DE102021132105A1

DE102021132105A1 - Optische komponenten im back-end-of-line-stapel eines photonikchips

Info

Publication number: DE102021132105A1
Application number: DE102021132105.0A
Authority: DE
Inventors: Yusheng Bian; Roderick A. Augur; Kenneth J. Giewont; Karen Nummy; Edward Kiewra; Steven M . Shank
Original assignee: GlobalFoundries US Inc
Current assignee: GlobalFoundries US Inc
Priority date: 2021-01-12
Filing date: 2021-12-07
Publication date: 2022-07-14
Also published as: US20220221650A1; CN114764164A; US11378743B1

Abstract

Strukturen umfassend einen Gitterkoppler und Verfahren zum Fertigen einer Struktur umfassend einen Gitterkoppler. Die Struktur umfasst eine Dielektrikumsschicht an einem Substrat, einen ersten Wellenleiterkern, der in einem ersten Niveau über der Dielektrikumsschicht positioniert ist, und einen zweiten Wellenleiterkern, der in einem zweiten Niveau über der Dielektrikumsschicht positioniert ist. Das zweite Niveau unterscheidet sich in der Höhe über der Dielektrikumsschicht von dem ersten Niveau. Der erste Wellenleiterkern umfasst eine verjüngte Sektion. Die Struktur umfasst ferner einen Gitterkoppler, der eine Vielzahl von Segmenten aufweist, die in dem zweiten Niveau angrenzend an den zweiten Wellenleiterkern positioniert sind. Die Segmente des Gitterkopplers und die verjüngte Sektion des ersten Wellenleiterkerns sind in einer überlappenden Anordnung positioniert.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft Photonikchips und insbesondere Strukturen umfassend einen Gitterkoppler und Verfahren zum Fertigen einer Struktur, die einen Gitterkoppler umfasst.
Photonikchips werden in zahlreichen Anwendungen verwendet, wie etwa Datenkommunikationssystemen und Datenberechnungssystemen. Ein Photonikchip integriert optische Komponenten, wie etwa Wellenleiter, optische Schalter, Koppler und Modularen, und elektronische Komponenten, wie etwa Feldeffekttransistoren, monolithisch in eine vereinigte Plattform. Durch die Integration auf Chipniveau beider Komponententypen auf demselben Chip können, neben anderen Faktoren, Layoutbereich, Kosten und betrieblicher Overhead reduziert werden.
Ein Photonikchip umfasst einen Mehrschichtstapel, der durch eine Back-End-of-Line-Prozessierung über den optischen Komponenten gebildet wurde. Der Mehrschichtstapel umfasst dielektrische Zwischenlagenschichten, die auf verschiedenen Niveaus angeordnet sind, und Metallleitungen, die in den dielektrischen Zwischenlagenschichten auf den verschiedenen Niveaus platziert sind. Die dielektrischen Zwischenlagenschichten stellen eine elektrische Isolation bereit, und die Metallleitungen sind durch Durchkontaktierungen vertikal zwischenverbunden. Konventionelle Photonikchips platzieren optische Komponenten, wie etwa Gitterkoppler oder Wellenleiter, nicht in dem Mehrniveaustapel. Stattdessen werden optische Komponenten während einer Middle-of-Line- und Front-End-of-Line-Prozessierung gebildet, die von einer Back-End-of-Line-Prozessierung gefolgt ist, um den Mehrschichtstapel zu bilden.
Verbesserte Strukturen umfassend einen Gitterkoppler und Verfahren zum Fertigen einer Struktur umfassend einen Gitterkoppler werden benötigt.
KURZER ABRISS
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Struktur ein Substrat, eine Dielektrikumsschicht an dem Substrat, einen ersten Wellenleiterkern, der in einem ersten Niveau über der Dielektrikumsschicht positioniert ist, und einen zweiten Wellenleiterkern, der in einem zweiten Niveau über der Dielektrikumsschicht positioniert ist. Das zweite Niveau unterscheidet sich in der Höhe über der Dielektrikumsschicht von dem ersten Niveau. Der erste Wellenleiterkern umfasst eine verjüngte Sektion. Die Struktur umfasst ferner einen Gitterkoppler, der eine Vielzahl von Segmenten aufweist, die in dem zweiten Niveau angrenzend an den zweiten Wellenleiterkern positioniert sind. Die Segmente des Gitterkopplers und die verjüngte Sektion des ersten Wellenleiterkerns sind in einer überlappenden Anordnung positioniert.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Struktur ein Substrat, eine Dielektrikumsschicht an dem Substrat, einen ersten Wellenleiterkern, der in einem ersten Niveau über der Dielektrikumsschicht positioniert ist, einen ersten Gitterkoppler, der in dem ersten Niveau angrenzend an den ersten Wellenleiterkern positioniert ist, einen zweiten Wellenleiterkern, der in einem zweiten Niveau über der Dielektrikumsschicht positioniert ist, und einen zweiten Gitterkoppler, der eine Vielzahl von Segmenten umfasst, die in dem zweiten Niveau angrenzend an den zweiten Wellenleiterkern positioniert sind. Die Segmente des zweiten Gitterkopplers und die Segmente des ersten Gitterkopplers sind in einer überlappenden Anordnung positioniert.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren ein Bilden eines ersten Wellenleiterkerns, der innerhalb eines ersten Niveaus über einer Dielektrikumsschicht an einem Substrat positioniert ist, und ein Bilden eines zweiten Wellenleiterkerns und eines Gitterkopplers angrenzend an den zweiten Wellenleiterkern. Der erste Wellenleiterkern umfasst eine verjüngte Sektion. Der zweite Wellenleiterkern und der Gitterkoppler sind in einem zweiten Niveau über der Dielektrikumsschicht positioniert. Das zweite Niveau unterscheidet sich in der Höhe über der Dielektrikumsschicht von dem ersten Niveau. Der Gitterkoppler umfasst eine Vielzahl von Segmenten, die in einer überlappenden Anordnung mit der verjüngten Sektion des ersten Wellenleiterkerns positioniert sind.
Figurenliste
Die beigefügten Zeichnungen, die in diese Beschreibung einbezogen sind und einen Teil von ihr darstellen, veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung und dienen, zusammen mit einer oben gegebenen allgemeinen Beschreibung der Erfindung und der nachstehend gegebenen detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen, dazu, die Ausführungsformen der Erfindung zu erläutern. In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in den verschiedenen Ansichten.

1 ist eine Draufsicht einer Struktur in einem anfänglichen Fertigungsstadium eines Prozessierungsverfahrens gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
2 ist eine Querschnittsansicht der Struktur insgesamt entlang einer Linie 2-2 in 1.
3 ist eine Draufsicht der Struktur in einem Fertigungsstadium anschließend an 1.
4 ist eine Querschnittsansicht der Struktur insgesamt entlang einer Linie 4-4 in 3.
5 ist eine Querschnittsansicht der Struktur in einem Fertigungsstadium anschließend an 4.
6 ist eine Draufsicht einer Struktur gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung.
7 ist eine Querschnittsansicht der Struktur insgesamt entlang einer Linie 7-7 in 6.
7A ist eine Querschnittsansicht der Struktur insgesamt entlang einer Linie 7A-7A in 6.
8 ist eine Querschnittsansicht einer Struktur gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung.
9 ist eine Querschnittsansicht der Struktur insgesamt entlang einer Linie 9-9 in 8.
10 ist eine Querschnittsansicht einer Struktur gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung.
11 ist eine Draufsicht einer Struktur gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung.
12 ist eine Querschnittsansicht der Struktur insgesamt entlang einer Linie 12-12 in 11.
12A ist eine Querschnittsansicht der Struktur insgesamt entlang einer Linie 12A-12A in 11.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf 1, 2 und gemäß Ausführungsformen der Erfindung umfasst eine Struktur 10 für einen Mehrschichtkoppler einen Wellenleiterkern 12, der eine verjüngte Sektion 14 einer gegebenen Länge aufweist, die an einer Endoberfläche 16 endet. Die verjüngte Sektion 14 des Wellenleiterkerns 12 kann sich der Länge nach entlang einer Längsachse 18 erstrecken. Die verjüngte Sektion 14 wird in einer Richtung entlang der Längsachse 18 mit abnehmendem Abstand von der Endoberfläche 16 allmählich schmäler. Die verjüngte Sektion 14 des Wellenleiterkerns 12 weist eine Breitendimension auf, die mit einer Position entlang der Längsachse 18 variiert und die eine minimale Breite aufweist, die an der Endoberfläche 16 auftritt. In einer Ausführungsform kann die Breitendimension der verjüngten Sektion 14 an der Endoberfläche 16 am schmälsten sein und über ihre Länge basierend auf einer linearen Funktion variieren, um eine Trapezform bereitzustellen. In einer alternativen Ausführungsform kann die Breitendimension der verjüngten Sektion 14 an der Endoberfläche 16 am schmälsten sein und über ihre Länge basierend auf einer nicht-linearen Funktion, wie etwa einer quadratischen, Parabel- oder Exponentialfunktion, variieren.
Der Wellenleiterkern 12 kann von einem einkristallinen Halbleitermaterial, wie etwa einkristallinem Silizium, umfasst sein. In einer Ausführungsform kann das einkristalline Halbleitermaterial von einer Vorrichtungsschicht eines Silizium-auf-Isolator (silicon-oninsulator; SOI)-Substrats stammen, das ferner eine Dielektrikumsschicht 20, die durch eine vergrabene Oxidschicht bereitgestellt ist, und ein Substrat 22 umfasst, das von einem einkristallinen Halbleitermaterial, wie etwa einkristallinem Silizium, umfasst ist. Der Wellenleiterkern 12 kann während einer Front-End-of-Line-Prozessierung durch Lithographie- und Ätzprozesse von der Vorrichtungsschicht strukturiert werden. Der Wellenleiterkern 12 und seine verjüngte Sektion 14 sind in einer gegebenen Schicht oder einem gegebenen Niveau über der Dielektrikumsschicht 20 und dem Substrat 22 positioniert.
Unter Bezugnahme auf 3, 4, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in 1, 2 beziehen, und in einem nachfolgenden Fertigungsstadium werden eine Dielektrikumsschicht 24, eine strukturierte Dielektrikumsschicht 26 und Dielektrikumssschichten 25, 27, 29, 31 über dem Wellenleiterkern 12 und der Dielektrikumssschicht 20 gebildet. Die Dielektrikumssschichten 25, 29, 31 können von Siliziumdioxid umfasst sein, und die Dielektrikumssschicht 27 kann von Siliziumnitrid umfasst sein. Das Siliziumdioxid umfassend die Dielektrikumssschichten 25, 29, 31 kann durch plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidung unter Verwendung von Ozon und Tetraethylorthosilicat (TEOS) als Reaktionsmittel gebildet werden. Alternativ kann das Siliziumdioxid umfassend eine oder mehrere der Dielektrikumssschichten 25, 29, 31 durch Hinzufügen von Fluor als zusätzliches Reaktionsmittel während einer plasmaunterstützten chemischen Dampfabscheidung fluoriert werden. Alternativ kann das Siliziumdioxid umfassend die Dielektrikumssschichten 25, 29, 31 gestapelte Unterschichten umfassen, die Tetraethylorthosilicat-Siliziumdioxid und fluoriertes Tetraethylorthosilicat-Siliziumdioxid enthalten.
Die Dielektrikumssschicht 24 und die Dielektrikumssschichten 25, 27, 29, 31 können massiv und nicht-strukturiert (d.h. undurchbrochen) über dem Wellenleiterkern 12 sein. Die Dielektrikumssschicht 24, die Dielektrikumssschichten 25, 27, 29, 31 und die strukturierte Dielektrikumsschicht 26 können einen Brechungsindex aufweisen, der geringer als der Brechungsindex des Wellenleiterkerns 12 ist. Die Dielektrikumssschicht 24 und die strukturierte Dielektrikumssschicht 26 können einen Brechungsindex aufweisen, der größer als der Brechungsindex der Dielektrikumssschichten 25, 29, 31 ist. Die Dielektrikumssschicht 27 kann auch einen Brechungsindex aufweisen, der größer als der Brechungsindex der Dielektrikumssschichten 25, 29, 31 ist. Die Dielektrikumssschicht 27 ist in einer vertikalen Richtung zwischen den Dielektrikumssschichten 25, 29 positioniert, die Dielektrikumssschicht 24 ist in einer vertikalen Richtung zwischen den Dielektrikumssschichten 29, 31 positioniert, und die Dielektrikumssschicht 31 ist in einer vertikalen Richtung zwischen der Dielektrikumssschicht 24 und der strukturierten Dielektrikumsschicht 26 positioniert. Die Dielektrikumssschicht 24 ist in einer vertikalen Richtung zwischen dem Wellenleiterkern 12 und der strukturierten Dielektrikumsschicht 26 positioniert.
Die Dielektrikumssschicht 24 und die strukturierte Dielektrikumsschicht 26 sind von einem Material umfasst, das eine unterschiedliche Zusammensetzung als die Materialien der Dielektrikumssschichten 25, 27, 29, 31 aufweist. In einer Ausführungsform können die Dielektrikumssschicht 24 und die strukturierte Dielektrikumsschicht 26 von Silizium-Kohlenstoffnitrid (z.B. Stickstoff-dotiertem Siliziumkarbid (SiCN)) umfasst sein, das durch chemische Dampfabscheidung oder plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidung unter Verwendung von Reaktionsmitteln, die Silizium, Kohlenstoff und Stickstoff zuführen, abgeschieden wurde. In einer Ausführungsform können die Dielektrikumssschicht 24 und die strukturierte Dielektrikumsschicht 26 von hydriertem Silizium-Kohlenstoffnitrid (z.B. Stickstoff-dotiertem hydrierten Siliziumkarbid (SiCNH)) umfasst sein, das durch chemische Dampfabscheidung oder plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidung unter Verwendung von Reaktionsmitteln, die Silizium, Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff zuführen, abgeschieden wurde.
Die Dielektrikumssschichten 25, 27, 29, die durch eine Middle-of-Line-Prozessierung gebildet werden können, können Kontakte umfassen, die mit elektronischen Komponenten, wie etwa Feldeffekttransistoren, und aktiven optischen Komponenten, wie etwa einem Mach-Zehnder-Modulator, gekoppelt sind. Die Dielektrikumssschicht 24, die strukturierte Dielektrikumsschicht 26 und die dazwischenkommende Dielektrikumssschicht 31 können durch eine Back-End-of-Line-Prozessierung als Niveaus in einem Back-End-of-Line-Stapel 48 gebildet werden.
Die strukturierte Dielektrikumssschicht 26 umfasst einen Wellenleiterkern 28, der eine verjüngte Sektion 30 und einen Gitterkoppler 32 mit verjüngten Segmenten 34 aufweist, die die Gitterstrukturen des Gitterkopplers 32 bereitstellen. Die verjüngte Sektion 30 des Wellenleiterkerns 28 ist angrenzend an die verjüngten Segmente 34 des Gitterkopplers 32 positioniert, und die verjüngte Sektion 30 und die verjüngten Segmente 34 sind der Länge nach entlang einer Längsachse 38 angeordnet.
Jedes verjüngte Segment 34 kann in einer Richtung entlang der Längsachse 38 mit zunehmendem Abstand von einer Endoberfläche 35 des Segments 34, das von der verjüngten Sektion 30 des Wellenleiterkerns 28 am weitesten entfernt ist, allmählich schmäler werden. In der repräsentativen Ausführungsform ist jedes verjüngte Segment 34 eine Rippe oder ein Streifen, der eine Breitendimension aufweist, die mit abnehmendem Abstand von der verjüngten Sektion 30 des Wellenleiterkerns 28 abnimmt. In einer Ausführungsform kann die Breitendimension der verjüngten Segmente 34 an der Endoberfläche 35 am schmälsten sein und über die Länge des Gitterkopplers basierend auf einer linearen Funktion variieren. In der repräsentativen Ausführungsform sind die Breitendimensionen der verjüngten Segmente 34 derart ausgewählt, dass der Gitterkoppler 32 invers verjüngt ist. In einer Ausführungsform definieren die verjüngten Segmente 34 und die verjüngte Sektion 30 jeweils eine inverse Verjüngung, die in der entgegengesetzten Richtung in Bezug auf das Verjüngen der verjüngten Sektion 14 des Wellenleiterkerns 12 verjüngt ist. Wie hierin verwendet, ist eine inverse Verjüngung eine verjüngte Sektion eines Wellenleiterkerns mit einer allmählichen Zunahme der Breite entlang der Ausbreitungsrichtung des durch die inverse Verjüngung geführten Lichts. In einer Ausführungsform kann die Breitendimension der verjüngten Segmente 34 basierend auf einer linearen Funktion variieren, um eine Trapezform bereitzustellen. In einer alternativen Ausführungsform kann die Breitendimension der verjüngten Segmente 34 basierend auf einer nicht-linearen Funktion, wie etwa einer quadratischen, Parabel- oder Exponentialfunktion, variieren.
Die strukturierte Dielektrikumssschicht 26 kann durch Lithografie- und Ätzprozesse gebildet werden. Die strukturierte Dielektrikumssschicht 26 kann vollständig geätzt oder alternativ nur teilweise geätzt werden, um eine dünne Slab-Schicht zu definieren, die mit einem unteren Abschnitt der verjüngten Segmente 34 und wenigstens der verjüngten Sektion 30 des Wellenleiterkerns 28 gekoppelt ist. Die verjüngten Segmente 34 weisen eine abwechselnde Anordnung mit Nuten 36 auf, die benachbarte Paare der verjüngten Segmente 34 trennen und die das verjüngte Segment 34 an einem Ende des Gitterkopplers 32 von der verjüngten Sektion 30 des Wellenleiterkerns 28 trennen. Falls die strukturierte Dielektrikumsschicht 26 vollständig geätzt ist, können sich die Nuten 36 derart zu der Dielektrikumssschicht 31 erstrecken, dass Streifen der Dielektrikumssschicht 31 zwischen den verjüngten Segmenten 34 freigelegt werden. In einer Ausführungsform können die Teilung (pitch) und das Tastverhältnis (duty cycle) der verjüngten Segmente 34 gleichmäßig sein, um eine periodische Anordnung zu definieren. In alternativen Ausführungsformen können die Teilung und/oder das Tastverhältnis der verjüngten Segmente 34 apodisiert (d.h. nicht-gleichmäßig) sein, um eine nicht-periodische Anordnung zu definieren. Das Tastverhältnis und die Teilung der verjüngten Segmente 34, sowie die Dimensionen der verjüngten Segmente 34, können ausgewählt sein, um eine Phasenanpassung mit der verjüngten Sektion 14 des Wellenleiterkerns 12 zu optimieren.
Der Wellenleiterkern 28 und der Gitterkoppler 32 sind in einer gegebenen Schicht oder einem gegebenen Niveau in dem Back-End-of-Line-Stapel 48 über der Dielektrikumsschicht 20 an dem Substrat 22 positioniert. Das Niveau des Wellenleiterkerns 28 und des Gitterkopplers 32 unterscheidet sich in der Höhe über der Dielektrikumsschicht 20 von dem Niveau des Wellenleiterkerns 12 und seiner verjüngten Sektion 14. Die Dielektrikumssschicht 24 ist auch in einer gegebenen Schicht oder einem gegebenen Niveau in dem Back-End-of-Line-Stapel 48 über der Dielektrikumsschicht 20 an dem Substrat 22 positioniert, und das Niveau der Dielektrikumssschicht 24 unterscheidet sich in der Höhe über der Dielektrikumsschicht 20 von dem Niveau des Wellenleiterkerns 28 und des Gitterkopplers 32 und unterscheidet sich in der Höhe über der Dielektrikumsschicht 20 von dem Niveau des Wellenleiterkerns 12 und seiner verjüngten Sektion 14.
Die verjüngten Segmente 34 des Gitterkopplers 32 sind über der verjüngten Sektion 14 des Wellenleiterkerns 12 positioniert und weisen eine überlappende Beziehung mit der verjüngten Sektion 14 des Wellenleiterkerns 12 auf. In einer Ausführungsform können die verjüngten Segmente 34 des Gitterkopplers 32 über der verjüngten Sektion 14 des Wellenleiterkerns 12 zentriert sein. In einer Ausführungsform können die verjüngten Segmente 34 des Gitterkopplers 32 breiter als die verjüngte Sektion 14 des Wellenleiterkerns 12 an jeglicher Position entlang der Längsachsen 18, 38 sein. In einer Ausführungsform kann die Längsachse 18 parallel zu der Längsachse 38 ausgerichtet sein. Das überlappende Positionieren kann die effiziente Zwischenschichtübertragung von optischen Signalen von dem Wellenleiterkern 12 aufwärts zu dem Wellenleiterkern 28 fördern.
In der repräsentativen Ausführungsform ist die Dielektrikumssschicht 24 zwischen dem Gitterkoppler 32 und dem Wellenleiterkern 12 derart positioniert, dass eine einzelne massive und nicht-strukturierte Schicht, die von demselben Material wie der Wellenleiterkern 28 und der Gitterkoppler 32 umfasst ist, in einer vertikalen Richtung zwischen der verjüngten Sektion 14 des Wellenleiterkerns 12 und dem Gitterkoppler 32 positioniert ist. In einer alternativen Ausführungsform kann die Dielektrikumssschicht 24 strukturiert sein, um den Wellenleiterkern 28 und den Gitterkoppler 32 zu bilden, und die Dielektrikumssschicht 26 kann massiv und nicht-strukturiert sein, derart, dass eine massive und nicht-strukturierte Schicht, die von demselben Material wie der Wellenleiterkern 28 und der Gitterkoppler 32 umfasst ist, nicht in einer vertikalen Richtung zwischen der verjüngten Sektion 14 des Wellenleiterkerns 12 und dem Gitterkoppler 32 positioniert ist.
Unter Bezugnahme auf 5, in der sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in 4 beziehen, und in einem nachfolgenden Fertigungsstadium werden zusätzliche Dielektrikumssschichten 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45 des Back-End-of-Line-Stapels 48 durch eine Back-End-of-Line Prozessierung über der strukturierten Dielektrikumsschicht 26 und der Dielektrikumssschicht 31 gebildet. Die Dielektrikumssschichten 39, 41, 44 können von Siliziumdioxid (z.B. Tetraethylorthosilicat-Siliziumdioxid und/oder fluoriertem Tetraethylorthosilicat-Siliziumdioxid) umfasst sein, die Dielektrikumssschichten 43, 45 können von Siliziumnitrid umfasst sein, und die Dielektrikumssschichten 40, 42 können von entweder Silizium-Kohlenstoffnitrid oder hydriertem Silizium-Kohlenstoffnitrid umfasst sein. Abschnitte der Dielektrikumssschicht 39 können die Nuten 36 zwischen den verjüngten Segmenten 34 des Gitterkopplers 32 füllen.
Die Dielektrikumssschicht 40 ist in einer vertikalen Richtung zwischen den Dielektrikumssschichten 39, 41 angeordnet, die Dielektrikumssschicht 42 ist in einer vertikalen Richtung zwischen den Dielektrikumssschichten 41, 43 angeordnet, und die Dielektrikumssschicht 44 ist in einer vertikalen Richtung zwischen den Dielektrikumssschichten 43, 45 angeordnet. Die Dielektrikumssschicht 43 kann die Dielektrikumssschicht 42 direkt kontaktieren. Die Dielektrikumssschichten 40, 42 sind in gegebenen Schichten oder Niveaus über der Dielektrikumsschicht 20 an dem Substrat 22 positioniert, und die Niveaus der Dielektrikumssschichten 40, 42 unterscheiden sich in der Höhe über der Dielektrikumsschicht 20 von dem Niveau des Gitterkopplers 32 und unterscheiden sich auch in der Höhe über der Dielektrikumsschicht 20 von dem Niveau des Wellenleiterkerns 12 und seiner verjüngten Sektion 14.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Dielektrikumssschicht 40 strukturiert sein, um den Wellenleiterkern 28 und den Gitterkoppler 32 zu bilden, und die Dielektrikumssschichten 24, 26 können massiv und nicht-strukturiert sein. In diesen Ausführungsformen können mehrere Dielektrikumssschichten 24, 26, die massiv und nicht-strukturiert sind, und die von demselben Material wie der Wellenleiterkern 28 und der Gitterkoppler 32 umfasst sind, in einer vertikalen Richtung zwischen der verjüngten Sektion 14 des Wellenleiterkerns 12 und dem Gitterkoppler 32 positioniert sein.
In Verwendung werden optische Signale durch den Wellenleiterkern 12 zu der Struktur 10 geführt. Die ankommenden optischen Signale werden aufwärts von der verjüngten Sektion 14 des Wellenleiterkerns 12 zu dem Gitterkoppler 32 übertragen, der sich in dem Back-End-of-Line-Stapel 48 befindet. Der Wellenleiterkern 28, der sich auch in dem Back-End-of-Line-Stapel 48 befindet, führt die optischen Signale weg von dem Gitterkoppler 32.
Die Struktur 10 umfasst Schichten unterschiedlicher Materialien, die auf verschiedenen Niveaus eines Multi-Niveau-Kopplers angeordnet sind. Die Struktur 10 kann, in irgendeiner ihrer hierin beschriebenen Ausführungsformen, in einen Photonikchip integriert sein, der elektronische Komponenten und zusätzliche optische Komponenten zusätzlich zu der Struktur 10 umfassen kann. Die elektronischen Komponenten können beispielsweise Feldeffekttransistoren umfassen, die durch eine CMOS-Prozessierung unter Verwenden der Vorrichtungsschicht des Silizium-auf-Isolator-Substrat gefertigt werden. Der Back-End-of-Line-Stapel 48 kann Metallleitungen umfassen, die in die unterschiedlichen Niveaus gestapelt sind und die durch Durchkontaktierungen mit den elektronischen Komponenten und aktiven optischen Komponenten vertikal zwischenverbunden sind. Die Metallleitungen des Back-End-of-Line-Stapels 48 können in der Nähe der Struktur 10 nicht vorhanden sein, um den Multi-Niveau-Transfer von optischen Signalen durch die Struktur 10 nicht zu stören.
Unter Bezugnahme auf 6, 7, 7A und gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann die Struktur 10 dazu modifiziert werden, einen Gitterkoppler 50 einzuführen, der mit dem Wellenleiterkern 12 optisch gekoppelt ist, um den Wellenleiterkern 28 mit einer verjüngten Sektion 54 zu versehen, die nicht segmentiert ist, und den Gitterkoppler 32 von der strukturierten Dielektrikumsschicht 26 zu beseitigen. Der Gitterkoppler 50 umfasst Segmente 52, die Gitterstrukturen bereitstellen. Die Segmente 52 weisen eine abwechselnde Anordnung mit Nuten auf, die benachbarte Paare von Segmenten 52 trennen. In einer Ausführungsform können die Teilung und das Tastverhältnis der Segmente 52 gleichmäßig sein, um eine periodische Anordnung zu definieren. In alternativen Ausführungsformen können die Teilung und/oder das Tastverhältnis der Segmente 52 apodisiert (d.h. nicht-gleichmäßig) sein, um eine nicht-periodische Anordnung zu definieren.
Die Segmente 52 des Gitterkopplers 50 können beispielsweise von polykristallinem Silizium (d.h. Polysilizium) umfasst sein. Die Segmente 52 des Gitterkopplers 50 können beispielsweise durch Abscheiden einer Schicht von Polysilizium und Strukturieren der abgeschiedenen Polysiliziumschicht mit Lithografie- und Ätzprozessen gebildet werden. Die Dielektrikumssschicht 27 kann sich konform über die Segmente 52 und Abschnitte des Wellenleiterkerns 12, die nicht durch die Segmente 52 bedeckt sind, erstrecken. Der Wellenleiterkern 12 kann ein gerader Wellenleiterkern sein, der nicht-verjüngt ist. Die Segmente 52 können durch eine Schicht (nicht gezeigt) umgeben sein, die von einem Material (z.B. Siliziumdioxid) umfasst ist, das eine unterschiedliche Zusammensetzung als das Material der Dielektrikumssschicht 27 aufweist.
Der Wellenleiterkern 28 und seine verjüngte Sektion 54 sind in einer gegebenen Schicht oder einem gegebenen Niveau über der Dielektrikumsschicht 20 an dem Substrat 22 positioniert. Das Niveau der verjüngten Sektion 54 unterscheidet sich in der Höhe über der Dielektrikumsschicht 20 von dem Niveau des Gitterkopplers 50. Die verjüngte Sektion 54 des Wellenleiterkerns 28 ist über den Segmenten 52 des Gitterkopplers 50 positioniert und überlappt mit den Segmenten 52 des Gitterkopplers 50. Insbesondere wird die verjüngte Sektion 54 durch eine Endoberfläche 56 beendet, die sich über den Segmenten 52 des Gitterkopplers 50 befindet. In einer Ausführungsform kann die verjüngte Sektion 54 des Wellenleiterkerns 28 über den Segmenten 52 des Gitterkopplers 50 zentriert sein. Das überlappte Positionieren der verjüngten Sektion 54 über dem Gitterkoppler 50 kann den effizienten Transfer von optischen Signalen von dem Wellenleiterkern 12 aufwärts zu dem Wellenleiterkern 28 fördern. In einer Ausführungsform können die Segmente 52 und der Wellenleiterkern 12 im Wesentlichen gleiche Breitendimensionen aufweisen, und die Breitendimension der verjüngten Sektion 54 kann größer als die Breitendimension der Segmente 52 sein, wo sie überlappt sind.
Eine Prozessierung der Struktur 10 geht weiter, wie in Verbindung mit 5 beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 8, 9 und gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung können die Dielektrikumssschichten 42, 43 strukturiert werden, um einen Wellenleiterkern 68 ähnlich dem Wellenleiterkern 28 und einen Gitterkoppler 72 ähnlich dem Gitterkoppler 32 zu bilden, und die Dielektrikumssschichten 24, 26, 40 können massiv und nicht-strukturiert sein. Die Dielektrikumssschichten 24, 26, 40, die massiv und nicht-strukturiert sind, sind von demselben Dielektrikumsmaterial wie untere Abschnitte des Wellenleiterkerns 68 und des Gitterkopplers 72 umfasst, und die Dielektrikumssschichten 24, 26, 40 sind in einer vertikalen Richtung zwischen der verjüngten Sektion 14 des Wellenleiterkerns 12 und dem Gitterkoppler 72 positioniert. Der Gitterkoppler 72 umfasst verjüngte Segmente 64 ähnlich den verjüngten Segmenten 34, Nuten 66 ähnlich den Nuten 36 zwischen benachbarten verjüngten Segmenten 64 und eine verjüngte Sektion 70 ähnlich der verjüngten Sektion 30. Die verjüngten Segmente 64 des Gitterkopplers 72 sind von mehreren Dielektrikumsmaterialien umfasst, in diesem Fall dem Material der Dielektrikumssschicht 42 als einem unteren Abschnitt und dem Material der Dielektrikumssschicht 43 als einem oberen Abschnitt. Die verjüngten Segmente 64 und die verjüngte Sektion 70 sind entlang einer Längsachse 78 positioniert. In einer Ausführungsform können die verjüngten Segmente 64 des Gitterkopplers 72 über den verjüngten Segmenten 34 des Gitterkopplers 32 und der verjüngten Sektion 14 des Wellenleiterkerns 12 zentriert sein.
Eine Prozessierung der Struktur 10 geht weiter, wie in Verbindung mit 5 beschrieben, um die Dielektrikumssschichten 44, 45 über dem Wellenleiterkern 68 und dem Gitterkoppler 72 zu bilden.
Unter Bezugnahme auf 10 und gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann die Struktur 10 einen Wellenleiterkern 82 und einen Gitterkoppler 84, die den Wellenleiterkern 12 ersetzen, und beide der Gitterkoppler 32, 72 umfassen. Optische Signale werden von dem Gitterkoppler 84 zu beiden der Gitterkoppler 32, 72 transferiert und zu den Wellenleiterkernen 28, 68 innerhalb mehrerer Niveaus in dem Back-End-of-Line-Stapel 48 verteilt. Der Gitterkoppler 84 kann verjüngte Segmente 86 ähnlich den verjüngten Segmenten 34 und Nuten ähnlich den Nuten 36 zwischen benachbarten verjüngten Segmenten 86 umfassen. In einer Ausführungsform können die verjüngten Segmente 64 des Gitterkopplers 72 über den verjüngten Segmenten 34 des Gitterkopplers 32 zentriert sein.
Der Wellenleiterkern 82 und der Gitterkoppler 84 können durch Abscheiden einer Schicht eines Materials (z.B. Siliziumnitrid) an der Dielektrikumssschicht 25 und Strukturieren der abgeschiedenen Schicht durch Lithografie- und Ätzprozesse während einer Middle-of-Line-Prozessierung gebildet werden. In einer alternativen Ausführungsform können der Wellenleiterkern 82 und der Gitterkoppler 84 von einem unterschiedlichen Material, wie etwa Einkristall-Silizium, umfasst sein, das durch eine Prozessierung gebildet wird, die ähnlich jener in Verbindung mit der Bildung des Wellenleiterkerns 12 beschriebenen ist.
Unter Bezugnahme auf 11, 12, 12A und gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann die Struktur 10 einen Gitterkoppler 94 umfassen, der über der verjüngten Sektion 54 positioniert ist. Der Gitterkoppler 94 umfasst Segmente 96 und Nuten 95, die zwischen benachbarten Segmenten 96 positioniert sind. In einer Ausführungsform können die Segmente 96 des Gitterkopplers 94 breiter als die verjüngte Sektion 54 sein, wo sie überlappt sind. Der Gitterkoppler 94 kann durch Strukturieren der Dielektrikumssschicht 40 durch Lithografie- und Ätzprozesse gebildet werden. Der Gitterkoppler 94 kann als ein Reflektor fungieren, um optische Signale, die durch die verjüngte Sektion 54 des Wellenleiterkerns 28 nicht eingefangen werden, hinunter zu der verjüngten Sektion 54 hin zu reflektieren, was einen verbesserten Lichteinschluss und eine reduzierte Lichtleckage bereitstellen kann.
Eine Prozessierung der Struktur 10 geht weiter, wie in Verbindung mit 5 beschrieben, um Dielektrikumssschichten 41, 42 43, 44, 45 zu bilden.
Die oben beschriebenen Verfahren werden bei der Fertigung von Chips mit integriertem Schaltkreis verwendet. Die resultierenden Chips mit integriertem Schaltkreis können durch den Fertiger in Roh-Wafer-Form (das heißt, als einzelner Wafer, der mehrere ungehäuste Chips aufweist), als nackter Chip (bare die), oder in einer gehäusten Form vertrieben werden. Der Chip kann mit anderen Chips, diskreten Schaltelementen und/oder anderen Signalverarbeitungsvorrichtungen als Teil von entweder einem Zwischenprodukt oder einem Endprodukt integriert sein. Das Endprodukt kann irgendein Produkt sein, das Chips mit integriertem Schaltkreis umfasst, wie etwa Computerprodukte, die einen zentralen Prozessor aufweisen, oder Smartphones.
Bezugnahmen hierin auf Ausdrücke, die durch eine Näherungssprache modifiziert sind, wie „etwa“, „ungefähr“, und „im Wesentlichen“, sollen nicht auf den spezifizierten präzisen Wert beschränkt sein. Die Näherungssprache kann der Präzision eines Instruments entsprechen, das verwendet wird, um den Wert zu messen, und kann, falls nicht anderweitig abhängig von der Präzision des Instruments, +/- 1 0% des(der) angegebenen Werts(Werte) sein.
Bezugnahmen hierin auf Ausdrücke wie „vertikal“, „horizontal“, etc. erfolgen beispielhaft und nicht zur Beschränkung, um einen Referenzrahmen festzulegen. Der Ausdruck „horizontal“ wie hierin verwendet, ist als eine Ebene definiert, die parallel zu einer konventionellen Ebene eines Halbleitersubstrats ist, ungeachtet seiner tatsächlichen dreidimensionalen räumlichen Ausrichtung. Die Begriffe „vertikal“ and „normal“ beziehen sich auf eine Richtung, die senkrecht zur Horizontalen, wie gerade definiert, ist. Der Begriff „lateral“ bezieht sich auf eine Richtung innerhalb der horizontalen Ebene.
Ein Merkmal „verbunden“ oder „gekoppelt“ an ein anderes oder mit einem anderen Merkmal kann an das oder mit dem anderen Merkmal direkt verbunden oder gekoppelt sein oder stattdessen kann eines oder können mehrere dazwischenkommende Merkmale vorhanden sein. Ein Merkmal kann an ein anderes oder mit einem anderen Merkmal „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ sein, falls dazwischenkommende Merkmale nicht vorhanden sind. Ein Merkmal kann an ein anderes oder mit einem anderen Merkmal „indirekt verbunden“ oder „indirekt gekoppelt“ sein, falls wenigstens ein dazwischenkommendes Merkmal vorhanden ist. Ein Merkmal „an“ einem anderen Merkmal oder es „kontaktierend“ kann direkt an oder in direktem Kontakt mit dem anderen Merkmal sein, oder stattdessen kann eines oder können mehrere dazwischenkommende Merkmale vorhanden sein. Ein Merkmal kann „direkt an“ oder in „direktem Kontakt“ mit einem anderen Merkmal sein, falls dazwischenkommende Merkmale nicht vorhanden sind. Ein Merkmal kann „indirekt an“ oder in „indirektem Kontakt“ mit einem anderen Merkmal sein, falls wenigstens ein dazwischenkommendes Merkmal vorhanden ist.
Die Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden zum Zwecke der Veranschaulichung präsentiert, sollen aber nicht erschöpfend oder auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein. Viele Modifikationen und Variationen sind für die gewöhnlichen Fachleute offensichtlich, ohne vom Umfang und der Idee der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen. Die hierin verwendete Terminologie wurde gewählt, um die Prinzipien der Ausführungsformen, die praktische Anwendung oder technische Verbesserung gegenüber auf dem Markt erhältlichen Technologien am besten zu erklären, oder es anderen gewöhnlichen Fachleuten zu ermöglichen, die hierin offenbarten Ausführungsformen zu verstehen.

Claims

Struktur umfassend: ein Substrat; eine Dielektrikumsschicht an dem Substrat; einen ersten Wellenleiterkern umfassend eine verjüngte Sektion, wobei der erste Wellenleiterkern in einem ersten Niveau über der Dielektrikumsschicht positioniert ist; einen zweiten Wellenleiterkern, der in einem zweiten Niveau über der Dielektrikumsschicht positioniert ist, wobei sich das zweite Niveau in der Höhe über der Dielektrikumsschicht von dem ersten Niveau unterscheidet; und einen ersten Gitterkoppler umfassend eine Vielzahl von Segmenten, die in dem zweiten Niveau angrenzend an den zweiten Wellenleiterkern positioniert sind, wobei die Segmente des ersten Gitterkopplers und die verjüngte Sektion des ersten Wellenleiterkerns in einer ersten überlappenden Anordnung positioniert sind.
Struktur nach Anspruch 1, wobei der zweite Wellenleiterkern und die Segmente des ersten Gitterkopplers Stickstoff-dotiertes Siliziumkarbid oder Stickstoff-dotiertes hydriertes Siliziumkarbid umfassen.
Struktur nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend: einen Back-End-of-Line-Stapel über der Dielektrikumsschicht, wobei der Back-End-of-Line-Stapel den zweiten Wellenleiterkern und den ersten Gitterkoppler umfasst, und die Segmente des ersten Gitterkopplers über der verjüngten Sektion des ersten Wellenleiterkerns positioniert sind.
Struktur nach Anspruch 3, wobei jedes Segment des ersten Gitterkopplers eine erste Schicht, die von Stickstoff-dotiertem Siliziumkarbid oder Stickstoff-dotiertem hydrierten Siliziumkarbid umfasst ist, und eine zweite Schicht umfasst, die von Siliziumnitrid umfasst ist.
Struktur nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Segmente des ersten Gitterkopplers über der verjüngten Sektion des ersten Wellenleiterkerns zentriert sind.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die verjüngte Sektion in einer ersten Richtung verjüngt ist, und die Segmente des ersten Gitterkopplers in einer zu der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung invers verjüngt sind.
Struktur nach Anspruch 1, wobei der erste Wellenleiterkern Stickstoff-dotiertes Siliziumkarbid oder Stickstoff-dotiertes hydriertes Siliziumkarbid umfasst.
Struktur nach Anspruch 7, ferner umfassend: einen Back-End-of-Line-Stapel über der Dielektrikumsschicht, wobei der Back-End-of-Line-Stapel den ersten Wellenleiterkern umfasst, und die verjüngte Sektion des ersten Wellenleiterkerns über den Segmenten des ersten Gitterkopplers positioniert ist.
Struktur nach Anspruch 8, wobei der Back-End-of-Line-Stapel einen zweiten Gitterkoppler umfasst, der eine Vielzahl von Segmenten aufweist, die von Stickstoff-dotiertem Siliziumkarbid oder Stickstoff-dotiertem hydrierten Siliziumkarbid umfasst sind, der zweite Gitterkoppler in einem dritten Niveau über der Dielektrikumsschicht positioniert ist, das dritte Niveau sich in der Höhe über der Dielektrikumsschicht von dem ersten Niveau und dem zweiten Niveau unterscheidet, und die Segmente des zweiten Gitterkopplers über der verjüngten Sektion des ersten Wellenleiterkerns in einer zweiten überlappenden Anordnung positioniert sind.
Struktur nach Anspruch 9, wobei die verjüngte Sektion des ersten Wellenleiterkerns in einer vertikalen Richtung zwischen den Segmenten des ersten Gitterkopplers und den Segmenten des zweiten Gitterkopplers positioniert ist.
Struktur nach Anspruch 7, wobei die verjüngte Sektion des ersten Wellenleiterkerns über den Segmenten des ersten Gitterkopplers zentriert ist.
Struktur umfassend: ein Substrat; eine Dielektrikumsschicht an dem Substrat; einen ersten Wellenleiterkern, der in einem ersten Niveau über der Dielektrikumsschicht positioniert ist; einen ersten Gitterkoppler, der in dem ersten Niveau angrenzend an den ersten Wellenleiterkern positioniert ist; einen zweiten Wellenleiterkern, der in einem zweiten Niveau über der Dielektrikumsschicht positioniert ist; und einen zweiten Gitterkoppler umfassend eine Vielzahl von Segmenten, die in dem zweiten Niveau angrenzend an den zweiten Wellenleiterkern positioniert sind, wobei die Segmente des zweiten Gitterkopplers und die Segmente des ersten Gitterkopplers in einer überlappenden Anordnung positioniert sind.
Struktur nach Anspruch 12, wobei der erste Gitterkoppler, der erste Wellenleiterkern, der zweite Wellenleiterkern und der zweite Gitterkoppler Stickstoff-dotiertes Siliziumkarbid oder Stickstoff-dotiertes hydriertes Siliziumkarbid umfassen.
Struktur nach Anspruch 12 oder 13, ferner umfassend: einen Back-End-of-Line-Stapel über der Dielektrikumsschicht, wobei der Back-End-of-Line-Stapel den ersten Wellenleiterkern, den ersten Gitterkoppler, den zweiten Wellenleiterkern und den zweiten Gitterkoppler umfasst, und die Segmente des zweiten Gitterkopplers über den Segmenten des ersten Gitterkopplers positioniert sind.
Struktur nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei jedes Segment des zweiten Gitterkopplers eine erste Schicht, die von Stickstoff-dotiertem Siliziumkarbid oder Stickstoff-dotiertem hydrierten Siliziumkarbid umfasst ist, und eine zweite Schicht umfasst, die von Siliziumnitrid umfasst ist.
Verfahren umfassend: Bilden eines ersten Wellenleiterkerns, der innerhalb eines ersten Niveaus über einer Dielektrikumsschicht an einem Substrat positioniert ist, wobei der erste Wellenleiterkern eine verjüngte Sektion umfasst; und Bilden eines zweiten Wellenleiterkerns und eines Gitterkopplers angrenzend an den zweiten Wellenleiterkern, wobei der zweite Wellenleiterkern und der Gitterkoppler in einem zweiten Niveau über der Dielektrikumsschicht positioniert sind, das zweite Niveau sich in der Höhe über der Dielektrikumsschicht von dem ersten Niveau unterscheidet, und der Gitterkoppler eine Vielzahl von Segmenten umfasst, die in einer überlappenden Anordnung mit der verjüngten Sektion des ersten Wellenleiterkerns positioniert sind.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der zweite Wellenleiterkern und die Segmente des Gitterkopplers Stickstoff-dotiertes Siliziumkarbid oder Stickstoff-dotiertes hydriertes Siliziumkarbid umfassen.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, ferner umfassend: Bilden eines Back-End-of-Line-Stapels über der Dielektrikumsschicht, wobei der Back-End-of-Line-Stapel den zweiten Wellenleiterkern und den Gitterkoppler umfasst, und die Segmente des Gitterkopplers über der verjüngten Sektion des ersten Wellenleiterkerns positioniert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei der erste Wellenleiterkern Stickstoff-dotiertes Siliziumkarbid oder Stickstoff-dotiertes hydriertes Siliziumkarbid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend: Bilden eines Back-End-of-Line-Stapels über der Dielektrikumsschicht, wobei der Back-End-of-Line-Stapel den ersten Wellenleiterkern umfasst, und die verjüngte Sektion des ersten Wellenleiterkerns über den Segmenten des Gitterkopplers positioniert ist.