CN115039003A - 半导体装置和半导体器件及其制造方法 - Google Patents

半导体装置和半导体器件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种半导体装置，其包括具有优选单片半导体衬底，特别是硅衬底(2)的晶圆(1)，以及在半导体衬底(2)内和/或上延伸的至少一个集成电子部件(3)，其中，所述晶圆(1)包括具有集成电子部件(3)或至少一个集成电子部件的前段制程(5)，以及包括位于前段制程(5)上方的后段制程(6)和光子平台(8)，所述光子平台(8)在背离前段制程(5)的晶圆(1)的侧面(9)制造，平台包括至少一个波导(12)和至少一个电光器件(15)，特别是至少一个光电探测器和/或至少一个电光调制器，其中所述光子平台(8)的电光器件(15)或至少一个电光器件连接至晶圆(1)的集成电子部件(3)或至少一个集成电子部件。

Description

半导体装置和半导体器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体器件及其制造方法。此外，本发明涉及半导体装置及其制造方法。
背景技术
芯片内部特别是芯片之间的数据交换越来越接近容量极限。可能连接的数量受到可用芯片面积和影响可制造性的技术因素的限制。此外，电连接的带宽受到随着频率急剧增加的电损耗的限制。对于广泛的应用，宽带I/O(输入/输出)接口的需求高于当前的容量。施加的实例是在所谓的分类计算领域，所述领域特别涉及或包括CPU或GPU和内存的可配置网络、CPU内存连接和用于自主移动的物联网网络等。在上述情况下，通常需要Gb/s到Tb/s数据传输的极高带宽。
目前，I/O接口基本上是以电子方式实现的。这适用于内存连接、传感器网络(IoT)和数据通信的基本领域。当前技术上可能的I/O带宽通常不足以达到所需的传输速率。具有根本性限制作用的物理关系，例如电触点的损耗以及最小尺寸阻碍了性能的显著提高。电损耗起着重要作用，特别是在高频时(例如，同轴导线在50GHz左右的范围内为10dB/m)，而相比之下，光纤在0.1dB/km范围内的损耗非常小。光接口的改变可以解决带宽和范围的问题。然而，制造大量可用的低成本、高性能的部件是此处的主要挑战。目前，只有硅技术能够做到这一点，但它只有有限的光子功能。III-V半导体更适合，但不能单片集成到硅技术中。
除了I/O接口，还可以考虑其他应用领域。还可以实现用于机器学习的光学系统，如滤光器、光谱仪或神经网络。光子学和电子学的紧密集成可以实现新型芯片架构。
通过电子芯片和光学芯片的异质集成或键合技术，在一定程度上实现了用于数据通信的光接口。这意味着光学芯片和电子芯片是使用不同的技术制造和连接的。为此，基于III-V过渡半导体的光学电路通常通过电子控制电路键合到硅晶圆。优点是每种电路类型都可以在其最佳工艺中制造。然而，显著的缺点是成本高、顺序性强，因此键合的制造工艺(每个芯片必须一次一个键合到晶圆)以及制造线的中断都是费时的。在单个芯片与晶圆结合后，晶圆不能作为一个整体进一步加工。晶圆在下一个步骤中分离，并且芯片单独完成(然而，制造步骤的主要部分已经完成)。
可选地，硅可以用作为起始材料，并且可以在一个芯片上获得电子电路和光子电路。然而，在这种情况下，电子电路和光子电路的技术组合是固定的，因为光学电路和电子电路是在同一层制造的。硅电子学和光子学并排位于一个晶圆。例如，这可以从文章"Integrating photonics with silicon nanoelectronics for the next generation ofsystems on a chip",Nature 556,第349-354页(2018)中获知，doi:10.1038/s41586-018-0028-z。与III-V半导体的裸晶连接或键合策略相比，这种硅结合技术的优势是可以显著节省成本和时间。缺点是与III-V族过渡半导体相比，硅光子器件的性能通常较差。另一个显著的缺点是电子技术和光子技术是固定的，因此出于技术和经济原因，只能合理地制造某些类型的微芯片。
US 2014/0264400 A1公开了具有集成电路的半导体器件。器件包括多个具有集成电路的芯片，这些芯片彼此间隔地固定在载体衬底的凹槽。包括波导和光子器件的平面涂层沉积在芯片以及衬底表面，从而为一个芯片的光子器件提供光学芯片内连接，或者为不同芯片的光子器件提供光学芯片间连接。
之前已知的半导体器件已经在原理上证明了自己。然而，仍然需要替代设备。特别是需要能够以合理的制造努力，从而以合理的成本获得大量具有集成光子学的单个芯片。
发明内容
本发明的目的是提供可替代的半导体器件，所述可替代的半导体器件中实现了电子电路和光子部件的集成，并且使得能够以合理的努力获得大量具有集成光子的芯片。此外，本发明的目的是获得制造这种装置的方法。
第一个提及的目标通过半导体器件解决，所述半导体器件包括具有优选单件半导体衬底(特别是硅衬底)的晶圆以及在半导体衬底内和/或上延伸的至少一个集成电子部件，所述晶圆具有前段制程和位于前段制程的上方的后段制程，其中，前段制程包括集成电子部件或集成电子部件中的至少一个，以及在背离前段制程的晶圆的侧面制造的光子平台，所述光子平台包括至少一个波导和至少一个电光器件，特别是至少一个光电探测器和/或至少一个电光调制器，其中光子平台的电光器件或电光器件中的至少一个连接至晶圆的集成电子部件或集成电子部件中的至少一个。
第二个提及的目标通过制造半导体器件的方法来解决，所述方法包括以下步骤：
提供具有优选单片半导体衬底，特别是硅衬底的晶圆，以及至少一个在半导体衬底中和/或上延伸的集成电子部件，所述晶圆具有前段制程和位于前段制程上方的后段制程，其中前段制程包括集成电子部件或集成电子部件中的至少一个，
在背离前段制程的晶圆的侧面制造光子平台，光子平台包括至少一个波导和至少一个电光器件，特别是至少一个光电探测器和/或至少一个电光调制器。
换言之，本发明的基本思想是直接在晶圆的后段制程制造，特别是直接在其上构建具有至少一个波导和至少一个电光器件的光子平台。
在现有技术中，通常以已知的方式将晶圆理解为通过晶圆切割获得的多个芯片的部件、元件或器件，也称为晶圆碎片(德语中的Wafer-Zerkleinern)。切割或分割可以包括例如晶圆的(激光)切割或锯切或划线或断裂。在英语中，单个或单数芯片也称为裸晶，或者复数芯片也称为裸晶或管芯。应该注意的是，切割后的一些芯片也称为裸芯片或裸晶。“裸”是指芯片尚未放入封装。没有封装的“裸”芯片也称为芯片。
如果从横截面上观察晶圆，那么所述晶圆的垂直结构可以划分为不同的子区域。最低的部分是前段制程，简称FEOL，其由一个或更多个集成电子部件组成。集成电子部件例如可以是晶体管和/或电容器和/或电阻器。前段制程的上方是后段制程，简称BEOL，其通常包含各种金属平面，FEOL的集成电子部件通过这些金属平面互连。
晶圆包括多个区域，在切割/分割/统一之后，每个区域形成芯片或裸晶。这些区域在本文中也称为芯片或裸晶区域。晶圆的每个芯片区域优选地包括晶圆的单件半导体衬底的部分或局部的区域。优选地，每个芯片区域还包括一个或多个在半导体衬底的相应区域内和/或上延伸的集成电子部件，当从横截面上观察时，特别是在FEOL中。应该强调的是，芯片区域并不代表隔离的芯片，即晶圆不包括隔离的芯片。
一些(特别是所有)晶圆的芯片区域的集成电子部件可以是相同的。在这种情况下，通过切割，可以从根据本发明的器件中获得多个相同的芯片，所述芯片具有在其上(或在每种情况下的某部分)制造的光子平台。
晶圆上有一个或更多个标记，可以或必须沿着这些标记进行切割。
在本发明的背景下，甚至在将晶圆分割(切割)成单个芯片之前，光子平台能够直接在晶圆建立。因为在根据本发明的器件中，光子平台是在晶圆制造的，特别是构建的，所以随后可以仅通过切割来获得大量具有集成光子学的芯片。可以使用与在后段制程没有光子平台的常规的晶圆相同的方式进行切割。特别地，现有设备或设施可用于此目的。因此，通过合理的努力，带有光子学的单个芯片也可以批量生产。
晶圆背离正在、或将要在其上制造光子平台的前段制程的侧面也可以称为晶圆的上部的侧面。在有用的实施例中，根据本发明的器件的特征在于，在其上制造的光子平台区域在晶圆的多个(特别是每个)芯片区域的上方延伸，每个平台区域方便地包括至少一个(优选多个)波导和至少一个(优选多个)电光器件，所述电光器件连接至相应下层芯片区域的至少一个集成电子部件或电路。
光子平台有利地包括多个功能单元，特别优选的是，将延伸到各个芯片区域上方的功能单元中的至少一个(特别是恰好一个)分配给晶圆的每个芯片区域。
根据本发明，光子平台是在晶圆的后段制程制造的，特别是在(常规的)晶圆制造工艺完全完成之后。特别是在这种情况下，可以在不调整(常规的)晶圆制造步骤的情况下进行。光子平台制造也可以与(常规的)晶圆制造完全分开进行。因此，具有高度的灵活性。
集成电子部件在根据本发明的器件的晶圆的半导体衬底中和/或上延伸，具体意味着其布置在衬底内和/或直接布置在衬底。当然，可能是集成电子部件在衬底内的部分和直接在衬底上的部分中延伸，例如直接在衬底的一个或多个侧面延伸。
根据本发明的半导体器件的半导体衬底优选为单片。特别是单片衬底。衬底可以制造成数层。
半导体衬底还可以以圆周为特征。可选地或附加地，所述半导体衬底的直径可在600mm至50mm、优选500mm至100mm的范围内。示例性直径包括150mm、200mm、300mm和450mm。
光子平台是在后端制造的，与前段制程的电子设备不在同一水平上，这一事实提供了很大的优势，即光子设备不需要另外的空间(也称为“基板面”)。因此，有时存在的有限的基板面的问题在前端不会进一步恶化。
光子平台在晶圆制造，意味着其直接在晶圆制造，这包括，例如，材料直接在晶圆堆积/沉积。优选地，光子平台的特征在于包括沉积在晶圆背离前段制程的侧面的材料。因此，在根据本发明的方法中，可以设置光子平台的制造包括在背离前段制程的晶圆的侧面沉积材料。特别是，光子平台没有或尚未独立于晶圆制造，例如在另一个衬底上，然后转移到晶圆并例如通过键合键合到晶圆。相反，所述光子平台是或已经在晶圆获得的。
除了一个或更多个电光器件或它们中至少一个的部件之外，本发明的半导体器件的光子平台可能不具有键合层。
在特别有利的实施例中，光子平台包括介电材料的平坦化涂层。这优选在背离前段制程的晶圆的侧面制造。进一步优选地，可以在平坦化涂层背离晶圆的侧面制造波导或波导中的至少一个。
因此，根据本发明的方法的更详细特征在于，光子平台的制造包括制造介电材料的平坦化涂层，特别是在背离前段制程的晶圆的侧面。
根据这些实施例设置的光子平台的平坦化涂层可以形成一个或更多个光子层或平面的基础，每个光子层或平面优选地包括至少一个波导和/或至少一个电光器件。
然后，可以进一步优选地在平坦化涂层背离晶圆的侧面制造波导或波导中的至少一个。
至少一个波导的制造还可以包括施加波导材料，优选沉积或旋涂或转移，特别是在平坦化涂层背离晶圆的侧面，然后优选地对沉积的波导材料进行结构化，特别是通过光刻和/或反应离子蚀刻。例如，可以使用下文结合平坦化涂层描述的相同的沉积工艺。
如果光子平台包括设置在后段制程的平坦化涂层，则平坦化涂层不是独立于晶圆(例如在另一个衬底)制造的，然后转移到晶圆并通过键合(例如通过键合)键合到晶圆。相反，所述光子平台是或已经在其上获得的。那么也可以说平坦化涂层是单片层，特别是与晶圆成单片的层。
在进一步的详细描述中，平坦化涂层在其背离晶圆的侧面具有小于2.0nm RMS、优选小于1.0nm RMS、特别优选小于0.3nm RMS的粗糙度。例如，下限可以是0.01nm RMS。换句话说，粗糙度可以例如在2.0nm RMS到0.01nm RMS的范围内，优选在1.0nm RMS到0.01nmRMS的范围内，特别优选在0.3nm RMS到0.01nm RMS的范围内。缩写nm在此和下文中以本身已知的方式代表纳米(10-9m)。缩写RMS代表均方根。均方根粗糙度在德语中也称为“quadradische Rauheit”。
在根据本发明的器件的另一个实施例中，平坦化涂层包括或由旋涂玻璃和/或至少一种聚合物和/或至少一种氧化物(特别是二氧化硅)和/或至少一种氮化物组成。因此，根据本发明的方法可包括制造平坦化涂层，所述平坦化涂层包括或由旋涂玻璃和/或至少一种聚合物和/或至少一种氧化物，特别是二氧化硅和/或至少一种氮化物组成。
旋涂玻璃通常是液体物质，其可以通过旋涂玻璃涂层来涂覆晶圆。旋涂玻璃涂层后，层在晶圆形成，其厚度取决于表面轮廓。凹陷部因此得到部分地补偿，旋涂玻璃具有平坦化效果。旋涂玻璃通常在沉积后加热，从而形成类似玻璃的层。
可选地或附加地，可以规定，通过沉积，特别是化学气相沉积(CVD)，优选低压化学气相沉积(LPCVD)和/或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，和/或通过在背离前段制程的晶圆的侧面的涂层材料的物理气相沉积，并优选通过化学机械抛光和/或通过抗蚀剂平坦化在背离晶圆侧面对沉积材料进行后续处理来形成平坦化涂层。
在根据本发明的方法中，可以相应地规定，作为平坦化涂层制造的部分，至少一种涂层材料沉积在背离前段制程的晶圆的侧面，特别是通过化学气相沉积，优选低压化学气相沉积和/或等离子体辅助化学气相沉积，和/或通过物理气相沉积。优选地，沉积的材料随后在远离晶圆的侧面进行化学机械抛光和/或抗蚀剂平坦化，特别优选地以这样的方式，以获得小于2.0nm、优选小于1.0nm RMS、特别优选小于0.3nm RMS的粗糙度。化学机械抛光和/或抗蚀剂平坦化可以特别以这样的方式进行，即获得在2.0nm RMS到0.01nm RMS范围内、优选在1.0nm RMS到0.01nm RMS范围内、特别优选在0.3nm RMS到0.01nm RMS范围内的粗糙度。
事实证明，这些区域的粗糙度特别合适。所述粗糙度对于避免上覆的层中的应力和应变特别有利。在这方面，还参考了L.Banszerus等人的论文"Identifying suitablesubstrates for high-quality graphene-based heterostructures",2D Mater.,第4卷第2期，025030，2017。
原子力显微镜(简称AFM)可用作测定粗糙度的测量方法，特别是如EN ISO 25178所述的方法。原子力显微镜主要在本标准第6部分(EN ISO 25178-6:2010-01)中讨论，所述部分涉及粗糙度测定的测量方法。
存在各种现有技术的化学气相沉积工艺，所有这些工艺都可以用于本发明。所有这些工艺的共同点通常是引入气体的化学反应，这导致所需材料的沉积。此外，关于物理气相沉积，可以使用现有技术中已知的所有变体。仅作为实例，可以提及电子束蒸发(其中材料通过电子束熔化和蒸发)和热蒸发(其中材料通过加热器加热到熔点并蒸发到目标衬底)以及溅射沉积(其中原子通过等离子体从材料载体中脱离并沉积到目标衬底)。
作为上述沉积工艺的替代或补充，原子层沉积也是可能的。在此过程中，绝缘或导电材料(电介质、半导体或金属)按原子层顺序沉积。
在化学机械抛光中，通常通过研磨垫之间的旋转运动来抛光待抛光的物体，例如晶圆。抛光一方面通过化学方法进行，另一方面通过研磨膏进行物理处理。通过结合化学和物理作用，可以获得亚纳米尺度的光滑表面。
特别地，抗蚀剂平坦化包括单次或重复的旋涂玻璃沉积以及随后的蚀刻，优选反应离子蚀刻(RIE)。如果要对具有高度差的表面(例如SiO2表面)进行平坦化，则可以通过旋涂玻璃沉积和蚀刻来实现。旋涂玻璃涂层部分地补偿了高度差，即，在旋涂玻璃涂层后，拓扑的谷部比相邻的隆起具有更高的涂层厚度。在合适的RIE工艺中，旋涂玻璃和例如SiO2的蚀刻速率相似或相同。这里的“合适”特别是指相应地选择压力、气流、气体混合物的成分和功率。如果在旋涂玻璃涂层后用RIE蚀刻整个旋涂玻璃涂层，则高度差由于旋涂玻璃涂层的平坦化效应已减小。通过重复所述步骤，可以进一步减小高度差。沉积SiO2涂层时，必须考虑消耗的SiO2涂层厚度，以便在完成最终蚀刻步骤后达到所需的SiO2涂层厚度。应该强调的是，抗蚀剂平坦化不仅限于SiO2，还可以考虑用于其他材料。如果可以实现与旋涂玻璃类似或至少基本相同的材料蚀刻速率，则很方便。SiO2和旋涂玻璃则满足此条件。应该指出的是，例如，材料的蚀刻速率与旋涂玻璃的蚀刻速率相差2倍也是可能的，在这种情况下，通常需要数个步骤。例如，氢硅倍半氧烷(Hydrogen silsesquioxane)和/或聚合物可以作为液体材料施加(特别是旋涂)。其在随后的退火过程中玻璃化，这就是其也被称为旋涂玻璃的原因。氢硅倍半氧烷(HSQ)是一类分子式为[HSiO3/2]n的无机化合物。
在进一步有利的实施例中，光子平台包括至少一个另外的平坦化涂层。然后，平坦化涂层或(在多种情况下)另外的平坦化涂层中的至少一个可以优选地由与平坦化涂层相同的材料制成。其也可以是或以与平坦化涂层相同的方式制造。然而，这应理解为可选的而非限制性的。
另外的平坦化涂层(在多种情况下)或另外的平坦化涂层的其中一个可以在至少一个波导和/或平坦化涂层排列或制造。
在根据本发明的方法中，可以相应规定，优选在制造至少一个波导之后制造至少一个另外的平坦化涂层。所述至少一个另外的平坦化涂层的制造特别优选地包括将涂层材料涂覆(特别沉积)到所述至少一个波导和/或平坦化涂层背离晶圆的侧面。
与平坦化涂层完全类似，另外的平坦化涂层的涂层材料至少在其背离晶圆的侧面可以或已经平坦化处理，特别是化学机械抛光和/或抗蚀剂平坦化。同样，这是或已经优选地以这样的方式进行，即获得背离晶圆的侧面的粗糙度小于2.0nm，优选小于1.0nm RMS，特别优选小于0.3nm RMS。同样关于至少一个另外的平坦化涂层，优选的情况是，化学机械抛光和/或抗蚀剂平坦化以这样的方式进行，以获得在2.0nm RMS到0.01nm RMS范围内、优选在1.0nm RMS到0.01nm RMS范围内、特别优选在0.3nm RMS到0.01nm RMS范围内的粗糙度。
平坦化涂层和/或另外的平坦化涂层的制造还可以包括在平坦化处理之后将另外的涂层材料施加到处理过的侧面。处理过的侧面也可以称为上部的侧面。
此外，可以规定，平坦化涂层和/或另外的平坦化涂层或包括一个或更多个覆盖层的另外的平坦化涂层，这些覆盖层优选地设置在经过平坦化处理的表面，并且可以是例如二氯化铝层或二氯化铝异质结构，或者也可以是氮化硼层。优选沉积或转移这些材料，而不需要进一步的化学机械抛光或进一步的抗蚀剂平坦化，尽管也不排除再次进行这种处理。
当然，光子平台可以包括除一个或更多个平坦化涂层和/或一个或更多个顶涂层之外的其他层。
涂层只能包括一层或数层。所述涂层可以仅由一种材料组成，或者可以包括数种材料。例如，涂层可以具有两种或更多种不同的材料的两层或更多层。当然，涂层也可以具有多层，但是它们可以都由相同的材料制成。特别地，可以获得或存在具有多于一层的涂层，因为提供或沉积了多个层(例如多个原子层)用于制造所述涂层。
此外，同样关于根据本发明的器件的波导，这些波导没有键合到下部的涂层，而是在下部的涂层，特别是平坦化涂层，或者也在晶圆制造。例如，平坦化涂层提供或已经提供了合适的波导材料，例如在所述平坦化涂层构建或沉积，然后，如有必要，可以通过例如光刻和/或蚀刻来构造以获得波导。光刻优选地包括以本身已知的方式施加光敏抗蚀剂，特别是将其旋涂并曝光，特别是紫外光。对于未暴露的部分，可以方便地用掩模遮盖。显影后，掩模上的结构转移到抗蚀剂涂层。
波导或者波导中的至少一个或者所有波导可以嵌入涂层和/或在两个涂层之间延伸。例如，可以认为一个或更多个波导嵌入到另外的平坦化涂层或另外的平坦化涂层中的至少一个。例如，可以通过在平坦化涂层背离晶圆的侧面制造波导，然后在波导制造另外的平坦化涂层，来获得在两层涂层之间延伸并嵌入涂层中的一个或更多个波导，所述制造包括在波导以及下层的平坦化涂层的未覆盖区域施加(特别是沉积)涂层材料。
在优选实施例中，光子平台的波导或(在数个波导的情况下)波导中的至少一个包括至少一种对850nm和/或1310nm和/或1550nm波长的电磁辐射透明的材料或由此类材料组成。特别优选地，所述材料对波长范围为800nm至900nm和/或1260nm至1360nm(简称原始波段或O波段)和/或1360nm至1460nm(简称扩展波段或E波段)和/或1460nm至1530nm(简称短波段或S波段)和/或1530nm至1565nm(简称常规波段或C波段)和/或1565nm至1625nm(简称长波或L波段)的电磁辐射是透明的。这些波段在通信工程领域是已知的。
在进一步有利的实施例中，根据本发明的半导体器件的光子平台的波导或(在多种情况下)波导中的至少一个可以包括二氧化钛和/或氮化铝和/或五氧化二钽和/或氮化硅和/或氧化铝和/或氮氧化硅和/或铌酸锂和/或硅，特别是多晶硅和/或亚磷酸铟和/或砷化镓和/或砷化铟镓和/或砷化铝镓和/或至少一种二硫族化物，特别是二维过渡金属二硫族化物，和/或硫族化物玻璃和/或树脂或含树脂的材料，特别是SU8，和/或聚合物或含聚合物的材料，特别是OrmoComp，或者由这些材料中的一种或更多种组成。在根据本发明的方法中，优选地制造至少一个波导，其包括或由这些材料中的其中一种组成，或包括或由这些材料中的一种或更多种的组合组成。
至少一个波导有利地包括或由材料组成，所述材料的折射率不同于平坦化涂层和/或另外的平坦化涂层(如果存在的话)的一种或多种材料的折射率。特别是如果至少一个波导与平坦化涂层和/或另外的平坦化涂层具有公共接口。
纯示例性折射率对包括波导的3.4(Si)和平坦化涂层的1.5(SiO2)，或者在电介质的情况下，波导的2.4(TiO2)和平坦化涂层的1.5(SiO2)或波导的2(SiN)和平坦化涂层的1.47。
如果提供了至少一个另外的平坦化涂层，则其也可以适用于另外的平坦化涂层，即其由材料组成或包括折射率不同于至少一个波导材料的材料。这特别适用于与至少一个波导接触的情况，即具有或形成与后者的公共接口。
特别优选的是，波导材料的折射率比平坦化涂层和/或另外的平坦化涂层的材料的折射率大至少20％，优选至少30％。
换句话说，在这些实施例中，在至少一个波导和平坦化涂层和/或至少一个波导和另外的平坦化涂层(如果存在的话)之间已经实现或正在实现折射率对比。
波导是引导电磁波(特别是光)的元件或部件。为了引导所述电磁波，有利地提供材料的波长相关横截面，其至少对该波长是光学透明的，并且其通过折射率对比度，与对该波长也是透明的相邻材料相区别。如果周围材料的折射率较低，则会在折射率较高的区域引导光。对于狭缝模式的特殊情况，两个高折射率的区域与相对于波长较窄的低折射率区域分离，并且光在低折射率区域中被引导。为了实现低散射损耗，低侧壁粗糙度是有利的。
关于波导的尺寸，以下可能特别适用。厚度最好在150纳米到10微米的范围内。波导的宽度和长度，即平行于晶圆表面的横向范围，特别可以在100纳米和10微米的范围内。
例如，可以将一个或更多个波导设计为条形波导，其特征是具有矩形或方形横截面。可选地或附加地，一个或更多个波导可以形成为具有T形横截面的脊波导。进一步可选地或附加地，一个或更多个波导可以由开槽波导给出。
根据本发明的器件的一个或更多个波导可以(例如从横截面上看)包括数个部分或区段，并且可以形成为数个部分，例如包括或由第一区段(例如下方或左侧)和第二区段(例如上上或右侧)构成，换言之，部分或部分。一个或更多个波导区段可能具有矩形或方形横截面。如果波导包括或由两个或更多个区段组成，则这些区段可以彼此相邻或合并，也可以彼此间隔，例如形成间隙或凹槽。
根据本发明提供的光子平台有利地包括多个波导。然后可以进一步规定，至少有两个波导至少在部分中一个在另一个的上方延伸。换句话说，存在两个或更多个波导平面，或者彼此“堆叠”，由此可以进一步节省空间，并且可以获得具有扩展功能的更复杂的电路。
此外，无源结构可以由波导制成，例如多模干涉耦合器(MMI)，即基于干涉的50：50分光器，或定向耦合器，或者其中两个波导在一定长度上并排延伸并将光从一个定向耦合器入另一个的定向耦合器。例如，还可以获得Mach-Zehnder(马赫-曾德尔)干涉仪(2×50/50MMI作为分光器，中间有两个臂)。
进一步的实施例的特征在于，除了至少一个电光器件之外，光子平台还包括至少一个光学器件，特别是至少一个干涉仪，例如马赫-曾德尔干涉仪，和/或至少一个干涉耦合器，例如多模干涉耦合器，和/或至少一个定向耦合器和/或至少一个偏振转换器和/或至少一个分光器和/或至少一个环形谐振器。所述至少一个光学器件优选地包括或由一个或更多个波导和/或波导部分形成。特别地，从波导的纵向看，所述光学器件可以仅包括波导的部分或部分，即纵向部分。形成为环形谐振器的光学器件，所述光学器件有利地包括形成谐振器的优选独立、环形的波导，以及与所述波导耦合的优选直波导部分。耦合可通过定向耦合器实现，定向耦合器优选包括或由区域形成，所述区域中环形的波导和直波导部分之间的距离使得光在两者之间耦合。
因此，根据本发明的方法的特征在于制造至少一个光学器件，优选至少一个干涉仪，例如马赫-曾德尔干涉仪，和/或至少一个干涉耦合器，例如多模干涉耦合器，和/或至少一个定向耦合器和/或至少一个偏振转换器和/或至少一个分光器和/或至少一个环形谐振器。
此外，光子平台可以包括一个或更多个热光器件。这样的器件包括例如加热元件和波导的纵向的部分，加热元件相对于波导部分布置，使得其可以加热波导部分。例如，加热元件可以是当电流通过时温度升高的元件。例如，加热元件可以布置在波导的附近。通过加热元件加热波导可以改变波导的折射率。例如，这种效应可以用于相位匹配。热光器件也可以与光子平台的干涉仪相关联或构成所述干涉仪的部分。
在进一步的实施例中，光子平台在其背离晶圆的侧面具有钝化涂层和/或包层。光子平台优选地终止于钝化涂层和/或包层。换句话说，钝化涂层和/或包层形成光子平台的最后的涂层或顶部的涂层。
包层特别适合或设计为使折射率对比度稍低，使得侧壁的粗糙度不会产生太大的影响；通常损耗返回到波导中。
钝化涂层优选地用于保护装置或保护电路免受环境的影响，特别是水的影响。例如，钝化涂层可以由电介质材料组成。氧化铝(Al2O3)和二氧化硅(SiO2)已被证明是特别合适的。
上层的最终的钝化涂层有利地具有通向下层的触点的开口或中断，以实现电连接。钝化涂层中的开口或中断可以或已经通过例如光刻和/或蚀刻，特别是反应离子蚀刻获得。
反应离子刻蚀是一种干法刻蚀工艺，在所述工艺中，通常通过激发形成等离子体的特殊气体化学物质对衬底表面进行选择性和定向刻蚀。抗蚀剂掩模可用于保护不需要蚀刻的部分。蚀刻化学和工艺参数通常决定工艺的选择性，即不同材料的蚀刻速率。此性质对于限制蚀刻过程的深度至关重要，并因此将涂层彼此分开限定。
在进一步有利的实施例中，根据本发明的半导体器件的特征在于，晶圆和光子平台的后段制程包括互连元件，晶圆的集成电路或集成电路中的至少一个通过互连元件连接至光子平台的电光器件或电光器件中的至少一个。
因此，在根据本发明的方法中，在有利的进一步发展中，可以规定所提供晶圆的后段制程包括连接至前段制程的集成电路或集成电路中的至少一个的互连元件，并且互连元件在连接的光子平台中制造，所述互连元件一方面连接至后段制程的互连元件，另一方面连接至电光器件或电光器件中的至少一个。
互连元件特别可以是垂直电互连，在英文中也称为垂直互连通路，或Via或VIA。VIA通常通过光刻来限定，并使用RIE进行干法化学蚀刻。之后，优选金属化，并且通过CMP(镶嵌工艺)或通过光刻和RIE来构造金属化的表面。
互连元件有利地包括或由至少一种导电材料组成，特别是金属，例如铜和/或铝和/或钨。
在进一步的实施例中，电光器件或其至少部分也可以或已经制造在一个或更多个波导和/或背离晶圆的平坦化涂层的侧面和/或背离晶圆的另外的平坦化涂层的侧面(如果存在)。
根据本发明的半导体器件的电光器件原则上可以是设计用于产生和/或发射和/或接收光信号的任何器件。特别地，所述电光器件可以或可以是用于光学数据通信的器件，和/或光谱仪，和/或可调电光滤波器和/或开关和/或衰减器，特别是用于机器学习的器件。还可以包括非线性光学元件。
设计为滤波器的电光器件可以包括例如环形谐振器，优选地与调制器组合。
在实际实施例中，电光器件或(在多种情况下)至少一个电光器件或者每个电光器件包括至少两个触点或者接触元件，所述触点和接触元件特别用于接触有源元件，或在每种情况下用于接触具有互连元件的有源元件。
优选地，电光器件或(在多种情况下)至少一个或每个电光器件还包括至少一个有源元件。除了至少一个有源元件外，电光器件还可以包括波导的部分，特别是纵向的部分。电光器件的有源元件或其部分也可能形成波导或至少部分，特别是波导的纵向的部分。也可能数个(例如两个)有源元件或其部分一起形成波导或部分，特别是波导的纵向的部分，例如脊波导。然后，有利地，一个或多个有源元件由对至少一个波长，优选至少一个波长范围的电磁辐射透明的材料组成。优选地，然后施加至少一种材料，所述材料对850nm和/或1310nm和/或1550nm波长的电磁辐射是透明的。特别优选地，所述材料对波长范围为800nm至900nm和/或1260nm至1360nm(简称原始波段或O波段)和/或1360nm至1460nm(简称扩展波段或E波段)和/或1460nm至1530nm(简称短波段或S波段)和/或1530nm至1565nm(简称常规波段或C波段)和/或1565nm至1625nm(简称长波或L波段)的电磁辐射是透明的。
如果提供了至少一个有源元件，则优选所述有源元件包括或由至少一种材料组成，所述材料吸收至少一个波长、优选至少一个波长范围的电磁辐射，以及由于吸收和/或其折射率随电压和/或电荷和/或电场的存在改变而产生电光信号。优选地，然后适用于至少一种可以吸收波长为850nm和/或1310nm和/或1550nm的电磁辐射的材料，并由于吸收而产生光信号。特别优选地，所述材料可以吸收波长范围为800nm至900nm和/或1260nm至1360nm(简称原始波段或O波段)和/或1360nm至1460nm(简称扩展波段或E波段)和/或1460nm至1530nm(简称短波段或S波段)和/或1530nm至1565nm(所谓的常规波段或简称C波段)和/或从1565nm到1625nm(简称长波段或L波段)的电磁辐射，并且可以由于吸收而产生光信号。
材料改变其折射率应特别理解为改变其色散(特别是折射率)和/或吸收。色散或折射率通常由复折射率的实部给出，而吸收由复折射率的虚部给出。折射率随电压和/或电荷和/或电场的存在而改变的材料在本文中被理解为具有普克尔效应(Pockels effect)和/或弗兰兹-凯尔迪什效应(Franz-Keldysh effect)和/或克尔效应(Kerr effect)特征的材料。此外，具有等离子体色散效应的材料也被认为是此类材料。
用于活性元件的示例性材料是石墨烯、可能经化学修饰的石墨烯，和/或锗和/或铌酸锂和/或电光聚合物和/或硅和/或化合物半导体，例如III-V半导体和/或II-VI半导体，和/或二硫族化物，特别是二维过渡金属二硫族化物，和/或二维材料的异质结构。因此，除石墨烯之外的2D材料也是可能的，可选地和附加地。电光聚合物特别应理解为具有强线性电光系数(普克尔效应)的聚合物。强线性电光系数优选理解为等于至少150pm/V，优选至少250pm/V。电光系数至少是铌酸锂的五倍。
有不同的硫族化物。在本发明的上下文中，过渡金属二硫族化物作为二维材料，例如MoS2或WSe2，已证明是特别合适的。
应注意，铌酸锂和电光聚合物基于电光，特别是普克尔效应，即电场改变折射率(例如普克尔效施加于普克尔电池)。在锗中是弗兰兹-凯尔迪什效应，即，场使价带和导带边缘相对于彼此移动，从而改变光学性质。这些效应是基于场的效应。对于硅或石墨烯，这是基于电荷载流子的等离子体色散效应，即电荷载流子(电子或空穴)被引入光学模式区域(要么在器件中有充电的电容器，要么有耗尽和富集的结的二极管)。折射率(折射率的实部)和吸收(折射率的虚部，导致自由载流子吸收)随电荷载流子浓度而改变。
III-V半导体是由III和V主族元素以本身已知的方式组成的化合物半导体。II-VI半导体是由主族II或第12族元素和主族VI元素组成的化合物半导体。
在其他材料中，石墨烯已被证明是用于本发明的半导体器件的电光器件的有源元件的特别合适的材料。
许多材料的特征在于它们的折射率随电压和/或电荷和/或电场的存在而改变，以及它们吸收至少一种波长的电磁辐射，并由于吸收而产生光电信号。以石墨烯为例，情况就是这样。因此，石墨烯适用于光电探测器和调制器的有源元件。这也适用于二硫族化合物，例如二维过渡金属二硫族化合物，二维材料、锗、硅的异质结构以及化合物半导体，特别是III-V半导体和/或II-VI半导体。例如，铌酸锂通常仅适用于调制器。由于它是透明的，因此不具备吸收特性，因此不适用于光电探测器。
一个或更多个电光器件的至少一个有源元件可以是膜的形式。膜优选以本身已知的方式表征，其横向范围显著大于厚度。一个或更多个电光器件的至少一个有源元件还可以具有正方形横截面或矩形横截面。
一个或更多个有源元件可以包括至少一种材料的一个或多个层或涂层，所述一个或多个层或涂层的折射率改变和/或吸收，或可以从至少一种此类材料的一个或更多个层或涂层形成。特别地，可以规定，至少一个有源元件形成为包括一种或不同材料的多个涂层或层的膜。
石墨烯膜(可能是经化学修饰的石墨烯)，或由至少一层石墨烯和至少一层二硫族化物组成的二硫族化物-石墨烯异质结构，或至少一层氮化硼和至少一层石墨烯的阵列，已被证明特别合适。
例如，有源元件还可以包括或由一个或更多个硅涂层提供。在这种情况下，特别地，可以提供一个或更多个有源元件或其部分形成波导(部分)。
有源元件可以进一步掺杂或具有掺杂部分或区域，例如p掺杂和/或n掺杂或包括相应的部分或区域。还可以存在或提供p掺杂区域和n掺杂区域以及优选中间未掺杂区域。这也称为引脚转换，其中i代表本征，即未掺杂。
进一步有利实施例的特征在于，提供了具有p掺杂区和n掺杂区的有源元件，两个掺杂区彼此相邻或未掺杂区位于两者之间，并且两个掺杂区可选地与可能的中间未掺杂区一起共同形成波导或这种波导的部分。
此外，电光聚合物的元件或涂层可以设置在两个有源元件之间，例如掺杂硅的有源元件。
此外，可以规定，为了获得用于多个电光器件的有源元件，提供或曾经提供至少一个任选地在晶圆的整个横向范围上延伸的膜或涂层(具有一层或数层)，例如沉积，并且通过合适的结构化工艺，从该大的膜获得或已经获得用于多个器件的在一个平面中彼此相邻的多个较小的膜状或涂层状的有源元件，所述结构化工艺可以包括例如光刻和/或蚀刻。因此，通过相对较少的努力，可以为许多电光器件获得多个有源元件。
可选地或附加地，有源元件或有源元件中的至少一个可以是或已经由转移工艺提供。这特别意味着各个元件不是单片地在晶圆制造或在其上的涂层制造，而是单独制造然后转移，换句话说已经转移。例如，石墨烯的转移工艺在论文"Large-Area Synthesis ofHigh-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils"中描述，由李等人，Science 324，1312，(2009)和"Roll-to-roll production of 30-inch graphene filmsfor transparent electrodes"中描述，由Bae等人，Nature Nanotech 5，574-578(2010)或对于LiNbO，由论文"Integrated lithium niobate electro-optic modulatorsoperating at CMOS-compatible voltages"，Nature volume 562，第101104页(2018)描述，或者特别是对于GaAs，由论文"Transfer print techniques for heterogeneousintegration of photonic components"，量子电子学进展第52卷，2017年3月，第1-17页描述。这些方法中的其中一种也可用于本发明的上下文中，以获得一个或更多个石墨烯或LiNbO或GaAs涂层/膜。
结构化也可以遵循转移工艺。
在进一步实施例中，规定电光器件或电光器件中的至少一个由包括有源元件的调制器提供，所述有源元件包括或由至少一种材料组成，所述材料的折射率随电压和/或电荷的存在和/或电场而改变，以及包括具有或由至少一种材料组成的有源元件或电极，所述材料的折射率随电压和/或电荷的存在和/或电场或电极而变化，两个有源元件或有源元件与电极优选地彼此隔开，并且彼此错开地排列，使得它们在部分中一个位于另一个的上方。一个或两个有源元件的至少一种相应材料可以是石墨烯和/或至少一种二硫族化物，特别是二维过渡金属二硫族化物，和/或二维材料的异质结构和/或锗和/或铌酸锂和/或至少一种电光聚合物和/或硅和/或至少一种化合物半导体，特别是至少一种III-V半导体和/或至少一种II-VI半导体。
换句话说，一个有源元件和一个常规电极足以作为两个有源元件的替代品。特别地，电极不包括折射率变化的至少一种材料，或者不包括这种材料，而是包括至少一种导电材料。如果提供电极而不是其中一个有源元件，则其可以是膜的形式，可能具有多层，例如单层或多层金属膜，类似于有源元件。
同样在调制器的情况下，有源元件优选包括石墨烯、任选化学修饰的石墨烯和/或至少一种二硫族化物，特别是二维过渡金属二硫族化物，和/或二维材料和/或锗和/或铌酸锂和/或至少一种电光聚合物和/或硅的异质结构和/或至少一种化合物半导体，特别是至少一种III-V半导体和/或至少一种II-VI半导体。
优选地，两个有源元件或一个有源元件与电极彼此相隔一定距离和/或彼此错开地排列，使得它们在部分中一个位于另一个的上方。换句话说，然后一个有源元件的部分与另一个有源元件或电极的部分对齐或重叠，如果必要的话，甚至没有这些接触。优选地，至少在位于另一个上方的区域中，换句话说，在重叠区域中，两个有源元件或有源元件与电极或电极的至少部分至少基本上彼此平行地延伸。
此外，在具有一个或两个有源元件和常规电极的调制器的情况下，还可以将各自的有源元件或一个有源元件和电极形成为膜。
电光调制器特别可以用于光信号编码。电光调制器也可以设计成环形调制器。
可选地或附加地，电光器件或电光器件中的至少一个可以由包括一个、优选正好一个有源元件的光电探测器给出，所述有源元件包括或由至少一种材料组成，所述材料吸收至少一个波长、优选至少一个波长范围的电磁辐射，并且由于吸收而产生光电信号，特别是石墨烯和/或至少一种二硫族化物，特别是二维过渡金属二硫族化物，和/或二维材料和/或锗和/或硅的异质结构和/或至少一种化合物半导体，特别是至少一种III-V半导体和/或至少一种II-VI半导体。
在光电探测器中，至少一种电光活性材料用于吸收光。
特别是，光电探测器可用于将信号从光学世界转换回电子世界。
电光器件或至少一个电光器件(在调制器和检测器的情况下)可以进一步设计或者(在根据本发明的方法的情况下)通过等离子体耦合制造。
然后，有利地，在有源元件或有源元件中的至少一个或其上方设置至少一个等离子体结构，所述等离子体结构包括或由等离子体活性材料(优选金和/或银和/或铝和/或铜)组成。等离子体结构优选地包括至少一对彼此相邻排列并且包括或由等离子体活性材料组成的等离子体元件。等离子体元件的特征可以是在各自的其他等离子体元件的方向逐渐变细的部分。例如，等离子体元件的特征可以是三角形。
优选地在调制器的情况下，也可以提供细长的等离子体元件。细长的等离子体元件可以/已经至少基本上平行于波导布置。然后，换句话说，光学和等离子体波导平行引导通过有源元件，如朱等人在"Efficient electro-optic modulation in low-lossgraphene-plasmonic slot waveguides"中所述，光学通信(2019)，doi:https://doi.org/10.1016/j.optcom.2019.124559.
特别是包括石墨烯的光电探测器的响应度可以通过等离子体增强吸收来增强。例如，等离子体结构在石墨烯通道上制造，并作为有源元件设置在波导，如马等人在"Plasmonically Enhanced Graphene Photodetector Featuring 100Gbit/s DataReception,High Responsivity,and Compact Size"所述，ACS Photonics 2019,6，第154至161页(2018)。等离子体结构中的共振密度波动由光学模式激发。这种电子分布的集体运动称为等离子激元，并在等离子激元结构中传播。与光学模式相比，其特点包括更高的电场强度。这使得石墨烯或一般的吸收材料具有更强的吸收能力。
进一步实施例的特征在于，在有源元件或有源元件中的至少一个的至少一个侧面设置波导，所述波导具有沿有源元件或至少一个有源元件的方向逐渐变细的末端部分，优选终止于尖端。逐渐变细的末端部分可以延伸到有源元件或至少一个有源元件。可选地或附加地，接触元件可以设置在逐渐变细的部分的两侧中的每个侧面，所述接触元件连接至有源元件，并且具有在相反方向逐渐变细的部分，并且与波导的逐渐变细的末端部分相邻。
还可以规定，在有源元件或至少一个有源元件的两侧，在每种情况下，波导具有在有源元件的方向逐渐变细的末端部分，优选终止于尖端。那么其可以施加于两个末端部分，所述末端部分向上延伸到有源元件或至少一个有源元件。此外，在各个逐渐变细的部分的两侧，在每种情况下都可以设置接触元件，接触元件连接至有源元件或至少一个有源元件，并且具有锥形的部分，所述锥形的部分位于波导的各个逐渐变细的末端部分旁边，并沿相反方向逐渐变细。可以设置两个接触元件，每个接触元件具有两个加宽部分(优选地在相对侧并且每个末端部分具有一个)。接触元件的各个加宽部分优选地遵循各自波导末端部分的锥度。可以这样，在有源元件的方向上，逐渐变细的波导末端和在两侧与其相邻的加宽接触元件部分之间的距离保持不变。但是，至少在一定程度上也可能增加或减少。
特别地，在此实施例中，还可以规定有源元件包括或由至少一种电光聚合物组成(也参见Koos等人的出版物"Silicon-Organic Hybrid(SOH)and Plasmonic-OrganicHybrid(POH)Integration"，光波技术杂志，第34卷，第2期，2016)。
换句话说，在吸收材料下方没有波导的情况下，也可以发生等离子体耦合，即发生光学模式到等离子体模式的转换，然后等离子体模式与吸收材料相互作用。这也在丁,Y.、程,Z.、朱,X.等人的出版物"Ultra-compact integrated graphene plasmonicphotodetector with bandwidth above 110GHz"中描述了(在光电探测器的背景下)，纳米光子，doi:10.1515/nanoph-2019-0167。在调制器方面，进一步参考丁等人的出版物"Efficient electro-optic modulation in low-loss graphene-plasmonic slotwaveguides"，纳米尺度，2017，9，15576。
特别地，作为电光器件的调制器可以替代地或附加地进一步包括两个有源元件，每个有源元件由硅膜或涂层给出。例如，所述有源元件可以是一个涂层或者是包括或由多晶硅组成的膜，可以是一个包括或由晶体硅组成的膜。也可以是两个均包括或由多晶硅组成的有源元件。在这两个有源元件中，一个优选p掺杂，另一个优选n掺杂。不同的掺杂会产生电容。然后，优选地将两个有源元件彼此偏移排列，使得它们在部分中重叠。然后，重叠区域优选地形成波导或波导部分。通过施加电压，可以改变波导或波导部分的区域的电荷载流子浓度，即在光学模式的操作中，从而可以对光信号进行编码。M.Webster等人于2014年在巴黎第11届第四组光子学国际会议(GFP)上发表的论文"An efficient MOS-capacitorbased silicon modulator and CMOS drivers for optical transmitters"的第1-2页中也描述了相应的硅基调制器，doi:10.1109/Group4.2014.6961998。
当电光器件或电光器件中的至少一个是或变成调制器时，可以进一步设置其包括二极管或电容器。特别地，其可以是集成的III-V半导体调制器，如Hiaki的论文"Heterogeneously integrated III-V/Si MOS capacitor Mach-Zehnder modulator"，Nature Photonics第11卷，第482-485页(2017)中所述。
如果已经为电光器件或至少一个电光器件提供了二极管，则所述二极管可以包括例如多个不同成分(例如InGaAsP)的涂层，特别是用于创建pn结和两个接触区域。
例如，可以在平坦化涂层背离晶圆的侧面、或者在特别是在波导制造的另外的平坦化涂层设置一个或更多个电光器件的有源元件和电极(如果适用的话)。各个元件可以分别连接至侧面或相对侧的触点或接触元件。触点或接触元件可以通过互连元件(特别是VIA)从前段制程连接至一个或更多个电子部件。互连元件(特别是VIA)，可以穿过平坦化涂层、另外的平坦化涂层(如果存在)和半导体衬底延伸至一个或多个电子元件。通过连接可方便理解为导电连接。
应注意的是，特别是在只有一个有源元件的探测器的情况下，可以设置有源元件(特别是用于与前段制程的一个或多个电子元件连接)与两个触点或接触元件接触，优选在相对侧，并且在具有两个有源元件或一个有源元件和一个电极的调制器的情况下，适用于每个这些元件(特别是用于连接来自前段制程的一个或多个电子元件)都与一个触点或接触元件接触。优选情况是在那些末端区域，或在背离元件在部分中重叠的区域的末端。
也可能在一个或更多个波导背离晶圆的侧面设置至少一个有源元件。这提供了有源元件更靠近波导的优点。然后，有源元件和波导中的光学模式之间可以实现更多相互作用。此外，由于在这种情况下不需要另一个平坦化涂层，因此可以获得更短的组件，并且需要更少的工艺步骤。
在另一个实施例中，有源元件设置在一个或更多个控制电极背离晶圆的侧面，优选地设置在一个或更多个控制电极背离晶圆的侧面，控制电极或这些控制电极依次在一个或更多个波导背离晶圆的侧面制造。
应当注意，元件背离晶圆的侧面也可以称为其上部的侧面。例如，平坦化涂层、另外的平坦化涂层、波导、波导基座、沉积材料、石墨烯膜、控制电极和/或光子平台背离晶圆的侧面也可以称为上部的侧面。
对于具有两个有源元件或一个有源元件和一个电极的调制器，还可以在两个有源元件之间或有源元件和电极之间设置钝化涂层。钝化涂层有利地由介电材料组成。因此，所述钝化涂层也可以称为介电涂层。其可以同时形成蚀刻保护。氧化物或氮化物是特别适合这种涂层的材料。氧化铝、氮化硅和氧化铪被证明是特别合适的。如果在两个有源元件或有源元件和电极之间提供钝化涂层，则优选地存在具有有源元件、钝化涂层和有源元件或电极的三明治状结构，两个有源元件或有源元件和电极优选地彼此横向偏移。
还可能的是，至少一个电光器件的有源元件和电极(如果有的话)在一个或更多个波导的部分延伸，并且在一个或更多个平坦化涂层或另外的平坦化涂层或一个或更多个控制电极的部分延伸。
此外，有可能至少部分地，也可能完全地，在波导内或波导中的至少一个内或在波导的两个部分之间设置一个或更多个有源元件。
有源元件或有源元件中的至少一个相对于至少一个波导有利地布置，使得其至少部分暴露于由波导引导的电磁辐射的倏逝场。优选地，至少一个有源元件布置在距离至少一个波导小于或等于50nm、更优选小于或等于30nm的距离处，例如距离10nm。
在波导中，电磁辐射的部分，特别是光，在波导外被倏逝地引导。波导的界面是介电的，因此强度分布由麦克斯韦指数衰减边界条件描述。如果在倏逝场中将电光活性材料(例如石墨烯)带到波导或波导附近，光子可以与所述电光活性材料，特别是石墨烯相互作用。
光电探测器方便地具有包括或由至少一种此类材料和两个触点组成的有源元件。
石墨烯中有四种效应会导致光电流。一种是测辐射热效应，根据所述效应，吸收的能量会增加石墨烯的电阻并减少施加的直流电流。直流电流的变化即为光信号。另一种效应是光电导性。这里，由于电阻与电荷载流子浓度成比例，因此吸收的光子导致电荷载流子浓度增加，并且额外的电荷载流子降低石墨烯的电阻。施加的直流电流增加，其改变就是光信号。还存在热电效应，根据所述效应，由于p和n区域的不同塞贝克系数，热电电压由pn结与该结处的温度梯度产生。温度梯度由吸收的光信号的能量产生。这个热电电压就是信号。第四个效应是由于在pn结处激发的电子-空穴对被分离。产生的光电流就是信号。
如上所述，在调制器的情况下，可以设置电气控制电极和为此目的适当绝缘的有源元件，包括或由至少一种材料组成，所述材料(特别是石墨烯)的折射率随电压或电荷或电场的改变而改变，或者电极也可以由相应的材料(特别是石墨烯)制成，因此在操作中，两个有源元件在倏逝场中结合在一起，并执行电光功能。例如，石墨烯可以通过控制电压改变其光学特性。在石墨烯-电介质-石墨烯的排列特别有利的情况下，会产生电容，并且石墨烯的两个膜相互影响。电压对由石墨烯电极构成的电容进行充电，所述石墨烯电极形成两个有源元件，并且电子占据石墨烯中的状态。这导致费米能量(晶圆中最后占据状态的能量)向更高能量(或由于对称性而向较低能量)转移。当费米能量达到光子能量的一半时，它们就不再被吸收，因为吸收过程所需的自由态已经被占据了正确的能量。因此，在这种状态下，石墨烯是透明的，因为吸收被禁止。通过改变电压，石墨烯在吸收和透明之间来回切换。通过调制连续发光的激光束的强度，可用于信息传输。同样，折射率的实部随控制电压而改变。通过改变电压，可以通过改变折射率来调制激光器的相位，从而实现相位调制。优选地，在一个范围内操作相位调制，在所述范围内，所有状态都占据了光子能量的一半以上，使得石墨烯是透明的，并且折射率的实部显著偏移，并且吸收的改变起较小的作用.
电光器件或至少一个电光器件还可以包括至少一个、优选两个栅极电极。特别地，在实施为光电探测器的电光器件的情况下，两个栅极电极可以优选地分配给有源元件。然后，优选地以这样的方式实施和布置，即可以通过这些栅极电极来调节有源元件(例如石墨烯膜)中的电荷载流子浓度，从而可以获得例如pn跃迁。然后，栅极电极优选地排列在与有源元件的适当距离处，并例如通过介电涂层与有源元件电绝缘。可以将有源元件设置在介电涂层，并且栅极电极布置在所述介电涂层。
进一步特别有利的实施例的特征在于，根据本发明的半导体器件，特别是其光子平台，包括至少一个耦合装置，所述耦合装置与至少一个(优选恰好一个)波导相关联。然后，(各自的)耦合装置方便地用于将电磁辐射(特别是在红外和/或可见波长范围内的电磁辐射)耦合入与(各自的)耦合装置相关联的光子平台的至少一个波导，和/或用于将电磁辐射(特别是在红外和/或可见波长范围内的电磁辐射)耦合出与(各自的)耦合装置相关联的光子平台的至少一个波导。为此，可以适当地实施和安排所述耦合装置。应该注意的是，对于硅光子学而言，由于带隙，其通常仅适用于红外波长范围，因为所有短于1100nm的波长都被硅吸收。这通常不是电介质的情况，电介质在可见波长范围内也是透明的，这就是它们非常适合用于光谱学的原因。
特别优选地，耦合装置或耦合装置中的至少一个的实施和布置使得电磁辐射(特别是在红外和/或可见波长范围内的电磁辐射)可以通过其从光纤耦合入光子平台的波导中的至少一个，和/或所述电磁辐射(特别是在红外和/或可见波长范围内的电磁辐射)可以通过其从光子平台的波导中的至少一个耦合入光纤。光纤通常具有比波导更大的直径，并且耦合装置将进一步优选地配置为在这种情况下能够实现耦合入和/或出。
耦合装置可以包括与之相关联的波导的部分(特别是末端部分)，例如朝向末端逐渐变细或加宽的末端部分。
在进一步的详细描述中，至少一个耦合装置可以具有至少一个光栅结构，然后特别地以其第一衍射顺序位于相关波导的方式设计和布置所述光栅结构。这种耦合装置也可以简称为光栅耦合装置或光栅耦合器。关于光栅耦合器的设计和操作，还应参考"CMOS-compatible high efficiency double-etched apodized waveguide grating coupler"一文，Optics Express 21，7868-78742013。
如果至少一个耦合装置由光栅耦合器提供，则进一步优选其包括反射器或为其分配反射器。反射器特别适合，因为其布置方式可以实现最大耦合。如果没有反射器，由于存在折射率跳变，后段制程和平坦化涂层之间的界面通常自动形成反射器。如果设置了光栅耦合器，反射器也特别有利，因为这种情况(与界面的情况相比)是精确限定的。例如，金属箔或薄金属涂层或介电涂层堆栈可以用作反射器，从而创建布拉格反射器。
优选地在平坦化涂层布置反射器。反射器可以由金属(例如铝)组成，和/或具有矩形形状和/或略大于光栅耦合器和/或布置在距光栅耦合器适当距离处，优选地在其下方。
可选地或附加地，耦合装置中的至少一个可以设计为侧面耦合装置(简称为侧面耦合器)。然后，耦合装置有利地具有至少一个耦合元件，所述耦合元件以这样的方式实现和布置，所述方式即电磁辐射可以侧向耦合入所述耦合元件和/或电磁辐射可以侧向耦合出所述耦合元件。侧向特别是指相对于晶圆的横向范围的侧向，特别是相对于背离前段制程的晶圆的侧面的侧向。
关于光栅耦合器的设计和操作，也可参考论文"Ultra-low-loss inverted tapercoupler for silicon-on-insulator ridge waveguide"，光学通讯第283卷，第19期，2010年10月，第3678-3682页。
光栅耦合装置还可以以这样的方式设计和布置，所述方式即，要耦合入的电磁辐射可以从(斜)上方入射，特别是入射到其光栅，或者要耦合出的电磁辐射从(斜)上方耦合出，特别是从其光栅。还可以优选地以这样的方式实施和布置，使得耦合可以相对于背离根据本发明的晶圆或器件的前段制程的侧面的垂线，以0°至30°范围内的角度(特别是10°)发生。
与侧面耦合器相比，辐射从(斜)上方进入或离开的光栅耦合器通常具有以下优点，即可以在切割之前检查其功能。另一方面，在侧面耦合器的情况下，电磁辐射要进入或要离开的元件的侧面或边缘可能直到切割之后才暴露，因此只能在切割后进行测试。
在进一步发展中，可以设置至少两个耦合装置，至少一个是侧面耦合装置(简称为侧面耦合器)，至少一个是光栅耦合装置(简称为光栅耦合器)。如果提供了两种类型的耦合器，则可以在制造过程中使用光栅耦合器来测量部件，然后在一切准备就绪时使用侧面耦合器。优选地，至少一个波导具有与之相关联的两个耦合器，其中一个为一种类型，另一个为一种类型。
一个或多个耦合器件优选地与它们相关联的至少一个波导一起制造。制造方法可以包括：通过光刻法(类似于波导)限定它们，并通过蚀刻(特别是干化学蚀刻)来结构化。
本发明还涉及用于制造至少一个半导体装置的方法，所述装置中设置了根据本发明的半导体器件并将所述器件碎片化(即切割)。通过分割/切割，获得至少一个芯片，通常是多个芯片，其上构建有光子学，每个芯片代表根据本发明的半导体装置。例如，这个“裸”芯片或这些带有光子学的“裸”芯片可以分别插入封装。应当注意，根据本发明的半导体装置包括具有集成电路的常规芯片和构建在其上的光子平台的部分，其又可称为芯片。
本发明的另一个目的是提供一种通过分割(换言之切割)根据本发明的半导体装置而获得的半导体器件。
通过切割根据本发明的半导体器件获得的根据本发明的半导体装置，其特征在于光子平台或其中的部分的横向范围至少基本上与下层的芯片或半导体衬底的横向范围一致。光子平台或其部分与下层的衬底一样，通过切割获得其形状和延伸。
可以设置包围半导体装置的外壳。在这种情况下，优选前段制程所在的装置侧面与外壳内部接触。
附图说明
关于本发明的实施例，还参考从属权利要求和下面参照附图对几个实施例的描述。
如图所示：
图1以纯示意图示出根据本发明的半导体装置的实施例的俯视图；
图2以纯示意图示出图1的半导体装置的局部剖视图；
图3以纯示意图示出图2、图4和图5中的光探测器的俯视图；
图4以纯示意图示出根据本发明的半导体器件的第二实施例的局部剖视图；
图5以纯示意图示出根据本发明的半导体器件的第三实施例的局部剖视图；
图6以纯示意图示出根据本发明的半导体器件的第四实施例的局部剖视图；
图7以纯示意图示出根据本发明的半导体器件的第五实施例的局部剖视图；
图8以纯示意图示出根据本发明的半导体器件的第六实施例的局部剖视图；
图9以纯示意图示出图8调制器的俯视图；
图10以纯示意图示出根据本发明的半导体器件的第七实施例的局部剖视图；
图11以纯示意图示出根据本发明的半导体器件的第八实施例的局部剖视图；
图12至图16以纯示意图示出半导体器件的电光器件的有源元件可能接触的五个示例；
图17以纯示意图示出根据本发明的半导体器件的第九实施例的局部剖视图；
图18以纯示意图示出根据本发明的半导体器件的第十实施例的局部剖视图；
图19以纯示意图示出根据本发明的半导体器件的第十一实施例的局部剖视图；
图20以纯示意图示出根据本发明的半导体器件的第十二实施例的局部剖视图；
图21以纯示意图示出具有等离子体耦合的光电探测器的第一实施例的俯视图；
图22以纯示意图示出具有等离子体耦合的光电探测器的第二实施例的俯视图；
图23以纯示意图示出具有等离子体耦合的调制器的实施例的俯视图；
图24以纯示意图示出侧面耦合装置的示例的俯视图；
图25为图24的侧面耦合装置的剖面示意图；
图26以纯示意图示出光栅耦合装置的示例的俯视图；
图27为图26所示的光栅耦合装置的剖面示意图；
图28示出了用于制造根据图1的装置的方法的步骤；
图29以纯示意图示出根据本发明的三个半导体器件的俯视图；和
图30为通过根据图29的发明的半导体装置的纯示意性剖面图。
在附图中，相同的部件或元件用相同的附图标记进行标记。
具体实施方式
图1以纯示意图、高度简化的表示方式示出了根据本发明的半导体器件的俯视图。这包括晶圆1，所述晶圆也可以在根据图2的局部剖视图中的截面中看到，并且所述晶圆包括单件硅衬底2和多个集成电子部件3，在所示示例中，所述集成电子部件3延伸到半导体衬底2中。集成电子部件3，特别地可以是晶体管和/或电阻器和/或电容器，在示意图2中仅以简化的方式由带有附图标记3的阴影线表示。在衬底2中的相应位置，以充分已知的方式生产大量集成电子部件3。这些集成电子部件也可以是处理器的部件，例如CPU和/或GPU，或者以同样已知的方式形成此类部件。
晶圆1是一种部件或器件，从所述部件或器件中能够以现有技术中充分已知的方式通过(晶圆)切割获得多个芯片，这在德语中也称为“Wafer-zerkleirnn”。例如，可以通过(激光)切割或锯切或划线或破坏晶圆1来执行切割或分割。因此，晶圆包括多个区域，每个区域在切割后形成芯片。称这些区域为芯片区域4。
在图1中，这些仅用细线示意性地表示。晶圆1的每个芯片区域4包括单片半导体衬底2的部分或部分的区域，并且通常包括至少一个(优选数个)集成电子部件3。根据晶圆1的设计(取决于具体施加情况)，例如，可以在每个芯片区域4设置多达十个或者甚至数十个、数百个或者数千个集成电子部件3。这些集成电子部件可以彼此相邻排列和/或相互重叠。
晶圆1具有前段制程(简称FEOL)5以及上覆的后段制程(简称BEOL)6，在前段制程5布置有多个集成电子部件3，在后段制程6中或经由后端制程6，前端制程5的集成电子部件3通过不同的金属平面互连。FEOL 5中的集成电子部件3和BEOL 6中的相关互连以充分已知的方式形成晶圆1的集成电路。FEOL 5有时也称为晶体管前端，BEOL也称为金属后端。金属平面包括多个互连元件7，在本例中由所谓的VIA给出，VIA是垂直互连通路的缩写。VIA 7由金属制成，例如铜、铝或钨。
所描绘的半导体器件1还包括光子平台8，如在根据图2的剖面图中可以清楚地看到的，光子平台8位于晶圆1的上方，并且根据本发明，已经在晶圆1的后段制程6制造了光子平台8，特别是直接构建在晶圆1。应当注意，图1中的芯片区域4用细线表示，因为在俯视图中芯片区域4位于光子平台8的下方。
在所示实施例中，晶圆1的特征在于直径为200mm。这也是光子平台8和半导体器件作为一个整体的直径(参见图1)，这一整体包括晶圆1和在晶圆1上方制造的光子平台8。根据图2的局部剖视图在垂直方向上显示了根据图1的整个装置，所述装置具有叠加的部件或涂层或元件，但在水平方向上仅显示了所述装置的非常小的部分，具体为仅是芯片区域4之一的小部分或部分，这与所述装置在水平方向上的整体范围相比是很小的。这同样适用于其他局部剖视图。在本例中，芯片区域4在平面图中以矩形为特征，在每种情况下，边缘长度在一个方向为2mm，在另一个方向为3mm。应注意的是，在纯示意图1中将其表示为正方形仅出于简化的原因。
从图2可以看出，根据本发明提供的光子平台8包括平坦化涂层10，所述平坦化涂层10已在晶圆1背离前段制程5的侧面9制造，并由介电材料制成。在本例中，平坦化涂层10由二氧化硅(SiO2)组成，尽管这被理解为示例性的，也可以使用其他材料。
在所示的实施例中，平坦化涂层10是通过在前段制程5的晶圆1的侧面9沉积相应的涂层材料(此处为SiO2)，并随后在背离晶圆1的侧面11对沉积的材料进行平坦化处理而获得的涂层。平坦化涂层10的特征在于0.2nm RMS粗糙度，这是由于在其背离晶圆1的侧面11的处理，因此这可以理解为实例。
在所示实例中，平坦化涂层10延伸至背离前段制程5的晶圆1的整个侧面9。平坦化涂层10的材料已沉积在晶圆1背离前段制程5的侧面9的整个表面。其特征在于直径至少基本上对应于晶圆1的直径。
光子平台8还包括在背离晶圆1的平坦化涂层10的侧面11制造的多个波导12。电介质，优选在所示实施例中也使用的二氧化钛，特别适合作为波导材料。可选地或附加地，波导12可以由氮化铝和/或五氧化二钽和/或氮化硅和/或氧化铝和/或氮氧化硅和/或铌酸锂制成，或者也可以由诸如硅、磷化铟、砷化镓、砷化铟镓等半导体制成，可以提供砷化铝镓或二硫族化物或硫族化物玻璃或聚合物，例如SU8或OrmoComp。
波导12的典型尺寸为厚度在150nm至10μm之间，而平行于晶圆表面的横向延伸，宽度在100nm至10μm之间。纯粹作为示例，可以提及300nm的厚度和1.1μm的宽度。波导12的具体尺寸可以变化。特别地，所述波导12的宽度根据它们所执行的功能而变化。
在本例中，光子平台8还包括另外的平坦化涂层13，所述平坦化涂层13由与平坦化涂层10相同的材料组成，即在本例中也由SiO2组成。另外的平坦化涂层13的特征在于在其背离晶圆1的侧面14具有对应于平坦化涂层10粗糙度的粗糙度。应该强调的是，平坦化涂层10和另外的平坦化涂层13(如在本例中)的特征在于，在它们背离晶圆1的侧面11以及侧面14分别具有相同的材料、相同的范围和相同的粗糙度，但这不是必需的，因此不应理解为限制性的。
光子平台8还包括多个电光器件15，所述电光器件15特别可以是光电探测器和/或调制器。在所示实施例中，光子平台8包括多个光电探测器15和多个调制器15。
图2示意性地示出了一个电光器件的实例，具体地说是光电探测器15。图3再次仅示意性地示出了图1的设备的部分的俯视图，具体为图2的光电探测器15的俯视图。
图4和图5示出了根据本发明的半导体器件的进一步实施例的示例性局部剖视图，所述局部剖视图在平面图中对应于图1的平面图，并且在每种情况下都可以看到光电检测器15和下面的波导12，由此在每种情况下光电检测器15和/或波导12都可以替换图2的光电检测器和/或波导12。应当注意，图3的示意图也对应于图4和图5的检测器15，但仅示出了具有T形横截面的波导的上部狭窄部分(参见图4和图5)。
图6和图7示出了根据本发明的半导体器件的进一步实施例的局部剖视图。这里，光电探测器15也作为电光器件提供，其结构不同于图2、4和图5中的电光器件。
图8、图10和图11示出了根据本发明的半导体器件的进一步实施例的局部剖视图，在每个实施例中都可以看到实施为调制器15的电光器件。图9示出了图8的调制器15的俯视图。
根据图2以及图4至图7的光电探测器15每个都包括有源元件16，所述有源元件16由吸收至少一个波长(优选至少一个波长范围)的电磁辐射的材料制成，并且由于吸收而产生光电信号。在图2和图4至图7的实例中，光电探测器15的每个有源元件16都由石墨烯膜16给出。石墨烯还可以根据电压和/或电荷和/或电场来改变其折射率(折射率和/或吸收率)。有源元件16也可能由包括或由至少一种其他材料组成的膜给出，例如，包括或由包括至少一层石墨烯和至少一层二硫族化物的二硫族化物-石墨烯异质结构组成的膜，或者包括至少一层氮化硼和至少一层石墨烯的膜。有不同的硫族化物，这里过渡金属二硫族化物作为二维材料，例如MoS2或WSe2是特别合适的。
作为比较，图2和图4中所示的布置仅在波导12的形状上有所不同。尽管图2示出了具有矩形横截面的条形波导12，但是与图5一样，图4示出了具有T形横截面的脊波导12，所述脊波导12具有较窄矩形横截面的第一上层的波导区段12a和明显较宽矩形横截面的第二下层的波导区段12b。图5的实例与图4的实例不同之处在于，此处未提供另外的平坦化涂层13。应当注意，例如，根据图2的实施例中的波导12可以替代地实施为所谓的缝隙波导，其具有彼此隔开的两个波导段以形成缝隙或间隙。如果波导12包含一个以上的区段12a、区段12b，则可以适用于所有区段是由相同的材料制成的，如这里的情况。然而，这不一定适用；这些区段也可以包括不同的材料或由不同的材料组成。
在图2、图4和图5所示的实例中，在每种情况下，各个电光器件15的石墨烯膜16延伸至图中可见的波导12的纵向的部分的上方。这也可以容易地从图3所示的俯视图中看出。在根据图2和4的示例中，在每种情况下，石墨烯膜或一个石墨烯膜16、石墨烯膜16a都在背离晶圆1的另外的平坦化涂层13的侧面14制造或设置。可以看出，在每种情况下，石墨烯膜16都在后者的另外的平坦化涂层13的梯形截面的区域内延伸，特别是由于抗蚀剂的平坦化。在图5所示的实例中，石墨烯膜16直接位于波导12。
图6和图7所示的示例与图2、图4和图5不同，石墨烯膜16延伸到各自波导12的内部(图6)或下方(图7)而不是上方。就波导12的形状而言，它们再次形成为具有T形横截面的脊波导12。因此，图6示例的波导12包括第一上层的波导区段12a、中间12b和下层的波导区段12c。所有波导区段12a、12b、12c都具有矩形横截面，中间和下层的区段12b、12c明显更宽。中间波导区段12b在石墨烯膜16设置，并用作石墨烯膜16的钝化涂层和波导区段12b(也可称为波导板)。在本例中，也用作钝化涂层的区段12b由氧化铝制成。可选地或附加地，所述区段12b也可以包括或由二硫族化物和/或二硫族化物异质结构和/或SiO2和/或氮化硼组成。另外的两个区段12a、区段12c例如也可以包括或由氧化铝或二氧化钛组成。
图7中的实例与图6中的实例的不同之处在于没有下层的波导区段12c。石墨烯膜16在此直接布置在平坦化涂层10的背离晶圆5的侧面11。
特别是在实施为光电探测器15的电光器件的情况下，两个栅极电极也可以分配给有源元件16。然后，优选地以这样的方式实施和布置，即可以通过这些栅极电极调节有源元件(在此情况下为石墨烯膜16)中的电荷载流子浓度，从而可以获得例如pn结。例如，栅极电极可以布置在石墨烯膜16的上方，并通过介电涂层与石墨烯膜16电绝缘。
根据图8、图10和图11的调制器15各自包括两个有源元件，具体地说是下层的16a和上层的16b，其各自由石墨烯膜16提供。对于调制器15也是如此，有源元件也可以以不同方式实施，例如作为包括或由至少一种其他材料组成的膜。两个石墨烯膜16a、16b彼此相隔一定距离延伸，并且彼此不电接触。相反，它们通过介电材料的中间涂层17彼此电绝缘，所述介电材料优选氧化物或氮化物，目前为氧化铝。介电涂层17还用作钝化和蚀刻保护或阻挡。如图2和图6的比较所示，除了图8的调制器15包括第二有源元件16b并且设置了附加的介电涂层17之外，这些排列是相同的。
两个石墨烯膜16a、16b彼此偏移布置，使得它们在部分中彼此覆盖或重叠(不接触)。在重叠区域中，进一步施加两个石墨烯膜16a、16b或其相应部分至少基本上彼此平行地延伸。应该指出的是，调制器15包括两个有源元件16a、16b，另一种选择是提供由导电材料(例如铜或铝)制成的电极，而不是其中一个有源元件。
在图8所示的例子中，下方的石墨烯膜16a(就像图2和图4的检测器的单层石墨烯膜16一样)设置在另外的平坦化涂层13的侧面14，同样在波导12上方的梯形的部分的区域中。第二上层的石墨烯膜在介电涂层17的背离晶圆5的侧面18延伸。
与图2、图4和图5中的各种实例类似，图8、图10和图11中的实例也有本质上的不同，因为波导12的特征在于其具有不同的形状，并且没有第二平坦化涂层13，这在图10和图11中都没有。虽然图8的实例包括条形波导12，但根据图10和图11的实例分别包括具有T形横截面或轮廓的脊波导12。从横截面上看，图10中的波导包括四个波导区段12a、12b、12c、12d，而图11中的波导包括三个区段12a、12b、12c。所有区段12a至12d均具有矩形横截面，尽管从图中可以看出，上层的区段12a(类似于图4和图5)的宽度明显小于下层的区段12b、12c以及图11的情况下的12d。在所示的实例中，两个或三个下层的区段12a、12b、12c各自的特征在于相同的宽度。图10中波导12的区段12d也可视为波导基座。
在图11的例子中，下方的石墨烯膜16a在此处的单个平坦化涂层10和位于平坦化涂层10的脊波导12的区段12c之间延伸，并且上部的石墨烯膜16b在区段12b和区段12c之间延伸。因此，上部的石墨烯膜16b在波导12内延伸。下部的石墨烯膜16a在平坦化涂层背离晶圆5的侧面11制造或设置，上部的石墨烯膜16b在区段12c制造。
光子平台8的所有探测器15和调制器15的有源元件16、16a、16b中的每一个都相对于图中可识别的各个波导12进行排列，并与之相关，使得它们至少部分地暴露在由各个波导12引导的电磁辐射的倏逝场。优选地，各个有源元件16、16a、16b的至少部分从各个波导12以小于或等于50nm、优选小于或等于30nm的距离延伸。例如，可以看出，在图2中，波导12和石墨烯膜16之间的另外的平坦化涂层13相对于其在剩余区域中的厚度相应地薄或“变薄”。
在所示的实施例中，每个电光设备，特别是每个光电探测器15和每个调制器15，进一步导电连接到各个晶圆1的前段制程5的集成电子部件3中的至少一个。如图2至图4以及图8、图10和图11所示，通过晶圆1的后段制程6的VIA 7以及延伸穿过平坦化涂层10的另外的VIA 7以及可能的另外的涂层或元件来实现连接。
具体地，在检测器15中，相应的石墨烯膜16在相对的末端区域经由触点或接触元件19导电连接到VIA 7的上端，所述VIA 7延伸穿过平坦化涂层10并且可能进一步穿过涂层或元件到达晶圆1的后段制程6。在图3的俯视图中，连接到接触元件19的VIA 7(位于接触元件19的下方)用细线表示。
在调制器15中，两个石墨烯膜16a、16b中的每一个都在一个末端区域连接至接触元件19并连接至接触元件19上方的VIA 7。
原则上可以以不同的方式设计有源元件(目前为电光器件15的石墨烯膜16、16a、16b)与接触元件19的接触。图12至图16通过实例显示了五种不同的可能性。
根据图12所示的选项，石墨烯膜16、16a、16b的末端区域与接触元件19底面的部分接触。这里，接触元件19有利地由针对石墨烯优化的金属制成，例如镍和/或钛和/或铝和/或铜和/或铬和/或钯和/或铂和/或金和/或银。
图13中所示的实例与根据图10的布置的不同之处仅在于，接触元件19包括不仅一个而是两个金属层19a、19b，由此可以实现用于进一步连接的更好性能，因为上层的层19b可以由针对进一步连接而优化的金属组成。与石墨烯膜16、16a、16b接触的下层的层19a有利地再次由针对石墨烯优化的金属组成。优选地，层19a由镍组成，层19b由铝组成，或层19a由钛组成，层19b由铝组成。对于包括或由石墨烯组成的有源元件以及包括或由其它电光活性材料组成的有源元件，镍和/或钛和/或铝和/或铜和/或铬和/或钯和/或铂和/或金和/或银的其它组合也是可能的。
在图14所示的例子中，接触元件19还包括第三下层的金属层19c，所述金属层19c用作键合剂。例如，此层19c可以由钛或铬或氧化铝组成。层19a由例如镍和/或钛和/或铝和/或铜和/或铬和/或钯和/或铂和/或金和/或银组成。层19b也可以由这些金属中的一种或其组合组成。
在根据图15和图16的实施例中，有源元件的末端区域(在这种情况下为石墨烯膜16、16a、16b)在为石墨烯优化的第一下层的金属层19a和也为石墨烯优化的接触元件19的第二上层的金属层19d之间延伸。为此，有源元件16的末端区域具有S形横截面。两层19a和19d优选由钯或镍或金或铂或镍和/或钛和/或铝和/或铜和/或铬和/或钯和/或铂和/或金和/或银的组合组成。
图16的实例与图15的实例的不同之处在于，与图14类似，接触元件19包括第三金属层19b，所述第三金属层19b为进一步连接而优化，例如，与图13的层19b类似，可以由铝组成。
对于所有接触实例，石墨烯膜16可由接触元件19或接触元件19的层19a至层19d覆盖，使得电流以垂直过渡方式从接触元件19或接触元件19的层进入石墨烯(顶部接触)，或者石墨烯膜16也可终止于接触元件19或接触元件19的层19a至层19d的边缘，使电流横向进入石墨烯膜16(侧接触)。例如，根据图13的布置也可以实施为顶部接触。
钝化涂层25优选地设置在每个有源元件上方，即优选地设置在每个石墨烯膜16的上方。这只能在图12至图16中看到，每个图都以放大视图显示了石墨烯膜16、16a、16b的部分。在本例中，钝化涂层25由氧化铝制成。替代地或除此之外，此类钝化涂层25还可以包括或由二硫族化物和/或二硫族化物异质结构和/或SiO2和/或氮化硼组成。钝化涂层25钝化有源元件，在这种情况下是石墨烯膜，并同时用作蚀刻停止层，使得用于连接到VIA 7的接触元件19的选择性蚀刻是可能的。
应当注意，在调制器15的情况下，设置在两个有源元件16a、16b之间的介电涂层17(参见图8)已经可以用来钝化下部的元件16b。在这种情况下，也不必为其分配钝化涂层25。
此外，应注意，即使在根据图12至图16的实例中，有源元件16、16a、16b由石墨烯膜给出，所示实施例也绝不限于这种材料。此外，对于包括或由一种或更多种其他材料组成的有源元件16，可以相应地设计接触。
在图17至图20中示出了具有有源元件而没有石墨烯的光电探测器15或调制器15的实施例。
在这方面，图17的实施例包括由多晶硅的涂层形成的有源元件16，所述多晶硅的涂层也形成波导12。可以看出，硅涂层16拥有具有T形横截面的脊波导的形状。在本例中，形成有源元件16和波导12的硅涂层具有两个掺杂区域，即p掺杂区域16p和n掺杂区域16n。应当注意，可选地，也可以存在pin跃迁，即未掺杂区域也可以位于p掺杂区域和n掺杂区域之间。硅涂层6(类似于图2和图4至图7的实例的有源元件16)连接到两个接触元件19。取决于施加电压的极性，阻挡涂层中的电荷载流子浓度改变，因此波导12的吸收和折射率也改变。也可以说，此处将波导12设计为二极管，以获得调制器。
图18显示了硅调制器的另一个实例，也称为SISCAP(另请参阅M.Webster et el在第11届第四组光子学国际会议(GFP)上发表的出版物"An efficient MOS-capacitorbased silicon modulator and CMOS drivers for optical transmitters"，巴黎，2014年，第1-2页。doi:10.1109/Group4.2014.6961998)。这里，提供了两个有源元件16a、16b，每个有源元件由硅涂层形成，优选地由晶圆硅或多晶硅或非晶硅形成。这里，有源元件16a是p掺杂的，而元件16b是n掺杂的。有源元件16a、16b进一步彼此偏移排列，使得它们在重叠区域中一个位于另一个的上方，这类似于图8、图10和图11的示例的有源元件16。此处的重叠区域形成波导12。电荷载流子浓度可以在所重叠区域内调节，从而调节波导12的光学特性。
图19示出了硅调制器15的另一个实例，所述硅调制器15也包括两个有源元件16a、16b，这两个有源元件分别由p型和n型掺杂的硅涂层形成。它们在平面中彼此相邻，并且在它们之间设置电光聚合物26的元件。电光聚合物的两个有源元件16a、16b和元件29形成脊波导12，所述脊波导12的间隙由元件26形成。换句话说，间隙的侧壁在这里充当电容的电极。间隙中的电场影响聚合物的光学特性，并能够调制光信号。
图20显示了具有二极管27的调制器的实例，所述二极管27由化合物半导体制成。二极管27由不同成分的涂层27a至涂层27d组成，例如InGaAsP，以形成pn结和两个接触区域。接触区域连接至接触元件19，并因此通过电极28连接至集成电子部件4。
电光器件或至少一个电光器件(在调制器15和检测器15的情况下)可以进一步设计或制造为具有等离子体耦合。
在图21至图23中可以找到相应的示例(在每种情况下均为纯示意图)。
在这方面，图21示出了光电探测器15的实例，所述光电探测器15中设置了包括或由等离子体活性材料组成的等离子体结构29，具体而言，在有源元件16。在此实例中，等离子体结构29包括三对相邻排列的等离子体元件30，并且包括或由等离子体活性材料组成。目前，等离子体元件由金组成。其他合适的材料的实例包括银和/或铝和/或铜。等离子体元件30在波导12上形成准天线，以增加吸收(另参见马等人，"Plasmonically EnhancedGraphene Photodetector Featuring 100Gbit/s Data Reception,High Responsivity,and Compact Size"，ACS Photonics 2019，6，第154至161页(2018))。例如，这样的等离子体结构可以设置在或变成设置在根据图2、图4或图5的布置的有源元件16。
图22示出了光电探测器15的实例，所述光电探测器15中在有源元件16的下方或上方没有设置波导12或此类波导的部分，但是其中波导12优选地设置在有源元件16所在的平面中并位于其侧面，所述波导12具有在有源元件16的方向呈V形逐渐变细的部分31。在图22中，部分31逐渐变细至延伸至有源元件16(例如石墨烯膜)左侧的点。可以看出，此处的接触元件19包括部分19e，所述部分19e在相反方向逐渐变细，即在远离有源元件16的方向。换句话说，接触元件19分段地跟随波导12的逐渐变细的末端部分31，这使得能够进行等离子体耦合。
图23示出了具有等离子体耦合的模拟调制器15。可以看出，在有源元件16的两个相对侧设置了沿有源元件16的方向呈V形逐渐变细的波导部分31，例如石墨烯膜，并且为两个相关的波导部分31和19e提供了沿相反方向逐渐变细的接触元件19的部分19e。因此，将光学模式耦合到等离子体模式并返回到光学模式在这里是可能的。特别地，在本实施例中，可进一步设置包含或由至少一种电光聚合物组成的有源元件(另请参阅库斯等人的出版物"Silicon-Organic Hybrid(SOH)and Plasmonic-Organic Hybrid(POH)Integration"，光波技术杂志，第34卷，第2期，2016)。
在根据本发明的半导体器件的晶圆1制造的光子平台8通常包括非常多的电光器件15，所述电光器件15特别可以由光电探测器和/或调制器给出。这也是所示实施例中的情况。特别地，在晶圆1的芯片区域4的上方延伸的光子平台8的每个部分将已经包括多个电光器件15以及多个波导12。例如，可以在芯片区域4上方延伸的光子平台8的每个部分设置数十个、数百个甚至数千个电光器件15和/或波导12。在每种情况下，可以根据具体施加选择该数量。
在根据本发明的半导体器件的图示实施例中，光子平台8的所有电光器件15和波导12在结构上相同。在这方面，一致性使得制造特别简单、快速。然而，应该强调的是，根据本发明的半导体器件当然也可以包括图2、图4至图8、图10、图11和/或图17至图23中所示的不同实例，例如，根据图2的具有下层的波导12的检测器15以及根据图8的调制器15和波导12。根据图2、图4至图8、图10、图11和/或图17至图23，也可以有两个以上不同的实例，例如，所有实例也可以分别出现一次或更多次。
为了能够在光子平台8中实现具有另外的平坦化涂层13的布置(参见例如图2、图4和图8)以及没有此类涂层的布置(参见例如图5、图10和图11)，可以规定，在优选地二维制造另外的平坦化涂层13后，在需要没有另外的平坦化涂层的布置的地方，再次部分地移除此涂层(例如通过光刻和随后的蚀刻)。对于仅在某些地方而不是所有地方需要的其它涂层，可以或已经使用了完全类似的程序。
每个电光器件的有源元件16、16a、16b可以以图12至图16所示的任何方式导电连接到一个或者(在检测器的情况下)连接到两个接触元件19。根据本发明的半导体器件的所有有源元件16、16a、16b可能以相同的方式与接触元件19接触。可选地，当然也可能以不同方式接触器件的不同有源元件16。
在图3和图9中，除了有源元件16、16a、16b、波导12和接触元件19之外，还示意性地示出了光子平台8的耦合装置32，所述耦合装置32用于将光耦合入或耦合出波导12。其中一个耦合装置32布置在相应波导12的每个相对的末端。在本例中，耦合装置32各自设计为侧面或光栅耦合装置。图24至图27显示了此类实例的纯示意图。图24和图25示出了侧面耦合装置32的平面图和剖面图，图26和图27示出了光栅耦合装置32的平面图和剖面图。
耦合装置32或者两个耦合装置32可能与光子平台8的几个波导12或者是每个波导12相关联。特别地，在光将被耦合入和耦合出的情况下，两个耦合装置32已经或与波导12相关联。然而，也可能只需要可能的初始的耦合。那么一个耦合装置32就足够了。
图24和图25中所示的侧面耦合装置32的实例包括侧面耦合元件33，所述侧面耦合元件33优选地由树脂或包含树脂的材料组成(特别是SU8、或/和氮化硅、或/和氮氧化硅或电介质)，所述材料的折射率介于波导12(特别是n＝2.4)和用作模场转换器的元件33(SU8n＝1.56)之间，例如氧化铝(n＝1.68)。可以看出，后者的特征在于宽度b和高度h在相应方向超过波导12的延伸，在本例中，每种情况对应于其倍数。侧面耦合装置32还包括延伸入侧面耦合元件的波导12的末端部分34，从图24中可以容易地看出，所述末端部分34朝向其末端呈圆锥形逐渐变细。应注意的是，在图24中，锥形的部分34的外轮廓用一条细线表示，因为它在平面图中被元件33的截面遮挡。元件33使模场从光纤的直径(例如，直径为5μm至15μm)匹配到波导12的尺寸(例如，高度为300nm，宽度为1.1μm)。波导12的锥形的尖端34引起模场的区域中有效折射率的绝热调整，使得光学模式逐渐从耦合结构转移到波导12中。
从图26的俯视图可以看出，光栅耦合装置32由波导12的末端部分35形成，所述末端部分35向末端呈圆锥形加宽，并且如图27的剖视图所示，其侧面具有光栅结构36，所述光栅结构36向背离晶圆5的方向。这种加宽使波导12的尺寸(例如300nm高，1.1μm宽)适应光纤中模场的直径(例如5μm至15μm)，从而提高耦合效率。在根据图26的俯视图中，光栅结构36仅由几条平行线简化。入射光通过折射率阶跃的光栅状排列进行衍射。方便地计算光栅的尺寸，使得在给定的入射角下，第一衍射级位于波导12中，因此光耦合入波导12中。
耦合装置32与相应的波导12位于一个平面内，即它们位于平坦化涂层10的背离晶圆5的侧面11。
在包括局部视图的图21至图23中，仅部分示出的波导12也可以在其末端设置无法看见的耦合设备32。
除了电光器件15之外，光子平台8还可以包括一个或更多个光学器件。例如，这些可以是一个或更多个干涉仪，例如马赫-曾德尔干涉仪，和/或MMIs和/或定向耦合器和/或环形谐振器和/或偏振转换器和/或分光器。光学器件通常由波导12的多个部分形成，然后所述部分相应地排列。特别地，它们构成波导12或纵向波导部分的无源结构。部分，特别是纵向的部分，即波导12的纵向的部分，例如图2、图4至图11中所示的波导12，在每种情况下都可以是此类光学器件的部件，具体而言，是在垂直于附图平面的方向位于电光器件15的前方或后方的部分。
光子平台8也可以包括一个或更多个热光器件。例如，一个这样的装置包括加热元件和波导12的纵向的部分，加热元件相对于波导部分布置，使得所述加热元件可以加热波导部分。通过加热元件加热波导12可以改变波导12在纵向的部分中的折射率。例如，这种效应可以用于相位匹配。热光器件也可以与光子平台的干涉仪相关联或构成所述干涉仪的部分。例如，图2、图4至图11中所示的波导12的纵向的部分可以是热光器件的部分，也可以是垂直于附图平面的方向、位于电光器件15的前方或后方的部分。
光子平台8还包括钝化涂层37，所述钝化涂层37延伸到电光器件15上方，并优选地形成光子平台8和半导体器件的上表面(参见图1)。钝化涂层37同时构成包层。应当注意，在根据图3和图9的视图中没有示出钝化涂层37，而仅示出了下面的器件15。
为了获得图1所示的半导体器件，在第一步S1(参见图28)中，晶圆1设置有包括集成电子部件3的集成电路和包括VIA 7的金属化。晶圆1可以是通过先前已知的制造工艺获得的任何常规类型的晶圆1。
然后，在晶圆1的BEOL 6制造光子平台8。
具体而言，在第二步骤S2中，在晶圆1的后段制程6制造平坦化涂层10。为此，涂覆涂层材料(在这种情况下为二氧化硅(SiO2))，这可以通过例如低压化学气相沉积(LPCVD)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)等化学气相沉积，或物理气相沉积，或也可以通过旋涂玻璃的旋涂来实现。在本例中，使用PECVD。沉积涂层材料后，对背离晶圆5的涂层的侧面进行平坦化处理(步骤S3)，在这种情况下是抗蚀剂平坦化，由此获得具有0.2nm RMS粗糙度的背离晶圆5的侧面11。
抗蚀剂平坦化包括单次或重复的旋涂玻璃沉积以及随后的蚀刻，在这种情况下是反应离子蚀刻(RIE)。旋涂玻璃涂层部分地补偿了高度差，即，在旋涂玻璃涂层后，拓扑的谷部比相邻的隆起具有更高的涂层厚度。如果在旋涂玻璃涂层后蚀刻整个旋涂玻璃涂层，例如通过RIE，则高度差由于旋涂玻璃涂层的平坦化效应已减小。通过重复所述步骤，可以进一步减小高度差，直到获得所需的粗糙度。
应当注意，可替代地，例如通过化学机械抛光(CMP)，可以获得平坦化涂层10的背离晶圆5的具有相应低粗糙度的侧面11。
在下一步骤S4中制造波导。为此，沉积波导材料，所述波导材料在这种情况下为二氧化钛(TiO2)，特别是在所得平坦化涂层10的整个表面11的上方。与平坦化涂层一样，材料可以通过PVD或CVD，特别是PECVD或LPCVD，或者通过旋涂来沉积。也可以进行原子层沉积(ALD)或转印工艺。与平坦化涂层10类似，使用LPCVD。特别是通过反应离子蚀刻(RIE)进行光刻和构造以获得单个波导12。
为了获得条形波导12(例如，参见图3和图8)，在不保留条形波导12的地方完全去除波导材料，换句话说，将其蚀刻到下面的涂层10。
包括其波导末端34、35(参见图3、图9和图24至图27)在内的耦合装置32在本例中与脊波导12或条形波导12一起制造，其中对于脊波导12，波导12在耦合点的区域的横向延伸可以在单独的蚀刻步骤中以干化学方式去除。由叠加的涂层组成的波导12可以在涂层结构完成后用最上面的涂层12a来构造，并且对于脊波导12，波导在耦合点的区域中的横向延伸可以在单独的蚀刻步骤中以干化学方式去除。在所有情况下，可以在脊波导12和条形波导12之间限定模式转换器，并且脊波导12的部分可以使用光刻和RIE形成为条形波导12。
具有光栅结构36的光栅耦合器32可以被光刻限定以及干化学结构化。
对于侧面耦合元件(模式转换器)33，电介质和/或半导体和/或树脂和/或聚合物被沉积在一个或更多个层中，并通过光刻或/和RIE的方式进行结构化。
在下一步骤S5中，在波导12和平坦化涂层10的侧11上制造另外的平坦化涂层13。在本例中，这是通过使用PECVD和抗蚀剂平坦化的沉积以与平坦化涂层10完全类似的方式获得的。由于抗蚀剂平坦化，波导12上方的另外的平坦化涂层13的横截面为梯形(见图2)。
此外，关于另外的平坦化涂层13，除了LPCVD和CMP之外，可以使用其他上述工艺，并且另一平坦化处理(例如CMP)和/或进一步的平坦化是可能的，如上文对平坦化涂层10所述。如果使用CMP，通常会获得平坦表面，即波导12上方没有梯形的部分，如图2所示(例如，图4和图9)。
平坦化涂层10和另外的平坦化涂层13可以包括一个或更多个覆盖层，这些覆盖层优选地设置在经过平坦化处理的表面，并且可以是例如二硫族化物层或二硫族化物异质结构或氮化硼层。这些材料优选地被沉积或转移，而不需要进一步的化学机械抛光或进一步的抗蚀剂平坦化，尽管不排除再次重复这一过程。
为了完整起见，应注意，如果根据本发明的半导体器件也具有无另外的平坦化涂层13的区域(例如区域中的结构与根据图5、图10或图11的结构相对应的区域)，则随后再次部分地移除另外的平坦化涂层13(及位于其上的任何涂层)，特别是通过光刻和蚀刻。
在步骤S6中，通过平坦化涂层10和另外的平坦化涂层13来制造VIA 7。原则上，这可以以现有技术已知的任何方式实现。特别地，这些将要延伸的区域首先优选地通过光刻来限定，并且通过RIE进行干化学蚀刻。然后进行金属化并构造金属化表面，例如通过CMP(镶嵌工艺)或通过光刻和RIE。既可以在完成另外的平坦化涂层13之后穿过平坦化涂层10、平坦化涂层13制造VIA 7，也可以在完成第一涂层10之后穿过第一平坦化涂层10制造VIA 7的部分，并且在完成第二平坦化涂层13之后穿过第二涂层13制造VIA 7的部分。
随后，制造电光器件15。
为此，在步骤S7中，将石墨烯膜16给出的检测器的各个有源元件设置在背离晶圆5的另外的平坦化涂层3的侧面14，例如沉积在侧面14，然后在步骤S8中获得接触元件19(单层或多层)。
石墨烯膜16的沉积可以例如通过如上文更详细描述的转移工艺来进行。然后，特别地，在每种情况下，将在单独的衬底或单独的金属箔或单独的锗片制造的石墨烯膜转移到另外的平坦化涂层13。也可以直接在另外的平坦化涂层13制备石墨烯膜。这可以包括例如材料沉积。
如果使用转移工艺，则钝化涂层25可能已经设置在相应的石墨烯膜16的背离晶圆5的侧面，例如该层已经沉积在其上，然后与其一起转移。替代地，钝化涂层25也可以在转移或制造石墨烯膜16之后沉积。
还可能的是，首先在另外的平坦化涂层13上制造全面积石墨烯膜和/或全面积钝化涂层，其在另外的平坦化涂层13的整个表面延伸。在这种情况下，然后进行进一步的结构化，特别是通过光刻和RIE，以便获得作为多个电光器件16的有源元件的单个石墨烯膜16。
然后，优选地通过在整个表面的上方沉积一层(图12)或更多层(图13至图16)金属，然后通过光刻和RIE构造，来制造接触元件19或其层19a至层19d。
按照首先石墨烯膜16、然后接触元件19的制造顺序所描述述的方式，可以实现接触，如图12至图14所示。
对于图15和图16中所示的接触变体，首先仅制造接触元件19的下层的金属层19c或金属层19a，接着是制造石墨烯膜16，然后是制造另外的层19b、19d或另外的两个层19a、19b或19d、19b。这也可以通过适当金属的全面积沉积以及随后通过光刻和RIE的结构化来完成。
在倒数第二个步骤S9中，沉积上部的钝化37，优选Al2O3和SiO2。在该钝化中，然后通过光刻和RIE适当地制造开口，特别是接触元件的开口(步骤S10)。优选地，制造用于将光子学和/或电子学连接至外部的接触元件的开口。
通过上述步骤，可以获得由条形波导12和电光器件15组成的半导体器件，如图2所示。
如果要获得一种半导体器件，所述半导体器件专门地(或附加地)具有如图4所示构造的区域，即所述区域包括脊波导12，则只需改变S4步骤，使区段12a仅横向蚀刻到较小的深度，以便波导材料仍然保留在区段12a的横向，并且获得条形波导不具有的区段12b、12c。
为了获得如图5所示的结构，在制造脊波导12之前，必须再次部分地去除另外的平坦化涂层13。如果要获得的半导体器件在任何时候都不具有另外的平坦化涂层13，那么当然也可以完全省去其制造。
为了获得图6所示的实例，首先使用上述方法(例如PECVD)在平坦化涂层10背离晶圆的侧面制造下部的波导区段12c。然后制造有源元件(在这种情况下是石墨烯膜16)和接触元件19，制造顺序再次取决于选择了选择图12至图16中所示的哪种接触方案。然后在石墨烯膜16(仅图12至16所示)制备钝化涂层25，然后在两个区段12b和12a以及涂层37制备钝化涂层25。
为了获得图7所示的布置，可以遵循基本类似的程序，仅省略制造波导区段12c的步骤，并在平坦化涂层10背离晶圆5的侧面11设置石墨烯膜16。
此外，对于制造根据本发明的半导体器件，其包括一个或更多个作为电光器件的调制器15，该过程部分地不同于上文结合图2所述的过程。
例如，对于根据图8的实例，直到通过平坦化涂层10和平坦化涂层13制造另外的平坦化涂层13和VIA 7，该过程原则上可以是相同的，即步骤S1到S6可以是相同的。
然而，各个调制器15的制造包括首先在另一平坦化涂层13设置一个下部的石墨烯膜16a作为两个有源元件之一，并且在其指向图8左侧的一个末端区域仅产生一个接触元件19。对于一个石墨烯膜16和两个接触元件19，可以以与上面结合图2描述的相同的方式进行制造。
随后，例如通过优选氧化铝的沉积来提供介电涂层17。也有可能通过转移工艺来提供介电涂层17。
然后制造第二上层的石墨烯膜16b，并且在石墨烯膜16b指向图6右侧的末端区域制造第二接触元件19。对于一个石墨烯薄膜16和两个接触元件19，可以以与上面结合图2描述的相同方式再次进行生产。
然后，可以遵循上述步骤S8和S9来获得上层的钝化37及其中的开口。
对于根据图10的结构，也可以相同地执行步骤S1至步骤S6，然后可以再次部分地移除另外的平坦化涂层13。替代地，可以省略它们的生产(即步骤S5)，并且在步骤S6中只有VIA可以穿过平坦化涂层10制造。
然后，在平坦化涂层10背离晶圆5的侧面11，通过沉积光学透明的、优选介电涂层或半导体并通过光刻和RIE对其进行结构化来制造区段12d(即波导基座)。在本例中，沉积TiO2。
在波导基座12d背离晶圆5的侧面，制造下部的石墨烯膜16a，然后是属于它的接触元件19，在此之上是波导区段12c，在此之上是具有相关接触元件19的上部的石墨烯膜16b，在此之上是波导区段12b，在此之上是波导区段12a，所述波导区段12a的特征在于宽度明显小于其他区段12b、12c、12d。波导区段12b的材料可以通过例如ALD，或通过CVD或转移和ALD获得的硫族化物涂层来制造，和/或通过PVD制造的电介质或半导体材料涂层来制造，并通过光刻和RIE来构造。随后，提供区段12a，其中，通过ALD和/或PVD和/或PECVD和/或LPCVD，提供通过CVD或转移获得的电介质或半导体材料和/或二硫族化物涂层，并使用光刻和RIE来构造。
石墨烯膜16a、16b和接触元件19的制造方式与上文结合图2所述的方式相同。
在该实例中，上部的石墨烯膜16在波导12内延伸。
最后，可以执行步骤S9和S10，再次获得钝化涂层37和其中的开口。
为了获得根据图11的布置，可以主要以与上文结合图10描述的相同方式进行，唯一的区别是省略了图10中最下部的波导区段12d的制造，并且直接在平坦化涂层10的侧面11制造下部的石墨烯膜16a。
为了获得如图17所示的布置，可以再次遵循相同的程序，直到平坦化涂层10完成(步骤S1至S3)。然后在其背离晶圆5的侧面11，将硅涂层16制造为有源元件。这可以再次包括材料沉积，例如通过前述的工艺之一，例如CVD或PVD工艺或旋涂，以及随后的结构化(例如光刻和RIE)以获得T形。所获得的脊波导侧面为p掺杂，另侧面为n掺杂，以获得16p区域和16n区域。这样，就得到了pn结。然后可以制造接触元件19。
对于图18中所示的设计为所谓的SISCAP的调制器15，步骤S1至S3也可以是相同的，然后制造各自形成有源元件的两个硅涂层16a和16b，制造过程也可以包括材料沉积，例如通过前述的工艺之一，例如CVD或PVD工艺或旋涂，以及随后的结构化(例如光刻和RIE)，并且制造相关的接触元件19。
对于图19，原则上可以如图17所示，在两个元件16a和16b之间增加由电光聚合物制成的元件26。
为了获得如图20所示的调制器15，步骤S1至S5可以与上文结合图2所述的相同。然后，可以在背离晶圆5的另外的平坦化涂层13的侧面14制造具有相关接触元件19的第一电极28，然后制造具有涂层27a至涂层27d的二极管27，然后制造具有相关接触元件19的第二电极28，由此在每种情况下都可以包括材料沉积和随后的结构化。
最后，在图17至图20的所有实例中，涂层37可以以类似于其余实例的方式制备。
从上文可以看出，光子平台8直接在晶圆1的BEOL 6制造。也可以说光子平台8是在晶圆1单片制造的，或者是单片平台8。特别地，涂层10、13、37和波导12直接在晶圆1制造，方法是分别在晶圆1的BEOL 6或已经在其上制造的涂层沉积适当的材料。没有涂层10、13、37或波导12的单独制造以及随后通过键合的连接。
应当注意，上述用于制造根据本发明的半导体器件的方法是根据本发明的方法的实施例。
在完成根据本发明的半导体器件之后，可以以简单和快速的方式，具体地说，仅通过切割，换句话说通过分割，从其获得多个具有集成光子学的芯片。
在图1所示的半导体器件中，可以进行切割，这包括例如沿着限定芯片区域4的所示线进行(激光)切割和/或锯切和/或断裂。原则上，可以以现有技术中已知的任何方式进行切割，特别是在现有技术中用于常规的晶圆1的方式。
图29通过实例和纯粹示意性的方式显示了三个具有集成光子学的芯片，这些芯片通过平面图中的这种切割获得。这些代表了根据本发明的半导体设备38的实施例。这些半导体装置38中的每一个都包括芯片39和位于其上的光子平台8的部分40，芯片39的范围对应于晶圆1的芯片区域4，部分40的横向范围由于切割而至少基本上与位于下方的芯片39的横向范围一致。光子平台8的芯片39以及上方的部分40可以从图30所示的纯示意性剖面图中获得。
应注意，在这个高度简化的图示中，仅示出由芯片39和光子器件40限定的两个叠加的区域，而没有示出其涂层和组件。
芯片39除其他外包括多个集成电子部件3(例如晶体管和/或电容器和/或电阻器)，所述集成电子部件3例如可以是芯片39的处理器的部分，并且光子平台8的部分40除其他外包括多个电光器件15，例如可以特别地从图2至图11以及图17至图23中获得。
通过切割根据本发明的半导体器件获得的半导体装置38，每个半导体装置38代表具有单片集成光子学的裸芯片，然后可以插入封装，如从常规的裸芯片中所知，并且用于进一步的施加。
光子平台部分40可用于例如将来自芯片39的集成电子部件的电信号转换为光信号，使得例如与装置38的其他芯片和/或其他集成电子部件4的通信可以通过光学手段实现。为此目的，例如，光可以由耦合到集成电子部件(例如晶体管4)的调制器15调制，并且可以由耦合到另一个集成电子部件(例如相同芯片或不同芯片的晶体管4)的光电探测器15接收调制的光信号。

Claims (27)

1.半导体器件，其包括具有优选单片半导体衬底(2)、特别是硅衬底的晶圆(1)，和在半导体衬底(2)中和/或半导体衬底(2)上延伸的至少一个集成电子部件(3)，所述晶圆(1)具有前段制程(5)和位于前段制程(5)上方的后段制程(6)，所述前段制程(5)包括集成电子部件或集成电子部件(3)中的至少一个，以及在背离前段制程(5)的晶圆(1)的侧面(9)制造的光子平台(8)，所述光子平台(8)包括至少一个波导(12)和至少一个电光器件(15)，特别是至少一个光电探测器和/或至少一个电光调制器，其中所述光子平台(8)的电光器件(15)或电光器件(15)中的至少一个连接至晶圆(1)的集成电子部件(3)或集成电子部件(3)中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，晶圆(1)的后段制程(6)以及光子平台(8)包括互连元件(7)，晶圆(1)的集成电子部件(3)或集成电子部件(3)中的至少一个通过所述互连元件(7)连接至光子平台(8)的电光器件(15)或电光器件(15)中的至少一个。
3.根据权利要求1或2所述的半导体器件，其特征在于，光子平台(8)包括沉积在背离前段制程(5)的晶圆(1)的侧面(9)的材料。
4.根据前述权利要求中任一项所述的半导体器件，其特征在于，光子平台(8)包括介电材料的平坦化涂层(10)，所述介电材料特别是在背离前段制程(5)的晶圆(1)的侧面(9)制造，并且优选地，波导或波导中的至少一个在背离晶圆(1)的平坦化涂层(12)的侧面(11)制造。
5.根据权利要求3和4所述的半导体器件，其特征在于，所述平坦化涂层(10)是通过沉积，特别是化学气相沉积，优选低压化学气相沉积和/或等离子体辅助化学气相沉积所形成的涂层，和/或通过在背离前段制程(5)的晶圆(1)的侧面(9)物理气相沉积和/或原子层沉积至少一种涂层材料，并优选地通过化学机械抛光和/或抗蚀剂平坦化在背离晶圆(1)的侧面(11)对沉积材料进行后续处理，
和/或，平坦化涂层(10)在其背离晶圆(1)的侧面(11)具有小于2.0nm RMS、优选小于1.0nm RMS、尤其优选小于0.3nm RMS的粗糙度，
和/或，平坦化涂层(10)包括或由旋涂玻璃和/或至少一种聚合物和/或至少一种氧化物，特别是二氧化硅，和/或至少一种氮化物组成。
6.根据权利要求3至5中任一权利要求所述的半导体器件，其特征在于，光子平台(8)包括至少一个另外的平坦化涂层(13)，所述另外的平坦化涂层(13)或所述另外的平坦化涂层(13)中的至少一个优选地由与平坦化涂层(10)相同的材料制成。
7.根据权利要求6所述的半导体器件，其特征在于，另外的平坦化涂层(13)或所述另外的平坦化涂层(13)中的至少一个通过沉积，特别是化学气相沉积，优选低压化学气相沉积和/或等离子体辅助化学气相沉积形成，和/或通过在背离前段制程(5)的晶圆(1)的侧面(9)物理气相沉积和/或原子层沉积至少一种涂层材料，并优选地通过化学机械抛光和/或抗蚀剂平坦化在背离晶圆(1)的侧面(14)对沉积材料进行后续处理，
和/或，另外的平坦化涂层(13)或另外的平坦化涂层(13)中的至少一个在其背离晶圆(1)的侧面(14)的粗糙度小于2.0nm RMS，优选小于1.0nm RMS，特别优选小于0.3nm RMS，
和/或，另外的平坦化涂层(13)或另外的平坦化涂层(13)中的至少一个包括或由旋涂玻璃和/或至少一种聚合物和/或至少一种氧化物，特别是二氧化硅，和/或至少一种氮化物组成。
8.根据上述任一权利要求所述的半导体器件，其特征在于，至少一个波导(12)包括或由二氧化钛和/或氮化铝和/或五氧化二钽和/或氮化硅和/或氧化铝和/或氮氧化硅和/或铌酸锂和/或硅，特别是多晶硅，和/或亚磷酸铟和/或砷化镓和/或砷化镓铟和/或砷化镓铝和/或至少一种二硫族化物，特别是二维过渡金属二硫族化物，和/或硫族化物玻璃和/或树脂或含树脂的材料，特别是SU8，和/或含聚合物或聚合物的材料，特别是OrmoComp组成。
9.根据上述任一权利要求所述的半导体器件，其特征在于，光子平台(8)包括多个波导(12)，优选地，至少两个波导(12)至少在彼此上方的部分中延伸。
10.根据上述任一权利要求所述的半导体器件，其特征在于，半导体器件，尤其是光子平台(8)，其包括与波导(12)中的至少一个相关联的至少一个耦合装置(20)，至少一个耦合装置(32)优选用于将电磁辐射耦合入至少一个相关联的波导(12)，和/或将电磁辐射耦合出至少一个相关联的波导(12)。
11.根据上述任一权利要求所述的半导体器件，其特征在于，电光器件(15)或电光器件(15)中的至少一个包括至少一个有源元件(16、16a、16b)，所述有源元件(16、16a、16b)包括或由至少一种材料组成，所述材料吸收至少一个波长的电磁辐射，并由于吸收和/或所述材料的折射率随电压和/或电荷和/或电场的存在而改变，所述材料产生电光信号。
12.根据权利要求11所述的半导体器件，其特征在于，电光器件(15)或所述电光器件(15)中的至少一个由调制器(15)提供，所述调制器(15)包括有源元件(16a)，所述有源元件(16a)具有或由至少一种材料组成，所述材料的折射率随电压和/或电荷和/或电场的存在而改变，所述材料包括特别是石墨烯和/或至少一种二硫族化物，特别是二维过渡二硫族化物，和/或二维材料和/或锗和/或铌酸锂和/或至少一种电光聚合物和/或硅的异质结构和/或至少一种化合物半导体，特别是至少一种III-V半导体和/或至少一种II-VI半导体，
以及所述调制器(15)包括另外的有源元件(16a)或电极,所述另外的有源元件(16a)包括或由至少一种材料组成，所述材料的折射率随电压和/或电荷和/或电场的存在而变化，所述材料包括特别是石墨烯和/或至少一种二硫族化物，特别是二维过渡二硫族化物，和/或二维材料和/或锗和/或铌酸锂和/或至少一种电光聚合物和/或硅的异质结构和/或至少一种化合物半导体，特别是至少一种III-V半导体和/或至少一种II-VI半导体，
其中两个有源元件(16a、16b)或有源元件和电极优选彼此间隔开和/或彼此偏移排列，使得它们部分重叠。
13.根据上述任一权利要求所述的半导体器件，其特征在于，电光器件(15)或电光器件(15)中的至少一个由光电探测器(15)给出，所述光电探测器(15)包括一个，优选正好一个有源元件(16)，所述有源元件(16)包括或由至少一种材料组成，所述材料吸收至少一个波长的电磁辐射并由于吸收而产生电光信号，所述材料包括特别是石墨烯和/或至少一种二硫族化物，特别是二维过渡二硫族化物，和/或二维材料和/或锗和/或硅的异质结构和/或至少一种化合物半导体，特别是至少一种III-V半导体和/或至少一种II-VI半导体。
14.根据权利要求11至13中任一权利要求所述的半导体器件，其特征在于，在有源元件或有源元件(16、16a、16b)中的至少一个上或其上方，设置至少一个等离子体结构(29)，所述至少一个等离子体结构(29)包括或由等离子体活性材料组成，优选金和/或银和/或铝和/或铜，所述等离子体结构(29)优选地包括至少一对彼此相邻排列的等离子体元件(30)，并且所述等离子体元件(30)包括或由等离子体活性材料组成，所述等离子体元件(30)优选地具有在相应的其他等离子体元件(30)的方向逐渐变细的部分的特征。
15.根据权利要求13所述的半导体器件，其特征在于，在所述有源元件或至少一个有源元件(16、16a、16b)的至少一侧，波导(12)设置有沿有源元件的方向逐渐变细并优选终止于尖端的末端部分(31)，其中，逐渐变细的末端部分(31)优选延伸至有源元件或至少一个有源元件(16、16a、16b)，和/或其中接触元件(19)设置在逐渐变细的部分(31)的两侧中的每一侧，所述接触元件(19)连接至有源元件或至少一个有源元件(16、16a、16b)，并且所述接触元件(19)具有在相反方向逐渐变细的部分(19a)，所述部分(19a)位于波导(12)的逐渐变细的末端部分(31)的旁边。
16.根据权利要求15所述的半导体器件，其特征在于，在每种情况下，在有源元件或至少一个有源元件(16、16a、16b)的两侧设置波导(12)，所述波导(12)具有沿有源元件或至少一个有源元件(16、16a、16b)的方向逐渐变细且优选终止于尖端的末端部分(31)，其中，相应的逐渐变细的末端部分(31)优选延伸至有源元件或至少一个有源元件(16、16a、16b)，和/或其中接触元件(19)设置在相应的逐渐变细的部分(31)的两侧中的每一侧，所述接触元件(19)连接至有源元件或至少一个有源元件(16、16a、16b)，所述接触元件(19)具有在相反方向逐渐变细的部分(19a)，所述部分(19a)位于相应的波导(12)的逐渐变细的末端部分(31)的旁边。
17.一种制造半导体器件的方法，包括以下步骤：
提供晶圆(1)，所述晶圆(1)具有优选单片半导体衬底(2)，特别是硅衬底，以及提供在半导体衬底(2)内和/或上延伸的至少一个集成电子部件(3)，所述晶圆(1)具有前段制程(5)和位于前段制程(5)上方的后段制程(6)，其中，所述前段制程(5)包括集成电子部件(3)或集成电子部件(3)中的至少一个，
在背离前段制程(5)的晶圆(1)的侧面(9)制造光子平台(8)，所述光子平台(8)包括至少一个波导(12)和至少一个电光器件(15)，特别是至少一个光电探测器和/或至少一个电光调制器。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所提供的晶圆(1)的后段制程(6)包括互连元件(7)，所述互连元件(7)连接至前段制程(5)的集成电子部件(3)或集成电子部件(3)中的至少一个，并且在光子平台(8)中，制造互连元件(7)，其一方面连接至后段制程(6)的互连元件(7)，另一方面连接至电光器件(15)或电光器件(15)中的至少一个。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其特征在于，光子平台(8)的制造包括在背离前段制程(5)的晶圆(1)的侧面(9)沉积材料。
20.根据权利要求17至19中任一权利要求所述的方法，其特征在于，光子平台(8)的制造包括制造包括介电材料的平坦化涂层(10)，所述介电材料尤其是在背离前段制程(5)的晶圆(1)的侧面(9)制造，并且优选地，波导(12)或波导(12)中的至少一个在背离晶圆(1)的平坦化涂层(10)的侧面(11)制造。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，平坦化涂层(10)的制造包括将涂层材料涂覆，特别是沉积到晶圆(1)的侧面(9)，并且所述涂层材料至少在背离晶圆(1)的平坦化涂层(10)的侧面(11)随后进行平坦化处理，特别是化学机械抛光和/或抗蚀剂平坦化，优选以这样的方式获得小于2.0nm、优选小于1.0nm RMS、尤其优选小于0.3nm RMS的侧面粗糙度。
22.根据权利要求20或21中任一权利要求所述的方法，其特征在于，优选在制造至少一个波导(12)之后制造至少一个另外的平坦化涂层(13)，所述另外的平坦化涂层(13)的制造优选地包括将涂层材料涂覆，特别是沉积到平坦化涂层(10)的背离晶圆(1)和/或至少一个波导(12)的侧面(11)，然后，至少在背离晶圆(1)的另外的平坦化涂层(13)的侧面(14)对所述涂层材料进行平坦化处理，特别是化学机械抛光和/或抗蚀平坦化，优选地，以这样的方式获得小于2.0nm、优选小于1.0nm RMS、尤其优选小于0.3nm RMS的侧面粗糙度。
23.根据权利要求20至22中任一权利要求所述的方法，其特征在于，平坦化涂层(10)和/或另外的平坦化涂层(13)的制造包括在平坦化处理后向处理侧涂覆另外的涂层材料。
24.根据权利要求20至23中任一权利要求所述的方法，其特征在于，至少一个波导(12)的制造包括特别是将波导材料涂覆到背离晶圆(5)的平坦化涂层(10)的侧面(11)，优选在侧面沉积或旋转或转移，然后优选地特别是通过光刻和/或反应离子蚀刻对所述涂覆的波导材料进行结构化。
25.根据权利要求17至24中任一权利要求所述的方法，其特征在于，对于波导(12)或至少一个波导(12)，制造至少一个耦合装置(32)，所述耦合装置(32)用于将电磁辐射耦合入所述至少一个波导(12)和/或用于将电磁辐射耦合出所述至少一个波导(12)。
26.制造至少一个半导体装置(38)的方法，其中提供根据权利要求1至16中任一权利要求所述的半导体器件并将其分割。
27.一种半导体装置(38)，其通过将根据权利要求1至16中任一权利要求所述的半导体器件分割而获得。
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