CN117233889A - 硅光器件的形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种硅光器件的形成方法,包括:提供衬底,所述衬底包括第一区和第二区;形成位于第一区上的波导结构以及位于第二区上的初始光栅结构;在所述波导结构暴露出的表面形成阻挡介质层;在形成所述阻挡介质层之后,对所述初始光栅结构进行图形化以形成光栅结构。所述硅光器件的形成方法改善了器件表面的形貌均匀性、降低了表面粗糙度,提升了器件性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域,具体涉及一种硅光器件的形成方法。
背景技术
硅光集成技术是以硅作为光学介质,通过CMOS兼容的集成电路工艺制造硅光器件的技术。目前,硅光集成技术已广泛应用于通信、探测、人工智能等领域。
其中,波导与光栅作为硅光器件中的重要的光传播和光耦合器件,其形貌结构有十分严格的要求。在波导与光栅的制备工艺中,需要在满足其线宽尺寸、图案的基础上,保证其侧壁形貌尽可能的光滑、均匀,从而减小光信号的传输、耦合损耗。
然而,在现有的硅光器件的制备工艺中,形成的波导表面的形貌均匀性较差,表面粗糙度也有待改善,导致硅光器件的性能较差。
发明内容
本发明解决的技术问题是,提供一种硅光器件的形成方法,改善了器件表面的形貌均匀性、降低了表面粗糙度,提升了器件性能。
为解决上述技术问题,本发明的技术方案提供一种硅光器件的形成方法,包括:提供衬底,所述衬底包括第一区和第二区;形成位于第一区上的波导结构以及位于第二区上的初始光栅结构;在所述波导结构暴露出的表面形成阻挡介质层;在形成所述阻挡介质层之后,对所述初始光栅结构进行图形化以形成光栅结构。
可选的,所述波导结构包括:波导基底以及位于波导基底上的波导本体,所述波导基底的宽度尺寸大于波导本体的宽度尺寸。
可选的,对初始光栅结构进行图形化的方法包括:形成位于所述初始光栅结构表面的掩膜层,所述掩膜层暴露出部分所述初始光栅结构的表面;以所述掩膜层为掩膜,刻蚀所述初始光栅结构,以形成光栅结构。
可选的,形成所述掩膜层的方法包括:形成位于所述初始光栅结构上的初始掩膜层、以及位于初始掩膜层上的图形化层,所述图形化层暴露出部分所述初始掩膜层表面;以所述图形化层为掩膜,刻蚀所述初始掩膜层,直至暴露出部分所述初始光栅结构表面,形成位于所述初始光栅结构上的掩膜层。
可选的,所述图形化层包括:第一图形结构、抗反射层、以及位于抗反射层上的光刻图形层。
可选的,所述第一图形结构的材料包括有机物;所述抗反射层的材料包括硅;所述光刻图形层的材料包括光刻胶。
可选的,在形成所述掩膜层后,硅光器件的形成方法还包括:去除所述图形化层。
可选的,去除所述图形化层的工艺包括灰化工艺。
可选的,形成波导结构和初始光栅结构的方法包括:在所述衬底上形成器件层;刻蚀所述器件层,以形成位于衬底的第一区上的波导结构以及位于衬底的第二区上的初始光栅结构。
可选的,形成器件层之前,硅光器件的形成方法还包括:在衬底上形成绝缘层,所述器件层位于所述绝缘层上。
可选的,形成波导结构和初始光栅结构的方法包括:提供初始基底,所述初始基底包括所述衬底、位于所述衬底上的绝缘层以及位于绝缘层上的器件层;刻蚀所述器件层,以形成位于衬底的第一区上的波导结构以及位于衬底的第二区上的初始光栅结构。
可选的,所述阻挡介质层的材料包括氧化硅。
可选的,所述阻挡介质层的形成工艺包括氧化工艺。
可选的,所述氧化工艺包括原位水汽生成工艺。
可选的,所述原位水汽生成工艺包括:在所述衬底的第一区的波导结构表面生长初始膜层;对所述初始膜层进行退火处理,以形成阻挡介质层。
可选的,所述阻挡介质层的厚度范围为100埃~150埃。
与现有技术相比,本发明实施例的技术方案具有以下有益效果:
本发明的技术方案提供的硅光器件的形成方法中,先形成波导结构和初始光栅结构,再通过图形化所述初始光栅结构以形成栅极结构,而在图形化所述初始光栅结构之前,先形成了位于所述波导结构表面的阻挡介质层,因此,所述阻挡介质层作为波导结构的保护层,避免了图形化所述初始光栅结构的过程中,所述波导结构的侧壁受到的刻蚀损伤,使所述波导结构的侧壁表面形貌完整、均匀,降低了波导结构的表面粗糙度,从而有利于减小光信号在传输过程中的损耗,提升了器件性能,且拓宽了形成光栅结构的刻蚀工艺的窗口。
进一步,所述阻挡介质层的形成工艺包括原位水汽生成工艺,所述原位水汽生成工艺包括的退火处理能够修复波导结构的形成过程中产生的缺陷,从而提升了波导结构的形貌均匀性,降低了表面粗糙度,提升了器件性能。
附图说明
图1至图7是本发明实施例的硅光器件的形成过程的剖面结构示意图。
具体实施方式
如背景技术所述,在现有的硅光器件的制备工艺中,需要在衬底上的不同区域分别进行波导结构与光栅结构的制成工艺,通常,所述波导结构在光栅结构之前形成。然而,在波导结构形成后,在刻蚀衬底以形成光栅结构的过程中,刻蚀工艺对波导结构也有一定的影响,波导结构受到刻蚀工艺的损害导致其侧壁表面粗糙度恶化,且形貌均匀性下降,从而导致光信号在波导结构内的传输损耗增大,使硅光器件的性能下降。
为解决上述技术问题,本发明的技术方案提供一种硅光器件的形成方法,在形成光栅结构之前,先形成了位于波导结构表面的阻挡介质层,因此,阻挡介质层作为波导结构的保护层,避免了形成光栅结构的过程中,波导结构受到的刻蚀损伤,使波导结构的表面形貌完整、均匀,降低了波导结构的表面粗糙度,从而有利于减小光信号在传输过程中的损耗,提升了器件性能,且拓宽了形成光栅结构的刻蚀工艺的窗口。
为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图1至图7是本发明实施例的硅光器件的形成过程的剖面结构示意图。
请参考图1,提供衬底100,衬底100包括第一区I和第二区II;在衬底100上形成绝缘层101;在绝缘层101上形成器件层102。
衬底100的材料包括硅、硅锗、碳化硅、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上锗(GOI)等。具体的,在本实施例中,衬底100的材料为硅。
第一区I为后续形成的波导结构提供平台;第二区II为后续形成的光栅结构提供平台。
在本实施例中,绝缘层101的材料包括氧化硅。
在另一实施例中,提供初始基底,初始基底包括衬底、位于衬底上的绝缘层、以及位于绝缘层上的器件层。
请参考图2,形成位于第一区I上的波导结构103以及位于第二区II上的初始光栅结构104。
初始光栅结构104为后续形成的光栅结构提供原材料。
具体的,形成波导结构103与初始光栅结构104的方法包括:形成位于器件层102上的初始掩膜层(未标示),初始掩膜层暴露出部分器件层102表面;以初始掩膜层为掩膜,刻蚀器件层102,以形成位于衬底100的第一区I上的波导结构103,以及位于衬底100的第二区II上的初始光栅结构104。
在本实施例中,刻蚀器件层102的工艺包括干法刻蚀工艺。
在本实施例中,初始掩膜层包括:第一初始掩膜结构110、以及位于第一初始掩膜结构110上的第二初始掩膜结构111。
具体的,第一初始掩膜结构110的材料包括氧化硅;第二初始掩膜结构111的材料包括氮化硅。由于氮化硅的硬度、抗腐蚀性更强,因此,使初始掩膜层的整体保护效果更好。
在本实施例中,波导结构103包括:波导基底(未标示)以及位于波导基底上的波导本体(未标示),波导基底的宽度尺寸大于波导本体的宽度尺寸。
在其他实施例中,波导结构的顶部宽度尺寸与底部宽度尺寸相同。
在本实施例中,在刻蚀器件层102后,还形成了位于衬底100的第一区I、第二区II以外的其他区域上的器件结构(未标示)。
请参考图3,在波导结构103暴露出的表面形成阻挡介质层120。
阻挡介质层120作为波导结构103的保护层,避免了后续图形化初始光栅结构104的过程中,波导结构103受到的刻蚀损伤,使波导结构103的表面形貌保持完整性、均匀性,降低了波导结构103的表面粗糙度,从而有利于减小光信号在波导结构103内传输过程中的损耗,提升了器件性能,且拓宽了后续形成光栅结构的刻蚀工艺的窗口。
在本实施例中,阻挡介质层120的材料包括氮化硅。
在本实施例中,阻挡介质层120的厚度范围为100埃~150埃。
在本实施例中,阻挡介质层120同时覆盖于波导结构103表面、初始光栅结构104表面、以及衬底100上的其他器件结构表面。
在本实施例中,阻挡介质层120的形成工艺包括氧化工艺。
具体的,氧化工艺包括原位水汽生成工艺。原位水汽生成工艺包括:在衬底100的第一区I上的波导结构103、第二区II上的初始光栅结构104以及衬底100的其他区域的器件结构表面生长初始膜层(未图示);对初始膜层进行退火处理,以形成阻挡介质层120。
原位水汽生成工艺包括的退火处理能够修复波导结构103的形成过程中产生的晶格畸变,减少结构缺陷,从而提升了波导结构103的形貌均匀性,降低了表面粗糙度,有利于减小光信号在波导结构103内传输的过程中的损耗,提升了器件性能。因此,在形成阻挡介质层120的同时,优化了波导结构103的表面形貌,节约了工艺步骤,改善了工艺窗口。
在其他实施例中,阻挡介质层的形成工艺包括化学气相沉积工艺。
接着,对初始光栅结构104进行图形化以形成光栅结构。
对初始光栅结构104进行图形化的方法包括:形成位于初始光栅结构104表面的掩膜层,掩膜层暴露出部分初始光栅结构104的表面;以掩膜层为掩膜,刻蚀初始光栅结构104,以形成光栅结构。
在本实施例中,形成光栅结构的具体步骤如图4至图7所示。
请参考图4,在形成初始掩膜层后,形成位于初始掩膜层上的初始图形化层125。
初始图形化层125为后续形成的图形化层提供原材料,从而为刻蚀初始掩膜层做准备。
在本实施例中,初始图形化层125包括:初始第一图形结构121、位于初始第一图形结构121上的初始抗反射层122、以及位于初始抗反射层122上的初始光刻图形层123。
具体的,初始第一图形结构121的材料包括有机物;初始抗反射层122的材料包括硅;初始光刻图形层123的材料包括光刻胶。
在本实施例中,初始图形化层125位于衬底100上,同时,初始图形化层125包围波导结构103、初始光栅结构104以及初始掩膜层。初始第一图形结构121的顶部表面高于初始掩膜层的顶部表面。
请参考图5,刻蚀初始图形化层125,以形成位于初始掩膜层上的图形化层134,图形化层134暴露出部分初始掩膜层表面;以图形化层134为掩膜,刻蚀初始掩膜层,直至暴露出部分初始光栅结构104表面,形成位于初始光栅结构104上的掩膜层(未标示)。
掩膜层在后续刻蚀初始光栅结构104过程中用作掩膜。
在本实施例中,掩膜层包括第一掩膜结构135、以及位于第一掩膜结构135上的第二掩膜结构130。
在本实施例中,刻蚀初始掩膜层的工艺包括干法刻蚀工艺。
图形化层134包括:第一图形结构131、位于第一图形结构131上的抗反射层132、以及位于抗反射层132上的光刻图形层133。
具体的,形成图形化层134的方法包括:对初始光刻图形层123进行曝光显影处理,以暴露出部分初始抗反射层122表面,形成光刻图形层133;以光刻图形层133为掩膜,刻蚀初始抗反射层122,以形成抗反射层132;以抗反射层132为掩膜,刻蚀初始第一图形结构121,以形成第一图形结构131,第一图形结构131暴露出部分初始光栅结构104上的初始掩膜层表面。
在本实施例中,第一图形结构131的材料包括有机物;抗反射层132的材料包括硅;光刻图形层133的材料包括光刻胶。
请参考图6,在形成掩膜层后,去除图形化层134。
在后续刻蚀初始光栅结构104之前,去除图形化层134的作用在于,减少了图形化层134对刻蚀初始光栅结构104的工艺的影响,从而有利于改善刻蚀工艺的工艺窗口,使刻蚀工艺更均匀,从而,使刻蚀完成后形成的光栅结构的侧壁垂直于衬底100表面,改善了光栅结构的均匀性和表面粗糙度。
在本实施例中,去除图形化层134的工艺包括灰化工艺。
请参考图7,以掩膜层为掩膜,刻蚀初始光栅结构104,以形成光栅结构140。
在本实施例中,光栅结构140包括光栅基底(未标示)、位于光栅基底上的若干光栅本体(未标示)、以及各光栅本体之间的光栅狭缝(未标示)。光栅本体的侧壁表面垂直于光栅基底的顶部表面。
在刻蚀初始光栅结构104的过程中,由于波导结构103表面覆盖有阻挡介质层120,因此,阻挡介质层120作为波导结构103的保护层,避免了刻蚀初始光栅结构104的过程中,波导结构103的侧壁受到的刻蚀损伤,从而在刻蚀完成后,波导结构103的侧壁表面仍能够保持形貌完整、均匀,进而降低了波导结构103的表面粗糙度,减少了波导结构103的缺陷,有利于减小光信号在波导结构103内传输过程中的损耗。此外,由于波导结构103表面有阻挡介质层120的保护,因此,在刻蚀初始光栅结构104的过程中,无需考虑刻蚀工艺对波导结构103的影响,只需要根据光栅结构140的设计图案,更有针对性的调整初始光栅结构104的刻蚀工艺,从而拓宽了刻蚀工艺的工艺窗口,使形成的光栅结构140的形貌更好。
在本实施例中,刻蚀初始光栅结构104的工艺包括干法刻蚀工艺。
虽然本发明披露如上,但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,均可作各种更动与修改,因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (16)
1.一种硅光器件的形成方法,其特征在于,包括:
提供衬底,所述衬底包括第一区和第二区;
形成位于第一区上的波导结构以及位于第二区上的初始光栅结构;
在所述波导结构暴露出的表面形成阻挡介质层;
在形成所述阻挡介质层之后,对所述初始光栅结构进行图形化以形成光栅结构。
2.如权利要求1所述的硅光器件的形成方法,其特征在于,所述波导结构包括:波导基底以及位于波导基底上的波导本体,所述波导基底的宽度尺寸大于波导本体的宽度尺寸。
3.如权利要求1所述的硅光器件的形成方法,其特征在于,对初始光栅结构进行图形化的方法包括:形成位于所述初始光栅结构表面的掩膜层,所述掩膜层暴露出部分所述初始光栅结构的表面;以所述掩膜层为掩膜,刻蚀所述初始光栅结构,以形成光栅结构。
4.如权利要求3所述的硅光器件的形成方法,其特征在于,形成所述掩膜层的方法包括:形成位于所述初始光栅结构上的初始掩膜层、以及位于初始掩膜层上的图形化层,所述图形化层暴露出部分所述初始掩膜层表面;以所述图形化层为掩膜,刻蚀所述初始掩膜层,直至暴露出部分所述初始光栅结构表面,形成位于所述初始光栅结构上的掩膜层。
5.如权利要求4所述的硅光器件的形成方法,其特征在于,所述图形化层包括:第一图形结构、抗反射层、以及位于抗反射层上的光刻图形层。
6.如权利要求5所述的硅光器件的形成方法,其特征在于,所述第一图形结构的材料包括有机物;所述抗反射层的材料包括硅;所述光刻图形层的材料包括光刻胶。
7.如权利要求4所述的硅光器件的形成方法,其特征在于,在形成所述掩膜层后,还包括:去除所述图形化层。
8.如权利要求7所述的硅光器件的形成方法,其特征在于,去除所述图形化层的工艺包括灰化工艺。
9.如权利要求1所述的硅光器件的形成方法,其特征在于,形成波导结构和初始光栅结构的方法包括:在所述衬底上形成器件层;刻蚀所述器件层,以形成位于衬底的第一区上的波导结构以及位于衬底的第二区上的初始光栅结构。
10.如权利要求9所述的硅光器件的形成方法,其特征在于,形成器件层之前,还包括:在衬底上形成绝缘层,所述器件层位于所述绝缘层上。
11.如权利要求1所述的硅光器件的形成方法,其特征在于,形成波导结构和初始光栅结构的方法包括:提供初始基底,所述初始基底包括所述衬底、位于所述衬底上的绝缘层以及位于绝缘层上的器件层;刻蚀所述器件层,以形成位于衬底的第一区上的波导结构以及位于衬底的第二区上的初始光栅结构。
12.如权利要求1所述的硅光器件的形成方法,其特征在于,所述阻挡介质层的材料包括氧化硅。
13.如权利要求1所述的硅光器件的形成方法,其特征在于,所述阻挡介质层的形成工艺包括氧化工艺。
14.如权利要求13所述的硅光器件的形成方法,其特征在于,所述氧化工艺包括原位水汽生成工艺。
15.如权利要求14所述的硅光器件的形成方法,其特征在于,所述原位水汽生成工艺包括:在所述衬底的第一区的波导结构表面生长初始膜层;对所述初始膜层进行退火处理,以形成阻挡介质层。
16.如权利要求1所述的硅光器件的形成方法,其特征在于,所述阻挡介质层的厚度范围为100埃~150埃。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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