CN1505842A - 光耦合器件结构及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于制造光栅部件的制造技术，其利用光刻胶的刻蚀性能，提供彼此接近的合乎需要的几何形状。这使得用于光耦合的光栅是可制造的并提供有效的耦合。使用SOI衬底方便地实现硅波导管，以便在硅下面的绝缘体提供一种材料，该材料邻近硅且具有比硅低的折射率。硅的顶面具有合乎需要的几何形状，导致其折射率比硅衬底的主体上的硅低。

Description

光耦合器件结构及其方法

发明领域

本发明涉及光耦合，更具体涉及光耦合中有用的集成电路器件结构。

相关技术

用于光耦合的技术之一称为衍射光栅。这类技术利用间隔的光栅部件，其提供弯曲的光，从而使光直接沿波导管到目标或来自波导外的光源。在需要二点之间的界面光的任何时候，这都是非常合乎需要的，以便如果光沿波导管被传输且希望发送到波导管外或光源自波导管外且希望发送到波导管中，可以使用光栅来实现。困难之一是希望光栅由大量光栅部件组成。这些部件必须相互远离，提供合乎需要的弯曲。这些弯曲主要与光的频率上的大量测量有关。为了使光被有效地弯曲，部件具有一定的空间周期性以及部件本身具有某种所需的性能。具体地说，较高的频率要求具有较小的周期的部件，这实际上意味着部件必须彼此接近。对于高频率来说这难以以一种可制造方式来实现，而高频率在显著地提高集成电路的速度方面可能有用。

通过电子束技术实现一般的集成电路衍射光栅。尽管多少有些效果，但由于通过电子束实现图形所需的时间所以不合乎要求。此外，光栅部件的形状很重要。用电子束技术，部件形状基本上限于正方形和平行四边形型。对于这些单独的光栅部件，重要的是形状是可预测的，而且它具有提供波导管和光栅之间光的良好耦合和传送的形状。部件必须平滑且与后续集成电路一致。光栅部件的间隔还要与形状一致。通常使用偏振光，因为在现有技术提供的一般光栅中偏振光更有效。此外难以实现平滑。因此，存在希望不必具有偏振光的情况，因为在此情况下耦合效率十分低。

因此，需要一种制造衍射光栅的可制造技术并且需要高质量的衍射光栅。

附图简述

通过例子说明本发明且不受附图限制，其中相同的参考标记指相似的元件，其中：

图1是根据本发明的实施例、在处理阶段的部分集成电路的截面图；

图2是在处理的后续阶段的图1集成电路的截面图；

图3是图2的集成电路的俯视图；

图4是在处理的后续阶段的图2集成电路的截面图；

图5是图4的集成电路的俯视图；

图6是在处理的后续阶段的图4集成电路的截面图；

图7是在处理的后续阶段的图6集成电路的截面图；

图8是根据本发明的另一实施例在处理阶段的集成电路的截面图；

图9是在处理的后续阶段的图8集成电路的截面图；

图10是在处理的后续阶段的图9集成电路的截面图；

图11是根据本发明的实施例的光栅部件布置的俯视图；

图12是根据本发明的优选实施例、具有光探测器和处理电路的半导体衬底的截面图；以及

图13是图12中所示的部分检测器的截面图。

技术人员应当理解图中的元件用于简单和清楚的说明，没有必要按比例绘制。例如，图中的某些元件的尺寸相对于其他元件可能夸大，以有助于增加对本发明的实施例的理解。

详细描述

一种用于制造光栅部件的制造技术利用光刻胶的刻蚀性能，提供彼此近似的合乎需要的几何形状。这导致用于光耦合的光栅是可制造的并提供有效的耦合。

图1示出了集成电路10的一部分，包括绝缘区12、半导体区14、构图的光刻胶16、N掺杂区18、N掺杂区20以及N掺杂区22。由淀积在半导体区14上构图的光刻胶层产生图形光刻胶16。通常氧化物层(未示出)在光刻胶和硅之间。构图该光刻胶层之后，提供光刻胶16。然后进行N+注入以形成N+区18、20和22。绝缘区12和半导体区14包括绝缘体上的硅(SOI)衬底，SOI衬底在工业上是容易得到的。

图2示出了淀积图形光刻胶16和淀积另一光刻胶层以及构图产生构图的光刻胶层24之后的集成电路10。提供图形光刻胶层14作为用于P型注入的掩模，P型注入产生P掺杂区26和28。P掺杂区26和28在N型掺杂区18、20和22之间交错。

图3示出了集成电路10的附加部分的俯视图，示出了N和P掺杂区的交错。其示出N型掺杂区在底部具有公共连接，P掺杂区在顶部具有公共连接。集成电路10的这部分示出了入射光的目标区。

图4示出了集成电路10的后附加处理。在半导体区14上淀积氮化物层30。然后在氮化物层30上淀积光刻胶层，构图以形成包括光刻胶柱32、34、36、38、40、42、44、46、48、50以及52的图形光刻胶层。这些柱子32-52基本上是圆柱形，这易于实现。图5示出了集成电路10的一部分，作为图4所示的处理阶段的俯视图，其示出了矩阵形式的柱子。

图6示出了对光刻胶柱32-48和氮化物层30进行部分刻蚀之后的处理阶段的集成电路10。柱子32-52不仅高度减小而且直径也减小。氮化物的刻蚀是有方向性的，但是光刻胶最好仍然横向刻蚀，以致光刻胶柱的直径减小，露出更多的氮化物，其中光刻胶柱的侧壁是露出的。但是接收最大曝光量的氮化物是初始柱子之间的区域。当柱子直径减少时，更多的氮化物露出。因此，在氮化物朝着光刻胶的方向上形成斜坡。光刻胶柱子之间氮化物的刻蚀继续，图7示出了结果。这示出了半球形氮化物部件54、56、58、60、62、64、66、68、70、72以及74。定位这些氮化物部件以具有为频率选择的周期，希望在半导体区14和氮化物部件54-74上的区域之间穿过。氮化物部件54-74包括光耦合光栅。

半导体区14作为波导管，氮化物部件54-74作为光耦合衍射光栅。半导体区14的硅比绝缘层12的氧化硅具有更高的折射率。还可以使用比其上的半导体层的折射率低的另一个绝缘层。氮化物部件也具有低于半导体层14的折射率。

氮化物部件的周期性尺寸还导致光在图形半导体区14中横向传播，穿过氮化物部件54-74的衍射光栅。对于光耦合光栅，光的入射角度一般是80度±5度。因此，它近乎垂直，但不十分垂直。根据额定80度的入射光的频率选择氮化物部件54-74的周期。用于局域网(LAN)的一般和标准频率是这样规定的，80度的额定角度进入光耦合衍射光栅的光具有约850纳米(nm)的波长。用于光栅的氮化物使用的周期约290纳米(nm)。850nm波长的光会被硅吸收，因此希望用其作具有非常好效率的光探测器。掺杂区18-22和26-28用来收集光生载流子。

该衍射光栅还可以用于作为城域网标准的1310nm波长，但是将用作发送器，硅与图7所示的情况一样作为波导管，将图7的半导体区14描述为硅。但是，半导体区14可以是对1310nm辐射敏感的不同的合成物，例如硅-锗。这样做的一种方法是将硅与锗熔成合金。半导体区14的另一替换物是锗。

半球形形状的优点是耦合效率不会显著地受入射光的偏振影响。因此，非偏振光将很好的穿透光耦合光栅，耦合光栅中各个部件都是半球形。如果不使用小部件矩阵，那么使用彼此平行的大量指状物，根据指状物的周期性，弯曲是有效的，但是耦合仅仅对于指状物方向的偏振光是良好的。与部件垂直对准的偏振光基本上被阻挡。

对于例如图5所示方形矩阵的替换物是彼此等距离的光刻胶柱。这将是如图10所示与其它任意柱子等距离的六个柱子。其可以叫作六边形图形，因为它是与其它任意柱子等距离的六个柱子。这对于通过非偏振光最有效的，如果衍射部件(例如氮化物柱子54-74)是圆形的，执行起来最有用。图11示出了由圆形衍射部件96、98、100、102、104以及106构成的六边形图形92，其围绕衍射部件94，具有等于光栅所需周期的半径，从而为具体的频率获得所需的弯曲。

N掺杂区和P掺杂区(例如18-22以及26-28)的用途是为N掺杂区聚集电子和为P+区聚集空穴。半导体区14非常轻地掺杂P-，这是用于集成电路的一般起始材料，甚至更低的掺杂能级可以更有利。使用蚀刻剂，直接腐蚀氮化物30，同时刻蚀光刻胶柱的侧壁，用来有利地获得圆形形状。这是所希望的形状，其提供如图5所示的矩阵或图10的六边形方法，对组成光栅的所有最终的氮化物部件提供相等距离，然后可以最大化耦合。六边形图形提供最优的对称性，这提供了所需的周期性。两个相邻部件之间的距离加上一个部件的直径就是周期的尺寸。

作为半球形光栅部件(例如突出在半导体区14上的氮化物部件54-74)的替换物，光栅部件还可以是半导体区中的空腔。图8示出集成电路80的一部分，具有半导体区84、绝缘区82、构图的氮化物层86，半导体区84在本实施例中是硅，构图的氮化物层86在氮化物中具有开口88和90。

同样，这是通过涂敷光刻胶、构图光刻胶、然后根据光刻胶图形刻蚀氮化物来实现的。这样留下开口88和90。然后通过离子轰击使开口88和90粗糙。这略微地降低开口88和90中的硅能级以及使开口88和90的硅表面粗糙。在离子轰击开口88和90之后，进行由液态的氢氧化钾(KOH)构成的刻蚀。对于硅的晶体结构，湿KOH刻蚀是各向异性的。该刻蚀沿硅(衬底84)的111面。从而从开口88和90中的硅除去一个棱锥形状。

图9示出了使用湿KOH刻蚀剂以所示角度和沿硅区84的111面刻蚀的处理阶段。刻蚀继续，图10示出结果，结果为半导体区82中的棱锥形空腔。这是一道有利的工序，因为它高度可重复。一旦形成棱锥，刻蚀将基本上停止。刻蚀率在111平面中极慢但是沿111面很快。因此，留下的是对准111向的硅。因此这些棱锥可以代替突出在硅表面上的氮化物部件并代之以硅区内的空腔。棱锥形部件被空气围绕，形成平均折射率比硅更低的层。因此，硅(衬底84)有效地作为波导管，因为它具有超过和低于它的更低折射率。

可以如所希望的获得这些棱锥形状的周期。在此情况下的周期是开口88和90之间的距离加上图9所示的这些开口之一的长度。这些棱锥形状可以以图5中所示的用于光刻胶柱子的矩阵来对准。如果集成电路10用作光探测器，那么掺杂区将被方便地放置，以优化地收集由入射光产生的载流子。

图12示出了集成电路120，包括光栅122、探测器124、绝缘体126、栅极和互连128以及源极和漏极130。集成电路120利用常规的绝缘体上半导体(SOI)衬底，其中半导体优选是硅，绝缘体126在硅下面。硅是集成电路120的有源区，其位于探测器124以及漏极和源极130所处的地方。硅对应于图2所示的半导体区14。掺杂区18-22和26-28与半导体区14的其余部分相比相对高掺杂，半导体区14的其余部分轻掺杂为小于或等于约10¹⁴微粒/cm²。绝缘体126下面的A较厚硅层主要提供物理支撑。探测器124形成在绝缘体126上的硅中。尽管光栅122形成在硅衬底表面上，但是作为一种替换，光栅可以形成作为硅本身的一部分。栅极和互连128形成在硅表面之上，在此情况下与探测器124的顶端一致。源极和漏极130形成在硅表面中。栅极和互连128以及源极和漏极130的结合形成处理电路132，该电路利用由探测器124收集的信息。在工作中，入射光134到达光栅122，在硅中产生可由探测器124探测到的载流子。由探测器124探测之后，在某种意义上，处理电路132根据选择的设计来处理这些探测的信号。

图13示出了光栅122、探测器124、以及绝缘体126，说明入射光在光栅122上的活动。这表明入射光到达光栅区，进入探测器区域124，然后停留在探测器124的区域内。在光栅122和绝缘体126之间的区域是波导管，以致进入该波导管的光留在那里。因此，探测器124接近由进入硅的入射光产生的载流子。入射光因为光栅122被重新定向，以致它被包含在波导管内。这导致所有载流子都产生在波导管中。探测器也位于波导管中，以致探测器非常接近于产生载流子的区域。这导致载流子距离缩短，以致处于组成探测器的掺杂区的相对较强电场区中。因此，在操作的收集部分没有速度问题。

同样，所有入射光都被包含在探测器范围内，因此效率非常高。这提供的优点在于，易于探测包含在入射光中的信息。光栅122可以选自图1-11所述的光栅形式的任意一种。例如，光栅122可以是图7中所示的氮化物部件54-74。另外，它们可以是实际形成在硅中的反转的棱锥，如88和90。探测器124可以与图2、3、4、6和7所示的一样。

选择入射光134的所需角度，以优化光进入光栅122和绝缘体126之间产生的波导管内的传输效率。如果使用90度入射光，那么进入波导管的光在图13所示的两个方向也是90度，且实际在各个方向放射。这可以是优选的。还可以优选让光以某一角度入射到光栅的一部分上，以便它仅仅以一个方向或至少不以所有方向进入波导管。大多数情况下，光栅面积和探测器面积通常是相同的。入射光最好具有光点直径(spot size)。希望光栅和探测器的有效尺寸大于入射光的光点直径。因此可以希望在光栅的一侧上接收光点以及与光栅的另一侧成角度，以便所有的光朝向远离接收光点的光栅侧面。另外，特别是如果以90度接收光，那么希望束斑位于光栅的中央。

栅极和互连128被描绘为衬底的硅部分上的方块。这描绘了在硅上制成的集成电路的一般结构。晶体管是硅上的栅极和硅中的源极和漏极的组合。源极和漏极以及栅极和互连的组合是一般制成集成电路的工具。这些集成电路可以十分简单或它们可以是非常大的集合体，例如微型电子计算机或微处理器。它们可以具有各种功能，例如存储、数模转换以及放大。这表明光探测器与普通集成电路结构的预计集成。被探测器124取回的信息可以通过互连的源极和漏极类型发送到处理电路132或可以通过上衬底互连(如金属或多晶硅)获得。

根据入射光的频率选择绝缘体和探测器的厚度以及光栅的高度。还根据频率选择光栅部件的间隔。在本例中，预期的频率对应于850nm的波长。选择绝缘体126的厚度为与绝缘体126相关的光的四分之一光波长的奇数倍。因此，必须考虑折射率。在绝缘体126优选氧化硅的情况下，具有1.45的折射率。因此绝缘体126的厚度优选约850nm的四分之一除以1.45，约为146nm，或该数字的奇数倍。

同样，波导管和光栅的厚度之和，即图12所示的探测器124和光栅122的厚度之和是光波长的一半或该数字的偶数倍。必须考虑硅波导管的平均折射率和光栅的平均折射率。就光栅的情况而言，空气的折射率必须与形成光栅部件的材料平均。该平均值必须考虑平均折射率需要的平方关系。波导管是具有3.62的折射率的硅。在一个简单例子中，部件的体积与光栅中的空气体积相同，且部件是硅，此情况的平均折射率等于3.62的平方加上1的平方的数值除以2再开平方根。因此折射率是13.1加上1除以2的平方根，等于7.05的平方根，等于2.65。因此，波导管的厚度倍乘3.62加上光栅的高度倍乘2.65等于850nm的一半。该方法的好处是只要满足该条件，波导管的厚度和光栅的高度就可以变化。

在上述说明书中，本发明已参考具体实施例进行了描述。但是，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所阐述的本发明的范围的前提下，可以进行各种修改和变化。由此，说明书和附图是说明性的而不是限制性的，所有这种修改都希望包括在本发明的范围内。

上面根据具体实施例描述了好处、其它优点以及解决问题的方法。但是，好处、优点、解决问题的办法，以及任何可能带来任何好处、优点或解决办法的或使之更加显著的元件都不被认为是任何或所有权利要求的关键性、必需的或实质性特点或元件。如在此使用的术语“包括(comprises、comprising)”或其任意其它变化，意旨涵盖非排它性包含，因此，包括一系列组件的工艺、方法、产品、或设备不仅包括那些组件，而且可以包括未特意列出的或对这种工艺、方法、产品、或设备来说固有的其它元件。

Claims (26)

1.一种探测光的方法，其包括：

提供具有第一折射率的第一材料；

在所述第一材料上提供第二材料，其中所述第二材料具有第二二折射率并且该第二折射率大于所述第一折射率；

在所述第二材料中提供掺杂区；

提供具有第三折射率的第三材料；

在所述第三材料上淀积光刻胶层；

构图所述光刻胶层以留下光刻胶图形；

根据所述光刻胶图形刻蚀所述第三材料；

除去光刻胶；

露出至少部分第二材料和第三材料，以使光耦合到第二材料内，产生载流子；以及

收集载流子。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述第二材料和第三材料是相同的。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述第一材料是氧化物层。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述第二材料包括硅。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述第二材料还包括锗。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述第三材料包括硅。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述第三材料还包括氮化物。

8.如权利要求6所述的方法，其中所述第三材料还包括氧化硅。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述使用KOH刻蚀第三材料。

10.如权利要求9所述的方法，还包括使所述第三材料的表面粗糙并除去作为使用KOH刻蚀的第三材料的光刻胶层图形。

11.如权利要求10所述的方法，其中通过干刻蚀第三材料以使第三材料的表面粗糙。

12.如权利要求1所述的方法，其中通过干刻蚀执行刻蚀第三材料。

13.如权利要求1所述的方法，还包括形成集电区。

14.如权利要求1所述的方法，其中多个部件彼此近似等距离。

15.如权利要求1所述的方法，其中刻蚀第三材料还包括在第一方向和沿平行于第三材料表面的平面的第二方向刻蚀第三材料，其中所述第一方向垂直于所述第二方向。

16.如权利要求1所述的方法，其中所述第一方向刻蚀得比所述第二方向慢。

17.如权利要求1所述的方法，还包括除去所述光刻胶层的第二部分。

18.如权利要求1所述的方法，其中所述第三折射率小于所述第二折射率。

19.如权利要求1所述的方法，其中所述光具有约850纳米的波长。

20.一种在具有硅层的衬底上形成光耦合结构的方法，其中该硅层具有表面，所述方法包括：

在所述硅层表面上形成氧化硅层；

在所述氧化硅层上淀积光刻胶层；

构图所述光刻胶层以除去光刻胶层的第一部分；

刻蚀所述氧化硅层，以留下氧化硅的第一图形和露出的硅的第二图形。

使露出的硅粗糙；以及

涂敷包括钾、氧和氢的蚀刻剂到所述氧化硅的第一图形和所述露出的硅的第二图形，从而根据第一图形留下棱锥形状的硅部件。

21.如权利要求20所述的方法，其中通过离子碾磨执行所述使露出的硅的步骤粗糙。

22.一种在具有半导体层的衬底上形成光耦合结构的方法，其中该半导体层具有表面，其中半导体层的半导体具有一个晶向，所述方法包括：

在所述半导体层的表面上形成第一层；

在所述第一层上淀积光刻胶层；

构图所述光刻胶层以除去光刻胶层的第一部分；

刻蚀所述第一层，留下第一层的第一图形和半导体层露出的半导体的第二图形。

使露出的半导体粗糙；以及

选择所述半导体和所述第一层的取向，涂敷蚀刻剂到第一层的第一图形和露出的半导体的第二图形，其中根据第一图形留下几何形状。

23.如权利要求22所述的方法，其中所述第一图形是六边形的。

24.如权利要求22所述的方法，其中所述每个几何形状都是棱锥。

25.如权利要求22所述的方法，其中所述半导体是硅，第一层是氧化硅，蚀刻剂是KOH。

26.如权利要求22所述的方法，其中所述半导体的特征在于，其是锗和硅-锗之一。

Images