CN112285827B - 一种多层硅光子器件的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多层硅光子器件的制备方法。多层硅光子器件的制备方法：步骤a：提供第一SOI片，在顶层硅上形成有源器件，然后沉积第一层间介质；步骤b：将第二SOI片键合在第一层间介质上，使第二SOI片的顶层硅与第一层间介质贴合，刻蚀去除第二SOI片的背衬底和埋氧化层，然后形成有源器件，再沉积第二层间介质；步骤c：重复步骤b，直至形成N层堆叠结构；步骤d：可选择性地进行后加工处理，形成多层硅光子器件。本发明采用键合的方法将SOI片的顶层单晶硅键合至硅光SOI器件片，键合完成后利用单晶硅的优势制备有源和低损耗无源器件，此方法可以多次键合制备多层低损耗硅基无源有源器件。

Description

一种多层硅光子器件的制备方法

技术领域

本发明涉及半导体生产工艺领域，特别涉及一种多层硅光子器件的制备方法。

背景技术

目前硅基光子器件通常是基于SOI衬底的顶层硅制作。SOI是硅晶体管结构在绝缘体之上的意思，原理就是在硅晶体管之间(即顶层硅和背衬底之间)加入绝缘体物质(埋氧化层，BOX)，可使两者之间的寄生电容比原来的少上一倍。优点是可以较易提升时脉，并减少电流漏电成为省电的IC。对于多层硅光子器件，需要在基础SOI上沉积多层膜，以形成多层器件结构。传统的方法是：SOI顶层硅以上的层次主要通过以下两种方式实现：以CVD方法沉积氮化硅或者氮氧化硅的方法制作，而这两种材料只能制备无源器件；或者，以CVD方法沉积多晶或者非晶硅，虽然可以制备有源器件，但是作为无源波导的损耗又太高。

为此，特提出本发明。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种多层硅光子器件的制备方法，该方法采用键合的方法将SOI片的顶层单晶硅键合至硅光SOI器件片，键合完成后利用单晶硅的优势制备有源和低损耗无源器件，此方法可以多次键合制备多层低损耗硅基无源有源器件。

为了实现以上目的，本发明提供了以下方案。

一种多层硅光子器件的制备方法，所述多层硅光子器件包括多个形成有有源器件的硅层，其制备方法为：

步骤a：提供一个第一SOI片，在所述第一SOI片的顶层硅上形成第一有源器件，然后沉积第一层间介质；

步骤b：将第二SOI片键合在所述第一层间介质上，使所述第二SOI片的顶层硅与所述第一层间介质贴合，刻蚀去除所述第二SOI片的背衬底和埋氧化层，然后形成第二有源器件，再沉积第二层间介质；

步骤c：重复步骤b，直至形成N层堆叠结构；

步骤d：可选择性地进行后加工处理，形成多层硅光子器件；

其中，所述N为大于等于3的整数。

本发明按照由下至上的顺序，先在基础SOI片上制作第一层有源器件，然后以层间介质为间隔，不断重复“键合SOI片、刻蚀背衬底和埋氧化层、形成有源器件、间隔介质”的步骤，从而将制作出多层有源器件层。在制作过程中，由于SOI片的顶层硅均为单晶硅，所以所有有源器件均在单晶硅上形成，波导损耗低，同时也可以在该单晶硅层上制作无源器件。另外，由于单晶硅具有更规则均匀的形貌，因此制作出的器件性能稳定性高。

因此，本发明的键合工艺用于替代现有的沉积工艺具有很大优势。

本发明所述的多层硅光子器件包括但不限于波导器件、耦合器、调制器或探测器等硅光子集成类型的半导体器件。

与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：

(1)解决现有多层硅光子器件制作工艺中波导低损耗和制作无源器件无法兼顾的问题。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1为传统单层SOI光子器件的结构示意图；

图2为本发明形成第一层有源器件的结构示意图；

图3为在图2上沉积层间介质后的形貌图；

图4为在图3上键合SOI片后的形貌图；

图5为将图4所示的结构进行抛光处理后的形貌图；

图6为刻蚀图5的硅背衬后的形貌图；

图7为刻蚀图6的BOX层后的形貌图；

图8为在图7的结构上制作有源器件后的形貌图；

图9为在图8的顶层沉积层间介质后的形貌图；

图10为在图9上键合SOI片后的形貌图；

图11为将图10所示的结构进行抛光处理后的形貌图；

图12为刻蚀图11的硅背衬后的形貌图；

图13为刻蚀图12的BOX层后的形貌图；

图14为在图13的结构上制作有源器件后的形貌图；

图15为在图14的顶层沉积上包层后的形貌图；

图16为在图15所述的结构上开孔后的形貌图；

图17为填充图16中孔的形貌图；

图18为将图17所示的结构进行抛光处理后的形貌图；

图19为在图18所示结构上沉积金属膜后的形貌图；

图20为在图19结构上沉积钝化层后的形貌图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。

传统单层SOI光子器件是在SOI片上制作一层有源器件及无源器件，结构如图1所示，其采用的SOI结构包括硅背衬底101、埋氧化层(BOX层)102和顶层单晶硅103，有源器件104及无源器件制作在顶层单晶硅103上。

随着半导体器件的微型化和集成化发展，图1所示的单层光子器件已无法满足要求，而是需要集成度高的多层光子器件，然而现有技术在SOI沉积多晶硅或非晶硅的工艺存在波导损耗低的问题，为此，本发明提出以下“键合”的方式形成多层有源器件的硅层。

第一步：提供一个SOI片，在所述SOI片的顶层硅上形成有源器件，然后沉积第一层间介质；

第二步：将另一个SOI片键合在所述第一层间介质上，使所述另一个SOI片的顶层硅与所述第一层间介质贴合，刻蚀去除所述另一个SOI片的背衬底和埋氧化层，然后形成有源器件，再沉积第二层间介质；

第三步：重复步骤第二步，直至形成所有所述多个形成有有源器件的硅层；

第四步：可选择性地进行后加工处理，形成多层硅光子器件。

以上方法中，对所用的SOI片中背衬底和埋氧化层没有特殊要求，根据产品类型可任意选择，但顶层为单晶硅。每两层有源器件之间的层间介质可以相同或不同，可任选二氧化硅、硼磷硅玻璃、磷硅酸盐玻璃、高分子材料、氮化硅、气凝胶、低介电常数膜等。

第二步中，键合的方式通常根据层间结合的力度、成本等因素而定，在一些优选的实施方式中，键合的条件为：在300～350℃下键合后，进行退火处理。更优选的实施方式中，退火处理的条件为：N₂条件下，200-500℃退火1-8小时。

第二步中刻蚀背衬底和埋氧化层的方式是任意，例如以背衬底为硅的SOI为例，可采用离子铣刻蚀、等离子刻蚀、反应离子刻蚀等干法刻蚀，或者采用湿法刻蚀，可选用的刻蚀剂有醋酸、硝酸、氢氟酸、强碱等。其中，以干法刻蚀为佳。在刻蚀之前还可进行化学机械抛光(CMP)处理，以便刻蚀后的膜一致性更好。

若埋氧层为二氧化硅时，可以用HF、NH₄F、与水按一定比例配成的缓冲溶液刻蚀。

第二步的重复次数依据器件中有源器件硅层的层数而定，例如，若器件中包含n层有源器件，则通常第二步一共进行n-1次。

第四步所述的后加工处理根据器件类型而定，以DRAM为例，包括：依次开孔、填充孔、沉积金属层、钝化层。

在一些实施方式中，所用的SOI片中的顶层硅的厚度均为220nm。

在一些实施方式中，所用的SOI片中埋氧化层的厚度均为3μm。

本发明还提供了一个优选的实施例，即DRAM中有源器件的制作工艺，流程如下。

形成第一层有源器件：在第一个SOI片的顶层硅上形成有源器件结构，形貌如图2所示；

形成层间介质：在图2的顶层沉积层间介质2，同时CMP处理，形貌如图3所示；

键合第一片SOI片：在图3的顶层层间介质2上键合SOI片3(键合温度350℃)，使单晶硅贴合在图3所示结构的表面，同时进行退火处理，得到的结构如图4所示；

抛光：将图4所示的结构进行抛光处理，得到如图5所示的结构；

干法刻蚀硅背衬：刻蚀上一步键合的SOI片的硅背衬4，得到如图6所示的结构；

湿法刻蚀BOX：刻蚀上一步键合的SOI片的BOX层5，得到如图7所示的结构；

形成第二层有源器件：在图7的结构上制作有源器件，得到如图8所示的结构；

形成层间介质：在图8的顶层沉积层间介质2，同时CMP处理，形貌如图9所示；

键合第二片SOI片：在图9的顶层键合SOI片(键合温度350℃)，使单晶硅贴合在图8所示结构的表面，同时进行退火处理，得到的结构如图10所示；

抛光：将图10所示的结构进行抛光处理，得到如图11所示的结构；

干法刻蚀硅背衬：刻蚀上一步键合的SOI片的硅背衬4，得到如图12所示的结构；

湿法刻蚀BOX：刻蚀上一步键合的SOI片的BOX层5，得到如图13所示的结构；

形成第二层有源器件：在图13的结构上制作有源器件，得到如图14所示的结构；

形成上包层：在图14的顶层沉积上包层6，其材质可与上文的层间介质相同，再CMP处理，形貌如图15所示；

开孔：在图15所述的结构上开孔7，得到的形貌如图16所示；

填充孔：根据器件要求填充图16结构中的孔7，例如填充多晶硅等，得到如图17所示的形貌；

孔抛光处理：进行抛光处理，得到如图18所示的形貌；

沉积金属膜：在开孔处沉积8，结构如图19所示；

沉积钝化层9，结构如图20所示。

上述有源器件的形成中包含N掺杂、P掺杂等常见的工序。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (8)

1.一种多层硅光子器件的制备方法，其特征在于，所述多层硅光子器件包括多个形成有有源器件的硅层，其制备方法为：

步骤a：提供一个第一SOI片，在所述第一SOI片的顶层硅上形成第一有源器件，然后沉积第一层间介质；

步骤b：将第二SOI片键合在所述第一层间介质上，使所述第二SOI片的顶层硅与所述第一层间介质贴合，刻蚀去除所述第二SOI片的背衬底和埋氧化层，然后形成第二有源器件，再沉积第二层间介质；所述键合的条件为：在300～350℃下键合后，进行退火处理；

步骤c：重复步骤b，直至形成N层堆叠结构；

步骤d：可选择性地进行后加工处理，形成多层硅光子器件；

其中，所述N为大于等于3的整数。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b中，刻蚀去除背衬底的方法为：干法刻蚀，并且干法刻蚀之前任选地进行化学机械抛光处理。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b中，刻蚀去除埋氧化层的方法为：湿法刻蚀。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述后加工处理包括：

依次开孔、填充孔。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在所述孔填充之后还包括：依次沉积金属层、钝化层。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一SOI片和所述第二SOI片中的顶层硅的厚度均为220nm。

7.根据权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于，所述第一SOI片和所述第二SOI片中的埋氧化层的厚度均为3μm。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述多层硅光子器件为波导器件、耦合器、调制器或探测器。

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