CN117741860A - 选择性外延硅基脊型光波导及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了选择性外延硅基脊型光波导及制作方法,该脊型光波导包括:SOI衬底,包括自下而上的硅衬底、埋氧层和顶层硅;硅平板层,由所述SOI衬底的顶层硅制成,作为脊型光波导的平板部分;选择性外延硅,在所述硅平板层上表面中心部分选择性外延生长硅层形成,作为脊型光波导的凸起部分;以及,第二氧化硅层,完全包裹所述脊型光波导的平板部分和凸起部分。相比常规的经过干法刻蚀具有粗糙侧壁表面的脊型光波导,本发明能显著减少光波传播的散射损耗;同时,脊型光波导的平板部分硅层厚度,为顶层硅的原始厚度并未经过刻蚀,比常规脊型光波导经过刻蚀的顶层硅厚度更精准、更均匀,光模场更符合设计,光更少泄漏到波导以外发生损耗。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域,特别涉及一种选择性外延硅基脊型光波导及制作方法。
背景技术
在过去的十几年中,大规模光子集成电路在光通信、光量子计算及高灵敏度光学传感器等方面得到广泛应用,由此吸引了学术界和工业界的兴趣,并使其得以快速发展。基于绝缘体上硅(Silicon on insulator,SOI)衬底的纳米光波导,以其较低的光传输损耗、超高的集成度以及与互补金属-氧化物-半导体(Complementary Metal-oxide-semiconductor,CMOS)制造工艺相兼容的特点,成为硅基光子集成电路中一种典型的结构。借助于芯层硅和包层二氧化硅之间的高折射率差(Δn~2),硅纳米光波导具有十分紧凑的结构尺寸(几百纳米),并允许非常小的转弯半径(低至几微米),为实现光电系统的高密度集成奠定坚实的材料和结构基础。另一方面,硅波导芯层和包层之间的高折射率差,也使得光波的传输损耗对于波导侧墙的粗糙度散射高度敏感,为硅波导乃至硅光集成芯片带来重大的挑战。例如,10纳米的侧墙刻蚀粗糙度,就足以引起几十dB/cm的严重传输损耗(参见论文Kevin K.Lee et al,Fabrication of ultralow-loss Si/SiO2 waveguides byroughness reduction,Optics Letters,2001,26(23):1888-1890)。
学术界和工业界持续致力于降低纳米硅波导粗糙度散射引起的光损耗,除了改进光刻和刻蚀工艺之外,更多研究集中在硅波导侧壁刻蚀后的平滑处理上,如通过氧化平滑硅表面(中国专利公开号CN117139850A)、在氢气氛围中退火促进硅表面原子迁移(中国专利授权号CN1277135C、CN107132617B)、激光回流或修饰硅表面(中国专利公开号CN117139850A)等方面。这几类方法都证明能有效降低硅侧壁粗糙度和减少光传输损耗,但同时带来一些问题,例如,氧化法消耗硅芯层厚度、改变波导形貌和光模场、带来额外的应力和缺陷等;氢气氛围退火高温和真空,实施条件较高,也会使方形波导变圆和偏离设计光模场;激光处理需要额外的专用设备,同CMOS产线设备及工艺不兼容等。硅光芯片中最常使用的波导为条型光波导(Strip waveguide)和脊型光波导(Rib waveguide):矩形截面的条形光波导最常用于传输光信号,因此其粗糙度散射损耗及其改进的研究较多;具有“凸”字形截面的脊型光波导容易掺杂和连接金属电极,除传输光信号以外,用途更加广泛,如用于构建波导光栅、光移相器、调制器和探测器等无源和有源器件,但脊型光波导粗糙度引起的损耗及其改进的研究相对较少。
图1为常规的SOI硅脊型光波导剖面结构示意图,SOI衬底由支撑硅衬底、埋氧层和顶层硅构成;在SOI衬底上经过光学光刻和干法刻蚀顶层硅形成的脊型光波导,包括硅脊型波导和硅平板两部分,被埋氧层和刻蚀后沉积的氧化硅层包覆;其中,硅平板侧壁、硅平板表面和脊型波导侧壁均为经过干法刻蚀的表面比较粗糙,尤其是被刻蚀过的脊型波导侧壁、硅平板侧壁的表面远比硅平板表面更为粗糙;只有脊型波导表面为原始的顶层硅表面,较为平滑。若能降低这些波导侧壁及硅平板表面的粗糙度,将有效降低波导损耗。经合理设计的脊型光波导,光模场主要分布于脊型光波导部分,在硅平板和包层内都分布较少,脊型波导侧壁粗糙度引起的波导损耗比硅平板侧壁更为严重,因此降低脊型波导侧壁的粗糙度更加重要。
由于现有技术改善硅波导侧壁粗糙度方面存在的局限性,以及在脊型光波导领域的研究的不足,有必要提出能弥补现有方法的不足并适合脊型光波导的侧壁粗糙度改善方法。
发明内容
针对现有技术中存在的问题,提供了选择性外延硅基脊型光波导及制作方法,利用SOI衬底的顶层硅制作脊型光波导的平板,再在平板上选择性外延生长锗层,有效改善了各表面的粗糙度。
本发明第一方面提出了选择性外延硅基脊型光波导,包括:
SOI衬底,包括自下而上的硅衬底、埋氧层和顶层硅;
硅平板层,由所述SOI衬底的顶层硅制成,作为脊型光波导的平板部分;
选择性外延硅,在所述硅平板层上表面中心部分选择性外延生长硅层形成,作为脊型光波导的凸起部分;以及,
第二氧化硅层,完全包裹所述脊型光波导的平板部分和凸起部分。
作为一种优选方案,所述顶层硅厚度等于脊型光波导的平板部分厚度。
作为一种优选方案,所述硅平板层包括经过光刻和干法刻蚀顶层硅所形成的平板图形。
作为一种优选方案,所述选择性外延硅形成过程包括:
在硅平板层上表面沉积第一氧化硅层,采用光刻和刻蚀第一氧化硅层暴露硅平板层的中心部分,通过选择性外延生长硅层形成所述脊型光波导的凸起部分,去除第一氧化硅层。
作为一种优选方案,所述SOI衬底的硅衬底的电阻率为0.01~10k欧姆·厘米,埋氧层厚度为0.1~3微米,顶层硅厚度为0.05~3微米。
作为一种优选方案,所述选择性外延硅厚度为0.05-3微米。
本发明第二方面提出了选择性外延硅基脊型光波导的制作方法,包括:
步骤1、提供一SOI衬底,所述SOI衬底包括自下而上的硅衬底、埋氧层和顶层硅;
步骤2、采用光刻和干法刻蚀顶层硅形成脊型光波导的平板部分;
步骤3、沉积第一氧化硅层;
步骤4、采用光刻和干法刻蚀第一氧化硅层,暴露平板部分的中心区域形成选择性外延窗口;
步骤5、在选择性外延窗口中选择性外延生长硅层形成脊型光波导的凸起部分;
步骤6、去除第一氧化硅层;
步骤7、沉积第二氧化硅层,对脊型光波导的平板部分和凸起部分形成包裹。
作为一种优选方案,还包括步骤8,采用化学机械抛光工艺将第二氧化硅层抛光,使整个第二氧化硅层表面平整。
作为一种优选方案,所述SOI衬底的顶层硅厚度与所述的脊型光波导的平板部分厚度相同。
与现有技术相比,采用上述技术方案的有益效果为:本发明提出的脊型光波导的侧壁是平滑的外延硅表面并未经过刻蚀,相比常规脊型光波导经过干法刻蚀的粗糙侧壁表面,能显著减少光波传播的散射损耗;同时,脊型光波导的平板部分硅层厚度,就是SOI衬底顶层硅的原始厚度并未经过刻蚀,比常规脊型光波导经过刻蚀的顶层硅厚度更精准、更均匀,因此光模场更符合设计,光更少泄漏到波导以外发生损耗。
附图说明
图1为常规的硅基脊型光波导剖面图。
图2为本发明一实施例提出的选择性外延硅基脊型光波导剖面图。
图3为本发明一实施例提出的选择性外延硅基脊型光波导制作的工艺流程简图。
图4为本发明一实施例提出的选择性外延硅基脊型光波导制作过程的剖面示意图。
附图标记:1-SOI衬底,2-硅平板层,3-选择性外延硅,4-第二氧化硅层,11-硅衬底,12-埋氧层,13-顶层硅,2T-脊型光波导的平板部分上表面,2S-脊型光波导的平板部分侧壁,3T-脊型光波导的凸起部分上表面,3S-脊型光波导的凸起部分侧壁。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本申请,而不能理解为对本申请的限制。相反,本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
为了有效降低波导侧壁的粗糙度、减少光波传输损耗,本发明实施例提出了一种选择性外延硅基脊型光波导及制作方法,能够显著改善脊型光波导各表面的粗糙度,也避免了现有技术改变波导形貌和光模场、引入应力和缺陷、实施条件较高等问题,同CMOS设备工艺良好兼容。
请参考图2,该选择性外延硅基脊型光波导主要包括SOI衬底1、硅平板层2、选择性外延硅3以及第二氧化硅层4几个部分。具体的:
SOI衬底1作为脊型光波导的基础,包括自下而上的硅衬底11、埋氧层12以及顶层硅13。在一个实施例中,硅衬底11的电阻率为0.01~10k欧姆·厘米,优选电阻率较高的材料,以减少衬底的寄生效应更有利硅光芯片的性能;埋氧层12的厚度为0.1~3微米,优选埋氧层12较厚的SOI材料,一是保证埋氧层12具有足够的厚度充当下包层限制光,二是减少硅衬底11的寄生电容以提高有源器件(如调制器、探测器等)的射频带宽;顶层硅的厚度为0.05-3微米,一是方便波导设计,二是确保有一定的厚度生长高质量的硅外延层。
硅平板层2直接利用SOI衬底1的顶层硅13制成,作为脊型光波导的平板部分。由于SOI衬底1的顶层硅13用于制作脊型光波导的平板部分,因此,需要对其厚度进行预先定制,即,SOI衬底1的顶层硅13厚度应当等于脊型光波导的平板部分设计厚度。在一个实施例中,采用光刻和干法刻蚀顶层硅13定义脊型光波导的平板部分图形。
而选择性外延硅3则是在硅平板层2上选择性外延生长硅层形成,其作为脊型光波导的凸起部分。在实际应用中,在选择性外延硅3的形成过程中,需要先在硅平板层2上表面沉积第一氧化硅层,而后采用光刻和干法刻蚀第一氧化硅层暴露出硅平板层2的中心区域形成外延窗口,再在外延窗口中选择性外延生长硅层形成脊型光波导的凸起部分,最后去除第一氧化硅层。在一个实施例中,选择性外延硅3的厚度为0.05-3微米。
第二氧化硅层4完全包裹脊型光波导的平板部分和凸起部分。在一个实施例中,第二氧化硅层4的厚度为1-3微米。
需要说明的是,在进行选择性硅外延时,第一氧化硅层的去除步骤必不可少,这是由于后续还需要沉积第二氧化硅层4完成对脊型光波导的平板部分和凸起部分的包裹处理,若不去除第一氧化硅层,可能会由于第一氧化硅层同选择性外延硅3之间存在微小间隙而造成第二氧化硅层4填充不实,进而引起脊型光波导中的模场发生畸变而偏离设计。
本实施例提出的选择性外延硅基脊型光波导中,仅脊型光波导的平板部分侧壁2S经过干法刻蚀较为粗糙,而脊型光波导的平板部分上表面2T为顶层硅13原始表面,脊型光波导的凸起部分侧壁3S和脊型光波导的凸起部分上表面3T为选择性外延硅3的侧面和表面,均未经过干法刻蚀,都较为平滑。与图1所示的常规硅脊型光波导相比,图2的脊型光波导的凸起部分不仅侧壁和上表面更为平滑,能减少粗糙度散射和光波传输损耗,原始顶层硅和外延层的厚度均匀性均好于干法刻蚀的厚度均匀性,外延同时也避免了硅干法刻蚀产生的等离子体损伤,因此光波导的传输损耗及在晶圆内的均匀性方面,本实施例提出的选择性外延硅基脊型光波导都优于常规的脊型光波导。
请参考图3、图4,本发明实施例还提出了制作图2所示的选择性外延硅基脊型光波导的方法。该方法包括:
(a)、提供一SOI衬底1,所述SOI衬底1包括自下而上的硅衬底11、埋氧层12和顶层硅13。
本实施例中,选取8吋P(100)SOI衬底1,衬底厚度725微米,电阻率~10欧姆·厘米,埋氧层12厚度3微米,顶层硅厚度0.15微米。
(b)、采用光刻和干法刻蚀顶层硅13形成脊型光波导的平板部分。以光刻和干法刻蚀配合,在SOI衬底1的顶层硅13中刻蚀出脊型光波导的平板部分,终止在埋氧层12上。
(c)、沉积第一氧化硅层。本实施例中,采用等离子增强化学气相沉积(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)第一氧化硅厚度0.1微米,覆盖已经刻蚀成型的脊型光波导的平板部分。
(d)、采用光刻和干法刻蚀第一氧化硅层,暴露平板部分的中心区域形成选择性外延窗口。本实施例中,先光刻暴露脊型光波导区域,再采用干法刻蚀到底或先干法刻蚀后湿法刻蚀的方式,刻蚀第一氧化硅层暴露顶层硅表面,形成用于外延生长的窗口区域。
(e)、在选择性外延窗口中选择性外延生长硅层形成脊型光波导的凸起部分。本实施例中,选择性外延生长硅层为单晶硅,厚度为0.07微米。
(f)、去除第一氧化硅层。本实施例中,采用稀氢氟酸溶液湿法去除残留的第一氧化硅层。
(g)、沉积第二氧化硅层,对脊型光波导的平板部分和凸起部分形成包裹。本实施例中,采用PECVD沉积第二氧化硅层4厚度1.5微米。
(h)、采用化学机械抛光工艺将第二氧化硅层4抛光,使整个第二氧化硅层4表面平整,至此完成选择性外延硅基脊型光波导的制作。
本发明制作的选择性外延硅脊型光波导具有两个显著优点:一是脊型光波导的侧壁是平滑的外延硅表面并未经过刻蚀,相比常规脊型光波导经过干法刻蚀的粗糙侧壁表面,能显著减少光波传播的散射损耗;二是脊型光波导的平板部分硅层厚度,就是SOI衬底顶层硅的原始厚度并未经过刻蚀,比常规脊型光波导经过刻蚀的顶层硅厚度更精准、更均匀,因此光模场更符合设计,光更少泄漏到波导以外发生损耗。
以上所述,仅为本申请的具体实施方式,但本申请的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此,本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
在此处所提供的说明书中,说明了大量具体细节。然而,能够理解,本申请的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中,并未详细示出公知的方法、结构和技术,以便不模糊对本说明书的理解。
类似地,应当理解,为了精简本申请并帮助理解各个发明方面中的一个或多个,在上面对本申请的示例性实施例的描述中,本申请的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而,并不应将该公开的方法解释成反映如下意图:即所要求保护的本申请要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说,如权利要求书所反映的那样,发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此,遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式,其中每个权利要求本身都作为本申请的单独实施例。
此外,本领域的技术人员能够理解,尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征,但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。例如,在权利要求书中,所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
Claims (9)
1.选择性外延硅基脊型光波导,其特征在于,包括:
SOI衬底,包括自下而上的硅衬底、埋氧层和顶层硅;
硅平板层,由所述SOI衬底的顶层硅制成,作为脊型光波导的平板部分;
选择性外延硅,在所述硅平板层上表面中心部分选择性外延生长硅层形成,作为脊型光波导的凸起部分;以及,
第二氧化硅层,完全包裹所述脊型光波导的平板部分和凸起部分。
2.根据权利要求1所述的选择性外延硅基脊型光波导,其特征在于,所述顶层硅厚度等于脊型光波导的平板部分厚度。
3.根据权利要求1所述的选择性外延硅基脊型光波导,其特征在于,所述硅平板层是经过光刻和干法刻蚀顶层硅所形成的平板图形。
4.根据权利要求1所述的选择性外延硅基脊型光波导,其特征在于,所述选择性外延硅形成过程包括:
在硅平板层上表面沉积第一氧化硅层,采用光刻和刻蚀第一氧化硅层暴露硅平板层的中心部分,通过选择性外延生长硅层形成所述脊型光波导的凸起部分,去除第一氧化硅层。
5.根据权利要求1所述的选择性外延硅基脊型光波导,其特征在于,所述SOI衬底的硅衬底的电阻率为0.01~10k欧姆·厘米,埋氧层厚度为0.1~3微米,顶层硅厚度为0.05~3微米。
6.根据权利要求1所述的选择性外延硅基脊型光波导,其特征在于,所述选择性外延硅厚度为0.05-3微米。
7.选择性外延硅基脊型光波导的制作方法,其特征在于,包括:
步骤1、提供一SOI衬底,所述SOI衬底包括自下而上的硅衬底、埋氧层和顶层硅;
步骤2、采用光刻和干法刻蚀顶层硅形成脊型光波导的平板部分;
步骤3、沉积第一氧化硅层;
步骤4、采用光刻和干法刻蚀第一氧化硅层,暴露平板部分的中心区域形成选择性外延窗口;
步骤5、在选择性外延窗口中选择性外延生长硅层形成脊型光波导的凸起部分;
步骤6、去除第一氧化硅层;
步骤7、沉积第二氧化硅层,对脊型光波导的平板部分和凸起部分形成包裹。
8.根据权利要求7所述的选择性外延硅基脊型光波导的制作方法,其特征在于,还包括步骤8,采用化学机械抛光工艺将第二氧化硅层抛光,使整个第二氧化硅层表面平整。
9.根据权利要求7所述的选择性外延硅基脊型光波导的制作方法,其特征在于,所述SOI衬底的顶层硅厚度与所述的脊型光波导的平板部分厚度相同。
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CN (1) | CN117741860A (zh) |
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2024
- 2024-01-25 CN CN202410108420.5A patent/CN117741860A/zh active Pending
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PB01 | Publication | ||
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