TW200537144A - Silicon optical device - Google Patents

Description

200537144 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於光學裝置，如光波導。 【先前技術】 光學裝置’如光學波導’可以在絕緣層上覆邦〇1)的薄 膜，以㈣體電路結構相容的組態製造。一種在其他地方 已被描述之可行的實施方式’涉及使用單晶則薄膜，以及 φ 在該s〇1薄膜上，沈積薄的多晶矽上層。在此一實作中，圖 案化該薄的多晶矽上層，以形成光波導元件，或者是以_ 薄膜來圖案化，以形成S0I/多種合成的光波導特徵。多晶 石夕也可單獨導引光線。可是，需要額外的結晶石夕以最小化 光學損失。 不幸地，現代的矽蝕刻系統與製程係最佳化來製備盘遮 ^薄膜尺寸緊密匹配的垂直特徵。對於製造先進微電= 多晶石夕閘極’此等垂直特徵是有效率與必要的，可是垂直 特徵的尖銳邊緣會使光學裝置結構（如，光波導）的^退 ^特別是應用於多晶♦薄膜時，使用這些㈣刻系統與 製程的圖案化，也會導致不規則的邊緣。 /、 根據本發明之一具體實施例之光學裝置，其具有 角的上層石夕或多晶石夕特徵。使上層碎多晶⑪特徵的邊 滑，改善了光學裝置（如光波導）的性能。 【發明内容】 根據本發明之一態樣，一種製造一光學裝置之方法，勹 括：形成光學裝置之矽島’使矽島具有側壁；…包 98929.doc 200537144 側壁形成矽分隔件，使矽島的邊角圓滑。 根據本發明之另一態樣，一種製造一光學裝置之方法， 包括：形成光學裝置之矽島，其中該矽島包括垂直的側壁； 及，沿著該矽島的垂直側壁，形成非晶系分隔件，以使矽 島的邊角圓滑。 、根據本發明之另一態樣，一種製造一光電積體電路之方 法，包括：在一S0I基板上形成一矽肋件，使一部分§⑺基 _ 板暴露出來，並使矽肋件具有側壁；在該SOI基板中植入一 井；在該矽肋件、該暴露之S0I基板，及該植入之井上面形 成一氧化物層；在該氧化物層上形成一矽層，·及，非均向 也钱刻。亥石夕層，以於該井上留下一閘極，與沿著該石夕肋件 的側壁留下矽分隔件，使矽肋件的邊角圓滑。 根據本毛a月之另一態樣，一種光學裝置包括一 SOI結構， AS0I結構上之—多晶碎特徵，及—％分隔件。該多晶石夕特 徵具有一上表面，垂直側壁，及接合該上表面與該等垂直 • 側土之邊角。沿著該垂直側壁，提供該矽分隔件，以使該 多晶矽特徵之邊角圓滑。 根據本發明之進—步態樣，-種光電裝置包括-SOI結 構Y 一形成於該S0I結構上之光學裝置，一電子裝置，與石夕 刀^件j光學裝置包括一表面與垂直側壁，以及接合該 表面…亥等側壁之邊角。該電子裝置係形成於該則結構 上。4石夕分隔件係沿著該等垂直側壁，以使該光學裝置之 邊角圓滑。 【實施方式】 98929.doc 200537144 如圖i所示，一種合成的光學裝置1〇首先係藉由在一s〇i 結構14上沈積一多晶矽層12來製造。在多晶矽層12與§〇工 結構14之間，可以視需要提供一薄的介電質，以協助限定 摻雜物，及促進多重圖案化。此一介電質可以是閘極氧化 物，並具有30_1〇〇埃的厚度。雖然不是必要的，但多晶矽 層12最好儘可能是結晶系的，以最小化損失，並且與s〇i 結構14的折射率相匹配，以允許光束從s〇I結構14進入多晶 矽層12之均勻的擴展。 該SOI結構14通常包含一矽操作晶圓（silic〇n handle wafer)16, 一形成於該矽操作晶圓上之嵌埋氧化物層18，與 一形成於該嵌埋氧化物層1 8上之矽層20。舉例來說，可以 用單晶矽形成該矽層20。舉例來說，該多晶矽層丨2的厚度 可以是1200-1600埃的數量級。同樣地，舉例來說，該s〇I 結構14的厚度可以是1200-1600埃的數量級。 如圖2所示’圖案化該多晶石夕層12以形成所需光學裝置之 適當特徵，如多晶矽肋件（poly-silicon ril3)22。就光波導而 言，圖案化該多晶矽層12以形成或促進光波導之光波導隔 層的形成。舉例來說，可以藉由在多晶矽層12上放置適當 的遮罩，並藉由施加一蝕刻劑，以移除多餘的多晶石夕，來 形成该多晶砍肋件22。可以相對於下面的（氧化的）soi結構 14，選擇性地蝕刻該多晶矽層12。為此，可以使用乾式钱 刻，如電漿，以最大化控制。 如圖3所示，氧化物層24係形成於該暴露之石夕層2〇與該多 晶石夕肋件22上面。舉例來說，該氧化物層24可以具有大約 98929.doc 200537144 30至100埃的厚度。在下述之後續蝕刻期間，該氧化物層％ 係作為颠刻終止層。該氧化物層24也可以提供閘極氧化物 a $成於5亥SOI結構14上的其他裝置。可是，也可視需要省 略该氧化物層24。在氧化物層24中，可以使用其他介電材 料（如氮化矽）來取代該氧化物。 如圖4所示，在該氧化物層24上，沈積一保角（conformal) 非晶系或多晶矽層。舉例來說，該保角非晶系或多晶矽層 φ 26的厚度，可以是2000至3000埃的數量級。如圖5所示，非 均向地蝕刻該保角非晶系或多晶矽層26，直到從所有水平 表面上移除該材料，並沿著原來多晶矽肋件22的側壁，遺 留下非晶系或多晶矽分隔件28與3〇。這些非晶系或多晶矽 分隔件28與30使多晶矽肋件22的邊角圓滑，因而降低光學 損失’並改善光學裝置1〇的性能。 上述的過程並不依賴一般製造設備中複雜的均向/非均 向蝕刻、氧化作用、可能造成損害的化學機械研磨（CMP)， • #物理賤鑛過程。上述的過程使用簡單的多晶或非晶系石夕 沈積法與非均向蝕刻過程，以產生具有所需之圓滑邊角的 合成碎結構。 用現代的製造工具，以和裝置相容的處理流程來製造具 有：：的邊角，及可接受之控制與重複性的光波導與其他 光子邊置，並不容易達成。矽蝕刻劑經設計與經調控以蝕 刻垂直的側壁特徵。舊的触刻腐餘技術利用包含與多晶石夕 不相谷之化學的氧化物，以氧化選擇性的要求。濕式钱刻 過程需要特殊的遮罩控制與石夕化物區域的保護，以及免於 98929.doc 200537144 不良控制與邊緣不均勻的緩衝區。氧化製程不會產生理邦、 的圓形。對圖案密度變化，需施用CMP技術。 可是，本文中所敘述之該等分隔件與形成該等分隔件的 過程，可以產生所需之圓滑的邊角，以及/或減少或消除本 文中所敘述之其他製程的問題。 分隔件可以沿著SOI或SOI/多晶矽波導的部分來施作，以 減少邊緣不均勻，並使邊角圓滑以最小化損失。分隔件對 鲁促進光線從SOI波導透射到合成的SOI/多晶矽波導，也是有 用的。 以上已經敘述本發明之某些修改。熟諳本發明技術之士 可能會有其他修改。舉例來說，本文中所敘述之製程，非 常相容於積體光電裝置的形成。視需要可以沈積與圖案化 該多晶矽層12，以形成該多晶矽肋件22，而其亦可於適當 的井區域上沈積與圖案化。該或該等井區域可以適當地植 入’並且可以成長適當的氧化物層（如氧化物層24)，以亦形 • 成一閘極氧化物。可以沈積、遮罩，或蝕刻該保角非晶系 或多晶矽層26，以不只形成該非晶系或多晶矽分隔件以與 30’而是形成一或更多電子裝置之閘極。 此外’因為本文所揭示之製程可以使用平面隔離，如幾 渠溝隔離技術，該非晶系或多晶矽分隔件28與30可以留在 多晶矽肋件22的周圍，而不妨礙該閘極圖案的精確性。接 著’該製程次序可以繼續遵循傳統的流程。 圖5顯不使用淺渠溝隔離技術，且於適當邊緣具有多晶矽 分隔件的光電裝置5〇。該光電裝置50係首先於一 s〇I結構54 98929.doc 200537144 上沈積一多晶矽層52來製造。在該多晶矽層52與§〇1結構之 間，可以視需要提供-薄的介電質，以協助限定播雜物， 並促進夕重圖案化。該SOI結構54包含一矽操作晶圓56，一 形成於该矽操作晶圓56上面之嵌埋氧化物層58，及一形成 於該嵌埋氧化物層58上面之矽層60。舉例來說，可以用單 晶矽來形成該矽層60。在矽層20中形成淺渠溝62與64，而 產生矽島66、68，與70。圖案化多晶矽層52，以形成光學 φ 裝置74之多晶矽肋件72與電子裝置78之多晶矽閘極76。: 此，在該矽島68上形成該多晶矽肋件72，並且在該矽島7〇 上形成該多晶矽閘極76。此外，該多晶矽肋件72與該多晶 石夕閘極76本身可以作為矽島，甚至多晶矽島。電子裝置78 也可以包含石夕化物區域80、82，與84，及氧化物分隔件86 與88。最後，該光學裝置74包含上述之多晶矽分隔件9〇與 92。此外，因為該光學裝置74與該電子裝置78的需求可能 不同，很難以相同的多晶矽層產生該等光學裝置與電子裝 • 置之閘極。如果是這樣的話，可以使用第二層多晶矽（分隔 件）來建構該等閘極。 如圖7所示，該光學裝置74之該矽島68的垂直邊緣，也可 具有多晶矽分隔件94與96。舉例來說，可以使用該矽島68 以亦導引光線。 除了光波導以外’本發明可以和其他光學裝置一起使 用。舉例來說，本發明也可以和光學模組、光學開關等， 一起使用。 因此，本發明之敘述應理解為說明，其目的在教導熟諳 98929.doc >10- 200537144 *之士以最佳模式實現本發明。其細節可實質上變更而 不脫離本u之精神，因此保留所有延伸中請專利範圍内 之修改的專用權利。 【圖式簡單說明】 當連同圖式，詳細思考本發明時，本發明之上述與其他 特徵及優點，將變得更顯而易見，其中： 圖κ兒明一 soi結構，其具有一形成於其上之多晶石夕層； 圖2說明圖案化之後，圖1之該多晶矽層； 圖3說明形成於圖2之暴露的矽層與圖案化的多晶矽層上 的氧化物層； 圖4說明沈積於圖3之氧化物層上面的第二保角 (conformal)非晶系或多晶矽層； 圖5說明蝕刻之後，遺留下來的多晶矽分隔件； 圖6說明具有分隔件之光電裝置的第一具體實施例，其係 根據本發明；及 圖7說明具有分隔件之光電裝置的第二具體實施例，其係 根據本發明。 【主要元件符號說明】 10, 74 光學裝置 12, 26, 52 多晶碎層 14, 54 SOI結構 16, 56 石夕操作晶圓（Silicon handle wafer) 20, 60 石夕層 18, 24, 58 氧化物層 98929.doc 200537144 22, 72 多晶石夕肋件（poly-silicon rib) 28, 30, 90, 92, 94, 96 多晶石夕分隔件（poly-silicon spacer) 50 光電裝置 66, 68, 70 矽島 76 多晶石夕閘極 62, 64 淺渠溝 78 電子裝置 80, 82, 84 矽化物區域 86, 88 氧化物分隔件 98929.doc -12-

Claims (1)

1. 200537144 十、申請專利範圍： κ 一種製造一光學裝置之方法，包括： 形成該光學裝置之矽島，使該矽島具有側壁；及 著。亥4側壁形成石夕分隔件，以使該石夕島之邊角圓滑。 2·如凊求項1之方法，其中該矽島包括一多晶矽島。 士叫求項2之方法，其中該多晶矽島係形成於一 s〇I結構 上。 4.如叫求項1之方法，其中該矽島包括一形成於一 SOI結構 之矽層上的矽島。 5· 士口月求項1之方法’其中該光學裝置包括一光波導，且其 中該矽島導引光線。 6. 如請求们之方法，其中該形成一石夕島包括在—_結構 上形成一矽肋件，使該801結構之一部分暴露出來，並使 該石夕肋件具有側壁，且其中該形成梦分隔件包括： 在該矽肋件與該暴露之s〇I基板上，形成一矽層·及 ;移除該矽層，以沿著該等側壁，提供矽分隔件，以使 6亥石夕肋件之邊角圓滑。 7. 二=項6之方法’其中該移除㈣層包括非均向地鞋刻 ::二：側壁留T該等”隔件™ 8·如請求項7之方法，其中在一 包括： S01基板上’形成-石夕肋件 在該SOI基板上，形成一多晶矽層； 遮罩該多晶石夕層；及 98929.doc 200537144 餘刻該多晶矽層，以形成一多晶矽肋件。 9·如请求項7之方法，其中在該矽肋件與該暴露之s〇i基板 上形成一石夕層包括： 在該肋件與該暴露之SOI基板上，形成一保角氧化物 層；及 在該氧化物層上，形成一保角多晶矽層。 1〇·如請求項9之方法，其中在一S0I基板上形成一矽肋件包 括： 在該SOI基板上形成一多晶矽層； 遮罩該多晶矽層；及 餘刻該多晶矽層，以形成一多晶矽肋件。 11·如請求項6之方法，其中在一S0I基板上形成一矽肋件包 括在一S01基板上形成一多晶矽肋件，使該S0I基板之 一部分暴露出來，並使該多晶矽肋件具有側壁。 12·如睛求項11之方法，其中該移除該碎層包括，非均向地

   钱刻特層，以沿著該等侧壁，留下該等石夕分隔件，而 使该多晶矽肋件之邊角圓滑。 13.如印求項6之方法，其中該光學裝置包括一光波導。 14·如請求項6之方法，其中該則基板包括一石夕操作晶圓， 在該石夕操作晶81上之嵌埋氧化物層，與在絲埋氧化物 層上面之單晶矽層。 15. 矽肋件包 晶發之一 如μ求項14之方法，其中在__基板上形成一 括在该單晶矽上形成一多晶矽肋件，使該單 ^ j、路出來，並使多晶梦肋件具有側壁。 98929.doc 200537144 16·如請求項15之方法，其中 蝕刻該矽居，VL ^包括，非均向 ”日矽θ /D者㈣側壁留下該等矽分隔件， 该夕日日矽肋件之邊角圓滑。 17. -種製造—光學裝置之方法，包括： 形成該光學裝置之矽島， • ’旬具中違矽島包括垂直 地 而使 壁；及 的側 矽分隔件 18.如請求項17之方法， 1Q , ^ , ε *中口亥石夕島包括—多晶石夕島。 .上…18之方法，其中該多晶矽島係形成於— S〇I結構 20. 之方法，其中該石夕島包括-形成於-S〇1、结構 之矽層中的矽島。 冉 21·Γ=項17之方法’其中該光學裝置包括-光波導，且 其中该矽島導引光線。 22·:請求項17之方法，其中該形成該石夕島包括在—⑽基板 开二成石夕肋件，其中該石夕肋件包括垂直側壁，且其 X形成非日日㈣分隔件包括沿著該石夕肋件之該等垂直 形成非晶系矽分隔件，以使該矽肋件之該等邊角 圓滑。 23=請求項22之方法，其中在—咖基板上形成-㈣件包 括· 在該s〇I基板上，形成一多晶石夕層； 遮罩該多晶硬層；及 98929.doc 200537144 蝕刻該多晶矽層，以形成一多晶矽肋件。 24·如請求項22之方法，1中带， 二 八T形成4非晶系矽分隔件包括·· 在該石夕肋件，該矽肋件之兮笙 料之㈣垂直側壁，與該暴露之 〇1基板上，形成一保角非晶矽層，·及 非均向地姓刻該非晶矽層， 曰/價 从/口者该矽肋件之該等侧 壁，留下該等非晶系矽分隔件，盆 刀㈨1干具使该矽肋件之該等邊 角圓滑。 25.

   該石夕肋件之該等 角非晶碎層包括： ，及該暴露之SOI 如請求項24之方法，其中在該矽肋件， 側壁，及該暴露之SOI基板上，形成一保 在6亥矽肋件，該矽肋件之該等側壁 基板上，形成一保角氧化物層；及 在该氣化物層 艰成一保角非晶矽層 •，_ f ^ / r cici /百 w 26.如請求項22之方法，盆中扃一ςητ苴化l / L 八甲在SOI基板上形成一石夕肋件包 括在该SOI基板上形成一多晶矽肋件。

   月東員26之方法，其中形成該非晶系石夕分隔件包括·· 在該石夕肋件，該石夕肋件之該等垂直侧壁，及該暴露之 SOI基板上，形成一保角非晶石夕層；及 ★非均向地㈣該非晶㈣，以沿著該多晶㈣件之該 等側壁’留下該非晶系碎分隔件，其使該多晶石夕肋件之 該等邊角圓滑。 28·如請求項22之方法，其中該s〇I基板包括一石夕操作晶圓， 該矽操作晶圓上面之嵌埋氧化物層，及該嵌埋氧化物層 上面之單晶;5夕層。 29·如請求項28之方法，其中在一s〇I基板上形成一矽肋件， 98929.doc 200537144 包括在該單晶矽層上形成一多晶矽肋件。 30·如請求項29之方法，其中形成該非晶系矽分隔件包括： 在該多晶石夕肋件，言亥多晶石夕肋件之該等垂直側壁，及 該暴露之單晶石夕層上面，形成一保角非晶系石夕層，·及 非均向地姓刻該非晶系石夕㉟，以沿著該多晶石夕肋件之 孩等側壁’留下该等非晶系矽分隔件，而使該多晶矽肋 件之該等邊角圓滑。 鲁31.如睛求項22之方法，其中該光學裝置包括一光波導。 32· —種製造一光電積體電路之方法，包括： 在s〇i基板上，形成一矽肋件，使該s〇I基板之一部 分暴露出來，並使該矽肋件具有側壁； 在該SOI基板中，植入一井； 在該石夕肋件，該暴露之則基板，及該植人之井上，形 成一氧化物層； 在該氧化物層上，形成一矽層 非=向地蚀刻該石夕層，以於該井上面留下一閑極，以 2者切肋件之該等側壁，留下石夕分隔件，而使該石夕 肋件之邊角圓滑。 二：求項32之方法，其中該石夕肋件包括-多晶石夕肋件。 35如^項32之方法，其中财分隔件包括多晶料隔件。 .隔;;求項32之方法’其中該^分隔件包括非晶系石夕分 36· 一種光學裝置，包括·· — SOI結構； 98929.doc 200537144 該SOI結構上之多 上表面，垂直側壁 邊角；及 3夕特後’丨中該多晶矽特徵具有， 與接合該上表面與該等垂直側壁之 分隔件，其使該多晶矽特徵之 其中該等矽分隔件包括多晶矽 沿著該等垂直側壁之石夕 該等邊角圓滑。 37. 如晴求項3 6之光學裝置， 分隔件。

   3 8 ·如請求項3 6之光學裝置 矽分隔件。 其中該等矽分隔件包括非晶系 39. —種光電裝置包括： 一 SOI結構； 形成於該s〇I結構上之光學 角 表面，垂直側壁，盈接人…:亥先學裝置包括 • /、接a该表面與該等垂直側壁之邊 形成於该SOI結構上之電子裝置·及 等:=:"側壁之”隔件’其使該光學裝置之該 40.=求項39之光學裝置，其中該梦分隔件包括多晶妙分 矽 41.:::項39之光學裝置’其中該㈣隔件包括非晶系 43·如請求項39之光學裝 之碎層中的石夕島。…先于破置包括獅I結構 形成於 ▲ Θ长項39之光學裝置，其中該光學裝置包括一 该SOI結構上之矽肋件。 98929.doc