)薄膜。用热氧化装置将硅片置于用石英玻璃制成的反应管中，反应管用电阻丝加热炉加热一定温度(常用的温度为900～1200℃，在特殊条件下可降到600℃以下)，氧气或水汽通过反应管(典型的气流速度为1厘米/秒)时，在硅片表面发生化学反应：
Si(固态)+O2(气态)→SiO2(固态)(干氧氧化)；
或
Si(固态)+2H2O(汽态)→SiO2(固态)+2H2(气态)(水汽氧化)；
生成SiO2层，其厚度一般在几十埃到上万埃之间。
本发明采用的热氧工艺优选为高压氧化，氧化气氛为标准大气压，更氧化温度为1100℃。本发明的热氧工艺可以减少氧化过程的诱生缺陷、应力和杂质再分布效应。本发明采用的高压热氧化工艺具体操作步骤为本领域技术人员普遍得知的常规手段，且并非本发明的发明要点，在此不做赘述。
LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)，低压力化学气相沉积法，是在较低反应压力下进行的化学气相沉积，其特点为：膜的质量和均匀性好，产量高，成本低，易于实现自动化，LPCVD沉积氮化硅薄膜制作波导时波芯材料时，衬底温度高，从而可以提供破坏N-H键的动能，最终形成含氢量较低的薄膜，减少氢键扰动而造成的吸收损耗。本发明在LPCVD的沉积系统中，使用纯度99.99％的氨气和纯度高于99.99％的硅烷作为反应气体，以8英寸p型单晶硅为衬底沉积Si3N4薄膜，衬底温度为800℃。硅烷和氨气的流量比为1:50，反应腔内的压强维持在275Torr(1Torr＝1.33×102Pa)。本发明PECVD沉积采用的较低存底温度为300℃，该工艺沉积的αSi薄膜材料颗粒均匀细致，表面平整光滑。LPCVD的大致工艺流程为：装片-对反应室抽真空-充N2吹扫-再抽真空-沉积-关闭所有气流，重新抽真空-回冲N2到常压-出炉。具体的工艺过程为本领域技术人员普遍得知的常规技术手段，其并非本发明的发明要点，在此不做赘述。
离子束刻蚀，也称为离子铣，是指当定向高能离子向固体靶撞击时,能量从入射离子转移到固体表面原子上，如果固体表面原子间结合能低于入射离子能量时，固体表面原子就会被移开或从表面上被除掉。通常离子束刻蚀所用的离子来自惰性气体。利用惰性气体离子(如氩离子)在固体表面产生的物理溅射作用来进行刻蚀。这种刻蚀方向性好，刻蚀精度高，可刻蚀任何材料，包括化学活性很差的材料。但是离子刻蚀的选择性差，因为刻蚀速率主要取决于被刻蚀材料的溅射率，所以对基片材料和对掩模材料的刻蚀速率一般相差不大。正是由于离子束刻蚀的选择性差，本发明采用离子束刻蚀Si3N4/αSi/Si3N4三层不同的结构，从而形成侧壁垂直的Si3N4/αSi/Si3N4双条形波导结构。
光刻是平面型晶体管和集成电路生产中的一个主要工艺，是对半导体晶片表面的掩蔽物(如二氧化硅)进行开孔，以便进行杂质的定域扩散的一种加工技术。一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。其每一步骤的具体工艺均为本领域公知技术，且并非本发明的发明要点，在此不做赘述。
湿法腐蚀化学反应属于液相(溶液)与固相(薄膜)的反应。当湿蚀刻进行动作的时候，首先，溶液里的反应物将利用扩散效应来通过一层厚度相当薄的边界层，以达到被蚀刻薄膜的表面。然后，这些反应物将于薄膜表面的分子产生化学反应，并生成各种生成物。这些位于薄膜表面的生成物，也将利用扩散效应而通过边界层到溶液里，而后随着溶液被排出。本发明的湿法腐蚀采用各向异性腐蚀剂，优选的，利用碱性腐蚀液氢氧化钾进行腐蚀，具有较高的机械灵敏度。
实施例1
如图1所示，一种BOX形氮化硅波导，包括：
位于半导体衬底1上的第一包覆层2；
和位于所述第一包覆层2之上的BOX氮化硅波导3；和位于所述BOX氮化硅波导3内部的第二包覆层4；
和位于所述第一包覆层2之上和包覆所述BOX氮化硅波导3的第三包覆层5；
所述第一包覆层2、所述第二包覆层4和所述第三包覆层5包括二氧化硅；
所述半导体衬底1为硅衬底；
所述第一包覆层2的厚度为3μm；所述第三包覆层5的厚度为7μm。
本实施例的BOX形氮化硅波导的制备方法，包括以下步骤：
S1.如图2-4所示，在硅衬底上采用热氧生长3μm厚的SiO2厚膜，再在SiO2厚膜上采用LPCVD法生长500nm后的αSi层，再在αSi层上制备4μm的光刻胶；
作为具体示例，本步骤中具体采用高压氧化，氧化气氛为标准大气压，氧化温度为1100℃，热氧化时间为48h；SiO2厚膜厚度受压力、氧化温度以及热氧化时间的多重影响，在此条件下，其生成的SiO2厚膜厚度为3μm；
作为具体示例，本步骤中本发明在LPCVD的沉积系统中，使用纯度99.99％的氨气和纯度高于99.99％的硅烷作为反应气体，以8英寸p型单晶硅为衬底沉积Si3N4薄膜，衬底温度为800℃。硅烷和氨气的流量比为1:50，反应腔内的压强维持在275Torr(1Torr＝1.33×102Pa)。
作为具体示例，本步骤中制备光刻胶采用旋涂法。
S2.如图5-6所示，采用光刻/离子束刻蚀αSi层和光刻胶，去除光刻胶，形成条形槽，由于刻蚀αSi垂直度接近90°，很好的解决了传统刻蚀SiO2工艺垂直度不高的问题；
通过氢退火和热氧化处理工艺降低αSi材料条形波导侧壁表面粗糙度，能有效降低光波导由于侧壁粗糙引起的传输损耗。
作为一种具体示例，本步骤中在Lam Rainbow 4550等离子刻蚀设备的优化好的CF4/CHF3基刻蚀菜单刻蚀出等离子刻蚀，保持上电极功率为160W，下电极功率为80W，压力为5mt，CHF3流量为45sccm，CF4流量为15sccm，Ar流量为15sccm，O2的流量为6sccm，菜单刻蚀速率为56nm/min，离子束刻蚀αSi层和光刻胶两层不同的结构，从而形成侧壁垂直的条形槽结构；
S3.如图7-8所示，采用LPCVD工艺生长氮化硅材料，一部分生长在所述条形槽内，一部分覆盖在所述αSi层上，然后进行表面平坦化，形成表面光滑的BOX氮化硅槽；
作为具体示例，本发明在LPCVD的沉积系统中，使用纯度99.99％的氨气和纯度高于99.99％的硅烷作为反应气体，沉积Si3N4薄膜，衬底温度为800℃。硅烷和氨气的流量比为1:50，反应腔内的压强维持在275Torr；
作为具体示例，本步骤中表明平坦化通过化学机械平坦化(CMP)工艺将波导上多余的氮化硅材料磨掉。
S4.如图9-10所示，采用LPCVD工艺生长SiO2，一部分填充满所述BOX氮化硅槽，一部分覆盖在所述αSi层上，然后进行表面平坦化，将BOX氮化硅槽外的氮化硅材料去除，形成侧壁斗直，表面光滑的氮化硅BOX形波导。
S5.如图11-13所示，通过LPCVD工艺生长氮化硅材料，覆盖上述表面光滑的氮化硅BOX形波导；
通过套刻光刻，刻蚀BOX氮化硅槽外的氮化硅材料，形成BOX氮化硅波导；
采用湿法腐蚀刻蚀技术将αSi层去除；
作为具体示例，本步骤的湿法腐蚀采用各向异性腐蚀剂，更具体的，利用稀释的三甲基氢氧化铵(dTMAH)的碱性腐蚀液进行腐蚀，其具有很高刻蚀选择比。
S6.如图14所示，在SiO2层和BOX氮化硅波导上外延7μmSiO2层，从而形成BOX形氮化硅波导。
实施例2
如图1所示，一种BOX形氮化硅波导，包括：
位于半导体衬底1上的第一包覆层2；
和位于所述第一包覆层2之上的BOX氮化硅波导3；和位于所述BOX氮化硅波导3内部的第二包覆层4；
和位于所述第一包覆层2之上和包覆所述BOX氮化硅波导3的第三包覆层5；
所述第一包覆层2、所述第二包覆层4和所述第三包覆层5包括二氧化硅；
所述半导体衬底1为硅衬底；
所述第一包覆层2的厚度为2μm；所述第三包覆层5的厚度为5μm。
本实施例的BOX形氮化硅波导的制备方法，包括以下步骤：
S1.如图2-4所示，在硅衬底上采用热氧生长2μm厚的SiO2厚膜，再在SiO2厚膜上采用LPCVD法生长1μm后的αSi层，再在ɑSi层上制备5μm的光刻胶；
作为具体示例，本步骤中具体采用高压氧化，氧化气氛为标准大气压，氧化温度为1100℃，热氧化时间为48h；SiO2厚膜厚度受压力、氧化温度以及热氧化时间的多重影响，在此条件下，其生成的SiO2厚膜厚度为2μm；
作为具体示例，本步骤中沉积αSi采用的气体为NH3+DCS(SiH2Cl2)，流量比例为4:3；这两种气体的反应生成的αSi质量高，副产物少，膜厚均匀性极佳，而且是气体源便于精确控制流量。本步骤使用的温度为300℃，压力为375mt，沉积时间为45min；
作为具体示例，本步骤中制备光刻胶采用旋涂法。
S2.如图5-6所示，采用光刻/离子束刻蚀αSi层和光刻胶，去除光刻胶，形成条形槽，由于刻蚀αSi垂直度接近90°，很好的解决了传统刻蚀SiO2工艺垂直度不高的问题；
通过氢退火和热氧化处理工艺降低αSi材料条形波导侧壁表面粗糙度，能有效降低光波导由于侧壁粗糙引起的传输损耗。
作为一种具体示例，本步骤中在Lam Rainbow 4550等离子刻蚀设备的优化好的CF4/CHF3基刻蚀菜单刻蚀出等离子刻蚀，保持上电极功率为160W，下电极功率为80W，压力为5mt，CHF3流量为45sccm，CF4流量为15sccm，Ar流量为15sccm，O2的流量为6sccm，菜单刻蚀速率为56nm/min，形成侧壁垂直的条形槽结构；
S3.如图7-8所示，采用LPCVD工艺生长氮化硅材料，一部分生长在所述条形槽内，一部分覆盖在所述αSi层上，然后进行表面平坦化，形成表面光滑的BOX氮化硅槽；
作为具体示例，本步骤中沉积Si3N4采用纯度99.99％的氨气和纯度高于99.99％的硅烷作为反应气体，沉积Si3N4薄膜，衬底温度为800℃。硅烷和氨气的流量比为1:50，反应腔内的压强维持在275Torr，沉积时间23min；
作为具体示例，本步骤中表明平坦化通过化学机械平坦化(CMP)工艺将波导上多余的氮化硅材料磨掉。
S4.如图9-10所示，采用LPCVD工艺生长SiO2，一部分填充满所述BOX氮化硅槽，一部分覆盖在所述αSi层上，然后进行表面平坦化，将BOX氮化硅槽外的氮化硅材料去除，形成侧壁斗直，表面光滑的氮化硅BOX形波导。
S5.如图11-13所示，通过LPCVD工艺生长氮化硅材料，覆盖上述表面光滑的氮化硅BOX形波导；
通过套刻光刻，刻蚀BOX氮化硅槽外的氮化硅材料，形成BOX氮化硅波导；
采用湿法腐蚀刻蚀技术将αSi层去除；
作为具体示例，本步骤的湿法腐蚀采用各向异性腐蚀剂，更具体的，利用稀释的三甲基氢氧化铵(dTMAH)的碱性腐蚀液进行腐蚀，其溶液对于目标材料和非目标材料腐蚀选择比高达1500:1，从上文所述的试验参数对于非目标材料的损失大致不到2nm。
S6.如图14所示，在SiO2层和BOX氮化硅波导上外延5μmSiO2层，从而形成BOX形氮化硅波导。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种BOX形氮化硅波导的制备方法，其特征在于，包括：
在半导体衬底上依次形成第一包覆层、第一牺牲层以及第二牺牲层；
刻蚀所述第一牺牲层和所述第二牺牲层，去除第二牺牲层，形成条形槽；
生长氮化硅材料，一部分生长在所述条形槽内，一部分覆盖在所述第一牺牲层上，然后进行表面平坦化，形成BOX氮化硅槽；
生长第二包覆层，一部分填充满所述BOX氮化硅槽，一部分覆盖在所述第一牺牲层上，然后进行表面平坦化，形成光滑表面；
生长氮化硅材料，覆盖所述光滑表面；
刻蚀BOX氮化硅槽外的氮化硅材料，形成BOX氮化硅波导，然后刻蚀第一牺牲层；
在所述第一包覆层和所述BOX氮化硅波导上生长第三包覆层。
2.根据权利要求1所述的BOX形氮化硅波导的制备方法，其特征在于，所述半导体衬底为硅衬底。
3.根据权利要求1所述的BOX形氮化硅波导的制备方法，其特征在于，所述第一包覆层的厚度为2-3μm。
4.根据权利要求1所述的BOX形氮化硅波导的制备方法，其特征在于，所述第一牺牲层为αSi，所述第二牺牲层为光刻胶。
5.根据权利要求1所述的BOX形氮化硅波导的制备方法，其特征在于，所述第一牺牲层的厚度为100nm-2μm，所述第二牺牲层的厚度为3-5μm。
6.根据权利要求1所述的BOX形氮化硅波导的制备方法，其特征在于，所述第一包覆层、所述第二包覆层和所述第三包覆层包括二氧化硅。
7.根据权利要求1所述的BOX形氮化硅波导的制备方法，其特征在于，所述第三包覆层的厚度为4-10μm。
8.根据权利要求1所述的BOX形氮化硅波导的制备方法，其特征在于，形成条形槽后，所述条形槽通过氢退火和热氧化处理工艺。
9.根据权利要求1所述的BOX形氮化硅波导的制备方法，其特征在于，所述生长的方法包括物理气相沉积和化学气相沉积；所述刻蚀包括光刻、离子束刻蚀、湿法腐蚀刻蚀；所述表面平坦化采用化学机械平坦化工艺。
10.一种BOX形氮化硅波导，其特征在于，包括：
位于半导体衬底上的第一包覆层；
和位于所述第一包覆层之上的BOX氮化硅波导；和位于所述BOX氮化硅波导内部的第二包覆层；
和位于所述第一包覆层之上和包覆所述BOX氮化硅波导的第三包覆层；
所述第一包覆层、所述第二包覆层和所述第三包覆层包括二氧化硅；
所述半导体衬底为硅衬底；
所述第一包覆层的厚度为100nm-2μm；所述第三包覆层的厚度为4-10μm。
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