CN112379479B - 一种硅基光收发器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种硅基光收发器件及其制备方法，所述方法包括：获取SOI晶圆；制备锗调制器，包括：在所述SOI晶圆上定义调制器区域；在所述调制器区域形成第一锗材料层；通过光刻和刻蚀所述锗材料层形成第一锗波导；对所述调制器区域进行掺杂处理；在所述调制器区域形成第一电极和第二电极；制备锗探测器和硅光波导；在所述锗调制器、所述锗探测器和所述硅光波导的表面形成保护膜。本申请的硅基光收发器件及其制备方法，采用纯锗材料替代锗硅材料制作调制器，无需对锗硅材料中硅的成分严格控制，且只需要一步外延步骤，可以降低工艺成本。

Description

一种硅基光收发器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体领域和光电集成领域，特别涉及一种硅基光收发器件及其制备方法。
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标准CMOS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电功能的器件，如集成光收发器件(transceiver)：包括硅光波导(WG，waveguide)、探测器(PD，photodetector)、调制器(modulator)等元器件组成。现有集成收发器的技术方案是在SOI(siliconon insulator)硅光波导的工艺基础上，用锗外延和相关工艺制作探测器，用锗硅外延和相关工艺制作调制器，然而，其集成工艺包括分别的锗和锗硅两步外延步骤，且制作调制器的锗硅材料需要严格控制硅的成分，工艺复杂，且成本较高。
发明内容
本申请的目的是提供一种硅基光收发器件及其制备方法，采用纯锗材料替代锗硅材料制作调制器，无需对锗硅材料中硅的成分严格控制，且只需要一步外延步骤，可以降低工艺成本。
为实现上述目的及其他相关目的，本申请提供了一种硅基光收发器件的制备方法，包括如下步骤：
获取SOI晶圆；
制备锗调制器，包括：在所述SOI晶圆上定义调制器区域；
在所述调制器区域形成第一锗材料层；
通过光刻和刻蚀所述锗材料层形成第一锗波导；
对所述调制器区域进行掺杂处理；
在所述调制器区域形成第一电极和第二电极；
制备锗探测器和硅光波导；
在所述锗调制器、所述锗探测器和所述硅光波导的表面形成保护膜。
可选地，所述制备锗调制器还包括：
在所述第一锗波导的输入端制备第一加热器。
可选地，所述第一加热器位于所述第一锗波导的上方或者侧面。
可选地，所述第一加热器靠近所述第一锗波导的输入端的第一端具有预设的第一加热功率；
所述第一加热器远离所述第一锗波导的输入端的第二端具有预设的第二加热功率，且所述第二加热功率小于所述第一加热功率。
可选地，所述制备锗探测器具体包括：
在所述SOI晶圆上定义探测器区域；
在所述探测器区域形成第二锗材料层；
通过光刻和刻蚀所述锗材料层形成第二锗波导；
对所述探测器区域进行掺杂处理；
在所述探测器区域形成第三电极和第四电极。
可选地，所述制备锗探测器还包括：
在所述第二锗波导的输入端制备第二加热器。
可选地，所述第二加热器位于所述第二锗波导的上方或者侧面。
可选地，所述保护膜包括第一电介质护层和第二电介质护层。
本申请还提供了一种硅基光收发器件，包括锗调制器、锗探测器和硅光波导；
所述硅光波导包括接收端硅光波导和发射端硅光波导；
所述锗调制器包括形成在SOI晶圆上的第一锗波导、第一电极和第二电极；
所述第一电极和所述第二电极分别设于所述第一锗波导的两侧；
所述第一锗波导与所述发射端硅光波导形成互连；
所述锗探测器与所述接收端硅光波导形成互连。
可选地，所述锗探测器包括形成在SOI晶圆上的第二锗波导、第三电极和第四电极；
所述第三电极和所述第四电极分别设于所述锗波导的两侧；
所述第二锗波导与所述接收端硅光波导形成互连。
可选地，所述硅光波导包括直线型波导和/或曲线型波导。
采用上述技术方案，本发明所述的硅基光收发器件及其制备方法具有如下有益效果：
本申请的硅基光收发器件及其制备方法，采用纯锗材料替代锗硅材料制作调制器，无需对锗硅材料中硅的成分严格控制，且只需要一步外延步骤，可以降低工艺成本；相比传统的锗硅材料的调制器，用锗材料制备的调制器插损降低，消光比提高；通过加热器加热锗探测器的输入端部分，可以有效提高锗探测器的响应率，同时采用非均匀加热可使锗探测器的功耗降到最低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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为本申请实施例一种可选的硅基光收发器件的结构示意图；
图2为本申请实施例一种可选的硅基光收发器件的制备方法的流程图；
图3为本申请实施例一种可选的SOI晶圆的结构示意图；
图4为锗外延工艺后各器件的截面图；
图5为制备波导后各器件的截面图；
图6为沉积第一电介质护层后各器件的截面图；
图7为沉积第二电介质护层后各器件的截面图；
图8为本申请实施例一种可选的锗调制器的俯视图；
图9为图8的D-D向剖面图；
图10为本申请实施例一种可选的锗调制器的截面图；
图11为本申请实施例一种可选的锗探测器的俯视图。
以下对附图作补充说明：
11-顶硅层；12-埋氧层；13-底硅层；1-锗调制器；101-第一锗材料层；102-第一锗波导；103-第一电极；104-第二电极；105-第一加热器；2-锗探测器；201-第二锗材料层；202-第二锗波导；203-第三电极；204-第四电极；205-第二加热器；3-硅光波导；301-接收端硅光波导；302-发射端硅光波导；4-第一电介质护层；5-第二电介质护层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
需要说明的是，本申请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。
请参见图1，图1是本申请实施例一种可选的硅基光收发器件的结构示意图，所述硅基光收发器件包括集成在一个SOI晶圆上的锗调制器1、锗探测器2和硅光波导，其中硅光波导包括接收端硅光波导301和发射端硅光波导302，其中，锗调制器1和发射端硅光波导302互连形成发射端，锗探测器2和接收端硅光波导301形成接收端。
图2是本申请实施例一种可选的硅基光收发器件的制备方法的流程图，该图2中，本申请实施例的硅基光收发器件的制备方法包括如下步骤：
S1:获取SOI晶圆；
结合图3所示，本申请实施例一种可选的硅基光收发器件基于3微米光电技术体系，采取的SOI晶圆具有顶硅层11、埋氧层12和底硅层13，其中，顶硅层11的厚度为3微米，该硅基光收发器件集成在一片SOI晶圆上。
S2:制备锗调制器1，包括：
S201:在所述SOI晶圆上定义调制器区域；
在具体实施中，可以通过光刻和刻蚀SOI晶圆的顶硅层11形成一个预设尺寸的第一凹槽(未暴露埋氧层12)，以定义调制器区域。
S202:在所述调制器区域形成第一锗材料层101；
结合图4所示，图4是锗外延工艺后各器件的截面图，其中，图4(a)是锗外延工艺后探测器区域的截面图，图4(b)是锗外延工艺后调制器区域的截面图，图4(c)是锗外延工艺后硅光波导区域的截面图，在具体实施中，可以通过锗外延工艺在第一凹槽内沉积第一锗材料层101。
S203:通过光刻和刻蚀锗材料层101形成第一锗波导102；
结合图5所示，图5是制备波导后各器件的截面图，其中，图5(a)是制备锗波导后探测器区域的截面图，图5(b)是制备锗波导后调制器区域的截面图，图5(c)是制备锗波导后硅光波导区域的截面图，在具体实施中，第一锗波导102的高度为3μm，第一锗波导102的宽度为0.2～1.5μm。
需要说明的是，基于本申请实施例上述的3微米光电技术，本申请实施例的第一锗波导102的高度为3μm，宽度为0.2～1.5μm，在实际运用中，第一锗波导102的尺寸并无特殊限定，可以根据实际需要进行设计。
S204:对调制器区域进行掺杂处理；
在具体实施中，可以采用离子注入工艺于调制器区域形成P+型掺杂区和N+型掺杂区，该P+型掺杂区和N+型掺杂区之间被第一锗波导102隔开。
S205:在调制器区域形成第一电极103和第二电极104；
结合图6和图7所示，图6是沉积第一电介质护层后各器件的截面图，其中，图6(a)是沉积第一电介质护层后探测器区域的截面图，图6(b)是沉积第一电介质护层后调制器区域的截面图，图6(c)是沉积第一电介质护层后硅光波导区域的截面图，图7是沉积第二电介质护层后各器件的截面图，其中，图7(a)是沉积第二电介质护层后探测器区域的截面图，也是图1所示的B-B向剖面图，图7(b)是沉积第二电介质护层后调制器区域的截面图，也是图1所示的A-A向剖面图，图7(c)是沉积第二电介质护层后硅光波导区域的截面图，也是图1所示的C-C向剖面图，在具体实施中，可以在P+型掺杂区和N+型掺杂区的上方沉积或电镀金属形成第一电极103和第二电极104，上述第一电极103和第二电极104的材料可以为Cu、Au、W、Pt等导电性能良好且能够与Ge形成欧姆接触的金属材料。
S3:制备锗探测器2和硅光波导3；
作为一种可选的实施方式，制备锗探测器2包括：
S301:在SOI晶圆上定义探测器区域；
在具体实施中，可以通过光刻和刻蚀SOI晶圆的顶硅层11形成一个预设尺寸的第二凹槽(未暴露埋氧层12)，以定义探测器区域。
S302:在探测器区域形成第二锗材料层201；
结合图4所示，图4是锗外延工艺后各器件的截面图，其中，图4(a)是锗外延工艺后探测器区域的截面图，图4(b)是锗外延工艺后调制器区域的截面图，图4(c)是锗外延工艺后硅光波导区域的截面图，在具体实施中，可以通过锗外延工艺在第二凹槽内沉积第二锗材料层201。
S303:通过光刻和刻蚀锗材料层201形成第二锗波导202；
结合图5所示，图5是制备波导后各器件的截面图，其中，图5(a)是制备锗波导后探测器区域的截面图，图5(b)是制备锗波导后调制器区域的截面图，图5(c)是制备锗波导后硅光波导区域的截面图，在具体实施中，第二锗波导202的高度为3μm，第二锗波导202的宽度为0.2～1.5μm。
需要说明的是，基于本申请实施例上述的3微米光电技术，本申请实施例的第二锗波导202的高度为3μm，宽度为0.2～1.5μm，在实际运用中，第二锗波导202的尺寸并无特殊限定，可以根据实际需要进行设计。
S304:对探测器区域进行掺杂处理；
在具体实施中，可以采用离子注入工艺于探测器区域形成P+型掺杂区和N+型掺杂区，该P+型掺杂区和N+型掺杂区之间被第二锗波导202隔开。
S305:在探测器区域形成第三电极203和第四电极204。
结合图6和图7所示，图6是沉积第一电介质护层后各器件的截面图，其中，图6(a)是沉积第一电介质护层后探测器区域的截面图，图6(b)是沉积第一电介质护层后调制器区域的截面图，图6(c)是沉积第一电介质护层后硅光波导区域的截面图，图7是沉积第二电介质护层后各器件的截面图，其中，图7(a)是沉积第二电介质护层后探测器区域的截面图，也是图1所示的B-B向剖面图，图7(b)是沉积第二电介质护层后调制器区域的截面图，也是图1所示的A-A向剖面图，图7(c)是沉积第二电介质护层后硅光波导区域的截面图，也是图1所示的C-C向剖面图，在具体实施中，可以在P+型掺杂区和N+型掺杂区的上方沉积或电镀金属形成第三电极203和第四电极204，上述第三电极203和第四电极204的材料可以为Cu、Au、W、Pt等导电性能良好且能够与Ge形成欧姆接触的金属材料。
作为一种可选的实施方式，制备硅光波导3包括：
S306:通过光刻和刻蚀SOI晶圆的顶硅层11形成硅光波导3。
结合图6和图7所示，图6是沉积第一电介质护层后各器件的截面图，其中，图6(a)是沉积第一电介质护层后探测器区域的截面图，图6(b)是沉积第一电介质护层后调制器区域的截面图，图6(c)是沉积第一电介质护层后硅光波导区域的截面图，图7是沉积第二电介质护层后各器件的截面图，其中，图7(a)是沉积第二电介质护层后探测器区域的截面图，也是图1所示的B-B向剖面图，图7(b)是沉积第二电介质护层后调制器区域的截面图，也是图1所示的A-A向剖面图，图7(c)是沉积第二电介质护层后硅光波导区域的截面图，也是图1所示的C-C向剖面图，在具体实施中，硅光波导3的高度为0.1～3μm，硅光波导3的宽度为0.1～5μm。
需要说明的是，基于本申请实施例上述的3微米光电技术，本申请实施例的硅光波导3的高度为0.1～3μm，宽度为0.1～5μm，在实际运用中，硅光波导3的尺寸并无特殊限定，可以根据实际需要进行设计。
需要说明的是，在实际应用中，第一锗波导、第二锗波导和硅光波导的宽度可以不是定值，在特殊位置可以根据器件的需要设计对应尺寸的锗波导和硅光波导，在锗波导和硅光波导的连接处采用对应尺寸。
需要说明的是，本申请实施例的第一锗波导、第二锗波导和硅光波导的尺寸都是基于上述的3微米光电技术进行限定的，在具体实施中，第一锗波导、第二锗波导和硅光波导的具体尺寸应不限于上述尺寸，可以根据实际需要进行具体设计，例如，在使用超薄硅基材料时(约0.22微米)，锗波导和硅光波导的高度受限，因此可以根据需要适当加宽锗波导和硅光波导的宽度。
S4:在锗调制器1、锗探测器2和硅光波导3的表面形成保护膜。
结合图7所示，可以在制备好的各器件表面沉积第一电介质护层4和第二电介质护层5形成保护膜，进行封装，其中第一电介质护层4可采用氧化硅材料，厚度约为0.1～5μm，第二电介质护层5可采用氮化硅材料，厚度小于1μm。
需要说明的是第一电介质护层4和第二电介质护层5的厚度并无特殊限定，可以根据实际需要进行具体设计。
作为一种可选的实施方式，制备锗调制器1还包括：
S206:在第一锗波导102的输入端制备第一加热器105。
结合图8～10所示，图8是本申请实施例一种可选的锗调制器的俯视图，在具体实施中，可以通过金属的沉积、光刻和刻蚀等工艺在第一锗波导102的输入端制备第一加热器105，其中，第一加热器105可以位于第一锗波导102的上方或者侧面(结合图9和图10所示)，。
作为一种可选的实施方式，制备锗探测器2还包括：
S307:在第二锗波导202的输入端制备第二加热器205。
结合图11所示，图11是本申请实施例一种可选的锗探测器的俯视图，在具体实施中，可以通过金属的沉积、光刻和刻蚀等工艺在第二锗波导202的输入端制备第二加热器205，其中，第二加热器205可以位于第二锗波导202的上方或者侧面；在实际应用中，第二加热器205的加热可以是非均匀加热，具体地，可以在第二锗波导202的输入端设置最大加热功率，在远离第二锗波导202输入端的部分逐渐降低加热功率，可以更有效地提高锗探测器的响应率，并且这样的非均匀加热可使锗探测器的功耗降到最低。
需要说明的是，上述的图6和图7中未示出加热器205，在具体实施中，加热器205可以根据实际需要进行设计。
作为一种可选的实施方式，所述保护膜包括第一电介质护层4和第二电介质护层5(结合图7所示)。
需要说明的是，本申请实施例的硅基光收发器件的制备工艺次序并不限于上述的步骤，在具体实施中，可以将各个器件区域的定义同步进行(如将步骤S201、步骤S301合并)，可以将各器件波导的制备同步进行(如将步骤S203、步骤S303、步骤S306合并)，可以将第一加热器和第二加热器的制备同步进行(如将步骤S206、步骤S307合并)，也可以将各器件的封装同步进行，以简化制备工艺。
本申请实施例还提供了一种硅基光收发器件(结合图1所示)，包括锗调制器1、锗探测器2和硅光波导3；
硅光波导3包括接收端硅光波导301和发射端硅光波导302；
锗调制器1包括形成在SOI晶圆上的第一锗波导102、第一电极103和第二电极104(结合图7所示)；
第一电极103和第二电极104分别设于第一锗波导102的两侧；
第一锗波导102与发射端硅光波导302形成互连；
锗探测器2与接收端硅光波导301形成互连。
作为一种可选的实施方式，图1所示的锗探测器2包括形成在SOI晶圆上的第二锗波导202、第三电极203和第四电极204(结合图7所示)；
第三电极203和第四电极204分别设于锗波导202的两侧；
第二锗波导202与接收端硅光波导301形成互连。
作为一种可选的实施方式，图1所示的硅光波导3包括直线型波导和/或曲线型波导。
在具体实施中，本申请实施例的硅光波导3可以根据器件结构需要设计成直线型波导和/或曲线型波导，图1中示出的硅光波导3包括了直线型波导。
需要说明的是，本申请实施例所述的锗波导和硅光波导为脊状波导，上述实施例中所述的锗波导的高度为脊状锗波导的高度和脊状锗波导下方未完全刻蚀的锗材料层的高度的总和，硅光波导的高度为脊状硅光波导的高度和硅光波导下方未完全刻蚀的顶硅层的高度的总和，应理解的是，在具体实施中，上述的脊状锗波导的高度、脊状锗波导下方未完全刻蚀的锗材料层的高度、脊状硅光波导的高度和硅光波导下方未完全刻蚀的顶硅层的高度可根据实际需要进行具体设计，并不限于上述的尺寸。
如上所述，本发明的硅基光收发器件及其制备方法，具有以下有益效果：
本申请的硅基光收发器件及其制备方法，采用纯锗材料替代锗硅材料制作调制器，无需控制锗硅材料中硅的成分，且只需要一步外延步骤，可以降低工艺成本；相比传统的锗硅材料的调制器，用锗材料制备的调制器插损降低，消光比提高；通过加热器加热锗探测器的输入端部分，可以有效提高锗探测器的响应率，同时采用非均匀加热可使锗探测器的功耗降到最低。
本发明方法和结构简单，在半导体领域和光电集成领域具有广泛的应用前景。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。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种硅基光收发器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取SOI晶圆；
制备锗调制器，包括：在所述SOI晶圆上定义调制器区域；
在所述调制器区域形成第一锗材料层；
通过光刻和刻蚀所述锗材料层形成第一锗波导；
对所述调制器区域进行掺杂处理；
在所述调制器区域形成第一电极和第二电极；
制备锗探测器和硅光波导；
在所述锗调制器、所述锗探测器和所述硅光波导的表面形成保护膜；
其中，所述硅光波导包括接收端硅光波导和发射端硅光波导；所述第一锗波导与所述发射端硅光波导形成互连；所述锗探测器与所述接收端硅光波导形成互连。
2.根据权利要求1所述的硅基光收发器件的制备方法，其特征在于，所述制备锗调制器还包括：
在所述第一锗波导的输入端制备第一加热器。
3.根据权利要求2所述的硅基光收发器件的制备方法，其特征在于，所述第一加热器位于所述第一锗波导的上方或者侧面。
4.根据权利要求2所述的硅基光收发器件的制备方法，其特征在于，所述第一加热器靠近所述第一锗波导的输入端的第一端具有预设的第一加热功率；
所述第一加热器远离所述第一锗波导的输入端的第二端具有预设的第二加热功率，且所述第二加热功率小于所述第一加热功率。
5.根据权利要求1所述的硅基光收发器件的制备方法，其特征在于，所述制备锗探测器具体包括：
在所述SOI晶圆上定义探测器区域；
在所述探测器区域形成第二锗材料层；
通过光刻和刻蚀所述锗材料层形成第二锗波导；
对所述探测器区域进行掺杂处理；
在所述探测器区域形成第三电极和第四电极。
6.根据权利要求5所述的硅基光收发器件的制备方法，其特征在于，所述制备锗探测器还包括：
在所述第二锗波导的输入端制备第二加热器，所述第二加热器位于所述第二锗波导的上方或者侧面。
7.根据权利要求1所述的硅基光收发器件的制备方法，其特征在于，所述保护膜包括第一电介质护层和第二电介质护层。
8.一种硅基光收发器件，其特征在于，包括锗调制器、锗探测器和硅光波导；
所述硅光波导包括接收端硅光波导和发射端硅光波导；
所述锗调制器包括形成在SOI晶圆上的第一锗波导、第一电极和第二电极；
所述第一电极和所述第二电极分别设于所述第一锗波导的两侧；
所述第一锗波导与所述发射端硅光波导形成互连；
所述锗探测器与所述接收端硅光波导形成互连。
9.根据权利要求8所述的硅基光收发器件，其特征在于，所述锗探测器包括形成在SOI晶圆上的第二锗波导、第三电极和第四电极；
所述第三电极和所述第四电极分别设于所述锗波导的两侧；
所述第二锗波导与所述接收端硅光波导形成互连。
10.根据权利要求8所述的硅基光收发器件，其特征在于，所述硅光波导包括直线型波导和/或曲线型波导。
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