TW202129324A - 用於光子晶片之溝槽式光學組件 - Google Patents
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Abstract
本發明提供包含波導心蕊之結構以及製造包含波導心蕊之結構的方法。介電層包含具有第一側壁和第二側壁之溝槽，以及波導心蕊位於溝槽的第一側壁和第二側壁之間的溝槽內。該波導心蕊具有第一寬度，而該溝槽具有在第一和第二側壁之間的第二寬度，且該第二寬度大於該第一寬度。
Description
本發明係關於光子晶片，尤其關於包含波導心蕊(core)之結構以及製造包含波導心蕊之結構的方法。
光子晶片被使用於許多應用和系統中，包含但不限於資料通訊系統(data communication system)和資料運算系統(data computation system)。光子晶片將光學組件(如波導心蕊和彎管)以及電子組件(如場效電晶體)整合成統一平台。除了其他因素，藉由將這兩種類型的組件整合成統一平台還可降低佈局區域、成本和營運開銷。
某些光子晶片可以包含光學組件，該光學組件的波導心蕊之高度配置在含有電子組件的層上方。在電子組件形成之後，這些波導心蕊可以在製造流程中形成。因此，用來形成這些波導心蕊的蝕刻製程可能因為不充分的遮罩而對電子組件產生不利的影響。
需要包含波導心蕊的改良結構以及製造包含波導心蕊的結構之方法。
在本發明的實施例中，一種結構包括介電層以及波導心蕊，該介電層包含具有第一側壁和第二側壁之溝槽，該波導心蕊位於該溝槽的第一和第二側壁之間的該溝槽內。該波導心蕊具有第一寬度，而該溝槽具有在第一側壁和第二側壁之間的第二寬度，該第二寬度大於該波導心蕊之第一寬度。
在本發明的實施例中，一種方法沉積介電層於基板上方，圖案化包含第一側壁和第二側壁之溝槽於介電層中，然後形成位於溝槽的第一和第二側壁之間的溝槽內的波導心蕊。該波導心蕊具有第一寬度，而該溝槽具有在第一側壁和第二側壁之間的第二寬度，該第二寬度大於該波導心蕊之第一寬度。
10:場效電晶體
12:裝置層
14:埋入絕緣體層
16:基板
18、36:波導心蕊
19、39:中心線
20、21、22、23、33、34、35、40:介電層
24:閘極電極
25、32:蝕刻遮罩
26:源極/汲極區
28:應力襯墊
30:溝槽
31、37:側壁
38:軌條
42:後段製程堆疊
d:距離
w1、w2、w3:寬度
結合在本說明書中並構成本說明書的一部分的附圖示例說明本發明的各種實施例，並且與上面所給出的本發明之概括描述以及下面所給出的詳細描述一起用以解釋本發明的該些實施例。在附圖中，相同的元件符號是用來指代各個視圖中的相似特徵。
圖1顯示依據本發明的實施例的包括在處理方法的初始製造階段之結構的光子晶片的剖面圖。
圖2顯示在處理方法的初始製造階段處之光子晶片之不同部分的剖面圖。
圖3、圖4分別顯示圖1、圖2的後續製造階段的剖面圖。
圖5、圖6分別顯示圖3、圖4的後續製造階段的剖面圖。
圖7、圖8分別顯示圖5、圖6的後續製造階段的剖面圖。
圖7A顯示圖7中大致上沿著線7-7之俯視圖。
圖9、圖10分別顯示圖7、圖8的後續製造階段的剖面圖。
圖11、圖12顯示依據替代實施例之結構的剖面圖。
請參照圖1、圖2並依據本發明的實施例，場效電晶體10可位於絕緣體上覆矽(SOI)晶圓之區中。該SOI晶圓可包含裝置層12、埋入絕緣體層14和藉由埋入絕緣體層14而與裝置層12分隔之基板16。埋入絕緣體層14可由介電材料組成，如二氧化矽，而裝置層12和基板16可由單晶半導體材料組成，如單晶矽。
波導心蕊18可位於SOI晶圓之不同區中。波導心蕊18可藉由微影和蝕刻製程而圖案化形裝置層12之單晶半導體材料來形成，其中蝕刻遮罩形成在裝置層12上方，而被遮罩的裝置層12係利用蝕刻製程來蝕刻，如反應性離子蝕刻。波導心蕊18定位成與埋入絕緣體層14直接接觸。波導心蕊18在其相對側壁之間的橫向方向上具有一寬度w1。如圖所示，波導心蕊18可具有脊狀構造。或者，波導心蕊18與多加的平板層(slab layer)能有肋狀構造。
波導心蕊18可埋入介電層20中。介電層20沉積在波導心蕊18和埋入絕緣體層14上方，然後藉由化學機械拋光平坦化來提供平坦的頂面。介電層20可由介電材料組成，如二氧化矽。介電層20也可用來提供場效電晶體10之裝置層12中的淺溝槽隔離。
介電層21、22、23可位於波導心蕊18和介電層20上方的異質多層堆疊。介電層22與介電層21、23可具有不同的組成物。在一實施例中，介電
層21、23可由例如二氧化矽組成，而介電層22可由例如氮化矽組成。介電層21的總厚度可以包括來自場效電晶體10的閘極介電層之一部分的貢獻，該部分也沉積在包含波導心蕊18和附加之沉積層的區中。厚度比介電層21或介電層22還厚的介電層23具有足夠的厚度在接下來的蝕刻製程期間保護場效電晶體10。在一實施例中，介電層23的厚度可在大約50奈米(nanometer)至大約500奈米的範圍內。
在替代實施例中，介電層22可從異質多層堆疊中省略，然後介電層21、23可結合成單一介電層，接著波導心蕊形成在該單一介電層上，如後所述。
使用前段製程CMOS處理所製造的場效電晶體10可包含閘極電極24和藉由沉積一層堆疊並使用光微影和蝕刻該層堆疊而形成的閘極介電質。閘極電極24可由閘極導體組成，如摻雜多晶體矽(即多晶矽)，而閘極介電質可由電絕緣體組成，如二氧化矽。場效電晶體10可包含其他元件，如源極/汲極區26、源極/汲極區26上之矽化物、暈狀區(halo region)、低摻雜汲極延伸、閘極電極24上之非導電性側壁間隔物以及由該區域上方及場效電晶體10之上的氮化矽組成的應力襯墊28。應力襯墊28是與介電層22不同的不同層。
請參照圖3、圖4，其中相同的元件符號表示圖1、圖2中類似的特徵，且在後續的製造階段，可在包含波導心蕊18的區中，在介電層23中圖案化溝槽30。為此，在SOI晶圓的兩個區中的介電層23上方藉由微影製程形成蝕刻遮罩32。介電層23之未遮罩區段係藉由蝕刻製程(如反應性離子蝕刻)來蝕刻並移除，從而形成溝槽30。在完全貫穿介電層23之後，蝕刻製程可經選擇而停止在介電層22之材料上。溝槽30可在其圖案化期間經選擇的相對的側壁31之
間具有一寬度w2，且寬度w2大於波導心蕊18之寬度。
請參照圖5、圖6，其中相同的元件符號表示圖3、圖4中類似的特徵，且在後續的製造階段，包含介電層33、34、35之異質層堆疊係形成在SOI晶圓之區上方。介電層34可由不同於介電層33、35的介電材料組成。在一實施例中，介電層33、35可由例如二氧化矽組成，而介電層34可由例如氮化矽組成。在替代的實施例中，層34可由不同種類的材料組成，如多晶體矽(即多晶矽)，而不是介電材料。介電層34可明顯地比介電層33、35任一者厚。
在SOI晶圓的兩個區中的介電層35上方，藉由微影製程形成蝕刻遮罩25。蝕刻遮罩25具有被選擇來確定之後被蝕刻的介電層34之尺寸的寬度，如後所述。
請參照圖7、圖7A、圖8，其中相同的元件符號表示圖5、圖6中類似的特徵，且在後續的製造階段，介電層35可以在被蝕刻遮罩25遮罩的同時藉由蝕刻製程圖案化，以形成具有蝕刻遮罩25之給定尺寸並位於介電層34上方的硬遮罩。在剝離蝕刻遮罩25之後，接著藉由蝕刻製程來圖案化介電層34以形成具有硬遮罩之尺寸的波導心蕊36。藉由蝕刻製程從包含波導心蕊18、36的SOI晶圓的區中移除介電層34之未遮罩部分。藉由蝕刻製程從包括場效電晶體10之SOI晶圓的區中完全移除介電層34、35兩者。蝕刻製程可以在溝槽30內的介電層33之材料上停止，並且在溝槽30外的介電層23和33上停止。
波導心蕊36可以直接位於波導心蕊18上方，並且介電層21、22和介電層33介於它們之間。波導心蕊36具有側壁37和寬度w3，寬度w3代表將相對的側壁37分開的距離。波導心蕊36位於溝槽30之側壁31之間，且波導心蕊36之相對的側壁37與各自最接近之溝槽30的側壁31分隔有一距離d。在
一實施例中，波導心蕊36可以對稱地位於溝槽30之側壁31之間，而相對的側壁37與最接近的溝槽30之側壁31間隔開基本相等的距離。溝槽30之側壁31與波導心蕊36之側壁37的間隔關係定義出配置在相鄰對的側壁31和37之間的未填充間隙。
波導心蕊18的中心線19可以排列成平行於或基本上平行於波導心蕊36的中心線39。如果對稱設置，波導心蕊18的中心線19可橫向定位(例如：在z方向)而朝垂直方向(例如：y方向)置放在波導心蕊36的中心線39正上方。在替代實施例中，波導心蕊36可非對稱地位於溝槽30之側壁31之間。
在一實施例中，波導心蕊36的寬度可大於波導心蕊18的寬度。在一實施例中，溝槽30的寬度可以是在使用期間將傳播通過波導心蕊36並由波導心蕊36引導的光的波長的大約1倍至大約3倍的範圍內。在一實施例中，溝槽30的寬度可以是在使用期間將傳播通過波導心蕊36並由波導心蕊36引導的光的波長的大約1.2倍至大約2.3倍的範圍內。例示性的光之波長可在400奈米到1260奈米的範圍內。
由介電層34之介電材料組成的殘餘軌條38藉由蝕刻製程形成為在介電層23中之溝槽30的下方角落中的介電層22上之缺陷或偽影(artifact)。軌條38代表不容易藉由蝕刻製程移除之介電層34的介電材料。溝槽30之寬度與波導心蕊36之寬度經過選擇，使得軌條38能從波導心蕊36橫向偏移最小距離。介電層23中的溝槽30消除了在波導心蕊18上方之介電層23的厚度，以增進波導心蕊18和36之間的有效耦合，同時在形成波導心蕊36時增加對場效電晶體10的保護以防止蝕刻損害。可以選擇軌條38和波導心蕊18、36之間的偏移距離，以使得軌條38在使用期間對波導心蕊18和波導心蕊36之間的光學耦
合的影響可以忽略。
波導心蕊36提供了可以用作波導的一部分的光學組件，以在光子晶片上路由光信號。替代地，波導心蕊36也可以體現在不同類型的光學組件中，像是共振器或光學開關。在一實施例中，波導心蕊36可以體現為沿著其長度漸縮的波導錐、曲線的波導彎曲件(waveguide bend)或筆直的波導區段，並且可以調整溝槽30的形狀以反映特定形狀。
請參照圖9、圖10，其中相同的元件符號表示圖7、圖8中類似的特徵，且在後續的製造階段，介電層40形成在介電層23上方以及在波導心蕊36上方的溝槽30內。介電層40可由介電材料組成，如二氧化矽，並藉由化學氣相沉積來沉積。舉例來說，介電層40可由使用臭氧(ozone)和四乙氧基矽烷(tetraethylorthosilicate,TEOS)作為反應物藉由化學氣相沉積所沉積之二氧化矽組成。介電層40可以是層間介電層，其包含延伸至光子晶片上的電子組件(如場效電晶體10)的接點。
一般藉由元件符號42標示的後段製程堆疊可形成在介電層40上方。後段製程堆疊42可包含由介電材料(如摻雜二氧化矽)組成之一或多個層內介電層。後段製程堆疊42也可包含佈線，佈線係由例如銅、鎢或是鈷組成，佈線可配置在一或多個層內介電層中並耦合至介電層40中的接點。
請參照圖11，其中相同的元件符號表示圖9中類似的特徵且根據替代實施例，波導心蕊18可重新配置於介電層20內，使得波導心蕊18將不再位於波導心蕊36正下方。波導心蕊18和波導心蕊36之間的橫向偏移可有效的預防波導心蕊18和波導心蕊36之間的光學耦合。
請參照圖12，其中相同的元件符號表示圖9中類似的特徵且根據
替代實施例，介電層22可從結構中消除。當介電層23被圖案化來提供波導心蕊36時，介電層33也可被消除，因為介電層21作用為蝕刻停止。波導心蕊36定位成與介電層22直接接觸。波導心蕊36位在波導心蕊18正上方，其中只有介電層21介於它們兩者之間。介電層21可加厚來提供波導心蕊18與波導心蕊36之間足夠的分隔。
如上所述的方法係用於積體電路晶片的製造中。製造者可以原始晶圓形式(例如，作為具有多個未封裝晶片的單一晶圓)、作為裸晶片(bare die)、或者以封裝形式來分配所得的積體電路晶片。可將該晶片與其它晶片、分立電路元件和/或其它信號處理裝置整合，作為中間產品或最終產品的部分。該最終產品可為包括積體電路晶片的任意產品，例如具有中央處理器的電腦產品或智慧型手機。
本文中引用的由近似語言例如“大約”、“大致”及“基本上”所修飾的術語不限於所指定的精確值。該近似語言可對應於用以測量該值的儀器的精度，且除非依賴於該儀器的精度，否則可表示所述值的+/-10%。
本文中引用術語例如“垂直”、“水平”等作為示例來建立參考框架，並非限制。本文中所使用的術語“水平”被定義為與半導體基板的傳統平面平行的平面，而不論其實際的三維空間取向。術語“垂直”及“正交”係指垂直於如剛剛所定義的水平的方向。術語“橫向”係指在該水平平面內的方向。
與另一個特徵“連接”或“耦合”的特徵可與該另一個特徵直接連接或耦合，或者可存在一個或多個中間特徵。如果不存在中間特徵，則特徵可與另一個特徵“直接連接”或“直接耦合”。如存在至少一個中間特徵，則特徵可與另一個特徵“間接連接”或“間接耦合”。在另一個特徵“上”或與其“接觸”的特徵可直接
在該另一個特徵上與其直接接觸，或者可存在一個或多個中間特徵。如果不存在中間特徵，則特徵可直接在另一個特徵“上”或與其“直接接觸”。如存在至少一個中間特徵，則特徵可“間接”在另一個特徵“上”或與其“間接接觸”。
對本發明的各種實施例所作的說明是出於示例目的，而非意圖詳盡無遺或限於所揭示的實施例。許多修改及變更對於本領域的普通技術人員將顯而易見，而不背離所述實施例的範圍及精神。本文中所使用的術語經選擇以最佳解釋實施例的原理、實際應用或在市場已知技術上的技術改進，或者使本領域的普通技術人員能夠理解本文中所揭示的實施例。
14:埋入絕緣體層
16:基板
18、36:波導心蕊
20、21、22、23、33、35、40:介電層
31、37:側壁
38:軌條
42:後段製程堆疊
Claims (20)
- 一種結構，包含：第一介電層，包含具有第一側壁和第二側壁的溝槽；以及第一波導心蕊，位於該溝槽之該第一側壁和該第二側壁之間的該溝槽內，其中，該第一波導心蕊具有第一寬度，以及該溝槽具有介於該第一側壁與該第二側壁之間的第二寬度，該第二寬度大於該第一寬度。
- 如請求項1所述的結構，其中，該溝槽的該第二寬度等於將被該第一波導心蕊引導的光之波長的大約1倍至大約3倍。
- 如請求項1所述的結構，其中，該第一波導心蕊對稱地位於該溝槽的該第一側壁與該第二側壁之間。
- 如請求項1所述的結構，進一步包括：第二介電層，在該第一介電層下方；以及第二波導心蕊，在該第二介電層中。
- 如請求項4所述的結構，其中，該第二波導心蕊位於該第一波導心蕊正下方。
- 如請求項4所述的結構，其中，該第二波導心蕊從該第一波導心蕊橫向偏移。
- 如請求項4所述的結構，進一步包括：多層堆疊，配置在該第一波導心蕊和該第二波導心蕊之間，該多層堆疊係包含由第一介電材料組成的第三介電層以及由具有不同於該第一介電材料的組成物之第二介電材料組成的第四介電層。
- 如請求項4所述的結構，其中，該第一波導心蕊係由氮化矽組成。
- 如請求項8所述的結構，其中，該第二波導心蕊係由單晶矽組成。
- 如請求項1所述的結構，其中，該第一介電層係具有大約50奈米至大約500奈米的厚度。
- 如請求項1所述的結構，其中，該第一波導心蕊係由氮化矽組成。
- 如請求項1所述的結構，其中，該第一波導心蕊位於基板之第一區中，且進一步包括：場效電晶體，位於該基板之第二區中，其中，該第一介電層中之該溝槽係位於該基板之該第一區上方，而該第一介電層係位於該基板之該第二區中的該場效電晶體上方。
- 如請求項12所述的結構，其中，該第一介電層具有大約50奈米至大約500奈米的厚度。
- 一種方法，包括：在基板上方沉積第一介電層；在該第一介電層中圖案化溝槽，該溝槽包含第一側壁和第二側壁；以及形成位於該溝槽之該第一側壁和該第二側壁之間的該溝槽內的第一波導心蕊，其中，該第一波導心蕊具有第一寬度，以及該溝槽具有介於該第一側壁與該第二側壁之間的第二寬度，該第二寬度大於該第一寬度。
- 如請求項14所述的方法，其中，第二介電層位於該第一介電層下方，以及第二波導心蕊位於該第二介電層下方。
- 如請求項15所述的方法，其中，該第二波導心蕊位於該第一波導心蕊正下方。
- 如請求項14所述的方法，其中，形成位於該溝槽之該第一側壁和該第二側壁之間的該溝槽內的該第一波導心蕊包括：沉積填充該溝槽的一層；以及圖案化該層以形成該第一波導心蕊。
- 如請求項17所述的方法，其中，該層係由氮化矽組成。
- 如請求項17所述的方法，其中，該第一波導心蕊位於該基板之第一區中，該層使用蝕刻製程進行圖案化，並且進一步包括：在該基板之第二區中形成場效電晶體，其中，在該蝕刻製程期間，該第一介電層中之該溝槽係位於該基板之該第一區上方，以及該第一介電層係位於該基板之該第二區中的該場效電晶體上方。
- 如請求項14所述的方法，其中，該溝槽的該第二寬度等於將被該第一波導心蕊引導的光之波長的大約1倍至大約3倍，以及該第一波導心蕊對稱地位於該溝槽之該第一側壁與該第二側壁之間。
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