SE515915C2 - Metod och integrerad krets för våglängdkompensering vid halvledartillverkning - Google Patents

Description

25 30 515 915 s.

Den effektiva diffusionslängden består huvudsakligen av två mekanismer, ytdiffusion och äterdiffusion. En atom, t.ex. indium (In), som kommer i kontakt med maskens yta, kan ut- sättas för ytdiffusionsmekanismen där atomen migrerar utefter ytan till dess att den hittar en lämplig substans att fästa sig vid, t.ex. indiumfosfid (InP). Atomen kan, å andra sidan, utsättas för återdiffusionsmekanismen där atomen återdiffun- derar från ytan och flyter omkring till dess att den krockar med an annan atom. Denna kollision orsakar atomen att ramla ned till ytan igen, där den kommer att fästa sig om det finns en lämplig substans, såsom beskrivits tidigare, eller utsättas för ytdiffusions- eller àterdiffusionsmekanismen igen. Åter- diffusionsmekanismen är den viktiga delen i SAG.

Medelavståndet som en atom förflyttar sig innan den fästs kallas diffusionslängd. Diffusionslängden på ett substrat av InP är ungefär lpm för ytdiffusion och ungefär 10 pm till 100 pm för återdiffusion, beroende på tryck under SAG.

Olika atomer vilka tillhör samma grupp av element, t.ex. grupp III element, kan ha olika diffusionslängder, t.ex. gallium (Ga) har en betydligt längre diffusionslängd, ungefär llO pm, jämfört med indium (In), ungefär 15 pm. Dessa värden är temperatur- och tryckberoende, men förhållandet dem emellan är mer eller mindre konstant. Skillnaden i diffusionslängd kommer att orsaka en förändring i sammansättningen av ett epitaxiellt växt material, bestående av atomer som tillhör samma element- grupp med olika diffusionslängd, i närheten av masken. Dess- utom kommer en ökad mängd av material att uppträda i närheten av varje mask på grund av diffusion från maskens yta.

US patent 5,543,353 av Makoto et al. beskriver en metod för tillverkning av anordningar, såsom en laser och en modulator, 23431se .doc; 00-04-13 10 15 20 25 30 515 annu 91 5 §II=§IIf i ett enda steg med användning av en enda mask som har olika maskbredd i ljustransmissionsriktningen hos dessa anordningar.

Under selektiv områdestillväxt i en reaktor kan det uppstå variationer i sammansättningen av ett växt lager på grund av typen av reaktor som används, t.ex. med en AIXTRON reaktorut- rustning. En stor variation kommer att uppstå när substratet är fast monterat i en reaktorkammare och gaserna, vilka används för epitaxiell tillväxt av ett vågledarlager, t.ex.

InGaAsP eller InGaAs, introduceras in i kammaren från en rikt- ning. Variationerna kan detekteras och mätas med fotoluminis- censmättekniker, där en variation i bandgapsenergi hos våg- ledarlagret detekteras och presenteras som en våglängds- variation utöver substratet. En exempel av denna våglângds- variation visas i Fig. 1 och beskrivs i närmare detalj nedan.

Vid tillverkning av fotoniska anordningar, såsom en laser och en modulator, i olika steg och i samma eller olika reaktorer kan skillnaden i våglängd mellan de fotoniska anordningarna variera beroende på positionen av den fotoniska anordningen på substratet. Detta resulterar i ett lågt utbyte av fungerande kretsar på substratet, eftersom våglängdsskillnaden, så kallad avstämning, mellan lasern och modulatorn är viktig.

Sammanfattning av uppfinningen Det är ett syfte med föreliggande uppfinning att tillhanda- hålla en metod för tillverkning av ett flertal integrerade fotoniska halvledarkretsar vilken överkommer problem hos den kända tekniken.

För att uppnå föregående och andra syften med uppfinningen, tillhandahålls en metod för tillverkning av ett flertal fotoniska integrerade halvledarkretsar på ett halvledar- substrat, där varje av nämnda integrerade kretsar innefattar 23431se .doc; 00-0443 10 15 20 25 30 coca non» n o u 0 anno =e== Q n 0 v anno 1 unna U o n 0 coon ovoo 1 con' 0 0 u o nnuooø 0 nun» åtminstone en första och en andra fotonisk anordning, vilka är optiskt kopplade till varandra, där nämnda metod innefattar stegen av: (i) att växa en första uppsättning lager, innefatt- ande åtminstone ett första vågledarlager, för att skapa nämnda första fotoniska anordning på nämnda substrat, (ii) att till- handahålla en isolerande maskfilm innefattande maskande delar som täcker var och en av nämnda första fotoniska anordningar för att definiera täckta och exponerade områden på nämnda substrat, (iii) att ta bort nämnda första uppsättning lager från nämnda exponerade områden, (iv) att välja ut ett område för varje andra fotoniska anordning närgränsande till och i en ljustransmissionsriktning av varje nämnda första fotoniska anordning, och (v) att växa en andra uppsättning lager, inne- fattande åtminstone ett andra vågledarlager, för att skapa nämnda andra fotoniska anordning genom användning av en selektiv områdestillväxtsprocess, varvid nämnda metod ytter- ligare innefattar stegen av: (a) att mäta variationer i bandgapsenergi, utöver substratet, i ett vågledarlager motsvarande det andra vågledarlagret på ett referenssubstrat, före steg (ii), där nämnda variationer är ett resultat av den selektiva områdestillväxtsprocessen, vilken i sin tur orsakar variationer i avstämning mellan den första och den andra fotoniska anordningen utöver substratet, på grund av nämnda variationer i bandgapsenergi i det andra vågledarlagret, (b) att tillhandahålla nämnda isolerande maskfilm i steg (ii) med åtminstone en ytterligare maskningsdel närliggande till varje av nämnda områden, där varje ytterligare maskningsdel har en valbar längd och en valbar bredd, och är placerad väsentligen parallell till ljustransmissionsriktningen hos respektive första fotoniska anordning, och (c) att välja bredden på varje ytterligare maskningsdel, att motsvara nämnda uppmätta varia- tioner i bandgapsenergi, för att åtminstone delvis kompensera för variationer i bandgapsenergi i det andra vågledarlagret 2343lSeb.dOC; 00-04-14 10 15 20 25 utöver substratet, därigenom reduceras variationerna i av- stämning mellan den första och den andra fotoniska anordningen utöver substratet.

En fördel med föreliggande uppfinning är att en apparat som används för selektiva omràdestillväxtprocesser, vilka resul- terar i en varierad tillväxt över substratet, fortfarande kan användas med förhöjt utbyte.

En annan fördel med föreliggande uppfinning är att kompensa- tionen av skillnaden i bandgapsenergi erhålles till en väldigt låg kostnad.

Uppfinningen beskrivs ytterligare nedan med hänvisning till de bifogade ritningarna.

Kortfattad beskrivning av ritningarna Fig. l visar en toppvy av en skiva uppvisande ett vàgledar- lager hos en modulator som har varierande bandgapsenergi.

Fig. 2 visar en toppvy av en isolerande maskfilmslayout enligt föreliggande uppfinning.

Fig. 3a och 3b visar tvärsnitt utefter A-A i Fig. 2 enligt olika implementeringar av föreliggande uppfinning.

Fig. 4a och 4b visar en jämförelse mellan ett normalt och ett kompenserat vàgledarlager i en modulator enligt föreliggande uppfinning.

Detaljerad beskrivning av föredragna utföringsformer Fig. l visar en toppvy av en skiva l uppvisande ett optiskt vàgledarlager in en modulator som har variationer i band- gapsenergi utöver skivan. Denna variation finns pà grund av typen av reaktor som används vid tillverkning av lagret. Såsom 23431seb.doc; 00-04-14 10 15 20 25 30 515 915 :nous- a u c n nu noouou n o u n nu ao annu o 1 0 non: soon 1 v 0 n nun: nens 0 a 0 o rann 0 unna c n u u coon nun: 0 o annons 0 nano c on beskrivits tidigare sker detta i en reaktor där skivan är fast monterad under den epitaxiella tillväxtsprocessen och de använda gaserna introduceras från en riktning 2. Variationerna uppmätes med en fotoluminiscens-mätapparat och resultatet presenteras i minskande våglängd jämfört med den största väg- längden, vilken erhålls vid en referenspunkt 3, nära toppen i mitten av skivan. Den ökande väglängdsskillnaden är uppdelad i intervall om 5nm, där varje linje 4 indikerar en sänkning med 5nm fràn den tidigare linjen räknat från referenspunkten 3.

Variationerna utöver skivan 1 är i detta exempel mer än 45 nm, vilket är oacceptabelt vid tillverkning av en modulator som arbetar tillsammans med en laser, vilken har en bestämd våglängd, dvs. en fast bandgapsenergi.

Fig. 2 visar en del av en isolerande masklayout bestående av ett flertal av kretsmasker 10 för tillverkning av en laser och en modulator enligt föreliggande uppfinning. Kretsmasken 10 innefattar två maskningsdelar, en laserdel 11, vilken täcker och skyddar en första uppsättning lager, som formar lasern, under efterföljande processteg, och en modulatordel 12, vilken definierar ett omrâde 13 där en andrauppsättning lager formar modulatorn som skall tillverkas. Området 13 är i en ljustrans- missionsriktning av lasern, vilket illustreras med en linje 14.

Dimensionerna, längd L1 och bredd W1 hos laserns maskningsdel 11, är väsentligen lika däröver, beroende på typen av den implementerade lasern, för att skydda lasern när modulatorn tillverkas. Maskdimensionerna för en distribuerad àterkopplad laser (distributed feedback laser), vilken har en bandgaps- energi motsvarande en väglängd pà ungefär l550nm, kan, säsom ett ickebegränsande exempel, vara.1Qß40Opm och Wyz12pm. 2343lseb.doc; 00-04-14 10 15 20 25 30 Modulatorns maskningsdelar 12 består i detta exempel av två separata delar 12a och 12b, vilka har väsentligen samma dimensioner och är anordnade på lika avstånd till linjen 14 med ett bestämt mellanliggande avstånd Wo. Varje mask har en vald längd Lm, anordnad parallellt med linjen 14, och en valbar bredd Wm företrädesvis i intervallet O-20 pm. Den streckade linjen 15 indikerar den övre gränsen för bredden.

Den valbara bredden används för att ändra sammansättningen och tjockleken av de växta lagrena nära maskerna, speciellt i området 13, under en selektiv områdestillväxtsprocess. Såsom beskrivits tidigare, i bakgrunden till uppfinningen, kommer en ökning av substanser med en kortare diffusionslängd att ske nära maskerna, så väl som en generell ökning av material. Ett föredraget mellanliggande avstånd Wo mellan maskningsdelarna för modulatorn 12a, l2b är i området 1 till 3 gånger nämnda kortare diffusionslängd, vilket kan åstadkomma en bra sammansättning av ett optiskt vàgledarlager i modulatorn och en bra hastighet i epitaxiell tillväxt.

Halvledarsubstratet är företrädesvis gjort av indiumfosfid (InP), och det optiska vågledarlagret i modulatorn är före- trädesvis gjort av indiumgalliumarsenidfosfid In§3aLxAsyPLy, där x, y har ett värde som varierar från 0 till 1, kort sagt InGaAsP.

En viss ökning i bredd av modulatorns maskningsdel motsvarar en ökad våglängd i närheten av nämnda maskningsdel 12, när man växer ett vågledarlager.

När ett flertal fotoniska anordningar, innefattande en laser och en modulator, skall implementeras på samma substrat, där den första uppsättningen av lager för lasern tillverkas i ett första steg och den optiska vågledaren för modulatorn har visats sig ha de variationer som visas i Fig. 1, kan samman- 23431seb.doc; 00-04-14 10 15 20 25 sättningen hos vågledarlagret i samtliga områden som avses användas som modulatorer behöva kompenseras. Denna kompen- sation utförs genom att välja bredden hos modulator masken att_ motsvara vàglängdskompensationen som behövs beroende på positionen på substratet.

Fig. 3a och 3b är tvärsnitt utefter linje A-A i Fig. 2 enligt olika implementeringar av föreliggande uppfinning med användning av masken i Fig. 2 som ett icke-begränsande exempel där: ett mellanliggande avstånd - W; = 20 pm, och en bredd på modulatormasken -Mm = 10 um.

I Fig. 3a anordnas masken M enligt uppfinningen direkt på ett halvledarsubstrat 30. Detta kan åstadkommas genom att skapa den första fotoniska anordningen, tillhandahålla en skyddande isolerande maskfilm över nämnda anordning, och etsa substratet rent från allt material som inte skyddas av nämnda isolerande mask.

I Fig. 3b anordnas masken M, enligt uppfinningen, på materiallager L, rester av lasertillverkningen, samtidigt som den skyddande isolerande filmen anordnas ovanpå den första uppsättningen lager som utgör lasern. Områdena som inte täcks av masken M, enligt uppfinningen, etsas ned till substratet 30.

Sålunda skapar båda dessa implementeringar en ekvivalent modulator under den selektiva områdestillväxtsprocessen såsom beskrivs nedan.

Under selektiv områdestillväxt av en modulator, vid användning av ovanstående maskningsdetaljer, erhålls ett antal lager bestående av, till exempel, n-InP/InGaAsP/p-InP på ett halv- 2343lSeb.d0C; 00-04-14 10 15 20 25 30 515 M3 ...a LH ledarsubstrat 30 av n-InP, där n-InP är ett indiumfosfidlager dopat med ett överskott av elektroner och p-InP är ett indium- fosfidlager med ett överskott av hål.

Det första lagret 31 av n-InP kallas ”spacer", vilket används för att göra ytan under nästa lager 32, vågledarlagret, så fritt som möjligt från defekter. Om substratet är av en väldigt hög kvalité kan detta lager utelämnas. Ökad tjocklek av det deponerade materialet 34 kan ses vid kanterna av masken vilket orsakas av ytdiffusion. Denna variation i tjocklek är försumbar eftersom endast en smal del av materialet mellan maskerna används för tillverkning av modulatorn. Dessutom är det en ökning i modulator höjden Hm jämfört med den allmänna höjden HP, vilket beror på den kortare diffusionslängden hos indium, vilket i sin tur ger en berikning av indium närmast masken.

Fig. 4a och 4b visar en jämförelse mellan ett normalt och ett kompenserat vägledarlager i en modulator enligt föreliggande uppfinning, där den generellt ökade våglängden tydligt kan ses såväl som den kompenserande effekten av den variable bredden hos modulator maskerna.

Fig. 4a visar mätningsvärden av våglängd Ä som en funktion av y-axeln hos modulatorns vågledarlager. Värdena presenteras utefter y-axeln som korsar centrum på substratet (x=O). Den undre linjen 40 representerar ett normalt substrat utan några kompenseringsmasker under den selektiva omràdestillväxts- processen. Våglängdsvärdena sjunker när man går höger till vänster, såsom visas i Fig. 1 när man gär från toppen till botten. Å andra sidan visas endast en variation på 10-ll nm för den övre linjen 41, vilken representerar ett kompenserat vågledarlager, över samma avstånd som den undre linjen varierar med nästan 40 nm. 2343lseb.doc; 00-04-14 10 15 20 25 30 515 1o Fig. 4b visar mätvärden av våglängd Ä såsom en funktion av X- axeln hos modulatorns vågledarlager. Värdena presenteras utefter X-axeln som korsar centrum på substratet (y=O). Den undre linjen 42, vilken representerar samma normala substrat som uppmättes i Fig. 4a, har ett maximum vid x=O, och sjunker när man går till höger och till vänster, såsom visas i Fig. l. Å andra sidan visas endast en variation på 10-ll nm för den övre linjen 43, vilken representerar ett kompenserat vàgledarlager, över samma avstånd som den undre linjen varierar med nästan 25 nm.

Resultatet av dessa mätningar visar att ett kompenserat vàgledarlager kan tillverkas för att åstadkomma väsentligen mindre variationer i vàglängdsvariationer utöver substratet, där den selektiva områdestillväxtsprocessen, utan kompenseringsmasker, åstadkommer en stor variation i våglängd, dvs. bandgapsenergi.

En fundamental del av metoden enligt uppfinningen är att karaktärisera variationerna i bandgapsenergi utöver substratet på ett referenssubstrat, för att kunna välja den önskade bredden på den kompenserande masken. Denna karaktärisering kan göras genom att skapa ett flertal av fotoniska anordningar på ett referenssubstrat, täcka över nämnda första anordning och därefter skapa en andra fotonisk anordning, såsom beskrivs i ingressen till krav 1, och därefter mäta våglängden i de utvalda områdena för den andra fotoniska anordningen med hjälp av fotoluminiscenstekniker.

Metoden enligt uppfinningen kan naturligtvis fullt kompensera våglängdsskillnaden hos modulatorns vågledarlager, så att skillnaden i våglängd, den så kallad avstämningen, mellan lasern och modulatorn reduceras till en acceptabel nivå, t.ex. ungefär 60nm. 23431se . doc; 00-04-13

Claims (10)

ll Krav

1. En metod för tillverkning av ett flertal fotoniska integrerade halvledarkretsar på ett halvledarsubstrat (30), där varje av nämnda integrerade kretsar innefattar åtminstone 5 en första och en andra fotonisk anordning, vilka är optiskt kopplade till varandra, där nämnda metod innefattar stegen av: (i) att växa en första uppsättning lager (L), innefattande åtminstone ett första vågledarlager, för att skapa nämnda första fotoniska anordning på nämnda substrat (30), 10 (ii) att tillhandahålla en isolerande maskfilm innefattande maskande delar (ll) som täcker var och en av nämnda första fotoniska anordningar för att definiera täckta och exponerade områden på nämnda substrat (30), (iii) att ta bort nämnda första uppsättning lager (L) från 15 nämnda exponerade områden, (iv) att välja ut ett område (13) för varje andra fotoniska anordning närgränsande till och i en ljustransmissions- riktning (14) av varje nämnda första fotoniska anordning, och 20 (v) att växa en andra uppsättning lager (31-33), innefattande åtminstone ett andra vågledarlager (32), för att skapa nämnda andra fotoniska anordning genom användning av en selektiv områdestillväxtsprocess, kánnetecknad av att nämnda metod ytterligare innefattar stegen 25 av: (a) att växa åtminstone ett referensvågledarlager på ett referenssubstrat före steg (ii), där nämnda 23431sec nya kravæioc; 01-01-24 10 15 20 25 sz s' 91 s ; 12 referensvågledarlager mosvarar det andra vågledarlagret (32) som skall växas i steg (v), (b) att mäta variationer i bandgapsenergi i referensvågledar- lagret utöver referenssubstratet före steg (ii), (c) att tillhandahålla nämnda isolerande maskfilm i steg (ii) med åtminstone en ytterligare maskningsdel (l2;M) närliggande till varje av nämnda områden (13), där varje ytterligare maskningsdel (l2;M) har en valbar längd (Lm) och en valbar bredd (Wm), och är placerad väsentligen parallell till ljustransmissionsriktningen (14) hos respektive första fotoniska anordning, och (d) att välja bredden (wg) på varje ytterligare maskningsdel (l2;M), att motsvara nämnda uppmätta variationer i bandgapsenergi, för att åtminstone delvis kompensera för variationer i bandgapsenergi i det andra vågledarlagret (32) utöver substratet (30), därigenom reduceras variationerna i avstämning mellan den första och den andra fotoniska anordningen utöver substratet.

2. Metod enligt krav 1, kännetecknad av att tillhandahålla nämnda isolerande maskfilm med två ytterligare maskningsdelar (l2a, l2b), närliggande placerade till var och en av nämnda områden (13), där nämnda maskningsdelar är parallella och anordnade på motstående sidor av varje område (13).

3. Metod enligt krav 2, kännetecknad av att välja ett mellanliggande avstånd (WO) mellan nämnda två ytterligare maskningsdelar (l2a, l2b), närliggande till samtliga områden (l3), att vara väsentligen lika. 2343lsec nya krav.doc; 01-01-24 10 15 20 5% 5 af: 5 :ff 13

4. Metod enligt krav 3, kännetecknad av att välja nämnda mellanliggande avstånd (Wo) att vara i intervallet 10 till 35pm.

5. Metod enligt krav 3, kännetecknad av att välja nämnda mellanliggande avstånd (WO) att vara i intervallet 15 till 25pm.

6. Metod enligt något av föregående krav, kânnetecknad av att välja nämnda bredd (Wm) att vara i intervallet 0-20um.

7. Metod enligt något av föregående krav, kännetecknad av att välja första fotoniska anordning att vara en halvledar- laser.

8. Metod enligt krav 7, kännetecknad av att välja nämnda andra fotoniska anordning att vara en modulator, optiskt kopplad till nämnda halvledarlaser.

9. Metod enligt något av föregående krav, kännetecknad av att nämnda mätningssteg utförs med fotoluminiscensmätteknik.

10. En integrerad krets, innefattande åtminstone en första och en andra anordning optiskt kopplade till varandra, kännetecknat av att nämnda integrerade krets är tillverkad genom att använda en metod enligt något av kraven 1-9. 2343lsec nya kramdoc; 01-01-24