CN1158731C - 半导体制造中的波长补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制造多个半导体光电集成电路的方法，所说半导体光电集成电路至少包括彼此光学相连的激光器和调制器。每个激光器和调制器具有实现在一个衬底上的波导层，其中所说调制器利用选择区生长技术形成。通过提供具有可选择宽度的调制器掩蔽部分，补偿激光器和调制器间波导层的带隙能量差，可以使光学相连的激光器和调制器间带隙能量差大致一致。
Description
技术领域
本发明涉及在利用选择区生长制造于半导体衬底上的光电器件中进行波长补偿的方法。本发明还涉及包括利用该方法制造的光电器件的集成电路。
发明的背景
现已存在一种称为选择区生长(SAG)的技术，该技术在同一半导体衬底上，集成制造如不同功能的半导体激光器、光调制器、光开关、光探测器和光放大器等半导体光电器件时，采用构图绝缘膜的掩模。选择区生长技术主要包括在半导体衬底上形成构图的绝缘膜掩模，从而允许半导体晶体在未被掩蔽的区域即衬底的暴露区域汽相生长。在制造目标半导体光电器件期间，半导体衬底上绝缘膜掩模的宽度和暴露区的宽度在这些器件的光传输方向是不同的，合金半导体的汽相生长是可行的。于是，在同一工艺中，根据绝缘掩模的宽度和暴露区的宽度，可以自动形成不同生长层组分和不同层厚度的合金半导体层。这是由于含构成合金半导体晶体的原子的各种材料的汽相淀积中密度梯度和所涉及的有效扩散长度随材料不同而不同的缘故。
有效扩散长度主要由两种机制即表面扩散和再扩散构成。与掩模表面接触的例如铟等原子会经历表面扩散机制，其中原子沿表面迁移，直到它发现合适固定于其上的物质例如磷化铟(InP)为止。另一方面，该原子会经历再扩散机制，其中原子从表面再扩散，并在周围浮置，直到该原子与其它原子发生碰撞。该碰撞会使原子再下沉到表面，在此如果存在合适的物质，它将附着于其上，如先前所述的一样，或者经历表面扩散，或者再经历再扩散。再扩散机制是SAG中的重要组成部分。
固定之前原子运动的平均距离称为扩散长度。InP衬底上的扩散长度，对于表面扩散来说大约为1微米，对于再扩散来说大约为10-100微米，取决于SAG期间的压力。
属于同一族元素例如III族元素的扩散原子会具有不同的扩散长度，例如，镓(Ga)具有比铟(In)长得多的扩散长度，镓大约为110微米，铟大约为15微米。这些值与温度和压力有关，但两者间的比例基本上为常数。扩散长度的差在接近掩模的地方，会引起由属于同一族元素具有不同扩散长度的原子构成的外延生长材料组分的改变。另外，由于从掩模表面的扩散，材料的增加量表现为接近每种掩模。
Makoto等人的美国专利5543353中公开了一种方法，该方法利用在这些器件的光传输方向具有不同掩模宽度的一个掩模，制造例如激光器和调制器等器件。
反应器中的选择区生长期间，由于所用反应器的类型，例如AIXTRON反应器设备，生长层组分会发生偏差。在衬底固定于反应室中，且用于例如InGaAsP或InGaAs等波导层的外延生长的气体从一个方向引入室中时，会发生大偏差。这种偏差通过光致发光测量技术探测和测量，这种技术是探测波导层的带隙能量偏差，并将之表示为衬底上的波长偏差。例如，该波长偏差示于图1，以后将更详细地介绍。
当利用不同步骤，在相同或不同反应器中，制造例如激光器和调制器等光电子器件时，光电子器件间的波长差会随衬底上光电子器件的位置变化。由于激光器和调制器间的波长差即所谓的失调非常重要，所以导致了衬底上工作器件的低成品率。
发明概述
本发明的一个目的是提供一种制造多个半导体光电子集成电路的方法，以克服现有技术的问题。
为实现本发明的上述和其它目的，提供一种在一个半导体衬底上制造多个半导体光电子集成电路的方法，每个所说集成电路至少包括彼此光连接的第一和第二光电子器件，所说方法包括以下步骤：(i)生长第一组层，至少包括第一波导层，从而在所说衬底上形成所说第一光电子器件，(ii)提供包括覆盖每个所说第一光电子器件的掩蔽部分的绝缘膜掩模，以便在所说衬底上限定覆盖区和暴露区，(iii)去掉所说暴露区的所说第一组层，(iv)邻近和在每个所说第一光电子器件的光传输方向，选择用于每个第二光电子器件的区，(v)利用选择区生长工艺，生长至少包括第二波导层的第二组层，从而形成所说第二光电子器件，其中所说方法还包括以下步骤：(a)在步骤(ii)之前，在对应于参考衬底上的第二波导层的波导层中，测量衬底上的带隙能量偏差，所说偏差是选择区生长工艺造成的，由于所说第二波导层中的带隙能量偏差，这进而会造成衬底上第一和第二光电子器件间的失调偏差，(b)在步骤(ii)提供所说绝缘掩模，该掩模至少带有与每个所说区相邻的一个附加掩蔽部分，每个附加掩蔽部分具有选择的长度和可选择的宽度，并基本上平行于每个第一光电子器件的光传输方向设置，(c)选择每个附加掩蔽部分的宽度，使之对应于所测量带隙能量的偏差，以便至少部分补偿衬底上第二波导层的带隙能量的偏差，从而减小衬底上第一和第二光电子器件间的失调偏差。
本发明的优点在于，可以采用导致衬底上不同的生长的选择区生长工艺所用的设备，并具有提高的成品率。
本发明的另一优点在于，容易以低的成本实现带隙能量差的补偿。
下面结合附图进一步介绍本发明。
附图简介
图1是展示具有改变的带隙能量的调制器中的波导层的晶片的俯视图。
图2是根据本发明的绝缘掩模布局的俯视图。
图3a和3b是根据本发明不同实施方式沿图2的A-A线的剖面图。
图4a和4b展示了根据本发明的调制器中正常和补偿波导层间的对比情况。
对优选实施例详细介绍
图1是展示晶片具有带隙能量偏差的调制器中的波导层的晶片的俯视图。这种偏差是由于制造该层的反应器的类型不同造成的。如上所述，这种情况发生在外延生长工艺期间晶片固定安装于其中，且所用气体从一个方向2引入其中的反应器中。可以用光致发光测量装置测量这种偏差，结果是，与最长的波长相比，波长减小，这是在接近晶片的上部中间的参考点3得到的。增大的波长差被分成5nm的间隔，每条线4表示从参考点3起计数，从先前的线起的5nm下降。该例中，晶片1上的这种偏差大于45nm，是制造利用具有固定波长即固定带隙能量的半导体激光器工作的调制器时不能接收的。
图2示出了根据本发明用于制造激光器和调制器的绝缘掩模布局的一部分，该绝缘掩模由多个电路掩模10构成。该电路掩模10包括两个掩蔽部分，激光器部分11和调制器部分12，激光器部分11在随后的制造步骤中覆盖和保护形成激光器的第一组层，调制器部分12限定将要制造构成调制器的第二组层的区域13。区域13处于由线14表示的激光器的光传输方向上。激光器掩蔽部分11的尺寸，长度L1和宽度W1根据实现的激光器的类型基本上是等同的，用于在制造调制器时保护激光器。对于一个非限制性实例来说，具有对应于约1550nm波长的带隙能量的分布反馈激光器的掩模尺寸为L1≈400μm和W1≈12μm。
本例中，调制器掩蔽部分12由两个分离部分12a和12b构成，这两个分离部分大小基本相同，并相对于线14等距离设置，固定的中间距离为W0。每个掩模具有平行于线14的选择长度Lm和较好是间隔0-20μm的可选宽度Wm。虚线15表示宽度的上限。
可选宽度用于在生长区生长工艺中尤其中区域13，改变靠近掩模的生长层的组分和厚度。如先前在本发明的背景中所介绍的，靠近掩模的地方，具有较短扩散长度的物质会增多，及材料的一般性增加。调制器掩模部分12a、12b间的优选中间距离W0为所说较短扩散长度的1-3倍，并可以使调制器的光波导层具有良好的组分，使外延生长具有良好的步调。
半导体衬底较好是由磷化铟(InP)构成，调制器的光波导层较好由铟镓砷磷InxGa1-xAsyP1-y构成，其中x，y值为0-1，简单表示为InGaAsP。
生长波导层时，调制器掩蔽部分宽度的增大对应于靠近所说调制器掩蔽部分12的地方波长的增大。
在包括激光器和调制器的多个光电子器件实现于相同衬底上时，在第一步，制造用于激光器的第一组层，发现用于调制器的光波导层具有图1所示偏差，想用作调制器的所有区域中的波导层的组分需要补偿。该补偿通过选择调制器掩模的宽度，使之对应于根据衬底上的位置需要的波长补偿实施。
图3a和3b是利用图2中的掩模作非限制性例子，根据本发明的不同实施方式沿图2中的线A-A的剖面图，其中：
中间距离-W0＝20μm，及
调制器掩模宽度-Wm＝10μm。
图3a中，本发明的掩模M直接设置于半导体衬底30上。这可以通过形成第一光电子器件，然后在所说器件上提供保护绝缘掩模，并腐蚀净衬底上未被所说绝缘掩模保护的任何材料。
图3b中，在该保护绝缘膜设置于构成激光器的第一组层上的同时，本发明的掩模M设置于材料L构成的层，激光器制造的剩余材料上。向下腐蚀未被本发明的掩模M或保护掩模覆盖的区到衬底30。
这样，这两种实施方式在下述的选择区生长工艺期间产生等同的调制器。
在调制器的选择区生长期间，利用上述掩蔽特点，在n-InP构成的半导体衬底30上，得到例如由n-InP/InGaAsP/p-InP构成的数层，其中n-InP是掺有多余电子的磷化铟层，p-InP是带有多余空穴的磷化铟层。
n-InP构成的第一层31称作垫层，用于使下一层32即波导层之下的表面尽可能没有缺陷。如果衬底由非常高质量的衬底构成，则该层可以略去。
由于表面扩散，可以在该掩模的边缘看到所淀积材料34的厚度增大。由于仅仅该掩模之间的很窄部分用于制造调制器，所以这种厚度变化可以忽略。另外，与整体高度Hp相比，调制器高度Hm增大，这是由于铟的较短扩散长度的缘故，这进而会导致靠近掩模的地方铟富集。
图4a和4b示出了根据本发明的正常和补偿波导层间的对比情况，其中可以清楚地看到总体加长的波长及调制器掩模的可变宽度的补偿效应。
图4a示出了作为调制器波导层的Y轴的函数的波长λ的测量值。该值沿穿过衬底的中心(x＝0)的Y轴表示。下面的线40表示选择区生长工艺期间没用任何补偿掩模的正常衬底。从右到左波长值减小，如图1中所示，从上到下。另一方面，上面的线41表示补偿的波导层，示出了在下面线改变约40nm时，相同距离上仅有10-11nm的偏差。
图4b示出了作为调制器波导层的X轴函数的波长λ的测量值。该值沿穿过衬底的中心(y＝0)的X轴表示。下面的线42表示与图4a所测相同的正常衬底，在x＝0，有最大值，从右到左波长值减小，如图1中所示。另一方面，上面的线43表示补偿的波导层，示出了在下面线改变约25nm时，相同距离上仅有10-11nm的偏差。
这些测量结果表明，可以制造补偿波导层，以使晶片上波长变化的偏差极小，在选择区域生长工艺中，不使用任何补偿掩模，会使波长即带隙能量偏差极大。
本发明的方法的基本部分的特征是，参考衬底上带隙能量的偏差，能够选择希望的补偿掩模宽度。该特征可通过以下方式实现，在参考衬底上形成多个第一光电子器件，覆盖所说第一器件，然后形成第二光电子器件，并通过光致发光测量技术测量第二光电子器件选择区的波长。
本发明的方法自然可以完全补偿调制器的波导层的波长，所以可以将激光器和调制器间的波长差异即所谓的失调减小到可接受的水平，例如约60nm。
Claims (9)
1.一种在一个半导体衬底上制造多个光电集成电路的方法，每个所说集成电路至少包括彼此光连接的第一和第二光电子器件，所说方法包括以下步骤：
(i)生长第一组层，至少包括第一波导层，从而在所说衬底上形成所说第一光电子器件，
(ii)提供包括覆盖每个所说第一光电子器件的掩蔽部分的绝缘膜掩模，以便在所说衬底上限定覆盖区和暴露区，
(iii)去掉所说暴露区的所说第一组层，
(iv)邻近且在每个所说第一光电子器件的光传输方向，选择用于每个第二光电子器件的区，
(v)利用选择区生长工艺，生长至少包括第二波导层的第二组层，从而形成所说第二光电子器件，
其特征在于，所说方法还包括以下步骤：
(a)在步骤(ii)之前，在参考衬底上至少生长一个参考波导层，所说参考波导层对应于将要在步骤(v)生长的第二波导层，
(b)在步骤(ii)之前，测量参考衬底上参考波导层的带隙能量偏差，
(c)在步骤(ii)提供所说绝缘掩模，该掩模至少带有与每个所说区相邻的一个附加掩蔽部分，每个附加掩蔽部分具有选择的长度和可选择的宽度，并平行于每个第一光电子器件的光传输方向设置，
(d)选择每个附加掩蔽部分的宽度，使之对应于所测量带隙能量的偏差，以便至少部分补偿衬底上第二波导层的带隙能量的任何偏差，从而减小衬底上第一和第二光电子器件间的失调偏差。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，提供具有对每个所说区域相邻地设置的两个附加掩蔽部分的所说绝缘膜掩模，所说掩蔽部分彼此平行，设置在每个区的相对侧上。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，邻近所有区域，选择所说两个附加掩蔽间的中间距离，使之基本相同。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，选择所说中间距离，使之为选择区生长期间的较短扩散长度的1-3倍。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，选择所说较短扩散长度，使之为10微米。
6.根据前述任一权利要求的方法，其特征在于，选择所说宽度，使之为0-20微米。
7.根据权利要求1的方法，其特征在于，选择所说第一光电子器件，使之为半导体激光器。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，选择所说第二光电子器件，使之为与所说半导体激光器光学相连的调制器。
9.根据权利要求1的方法，其特征在于，所说测量步骤通过光致发光测量技术进行。
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