EP4097765A1 - Verfahren zur herstellung einer elektro-optischen einrichtung und elektro-optische einrichtung - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer elektro-optischen einrichtung und elektro-optische einrichtung

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EP4097765A1
EP4097765A1 EP20839263.9A EP20839263A EP4097765A1 EP 4097765 A1 EP4097765 A1 EP 4097765A1 EP 20839263 A EP20839263 A EP 20839263A EP 4097765 A1 EP4097765 A1 EP 4097765A1
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EP
European Patent Office
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planarization layer
electro
waveguide
active element
spin
Prior art date
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Pending
Application number
EP20839263.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel SCHALL
Galip REHA HEPGÜLER
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Black Semiconductor GmbH
Original Assignee
Amo GmbH
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Filing date
Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing an electro-optical device.
  • the invention also relates to an electro-optical device, a semiconductor device with a chip and at least one electro-optical device, and a semiconductor device with a wafer and at least one electro-optical device.
  • Electro-optical devices for example photodetectors or electro-optical modulators, are known which comprise one or more films of graphene. Such are disclosed, for example, in US Pat. No. 9,893,219 B2.
  • Planarizations are currently being implemented by applying planarization layers and subsequent chemical-mechanical polishing (CMP).
  • CMP chemical-mechanical polishing
  • spin-on glasses English: spin on glass, SOG for short
  • polymers can also be spun on.
  • an initially liquid material for example hydrogen silsesquioxane
  • Hydrogen silsesquioxane (English: hydrogen silsesquioxane, HSQ for short) is a class of inorganic compounds with the formula [HSi03 / 2] n. Due to the kinetics of liquids at height differences, there is a palarization effect. The hydrogen silsesquioxane layer thickness is less or less on an elevation on the surface than next to the elevation.
  • the CMP method avoids the problems described above because, for example, chemically deposited S1O 2 can be used as the planarization material.
  • S1O 2 has proven to be a very good support material for graphene, and the CMP process enables extremely low roughness values to be achieved.
  • S1O 2 is also stable with respect to common process chemicals and can be structured well dry-chemically.
  • the distance between neighboring elevations on the wafer surface is too large (for example in the order of 100 to 1000 ⁇ m) and the distribution on the wafer is not homogeneous, a laterally uneven layer thickness can result after polishing.
  • the low tolerances of the layer thickness to be set after planarization (usually single-digit nm) require support points on the entire wafer at the same height as the structured surface for reproducibility.
  • the shape and arrangement of the support points has a considerable influence on the result of the etching processes that are used for surface structuring and the CMP. This results in increased effort in terms of design and process development, because the support points have to be designed and developed as well as the actual component design.
  • the desired residual coverage on the waveguide for example in the order of magnitude of 10 nm, can lead to the limits of the tolerance of CMP steps.
  • the entire Si0 2 planarization layer is polished down to the surface of the waveguide and support points (the Si is polished more slowly, which leads to a “stop” at the correct height). Since an oxide is required on the waveguide, the wafer is then dry-oxidized (ie Si is oxidized at high temperatures and with the addition of O2). The Si is oxidized in S1O2 on the free Si surfaces.
  • This object is achieved by a method for producing an electro-optical device, in particular a photodetector or electro-optical modulator, in which
  • a planarization layer spanning at least a section of the waveguide is produced, preferably by applying, in particular depositing, a coating material,
  • planarization layer is seen with a spin-on-glass coating
  • a preferably dry-chemical etching treatment is carried out, during which preferably etching down to the planarization layer and preferably the spin-on-glass coating and part of the planarization layer is removed,
  • steps of providing the planarization layer with a spin-on-glass coating and the etching treatment are repeated at least once, and
  • An active element is provided on or above the planarization layer and above the waveguide, which comprises at least one material or consists of at least one material that absorbs electromagnetic radiation of at least one wavelength and generates an electrical photo signal as a result of the absorption, and / or its Refractive index changes as a function of a voltage and / or the presence of charge (s) and / or an electric field.
  • the present invention avoids the disadvantages associated with spin-on-planarization, in particular the high roughness and instability, and those of CMP technology by specifically using the resist planarization method known from other areas of application to create a for the above a waveguide
  • an active element for example graphene film
  • electro-optical devices can be obtained which are characterized by excellent properties, in particular also a particularly reliable mode of operation. Since tearing of the active element is reliably avoided, a small amount of waste is associated with the manufacturing process.
  • the procedure according to the invention enables comparatively low roughness, in particular on the upper side of the planarization layer, for example in the range from 1.0 nm RMS to 0.1 nm RMS, in particular 0.6 nm RMS to 0.1 nm RMS, preferably 0.4 nm RMS to 0.1 nm RMS can be obtained.
  • a roughness of 0.2 nm RMS for example, has proven to be particularly suitable.
  • the abbreviation nm stands here and in the following for nanometers (10 9 m) in a manner known per se.
  • the RMS roughness is also called quadratic roughness in German.
  • Atomic force microscopy can be used as a measuring method for determining the roughness, in particular as described in the EN ISO 25178 standard. Atomic force microscopy is mainly discussed in Part 6 (EN ISO 25178-6: 2010-01) of this standard, which deals with measurement methods for determining roughness
  • the electro-optical device can be produced, for example, on a wafer or chip or on an element provided on a wafer or chip or on a layer provided on a wafer or chip. Then it preferably applies that the waveguide provided is arranged on or above a wafer or chip, the wafer or chip particularly preferably having integrated circuits with integrated electronic components.
  • waveguides are provided and several electro-optical devices are obtained in the manner according to the invention.
  • a wafer or chip is provided, on the upper side of which two or more waveguides are provided. It can be an integrated waveguide on a wafer or chip.
  • a planarization layer and a spin-on-glass coating can then be produced, which extend over all waveguides, in particular flat over the entire wafer or chip top, and it can be etched over the entire top. If the steps of providing the planarization layer with a spin-on-glass coating and the etching treatment are repeated, this can also apply to the repetition (s). In this way, it is particularly easy to se a variety of electro-optical devices can be obtained in the manner according to the invention.
  • a waveguide is to be understood as an element or a component that guides an electromagnetic wave, in particular light.
  • a cross section of a wavelength-dependent cross-section of a material which is optically transparent for at least this wavelength and which is distinguished by a refractive index contrast from an adjacent material that is also transparent for this wavelength is expediently used. If the refractive index of the surrounding material is lower, the light is guided in the area of the higher refractive index.
  • two regions of high refractive index are separated from a region of low refractive index which is narrow with respect to the wavelength, and the light is guided in the region of the low refractive index.
  • a low side wall roughness is advantageous.
  • the waveguide and planarization layer expediently consist of materials whose refractive indices differ.
  • refractive indices 3.4 (Si) for the waveguide (s) and 1.5 (Si02) for the planarization layer or, in the case of dielectrics, 2.4 (Ti02) for the waveguide (s) may be mentioned Waveguide and 1.5 (Si02) for the planarization layer or 2 (SiN) for the waveguide (s) and 1.47 planarization layer.
  • the refractive index of the material of the waveguide or waveguides is at least 20%, preferably at least 30% greater than the refractive index of the material of the planarization layer.
  • the or - in the case of several - at least one of the waveguides of the photonic platform comprises in a further preferred embodiment at least one material that is transparent to electromagnetic radiation of a wavelength of 850 nm and / or 1310 nm and / or 1550 nm or consists of one such.
  • electromagnetic radiation in the wavelength range from 800 nm to 900 nm and / or from 1260 nm to 1360 nm (so-called original tape or O-band for short) and / or 1360 nm to 1460 nm (so-called extend band or E for short -Band) and / or 1460 nm to 1530 nm (so-called short band or S-band for short) and / or from 1530 nm to 1565 nm (so-called conventional band or C-band for short) and / or 1565 nm to 1625 nm ( so-called long band or short L-band) transparent.
  • These tapes are already known from the field of communications engineering.
  • the or - in the case of several - at least one of the waveguides can in a further advantageous embodiment titanium dioxide and / or aluminum nitride and / or tantalum pentoxide and / or silicon nitride and / or aluminum oxide and / or silicon oxynitride and / or lithium niobate and / or silicon, in particular special polysilicon, and / or indium phosphite and / or gallium arsenide and / or indium gallium arsenide and / or aluminum gallium arsenide and / or at least one dichalcogenide, in particular two-dimensional transition metal dichalcogenide, and / or chalcogenide glass and / or resin or resin-containing materials, in particular SU8, and / or polymers or materials containing polymers, in particular OrmoComp, or consist of one or more of these materials.
  • the (respective) waveguide can be or have been obtained by material deposition and, in particular, subsequent
  • the thickness is preferably in the range of 150 nanometers meters to 10 micrometers.
  • the width and length of the waveguide or waveguides can move in particular in the range of 100 nanometers and 10 micrometers.
  • One or more waveguides can be designed as strip waveguides, for example, which are then characterized in particular by a rectangular or square cross section.
  • One or more waveguides can alternatively or additionally also be designed as rib waveguides with a T-shaped cross section.
  • the waveguide or waveguides can be formed in several parts, for example comprise or consist of a first, for example lower or left, and a second, for example upper or right part or section. It may be that one or more sections are characterized by a rectangular or square cross-section. If a waveguide has or consists of two or more parts, these can be spaced apart from one another, for example with the formation of a slot.
  • the planarization layer is preferably produced by depositing coating material at least on or above a section, in particular longitudinal section, of the respective waveguide and on areas to the side of the respective waveguide, in particular next to the respective waveguide or waveguides will.
  • material can also be deposited on the entire (respective) waveguide.
  • the fact that the coating material is also applied to the side of a waveguide means in particular or includes in particular one with the fact that material next to the waveguide is applied to the substrate on which the waveguide is arranged.
  • the planarization layer can also be deposited by chemical vapor deposition (CVD), preferably low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) and / or plasma-assisted chemical vapor deposition (plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD for short) and / or by physical gas phase deposition (English: physical vapor deposition) of a coating material.
  • CVD chemical vapor deposition
  • LPCVD low pressure chemical vapor deposition
  • PECVD plasma-assisted chemical vapor deposition
  • PECVD plasma-assisted chemical vapor deposition
  • physical gas phase deposition English: physical vapor deposition
  • Electron beam evaporation in which material is melted and evaporated by means of an electron beam
  • thermal evaporation in which material is heated to the melting point by means of a heater and evaporated onto a target substrate, as well as cathode sputtering
  • atoms are knocked out of a material carrier by means of a plasma and deposited on a target substrate.
  • atomic layer deposition is also possible. Under this will be insulating or conductive materials (dielectrics, semiconductors or metals) deposited sequentially, atomic layer by atomic layer.
  • Sputtering represents a further possibility that can be used in the context of the production of the planarization layer.
  • a produced layer can comprise only one or several layers. It can consist of only one material or also comprise several materials. For example, a layer can have two or more layers made of two or more different materials. It can of course also be the case that a layer has several layers which, however, all consist of the same material.
  • a layer with more than one layer can in particular be obtained or present because several layers, for example several atomic layers, are provided, for example are or have been deposited, for their manufacture.
  • planarization layer is produced with or from at least one oxide, in particular silicon dioxide, and / or with or from at least one nitride and / or with or from at least one polymer.
  • the planarization layer is provided with a spin-on-glass coating by applying a suitable material, for example HSQ and / or a polymer, in the liquid state, preferably being spun on and then heated, in particular baked out will.
  • a suitable material for example HSQ and / or a polymer
  • the materials vitrify when they are heated, especially when they are baked out.
  • a dry chemical etching process is preferably carried out. Reactive ion etching (RIE) has proven to be particularly suitable.
  • the etching can take place, for example, with CHF3- and / or SF6-based dry chemical etching processes.
  • the abbreviation CFIF3 stands for fluoroform and the abbreviation SF6 for sulfur hexafluoride.
  • the etching treatment is preferably carried out in such a way that the etching rate for the material of the planarization layer is at most 50%, preferably at most 30%, particularly preferably at most 10% greater or less than the etching rate for the spin-on glass.
  • the etching process can be set in a known manner using process parameters. Suitable parameters are, for example, the pressure and / or the gas flow and / or the composition of the gas mixture and / or the power for exciting the plasma and / or the temperature of the electrode.
  • Reactive ion etching for example, is a dry etching process in which, as a rule, special gaseous chemicals that are excited to form a plasma enable selective and directional etching of a substrate surface.
  • a lacquer mask can protect parts that are not to be etched.
  • the etching chemistry and the parameters of the process usually determine the selectivity of the process, that is, the etching rates of different materials. This property is crucial in order to limit the depth of an etching process and thus to define layers separately from one another.
  • an active element with or at least one material that absorbs electromagnetic radiation of at least one wavelength and generates an electrical photo signal as a result of the absorption, and / or whose refractive index changes as a function of a voltage and / or the presence of charge (s) and / or an electric field changes.
  • the at least one material can absorb electromagnetic radiation with a wavelength of 850 nm and / or 1310 nm and / or 1550 nm and can generate a photo signal as a result of the absorption. It is particularly preferred that there is electromagnetic radiation in the wavelength range from 800 nm to 900 nm and / or from 1260 nm to 1360 nm (so-called original tape or O-band for short) and / or 1360 nm to 1460 nm (so-called extend band or short E-band) and / or 1460 nm to 1530 nm (so-called short band or S-band for short) and / or from 1530 nm to 1565 nm (so-called conventional band or C-band for short) and / or 1565 nm to 1625 nm (so-called long band or L-band for short) and can generate a photo signal as a result of the absorption.
  • electromagnetic radiation in the wavelength range from 800 nm to
  • a material changes its refractive index is to be understood in particular to mean that it changes its dispersion (in particular refractive index) and / or its absorption.
  • the dispersion or refractive index is usually given by the real part and the absorption by the imaginary part of the complex refractive index.
  • Materials whose refractive index changes as a function of a voltage and / or the presence of charge (s) and / or an electric field are to be understood in the present case in particular as those that result from the Pockels effect and / or the Franz-Keldysh -Effect and / or the Kerr effect.
  • Materials that are characterized by the plasma dispersion effect are also considered as such materials in the present case.
  • the at least one material of the active element that absorbs electromagnetic radiation of at least one wavelength and generates an electrical photo signal as a result of the absorption, and / or its refractive index is dependent on a voltage and / or the presence of charge ( en) and / or an electric field changes, graphene and / or at least one dichalcogenide, in particular two-dimensional transition metal dichalcogenide, and / or heterostructures made of two-dimensional materials and / or germanium and / or lithium niobath and / or at least one electro-optical polymer and / or silicon and / or at least one compound semiconductor, in particular at least one III-V semiconductor and / or at least one II-VI semiconductor, is used.
  • Electro-optical polymers are to be understood in particular as polymers which are distinguished by the fact that they have a strong linear electro-optical coefficient (Pockels effect).
  • a strong linear electro-optical coefficient is preferably to be understood as one which is at least 150 pm / V, preferably at least 250 pm / V. Then the electro-optical coefficient is at least about five times that of lithium niobath.
  • chalcogenides In the context of the present invention, transition metal dichalcogenides in particular have proven to be particularly suitable as two-dimensional materials, such as MoS2 or WSe2.
  • lithium niobate and electro-optical polymers are based on the electro-optical, in particular the Pockels effect, ie the E field changes the refractive index (such as, for example, the Pockels effect is used in the Pockels cell).
  • the Pockels effect ie the E field changes the refractive index (such as, for example, the Pockels effect is used in the Pockels cell).
  • germanium it is the Franz Keldysh effect, ie the field shifts the valence and conduction band edges against each other, so that the optical properties change.
  • These effects are field-based effects.
  • silicon or graphene it is the charge carrier-based plasma dispersion effect, i.e.
  • III-V semiconductors are compound semiconductors consisting of elements from main group III and V in a manner known per se.
  • II-VI semiconductors or, in a manner known per se, are compound semiconductors which consist of elements of main group II or group 12 elements and elements of main group VI.
  • Films made of graphene, possibly chemically modified graphene, or dichalcogenides, in particular two-dimensional transition metal dichalcogenides, or also dichalcogenide-graphene-fletero structures consisting of at least one layer of graphene and at least one layer of a dichalcogenide or arrangement have proven to be particularly suitable genes made of at least one layer of boron nitride and at least one layer of graphene.
  • part of the electromagnetic radiation, especially light is guided evanescent outside the waveguide.
  • the interface of the waveguide is dielectric and accordingly the intensity distribution is described by the boundary conditions according to Maxwell with an exponential decrease. If an electro-optically active material, for example graphene, is brought into or near the waveguide in the evanescent field, photons can interact with the material, in particular graphene.
  • a dielectric layer is produced on the active element, preferably a dielectric layer with or from at least one oxide and / or nitride, particularly preferably with or from aluminum oxide and / or silicon nitride and / or hafnium oxide, and
  • a further active element is provided on the upper side of the electrical layer facing away from the active element, the further active element preferably being arranged offset from the active element in such a way that the active element and the further active element lie on top of one another in sections.
  • an electrode made of electrically conductive material can also be provided.
  • an active element and a conventional electrode are sufficient as an alternative to two active elements. If an electrode is provided instead of one of the active elements, this can - in analogy to the active Element - in the form of an optionally multi-layer film, for example as a single or multi-layer metal film.
  • the two active elements or the one active element and the electrode are preferably arranged at a distance from one another and offset from one another in such a way that they lie one above the other in sections.
  • a section of the one active element is aligned or overlaps with a section of the other active element or the electrode without these touching one another.
  • the two active elements or the active element and the electrode or at least sections of these extend at least substantially parallel to one another.
  • a modulator has a further active element, this can likewise be distinguished by the features described above and below in connection with an active element as preferred.
  • the design as a film is just one example. Furthermore, only one or more of the preferred features can be implemented.
  • An electro-optical modulator can be used in particular for optical signal coding.
  • An electro-optical modulator can also be designed as a ring modulator.
  • a photodetector can preferably be used to convert signals back from the optical to the electronic world and / or vice versa.
  • an electrical control electrode and an active element which is expediently insulated for this purpose with or made of at least one material whose refractive index changes as a function of a voltage or charges or an electric field, in particular made of graphene be provided or the electrode be made of a suitable material, in particular graphene, so that two active elements are then jointly in the evacuating field during operation and perform the electro-optical function.
  • Graphene for example, can change its optical properties through a control voltage.
  • a capacitance is created and the graphs in the films influence one another.
  • the capacitance consisting of the two active elements forming the graphene electrodes is charged by a voltage and the electrons occupy states in the graph. This results in a shift of the Fermi energy (energy of the last occupied state in the crystal) to higher energies (or due to symmetry to lower ones). If the Fermi energy reaches half the energy of the photons, these can no longer be absorbed because the free states required for the absorption process are already occupied at the correct energy. In this state, the graph is consequently transparent because absorption is prohibited.
  • the graph By changing the voltage, the graph is switched back and forth between absorbing and transparent.
  • a continuously luminous laser beam is modulated in its intensity and can thus be used to transmit information.
  • the real part of the refractive index also changes with the control voltage.
  • the phase position of a laser can be modulated via the changing refractive index and thus phase modulation can be achieved.
  • the phase modulation is preferably operated in a range in which all states are occupied up to over half the photon energy, so that the graph is transparent and the real part of the refractive index shifts significantly and the change in absorption plays a subordinate role.
  • the or the respective active element is provided on or above the top side of the planarization layer in that at least one suitable material is applied, in particular deposited.
  • Deposition can - in analogy to the planarization layer - for example by chemical vapor deposition (CVD for short), preferably low pressure chemical vapor deposition (LPCVD for short), and / or plasma-assisted chemical gas phase sensor deposition (English: plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD for short) and / or by physical vapor deposition (English: physical vapor deposition). It is also true here that all previously known methods of this type can be used.
  • the respective active element or the respective active element can be provided on the upper side of the planarization layer by means of a transfer method.
  • the (respective) element is not produced monolithically on the planarization layer, but produced separately and then transferred, in other words, transferred.
  • a transfer method for graphene is, for example, from the articles “Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils” by Li et al., Science 324, 1312, (2009) and “Roll-to-roll produc - tion of 30-inch graphene films for transparent electrodes ”by Bae et al, Nature Nanotech 5, 574-578 (2010) or for LiNbO from the article“ Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible voltages ” , Nature volume 562, pagesl 01104 (2016) or, inter alia, for GaAs from the article “Transfer print techniques for heterogeneous integration of photonic components”, Progress in Quantum Electronics Vo- lume 52, March 2017, Pages 1-17.
  • One of these methods can also be used within the scope of the present invention in order to obtain one or more graphene or LiNbO or GaAs layers / films on the planarization layer.
  • atomic layer deposition can also be used for the active element or elements.
  • a dielectric layer can also be provided on or above at least one active element.
  • the or at least one electro-optical device - both in the case of a modulator and in the case of a detector - can furthermore be designed or manufactured as such with plasmonic coupling.
  • At least one plasmonic structure made of or with a plasmonic active material preferably gold and / or silver and / or aluminum and / or copper, is or is expediently provided on or above the or at least one of the active elements.
  • the plasmonic structure preferably comprises at least one pair of juxtaposed plasmonic elements made of or with the plasmonically active material.
  • the plasmonic elements can be distinguished by a section which tapers in the direction of the respective other plasmonic element.
  • the plasmonic elements can be distinguished, for example, by a triangular shape.
  • Elongated plasmonic elements are or are provided, this is preferred in the case of a modulator.
  • Elongated plasmonic elements can be arranged at least essentially parallel to a waveguide. Then in other words optical and plasmonic waveguides guided in parallel past the active element, as in the publication "Efficient electro-optic modulation in low-loss graphene-plasmonic slot waveguides" by Zhu et al. , Optics Communications (2019), doi: https://doi.Org/10.1016/j.optcom.2019.124559.
  • the or at least one of the active elements is expediently arranged relative to a waveguide in such a way that it is exposed at least in sections to the evanescent field of electromagnetic radiation which is guided by the waveguide.
  • At least one active element is preferably arranged at a distance of less than or equal to 50 nm, particularly preferably less than or equal to 30 nm, from at least one waveguide, for example at a distance of 10 nm.
  • the resist planarization with the (one or more) spin-on-glass coating and subsequent etching treatment takes place in such a way that the layer thickness of the planarization layer above the waveguide or at least a section of this is less than or equal to 50 nm, before given is less than or equal to 30 nm, for example 10 nm. If an active element is then arranged in the region of this layer thickness on the planarization layer, there is a corresponding distance.
  • section preferably the longitudinal section of the waveguide, above which the active element - and the additional active element that may be present, especially in the case of a modulator - is arranged, can form a component of the electro-optical device or forms.
  • a film is particularly preferably provided as the active element or films are provided as the active elements.
  • a film is preferably characterized in a manner known per se by a significantly larger lateral one Expansion as thickness.
  • the at least one active element of one or more electro-optical devices can also be characterized by a square or rectangular cross section.
  • One or more active elements can comprise a plurality of layers or layers of at least one material whose refractive index changes and / or which absorbs, or can be formed from one or more layers or layers of at least one such material.
  • at least one active element as a film comprises several layers or layers made of one or also different materials.
  • At least one film (with one or more layers) extending over the entire lateral extent, for example of a wafer on which several waveguides are provided, can be provided, for example deposited , and from this large film, by means of a suitable structuring process, which can include lithography and / or etching, for example, a plurality of smaller film-shaped or layer-shaped active elements lying next to one another in a plane can be obtained for the majority of the devices. became. In this way, many active elements for a large number of electro-optical devices can be obtained with comparatively little effort.
  • a transfer process can also be followed by structuring.
  • the active element (if there are more than one) is preferably provided directly on the planarization layer, for example produced or arranged thereon, this expediently in the (respective) of the etching treatment subjected area and above the (respective) section, in particular longitudinal section of the waveguide.
  • at least one further layer is initially provided on the planarization layer, for example deposited or arranged, and the active element is provided on the uppermost further layer or layers. Then it is not located directly on but above the planarization layer. This is particularly possible because material can be deposited conformally on the planarization layer, for example, the surface properties including the topology and roughness being retained and being practically reflected in the top of any further layer or layers that may be present.
  • contact elements assigned to the (respective) active element are produced.
  • the element or the respective element can for example be connected to a contact element on one side or also in each case on opposite sides.
  • one or more contact elements can connect the (respective) active element with connection elements, in particular VIAs, via which a connection with one or more integrated electronic components is achieved .
  • Connection elements extending through the planarization layer can be produced within the scope of the method according to the invention.
  • Ga electrodes are provided.
  • two Ga teel electrodes can preferably be assigned to the or to an active element. These are preferably designed and arranged in such a way that the charge carrier concentration in the active element, for example graphene film, can be set via them and thus, for example, a pn junction can be achieved.
  • the gate electrodes are preferably arranged at a suitable distance from the active element and are electrically insulated therefrom, for example via a dielectric layer. It can be the case that an electrical layer is provided on the active element and the gate electrodes are arranged thereon, for example produced thereon or transferred to them.
  • the invention also relates to an electro-optical device which was obtained by performing the method according to the invention.
  • the invention also relates to a semiconductor device comprising a chip and at least one, preferably several, electro-optical devices according to the invention.
  • the invention relates to a semiconductor device comprising a wafer and at least one, preferably a plurality of electro-optical devices according to the invention.
  • the electro-optical device or the electro-optical devices are preferably provided on the chip or wafer, in particular on the back-end-of-line.
  • a wafer is preferably to be understood in a manner known from the prior art, a component or an element or a device from which or from which wafer dicing, which is also referred to in German as wafer comminution, is understood , a plurality of chips is obtained.
  • a wafer expediently has one or more markings along which the dicing can or has to take place within the framework of the dicing.
  • the dicing or comminution can include, for example, (laser) cutting or sawing or scoring or breaking the wafer.
  • a single or isolated chip is also referred to as a die or chips in the plural are also referred to as dies or dice.
  • the chips present after dicing are sometimes also referred to as bare chips or bare chips or bare chips in English. "Naked” refers to the fact that the chips have not yet been inserted into a package. In the present case, “bare” chips without a housing are also referred to as chips for short.
  • a wafer - or also a chip - is viewed in cross section, its vertical structure can be divided into different sub-areas.
  • the lowest part is the front-end-of-line or FEOL for short, which comprises one or more integrated electronic components.
  • the integrated electronic component (s) can be, for example, transistors and / or capacitors and / or resistors.
  • Above the front-end-of-line is the back-end-of-line or BEOL for short, in which, as a rule, various ne metal levels are used to interconnect the integrated electronic components of the FEOL.
  • a wafer comprises a plurality of areas which, following the dicing / comminuting / dicing, each form a chip or die. These areas are also referred to here as chip or die areas.
  • Each chip area of the wafer preferably comprises a section or partial area of the in particular one-piece semiconductor substrate of the wafer.
  • each chip area preferably has one or more integrated electronic components which extend in and / or on the corresponding area of the semiconductor substrate - viewed in cross section, in particular in the FEOL.
  • a wafer or chip is provided with a plurality of waveguides arranged in particular on the back-end-of-line, a plurality of electro-optical devices are preferably produced in the manner according to the invention, each of which is expediently assigned to a waveguide and a section, in particular a longitudinal section this may include.
  • the integrated electronic component (s) are several, in particular all chip areas of the wafer, the same. A plurality of identical chips can then be obtained by dicing.
  • FIG. 1 shows a waveguide arranged on a wafer in a purely schematic sectional illustration
  • FIG. 2 shows the waveguide from FIG. 1 with a planarization layer produced thereon;
  • FIG. 3 shows the waveguide from FIG. 1 with a planarization layer produced thereon and a spin-on-glass coating produced on the planarization layer;
  • FIG. 4 shows the arrangement from FIG. 3 after an RIE etching treatment has taken place
  • FIG. 5 shows the arrangement from FIG. 4 with a further spin-on glass coating which was produced on the planarization layer after the etching process
  • FIG. 6 shows the arrangement from FIG. 5 after another RIE etching has taken place
  • FIG. 7 shows an SEM image of an arrangement corresponding to FIG. 2;
  • FIG. 8 shows an SEM image of the arrangement from FIG. 7 after a single resist planarization treatment
  • FIG. 9 shows an SEM image of the arrangement from FIG. 8 after a second resist planarization treatment has taken place
  • FIG. 10 shows an SEM image of the arrangement from FIG. 9 after a third resist planarization treatment has taken place
  • FIG. 11 shows the arrangement from FIG. 6 with a graphene film provided on the planarization layer
  • FIG. 12 shows the arrangement from FIG. 11 with contact and connecting elements
  • FIG. 13 shows a plan view of the graphene film, the contact elements and the waveguide from FIG. 12;
  • FIG. 14 shows an arrangement which largely corresponds to the arrangement from FIG. 14
  • Graphene films includes;
  • FIG. 15 shows a further arrangement corresponding to the arrangement from FIG. 4, in which a rib waveguide is provided instead of a strip waveguide;
  • FIG. 16 shows a block diagram with the steps of an exemplary embodiment of the method according to the invention. All figures show purely schematic representations. In the figures, the same components or elements are provided with the same reference symbols.
  • FIG. 1 shows a partial sectional illustration through a layer made of S1O2 1, on the upper side 2 thereof pointing upward in the figure, a waveguide 3 is arranged.
  • the SiO 2 layer is located on a wafer 4 which cannot be seen in FIG. 1 but is shown in FIG.
  • a plurality of waveguides 3 are arranged on the upper side 2 of the layer 1, of which one waveguide 3 is shown as an example in FIG.
  • Particularly suitable waveguide materials are dielectrics, preferably titanium dioxide, which was also used in the illustrated embodiment, this being understood as an example.
  • their thickness is in the range from 150 nanometers to 10 micrometers and their width and length are in the range from 100 nanometers to 10 micrometers.
  • the waveguide 3 shown by way of example in FIG. 1 is 300 nm thick, has a width of 400 nm and is characterized by a length of 5 micrometers - oriented perpendicular to the plane of the drawing.
  • layer 1 consists of S1O2 is also to be understood purely as an example.
  • a layer made of another material could also be provided on the wafer 4.
  • the waveguides 3 could furthermore also be arranged directly on the upper side 5 of the wafer 4 pointing upward in FIG.
  • electro-optical devices 6 specifically photodetectors or modulators, are to be produced, which is possible by carrying out the exemplary embodiment of the method according to the invention described below.
  • the production of the electro-optical devices 6 is described in part by way of example with reference to the one waveguide 3 that can be seen in FIG.
  • a planarization layer 7 is produced in a second step S2, which extends at least over a section of the respective waveguide 3 and on two opposite sides over the respective waveguide 3.
  • a planarization layer 7 is produced that extends over the entire top side 2 of the layer 1 provided on the wafer 4.
  • FIG. 2 which shows the arrangement obtained following the production of the planarization layer 7 - in the same partial section as in FIG. 1 - as an example for one waveguide 3, the waveguide is located both on and on both sides 3 Material of the planarization layer 7.
  • a coating material silicon dioxide (S1O2), is applied, which is achieved, for example, by chemical vapor deposition (CVD), such as low-pressure chemical vapor deposition (LPCVD) or plasma-assisted chemical vapor deposition (PECVD).
  • CVD chemical vapor deposition
  • LPCVD low-pressure chemical vapor deposition
  • PECVD plasma-assisted chemical vapor deposition
  • FIG. 7 shows a scanning electron microscope image (SEM image for short) of an arrangement as contained in FIG. 2 in a purely schematic sectional illustration.
  • SEM image scanning electron microscope image for short
  • the layer thicknesses of the planarization layer 7 are entered in the SEM image, which - with slight variation in the lateral direction - is around 1.1 miti, both in the area above the waveguide 3 and on both sides of it.
  • the upper side of the planarization layer 7 obtained is subjected to a planarization treatment.
  • the planarization layer 7 is first provided with a spin-on-glass coating 9 on its upper side facing away from the waveguide 2 (step S3).
  • a suitable material in the present case hydrogen silsesquioxane (HSQ)
  • HSUQ hydrogen silsesquioxane
  • the kinetics of liquid substances at height differences result in a planarization effect.
  • the HSQ layer thickness is less or less on an elevation on the surface, in this case the waveguides 3, than next to them. This effect can be seen in FIGS. 3 and 4, which shows the arrangement from FIG. 2 with the spin-on-glass coating 9 produced.
  • the layer thickness above the waveguide 3 is less than to the side of it.
  • an etching treatment takes place, specifically CHF3-based dry-chemical etching, in this case RIE.
  • CHF3-based dry-chemical etching in this case RIE.
  • RIE dry-chemical etching
  • the etching treatment takes place in such a way that the etching rate for the spin-on-glass coating 9 is a maximum of 50%, in particular a maximum of 30%, preferably a maximum of 10% greater or less than the etching rate for the spin-on-glass.
  • Exemplary values for etching rates are around 45 nm / min for HSQ and 33 nm / min for SiC> 2.
  • Suitable parameters for setting the etching process are, as is known to the person skilled in the art, for example pressure and / or the composition of the gas mixture and / or the power for Excitation of the plasma and / or DC voltage and temperature of the electrode.
  • the ablation depth above the waveguide 3 corresponds to the ablation depth in areas lying next to the waveguide 3 or is similar to this. Since the layer thickness of the spin-on-glass coating 9 above the respective waveguide 3 was thinner than next to it (see FIG. 3), more is removed from the underlying planarization layer 7 above the respective waveguide 3 than next to it . In other words, the uneven distribution of the spin-on glass is used in a targeted manner in order to reduce the layer thickness of the planarization layer 7 on the waveguide 3 more than it is next to it. Since in the example shown, due to the kinematics in the liquid state above all waveguides 3, there is a spin-on-glass coating 9 with a smaller thickness compared to regions lying next to the respective waveguide 3, this applies to all waveguides 3.
  • FIG. 4 shows the arrangement from FIG. 3 after the etching treatment.
  • the spin-on-glass coating 9 has been completely removed and the planarization layer 7 has only been partially removed.
  • FIG. 8 shows an SEM image of the arrangement from FIG. 7 after a corresponding etching treatment.
  • the remaining layer thickness of the planarization layer 7 above the waveguide 3 is only 581.2 nm compared to a greater layer thickness of 742.9 nm next to it.
  • the steps of providing the planarization layer 7 with a spin-on-glass coating 9 and of the etching treatment can be repeated once more or repeated several times in order to obtain an even flatter topology.
  • a further spin-on-glass coating 9 can be provided on the planarization layer 7, in particular in the same way as the first spin-on-glass coating 9.
  • FIG. 5 shows the arrangement from FIG 4 with a renewed spin-on-glass coating 9, which was produced following the (first) etching process.
  • a renewed etching (step S6), preferably with the same parameters as in step S4, provides the arrangement shown in FIG. 6 as the result.
  • the layer thickness of the planarization layer 7 on the waveguide 3 is less than in FIG. 4.
  • FIGS. 9 and 10 show SEM images of the arrangement from FIG Spin-on-glass coating 9 and then etching.
  • the layer thickness of the planarization layer 7 on the waveguide 3 continues to decrease, is still 97.40 nm in FIG. 9 and almost zero or zero in FIG.
  • an active element 10 which comprises at least one material or consists of at least one material which absorbs electromagnetic radiation at least one wavelength and generates an electrical photo signal as a result of the absorption, and / or whose refractive index is dependent a voltage and / or the presence of charge (s) and / or an electric field changes.
  • a graphene film 10 is deposited as an active element on the planarization layer 7 and above the respective waveguide 3, in the present case with the aid of a transfer method, as described in more detail above. Then, in particular, a graphene film 10 produced on a separate substrate or a separate metal foil or a separate germanium wafer is transferred to the further planarization layer 13 above the (respective) waveguide 3. It is also possible for one or more graphene films 10 to be produced directly on the white direct planarization layer 13, in each case above a wave conductor. This can include, for example, a material deposition and, if necessary, a subsequent structuring.
  • Typical dimensions for active elements are in the range 5 to 500 ⁇ m in length on the waveguide along the direction of propagation of the light (orthogonal to the plane of the drawing in FIGS. 1 to 12, 14 and 15) and 1 to 50 ⁇ m in width across the direction of propagation.
  • the respective graphene film 10 is arranged relative to the respective waveguide 3 in such a way that it is at least partially exposed to the evanescent field of electromagnetic radiation that is or can be guided with the respective waveguide 3 .
  • contact elements 11 are then also produced for the respective graphene film 10 (step S8), via which a connection to connection elements, specifically VIAs (Vertical Interconnect Access) 12, is achieved, which extend through the planarization layer 7, the Si0 2 layer 1 and portions of the wafer 4 extend.
  • connection elements specifically VIAs (Vertical Interconnect Access) 12
  • the contact items te 11 can also be seen in the plan view from FIG.
  • the contact elements 11 are produced by depositing at least one metal over the entire surface and then structuring by means of lithography and RIE.
  • metals for the contact elements 11 include nickel and / or titanium and / or aluminum and / or copper and / or chromium and / or palladium and / or platinum and / or gold and / or silver.
  • contact elements 11 for a large number of graphene films 10 can be produced. It should be noted that it is in principle also possible for the contact elements 11 to be produced first, possibly only partially, for example at least a first layer or first layers of such, and then the respective graphene film 10 to be provided.
  • An electrical connection between the graphene film 10 and integrated electronic components 13 of the wafer 4 can be implemented via the contact elements 11 and the VIAs 12.
  • the VIAs 12 are only shown in FIG. 12, in which the wafer with the integrated electronic components 13 can also be identified.
  • the components 13, which preferably comprise transistors and / or capacitors and / or resistors, are only indicated in a simplified manner in the purely schematic figure 12 by a line with hatching provided with the reference numeral 13.
  • the components 13 are located in a well known manner in a front-end-of-line (FEOL for short) 14 of the wafer 4. Above is the back-end-of-line (BEOL for short) 15, in which or via which the integrated electronic components 13 are interconnected by means of various Metallebe NEN.
  • the integrated electronic components 13 in the FEOL 14 and the associated interconnection including the VIAs 12 in the BEOL 15 form the integrated circuits of the wafer 4.
  • the integrated circuits extend in a semiconductor, in this case silicon, substrate 16 of the wafer 4. It should be noted that the VIAs 7 or sections extending through the wafer 4 and the Si0 2 layer 1 located thereon were already present in the wafer 4 and the Si0 2 layer 1 when they were provided in the first step.
  • the VIAs 12 or sections of such that extend through the planarization layer 7 are or were expediently produced together with the planarization layer 7.
  • the production can be done in any manner known from the prior art.
  • areas in which they should extend can be defined preferably by lithography and dry-etched by means of RIE.
  • RIE reactive ion etching
  • an electro-optical device 6 which is distinguished by a plasmonic coupling or which realizes such a device.
  • the plasmonic structure 17 can then be one or more pairs of adjacent comprise mutually arranged plasmonic elements 18 made of or with the plasmonically active material.
  • the plasmonic elements can be distinguished by a section which tapers in the direction of the respective other plasmonic element, as can be seen - purely by way of example - in FIG.
  • a passivation layer 19 can also be provided above the electro-optical device (s). This can be used to protect the arrangement or circuit from environmental influences, especially water. It should be noted that the passivation 19 is not shown in the plan view according to FIG. 13, but only the device underneath.
  • two active elements 10 or an active element 10 and an electrode can also be provided on the respective waveguide 3.
  • the first variant is shown by way of example in the purely schematic FIG.
  • steps S1 to S7 can be identical for a modulator, in which case the active element provided in step S7, preferably likewise a graphene film 10, represents the lower film 10 in FIG.
  • step S8 only one contact element 11 for the lower graphene film 10 is then produced.
  • a dielectric layer 18 is produced on the lower graphene film 10, which preferably comprises or consists of at least one oxide and / or nitride, particularly preferably aluminum oxide and / or silicon nitride and / or hafnium oxide.
  • a dielectric layer 18 is produced from aluminum oxide. This can - in analogy to planarization layer 7 - take place by deposition, for example by means of one of the deposition methods mentioned for this. It may be that the dielectric layer 18 is produced flat over the entire wafer 4.
  • the (respective) further graphene film 10 on the dielectric layer above the (respective) waveguide 3 are provided.
  • the further graphene film 10 is arranged offset to the first, lower graph 10 in such a way that the lower graphene film 10 and the further, upper graphene film 10 lie on top of one another in sections, in other words overlap in sections.
  • the overlap area is located above the waveguide 3 and is similar in width to this.
  • the second graphene film 10 can have the same extension as the first.
  • All steps S1 to S10 are shown purely schematically in FIG. This shows both the steps for obtaining a photodetector (ending with step S8) and the steps for obtaining a modulator (all steps S1 to S10).
  • the contact element 11 can be produced for the further, upper graph film 10, preferably in the same way as that for the lower film 10.
  • the wafer 4 with the electro-optical devices 6 produced thereon is an exemplary embodiment of a semiconductor device according to the invention.
  • FIG. 14 shows - purely schematically and by way of example - an arrangement corresponding to FIG. 6 with a rib waveguide 3.
  • the wafer 4, on which a plurality of electro-optical devices 6 have been produced in the manner described above, is then diced.
  • a plurality of chips with integrated circuits can be obtained, each of which comprises at least one, preferably several electro-optical devices, in particular photodetectors 6 and / or modulator 6, which have been manufactured in the manner according to the invention.
  • a chip with electro-optical devices obtained by dicing the semiconductor device with the wafer 4 and the electro-optical devices 6 is an exemplary embodiment of a semiconductor device according to the invention.
  • all of the partial sectional views show only a comparatively very small section, specifically a section that shows only a small part of a chip area 4 or a chip obtained after dicing. All partial sections thus represent sections both through an exemplary embodiment of a semiconductor device according to the invention and through an exemplary embodiment of a semiconductor device according to the invention. It should also be noted that a plurality of electro-optical devices 6 can be provided over a single chip area 4 or chip, for example several tens, several hundred or even several thousand, depending on the application.

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Abstract

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektro-optischen Einrichtung, insbesondere eines Photodetektors (6) oder elektro-optischen Modulators (6), bei dem ein Wellenleiter (3) bereitgestellt wird (S1), eine zumindest einen Abschnitt des Wellenleiters (3) übergreifende Planarisierungsschicht (7) hergestellt wird (S2), bevorzugt, indem ein Beschichtungsmaterial aufgebracht, die Planarisierungsschicht (7) mit einer Spin-on-Glas-Beschichtung (9) versehen wird (S3), zumindest im Bereich der Spin-on-Glas-Beschichtung (9) eine bevorzugt trockenchemische Ätzbehandlung erfolgt, optional die Schritte des Versehens der Planarisierungsschicht (7) mit einer Spin-on-Glas-Beschichtung (9) und der Ätzbehandlung wenigstens ein Mal wiederholt werden (S5, S6), und auf oder oberhalb der Planarisierungsschicht (7) und oberhalb des Wellenleiters (3) ein aktives Element (10) vorgesehen wird (S7), welches wenigsten ein Material umfasst oder aus wenigstens einem Material besteht, das elektromagnetische Strahlung wenigstens einer Wellenlänge absorbiert und infolge der Absorption ein elektrisches Photosignal erzeugt, und/oder dessen Brechungsindex sich in Abhängigkeit einer Spannung und/oder dem Vorhandensein von Ladung(en) und/oder einem elektrischen Feld ändert.

Description

Beschreibung
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER ELEKTROOPTISCHEN EINRICHTUNG UND ELEKTROOPTISCHE
EINRICHTUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektro-optischen Einrichtung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine elektro-optische Ein richtung, eine Halbleitereinrichtung mit einem Chip und wenigstens einer elektro-optischen Einrichtung sowie eine Halbleitervorrichtung mit einem Wafer und wenigstens einer elektro-optischen Einrichtung.
Es sind elektro-optische Einrichtungen, beispielsweise Photodetektoren oder elektro-optische Modulatoren bekannt, die einen oder mehrere Filme aus Graphen umfassen. Solche sind beispielsweise in der US 9,893,219 B2 of- fenbart.
Damit Graphen oder andere dünne Materialien auf strukturierten Oberflä chen, beispielswiese oberhalb von Wellenleitern aufgebracht werden können, ohne dass der aufzubringende Film bzw. die aufzubringende Schicht insbe- sondere an den Kanten der strukturierten Oberfläche reißt, ist in der Regel eine Planarisierung der Oberfläche erforderlich.
Derzeit werden Planarisierungen durch Aufbringen von Planarisierungs schichten und anschließendes chemisch-mechanisches Polieren (CMP) rea- lisiert. Alternativ können auch Spin-on-Gläser (englisch: spin on glass, kurz: SOG) oder Polymere aufgeschleudert werden.
Bei Spin-on-Glas-Verfahren wird ein zunächst flüssiges Material, beispiels weise Wasserstoff-Silsesquioxan aufgeschleudert und bei einem anschlie- ßenden Ausheizen verglast, weshalb es auch als Spin-on-Glas bezeichnet wird. Bei Wasserstoff-Silsesquioxan (englisch: hydrogen silsesquioxane, kurz: HSQ) handelt es sich um eine Klasse anorganischer Verbindungen mit der Formel [HSi03/2]n. Durch die Kinetik von flüssigen Stoffen an Höhenun terschieden ergibt sich ein Palarisierungseffekt. Die Wasser- stoff-Silsesquioxan Schichtdicke ist auf einer Erhebung auf der Oberfläche geringer bzw. niedriger als neben der Erhebung.
Ein Problem bei diesem Ansatz ist die vergleichsweise hohe Rauheit der Oberfläche, die sich im Wesentlichen aus den Eigenschaften des Spin-on-Materials ergibt, und die Wechselwirkung der Planarisierungsschicht mit Graphen oder anderen aufzubringenden Materialien. Da Graphen nur eine Atomlage dünn ist, führt jeder Kontakt mit einem anderen Material zu Veränderungen im Graphen. Nicht jedes Material ist ein geeignetes Träger material für Graphen. Untersuchungen haben ergeben, dass Spin-on-Gläser zu einer Veränderung der Dotierung in Graphen führen. Die Veränderung kann mit Hilfe der Raman Spektroskopie gemessen werden. Der Anmelderin ist bekannt, dass Signaturen von (unerwünschter) Verspannung und Dotie rung erkennbar sind. Weiterhin problematisch ist, dass SOG und Polymere in der Regel instabil bezüglich Chemikalien und nachfolgenden Prozessschritten sind.
Das CMP-Verfahren umgeht die oben beschriebene Problematik, weil als Planarisierungsmaterial beispielsweise chemisch abgeschiedenes S1O2 ge- nutzt werden kann. S1O2 hat sich als sehr gutes Trägermaterial für Graphen erwiesen und durch das CMP-Verfahren können exzellent niedrige Rau heitswerte erreicht werden. S1O2 ist ferner bezüglich üblicher Prozesschemi kalien stabil und gut trockenchemisch strukturierbar. Teilweise als nachteilig wird jedoch erachtet, dass einzelne erhabene Strukturen mitunter nicht gleichmäßig auf der gesamten Oberfläche, beispielsweise eines Wafers, planarisiert werden können. Grund hierfür ist, dass der Wafer während des Polierens auf einen Schleifteller gepresst wird, und nur die erhabenen Teile der Waferoberfläche poliert werden. Wenn der Abstand zwischen benach barten Erhebungen auf der Waferoberfläche zu groß ist (beispielsweise in der Größenordnung von 100 bis 1000 pm), und die Verteilung auf dem Wafer nicht homogen, kann sich eine lateral ungleiche Schichtdicke nach der Politur ergeben. Die geringen Toleranzen der einzustellenden Schichtdicke nach der Planarisierung (in der Regel einstellige nm) erfordern für eine Reproduzier barkeit Stützstellen auf dem gesamten Wafer in identischer Höhe wie die strukturierte Oberfläche. Die Form und Anordnung der Stützstellen hat erheb lichen Einfluss auf das Ergebnis der Ätzprozesse, die für die Oberflächen strukturierung eingesetzt werden und des CMP. Daraus ergibt sich ein er höhter Aufwand beim Design und bei der Prozessentwicklung, weil die Stütz stellen neben dem eigentlichen Bauteildesign mit designt und entwickelt werden müssen.
Darüber hinaus kann die gewünschte Restüberdeckung auf dem Wellenleiter beispielsweise in der Größenordnung von 10 nm in die Grenzbereiche der Toleranz von CMP-Schritten führen. Um reproduzierbare Ergebnisse zu er- zielen, wird nach Kenntnisstand der Anmelderin die gesamte Si02-Planarisierungsschicht bis auf die Oberfläche der Wellenleiter und Stützstellen poliert (das Si wird langsamer poliert, das führt zu einem „ Stoppen“ in der richtigen Höhe). Da ein Oxid auf dem Wellenleiter erforder lich ist, wird der Wafer anschließend trocken oxidiert (d.h. unter hoher Tem- peratur und Zugabe von 02 oxidiert Si). An den freien Si Oberflächen wird das Si in S1O2 oxidiert.
Ausgehend davon ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Ver fahren zur Herstellung einer elektro-optischen Einrichtungen anzugeben, welches sich mit vertretbarem Aufwand durchführen lässt und die vorge nannten Nachteile vermeidet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer elekt- ro-optischen Einrichtung, insbesondere eines Photodetektors oder elekt- ro-optischen Modulators, bei dem
- ein Wellenleiter bereitgestellt wird,
- eine zumindest einen Abschnitt des Wellenleiters übergreifende Planarisierungsschicht hergestellt wird, bevorzugt, indem ein Be schichtungsmaterial aufgebracht, insbesondere abgeschieden wird,
- die Planarisierungsschicht mit einer Spin-on-Glas-Beschichtung ver sehen wird,
- zumindest im Bereich der Spin-on-Glas-Beschichtung eine bevorzugt trockenchemische Ätzbehandlung erfolgt, im Rahmen derer bevorzugt bis zur Planarisierungsschicht runtergeätzt und bevorzugt die Spin-on-Glas-Beschichtung und ein Teil der Planarisierungsschicht entfernt wird,
- optional die Schritte des Versehens der Planarisierungsschicht mit ei ner Spin-on-Glas-Beschichtung und der Ätzbehandlung wenigstens ein Mal wiederholt werden, und
- auf oder oberhalb der Planarisierungsschicht und oberhalb des Wel lenleiters ein aktives Element vorgesehen wird, welches wenigsten ein Material umfasst oder aus wenigstens einem Material besteht, das elektromagnetische Strahlung wenigstens einer Wellenlänge absor biert und infolge der Absorption ein elektrisches Photosignal erzeugt, und/oder dessen Brechungsindex sich in Abhängigkeit einer Span nung und/oder dem Vorhandensein von Ladung(en) und/oder einem elektrischen Feld ändert. Die vorliegende Erfindung umgeht die mit der Spin-on-Planarisierung ver bundenen Nachteile, insbesondere der hohen Rauheit und Instabilität, und die der CMP-Technik, indem sie das von anderen Anwendungsgebieten vorbekannte Resist-Planarisierungsverfahren gezielt nutz, um oberhalb eines Wellenleiters ein für die Auflage eines aktiven Elementes, beispielsweise Graphenfilms, geeignetes flaches Oberflächenprofil bei gleichzeitig geringer Restdicke oberhalb des Wellenleiters und ausreichend niedriger Rauheit zu erhalten. So wird es möglich, eine Beschädigung, insbesondere ein Reißen eines aktiven Elementes besonders zuverlässig zu verhindern. Im Ergebnis können elektro-optische Einrichtungen erhalten werden, die sich durch ex zellente Eigenschaften, insbesondere auch eine besonders zuverlässige Funktionsweise auszeichnen. Da ein Reißen des aktiven Elementes zuver lässig vermieden wird, ist mit dem Herstellungsverfahren ein geringer Aus schuss verbunden.
Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise können vergleichsweise nied rige Rauheiten, insbesondere an der Oberseite der Planarisierungsschicht, etwa im Bereich von 1,0 nm RMS bis 0,1 nm RMS, insbesondere 0,6 nm RMS bis 0,1 nm RMS, bevorzugt 0,4 nm RMS bis 0,1 nm RMS erhalten werden. Eine Rauheit von 0,2 nm RMS beispielsweise hat sich als besonders geeignet erwiesen. Die Abkürzung nm steht hier und im Folgenden in an sich bekannter Weis für Nanometer (109 m). Die Abkürzung RMS für root mean squared. Die RMS-Rauheit wird im Deutschen auch als quadratische Rauheit bezeichnet.
Rauheiten in diesen Bereichen haben sich als besonders geeignet erwiesen. Sie sind insbesondere vorteilhaft, um Stress und Verspannungen in darüber liegenden Schichten zu vermeiden. In diesem Zusammenhang sei auch auf den Aufsatz „ Identifying suitable Substrates for high-quality graphe- ne-based heterostructures“ von L. Banszerus et al, 2D Mater., Vol. 4, No. 2, 025030, 2017 verwiesen.
Als Messverfahren zur Bestimmung der Rauheit kann die Rasterkraftmikro- skopie (englisch: atomic force microscopy, kurz: AFM) zum Einsatz kommen, insbesondere, wie in der Norm EN ISO 25178 beschrieben. Die Rasterkraft mikroskopie ist vor allem in dem sich mit Messmethoden zur Rauheitsbe stimmung beschäftigten Teil 6 (EN ISO 25178-6:2010-01) dieser Norm erör tert
Die elektro-optische Einrichtung kann beispielsweise auf einem Wafer oder Chip bzw. auf einem auf einem Wafer oder Chip vorgesehenen Element bzw. einer auf einem Wafer oder Chip vorgesehenen Schicht hergestellt werden. Dann gilt bevorzugt, dass der bereitgestellte Wellenleiter auf einem oder oberhalb eines Wafers oder Chips angeordnet ist, wobei der Wafer oder Chip besonders bevorzugt integrierte Schaltkreise mit integrierten elektronischen Bauteilen aufweist.
Es ist natürlich möglich, dass mehre Wellenleiter bereitgestellt und mehrere elektro-optische Einrichtungen auf die erfindungsgemäße Weise erhalten werden. Beispielsweise kann es sein, dass ein Wafer oder Chip bereitgestellt wird, an dessen Oberseite zwei oder mehr Wellenleiter vorgesehen sind. Es kann sich um einen integrierten Wellenleiter eines Wafers oder Chips han deln. Es kann dann eine Planarisierungsschicht und eine Spin-on-Glas-Beschichtung hergestellt werden, die sich über alle Wellenlei ter, insbesondere flächig über die gesamte Wafer- bzw. Chip-Oberseite, er strecken und es kann über die gesamte Oberseite geätzt werden. Werden die Schritte des Versehens der Planarisierungsschicht mit einer Spin-on-Glas-Beschichtung und der Ätzbehandlung wiederholt, kann dies auch für die Wiederholung(en) gelten. So kann auf besonders einfache Wei- se ein Vielzahl elektro-optischer Einrichtungen auf die erfindungsgemäße Weise erhalten werden.
Unter einem Wellenleiter ist ein Element bzw. eine Komponente zu verste- hen, die eine elektromagnetische Welle, insbesondere Licht, leitet. Um die Welle zu leiten wird zweckmäßiger Weise ein von der Wellenlänge abhängi ger Querschnitt eines für mindestens diese Wellenlänge optisch transparen ten Materials, das sich von einem benachbarten Material, das ebenfalls für diese Wellenlänge transparent ist, durch einen Brechungsindexkontrast auszeichnet, verwendet. Ist der Brechungsindex des umgebenden Materials niedriger, wird das Licht im Bereich des höheren Brechungsindexes geführt. Für den besonderen Fall einer Schlitzmode sind zwei Bereiche hohen Bre chungsindexes von einem bezüglich der Wellenlänge schmalen Bereich niedrigen Brechungsindexes getrennt und das Licht wird im Bereich des niedrigen Brechungsindexes geführt. Um niedrige Verluste durch Streuung zu erreichen, ist eine geringe Seitenwandrauheit vorteilhaft.
Wellenleiter und Planarisierungsschicht bestehen zweckmäßiger Weise aus Materialien, deren Brechungsindices sich unterscheiden. Als rein beispiel- hafte Paare von Brechungsindices seien genannt 3,4 (Si) für den bzw. die Wellenleiter und 1 ,5 (Si02) für die Planarisierungsschicht oder, im Falle von Dielektrika, 2,4 (Ti02) für den bzw. die Wellenleiter und 1,5 (Si02) für die Planarisierungsschicht oder 2 (SiN) für den oder die Wellenleiter und 1 ,47 Planarisierungsschicht.
Besonders bevorzugt gilt, dass der Brechungsindex des Materials des oder der Wellenleiter um mindestens 20 %, bevorzugt mindestens 30 % größer ist als der Brechungsindex des Materials der Planarisierungsschicht. Der oder - im Falle mehrerer - wenigstens einer der Wellenleiter der photo- nischen Plattform umfasst in weiterer bevorzugter Ausgestaltung wenigstens eine Material, das für elektromagnetische Strahlung einer Wellenlänge von 850 nm und/oder 1310 nm und/oder 1550 nm transparent ist oder besteht aus einem solchen. Besonders bevorzugt ist es für elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von 800 nm bis 900 nm und/oder von 1260 nm bis 1360 nm (sogenanntes Original Band bzw. kurz O-Band) und/oder 1360 nm bis 1460 nm (sogenanntes Extend Band oder kurz E-Band) und/oder 1460 nm bis 1530 nm (sogenanntes Short Band oder kurz S-Band) und/oder von 1530 nm bis 1565 nm (sogenanntes Conventional Band bzw. kurz C-Band) und/oder 1565 nm bis 1625 nm (sogenanntes Long Band bzw. kurz L-Band) transparent. Diese Bänder sind aus dem Bereich der Nachrichtentechnik vorbekannt. Der oder - im Falle mehrerer - wenigstens einer der Wellenleiter kann in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung Titandioxid und/oder Aluminiumnitrid und/oder Tantalpentoxid und/oder Siliziumnitrid und/oder Aluminiumoxid und/oder Siliziumoxynitrid und/oder Lithiumniobat und/oder Silizium, insbe sondere Polysilizium, und/oder Indiumphosphit und/oder Galliumarsenid und/oder Indiumgalliumarsenid und/oder Aluminiumgalliumarsenid und/oder wenigstens ein Dichalkogenid, insbesondere zweidimensionales Über- gangsmetall-Dichalkogenid, und/oder Chalkogenidglas und/oder Flarze bzw. Flarz enthaltende Materialien, insbesondere SU8, und/oder Polymere bzw. Polymere enthaltende Materialien, insbesondere OrmoComp, umfassen oder aus einem oder mehreren dieser Materialien bestehen. Der (jeweilige) Wel lenleiter kann durch Materialabscheidung und insbesondere anschließende Strukturierung erhalten werden bzw. worden sein.
Was die Abmessungen des bzw. der Wellenleiter angeht, kann insbesondere das Folgende gelten. Die Dicke liegt bevorzugt im Bereich von 150 Nano- metern bis 10 Mikrometer. Die Breite und Länge des bzw. der Wellenleiter kann sich insbesondere im Bereich von 100 Nanometer und 10 Mikrometer bewegen. Einer oder mehrere Wellenleiter können beispielsweise als Streifenwellenlei ter ausgebildet sein, die sich dann insbesondere durch einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt auszeichnen. Einer oder mehrere Wellenlei ter können alternativ oder zusätzlich auch als Rippenwellenleiter mit T-förmigem Querschnitt ausgebildet sein. Weiter alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass wenigstens ein Wellenleiter durch einen Schlitzwellenleiter gegeben ist.
Der oder die Wellenleiter kann bzw. können fern mehrteilig ausgebildet sein, etwa einen ersten, beispielsweise unteren oder linken, und einen zweiten, beispielsweise oberen oder rechten Teil bzw. Abschnitt umfassen oder dar aus bestehen. Es kann sein, dass einer oder mehrere Abschnitte sich durch einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt auszeichnen. Weist ein Wellenleiter zwei oder mehr Teile auf bzw. besteht daraus, können diese - etwa unter Bildung eines Schlitzes (englisch: slot) - zueinander beabstandet sein.
Bevorzugt wird die Planarisierungsschicht hergestellt, indem Beschich tungsmaterial zumindest auf bzw. oberhalb eines Abschnitts, insbesondere Längsabschnitt des bzw. des jeweiligen Wellenleiters und auf Bereiche seit- lieh des bzw. des jeweiligen Wellenleiters, insbesondere neben den bzw. den jeweiligen Wellenleiter aufgebracht, bevorzugt abgeschieden wird. Selbst verständlich kann auch Material auf den gesamten (jeweiligen) Wellenleiter abgeschieden werden. Dass Beschichtungsmaterial auch seitlich eines Wel lenleiters aufgebracht wird bedeutet insbesondere bzw. schließt insbeson- dere mit ein, dass Material neben dem Wellenleiter auf den Untergrund, auf welchem der Wellenleiter angeordnet ist, aufgebracht wird.
Die Planarisierungsschicht kann ferner durch chemische Gasphasenab scheidung (englisch: Chemical vapor deposition, kurz CVD), bevorzugt Nie derdruck chemische Gasphasenabscheidung (englisch: low pressure Che mical vapor deposition, kurz: LPCVD) und/oder plasmaunterstütze chemi sche Gasphasenabscheidung (englisch plasma enhanced Chemical vapor deposition, kurz: PECVD) und/oder durch physikalische Gasphasenabschei dung (englisch: physical vapor deposition) eines Beschichtungsmaterials hergestellt werden.
Es gibt unterschiedliche aus dem Stand der Technik vorbekannte Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung, die allesamt im Rahmen der vor liegenden Erfindung zum Einsatz kommen können. Allen gemein ist in der Regel eine chemische Reaktion von eingeleiteten Gasen, die zu einer Ab scheidung des gewünschten Materials führen.
Auch bezüglich der physikalischen Gasphasenabscheidung gilt, dass alle aus dem Stand der Technik vorbekannten Varianten zum Einsatz kommen können. Rein beispielhaft sei das Elektronenstrahlverdampfen genannt, bei dem mittels eines Elektronenstrahls Material geschmolzen und verdampft wird, sowie das thermische Verdampfen, bei dem Material mittels einer Hei zung bis zum Schmelzpunkt erwärmt und auf ein Zielsubstrat gedampft wird, sowie die Kathodenzerstäubung (englisch: sputter deposition), bei der mittels eines Plasmas Atome aus einem Materialträger herausgeschlagen und auf einem Zielsubstrat abgeschieden werden.
Alternativ oder zusätzlich zu den vorgenannten Abscheidungsverfahren kommt auch die Atomlagenabscheidung in Frage. Im Rahmen dieser werden isolierende oder leitende Materialien (Dielektrika, Halbleiter oder Metalle) Atomlage für Atomlage sequenziell abgeschieden.
Sputtern stellt eine weitere Möglichkeit dar, die im Rahmen der Herstellung der Planarisierungsschicht zum Einsatz kommen kann.
Es sei angemerkt, dass eine hergestellte Schicht nur eine oder auch mehrere Lagen umfassen kann. Sie kann aus nur einem Material bestehen oder auch mehrere Materialien umfassen. Beispielsweise kann eine Schicht zwei oder mehr Lagen aus zwei oder mehr verschiedenen Materialien aufweisen. Es kann natürlich auch sein, dass eine Schicht mehrere Lagen aufweist, die je doch alle aus demselben Material bestehen. Eine Schicht mit mehr als einer Lage kann insbesondere erhalten werden bzw. vorliegen, weil für deren Her stellung mehrere Lagen, beispielsweise mehrere Atomlagen, vorgesehen, beispielsweise abgeschieden werden bzw. wurden.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass eine Planari sierungsschicht mit oder aus wenigstens einem Oxid, insbesondere Silizium dioxid, und/oder mit oder aus wenigstens einem Nitrid und/oder mit oder aus wenigstens einem Polymer hergestellt wird.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Planarisierungsschicht mit einer Spin-on-Glas-Beschichtung versehen wird, indem ein geeignetes Mate rial, beispielsweise HSQ und/oder ein Polymer, im flüssigen Zustand aufge- bracht, bevorzugt aufgeschleudert und anschließend erwärmt, insbesondere ausgeheizt wird. Beim Erwärmen, insbesondere Ausheizen, verglasen die Materialien. Es erfolgt bevorzugt ein trockenchemischer Ätzprozess. Als besonders ge eignet hat sich das reaktive lonenätzen (englisch: reactive ion etching, kurz: RIE) erwiesen. Die Ätzung kann beispielsweise mit CHF3- und/oder SF6-basierten trocken chemischen Ätzprozessen erfolgen. Die Abkürzung CFIF3 steht dabei in hin länglich bekannter Weise für Fluoroform und die Abkürzung SF6 für Schwe felhexafluorid. Die Ätzbehandlung erfolgt bevorzugt derart, dass die Ätzrate für das Material der Planarisierungsschicht um maximal 50%, bevorzugt maximal 30%, be sonders bevorzugt maximal 10% größer oder kleiner als die Ätzrate für das Spin-on-Glas ist. Der Ätzprozess kann in vorbekannter Weise über Pro zessparameter eingestellt werden. Als geeignete Parameter kommen bei- spielsweise der Druck und/oder der Gasfluss und/oder die Zusammenset zung des Gasgemisches und/oder die Leistung zur Erregung des Plasmas und/oder die Temperatur der Elektrode in Frage.
Das reaktive lonenätzen beispielsweise ist ein Trockenätzverfahren, bei dem in der Regel mittels spezieller gasförmiger Chemikalien, die zu einem Plasma angeregt werden, ein selektives und gerichtetes Ätzen einer Substratober fläche ermöglicht wird. Eine Lackmaske kann dabei nicht zu ätzende Teile schützen. Die Ätzchemie und die Parameter des Prozesses entscheiden in der Regel über die Selektivität des Prozesses, also die Ätzraten unterschied- licher Materialien. Diese Eigenschaft ist entscheidend, um einen Ätzvorgang in der Tiefe zu begrenzen und damit Schichten voneinander getrennt zu defi nieren.
Auf bzw. oberhalb der infolge der Resist-Planarisierung erhaltenen Oberflä- che der Planarisierungsschicht, also in dem Bereich, der zuvor der Ätzbe- handlung unterzogen wurde, wird erfindungsgemäß im Bereich des bzw. des jeweiligen Wellenleiters ein aktives Element mit oder aus wenigsten einem Material, das elektromagnetische Strahlung wenigstens einer Wellenlänge absorbiert und infolge der Absorption ein elektrisches Photosignal erzeugt, und/oder dessen Brechungsindex sich in Abhängigkeit einer Spannung und/oder dem Vorhandensein von Ladung(en) und/oder einem elektrischen Feld ändert, vorgesehen.
In bevorzugter Ausgestaltung gilt, dass das wenigstens eine Material elekt- romagnetische Strahlung einer Wellenlänge von 850 nm und/oder 1310 nmm und/oder 1550 nm absorbieren und infolge der Absorption ein Photosignal erzeugen kann. Besonders bevorzugt gilt, dass es elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von 800 nm bis 900 nm und/oder von 1260 nm bis 1360 nm (sogenanntes Original Band bzw. kurz O-Band) und/oder 1360 nm bis 1460 nm (sogenanntes Extend Band oder kurz E-Band) und/oder 1460 nm bis 1530 nm (sogenanntes Short Band oder kurz S-Band) und/oder von 1530 nm bis 1565 nm (sogenanntes Conventional Band bzw. kurz C-Band) und/oder 1565 nm bis 1625 nm (sogenanntes Long Band bzw. kurz L-Band) absorbieren und infolge der Absorption ein Photo- Signal erzeugen kann.
Darunter, dass ein Material seinen Brechungsindex ändert ist insbesondere zu verstehen, dass es seine Dispersion (insbesondere Brechzahl) und/oder seine Absorption ändert. Die Dispersion bzw. Brechzahl ist in der Regel durch den Realteil und die Absorption durch den Imaginärteil des komplexen Brechungsindexes gegeben. Unter Materialien, deren Brechungsindex sich in Abhängigkeit einer Spannung und/oder dem Vorhandensein von Ladung(en) und/oder einem elektrischen Feld ändert, sind vorliegend insbesondere sol che zu verstehen, die sich durch den Pockels-Effekt und/oder den Franz-Keldysh-Effekt und/oder den Kerr-Effekt auszeichnen. Darüber hinaus werden auch Materialien, die sich durch den Plasmadispersions-Effekt aus zeichnen vorliegend als solche Materialien erachtet.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass als das wenigstens eine Material des aktiven Elementes, das elektromagnetische Strahlung wenigstens einer Wellenlänge absorbiert und infolge der Absorption ein elektrisches Photo signal erzeugt, und/oder dessen Brechungsindex sich in Abhängigkeit einer Spannung und/oder dem Vorhandensein von Ladung(en) und/oder einem elektrischen Feld ändert, Graphen und/oder wenigstens ein Dichalkogenid, insbesondere zweidimensionales Übergangsmetall-Dichalkogenid, und/oder Heterostrukturen aus zweidimensionalen Materialien und/oder Germanium und/oder Lithiumniobad und/oder wenigstens ein elektro-optisches Polymer und/oder Silizium und/oder wenigstens ein Verbindungshalbleiter, insbeson dere wenigsten ein Ill-V-Halbleiter und/oder wenigstens ein Il-Vl-Halbleiter, zum Einsatz kommt.
Unter elektro-optischen Polymeren sind insbesondere Polymere zu verste hen, die sich dadurch auszeichnen, dass sie einen starken linearen elekt ro-optischen Koeffizienten (Pockels-Effekt) haben. Unter einem starken line- aren elektro-optischen Koeffizienten ist bevorzugt ein solcher zu verstehen, der mindestens 150 pm/V, bevorzugt mindestens 250 pm/V beträgt. Dann ist der elektro-optische Koeffizient mindestens etwa fünfmal so groß wie derje nige von Lithiumniobad. Es gibt unterschiedliche Chalkogenide. Im Rahmen der vorliegenden Erfin dung haben sich insbesondere Übergangsmetall-Dichalkogenide als zweidi mensionale Materialien, wie MoS2 oder WSe2, als besonders geeignet er wiesen. Es sei angemerkt, dass Lithiumniobat und elektro-optische Polymere auf dem elektro-optischen, insbesondere dem Pockels-Effekt basieren, d.h. das E-Feld ändert den Brechungsindex (wie z.B. der Pockels-Effekt in der Po- ckelszelle genutzt wird). Bei Germanium ist es der Franz-Keldysh-Effekt, d.h. das Feld verschiebt die Valenz und Leitungsbandkanten gegeneinander, so dass sich die optischen Eigenschaften ändern. Diese Effekte sind feldba sierte Effekte. Bei Silizium oder Graphen ist es der ladungsträgerbasierte Plasmadispersions-Effekt, d.h. Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) werden in den Bereich der optischen Mode gebracht (entweder befindet sich in der Anordnung ein Kondensator, der aufgeladen wird, oder eine Diode mit einer Sperrschicht, die verarmt und angereichert wird). Der Brechungsindex (Realteil vom Index) und die Absorption (Imaginärteil des Indexes, führt zu free carrier absorption) ändern sich mit der Ladungsträgerkonzentration. Bei Ill-V-Halbleitern handelt es sich in an sich bekannter Weise um Verbin dungshalbleiter, die aus Elementen der Hauptgruppe III und V bestehen. Bei Il-Vl-Halbleitern bzw. handelt es sich in an sich bekannter Weise um Verbin dungshalbleiter, die aus Elementen der Hauptgruppe II bzw. Grup- pe-12-Elementen und Elementen der Hauptgruppe VI bestehen.
Viele Materialien zeichnen sich sowohl dadurch aus, dass sich ihr Bre chungsindex in Abhängigkeit einer Spannung und/oder dem Vorhandensein von Ladung und/odereinem elektrischen Feld ändert, als auch dadurch, dass sie elektromagnetische Strahlung wenigstens einer Wellenlänge absorbieren und infolge der Absorption ein elektrisches Photosignal erzeugen. Für Gra phen beispielsweise ist dies der Fall. Graphen ist entsprechend sowohl für die aktiven Elemente von Photodetektoren als auch Modulatoren geeignet. Dies gilt ebenfalls für Dichalkogenide, etwa zweidimensionale Übergangs- metall-Dichalkogenide, Heterostrukturen aus zweidimensionalen Materialien, Germanium, Silizium sowie Verbindungshalbleiter, insbesondere Ill-V-Halbleiter und/oder Il-Vl-Halbleiter. Lithiumniobad beispielsweise ist in der Regel nur für Modulatoren geeignet. Da es transparent ist, erfüllt es nicht die absorbierende Eigenschaft und kommt daher für Photodetektoren nicht in Frage.
Als besonders geeignet haben sich Filme aus Graphen, ggf. chemisch modi fiziertem Graphen, oder auch Dichalkogenide, insbesondere zweidimensio nale Übergangsmetall-Dichalkogenide, oder auch Dichalko- genid-Graphen-Fleterostrukturen bestehend aus mindestens einer Lage Graphen und mindestens einer Lage eines Dichalkogenids oder Anordnun gen aus mindestens einer Lage Bornitrid und mindestens einer Lage Gra phen, erwiesen.
Bei Wellenleitern gilt, dass ein Teil der elektromagnetischen Strahlung, ins- besondere des Lichts, evaneszent außerhalb des Wellenleiters geführt wird. Die Grenzfläche des Wellenleiters ist dielektrisch und entsprechend wird die Intensitätsverteilung durch die Randbedingungen gemäß Maxwell mit einem exponentiellen Abfall beschrieben. Wird ein elektro-optisch aktives Material, beispielsweise Graphen auf den bzw. in die Nähe des Wellenleiters in das evaneszente Feld gebracht, können Photonen mit dem Material, insbeson dere Graphen in Wechselwirkung treten.
Es existieren vier Effekte in Graphen, die zu einem Photostrom führen. Ei nerseits der bolometrischer Effekt, gemäß dem durch die absorbierte Energie der Widerstand des Graphens steigt und sich ein angelegter DC Strom redu ziert. Die Änderung des DC Stroms ist dann das Photosignal. Ein weiterer Effekt ist die Photoleitfähigkeit. Dabei führen absorbierte Photonen zu einer Erhöhung der Ladungsträgerkonzentration und die zusätzlichen Ladungsträ ger reduzieren den Widerstand des Graphens wegen der Proportionalität des Widerstands zur Ladungsträgerkonzentration. Ein angelegter DC Strom er- höht sich und die Änderung ist das Photosignal. Es existiert auch ein ther moelektrische Effekt, gemäß dem sich durch einen pn Übergang und einen Temperaturgradienten an diesem Übergang wegen unterschiedlicher See beckkoeffizienten für das p und n Gebiet eine Thermospannung ergibt. Der Temperaturgradient entsteht durch die Energie des absorbierten optischen Signals. Diese Thermospannung ist dann das Signal. Der vierte Effekt ist dadurch gegeben, dass an einem pn Übergang die angeregten Elekt- ron-Lochpaare getrennt werden. Der resultierende Photostrom ist das Signal. Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass zum Erhalt eines elektro-optischen Modulators als die elektro-optische Einrichtung weiterhin folgende Schritte durchgeführt werden:
- auf dem aktiven Element wird eine dielektrische Schicht hergestellt, bevorzugt eine dielektrische Schicht mit oder aus wenigstens einem Oxid und/oder Nitrid, besonders bevorzugt mit oder aus Alumini umoxid und/oder Siliziumnitrid und/oder Hafniumoxid, und
- auf der von dem aktiven Element abgewandten Oberseite der die lektrischen Schicht wird ein weiteres aktives Element vorgesehen, wobei das weitere aktive Element bevorzugt derart versetzt zu dem aktiven Element angeordnet wird, dass das aktive Element und das weitere aktive Element abschnittsweise übereinander liegen.
Es sei angemerkt, dass alternativ zu dem weiteren aktiven Element mit oder aus einem Material, welches absorbiert und ein Photosignal ausgibt und/oder seinen Brechungsindex ändert, auch eine Elektrode aus elektrisch leitfähi gem Material vorgesehen werden kann. Mit anderen Worten genügt bei ei nem Modulator alternativ zu zwei aktiven Elementen auch ein aktives Ele ment und eine konventionelle Elektrode. Ist anstelle eines der aktiven Ele mente eine Elektrode vorgesehen, kann diese - in Analogie zum aktiven Element - in Form eines ggf. mehrlagigen Filmes vorliegen, etwa als ein- oder mehrlagiger Metallfilm.
Die beiden aktiven Elemente bzw. das eine aktive Element und die Elektrode werden bevorzugt voneinander beabstandet und derart versetzt zueinander angeordnet, dass sie abschnittsweise Übereinanderliegen. Mit anderen Wor ten fluchtet bzw. überlappt dann ein Abschnitt des einen aktiven Elementes mit einem Abschnitt des anderen aktiven Elementes bzw. der Elektrode, oh ne dass sich diese berühren. Bevorzugt gilt zumindest im Bereich des Über- einanderliegens, mit anderen Worten im Überlappungsbereich, dass sich die beiden aktiven Elemente bzw. das aktive Element und die Elektrode bzw. zumindest Abschnitte dieser zumindest im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken.
Auch bei einem Modulator mit zwei aktiven Elementen bzw. einem aktiven Element und einer konventionellen Elektrode kann ferner gelten, dass das jeweilige aktive Element bzw. das eine aktive Element und die Elektrode in Form eines Filmes hergestellt wird.
Weist ein Modulator ein weiteres aktives Element auf, kann sich dieses ebenfalls durch die vorstehend sowie nachfolgend im Zusammenhang mit einem aktiven Element als bevorzugt beschriebenen Merkmale auszeichnen. Die Ausgestaltung als Film ist nur ein Beispiel. Es kann ferner nur eines oder können auch mehrere der bevorzugten Merkmale verwirklicht sein.
Ein elektro-optischer Modulator kann insbesondere zur optischen Signalco dierung verwendet werden. Ein elektro-optischer Modulator kann auch als Ringmodulator ausgebildet sein. Ein Photodetektor kann bevorzugt der Sig nalwandlung zurück von der optischen in die elektronische Welt und/oder umgekehrt dienen. Im Falle eines Modulators kann, wie vorstehend dargelegt, eine elektrische Steuerelektrode und ein dazu zweckmäßiger Weise isoliertes aktives Ele ment mit oder aus wenigstens einem Material, dessen Brechungsindex sich in Abhängigkeit einer Spannung bzw. von Ladungen bzw. einem elektrischen Feld ändert, insbesondere aus Graphen vorgesehen sein bzw. auch die Elektrode aus einem entsprechenden Material, insbesondere Graphen, be stehen, so dass im Betrieb dann zwei aktive Elemente gemeinsam im eva- neszenten Feld sind und die elektro-optische Funktion ausführen. Graphen beispielsweise kann durch eine Steuerspannung seine optischen Eigen schaften ändern. Im besonders vorteilhaften Fall einer Gra- phen-Dielektrikum-Graphen-Anordnung entsteht eine Kapazität und die bei den Filme Graphen beeinflussen sich gegenseitig. Durch eine Spannung wird die Kapazität bestehend aus den Graphen-Elektroden bildenden beiden ak- tiven Elementen geladen und die Elektronen besetzen Zustände im Graphen. Daraus ergibt sich eine Verschiebung der Fermienergie (Energie des letzten besetzten Zustands im Kristall) zu höheren Energien (oder wegen Symmetrie zu niedrigeren). Erreicht die Fermienergie die halbe Energie der Photonen, können diese nicht mehr absorbiert werden, weil die für den Absorptionsvor- gang erforderlichen freien Zustände bei der richtigen Energie bereits besetzt sind. In diesem Zustand ist das Graphen folglich transparent, weil die Ab sorption verboten ist. Durch Wechsel der Spannung wird das Graphen zwi schen absorbierend und transparent hin und her geschaltet. Ein kontinuier lich leuchtender Laserstahl wird in seiner Intensität moduliert und kann so zur Informationsübertragung eingesetzt werden. Ebenfalls ändert sich der Real teil des Brechungsindexes mit der Steuerspannung. Durch Wechsel der Spannung kann über den sich ändernden Brechungsindex die Phasenlage eines Lasers moduliert und so Phasenmodulation erreicht werden. Bevorzugt wird die Phasenmodulation in einem Bereich betrieben, in dem alle Zustände bis über der halben Photonenenergie besetzt sind, so dass das Graphen transparent ist und sich maßgeblich der Realteil des Brechungsindexes ver schiebt und die Änderung der Absorption eine untergeordnete Rolle spielt.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung wird das bzw. das jeweilige aktive Element auf bzw. oberhalb der Oberseite der Planarisierungsschicht vorge sehen, indem wenigstens ein geeignetes Material aufgebracht, insbesondere abgeschieden wird. Eine Abscheidung kann - in Analogie zu der Planari sierungsschicht - beispielsweise durch chemische Gasphasenabscheidung (englisch: Chemical vapor deposition, kurz CVD), bevorzugt Niederdruck chemische Gasphasenabscheidung (englisch: low pressure Chemical vapor deposition, kurz: LPCVD), und/oder plasmaunterstütze chemische Gaspha senabscheidung (englisch plasma enhanced Chemical vapor deposition, kurz: PECVD) und/oder durch physikalische Gasphasenabscheidung (eng lisch: physical vapor deposition) erfolgen. Auch hier gilt, dass sämtliche vor- bekannten Verfahren dieser Art Anwendung finden können.
Es ist auch möglich, dass das bzw. das jeweilige aktive Element mittels eines Transferverfahrens auf der Oberseite der Planarisierungsschicht vorgesehen wird. Dies bedeutet insbesondere, dass das (jeweilige) Element nicht mono- lithisch auf der Planarisierungsschicht hergestellt wird, sondern separat her gestellt und dann transferiert, mit anderen Worten übertragen wird. Ein Transferverfahren für Graphen ist beispielsweise aus den Aufsätzen “ Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Cop- per Foils” von Li et al., Science 324, 1312, (2009) und “Roll-to-roll produc- tion of 30-inch graphene films for transparent electrodes” von Bae et al, Na ture Nanotech 5, 574-578 (2010) bzw. für LiNbO aus dem Aufsatz “ Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible voltages”, Nature volume 562, pagesl 01104 (2018) bzw. U.a. für GaAs aus dem Aufsatz “Transfer print techniques for heterogeneous Integration of photonic components”, Progress in Quantum Electronics Vo- lume 52, March 2017, Pages 1-17 bekannt. Eines dieser Vefahren kann auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung angewendet werden, um eine oder mehrere Graphen- bzw. LiNbO- bzw. GaAs-Schichten/-Filme auf der Planari sierungsschicht zu erhalten.
Auch für das bzw. die aktiven Elemente kommt alternativ oder zusätzlich zu den vorgenannten Verfahren die Atomlagenabscheidung in Frage.
Auf bzw. oberhalb wenigstens eines aktiven Elementes kann ferner eine die- lektrische Schicht vorgesehen werden.
Die oder wenigstens eine elektro-optische Einrichtung - sowohl im Falle eines Modulators als auch im Falle eines Detektors - kann ferner als solche mit plasmonischer Kopplung ausgebildet sein bzw. hergestellt werden.
Dann ist bzw. wird zweckmäßiger Weise auf oder oberhalb des oder we nigstens eines der aktiven Elemente wenigstens eine plasmonische Struktur aus oder mit einem plasmonisch aktiven Material, bevorzugt Gold und/oder Silber und/oder Aluminium und/oder Kupfer, vorgesehen. Die plasmonische Struktur umfasst bevorzugt wenigstens ein Paar von nebeneinander ange ordneten plasmonischen Elementen aus oder mit dem plasmonisch aktiven Material. Die plasmonischen Elemente können sich durch einen sich in Richtung des jeweils anderen plasmonischen Elementes verjüngende Ab schnitt auszeichnen. Die plasmonischen Elemente können sich beispiels- weise durch eine dreieckige Form auszeichnen.
Es kann auch sein, dass längliche plasmonische Elemente vorgesehen sind bzw. werden, dies bevorzugt im Falle eines Modulators. Längliche plasmoni sche Elemente können zumindest im Wesentlichen parallel zu einem Wel- lenleiter angeordnet sein bzw. werden. Dann werden mit anderen Worten optische und plasmonische Wellenleiter parallel am aktiven Element vorbei geführt, wie in der Publikation „ Efficient electro-optic modulation in low-loss graphene-plasmonic slot waveguides“, von Zhu et al. , Optics Communica tions (2019), doi: https://doi.Org/10.1016/j.optcom.2019.124559 beschrieben.
Das oder wenigstens eines der aktiven Elemente wird darüber hinaus zweckmäßiger Weise derart relativ zu einem Wellenleiter angeordnet, dass es zumindest abschnittsweise dem evaneszenten Feld von elektromagneti scher Strahlung, die mit dem Wellenleiter geführt wird, ausgesetzt ist. Be- vorzugt ist wenigstens ein aktives Element in einem Abstand kleiner gleich 50 nm, besonders bevorzugt kleiner gleich 30 nm zu wenigstens einem Wel lenleiter angeordnet, beispielsweise in einem Abstand von 10 nm.
Bevorzugt gilt, dass die Resit-Planarisierung mit der (ein- oder mehrmalige) Spin-on-Glas-Beschichtung und anschließender Ätzbehandlung derart er folgt, dass die Schichtdicke der Planarisierungsschicht oberhalb des Wellen leiters bzw. zumindest eines Abschnitts dieses kleiner gleich 50 nm, bevor zugt kleiner gleich 30 nm ist, beispielsweise 10 nm beträgt. Wird dann ein aktives Element im Bereich dieser Schichtdicke auf der Planarisierungs- Schicht angeordnet, liegt ein entsprechender Abstand vor.
Es sei angemerkt, dass insbesondere derjenige Abschnitt, bevorzugt Längs abschnitt des Wellenleiters, oberhalb dem das aktive Element - und das ggf., insbesondere bei einem Modulator, vorhandene weitere aktive Element - angeordnet ist, einen Bestandteil der elektro-optischen Einrichtung bilden kann bzw. bildet.
Besonders bevorzug wird ferner ein Film als aktives Element vorgesehen bzw. werden Filme als aktive Elemente vorgesehen. Ein Film zeichnet sich bevorzugt in an sich bekannter Weise durch eine deutlich größere laterale Ausdehnung als Dicke aus. Das wenigstens eine aktive Element einer oder mehrerer elektro-optischer Einrichtungen kann sich ferner durch einen quad ratischen oder rechteckigen Querschnitt auszeichnen. Eines oder mehrere aktive Elemente können mehrere Lagen bzw. Schichten aus wenigstens einem Material, dessen Brechungsindex sich ändert und/oder das absorbiert, umfassen oder aus einer oder mehreren Lagen bzw. Schichten wenigstens eines solchen gebildet sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein aktives Element als Film mehrere La- gen bzw. Schichten aus einem oder auch verschiedenen Materialien um fasst.
Zum Erhalt von aktiven Elementen für eine Mehrzahl von elektro-optischen Einrichtungen kann wenigstens ein sich gegebenenfalls über die gesamte laterale Ausdehnung beispielsweise eines Wafers, auf dem mehrere Wellen leiter vorgesehen sind, erstreckender Film (mit einer oder auch mehreren Lagen) vorgesehen, beispielsweise abgeschieden werden, und aus diesem großen Film kann durch ein geeignetes Strukturierungsverfahren, das bei spielsweise Lithografie und/oder Ätzen einschließen kann, eine Mehrzahl von in einer Ebene nebeneinander liegenden kleineren Film- bzw. Schicht-förmige aktive Elemente für die Mehrzahl der Einrichtungen erhalten wird bzw. wurde. So können mit vergleichsweise geringem Aufwand viele aktive Elemente für eine Vielzahl von elektro-optischen Einrichtungen erhal ten werden.
Auch an ein Transferverfahren kann sich eine Strukturierung anschließen.
Das - bei mehreren das jeweilige - aktive Element wird bevorzugt direkt auf der Planarisierungsschicht vorgesehen, etwa auf dieser hergestellt oder an- geordnet, dies zweckmäßiger Weise in dem (jeweiligen) der Ätzbehandlung unterzogenen Bereich und oberhalb des (jeweiligen) Abschnitts, insbeson dere Längsabschnitts des Wellenleiters. Es ist aber auch nicht ausgeschlos sen, dass auf der Planarisierungsschicht zunächst noch wenigstens eine weitere Schicht vorgesehen, etwa abgeschieden bzw. angeordnet wird, und das aktive Element auf der bzw. der obersten weiteren Schicht vorgesehen wird. Dann befindet es sich zwar nicht direkt auf aber oberhalb der Planari sierungsschicht. Dies ist insbesondere möglich, da Material beispielsweise konform auf die Planarisierungsschicht abgeschieden werden kann, wobei die Oberflächeneigenschaften einschließlich der Topologie und Rauheit er- halten bleiben, sich praktisch in die Oberseite einer ggf. vorhandenen weite ren Schicht bzw. Schichten niederschlagen können.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung werden dem (jeweiligen) aktiven Ele ment zugeordnete Kontaktelemente hergestellt. Das bzw. das jeweilige Ele- ment kann beispielsweise an einer Seite oder auch jeweils an gegenüberlie genden Seiten mit einem Kontaktelement verbunden werden.
Befindet sich der Wellenleiter auch einem Chip oder Wafer mit integrierten elektronischen Bauteilen, kann eines bzw. können mehrere Kontaktelemente das (jeweilige) aktive Element mit Verbindungselementen, insbesondere VIAs, verbinden, über die wiederum eine Verbindung mit einem oder mehre ren integrierten elektronischen Bauteilen erzielt wird. Es können sich durch die Planarisierungsschicht erstreckende Verbindungselemente im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden.
Es sei angemerkt, dass insbesondere im Falle eines Detektors mit nur einem aktiven Element vorgesehen sein kann, dass dieses - insbesondere zur Verbindung mit einem oder mehreren elektronischen Bauteilen - mit zwei Kontakten bzw. Kontaktelementen in Kontakt steht, bevorzugt an gegenüber- liegenden Seiten, und im Falle eines Modulators mit zwei aktiven Elementen bzw. einem aktiven Element und einer Elektrode gilt, dass diese - insbe sondere zur Verbindung mit einem oder mehreren integrierten elektronischen Bauteilen - jeweils mit einem Kontakt bzw. Kontaktelement in Kontakt ste hen. Dies bevorzugt an denjenigen Endbereichen bzw. Enden, die von dem Bereich abgewandt sind, indem sie abschnittsweise Übereinanderliegen bzw. überlappen.
Auch kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine, bevorzugt zwei Ga teelektroden vorgesehen werden. Insbesondere bei einer als Photodetektor ausgebildeten elektro-optischen Einrichtung können bevorzugt zwei Ga teelektroden dem bzw. einem aktiven Element zugeordnet werden. Diese werden bevorzugt derart ausgestaltet und angeordnet, dass über diese die Ladungsträgerkonzentration im aktiven Element, beispielsweise Graphenfilm, eingestellt und so z.B. ein pn-Übergang erzielt werden kann. Die Gateelekt- roden werden bevorzugt in einem geeigneten Abstand zu dem aktiven Ele ment angeordnet und von diesem elektrisch isoliert, beispielsweise über eine dielektrische Schicht. Es kann sein, dass auf dem aktivem Element eine die lektrische Schicht vorgesehen wird und die Gateelektroden auf dieser ange ordnet, etwa darauf hergestellt oder auf diese transferiert werden.
Die Erfindung betrifft auch eine elektro-optische Einrichtung, die unter Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten wurde.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Halbleitereinrichtung umfas- send einen Chip und wenigstens eine, bevorzugt mehrere erfindungsgemäße elektro-optische Einrichtungen.
Schließlich betrifft die Erfindung eine Halbleitervorrichtung umfassend einen Wafer und wenigstens eine, bevorzugt mehrere erfindungsgemäße elekt- ro-optische Einrichtungen. Die elektro-optische Einrichtung ist bzw. die elektro-optischen Einrichtungen sind bevorzugt auf dem Chip bzw. Wafer, insbesondere auf dem Back-End-of-Line vorgesehen.
Unter einem Wafer ist dabei bevorzugt in aus dem Stand der Technik hin länglich vorbekannter Weise eine Komponente bzw. ein Element bzw. eine Einrichtung zu verstehen, aus dem bzw. aus der durch Wafer-Dicing, das im Deutschen auch als Wafer-Zerkleinern bezeichnet wird, eine Mehrzahl von Chips erhalten wird. Ein Wafer weist zweckmäßiger Weise eine oder mehre re Markierungen auf, entlang der bzw. derer im Rahmen des Dicings das Zerteilen erfolgen kann bzw. zu erfolgen hat. Das Dicing bzw. Zerkleinern kann beispielsweise ein (Laser-)Schneiden bzw. Sägen bzw. Ritzen bzw. Brechen des Wafers einschließen. Im Englischen wird ein einzelner bzw. vereinzelter Chip auch als Die bezeichnet bzw. werden Chips im Plural auch als Dies oder Dice bezeichnet. Es sei angemerkt, dass die nach dem Dicen vorliegenden Chips teilweise auch als Nacktchips bzw. im Englischen bare Chips oder bare dies bezeichnet werden. „ Nackt“ bezieht sich dabei darauf, dass die Chips noch nicht in ein Gehäuse (englisch: package) eingesetzt wurden. Vorliegend werden auch „ nackte“ Chips ohne Gehäuse kurz als Chips bezeichnet.
Wird ein Wafer - oder auch Chip - im Querschnitt betrachtet, lässt sich sein vertikaler Aufbau in unterschiedliche Teilbereiche einteilen. Der unterste Teil ist das Front-End-of-Line oder kurz FEOL, das eines oder mehrere integrierte elektronische Bauteile umfasst. Bei dem bzw. den integrieren elektronischen Bauteilen kann es sich beispielsweise um Transistoren und/oder Kondensa toren und/oder Widerstände handeln. Über dem Front-End-of-Line befindet sich das Back-End-of-Line oder kurz BEOL, in dem in der Regel verschiede- ne Metallebenen liegen, mittels derer die integrierten elektronischen Bauteile des FEOL verschaltet werden.
Ein Wafer umfasst eine Mehrzahl von Bereichen, die im Anschluss an das Dicen/Zerkleinern/Vereinzeln jeweils einen Chip bzw. Die bilden. Diese Be reiche werden vorliegend auch als Chip- bzw. Die-Bereiche bezeichnet. Je der Chipbereich des Wafers umfasst bevorzugt einen Abschnitt bzw. Teilbe reich des insbesondere einteiligen Halbleitersubstrats des Wafers. Bevorzugt weist ferner jeder Chipbereich einen oder mehrere integrierte elektronische Bauteile auf, die sich in und/oder auf dem entsprechenden Bereich des Halbleitersubstrats - im Querschnitt betrachtet insbesondere im FEOL - er strecken.
Wird ein Wafer oder Chip mit mehreren insbesondere auf dem Back-End-of-Line angeordneten Wellenleitern bereitgestellt, werden bevor zugt mehrere elektro-optische Einrichtungen auf die erfindungsgemäße Weise hergestellt, von denen zweckmäßiger Weise jede einem Wellenleiter zugeordnet ist und einen Abschnitt, insbesondere Längsabschnitt dieses umfassen kann.
Es kann sein, dass der bzw. die integrierten elektronischen Bauteile mehre rer, insbesondere aller Chipbereiche des Wafers gleich sind. Dann kann durch Dicen eine Mehrzahl identischer Chips erhalten werden. Hinsichtlich der Ausgestaltungen der Erfindung wird auch auf die Unteran- sprüche sowie auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungs beispiele unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung verwiesen.
In der Zeichnung zeigt: Figur 1 einen auf einem Wafer angeordneten Wellenleiter in rein sche matischer Schnittdarstellung;
Figur 2 den Wellenleiter aus Figur 1 mit darauf hergestellter Planarisie rungsschicht;
Figur 3 den Wellenleiter aus Figur 1 mit darauf hergestellter Planarisie rungsschicht und auf der Planarisierungsschicht hergestellter Spin-on-Glas-Beschichtung;
Figur 4 die Anordnung aus Figur 3, nachdem eine RIE-Ätzbehandlung erfolgt ist;
Figur 5 die Anordnung aus Figur 4 mit einer weiteren Spin-on-Glasbeschichtung, die nach dem Ätzvorgang auf der Planarisierungsschicht hergestellt wurde;
Figur 6 die Anordnung aus Figur 5, nachdem nochmals ein RIE-Ätzen erfolgt ist;
Figur 7 eine REM-Aufnahme einer zu Figur 2 korrespondierenden An ordnung;
Figur 8 eine REM-Aufnahme der Anordnung aus Figur 7 nach einer einmaligen Resist-Planarisierungsbehandlung;
Figur 9 eine REM-Aufnahme der Anordnung aus Figur 8, nachdem eine zweite Resist-Planarisierungsbehandlung erfolgt ist; Figur 10 eine REM-Aufnahme der Anordnung aus Figur 9, nachdem eine dritte Resist-Planarisierungsbehandlung erfolgt ist;
Figur 11 die Anordnung aus Figur 6 mit einem auf der Planarisierungs schicht vorgesehenen Graphenfilm;
Figur 12 die Anordnung aus Figur 11 mit Kontakt- und Verbindungsele menten; Figur 13 eine Aufsicht auf den Graphenfilm, die Kontaktelemente und den Wellenleiter aus Figur 12;
Figur 14 eine in weiten Teilen zu der Anordnung aus Figur 12 korres pondierende Anordnung mit einer als Modulator ausgebildeten erfindungsgemäßen elektro-optischen Einrichtung, die zwei
Graphenfilme umfasst;
Figur 15 eine zu der Anordnung aus Figur 4 korrespondierende, weitere Anordnung, bei der anstelle eines Streifenwellenleiters ein Rip penwellenleiter vorgesehen ist; und
Figur 16 ein Blockdiagramm mit den Schritten eines Ausführungsbei spiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Alle Figuren zeigen rein schematische Darstellungen. In den Figuren sind gleiche Komponenten bzw. Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Figur 1 zeigt eine Teilschnittdarstellung durch eine Schicht aus S1O2 1, auf deren in der Figur nach oben weisenden Oberseite 2 ein Wellenleiter 3 angerordnet ist. Die Si02-Schicht befindet sich auf einem in der Figur 1 nicht erkennbaren, jedoch in Figur 12 dargestellten Wafer 4.
Auf der Oberseite 2 der Schicht 1 ist bei dem dargestellten Ausführungsbei- spiel eine Vielzahl von Wellenleitern 3 angeordnet, für die in Figur 1 der eine Wellenleiter 3 beispielhaft gezeigt ist. Als Wellenleitermaterialien kommen insbesondere Dielektrika, vorzugsweise Titandioxid in Frage, welches auch bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel verwendet wurde, wobei dies beispielhaft zu verstehen ist. Was die Abmessungen des bzw. der Wellenlei- ter 3 angeht, gilt bevorzugt, dass deren Dicke im Bereich von 150 Nanome tern bis 10 Mikrometer liegt und sich deren Breite und Länge im Bereich von 100 Nanometer bis 10 Mikrometer bewegt. Der beispielhaft Figur 1 gezeigte Wellenleiter 3 ist 300 nm dick, hat eine Breite von 400 nm und zeichnet sich durch eine - zu der Zeichenebene senkrecht orientierte - Länge von 5 Mikrometern aus.
Auch dass die Schicht 1 aus S1O2 besteht ist rein beispielhaft zu verstehen. Auf dem Wafer 4 könnte beispielsweise auch eine Schicht aus einem ande ren Material vorgesehen sein. Die Wellenleiter 3 könnten ferner auch direkt auf der in Figur 12 nach oben weisenden Oberseite 5 des Wafers 4 ange ordnet sein.
Es sollen für mehrere der Wellenleiter 3 elektro-optische Einrichtungen 6, konkret Photodetektoren bzw. Modulatoren hergestellt werden, was unter Durchführung des im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich ist. Die Herstellung der elekt- ro-optischen Einrichtungen 6 wird teilweise beispielhaft anhand des einen, in Figur 1 erkennbaren Wellenleiters 3 beschrieben. Nach der Bereitstellung des Wafers 4 mit den Wellenleitern 3 (Schritt S1) wird in einem zweiten Schritt S2 eine Planarisierungsschicht 7 hergestellt, die sich zumindest über einen Abschnitt des jeweiligen Wellenleiters 3 und an zwei gegenüberliegenden Seite über den jeweiligen Wellenleiter 3 hinaus erstreckt. Bei dem hier beschriebenen Beispiel wird eine sich flächig über die gesamte Oberseite 2 der auf dem Wafer 4 vorgesehenen Schicht 1 erstre ckende Planarisierungsschicht 7 hergestellt. Diese erstreckt sich entspre chend über und zwischen allen auf der Oberseite 2 angeordneten Wellenlei tern 3, so dass diese Anforderung erfüllt ist. Wie man in der Figur 2, welche die im Anschluss an die Herstellung der Planarisierungsschicht 7 erhaltene Anordnung - im gleichen Teilschnitt wie in Figur 1 - zeigt, beispielhaft für den einen Wellenleiter 3 erkennen kann, befindet sich sowohl auf als auch zu beiden Seiten des Wellenleiters 3 Material der Planarisierungsschicht 7. Zum Erhalt der Planarisierungsschicht 7 wird ein Beschichtungsmaterial, vor liegend Siliziumdioxid (S1O2), aufgebracht, was beispielsweise durch chemi sche Gasphasenabscheidung (CVD), etwa Niederdruck chemische Gaspha senabscheidung (LPCVD) oder plasmaunterstütze chemische Gasphasen abscheidung (PECVD), oder physikalische Gasphasenabscheidung oder auch Atomlagendeponierung (ALD) oder Sputtern erfolgen kann. Vorliegend kommt PECVD zum Einsatz. Die Figur 7 zeigt eine Rasterelektronenmikro skop-Aufnahme (kurz REM-Aufnahme) einer Anordnung, wie sie in Figur 2 in rein schematischer Schnittdarstellung enthalten ist. In der REM-Aufnahme sind die Schichtdicken der Planarisierungsschicht 7 eingetragen, die - mit leichter Variation in lateraler Richtung - bei etwa 1 ,1 miti liegt, dies sowohl in dem Bereich über dem Wellenleiter 3 als auch zu beiden Seiten dieses.
Nachdem das Beschichtungsmaterial deponiert wurde, wird die Oberseite der erhaltenen Planarisierungsschicht 7 einer Planarisierungsbehandlung unterzogen. Für die Planarisierung wird die Planarisierungsschicht 7 zunächst an ihrer von dem Wellenleiter 2 abgewandten Oberseite mit einer Spin-on-Glas-Beschichtung 9 versehen (Schritt S3). Dafür wird ein geeigne- tes Material, vorliegend Wasserstoff-Silsesquioxan (HSQ), im flüssigen Zu stand auf die Planarisierungsschicht 7 aufgeschleudert und anschließend erwärmt. Beim Ausheizen verglast das Material, daher heißt es Spin-on-Glas.
Durch die Kinetik von flüssigen Stoffen an Höhenunterschieden ergibt sich ein Planarisierungseffekt. Die HSQ-Schichtdicke ist auf einer Erhebung auf der Oberfläche, vorliegend den Wellenleitern 3, geringer bzw. niedriger als neben diesen. Dieser Effekt kann gut der Figur 3 und entnommen werden, welche die Anordnung aus Figur 2 mit hergestellter Spin-on-Glas-Beschichtung 9 zeigt. Die Schichtdicke oberhalb des Wellen- leiters 3 ist geringer als seitlich von diesem.
In einem nächsten Schritt S4 erfolgt eine Ätzbehandlung, konkret ein CHF3-basiertes trockenchemisches Ätzen, vorliegend RIE. Im Rahmen die ser wird bis zur Planarisierungsschicht 7 runtergeätzt und die Spin-on-Glas-Beschichtung 9 vollständig und die Planarisierungsschicht 9 partiell entfernt.
Die Ätzbehandlung erfolgt in bevorzugter Ausgestaltung derart dass die Ätz rate für die Spin-on-Glas-Beschichtung 9 um maximal 50%, insbesondere maximal 30%, bevorzugt maximal 10% größer oder kleiner ist als die Ätzrate für das Spin-on-Glas. Beispielhafte Werte für Ätzraten sind etwa 45 nm/min für HSQ und 33 nm/min für SiC>2. Geeignete Parameter zur Einstellung des Ätzprozesses sind, wie dem Fachmann bekannt ist, beispielsweise Druck und/oder die Zusammensetzung des Gasgemischs und/oder die Leistung zur Erregung des Plasmas und/oder DC Spannung sowie Temperatur der Elekt rode.
Die Abtragtiefe oberhalb des Wellenleiters 3 stimmt mit der Abtragtiefe in neben dem Wellenleiter 3 liegenden Bereichen überein bzw. ähnelt dieser. Dies führt, da die Schichtdicke der Spin-on-Glas-Beschichtung 9 oberhalb des jeweiligen Wellenleiters 3 dünner war als neben diesem (vgl. die Figur 3) dazu, dass von der darunterliegenden Planarisierungsschicht 7 oberhalb des jeweiligen Wellenleiters 3 mehr weggenommen wird als daneben. Mit ande- ren Worten wird die ungleichmäßige Verteilung des Spin-on-Glas gezielt ge nutzt, um die Schichtdicke der Planarisierungsschicht 7 auf dem Wellenleiter 3 stärker zu reduzieren als neben diesem. Da sich bei dem dargestellten Beispiel aufgrund der Kinematik im flüssigen Zustand oberhalb aller Wellen leiter 3 eine Spin-on-Glas-Beschichtung 9 mit im Vergleich zu neben dem jeweiligen Wellenleiter 3 liegenden Bereichen geringerer Dicke ergibt, gilt dies für alle Wellenleiter 3.
Das Resultat, insbesondere die oberhalb des Wellenleiters 3 geringere Schichtdicken geht - rein schematisch - aus der Figur 4 hervor, welche die Anordnung aus Figur 3 nach der Ätzbehandlung zeigt. Die Spin-on-Glas-Beschichtung 9 ist vollständig abgetragen worden und die Planarisierungsschicht 7 nur partiell. Die Figur 8 zeig eine REM-Aufnahme der Anordnung aus Figur 7 nach einer entsprechenden Ätzbehandlung. Wie man sieht, beträgt bei diesem Beispiel die verbliebene Schichtdicke der Planarisierungsschicht 7 oberhalb des Wellenleiters 3 nur noch 581 ,2 nm im Vergleich zu einer größeren Schichtdicke von 742,9 nm neben diesem.
Bei Bedarf können die Schritte des Versehens der Planarisierungsschicht 7 mit einer Spin-on-Glas-Beschichtung 9 und der Ätzbehandlung noch ein Mal oder auch mehrere Male wiederholt werden, um eine noch flachere Topolo gie zu erhalten.
So kann in einem Schritt S5 eine weitere Spin-on-Glas-Beschichtung 9 auf der Planarisierungsschicht 7 vorgesehen werden, insbesondere auf die glei che Weise, wie die erste Spin-on-Glas-Beschichtung 9. Die Figur 5 zeigt die Anordnung aus Figur 4 mit einer erneuten Spin-on-Glas-Beschichtung 9, die im Anschluss an den (ersten) Ätzvorgang hergestellt wurde. Ein erneutes Ätzen (Schritt S6), bevorzugt mit den gleichen Parametern wie in Schritt S4, liefert als Ergebnis die in Figur 6 gezeigt Anordnung. Wie man erkennt, ist die Schichtdicke der Planarisierungsschicht 7 auf dem Wellenlei ter 3 geringer als in Figur 4. Die Figuren 9 und 10 zeigen REM-Aufnahmen der Anordnung aus Figur 8 nach einem zweiten und dritten Durchgang der Schritte des Versehens der Planarisierungsschicht 7 mit einer Spin-on-Glas-Beschichtung 9 und an schließendem Ätzen. Die Schichtdicke der Planarisierungsschicht 7 auf dem Wellenleiter 3 nimmt weiter ab, beträgt in Figur 9 noch 97,40 nm und in Figur 10 nahezu Null bzw. Null.
Nach der vorstehend beschriebenen Planarisierungsbehandlung mit nur ei nem oder auch zwei oder mehr Durchgängen von Spin-on-Glas-Beschichtung 9 und anschließendem Ätzen, wird in einem nächsten Schritt (vorliegend Schritt S7 nach einer Wiederholung) auf der Planarisierungsschicht 7 und oberhalb des Wellenleiters 3 ein aktives Ele ment 10 vorgesehen, welches wenigsten ein Material umfasst oder aus we nigstens einem Material besteht, das elektromagnetische Strahlung wenigs tens einer Wellenlänge absorbiert und infolge der Absorption ein elektrisches Photosignal erzeugt, und/oder dessen Brechungsindex sich in Abhängigkeit einer Spannung und/oder dem Vorhandensein von Ladung(en) und/oder ei nem elektrischen Feld ändert.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein Graphenfilm 10 als ak- tives Element auf der Planarisierungsschicht 7 und oberhalb des jeweiligen Wellenleiters 3 deponiert, vorliegend mit Hilfe eines Transferverfahrens, wie es weiter oben näher beschrieben ist. Dann wird insbesondere ein auf einem separaten Substrat bzw. einer separaten Metallfolie bzw. einem separaten Germaniumwafer hergestellter Graphenfilm 10 auf die weitere Planarisie- rungsschicht 13 oberhalb des (jeweiligen) Wellenleiters 3 übertragen. Es ist auch möglich, dass einer oder mehrere Graphenfilme 10 direkt auf der wei teren Planarisierungsschicht 13 hergestellt werden, jeweils oberhalb eines Welleiters. Dies kann beispielsweise eine Materialabscheidung und ggf. eine anschließende Strukturierung einschließen.
Typische Abmessungen für aktive Elemente sind im Bereich 5 bis 500 pm Länge auf dem Wellenleiter entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichts (or thogonal zur Zeichenebene der Figuren 1 bis 12, 14 und 15) und 1 bis 50 pm Breite quer zur Ausbreitungsrichtung.
Der bzw. der jeweilige Graphenfilm 10 ist derart relativ zu dem bzw. dem je weiligen Wellenleiter 3 angeordnet, dass er zumindest abschnittsweise dem evaneszenten Feld von elektromagnetischer Strahlung, die mit dem bzw. dem jeweiligen Wellenleiter 3 geführt wird bzw. werden kann, ausgesetzt ist.
Zweckmäßiger Weise werden für den jeweiligen Graphenfilm 10 anschlie ßend noch Kontaktelemente 11 hergestellt (Schritt S8), über welche eine Verbindung zu Verbindungselementen, konkret VIAs (Vertical Interconnect Access ) 12 erzielt wird, die sich durch die Planarisierungsschicht 7, die Si02-Schicht 1 und Abschnitte des Wafers 4 erstrecken. Die Kontakteiemen- te 11 sind auch in der Aufsicht aus Figur 13 zu erkennen. Die Kontaktele mente 11 werden vorliegend hergestellt, indem wenigstens ein Metall voll flächig abgeschieden wird und dann eine Strukturierung mittels Lithographie und RIE erfolgt. Als beispielhafte Metalle für die Kontaktelemente 11 seien Nickel und/oder Titan und/oder Aluminium und/oder Kupfer und/oder Chrom und/oder Palladium und/oder Platin und/ oder Gold und/oder Silber genannt. Im Rahmen der Strukturierung können Kontaktelemente 11 für eine Vielzahl von Graphenfilmen 10 hergestellt werden. Es sei angemerkt, dass es prinzipiell auch möglich ist, dass zunächst die Kontaktelemente 11 hergestellt werden, ggf. auch nur partiell, etwa wenigs tens eine erste Lage bzw. erste Lagen von solchen, und dann der bzw. der jeweilige Graphenfilm 10 vorgesehen wird. Über die Kontaktelemente 11 und die VIAs 12 kann eine elektrische Verbin dung des Graphenfilms 10 mit integrierten elektronischen Bauteilen 13 des Wafers 4 realisiert werden. Die VIAs 12 sind nur in der Figur 12 dargestellt, in welcher auch der Wafer mit den integrierten elektronischen Bauteilen 13 er kennbar ist. Die Bauteile 13, die bevorzugt Transistoren und/oder Konden- satoren und/oder Widerstände umfassen, sind in der rein schematischen Fi gur 12 nur vereinfacht durch eine mit dem Bezugszeichen 13 versehene Li nie mit Schraffur angedeutet. Die Bauteile 13 befinden sich in hinlänglich vorbekannter Weise in einem Front-End-of-Line (Kurz FEOL) 14 des Wafers 4. Darüber liegt das Back-End-of-Line (kurz BEOL) 15, in dem bzw. über das die integrierten elektronischen Bauteile 13 mittels verschiedener Metallebe nen verschaltet sind. Die integrierten elektronischen Bauteile 13 im FEOL 14 und die zugehörige Verschaltung einschließlich der VIAs 12 im BEOL 15 bil den integrierte Schaltkreise des Wafers 4. Die integrierten Schaltkreise er strecken sich in einem Halbleiter-, vorliegend Siliziumsubstrat 16 des Wafers 4. Es sei angemerkt, dass die sich durch den Wafer 4 und die darauf befindli che Si02-Schicht 1 erstreckenden VIAs 7 bzw. Abschnitte bereits in dem Wafer 4 und der Si02-Schicht 1 vorhanden waren, als diese im ersten Schritt bereitgestellt wurden. Die VIAs 12 bzw. Abschnitte solcher, die sich durch Planarisierungsschicht 7 erstrecken, werden bzw. wurden zweckmäßiger Weise zusammen mit der Planarisierungsschicht 7 hergestellt. Die Herstel lung kann auf beliebige, aus dem Stand der Technik vorbekannte Weise er folgen. Insbesondere können Bereiche, in welchen sich diese erstrecken sollen, bevorzugt durch Lithographie definiert und mittels RIE trockenche misch geätzt werden. Danach kann metallisiert und die metallisierte Oberflä che beispielsweise mittels CMP (Damascene-Prozess) oder mittels Lithogra fie und RIE strukturiert werden. Im Ergebnis wird eine bzw. werden mehrere elektro-optische Einrichtungen - im Falle des Beispiels gemäß der Figur 11 mit einem Graphenfilm 10 - ein Photodetektor erhalten, der neben dem Graphenfilm 10 den darunterliegen den Längsabschnitt des Wellenleiters 3 umfasst. Der Graphenfilm 10 und darunterliegende Wellenleiter 3 können auch der rein schematischen Auf- sicht gemäß Figur 13 entnommen werden. Wie man sieht, ist die Längsaus dehnung des Wellenleiters 3 hier deutlich größer als die Ausdehnung des Graphenfilms 10 in Längsrichtung.
Optional ist es möglich, dass eine elektro-optische Einrichtung 6 hegestellt wird, die sich durch eine plasmonische Kopplung auszeichnet bzw. eine sol che realisiert. Dann wird zweckmäßiger Weise auf oder oberhalb des oder wenigstens eines aktiven Elementes 10 wenigstens eine plasmonische Struktur 17 aus oder mit einem plasmonisch aktiven Material, bevorzugt Gold und/oder Silber und/oder Aluminium und/oder Kupfer, vorgesehen. Die plasmonische Struktur 17 kann dann eines oder mehrere Paare von neben- einander angeordneten plasmonischen Elementen 18 aus oder mit dem plasmonisch aktiven Material umfassen. Die plasmonischen Elemente kön nen sich durch einen sich in Richtung des jeweils anderen plasmonischen Elementes verjüngende Abschnitt auszeichnen, wie es - rein beispielhaft - in Figur 13 zu erkennen ist. Die plasmonischen Elemente 18, von denen hier sechs Stück 8 (drei Paare) vorgesehen sind, weisen eine dreieckige Form auf. Durch die optische Mode im Wellenleiter 3 werden resonant Dichte schwankungen in der plasmonischen Struktur 17 angeregt. Diese kollektive Bewegung der Elektronenverteilung wird als Plasmon bezeichnet und pflanzt sich in der plasmonischen Struktur 17 fort. Kennzeichnend ist u.a. eine hö here elektrische Feldstärke gegenüber der optischen Mode. Daraus ergibt sich eine stärkere Absorption in Graphen 10 oder im Allgemeinen in einem absorbierenden Material. Oberhalb der elektro-optischen Einrichtung(en) kann noch eine Passivie rungsschicht 19 vorgesehen werden. Über diese kann die Anordnung bzw. Schaltung vor Umwelteinflüssen, vor allem Wasser, geschützt werden. Es sei angemerkt, dass die Passivierung 19 in der Aufsicht gemäß Figur 13 nicht gezeigt ist sondern nur die darunterliegende Einrichtung.
Insbesondere, um einen Modulator zu erhalten, können an dem bzw. dem jeweiligen Wellenleiter 3 auch zwei aktive Elemente 10 bzw. ein aktives Element 10 und eine Elektrode vorgesehen werden. Die erstere Variante ist beispielhaft in der rein schematischen Figur 14 gezeigt.
Für einen Modulator können die vorgenannten Schritte S1 bis S7 identisch sein, wobei dann das in Schritt S7 vorgesehene aktive Element, bevorzugt ebenfalls ein Graphenfilm 10 den in Figur 14 unteren Film 10 darstellt. In Schritt S8 wird dann nur ein Kontaktelement 11 für den unteren Graphen film 10 hergestellt.
In einem Schritt S9 wird auf dem unteren Graphenfilm 10 eine dielektrische Schicht 18 hergestellt, die bevorzugt wenigstens ein Oxid und/oder Nitrid, besonders bevorzugt Aluminiumoxid und/oder Siliziumnitrid und/oder Hafni umoxid, umfasst oder daraus besteht. Vorliegend wird ein dielektrische Schicht 18 aus Aluminiumoxid hergestellt. Dies kann - in Analogie zu Planarisierungsschicht 7 - durch Abscheidung erfolgen, beispielsweise mit- tels eines der für diese genannte Abscheidungsverfahren. Es kann sein, dass die dielektrische Schicht 18 flächig über den gesamtem Wafer 4 hergestellt wird.
In einem Schritt S10 kann dann das - oder für den Fall, dass für mehrere der Wellenleiter 3 ein Modulator 6 hergestellt wird - das jeweilige weitere aktive Element, vorliegend der (jeweilige) weitere Graphenfilm 10 auf der dielektrischen Schicht oberhalb des (jeweiligen) Wellenleiters 3 vorgesehen werden. Der weitere Graphenfilm 10 wird dabei derart versetzt zu dem ers ten, unteren Graphen 10 angeordnet, dass der untere Graphenfilm 10 und der weitere, obere Graphenfilm 10 abschnittsweise übereinander liegen, mit anderen Worten abschnittsweise überlappen. Wie man der Figur 14 ent nehmen kann, befindet sich der Überlappungsbereich oberhalb des Wellen leiters 3 und ist ähnlich breit wie dieser. Der zweite Graphenfilm 10 kann die gleiche Ausdehnung haben wie der Erste.
In Figur 16 sind sämtliche Schritte S1 bis S10 rein schematisch dargestellt. Diese zeigt damit sowohl die Schritte zum Erhalt eines Photodetektors (mit Schritt S8 endend) als auch die Schritte zum Erhalt eines Modulators (alle Schritte S1 bis S10). Abschließend kann das Kontaktelement 11 für den weiteren, oberen Gra phenfilm 10 hergestellt werden, bevorzugt genauso, wie dasjenige für den unteren Film 10. Der Wafer 4 mit den darauf hergestellten elektro-optischen Einrichtungen 6 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung.
Es sei angemerkt, dass einer oder mehrere der Wellenleiter 3 alternativ da zu, dass sie, wie in Figur 1 bis 14 dargestellt, als Streifenwellenleiter 3 mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet sind, beispielsweise auch als Rippen wellenleiter 3mit einem T-förmigen Querschnitt mit einem ersten, oberen Abschnitt 3 mit schmalerem rechteckigen Querschnitt und einem zweiten, unteren Abschnitt 3b mit deutlich breiterem rechteckigen Querschnitt ausge bildet sein kann. Die Figur 14 zeigt - rein schematisch und beispielhaft - ein zu der Figur 6 korrespondierende Anordnung mit einem Rippenwellenlei ter 3.
Es ist möglich, dass der Wafer 4, auf dem auf die vorstehend beschriebene Weise mehrere elektro-optische Einrichtungen 6 hergestellt wurden, an- schließend gediced wird. Dadurch kann eine Vielzahl von Chips mit inte grierten Schaltkreisen erhalten werden, die jeweils wenigstens eine, bevor zugt mehrere elektro-optische Einrichtungen, insbesondere Photodetektoren 6 und/oder Modulator 6 umfassen, die auf erfindungsgemäße Weise herge stellt wurden.
Die durch das Dicen erhaltenen „ Nacktchips“ mit elektro-optischen Ein richtungen können dann, wie es auch von herkömmlichen Nacktchips vor bekannt ist, in Gehäuse (englisch: Packages) eingesetzt und einer weiteren Nutzung zugeführt werden. Ein durch Dicen der Halbleitervorrichtung mit dem Wafer 4 und den elekt- ro-optischen Einrichtungen 6 erhaltener Chip mit elektro-optischen Einrich tungen ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Halbleiterein richtung.
Es sei angemerkt, dass sämtliche Teilschnittdarstellungen nur einen ver gleichsweise sehr kleinen Ausschnitt zeigen, konkret einen Ausschnitt, der nur einen kleinen Teil eines Chipbereichs 4 bzw. eines nach dem Dicen er haltenen Chips zeigt. Sämtliche Teilschnitte repräsentieren somit Schnitte sowohl durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Halbleiter einrichtung als auch durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung. Weiterhin sei angemerkt, dass bereits overhalb eines einzelnen Chipbereichs 4 bzw. Chips ein Mehrzahl von elektro-optischen Einrichtungen 6 vorgesehen werden kann, je nach Anwendungsfall bei- spielsweise mehrere zehn, mehrere hundert oder sogar mehrere tausend.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer elektro-optischen Einrichtung, insbe sondere eines Photodetektors (6) oder elektro-optischen Modulators (6), bei dem
- ein Wellenleiter (3) bereitgestellt wird (S1),
- eine zumindest einen Abschnitt des Wellenleiters (3) übergreifende Planarisierungsschicht (7) hergestellt wird (S2), bevorzugt, indem ein Beschichtungsmaterial aufgebracht, insbesondere abgeschieden wird, - die Planarisierungsschicht (7) mit einer Spin-on-Glas-Beschichtung (9) versehen wird (S3),
- zumindest im Bereich der Spin-on-Glas-Beschichtung (9) eine bevor zugt trockenchemische Ätzbehandlung erfolgt (S4), im Rahmen derer bevorzugt bis zur Planarisierungsschicht (7) runtergeätzt und bevor- zugt die Spin-on-Glas-Beschichtung (9) und ein Teil der Planarisie rungsschicht (7) entfernt wird,
- optional die Schritte des Versehens der Planarisierungsschicht (7) mit einer Spin-on-Glas-Beschichtung (9) und der Ätzbehandlung wenigs tens ein Mal wiederholt werden (S5, S6), und - auf oder oberhalb der Planarisierungsschicht (7) und oberhalb des
Wellenleiters (3) ein aktives Element (10) vorgesehen wird (S7), wel ches wenigsten ein Material umfasst oder aus wenigstens einem Ma terial besteht, das elektromagnetische Strahlung wenigstens einer Wellenlänge absorbiert und infolge der Absorption ein elektrisches Photosignal erzeugt, und/oder dessen Brechungsindex sich in Abhän gigkeit einer Spannung und/oder dem Vorhandensein von Ladung(en) und/oder einem elektrischen Feld ändert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Er halt eines elektro-optischen Modulators (6) als die elektro-optische Einrich tung weiterhin folgende Schritte durchgeführt werden:
- auf dem aktiven Element (10) wird eine dielektrische Schicht (17) hergestellt, bevorzugt eine dielektrische Schicht (17) mit oder aus we nigstens einem Oxid und/oder Nitrid, besonders bevorzugt mit oder aus Aluminiumoxid und/oder Siliziumnitrid und/oder Hafniumoxid, und
- auf der von dem aktiven Element (10) abgewandten Oberseite der dielektrischen Schicht (17) wird ein weiteres aktives Element (10) vorgesehen, wobei das weitere aktive Element (10) bevorzugt derart versetzt zu dem aktiven Element (10) angeordnet wird, dass das akti ve Element (10) und das weitere aktive Element 810) abschnittsweise übereinander liegen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Element (10) auf bzw. oberhalb der Oberseite der Planarisie rungsschicht (7) vorgesehen wird, indem wenigstens ein geeignetes Material aufgebracht, insbesondere abgeschieden wird, oder dass das aktive Element (10) mittels eines Transferverfahrens auf der Oberseite der Planarisierungs- Schicht (7) vorgesehen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Film als aktives Element (10) vorgesehen wird, und/oder dass als das wenigstens eine Material des aktiven Elementes (10), das elektromagnetische Strahlung wenigstens einer Wellenlänge absorbiert und infolge der Absorption ein elektrisches Photosignal erzeugt, und/oder dessen Brechungsindex sich in Abhängigkeit einer Spannung und/oder dem Vor handensein von Ladung(en) und/oder einem elektrischen Feld ändert, Gra- phen und/oder wenigstens ein Dichalkogenid, insbesondere zweidimensio- nales Übergangsmetall-Dichalkogenid, und/oder Heterostrukturen aus zwei dimensionalen Materialien und/oder Germanium und/oder Lithiumniobad und/oder wenigstens ein elektro-optisches Polymer und/oder Silizium und/oder wenigstens ein Verbindungshalbleiter, insbesondere wenigsten ein Ill-V-Halbleiter und/oder wenigstens ein Il-Vl-Halbleiter, zum Einsatz kommt.
5. Verfahren nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Planarisierungsschicht (7) hergestellt wird, indem Beschichtungsmaterial zumindest auf bzw. oberhalb eines Abschnitts des Wellenleiters (3) und auf Bereiche seitlich des Wellenleiters (3) aufgebracht, insbesondere abgeschieden wird.
6. Verfahren nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Planarisierungsschicht (7) hergestellt wird, indem Beschichtungsmaterial mittels chemischer Gasphasenabscheidung, bevor zugt Niederdruck chemischer Gasphasenabscheidung, und/oder mittels plasmaunterstützer chemischer Gasphasenabscheidung, und/oder mittels physikalischer Gasphasenabscheidung abgeschieden wird.
7. Verfahren nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Planarisierungsschicht (7) mit oder aus wenigstens einem Oxid, insbesondere Siliziumdioxid, und/oder mit oder aus wenigstens einem Nitrid und/oder mit oder aus wenigstens einem Polymer hergestellt wird.
8. Verfahren nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzbehandlung derart erfolgt, dass die Ätzrate für das Material der Planarisierungsschicht (7) um maximal 50%, bevorzugt maximal 30%, besonders bevorzugt maximal 10% größer oder kleiner ist als die Ätz rate für das Spin-on-Glas.
9. Verfahren nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektro-optische Einrichtung (6) auf einem oder oberhalb eines Wafers (4) oder auf einem oder oberhalb eines Chips herge- stellt wird, und bevorzugt der bereitgestellte Wellenleiter (3) auf dem oder oberhalb des Wafers oder Chips angeordnet ist, wobei der Wafer (4) oder Chip besonders bevorzugt integrierte Schaltkreise mit integrierten elektroni schen Bauteilen (13) aufweist.
10. Elektro-optische Einrichtung (6), die durch das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche erhalten wurde.
11. Halbleitereinrichtung, umfassend einen Chip und wenigstens eine, bevorzugt mehrere elektro-optische Einrichtungen (6) nach Anspruch 10.
12. Halbleitervorrichtung, umfassend einen Wafer (4) und wenigstens ei ne, bevorzugt mehrere elektro-optische Einrichtungen (6) nach Anspruch 10.
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