CN112612148A - 一种光器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光器件及其制作方法。一种光器件，包括：半导体衬底；所述半导体衬底上形成有波导结构；所述波导结构表面形成凹槽，所述凹槽露出所述波导结构的全部区域；所述凹槽内填充有具有折光功能的树脂材料。本发明采用树脂材料代替热电调制折射率/波长，不再受光波导材料的限制，对任意热光系数的波导材料均适用，并且制作的器件可靠性提高。
Description
技术领域
本发明涉及光电器件领域，特别涉及一种光器件及其制作方法。
背景技术
光器件工艺制备的误差会导致器件工作波长与设计值偏差，通常采用热调方法实现折射率/波长的调制，即增加热电极对光栅材料进行加热，利用光栅材料的热光系数调制折射率/波长。但热调法功耗大，且易导致器件可靠性变差；并且有的材料热光系数很低，无法用热调方法实现折射率/波长的调制。
为此，提出本发明。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种光器件，该器件采用树脂材料代替热电调制折射率/波长，不再受光波导材料的限制，对任意热光系数的波导材料均适用，并且制作的器件可靠性提高。
本发明的另一目的在于提供上述光器件的制作方法，该方法可以使器件中的光波导能获得均匀一致的折射率/波长调制效果。
为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案。
一种具有调制折射率/波长功能的光器件，包括：
半导体衬底；
所述半导体衬底上形成有需要调节折射率的波导结构；
所述波导结构表面形成凹槽，所述凹槽露出所述波导结构的全部区域；
所述凹槽内填充有具有折光功能的树脂材料。
一种光器件的制作方法，包括：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底上形成波导结构；
形成覆盖所述波导结构的第一介质层；
对所述第一介质层平坦化处理；
在第一介质层的表面形成刻蚀停止层；
刻蚀去除所述刻蚀停止层的部分区域，使剩余的刻蚀停止层至少覆盖所述波导结构所在的区域；
形成覆盖所述半导体衬底上所有结构的第二介质层；
刻蚀所述第二介质层并停止在所述刻蚀停止层，形成凹槽，所述凹槽至少覆盖所述波导结构所在的区域；
刻蚀凹槽的底部直至所述波导结构裸露；
在所述凹槽内填充具有折光功能的树脂材料。
与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果。
(1)本发明在波导结构的上方开设凹槽，用于填充具有折光功能的树脂材料，树脂材料代替热调实现调制折射率/波长的功能，解决了小热光系数的波导材料(例如氮化硅SiN)不适宜热调的问题，同时也适用于热光系数大的波导材料，还能降低功耗，提高器件可靠性。可见，本发明的光器件在调制折射率/波长方面具有功耗低、可靠性高、材料适用范围广等优点。
(2)本发明在制备光器件时，先以第一介质层保护光波导结构，后形成刻蚀停止层作为形成凹槽的刻蚀阻挡层，可以保证树脂材料针对性地填充在需要调制波长/折射率的结构表面，提高调制准确性。
(3)本发明在形成刻蚀停止层对第一介质层进行平坦化处理，可以保证后续填充的树脂材料膜厚均匀一致，并且在波导结构各区域的覆盖厚度均匀一致，从而使得调制的折射率/波长一致，提高了器件光电性能。
(4)本发明可以对器件中的所有波导结构或者部分波导结构进行选择性地调制，只要在需要调制的波导结构上方覆盖具有折光功能的树脂材料即可；并且可选用不同折光率树脂实现不同调制效果。可见，本发明为光器件的调制提供了更多选择空间。
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为本发明提供的一种具有调制折射率/波长功能的光器件的结构示意图；
图2至图9为本发明制备光器件时不同步骤得到的半导体结构示意图。
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”。
本发明在光器件中增加树脂材料，改变波导结构传输的折射率/波长，使其达到预定值，这代替了现有的热调方式，对波导结构自身材料的热光系数无要求，并且无需消耗热能或电能。因此，本发明适用范围更广、更节能减耗，并且避免了热电结构引起的器件可靠性降低等问题。
本发明增加树脂材料的光器件结构如下。
如图1所示的具有调制折射率/波长功能的光器件，包括半导体衬底101；半导体衬底可以是用以承载半导体光电元件的底材，例如绝缘体上硅(silicon-on-insulator，SOI)、体硅(bulk silicon)(包括单抛片或双抛片，双抛片更有助于降低晶圆后续应力变化)、锗硅等。
所述半导体衬底上形成有波导结构，该波导可以是单个波导或多个波导组合，例如组合成阵列波导光栅(常见的布拉格光栅阵列等)，图1的波导结构包括左侧波导102、中间阵列波导光栅103、右侧波导104，这些波导结构用做分路器、耦合器、开关等功能元件。波导结构的材料不受限，包括常见的硅、氮化硅、锗硅、锗等，其中氮化硅的热光系数很低，更适宜采用本发明的方式调制折光率/波长。在一个光器件中可能有一个或多个波导结构，需要调制折射率/波长功能的波导结构可能是其中的某些波导结构或全部波导结构。
在需要调制折射率/波长功能的波导结构(以中间阵列波导光栅103为例)表面形成凹槽，所述凹槽露出该波导结构的全部区域。为了露出该波导结构的全部区域，凹槽底部面积通常大于波导结构所在区域的面积。
所述凹槽内填充了具有折光功能的树脂材料106，所述的折光功能是在器件中具备实际应用水平的折光率的功能，满足该条件的树脂材料包括但不限于典型的环氧树脂、含氟树脂等，例如折光率为1.3～1.5的环氧树脂(NOA138、NOA142、NOA144、NOA148等)应用更广泛。
在上述光器件中，树脂的填充均匀性、厚度以及其对光器件中其他元件的干扰程度等对器件的性能也很重要，为了兼顾这些方面，本发明还提供了上述光器件的制备方法，具体如下。
如图2所示，在半导体衬底101上形成多个波导结构，包括左侧的硅波导光栅102a、右侧的氮化硅波导光栅104a、中间的阵列波导光栅103，其中的阵列波导光栅103需要调制折射率/波长。图2所示的波导结构与衬底之间设有埋氧层，该埋氧层可采用氧化硅等绝缘性好的材料，埋氧层厚度为典型的2μm，阵列波导光栅的高度在400nm左右。
首先，阵列波导光栅103表面形成第一介质层107，第一介质层107的厚度达到：阵列波导光栅的底部至顶部的介质层厚为
之间，但这仅为示例，以上厚度并不限定本发明的应用范围。第一介质层107用于隔离波导结构与其他元件，可采用氧化硅SiO2或金属氧化物(例如Ta2O5、TiO2、Al2O3、Pr2O3、La2O3、LaAlO3、HfO2、ZrO2等高k介质材料)，优选采用氧化硅，氧化硅的形成方式包括但不限于典型的LPCVD、RTCVD、PECVD、氧化生长、HDP+USG(高密度等离子化学沉积法+非掺杂硅酸盐玻璃)等。由于阵列波导光栅103的各个波导单元之间存在狭窄缝隙，均匀填充难度大，因此优选采用HDP+USG形成氧化硅，即使如此，形成的第一介质层表面也粗糙不平。
接下来，对所述第一介质层107平坦化处理。平坦化处理的目的是为了后续形成均匀膜厚的树脂层，可以借助磨抛(Grading)、化学机械抛光(CMP)/湿法腐蚀方案/原子层腐蚀(ALE)方案(干法或湿法)/气体氧化+湿法腐蚀(或者多种手段相结合)。优选先反向刻蚀，得到如图3所示的形貌；后CMP处理，得到如图4所示的形貌，表面平滑，阵列波导光栅的底部至顶部的介质层厚达到
然后如图5所示，在经过处理的第一介质层107表面形成刻蚀停止层108作为刻蚀阻挡层。刻蚀停止层108的厚度可根据后续沉积的介质层厚度而定(通常后续形成的第二介质层厚度为6μm以上时，所述刻蚀停止层的厚度至少为
)，以获得适当的刻蚀选择比，图示刻蚀停止层厚度达到
刻蚀停止层可选择无定形硅、氮化硅等与氧化硅具有较高刻蚀选择比的材料，其形成方式包括但不限于典型的LPCVD、RTCVD、PECVD，优选PECVD，沉积温度控制在400～450℃范围。
接下来对刻蚀停止层108进行选择性刻蚀，如图6所示，目的是去除所述刻蚀停止层的部分区域，使剩余的刻蚀停止层至少覆盖中间阵列波导光栅103所在的区域。刻蚀刻蚀停止层的方法是任意的，包括但不限于干刻蚀、磨抛(Grading)、化学机械抛光(CMP)/湿法腐蚀方案/原子层腐蚀(ALE)方案(干法或湿法)/气体氧化+湿法腐蚀(或者多种手段相结合)。
之后形成第二介质层111，第二介质层111用于隔离或者形成接触孔等，可采用氧化硅SiO2或金属氧化物(例如Ta2O5、TiO2、Al2O3、Pr2O3、La2O3、LaAlO3、HfO2、ZrO2等高k介质材料)，优选采用氧化硅，氧化硅的形成方式包括但不限于典型的LPCVD、RTCVD、PECVD、氧化生长、HDP+USG(高密度等离子化学沉积法+非掺杂硅酸盐玻璃)等。
然后在第二介质层111中形成其他元件(例如图中所示的金属互连结构109)，得到如图7所示的结构。金属互连结构采用常规方式形成，例如包括刻蚀接触孔、填充等典型流程。
接下来刻蚀第二介质层111并停止在所述刻蚀停止层108，形成凹槽110，所述凹槽110至少覆盖所述阵列波导光栅所在的区域，即图8所示的形貌。图8中刻蚀停止层的两端有部分区域仍被第二介质层覆盖，这是为了保护侧面结构。这一步第二介质层的刻蚀与金属互连结构的形成顺序是可以调换。
然后刻蚀凹槽110底部的刻蚀停止层108和剩余的第一介质层，直至所述阵列波导光栅103裸露，得到如图9所示的形貌，可看到保护凹槽103侧面结构的刻蚀停止材料108a、108b被保留。为了保证凹槽110底部的刻蚀停止层和剩余的第一介质层被刻蚀完全，且阵列波导光栅103不被损伤，优选采用先干法刻蚀、后以氢氟酸(例如1:100的溶液，刻蚀1～2min)为刻蚀剂湿法刻蚀的手段。
最后在凹槽内填充环氧树脂等具有折光功能的材料，填充的厚度可根据调制效果调整，得到如图1所示的结构(图1与图2至9的视图方向不同)。
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 (10)
1.一种光器件，其特征在于，包括：
半导体衬底；
所述半导体衬底上形成有需要调节折射率的波导结构；
所述波导结构表面形成凹槽，所述凹槽露出所述波导结构的全部区域；
所述凹槽内填充有具有折光功能的树脂材料。
2.根据权利要求1所述的光器件，其特征在于，所述树脂材料的折光率为1.3～1.5。
3.根据权利要求1所述的光器件，其特征在于，所述波导结构为阵列波导光栅。
4.根据权利要求1-3任一项所述的光器件，其特征在于，所述波导结构为氮化硅光栅。
5.一种光器件的制作方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底上形成波导结构；
形成覆盖所述波导结构的第一介质层；
对所述第一介质层平坦化处理；
在第一介质层的表面形成刻蚀停止层；
刻蚀去除所述刻蚀停止层的部分区域，使剩余的刻蚀停止层至少覆盖所述波导结构所在的区域；
形成覆盖所述半导体衬底上所有结构的第二介质层；
刻蚀所述第二介质层并停止在所述刻蚀停止层，形成凹槽，所述凹槽至少覆盖所述波导结构所在的区域；
刻蚀凹槽的底部直至所述波导结构裸露；
在所述凹槽内填充具有折光功能的树脂材料。
6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述平坦化处理的方法为：先反向刻蚀，后CMP处理。
7.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述第二介质层厚度为6μm以上时，所述刻蚀停止层的厚度至少为
8.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述刻蚀凹槽的底部的方法为：先干法刻蚀，后以氢氟酸为刻蚀剂湿法刻蚀。
9.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述刻蚀停止层的形成方法为：400～450℃下通过PECVD形成。
10.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述刻蚀停止层为氮化硅或无定形硅。
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- 2020-12-09 CN CN202011432709.0A patent/CN112612148B/zh active Active
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