TW202004242A - 具有多重配置的光柵耦合器 - Google Patents

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Abstract

本揭露係關於半導體結構，且更特定言之，係關於具多重配置的光柵耦合器及製造方法。一光柵耦合器結構包括：具有第一光柵耦合圖案之一多晶矽材料；具有第二光柵耦合圖案之一SiN材料；覆蓋該多晶矽材料及該SiN材料之一介電材料；及在該介電材料上方之一後道(a back end of line，BEOL)多層堆疊。

Description

具有多重配置的光柵耦合器
本揭露係關於半導體結構，且更特定言之，係關於具有多重配置的光柵耦合器及製造方法。
光柵耦合器通常用在用於耦合在積體晶載光子波導結構與光學纖維間之光的積體光學件中。該光柵耦合器可在任何位置將光耦合至晶片及耦合來自晶片之光，但由於該光柵耦合器之色散操作原理而使得頻寬受限。
光柵耦合器可用許多不同方式形成。例如，光柵耦合器可具有一單層SiN頂部包覆層(用於產品)或是無SiN包覆層(用於晶圓級測試)。由於該氮化物包覆層引致的額外反射使得具有氮化物頂部包覆層之光柵耦合器有耦合效率受限的問題。該未最佳化之SiN頂部包覆層將顯著地減少該光學裝置的整體耦合效率。
在本揭露之一態樣中，一光柵耦合器結構包含：具有第一光柵耦合圖案之一多晶矽材料；具有第二光柵耦合圖案之一SiN材料；覆蓋該多晶矽材料及該SiN材料之一介電材料；及在該介電材料上方之一後道(a back end of line，BEOL)多層堆疊。
在本揭露之一態樣中，一光柵耦合器結構包含：一半導體材料；一多晶矽材料，其嵌入於在該半導體材料上方之介電材料中且具有第一光柵耦合器圖案；一SiN材料，其嵌入於該介電材料中且位在該多晶矽材料上方，該SiN材料具有第二光柵耦合器圖案，其將光導引通過該多晶矽材料之第一光柵耦合器圖案；及在該介電材料上方之一後道(BEOL)多層堆疊。
在本揭露之一態樣中，一種方法包含：形成具有一光柵耦合器圖案之一多晶矽材料；在該多晶矽材料上方形成一SiN材料且具有一光柵耦合器圖案，其將光導引通過該多晶矽材料之光柵耦合器圖案；及在該SiN材料上方形成一後道(BEOL)多層堆疊。
10/10a/10b/10c‧‧‧結構
12‧‧‧半導體平板/Rx層
12a‧‧‧圖案
14/14a‧‧‧光柵耦合器
16/16a‧‧‧多晶矽材料
18‧‧‧SiN材料/襯裡材料
20‧‧‧介電材料
22‧‧‧介電材料
23‧‧‧SiN材料/SiN平台
24‧‧‧後道多層堆疊
26‧‧‧包覆層
27‧‧‧空間(溝槽)
112‧‧‧空間(溝槽)
本揭露參照所述之複數個圖式，藉由本揭露之具體實施例之非限制性實例描述於下文之實施方式中。
圖1顯示根據本揭露之態樣，除其它特徵外，具有SiN材料及一圖案化半導體材料的一光柵耦合器，以及各別之製造程序。
圖2顯示根據本揭露之其它態樣，除其它特徵外，具有一包覆層之圖1之結構，以及各別之製造程序。
圖3顯示根據本揭露之態樣，除其它特徵外，具有SiN材料及一未圖案化半導體材料的一光柵耦合器，以及各別之製造程序。
圖4顯示根據本揭露之其它態樣，除其它特徵外，具有一包覆層之圖3之結構，以及各別之製造程序。
圖5A-5D顯示根據本揭露之態樣，與圖1-4之結構之任一者一起使用之一光柵耦合器的不同配置，以及各別之製造程序。
本揭露係關於半導體結構，且更特定言之，係關於具多重配置的光柵耦合器及製造方法。更特定言之，該光柵耦合器為異質-光柵耦合器，其包括不同之多層配置以加強光進入一波導結構的耦合及/或反射。即，該光柵耦合器可包括一Rx層、多晶矽材料及SiN材料之不同配置以創造破壞性及/或建設性干涉來改善該光柵耦合器之效率。有利地，藉由使用本文所述之光柵耦合器，目前可提供高效可調諧之光柵耦合器，即改善之光柵耦合器(例如：多晶矽、KG、基於氮化物等等之裝置)效率，以用於除其它裝置外之Si光子技術及其它涉及光柵耦合器之光子技術。
在具體實施例中，本文所述之光柵耦合器為多層異質-光柵(hetero-grating)耦合器，其包含除了襯裡(lined)多晶矽材料外之在一BEOL堆疊之材料下之SiN材料。在具體實施例中，該SiN材料、該襯裡多晶矽材料及該下方Rx層可經圖案化成不同配置以提供改善之光柵耦合。此等圖案可包括具有週期性/非週期性光柵(例如：圖案化配置)之SiN材料及/或多晶矽材料，其將在目標波長範圍處之反射最小化。藉由將該多晶矽材料及該下方Rx層(例如：半導體層)與該SiN材料整合，可將更多光能耦合及限制在該光柵耦合器之Si光子波導內及外。此導致改善之耦合效率及減少之損失，其對於目前技術很重要。
本揭露之光柵耦合器可使用許多不同工具以許多方式製造。然而一般而言，該等方法及工具係用來形成尺寸呈微米及奈米規模之結構。用來製造本揭露之光柵耦合器之該等方法(即技術)已採用自積體電路(IC)技術。例如，該等結構建構在晶圓上，且實現為在一晶圓之頂部上藉由微影程序圖案化之材料膜。尤其，該光柵耦合器之製造使用三個基本建構區塊：(i)在一基板上沉積材料薄膜，(ii)藉由微影成像在該等膜之頂部施覆經圖案化之遮罩；及(iii)對該遮罩選擇性地蝕刻該等膜。
圖1顯示根據本揭露之態樣之具有一光柵耦合器及包覆層之一結構。更特定言之，圖1之結構10由位在一光柵耦合器14下之一圖 案化半導體平板12構成。該半導體平板12可為Si；但本文亦考量其它半導體材料。例如，該半導體平板12可由(但不限於)以下構成：Si、SiGe、SiGeC、SiC、GaAs、InAs、InP、及其它III/V或II/VI化合物半導體。該半導體平板12亦可為一絕緣體上矽(SOI)晶圓之部份，其中本文所述之該具體實施例中每一者包括在該半導體平板12上或之下(或在該SOI晶圓之上)形成之CMOS電子組件。
可藉由熟習本技術者已知之習知微影及蝕刻方法將該半導體平板12圖案化。例如，及參照該半導體平板12之圖案化，在該半導體平板12上方形成之一光阻經暴露於能量(光)中以形成一圖案(開口)。使用選擇性化學之一蝕刻程序(例如：反應離子蝕刻(RIE))將用來通過該光阻之開口部份在該半導體平板12內形成一或多個溝槽，例如：至某一所需深度中。接著可藉由一習知氧灰化程序或其它已知剝離劑來移除該光阻。在具體實施例中，該半導體平板12之圖案12a係與該光柵耦合器14對準；但本文亦考量其它配置。
除了一圖案化SiN材料23(例如：SiN平台(mesas)23)外，該光柵耦合器14由一圖案化多晶矽材料16構成，其以一SiN材料18襯裡。該添加之SiN材料與CMOS技術及其它目前之技術平台自然地整合。在具體實施例中，該光柵耦合器14之SiN材料23可具有在約100nm至3μm之範圍中的厚度。但應了解，該等層(例如：SiN材料)之厚度可不同，其中該等值較佳地落在以上提及之範圍中，取決於光之特定波長所需之該特定建設性或破壞性干涉而定。
該多晶矽材料16及SiN材料(平台)23可藉由熟習本技術者已知之習知微影及蝕刻方法圖案化。例如，在移除在該圖案化半導體平板12上方之光阻後，將一介電材料20(例如：氧化物)沉積在該圖案化半導體平板12上。在具體實施例中，該介電材料20可藉由一習知沉積方法，(例如：化學氣相沉積(CVD)程序)沉積。然後在該介電材料20上方沉積該光柵 耦合器14之多晶矽材料16，例如：使用CVD程序，接著使用如上述之該圖案化程序以形成獨立且不同之平台(島塊(island))。在圖案化該多晶矽材料16之後，以SiN材料18襯裡，該SiN材料18使用習知沉積方法(例如：CVD)來沉積。
再參照圖1，在該SiN材料18上方沉積介電材料22。然後在該介電材料22上方沉積SiN材料(例如：使用CVD程序)，接著使用圖案化程序以形成SiN平台23。在具體實施例中，該圖案化SiN材料(SiN平台)23及圖案化多晶矽材料(多平台)16可彼此對準或以一偏移配置或其它週期性或非週期性圖案提供，其取決於所需特性。在圖案化該SiN材料23之後，在該圖案化SiN材料23上方沉積額外之介電材料22，例如：使用CVD程序。在該介電材料22上方形成一後道(BEOL)多層堆疊24。該BEOL堆疊24可包括任何後道結構，例如：接線結構、互連等等。
圖2顯示除其它特徵外，具有一包覆層之圖1之結構。更特定言之，在圖2之結構10a中，SiN材料之包覆層26在該BEOL堆疊24上形成。在具體實施例中，該包覆層26可包括一或多層之圖案化或未圖案化SiN材料以將在該目標波長範圍處之反射最小化，且因此將該光柵耦合器之效率最佳化。熟習本技術者應了解，在操作上，來自一光纖之光將通過該包覆層26、BEOL堆疊24、光柵耦合器14及半導體平板12射入一波導結構內(未示出)。
圖3顯示除其它特徵外，具有SiN材料及一未圖案化半導體平板(Rx層)之一光柵耦合器。更特定言之，在圖3之結構10b中，該半導體平板(Rx層)12係一單片平板(例如：未圖案化)，其具有一平面或實質上平面之表面。圖3之其餘特徵(例如：光柵耦合器14及BEOL多層堆疊24)係與圖1所示相同，因此不需多加解釋以了解本揭露。
圖4顯示具有一包覆層26之圖3之結構。更特定言之，在圖4之結構10c中，該包覆層26沉積在該BEOL層24上。在具體實施例 中，該包覆層26可包括一或多層之圖案化或未圖案化SiN材料，如關於圖2所述。
圖5A-5D顯示該光柵耦合器之不同配置，其可用在圖1-4之結構之任何組合中。具體而言，在圖5A中，該光柵耦合器14包括經部份蝕刻之多晶矽材料16a(例如：使得該多晶矽材料不形成分開之多平台)。該SiN襯裡材料(例如：SiN材料18)係沉積在該部份圖案化多晶矽材料16a上方。該光柵耦合器14之SiN材料23係沉積在具有襯裡材料18之該多晶矽材料16a上方。在具體實施例中，可將該多晶矽材料16a及該SiN材料23圖案化以具有彼此對準之重覆、週期性光柵圖案。例如，該空間(溝槽)112之尺寸可為約300nm至20μm，其中該間距或週期「x」為約400nm至40μm。
如圖5B中所示，該圖案化SiN材料23可相對該多晶矽材料16a之圖案偏移。例如，該圖案化SiN材料(平台)23可具有與該圖案化多晶矽材料不同之間距(尺寸)。例如，如圖5B中所示，在部份地蝕刻該多晶矽材料16a之後，將該光柵耦合器14之SiN材料23圖案化以具有相對於該圖案化多晶矽材料(平台)16a偏移之一圖案。在具體實施例中，該圖案化SiN材料23亦可以一偏移圖案提供至一圖案化完全蝕刻多晶矽材料。因此，在具體實施例中，該圖案化SiN材料(平台)23可具有與該圖案化多晶矽材料16a不同之一間距(尺寸)；但本揭露亦考量不同之工作循環及/或相對於該圖案化多晶矽材料16a之位置。例如，該SiN材料可具有480nm之一間距及0.25之一工作循環；而該多晶矽材料可具有480nm之一間距及0.5之一工作循環。例如，與單獨使用多晶矽之一光柵耦合器相比，此配置可提供9.6%之透射率改善。
在圖5C中，該圖案化多晶矽材料16a及該圖案化SiN材料23各可具有一重覆、週期性之光柵圖案。例如，該空間(溝槽)27之尺寸可為約300nm至20μm，其中該間距或週期「x」為約400nm至40μm。在 具體實施例中，該圖案化材料16a、23可對準或偏移(例如：該圖案化層16a、23a之週期可相同或不同(如所示，例如：在圖5B中))，取決於針對光之一特定波長所需之該特定建設性或破壞性干涉而定。
在圖5D中，該光柵耦合器14之圖案化多晶矽材料16a可包括許多不同之形狀。例如，該圖案化多晶矽材料16之不同形狀可包括例如：梯形、倒梯形、三角形、半球形、菱形、平行四邊形、方形等，如在圖5D之分解插圖所示。
本文亦考量可將圖5A-5D之特徵之任何組合結合在一起。例如，該光柵耦合器14之多晶矽材料16a及該光柵耦合器之SiN材料之間距可不同，其一者可切趾或以一非規律週期性圖案提供，且另一者以重覆、週期性光柵圖案提供。
如上述之該等方法用於製造積體電路晶片。所得積體電路晶片可以原晶圓形式(即，作為一單一晶圓，其具有多個未封裝晶片)、作為一裸晶粒、或以封裝形式由製造者分配。在後者情況下，該晶片係安裝在一單晶片封裝中(諸如一塑膠載體，具有固定在母板或其它較高級載體之導線)或在一多晶片封裝中(諸如一陶瓷載體，其具有表面互連或埋入互連之任一者或兩者)。在任何情況下，該晶片接著與其它晶片、離散電路元件、及/或其它信號處理裝置整合為(a)一中間產品(諸如母板)，或(b)一最終產品任一者之部分。該最終產品可係任何產品，其包括積體電路晶片，範圍自玩具及其它低端應用至具有顯示器、鍵盤或其它輸入裝置及一中央處理器之進階電腦產品。
本揭露之各種具體實施例之描述已以說明之目的表示，但未意欲耗盡或限制於所揭露之該等具體實施例。在不背離所描述之具體實施例之範疇及精神下許多修正及變化對於熟習本技術者係顯而易見的。本文所用之術語經選擇以最佳說明該等具體實施例之原理、實際應用或市面上所見之技術上之技術改善，或使其他具有本領域之一般技能者可了解本文 所揭示之具體實施例。
10‧‧‧結構
12‧‧‧半導體平板
12a‧‧‧圖案
14‧‧‧光柵耦合器
16‧‧‧多晶矽材料
18‧‧‧SiN材料
20‧‧‧介電材料
22‧‧‧介電材料
23‧‧‧SiN材料
24‧‧‧後道多層堆疊

Claims (20)

  1. 一種光柵耦合器結構，其包含：具有第一光柵耦合圖案之一多晶矽材料；具有第二光柵耦合圖案之一SiN材料；覆蓋該多晶矽材料及該SiN材料之一介電材料；及在該介電材料上方之一後道(BEOL)多層堆疊。
  2. 如申請專利範圍第1項之光柵耦合器結構，其進一步包含：在該多晶矽材料之第一光柵耦合圖案及該SiN材料之第二光柵耦合圖案下之一半導體層。
  3. 如申請專利範圍第2項之光柵耦合器結構，其中該半導體層具有與該第一光柵耦合圖案及該第二光柵耦合圖案對準之一光柵耦合圖案。
  4. 如申請專利範圍第3項之光柵耦合器結構，其進一步包含直接在該BEOL多層堆疊上之一SiN包覆層。
  5. 如申請專利範圍第2項之光柵耦合器結構，其中該半導體層為未圖案化材料之一平板。
  6. 如申請專利範圍第5項之光柵耦合器結構，其進一步包含直接在該BEOL多層堆疊上之一包覆層結構。
  7. 如申請專利範圍第1項之光柵耦合器結構，其中該多晶矽材料之第一光柵耦合圖案為多晶矽平台。
  8. 如申請專利範圍第1項之光柵耦合器結構，其中該多晶矽材料之第一光柵耦合圖案係該多晶矽材料之一部份蝕刻通孔。
  9. 如申請專利範圍第1項之光柵耦合器結構，其中該SiN材料之第二光柵耦合圖案具有一週期性光柵圖案。
  10. 如申請專利範圍第1項之光柵耦合器結構，其中該SiN材料之第二光柵耦合圖案具有一非週期性光柵圖案。
  11. 如申請專利範圍第1項之光柵耦合器結構，其中該多晶矽材料之第一光柵耦合圖案係與該SiN材料之第二光柵耦合圖案對準。
  12. 如申請專利範圍第1項之光柵耦合器結構，其中該多晶矽材料之第一光柵耦合圖案及該SiN材料之第二光柵耦合圖案。
  13. 如申請專利範圍第1項之光柵耦合器結構，其中該多晶矽材料之第一光柵耦合圖案包括以下形狀中之一者：正方形、梯形、倒梯形、菱形、半球形、及平行四邊形。
  14. 一種光柵耦合器結構，其包含：一半導體材料；一多晶矽材料，其嵌入於在該半導體材料上方之介電材料中，且具有一第一光柵耦合器圖案；一SiN材料，其嵌入於該介電材料中且位於該多晶矽材料上方， 該SiN材料具有一第二光柵耦合器圖案，其將光導引通過該多晶矽材料之第一光柵耦合器圖案；及在該介電材料上方之一後道(BEOL)多層堆疊。
  15. 如申請專利範圍第14項之光柵耦合器結構，其中該半導體材料包括一光柵耦合器圖案。
  16. 如申請專利範圍第14項之光柵耦合器結構，其中該SiN材料具有一週期性及非週期性光柵圖案之一。
  17. 如申請專利範圍第16項之光柵耦合器結構，其中該多晶矽材料具有一週期性及非週期性光柵圖案之一。
  18. 如申請專利範圍第14項之光柵耦合器結構，其中該SiN材料之第二光柵耦合器圖案係與該多晶矽材料之第一光柵耦合器圖案對準。
  19. 如申請專利範圍第14項之光柵耦合器結構，其中該多晶矽材料之第一光柵耦合圖案包括以下形狀中之一者：正方形、梯形、倒梯形、菱形、半球形、及平行四邊形。
  20. 一種方法，其包含：形成具有一光柵耦合器圖案之一多晶矽材料；在該多晶矽材料上方形成一SiN材料且具有一光柵耦合器圖案，其將光導引通過該多晶矽材料之光柵耦合器圖案；及在該SiN材料上方形成一後道(BEOL)多層堆疊。
TW108115434A 2018-06-05 2019-05-03 具有多重配置的光柵耦合器與其製作方法 TWI715973B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

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