DE102023108258A1

DE102023108258A1 - Back-end-of-Line-Kantenkoppler mit einem verjüngten Gitter

Info

Publication number: DE102023108258A1
Application number: DE102023108258.2A
Authority: DE
Inventors: Yusheng Bian; Rod Augur
Original assignee: GlobalFoundries US Inc
Current assignee: GlobalFoundries US Inc
Priority date: 2022-05-11
Filing date: 2023-03-31
Publication date: 2023-11-16
Also published as: US20230367067A1; KR20230158396A; CN117055158A

Abstract

Strukturen für einen Kantenkoppler und Verfahren zum Herstellen derartiger Strukturen. Die Struktur umfasst ein Substrat und einen Back-End-of-Line-Kantenkoppler umfassend einen Wellenleiterkern und ein Gitter, das in einer vertikalen Richtung zwischen dem Substrat und dem Wellenleiterkern positioniert ist. Der erste Wellenleiterkern umfasst eine erste Längsachse, das Gitter umfasst eine zweite Längsachse und ein Vielzahl von Segmenten, die mit einer beabstandeten Anordnung entlang der zweiten Längsachse positioniert sind, und die zweite Längsachse ist im Wesentlichen parallel zur ersten Längsachse ausgerichtet.

Description

HINTERGRUND
Die Offenbarung betrifft Photonikchips, und insbesondere Strukturen für einen Kantenkoppler, und Verfahren zum Herstellen derartiger Strukturen.
Photonikchips werden in vielen Anwendungen und Systemen verwendet, die Datenkommunikationssysteme und Datenberechnungssysteme umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind. Ein Photonikchip integriert optische Komponenten, wie etwa Wellenleiter, Photodetektoren, Modulatoren und optische Leistungssplitter, und elektronische Komponenten, wie etwa Feldeffekttransistoren, in eine vereinigte Plattform. Durch die Integration beider Komponententypen auf dem gleichen Chip können, neben anderen Faktoren, Layoutbereich, Kosten und betrieblicher Overhead reduziert werden.
Ein Kantenkoppler, auch als Punktgrößenkonverter (spot size converter) bekannt, wird üblicherweise zum Koppeln von Licht einer gegebenen Mode von einer Lichtquelle, wie etwa einem Laser oder einer optischen Faser, nahe einer Kante eines Photonikchips mit optischen Komponenten an dem Photonikchip verwendet. Der Kantenkoppler unterstützt eine Modentransformation und Modengrößenvariation, die mit einer Modenkonversion zusammenhängen, wenn Licht von der Lichtquelle zu dem Kantenkoppler transferiert wird. Jedoch ist aufgrund einer signifikanten Nichtübereinstimmung zwischen der großen Modengröße des Lichts und den kleinen Dimensionen des Kantenkopplers der Kantenkoppler anfänglich nicht in der Lage, die einfallende Mode, die von der Lichtquelle empfangen wird, vollständig zu umschließen. Folglich können konventionelle Kantenkoppler anfällig für einen signifikanten Leckageverlust von Licht in das Substrat sein. Der Leckageverlust kann besonders hoch sein, wenn ein konventioneller Kantenkoppler Licht der transversal magnetischen Polarisationsmode von einer als die Lichtquelle operierenden monomodigen optischen Faser empfängt.
Verbesserte Strukturen für einen Kantenkoppler und Verfahren zum Herstellen derartiger Strukturen werden benötigt.
KURZER ABRISS
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Struktur ein Substrat und einen Back-End-of-Line-Kantenkoppler umfassend einen Wellenleiterkern und ein Gitter, das in einer vertikalen Richtung zwischen dem Substrat und dem Wellenleiterkern positioniert ist. Der erste Wellenleiterkern umfasst eine erste Längsachse, das Gitter umfasst eine zweite Längsachse und eine Vielzahl von Segmenten, die mit einer beabstandeten Anordnung entlang der zweiten Längsachse positioniert sind, und die zweite Längsachse ist im Wesentlichen parallel zur ersten Längsachse ausgerichtet.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren ein Bilden eines Back-End-of-Line-Kantenkopplers umfassend einen Wellenleiterkern und ein Gitter, das in einer vertikalen Richtung zwischen einem Substrat und dem Wellenleiterkern positioniert ist. Der Wellenleiterkern umfasst eine erste Längsachse, das Gitter umfasst eine zweite Längsachse und eine Vielzahl von Segmenten, die mit einer beabstandeten Anordnung entlang der zweiten Längsachse positioniert sind, und die zweite Längsachse ist im Wesentlichen parallel zur ersten Längsachse ausgerichtet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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 insgesamt entlang einer Linie 2-2 in 1.
3 ist eine Draufsicht der Struktur in einem Fertigungsstadium des Prozessierungsverfahrens anschließend an 1.
4 ist eine Querschnittsansicht insgesamt entlang einer Linie 4-4 in 3.
4A ist eine Querschnittsansicht insgesamt entlang einer Linie 4A-4A in 3.
4B ist eine Querschnittsansicht insgesamt entlang einer Linie 4B-4B in 3.
5 ist eine Draufsicht der Struktur in einem Fertigungsstadium des Prozessierungsverfahrens anschließend an 3.
6 ist eine Querschnittsansicht insgesamt entlang einer Linie 6-6 in 5.
6A ist eine Querschnittsansicht insgesamt entlang einer Linie 6A-6A in 5.
6B ist eine Querschnittsansicht insgesamt entlang einer Linie 6B-6B in 5.
7 ist eine Draufsicht der Struktur in einem Fertigungsstadium des Prozessierungsverfahrens anschließend an 5.
8 ist eine Querschnittsansicht insgesamt entlang einer Linie 8-8 in 7.
8A ist eine Querschnittsansicht insgesamt entlang einer Linie 8A-8A in 7.
8B ist eine Querschnittsansicht insgesamt entlang einer Linie 8B-8B in 7.
9 ist eine Draufsicht einer Struktur gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung.
10 ist eine Querschnittsansicht insgesamt entlang einer Linie 10-10 in 9.
11 ist eine Querschnittsansicht der Struktur in einem Fertigungsstadium des Prozessierungsverfahrens anschließend an 10.
12 ist eine Draufsicht einer Struktur gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung.
13 ist eine Querschnittsansicht einer Struktur gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung.
14 ist eine Draufsicht einer Struktur gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf 1, 2 und gemäß Ausführungsformen der Erfindung umfasst eine Struktur 10 einen Wellenleiterkern 12, der über einer dielektrischen Schicht 14 und einem Substrat 16 positioniert ist. In einer Ausführungsform kann die dielektrische Schicht 14 aus einem dielektrischen Material, wie etwa Siliziumdioxid, bestehen und kann das Substrat 16 aus einem Halbleitermaterial, wie etwa einkristallinem Silizium, bestehen. In einer Ausführungsform kann die dielektrische Schicht 14 eine vergrabene Oxidschicht eines Siliziumauf-Isolator-Substrats sein, und kann die dielektrische Schicht 14 den Wellenleiterkern 12 von dem Substrat 16 trennen. In einer alternativen Ausführungsform kann eine zusätzliche dielektrische Schicht, die aus einem dielektrischen Material, wie etwa Siliziumdioxid, besteht, zwischen der dielektrischen Schicht 14 und dem Wellenleiterkern 12 positioniert sein.
Der Wellenleiterkern 12 kann entlang einer Längsachse 13 ausgerichtet sein. Der Wellenleiterkern 12 kann eine inverse Verjüngung 18, eine Sektion 20, die mit der inversen Verjüngung 18 verbunden ist, und eine Endoberfläche 22 umfassen, welche die inverse Verjüngung 18 beendet. Eine inverse Verjüngung bezieht sich auf eine verjüngte Sektion eines Wellenleiterkerns, die durch eine allmähliche Zunahme einer Breite entlang einer Modenausbreitungsrichtung gekennzeichnet ist. In dieser Hinsicht nimmt die inverse Verjüngung 18 in der Breite mit zunehmendem Abstand entlang der Längsachse 13 von der Endoberfläche 22 zu. Die Sektion 20 des Wellenleiterkerns 12 kann mit anderen optischen Komponenten verbunden sein. In einer alternativen Ausführungsform kann die Sektion 20 des Wellenleiterkerns 12 eine weitere inverse Verjüngung umfassen, die an die inverse Verjüngung 18 angefügt ist, um eine zusammengesetzte Verjüngung bereitzustellen.
Der Wellenleiterkern 12 kann aus einem dielektrischen Material, wie etwa Siliziumnitrid, bestehen, das einen Brechungsindex aufweist, der größer als der Brechungsindex von Siliziumdioxid ist. In einer alternativen Ausführungsform kann der Wellenleiterkern 12 aus Siliziumoxynitrid bestehen. In einer alternativen Ausführungsform kann der Wellenleiterkern 12 aus einkristallinem Silizium bestehen. In einer Ausführungsform kann der Wellenleiterkern 12 durch Abscheiden einer Schicht des Materials, aus dem er besteht, an der dielektrischen Schicht 14 und Strukturieren der abgeschiedenen Schicht durch Lithografie- und Ätzprozesse gebildet werden.
Unter Bezugnahme auf 3, 4, 4A, 4B, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in 1, 2 beziehen, und in einem nachfolgenden Fertigungsstadium ist eine dielektrische Schicht 24 über dem Wellenleiterkern 12 gebildet. Die dielektrische Schicht 24 kann aus einem dielektrischen Material, wie etwa Siliziumdioxid, bestehen. Der Wellenleiterkern 12 ist in der dielektrischen Schicht 24 eingebettet, weil die dielektrische Schicht 24 dicker als die Höhe des Wellenleiterkerns 12 ist. Die Dicke der dielektrischen Schicht 24 und die Höhe des Wellenleiterkerns 12 können einstellbare Variablen sein. Das dielektrische Material, das die dielektrische Schicht 24 bildet, kann einen niedrigeren Brechungsindex aufweisen als das dielektrische Material, das den Wellenleiterkern 12 bildet.
Die Struktur 10 kann ferner ein Gitter mit mehreren Verjüngungen 26 umfassen, das an der dielektrischen Schicht 24 gebildet ist. Das Gitter 26 umfasst Segmente 34, die entlang der Länge einer nicht verjüngten Sektion 28 verteilt sind, Segmente 36, die entlang der Länge einer invers verjüngten Sektion 30 verteilt sind, und Segmente 38, die entlang der Länge einer verjüngten Sektion 32 verteilt sind. Die Segmente 34, 36, 38 sind entlang einer Längsachse 25 des Gitters 26 positioniert, wobei die Segmente 36 angrenzend an die Segmente 34 sind, die Segmente 38 angrenzend an die Segmente 36 sind, und die Segmente 36 in Längsrichtung zwischen den Segmenten 34 und den Segmenten 38 positioniert sind. Das Gitter 26 wird an einem Ende durch eines der Segmente 34 beendet und wird an einem gegenüberliegenden Ende durch eines der Segmente 38 beendet. In einer Ausführungsform können die Segmente 34, 36, 38 an der Längsachse 25 zentriert sein. In einer Ausführungsform kann die Längsachse 25 des Gitters 26 parallel oder im Wesentlichen parallel zur Längsachse 13 des Wellenleiterkerns 12 ausgerichtet sein. Angrenzende Paare der Segmente 34, angrenzende Paare der Segmente 36, und angrenzende Paare der Segmente 38 sind durch Spalten 40 getrennt, die eine gegebene Dimension in einer Richtung entlang der Längsachse 25 aufweisen.
In einer Ausführungsform kann jedes der Segmente 34, 36, 38 einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt in einer Richtung parallel zur Längsachse 25 und in einer Richtung quer zur Längsachse 25 aufweisen. In einer Ausführungsform können die Teilung (pitch) und das Tastverhältnis (duty cycle) der Segmente 34, der Segmente 36 und/oder der Segmente 38 gleichmäßig sein, um eine periodische Anordnung zu definieren. In alternativen Ausführungsformen können die Teilung und/oder das Taktverhältnis der Segmente 34, der Segmente 36 und/oder der Segmente 38 apodisiert (d.h. nicht gleichmäßig) sein, um eine nicht periodische Anordnung zu definieren. Die Segmente 34, 36, 38 können mit einer genügend kleinen Teilung dimensioniert und positioniert sein, um eine gitterartige Unter-Wellenlängen-Struktur zu definieren, die Licht mit einer Betriebswellenlänge, wie etwa einer Wellenlänge in einem Bereich von 400 nm bis 3000 nm, nicht abstrahlt oder reflektiert.
Das Gitter 26 weist eine Gesamtlänge auf, welche die individuellen Längen für die nicht verjüngte Sektion 28, die invers verjüngte Sektion 30 und die verjüngte Sektion 32 umfasst, und die Segmente 34, 36, 38 weisen eine Breite W1 in einer Richtung quer zur Längsachse 25 auf. Die Breite W1 der Segmente 34 kann über die Länge der nicht verjüngten Sektion 28 konstant sein, die Breite W1 der Segmente 36 kann über die Länge der invers verjüngten Sektion 30 mit zunehmendem Abstand von der nicht verjüngten Sektion 28 zunehmen, und die Breite W1 der Segmente 38 kann über die Länge der verjüngten Sektion 32 mit zunehmendem Abstand von der nicht verjüngten Sektion 28 abnehmen.
Das Gitter 26 kann aus einem dielektrischen Material, wie etwa Siliziumkohlenstoffnitrid oder hydriertem Siliziumkohlenstoffnitrid, bestehen, das einen Brechungsindex aufweist, der größer als der Brechungsindex von Siliziumdioxid ist. In einer alternativen Ausführungsform kann das Gitter 26 aus Siliziumnitrid oder Siliziumoxynitrid bestehen. In einer Ausführungsform kann das Gitter 26 durch Abscheiden einer Schicht des Materials, aus dem es besteht, an der dielektrischen Schicht 24 und Strukturieren der abgeschiedenen Schicht durch Lithografie- und Ätzprozesse gebildet werden, um die Segmente 34, 36, 38 zu bilden. In der repräsentativen Ausführungsform können die Segmente 34, 36, 38 voneinander getrennt sein. In einer alternativen Ausführungsform kann eine Slabschicht untere Abschnitte der Segmente 34, 36, 38 verbinden. Die Slabschicht kann gebildet werden, wenn das Gitter 26 strukturiert wird, und die Slabschicht, die an der dielektrischen Schicht 24 positioniert ist, weist eine Dicke auf, die geringer als die Dicke der Segmente 34, 36, 38 ist.
Unter Bezugnahme auf 5, 6, 6A, 6B, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in 3, 4, 4A, 4B beziehen, und in einem nachfolgenden Fertigungsstadium können dielektrische Schichten 42, 44 eines Back-End-of-Line-Stapels 31 über der dielektrischen Schicht 24 und dem Gitter 26 gebildet sein. Das Gitter 26, das in der dielektrischen Schicht 42 eingebettet ist, ist in dem Back-End-of-Line-Stapel 31 umfasst. Die dielektrische Schichten 42, 44 können aus einem dielektrischen Material, wie etwa Tetraethylorthosilikat-Siliziumdioxid, fluoriertem Tetraethylorthosilikat-Siliziumdioxid, Siliziumdioxid, Silanoxid, oder einer Variante von Siliziumoxid, bestehen. Die dielektrische Schicht 44 ist an der dielektrischen Schicht 42 gebildet.
Das dielektrische Material der dielektrischer Schicht 42 ist in den Spalten 40 zwischen angrenzenden Paaren der Segmente 34, 36, 38 angeordnet. Die Segmente 34, 36, 38 und das dielektrische Material der dielektrischen Schicht 42 in den Spalten 40 können eine Metamaterialstruktur definieren, in der das dielektrische Material, das die Segmente 34, 36, 38 bildet, einen höheren Brechungsindex als das dielektrische Material der dielektrischen Schicht 42 aufweist, und die Segmente 34, 36, 38 eine gitterartige Unter-Wellenlängen-Struktur definieren. Die Metamaterialstruktur umfassend die Segmente 34, 36, 38 und das dielektrische Material der dielektrischen Schicht 42 in den Spalten 40 können als ein homogenes Material mit einem effektiven Brechungsindex behandelt werden, der zwischen dem Brechungsindex des dielektrischen Materials, das die Segmente 34, 36, 38 bildet, und dem Brechungsindex des dielektrischen Materials der dielektrischen Schicht 42 ist.
Die Struktur 10 kann ferner Wellenleiterkerne 46, 47, 48 umfassen, die in einem Niveau des Back-End-of-Line-Stapels 31 über dem Niveau des Gitters 26 gebildet sind. Die Wellenleiterkerne 46, 47, 48 weisen eine lateral beabstandete Seite-an-Seite-Anordnung an der dielektrischen Schicht 44 auf. Die Wellenleiterkerne 46, 47, 48 können aus einem dielektrischen Material, wie etwa Siliziumnitrid, bestehen, das einen Brechungsindex aufweist, der größer als der Brechungsindex von Siliziumdioxid ist. In einer Ausführungsform können die Wellenleiterkerne 46, 47, 48 durch Abscheiden einer Schicht des Materials, aus denen sie bestehen, an der dielektrischen Schicht 44 und Strukturieren der abgeschiedenen Schicht durch Lithografie- und Ätzprozesse gebildet werden. In einer Ausführungsform können die Wellenleiterkerne 46, 47, 48 aus einem unterschiedlichen dielektrischen Material als das Gitter 26 bestehen.
Jeder der Wellenleiterkerne 46, 47, 48 kann entlang einer Längsachse 35 ausgerichtet sein. Die Längsachsen 35 können parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sein, und die Längsachsen 35 können parallel oder im Wesentlichen parallel zur Längsachse 25 des Gitters 26 ausgerichtet sein. Der Wellenleiterkern 46 kann an gegenüberliegenden Enden trunkiert sein, um eine Länge für den Wellenleiterkern 46 zu definieren, der Wellenleiterkern 47 kann an gegenüberliegenden Enden trunkiert sein, um eine Länge für den Wellenleiterkern 47 zu definieren, und der Wellenleiterkern 48 kann an gegenüberliegenden Enden trunkiert sein, um eine Länge für den Wellenleiterkern 48 zu definieren. In einer Ausführungsform können die Längen der Wellenleiterkerne 46, 47, 48 gleich oder im Wesentlichen gleich sein. Der Wellenleiterkern 47 ist in einer lateralen Richtung zwischen dem Wellenleiterkern 46 und dem Wellenleiterkern 48 positioniert, und der Wellenleiterkern 47 kann mit den Segmenten 34, 36, 38 des Gitters 26 überlappen. In einer Ausführungsform können die Wellenleiterkerne 46, 47, 48 mit einer symmetrischen Anordnung relativ zu den Segmenten 34, 36, 38 des Gitters 26 lateral positioniert sein.
Unter Bezugnahme auf 7, 8, 8A, 8B in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in 5, 6, 6A, 6B beziehen, und in einem nachfolgenden Fertigungsstadium können dielektrische Schichten 50, 52 des Back-End-of-Line-Stapels 31 über den Wellenleiterkernen 46, 47, 48 gebildet sein. Die dielektrischen Schichten 50, 52 können aus einem dielektrischen Material, wie etwa Tetraethylorthosilikat-Siliziumdioxid, fluoriertem Tetraethylorthosilikat-Siliziumdioxid, Siliziumdioxid, Silanoxid, oder einer Variante von Siliziumoxid, bestehen. Die Wellenleiterkerne 46, 47, 48 sind in der dielektrischen Schicht 50 eingebettet.
Die Struktur 10 kann ferner einen Wellenleiterkern 54 umfassen, der in einem Niveau des Back-End-of-Line-Stapels 31 über dem Niveau der Wellenleiterkerne 46, 47, 48 gebildet ist. In einer Ausführungsform kann der Wellenleiterkern 54 mit dem Wellenleiterkern 47 überlappen. Der Wellenleiterkern 54 kann entlang einer Längsachse 45 ausgerichtet sein. In einer Ausführungsform kann die Längsachse 45 des Wellenleiterkerns 54 parallel oder im Wesentlichen parallel zur Längsachse 25 des Gitters 26 ausgerichtet sein. Der Wellenleiterkern 54 kann an gegenüberliegenden Enden trunkiert sein, so dass der Wellenleiterkern 54 eine Länge aufweist. In einer Ausführungsform können der Wellenleiterkern 54 und der Wellenleiterkern 47 gleiche oder im Wesentlichen gleiche Längen aufweisen. In einer alternativen Ausführungsform kann der Wellenleiterkern 54 eine kürzere Länge aufweisen als der Wellenleiterkern 47.
Der Wellenleiterkern 54 kann aus einem dielektrischen Material, wie etwa Siliziumnitrid, bestehen, das einen Brechungsindex aufweist, der größer als der Brechungsindex von Siliziumdioxid ist. In einer Ausführungsform kann der Wellenleiterkern 54 durch Abscheiden einer Schicht des Materials, aus dem er besteht, an der dielektrischen Schicht 52 und Strukturieren der abgeschiedenen Schicht durch Lithografie- und Ätzprozesse gebildet werden. In einer Ausführungsform kann der Wellenleiterkern 54 aus dem gleichen dielektrischen Material wie die Wellenleiterkerne 46, 47, 48 bestehen. In einer Ausführungsform kann der Wellenleiterkern 54 aus einem unterschiedlichen dielektrischen Material als das Gitter 26 bestehen.
Über dem Wellenleiterkern 54 können zusätzliche dielektrische Schichten 56 (in gestrichelten Linien diagrammatisch gezeigt) des Back-End-of-Line-Stapels 31, umfassend eine dielektrische Schicht 56, die eine Feuchtigkeitsbarriere bereitstellt, gebildet sein.
Das Gitter 26, die Wellenleiterkerne 46, 47, 48 und der Wellenleiterkern 54 können einen Kantenkoppler der Struktur 10 definieren, der sich in dem Back-End-of-Line-Stapel 31 befindet. Angrenzend an den Kantenkoppler kann eine Lichtquelle 60 positioniert sein. In einer Ausführungsform kann die Lichtquelle 60 eine monomodige optische Faser sein, die an einer Chipkante angrenzend an den Kantenkoppler und innerhalb eines Hohlraums positioniert ist, der in dem Back-End-of-Line-Stapel 31, dem Substrat 16, oder beidem, gebildet ist. In einer alternativen Ausführungsform kann die Lichtquelle 60 ein Halbleiterlaser sein, der an einer Chipkante angrenzend an den Kantenkoppler positioniert ist, und der Halbleiterlaser kann innerhalb eines in dem Substrat 16 gebildeten Hohlraums montiert (z.B. Flip-Chip-gebondet) sein. In der repräsentativen Ausführungsform kann das Substrat 16 unter dem Kantenkoppler massiv sein.
Die Segmente 36 des Gitters 26, die in der invers verjüngten Sektion 30 verteilt sind, sind entlang der Längsachse 25 zwischen der Lichtquelle 60 und den Segmenten 38 des Gitters 26 positioniert, die in der verjüngten Sektion 32 verteilt sind. Die Breite der Segmente 36 in der invers verjüngten Sektion 30 nimmt mit zunehmendem Abstand von der Lichtquelle 60 zu, und die Breite der Segmente 38 in der verjüngten Sektion 32 nimmt mit zunehmendem Abstand von der Lichtquelle 60 ab. Die Segmente 34, die in der nicht verjüngten Sektion 28 verteilt sind, sind entlang der Längsachse 25 zwischen der Lichtquelle 60 und der invers verjüngten Sektion 30 positioniert.
Die Struktur 10 kann, in jeglichen ihrer hierin beschriebenen Ausführungsformen, als ein Kantenkoppler in einem Photonikchip eingesetzt werden. Der Photonikchip kann elektronische Komponenten, wie etwa Feldeffekttransistoren, zusätzlich zu optischen Komponenten, umfassen.
Licht (z.B. Laserlicht) kann in einer Modenausbreitungsrichtung 61 von der Lichtquelle 60 zu dem Kantenkoppler hin zum Koppeln durch den Kantenkoppler mit dem Wellenleiterkern 12 gerichtet werden. Das durch den Kantenkoppler empfangene Licht kann eine gegebene Wellenlänge, Intensität, Modenform und Modengröße aufweisen, und der Kantenkoppler kann eine Punktgrößenkonversion (spot size conversion) für das Licht bereitstellen. In alternativen Ausführungsformen kann der Kantenkoppler zusätzliche Wellenleiterkerne in dem Niveau umfassend den Wellenleiterkern 54 umfassen. In alternativen Ausführungsformen kann der Kantenkoppler zusätzliche oder weniger Wellenleiterkerne in dem Niveau umfassend die Wellenleiterkerne 46, 47, 48 umfassen.
Das Gitter mit mehreren Verjüngungen 26 der Struktur 10 kann einen reduzierten Einfügeverlust aus einer Umwandlungs- und Ausbreitungsleckage an das Substrat 16 aufweisen. Der reduzierte Einfügeverlust kann die Eliminierung eines Hinterschnitts als eine Leckageverlustpräventionsmaßnahme erlauben und kann in einem Hinterschnitt-freien, massiven Substrat 16 unter dem Kantenkoppler resultieren. Ein Eliminieren des Hinterschnitts vereinfacht den Prozessfluss zum Bilden des Kantenkopplers, sowie potentielle mechanische Probleme, die sich aus einem Entfernen eines Abschnitts des Substrats 16 unter der dielektrischen Schicht 14, und deshalb Eliminieren eines Abschnitts der Unterstützung unter dem Kantenkoppler, ergeben. Die Struktur 10 umfassend das Gitter 26 kann auch effektiv sein, um Moden höherer Ordnung zu unterdrücken, sowie um eine Modenkonversion bereitzustellen, die durch weniger Modenfluktuationen und eine verbesserte Gesamtband-Performance für fundamentale Moden gekennzeichnet ist.
Unter Bezugnahme auf 9, 10 und gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann eine dielektrische Schicht 62 über dem Gitter 26 gebildet sein. Die dielektrische Schicht 62 kann aus einem dielektrischen Material, wie etwa Siliziumdioxid, bestehen. Das Gitter 26 ist in der dielektrischen Schicht 62 eingebettet, weil die dielektrische Schicht 62 dicker als die Höhe des Gitters 26 ist. Die Dicke der dielektrischen Schicht 62 und die Höhe des Gitters 26 können einstellbare Variablen sein. Das dielektrische Material, das die dielektrische Schicht 62 bildet, kann einen niedrigeren Brechungsindex aufweisen als das Material, welches das Gitter 26 bildet. Das dielektrische Material der dielektrischen Schicht 62 ist in den Spalten 40 zwischen angrenzenden Paaren der Segmente 34, 36, 38 angeordnet. Die Segmente 34, 36, 38 und das dielektrische Material der dielektrischen Schicht 62 in den Spalten 40 können eine Metamaterialstruktur definieren.
Ein Gitter mit mehreren Verjüngungen 66 kann zu dem Kantenkoppler der Struktur 10 hinzugefügt sein. Das Gitter 66 ist in einem Niveau des Back-End-of-Line-Stapels 31 zwischen dem Niveau umfassend das Gitter 26 und dem Niveau umfassend die anschließend gebildeten Wellenleiterkerne 46, 47, 48 positioniert. Das Gitter 26 ist in einer vertikalen Richtung zwischen dem Gitter 66 und dem Substrat 16 positioniert. Das Gitter 66 umfasst Segmente 74, die entlang der Länge einer nicht verjüngten Sektion 68 verteilt sind, Segmente 76, die entlang der Länge einer inversen Verjüngung 70 verteilt sind, und Segmente 78, die entlang der Länge einer Verjüngung 72 verteilt sind. Die Segmente 74, 76, 78 sind entlang einer Längsachse 55 des Gitters 66 positioniert, wobei die Segmente 76 angrenzend an die Segmente 74 sind, die Segmente 78 angrenzend an die Segmente 76 sind, und die Segmente 76 in Längsrichtung zwischen den Segmenten 74 und den Segmente 78 positioniert sind. Das Gitter 66 wird an einem Ende durch eines der Segmente 74 beendet und wird an einem gegenüberliegenden Ende durch eines der Segmente 78 beendet. In einer Ausführungsform können die Segmente 74, 76, 78 an der Längsachse 55 zentriert sein. In einer Ausführungsform kann die Längsachse 55 des Gitters 66 parallel zur Längsachse 25 des Gitters 26 ausgerichtet sein. Angrenzende Paare der Segmente 74, angrenzende Paare der Segmente 76 und angrenzende Paare der Segmente 78 sind durch Spalten 80 getrennt, die eine gegebene Dimension entlang der Längsachse 55 aufweisen.
In einer Ausführungsform kann jedes der Segmente 74, 76, 78 einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt in einer Richtung parallel zur Längsachse 55 und in einer Richtung quer zur Längsachse 55 aufweisen. In einer Ausführungsformen können die Teilung und/oder das Tastverhältnis der Segmente 74, der Segmente 76 und/oder der Segmente 78 gleichmäßig sein, um eine periodische Anordnung zu definieren. In alternativen Ausführungsformen können die Teilung und/oder das Tastverhältnis der Segmente 74, der Segmente 76 und/oder der Segmente 78 apodisiert (d.h. nicht gleichmäßig) sein, um eine nicht periodische Anordnung zu definieren. Die Segmente 74, 76, 78 können mit einer genügend kleinen Teilung dimensioniert und positioniert sein, um eine gitterartige Unter-Wellenlängen-Struktur zu definieren, die Licht mit einer Betriebswellenlänge nicht abstrahlt oder reflektiert.
Das Gitter 66 weist eine Gesamtlänge auf, welche die individuellen Längen für die nicht verjüngte Sektion 68, die inverse Verjüngung 70 und die Verjüngung 72 umfasst, und die Segmente 74, 76, 78 weisen eine Breite W2 in einer Richtung quer zur Längsachse 55 auf. Die Breite W2 der Segmente 74 kann über die Länge der nicht verjüngten Sektion 68 konstant sein, die Breite W2 der Segmente 76 kann über die Länge der inversen Verjüngung 70 mit zunehmendem Abstand von der nicht verjüngten Sektion 68 zunehmen, und die Breite W2 der Segmente 78 kann über die Länge der Verjüngung 72 mit zunehmendem Abstand von der nicht verjüngten Sektion 68 abnehmen. Die Breite W1 der Segmente 76 variiert in einer entgegengesetzten Richtung entlang der Längsachse 55 von der Breite W1 der Segmente 78.
Das Gitter 66 kann aus einem dielektrischen Material, wie etwa Siliziumkohlenstoffnitrid oder hydriertem Siliziumkohlenstoffnitrid, bestehen, das einen Brechungsindex aufweist, der größer als der Brechungsindex von Siliziumdioxid ist. In einer alternativen Ausführungsform kann das Gitter 66 aus Siliziumnitrid oder Siliziumoxynitrid bestehen. In einer Ausführungsform kann das Gitter 66 durch Abscheiden einer Schicht des Materials, aus dem es besteht, an der dielektrischen Schicht 62 und Strukturieren der abgeschiedenen Schicht durch Lithografie- und Ätzprozesse gebildet werden, um die Segmente 74, 76, 78 zu bilden. In der repräsentativen Ausführungsform können die Segmente 74, 76, 78 voneinander getrennt sein. In einer alternativen Ausführungsform kann eine Slabschicht untere Abschnitte der Segmente 74, 76, 78 verbinden. Die Slabschicht kann gebildet werden, wenn das Gitter 66 strukturiert wird, und die Slabschicht, die an der dielektrischen Schicht 62 positioniert ist, weist eine Dicke auf, die geringer als die Dicke der Segmente 74, 76, 78 ist.
In einer Ausführungsform kann die Struktur der Segmente 34, 36, 38 des Gitters 26 identisch zu der Struktur der Segmente 74, 76, 78 des Gitters 66 sein. In diesem Fall können die Dimensionen der Segmente 34, 36, 38 identisch zu dem Dimensionen der Segmente 74, 76, 78 sein, und können die Segmente 34, 36, 38 mit den Segmenten 74, 76, 78 ausgerichtet sein, um einen vollständigen Überlapp bereitzustellen. In einer alternativen Ausführungsform kann sich die Struktur der Segmente 34, 36, 38 des Gitters 26 von der Struktur der Segmente 74, 76, 78 des Gitters 66 unterscheiden. Beispielsweise können die Segmente 74, 76, 78 eine unterschiedliche Teilung und/oder ein unterschiedliches Tastverhältnis als die Segmente 34, 36, 38 aufweisen.
Unter Bezugnahme auf 11, in der sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in 10 beziehen, und in einem nachfolgenden Fertigungsstadium geht der Prozessfluss weiter wie oben beschrieben, um die Struktur 10 zu vervollständigen, die modifiziert ist, um das Gitter 66 zu umfassen. In dieser Hinsicht kann die dielektrische Schicht 42 über dem Gitter 66 gebildet sein. Die dielektrische Schicht 62 kann aus einem dielektrischen Material, wie etwa Siliziumdioxid, bestehen. Das Gitter 66 ist in der dielektrischen Schicht 62 eingebettet, weil die dielektrische Schicht 62 dicker als die Höhe des Gitters 66 ist. Die Dicke der dielektrischen Schicht 62 und die Höhe des Gitters 66 können einstellbare Variablen sein. Das dielektrische Material, das die dielektrische Schicht 62 bildet, kann einen niedrigeren Brechungsindex aufweisen als das Material, welches das Gitter 66 bildet. Das dielektrische Material der dielektrischen Schicht 62 ist in den Spalten 80 zwischen angrenzenden Paaren der Segmente 74, 76, 78 angeordnet. Die Segmente 74, 76, 78 und das dielektrische Material der dielektrischen Schicht 62 in den Spalten 80 können eine Metamaterialstruktur definieren, die mit den Segmenten 34, 36, 38 überlappt, die einer unterschiedlichen Metamaterialstruktur angehören, die sich in einem unteren Niveau des Back-End-of-Line-Stapels 31 befindet.
Mehrere Metamaterialstrukturen in mehreren Niveaus des Back-End-of-Line-Stapels 31 können dazu fungieren, die Verbesserungen, wie zuvor beschrieben, zu verstärken, die durch eine Metamaterialstruktur in einem einzigen Niveau des Back-End-of-Line-Stapels 31 bereitgestellt werden.
Unter Bezugnahme auf 12 und gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann das Gitter 26 eine Rippe 84, die mit den Segmenten 34 der nicht verjüngten Sektion 28 überlagert ist, eine invers verjüngte Rippe 86, die mit den Segmenten 36 der invers verjüngten Sektion 30 überlagert ist, und eine verjüngte Rippe 88 umfassen, die mit den Segmenten 38 der verjüngten Sektion 32 überlagert ist. In alternativen Ausführungsformen kann die Rippe 84 von der nicht verjüngten Sektion 28 weggelassen werden, kann die invers verjüngte Rippe 86 von der invers verjüngten Sektion 30 weggelassen werden, und/oder kann die verjüngte Rippe 88 von der verjüngten Sektion 32 weggelassen werden.
Unter Bezugnahme auf 13 und gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann ein Hinterschnitt 82 in dem Substrat 16 unter dem Kantenkoppler gebildet sein. Der Hinterschnitt 82 kann durch Strukturieren von Pilotöffnungen, die die dielektrische Schicht 14 durchdringen, und dann Ätzen des Substrats 16 mit einem durch die Pilotöffnungen bereitgestellten Zugang unter Verwendung eines isotropen Ätzprozesses gebildet werden, der durch sowohl laterale als auch vertikale Ätzkomponenten gekennzeichnet ist. Der Hinterschnitt 82 kann zusätzliche Reduzierungen des Leckageverlusts in das Substrat 16 bereitstellen.
Unter Bezugnahme auf 14 und gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann das Gitter 26 in einem gegebenen Winkel derart gedreht oder gekippt sein, dass die Längsachse 25 parallel oder im Wesentlichen parallel zur Modenausbreitungsrichtung 61 einer Lichtquelle 60 ist, die ein Halbleiterlaser mit einer Licht emittierenden Schicht 59 ist, die auch in einem gegebenen Winkel gedreht und gekippt sein kann. Die Längsachsen 35 der Wellenleiterkerne 46, 47, 48 und die Längsachse 45 des Wellenleiterkerns 64 können in ähnlicher Weise gedreht oder gekippt sein. In einer Ausführungsform kann der Kantenkoppler umfassend das Gitter 26, die Wellenleiterkerne 46, 47, 48 und den Wellenleiterkern 54 in demselben Winkel wie die Licht emittierende Schicht 59 gedreht oder gekippt sein. Die Drehung des Gitters 26 kann einen parallellen Einfall der Licht emittierenden Schicht 59 und der Modenausbreitungsrichtung 61 relativ zu dem Kantenkoppler aufrechterhalten.
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 (z.B. 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, einen Bereich von +/- 10% des (der) genannten Werts (Werte) angeben.
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“ und „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. Unterschiedliche Merkmale „überlappen“, wenn sich ein Merkmal über ein anderes Merkmal erstreckt und einen Teil davon bedeckt.
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; und einen Back-End-of-Line-Kantenkoppler umfassend einen ersten Wellenleiterkern und ein erstes Gitter, das in einer vertikalen Richtung zwischen dem Substrat und dem ersten Wellenleiterkern positioniert ist, wobei der erste Wellenleiterkern eine erste Längsachse umfasst, das erste Gitter eine zweite Längsachse und eine erste Vielzahl von Segmenten umfasst, die mit einer ersten beabstandeten Anordnung entlang der zweiten Längsachse positioniert sind, und die zweite Längsachse im Wesentlichen parallel zur ersten Längsachse ausgerichtet ist.
Struktur nach Anspruch 1, wobei die erste Vielzahl von Segmenten durch eine Vielzahl von Spalten getrennt sind, und das erste Gitter ferner ein dielektrisches Material umfasst, das in der Vielzahl von Spalten angeordnet ist.
Struktur nach Anspruch 2, wobei die erste Vielzahl von Segmenten und das dielektrische Material eine Metamaterialstruktur umfassen.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend: eine Lichtquelle, die angrenzend an den Back-End-of-Line-Kantenkoppler positioniert ist, wobei die Lichtquelle dazu konfiguriert ist, Licht in einer Modenausbreitungsrichtung zu dem Back-End-of-Line-Kantenkoppler hin bereitzustellen, wobei die erste Vielzahl von Segmenten des ersten Gitters in einer verjüngten Sektion und einer invers verjüngten Sektion verteilt sind, und die invers verjüngte Sektion entlang der zweiten Längsachse zwischen der verjüngten Sektion und der Lichtquelle positioniert ist.
Struktur nach Anspruch 4, wobei die erste Vielzahl von Segmenten in der invers verjüngten Sektion eine erste Breite aufweisen, die mit zunehmendem Abstand von der Lichtquelle zunimmt, und die erste Vielzahl von Segmenten in der verjüngten Sektion eine zweite Breite aufweisen, die mit zunehmendem Abstand von der Lichtquelle abnimmt.
Struktur nach Anspruch 4 oder 5, wobei die erste Vielzahl von Segmenten ferner in einer nicht verjüngten Sektion verteilt sind, und die nicht verjüngte Sektion entlang der zweiten Längsachse zwischen der Lichtquelle und der invers verjüngten Sektion positioniert ist.
Struktur nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Lichtquelle eine monomodige optische Faser ist.
Struktur nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Lichtquelle ein Halbleiterlaser ist.
Struktur nach Anspruch 8, wobei der Halbleiterlaser eine Licht emittierende Schicht umfasst, die in einem ersten Winkel gekippt ist, und die zweite Längsachse des ersten Gitters in einem zweiten Winkel gekippt ist, der gleich dem ersten Winkel ist.
Struktur nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei das erste Gitter eine verjüngte Rippe umfasst, die an der ersten Vielzahl von Segmenten in der verjüngten Sektion überlagert ist.
Struktur nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei das erste Gitter eine invers verjüngte Rippe umfasst, die an der ersten Vielzahl von Segmenten in the invers verjüngten Sektion überlagert ist.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Back-End-of-Line-Kantenkoppler einen zweiten Wellenleiterkern umfasst, der in einer lateralen Richtung angrenzend an den ersten Wellenleiterkern positioniert ist.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Back-End-of-Line-Kantenkoppler einen zweiten Wellenleiterkern umfasst, und der erste Wellenleiterkern in der vertikalen Richtung zwischen dem zweiten Wellenleiterkern und dem ersten Gitter positioniert ist.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Back-End-of-Line-Kantenkoppler eine Rippe umfasst, die an der ersten Vielzahl von Segmenten überlagert ist.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der erste Wellenleiterkern Siliziumnitrid umfasst, und das erste Gitter Siliziumkohlenstoffnitrid oder hydriertes Siliziumkohlenstoffnitrid umfasst.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der erste Wellenleiterkern Siliziumnitrid umfasst, und das erste Gitter Siliziumnitrid oder Siliziumoxynitrid umfasst.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Substrat einen Hinterschnitt umfasst, und der Back-End-of-Line-Kantenkoppler eine überlappende Anordnung mit dem Hinterschnitt in dem Substrat umfasst.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei das Substrat unter dem Back-End-of-Line-Kantenkoppler massiv ist.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei der Back-End-of-Line-Kantenkoppler ein zweites Gitter umfasst, das in der vertikalen Richtung zwischen dem ersten Gitter und dem ersten Wellenleiterkern positioniert ist, wobei das zweite Gitter eine dritte Längsachse und eine zweite Vielzahl von Segmenten umfasst, die mit einer zweiten beabstandeten Anordnung entlang der dritten Längsachse positioniert sind, und die dritte Längsachse im Wesentlichen parallel zur ersten Längsachse ausgerichtet ist.
Verfahren umfassend: Bilden eines Back-End-of-Line-Kantenkopplers umfassend einen Wellenleiterkern und ein Gitter, das in einer vertikalen Richtung zwischen einem Substrat und dem Wellenleiterkern positioniert ist, wobei der Wellenleiterkern eine erste Längsachse umfasst, das Gitter eine zweite Längsachse und eine Vielzahl von Segmenten umfasst, die mit einer beabstandeten Anordnung entlang der zweiten Längsachse positioniert sind, und die zweite Längsachse im Wesentlichen parallel zur ersten Längsachse ausgerichtet ist.