CN114460681A - 包括分段波导区段的波导交叉 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及包括分段波导区段的波导交叉，揭示一种具有多层级波导芯的结构以及制造包括多层级波导芯的结构的方法。所述结构包括第一波导芯和位于与所述第一波导芯不同的层级中的第二波导芯。所述第一波导芯包括纵轴和沿所述纵轴具有间隔布置的多个分段。第二波导芯对齐以延伸穿过所述第一波导芯的所述多个分段。

Description

包括分段波导区段的波导交叉
技术领域
本发明涉及光子芯片，更具体地，涉及具有多层级(multiple levels)波导芯的结构以及制造包括多层级波导芯的结构的方法。
背景技术
光子芯片用于许多应用和系统，如数据通信系统和数据计算系统。光子芯片将光学组件(如波导、光开关和光耦合器)和电子组件(如场效应晶体管)集成到一个统一的平台中。除其他因素外，通过集成这两种类型的组件，可以减少布局面积、成本和操作开销。
波导芯可在光子芯片上以多层级排列。例如，波导芯可通过对材料层进行图案化而在较低层级中形成，波导芯可通过对另一层进行图案化而在较高层级中形成。在光子芯片的布局中，较高层级中的波导芯可以在较低层级中的波导芯上方布线。由于在不同层级的波导芯的紧密局部接近引起的强光散射，波导芯的这种直接交叉可能会导致显着的插入损耗和高串扰。
需要改进具有多层级波导芯的结构和制造包括多层级波导芯的结构的方法。
发明内容
在本发明的一个实施例中，一种结构包括第一波导芯和位于与所述第一波导芯不同的层级中的第二波导芯。所述第一波导芯包括纵轴和沿所述纵轴具有间隔布置的多个分段。所述第二波导芯对齐以延伸穿过所述第一波导芯的所述多个分段。
在本发明的一个实施例中，一种方法包括形成第一波导芯，所述第一波导芯包括纵轴和沿所述纵轴具有间隔布置的多个分段。所述方法还包括形成第二波导芯，所述第二波导芯位于与所述第一波导芯不同的层级中，且对齐以延伸穿过所述第一波导芯的所述多个分段。
附图说明
并入本说明书并构成本说明书一部分的附图说明了本发明的各种实施例，并与上面给出的本发明的一般说明和下面给出的实施例的详细说明一起，用于解释本发明的各实施例。在附图中，相似的附图标记在各种视图中表示相似的特征。
图1是根据本发明实施例的处理方法的初始制造阶段的结构俯视图。
图2是沿图1中的线2-2拍摄的横截面图。
图3是图1的后续处理方法制造阶段的结构俯视图。
图4是沿图3中的线4-4拍摄的横截面图。
图5是图4的后续处理方法的制造阶段的结构横截面图。
图6是根据本发明替代实施例的结构俯视图。
图7是根据本发明替代实施例的结构俯视图。
图8是沿图7中的线8-8拍摄的横截面图。
图9是根据本发明替代实施例的结构俯视图。
具体实施方式
参考图1、2，根据本发明的实施例，结构10包括沿纵轴14纵向延伸的波导芯12。波导芯12可包括中心区段16和锥形体18，20，锥形体18分别邻接中心区段16的相对端部。中心区段16沿锥形区段18和锥形区段20之间的纵轴14布置。中心区段16可能比锥形区段18或锥形区段20宽。就此而言，锥形区段18、20各自随着与中心区段16的距离增加而纵向锥形化(即宽度变窄)。
波导芯12可布置在介电层22上方。在一个实施例中，介电层22可由二氧化硅组成。在一个实施例中，介电层22可以是绝缘体上硅衬底的埋置氧化物层，且绝缘体上硅衬底还可以包括由单晶半导体材料(例如单晶硅)组成的操作衬底(handle substrate)24。波导芯12可由单晶半导体材料(例如单晶硅)组成，其可包含有限数量的晶体缺陷。在一个实施例中，波导芯12可以从绝缘体上硅衬底的单晶硅设备层通过光刻和蚀刻工艺进行图案化。设备层可完全蚀刻以限定波导芯12，或者，可替换地，仅部分蚀刻以限定介电层22上的减薄残余层并耦合到波导芯12的下部。
波导芯12的中心区段16的一部分可分为多个光栅特征或分段28，这些光栅特征或分段28沿纵轴14横向间隔布置，具有给定的节距，并由间隙G1隔开。分段28的间隔布置可在形成波导芯12的光刻和蚀刻工艺期间定义。分段28具有侧面或侧壁29，其与间隙G1的相对侧接界，并横向于纵轴14定向。在一个实施例中，分段28的节距和占空比(duty cycle)可以是均匀的。在替代实施例中，分段28的节距和/或占空比可以变迹(apodized)(即，非均匀)。
中心区段16具有相对的侧面或侧壁26、27，且侧壁26、27中属于分段28的部分可通过侧壁29连接。在代表性实施例中，相对侧壁26、27可在中心区段16的长度上以恒定距离分开，因此，分段28的宽度尺寸可在中心区段16的长度上保持恒定。在替代实施例中，分段28可具有不同于代表性矩形几何形状的几何形状。在替代实施例中，分段28可具有在中心区段16的长度上变化的宽度尺寸。在替代实施例中，分段28的侧壁26、27可以是弯曲的，并且垂直于纵轴14定向的分段28的侧壁29可以是平面的或基本上平面的。在替代实施例中，分段28的侧壁26、27可以以由非线性函数(例如二次函数、抛物线函数或指数函数)定义的曲率而锥形化。
波导芯12的分段28的特征在于具有不同于体光学特性(通常称为超材料)的光学特性(例如折射率)。在一个实施例中，分段28的节距可以小于由波导芯12引导的激光的波长。
参考图3，图4，其中相似的附图标记表示图1，图2中的相似特征。随后的制造阶段，形成介电层30，其填充波导芯12周围的空间，并填充纵向布置在分段28之间的间隙G1。介电层30可由介电材料(例如二氧化硅)组成，所述介电材料通过化学气相沉积法沉积并通过例如化学机械抛光来平坦化以去除形貌。具有比波导芯12更低折射率的介电层30的介电材料降低波导芯12的分段的中心区段16的有效折射率。附加介电层31、32、33可以形成在介电层30上方，并且可以分别由二氧化硅、氮化硅和二氧化硅组成。在替代实施例中，可省略含有氮化硅的介电层32。
波导芯34形成在介电层33上。波导芯34和波导芯12位于结构10的不同层或层级中。具体地，波导芯34是朝垂直方向位于与波导芯12的层级或层不同的平面内(即，在波导芯12的层级或层上方或之上)的层级或层中。波导芯34可以通过在介电层34上沉积一层其组成材料并用光刻和蚀刻工艺图案化沉积层来形成。在一个实施例中，波导芯34由具有不同于波导芯12所含材料的成分的材料组成。在一个实施例中，波导芯34可由氮化硅组成。沉积层可被完全蚀刻以限定波导芯34，或者，可替换地，仅被部分蚀刻以限定介电层33上的减薄残余层并耦合到波导芯34的下部。
波导芯34沿纵轴35纵向延伸，并在高于波导芯12的层级的层级中穿过波导芯12。波导芯34可包括中心区段36和锥形区段38、40，锥形区段38、40分别邻接中心区段36的相对端部。中心区段36可以比锥形区段38或锥形区段40宽。中心区段36沿纵轴35布置在锥形区段38和锥形区段40之间。锥形区段38、40均随着距中心区段36的距离增加而纵向锥形化(即宽度变窄)。中心区段36具有相对的侧壁42、43。
波导芯34的纵轴35相对于波导芯12的纵轴14对齐，使得波导芯34穿过波导芯12。具体而言，波导芯34的中心区段36的一部分与波导芯12的中心区段16的一部分重叠。更具体地，波导芯34的中心区段36的一部分与波导芯12的中心区段16的某些或全部分段28重叠。在一个实施例中，波导芯34可横向对齐波导芯12。在一个实施例中，波导芯34可垂直对齐波导芯12。
将分段28并入波导芯12中，并通过介电层30的低折射率材料填充分段28之间的间隙，可以有效地减轻波导芯12对在波导芯34的中心区段36中传播穿过波导芯12的中心区段16的光信号的扰动效应。
在替代实施例中，波导芯12和波导芯34可以由一组不同的材料形成。在一个实施例中，波导芯12可以由单晶硅构成，并且波导芯34可以由多晶硅构成。在一个实施例中，波导芯12可以由单晶硅构成，并且波导芯34可以由氮氧化硅构成。在一个实施例中，波导芯12可以由氮化硅构成，并且波导芯34可以由氮氧化硅构成。在一个实施例中，波导芯12可以由氮氧化硅构成，并且波导芯34可以由氮化硅构成。
参考图5，其中类似的附图标记表示图4中的类似特征，并且在随后的制造阶段，在波导芯34和介电层33上方和周围形成介电层44。介电层44可由介电材料(例如二氧化硅)组成，所述介电材料通过化学气相沉积法沉积并通过例如化学机械抛光来平坦化以去除形貌。介电层44的介电材料为波导芯34提供低折射率包层(cladding)。
后段工艺堆栈(back-end-of-line stack)46形成在介电层44上方。后段工艺堆栈46包括一个或多个介电层，所述介电层可由介电材料(如二氧化硅)组成。
在本文描述的任何实施例中，结构10可以集成到包括电子组件和附加光学组件的光子芯片中。例如，电子组件可以包括通过CMOS处理制造的场效应晶体管。
参考图6，其中类似的附图标记表示图1中的类似特征，并根据本发明的替代实施例，可将锥形区段50、52添加到中心区段16。锥形区段50、52沿纵轴14对齐，与中心区段16的分段28重叠。锥形区段50与锥形区段18邻接，并纵向定位在分段28和锥形区段18之间。锥形区段52与锥形区段20相邻，并纵向定位在分段28和锥形区段20之间。锥形区段50、52的宽度尺寸随着与锥形区段18、20的距离增加而减小。
参考图7，图8，其中相似的附图标记表示图3中的相似特征，根据本发明的替代实施例，波导芯34的中心区段36的一部分可分为多个光栅特征或分段58，其沿纵轴35横向间隔布置，具有给定的节距，并由间隙G2隔开。分段58的间隔布置可在形成波导芯34的光刻和蚀刻工艺期间定义。介电层44的介电材料填充分段58之间的间隙G2，此降低了波导芯34的中心区段36的有效折射率。分段28具有侧面或侧壁45，其与间隙G2的相对侧接界，并且横向于纵轴35定位。分段58的相对侧壁42、43可通过侧壁45连接。在一个实施例中，分段58的节距和占空比可以是均匀的。在替代实施例中，分段58的节距和/或占空比可以变迹(即，非均匀)。
在代表性实施例中，相对侧壁42、43可在中心区段36的长度上以恒定距离分开，因此，分段58可在中心区段36的长度上具有恒定宽度尺寸。在替代实施例中，分段58可具有不同于代表性矩形几何形状的几何形状。在替代实施例中，分段58的宽度尺寸可在中心区段36的长度上变化。在替代实施例中，分段58的侧壁42、43可以是弯曲的，并且垂直于纵轴35的分段58的侧壁45可以是平面的或基本上是平面的。在替代实施例中，分段58的侧壁42、43可通过非线性函数(例如二次、抛物线或指数函数)定义的曲率而锥形化。
波导芯34的分段58的特征在于具有不同于体光学特性(通常称为超材料)的光学特性(例如折射率)。在一个实施例中，分段58的节距可以小于由波导芯34引导的激光的波长。
在一个实施例中，波导芯34的分段58可布置在波导芯12的分段28上方。波导芯34的某些分段58可与波导芯34的某些分段28重叠，并且波导芯34的分段58可以与波导芯12的分段28横向对齐。在替代实施例中，波导芯12可能缺少分段28，使得分段58位于整体且未分段的波导芯12的中心区段16上方。
参考图9，其中类似的附图标记表示图1中的类似特征，并且根据本发明的替代实施例，包括分段28的波导芯12的中心区段16可在侧壁26、27之间具有基于非线性函数变化的宽度尺寸，例如二次函数、抛物线函数或指数函数。宽度尺寸的非线性变化导致侧壁26、27的弯曲。分段28采用不同的宽度尺寸和弯曲形状，使得具有最小宽度的分段28可位于锥形区段18、20附近，且具有最大宽度的分段28可位于波导芯34的中心区段36下方。
上述方法用于制造集成电路芯片。由此产生的集成电路芯片可由制造商以原始晶圆形式(例如，作为具有多个未封装芯片的单个晶圆)、裸芯片或封装形式分布。芯片可以与其他芯片、分立电路元件和/或其他信号处理设备集成，作为中间产品或最终产品的一部分。最终产品可以是包括集成电路芯片的任何产品，例如具有中央处理器的计算机产品或智能手机。
本文中引用的由近似语言修改的术语，例如“关于”、“大约”和“实质上”，不限于指定的精确值。近似语言可能对应于用于测量值的仪器的精度，除非另有取决于仪器的精度，否则可能表示规定值的+/-10％。
本文中对诸如“垂直”、“水平”等术语的引用是作为示例而非限制来建立参考框架的。本文中使用的术语“水平”被定义为与半导体衬底的常规平面平行的平面，而不管其实际三维空间取向如何。术语“垂直”和“法线”指的是与水平面垂直的方向，正如刚才定义的那样。术语“横向”是指水平面内的方向。
与另一个特征“连接”或“耦合”的一个特征可以直接连接到另一个特征或与另一个特征耦合，或者可以存在一个或多个中间特征。如果不存在中间特征，则一个特征可以“直接连接”或“直接耦合”到另一特征或与另一特征“直接连接”或“直接耦合”。如果存在至少一个中间特征，则一个特征可以与另一特征“间接连接”或“间接耦合”。一个特征在另一特征上或与另一特征接触，可以直接在另一特征上或与另一特征直接接触，或者相反地，可以存在一个或多个中间特征。如果不存在中间特征，则一个特征可以直接在另一特征上，或与另一特征直接接触。如果存在至少一个中间特征，则一个特征可间接在另一特征上或与另一特征间接接触
本发明的各种实施例的描述是为了说明的目的而给出的，但并不打算穷尽或局限于所公开的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。选择本文中使用的术语是为了最好地解释实施例的原理、相对于市场中发现的技术的实际应用或技术改进，或者使本领域的普通技术人员能够理解本文中公开的实施例。

Claims (20)

1.一种结构，包括：
第一波导芯，所述第一波导芯包括第一纵轴和具有沿所述第一纵轴的第一间隔布置的多个第一分段；以及
第二波导芯，位于与所述第一波导芯不同的层级中，所述第二波导芯对齐以延伸穿过所述第一波导芯的所述多个第一分段。
2.根据权利要求1所述的结构，其中，所述第二波导芯位于所述第一波导芯之上。
3.根据权利要求2所述的结构，其中，所述第一波导芯包括第一材料，以及所述第二波导芯包括具有不同于所述第一材料的成分的第二材料。
4.根据权利要求2所述的结构，其中，所述第一波导芯包括单晶硅，以及所述第二波导芯包括氮化硅。
5.根据权利要求1所述的结构，其中，所述第二波导芯位于所述第一波导芯下方。
6.根据权利要求5所述的结构，其中，所述第一波导芯包括第一材料，以及所述第二波导芯包括具有不同于所述第一材料的成分的第二材料。
7.根据权利要求5所述的结构，其中，所述第一波导芯包含氮化硅，以及所述第二波导芯包含单晶硅。
8.根据权利要求1所述的结构，还包括：
介电层，位于所述第一波导芯和所述第二波导芯之间。
9.根据权利要求1所述的结构，其中，所述第二波导芯与所述第一波导芯横向对齐。
10.根据权利要求1所述的结构，其中，所述第二波导芯垂直于所述第一波导芯对齐。
11.根据权利要求1所述的结构，其中，所述第二波导芯包括第二纵轴和具有沿所述第二纵轴的第二间隔布置的多个第二分段。
12.根据权利要求11所述的结构，其中，所述多个第一分段与所述多个第二分段横向对齐。
13.根据权利要求1所述的结构，其中，所述多个第一分段定义以非线性函数定义的曲率而锥形化的相对侧壁。
14.根据权利要求1所述的结构，其中，所述多个第一分段由多个间隙隔开，且所述结构还包括：
介电层，包括位于所述多个间隙中的部分。
15.根据权利要求1所述的结构，其中，所述第一波导芯包括与所述多个第一分段重叠的锥形体。
16.根据权利要求1所述的结构，其中，所述多个第一分段具有基于非线性函数变化的宽度尺寸。
17.一种方法，包括：
形成第一波导芯，所述第一波导芯包括第一纵轴和具有沿所述第一纵轴的第一间隔布置的多个第一分段；以及
形成第二波导芯，所述第二波导芯定位在与所述第一波导芯不同的层级中并且对齐以延伸穿过所述第一波导芯的所述多个第一分段。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第二波导芯位于所述第一波导芯之上，所述第一波导芯包括第一材料，以及所述第二波导芯包括具有不同于所述第一材料的成分的第二材料。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第二波导芯位于所述第一波导芯下方，所述第一波导芯包括第一材料，以及所述第二波导芯包括具有不同于所述第一材料的成分的第二材料。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第二波导芯包括第二纵轴和具有沿所述第二纵轴的第二间隔布置的多个第二分段，且所述多个第一分段与所述多个第二分段横向对齐。
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