TWI483414B - 光電元件及其形成方法 - Google Patents

Description

光電元件及其形成方法

本發明是有關於一種半導體元件及其形成方法，且特別是有關於一種光電元件及其形成方法。

光電元件包括光學元件及電子元件，其中光學元件包括從光纖接收光訊號的耦合器(coupler)，接受並傳送光訊號的光波導(optical waveguide)等，且電子元件包括控制光波導的金氧半(MOS)元件。金氧半元件控制光波導以將光訊號轉換為電子訊號供其他電子元件使用。

習知的作法是將電子元件如金氧半元件形成在一晶片上，而光學元件如耦合器及光波導形成在另一晶片上，然後利用導線將其連接。然而，此種作法不但佔面積且系統複雜，故將金氧半元件與耦合器及光波導形成在單一晶片上，引起業者高度注意。

目前，於絕緣體上有矽(silicon-on-insulator；SOI)基板上形成光波導的技術已經相當成熟。然而，如果將金氧半元件形成於SOI基板上，需要重新微調(fine tune)金氧半元件的模型試驗(modeling)，其費時、費工且不具經濟效益。因此，需要一種能將光波導與金氧半元件形成在整體矽(bulk-Si)基底上的方法。

有鑑於此，本發明提供一種光電元件，可以將光波導、耦合器及金氧半元件有效地整合在單一晶片上。

本發明提供一種光電元件的形成方法，可以利用現有的製程將光波導、耦合器及金氧半元件形成於整體矽基底上。

本發明提供一種光電元件，包括基底、半船型材料層、深溝渠隔離結構及光波導。基底具有第一區。半船型材料層配置於第一區之基底中。半船型材料層的折射率小於基底的折射率。半船型材料層的頂面與基底的表面齊平。深溝渠隔離結構配置於第一區之基底中，且位於半船型材料層之頭部的一側。光波導配置於第一區之基底上。光波導與部份深溝渠隔離結構及至少部份半船型材料層重疊。

依照本發明之一實施例所述，上述之基底包括整體矽基底。

依照本發明之一實施例所述，上述之半船型材料層的材料包括SiO_x 。

依照本發明之一實施例所述，上述之光波導的材料包括多晶矽、非晶矽或單晶矽。

依照本發明之一實施例所述，上述之深溝渠隔離結構的深度為微米級。

依照本發明之一實施例所述，上述之深溝渠隔離結構與半船材料層分開一距離或互相緊鄰。

依照本發明之一實施例所述，雷射經由光纖耦接至上述之半船型材料層的尾部。

依照本發明之一實施例所述，上述之基底更包括第二區，且第一區與第二區以淺溝渠隔離結構互相分開。

依照本發明之一實施例所述，上述之光電元件更包括配置於第二區之基底上的金氧半元件。

本發明另提供一種光電元件的形成方法。首先，提供具有第一區之基底。然後，在第一區的基底中形成半船型材料層，其中半船型材料層的折射率小於基底的折射率。半船型材料層的頂面與基底的表面齊平。於第一區之基底中形成深溝渠隔離結構。深溝渠隔離結構形成於半船型材料層之頭部的一側。於第一區之基底上形成光波導。光波導與部份深溝渠隔離結構及至少部份半船型材料層重疊。

依照本發明之一實施例所述，形成上述半船型材料層的方法包括對基底進行多數次的離子植入製程，以於第一區之基底中形成階梯狀的多數個離子植入區

依照本發明之一實施例所述，上述之各離子植入製程包括O⁺ 離子植入製程。

依照本發明之一實施例所述，上述之各離子植入製程的植入劑量為約10¹⁴ ~10²¹ 原子/平方公分。

依照本發明之一實施例所述，形成上述半船型材料層的方法更包括進行回火製程，使得離子植入區擴散而形成半船型材料層。

依照本發明之一實施例所述，上述之基底包括整體矽基底。

依照本發明之一實施例所述，上述之光波導的材料包括多晶矽、非晶矽或單晶矽。

依照本發明之一實施例所述，上述之深溝渠隔離結構的深度為微米級。

依照本發明之一實施例所述，上述之深溝渠隔離結構與該半船型材料層分開一距離或互相緊鄰。

依照本發明之一實施例所述，上述之基底更具有第二區，且第一區與第二區以淺溝渠隔離結構互相分開。

依照本發明之一實施例所述，上述之光電元件的形成方法更包括於第二區之基底上形成金氧半元件。

依照本發明之一實施例所述，於形成上述之光波導的步驟中，同時形成金氧半元件之閘極。

依照本發明之一實施例所述，於形成上述光波導的步驟之後，形成金氧半元件。

基於上述，本發明的光電元件可以將光波導、耦合器及金氧半元件有效地整合在單一晶片上，減低佔用面積及簡化系統。此外，本發明之光電元件的形成方法利用現有之半導體設備，即可以將光波導、耦合器及金氧半元件形成於整體矽基底上，其製程簡單、容易、具有競爭性。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖1為根據本發明一實施例所繪示之光電元件的剖面示意圖。

請參照圖1，光電元件100包括基底102、半船型材料層106、深溝渠隔離結構108及光波導110。基底102例如是整體矽基底。基底102具有第一區104a及第二區104b。第一區104a是用來形成光學元件如光波導110及耦合器118。第二區104b是用來形成電子元件如金氧半元件(MOS)130。第一區104a與第二區104b例如是以淺溝渠隔離結構101互相分開。

半船型材料層106配置於第一區104a之基底102中。半船型材料層106的立體示意圖如圖2所示，圖1中的半船型材料層106是沿著圖2之I-I'剖面所示，因此呈L型帶狀。半船型材料層106的折射率小於基底102的折射率。在一實施例中，半船型材料層106的材料包括SiO_x ，且半船型材料層106是由O⁺ 離子植入製程所形成。只要半船型材料層106的材料折射率能夠小於基底102的折射率，半型材料層106的材料亦可由其他離子的植入所製作而成，例如植入氮原子而獲得氮化矽。此外，半船型材料層106的頂面105與基底102的表面齊平。半船型材料層106的頭部(bow portion)107具有一斜面107a，且半船型材料層106的斜面107a與其頂面105(或基底102之表面)的夾角θ小於約30度。另外，雷射光由半船型材料層106的尾部(stern portion)109進入。

深溝渠隔離結構108配置於第一區104a之基底102中，且位於半船型材料層106之頭部107的一側。深溝渠隔離結構108的深度為微米級。在一實施例中，深溝渠隔離結構108的深度例如為約2微米。此外，依設計需要，深溝渠隔離結構108可以與半船型材料層106分開一距離(如圖1所示)或彼此緊鄰(如圖3所示)。

光波導110配置於第一區104a之基底102上，與部份深溝渠隔離結構108及至少部份半船型材料層106重疊。在一實施例中，光波導110可以與部份半船型材料層106重疊，如圖1所示。在另一實施例中，光波導110也可以與全部的半船型材料層106重疊，如圖3所示。光波導110的材料可以包括多晶矽、非晶矽或單晶矽。在一實施例中，也可以於光波導110與基底102之間配置絕緣層112。絕緣層112的材料例如是氧化矽。

此外，光電元件100更包括配置於第二區104b的金氧半元件130。金氧半元件130包括絕緣層120、閘極122、間隙壁124及源極與汲極區126。閘極122配置於基底102上。絕緣層120配置於閘極122與基底102之間。間隙壁124配置於閘極122的側壁上。源極與汲極區126包括淡摻雜區125及濃摻雜區127，且源極與汲極區126配置於間隙壁124兩側的基底102中。當然，第二區104b可以更包括金氧半元件130的矽化金屬層及其上的內連線結構如接觸窗、介層窗、層間介電層及金屬層等，均為本領域具有通常知識者所熟知的構件，故於此省略未繪示。

另外，光電元件100更包括介電層132。介電層132配置於基底102上，且覆蓋光波導110及金氧半元件130。介電層132的材料例如是氧化矽或氮化矽。

特別要說明的是，由於介電層132的材料為氧化矽，且半船型材料層106的材料為SiO_x ，兩者的折射率均低於矽基底102的折射率，所以雷射光由半船型材料層106的尾部109進入後，會被介電層132及半船型材料層106全反射，最後進入光波導110。也就是說，介電層132、半船型材料層106、及位於其中的基底102形成一個耦合器118，可以將光有效地聚集並導入光波導110。此處，雖然光波導110與基底102之間配置絕緣層112，但因為絕緣層112的厚度很薄(小於100埃)，因此並不會改變雷射光進入光波導110的路徑。

於單一晶片上完成第一區104a之光波導110與耦合器118及第二區104b之金氧半元件130後，藉由封裝製程將雷射140經由光纖138耦接至船型材料層106的尾部109，以完成此光電元件100的封裝製作，請參照圖4的上視簡化示意圖。

在上述的實施例中，是以第二區為用來形成金氧半元件為例來說明之，但本發明並不以此為限。本領域具有通常知識者應了解，第二區也可以用來形成其他的電子元件，如電阻器、電容器或其他場效電晶體等。

以下，將說明本發明之光電元件的形成方法。圖5A至5D為根據本發明第一實施例所繪示之光電元件之形成方法的剖面示意圖。

首先，請參照圖5A，提供基底102。基底102例如是整體矽基底。基底102具有第一區104a及第二區104b。第一區104a是用來形成光學元件如光波導110及耦合器118。第二區104b是用來形成電子元件如金氧半元件130。接著，對基底102進行多數次的離子植入製程，以於第一區104a之基底102中形成階梯狀的多數個離子植入區106a~106e。離子植入區106a~106e的立體示意圖如圖6所示，其中，離子植入區106a~106d呈環狀以形成半船型材料層106的頂面及側面，而離子植入區106e成片狀以形成半船型材料層106的底面。在一實施例中，各離子植入製程例如是O⁺ 離子植入製程。O⁺ 離子植入製程的植入劑量例如是約10¹⁴ ~10²¹ 原子/平方公分，且其植入能量可以依植入深度而調整。

在上述的實施例中，離子植入區106a~106e彼此分開，其分開的距離以經回火後離子植入區106a~106e的擴散範圍可以彼此重疊為標準。當然，離子植入區106a~106e也可以互相緊鄰。此外，離子植入製程的次數、順序、劑量和能量都可以依設計需要而做調整，並不以此實施例為限。另外，離子植入的種類也不以O⁺ 離子為限，只要能改變基底102的折射率使得經回火後形成的半船型材料層106的折射率低於基底102的折射率即可，例如可植入氮原子以形成氮化矽材料層。

然後，請參照圖5B，選擇性地進行一回火製程，使得離子植入區106a~106e擴散而形成半船型材料層106。亦可選擇省略此回火製程，而利用後續形成深、淺溝渠隔離結構108、101時的高溫順便對植入區106a~106e進行擴散回火。半船型材料層106的立體示意圖如圖2所示。半船型材料層106的材料例如是SiO_x 。此外，半船型材料層106的頂面105與基底102的表面齊平。半船型材料層106的頭部107具有一斜面107a，且半船型材料層106的斜面107a與其頂面105(或基底102的表面)的夾角θ小於約30度。

接著，於基底102中形成至少一淺溝渠隔離結構101。第一區104a及第二區104b例如是以淺溝渠隔離結構101互相分開。形成淺溝渠隔離結構101的方法包括於基底102上依序形成罩幕層(未繪示)及圖案化光阻層(未繪示)。然後，以圖案化光阻層為罩幕，移除部份的罩幕層，以形成圖案化罩幕層。接著，以圖案化罩幕層為罩幕，移除部份的基底102，以形成淺溝渠113。之後，於淺溝渠113內填入隔離層115，以形成淺溝渠隔離結構101。繼之，移除圖案化罩幕層。

之後，於第一區104a之基底102中形成深溝渠隔離結構108。深溝渠隔離結構108形成於半船型材料層106的頭部107的一側。形成深溝渠隔離結構108的方法包括於基底102上依序形成罩幕層(未繪示)及圖案化光阻層(未繪示)。然後，以圖案化光阻層為罩幕，移除部份的罩幕層，以形成圖案化罩幕層。接著，以圖案化罩幕層為罩幕，移除部份的基底102，以形成深溝渠117。之後，於深溝渠117內填入隔離層119，以形成深溝渠隔離結構108。繼之，移除圖案化罩幕層。深溝渠隔離結構108的深度為微米級。在一實施例中，深溝渠隔離結構108的深度例如為約2微米。在此實施例中，是以深溝渠隔離結構108與半船型材料層106分開一距離為例來說明之，但本發明並不以此為限。在另一實施例中，也可以將深溝渠隔離結構108與半船型材料層106設計為彼此緊鄰，如圖3所示。

上述之深、淺溝渠隔離結構108、101及半船型材料層106的形成順序可依不同的製程考量而調整，可先形成深、淺溝渠隔離結構108、101再形成半船型材料層106，且亦可改變深、淺溝渠隔離結構108、101的形成順序。半船型材料層106的回火步驟可選擇在深、淺溝渠隔離結構108、101形成前進行，或省略回火步驟而等到後續井區回火、汲極/源極回火時順便對植入區106a~106e進行擴散回火。

繼之，請參照圖5C，於基底102上依序形成絕緣材料層119、導體層121及圖案化光阻層123。絕緣材料層119的材料例如是氧化矽，且其形成方法例如是進行熱氧化法及利用遮罩進行圖案化方法。導體層121的材料例如是多晶矽，且其形成方法例如是進行化學氣相沉積法。

接著，請參照圖5D，以圖案化光阻層123為罩幕，依序蝕刻導體層121及絕緣材料層119，以於第一區104a之基底102上形成絕緣層112與光波導110，以及於第二區104b之基底102上形成絕緣層120及閘極122。光波導110與部份深溝渠隔離結構108及至少部份半船型材料層106重疊。在此實施例中，是以光波導110與部份半船型材料層106重疊為例來說明之，但本發明並不以此為限。在另一實施例中，光波導110也可以與全部的半船型材料層106重疊，如圖3所示。然後，移除圖案化光阻層123。至此，於第一區104b上完成光波導110及耦合器118的製作。

然後，請繼續參照圖5D，於第二區104b繼續金氧半元件130的製作。於閘極122兩側的基底102中形成淡摻雜區125。於閘極122的側壁上形成間隙壁124。於間隙壁124兩側的基底102中形成濃摻雜區127。對摻雜區進行回火以活化摻雜區中的摻質。淡摻雜區125及濃摻雜區127形成源極與汲極區126。於基底102上形成介電層132，以覆蓋金氧半元件130及光波導110。上述之間隙壁124、源極與汲極區126、介電層132及其他未繪示之矽化金屬層、接觸窗、介層窗、層間介電層及金屬層等均為本領域具有通常知識者所熟知的構件，故其使用材料及形成方法於此不再贅述。至此，完成本發明之光電元件100的製作，其中第一區104a包括光波導110及耦合器118，第二區104b包括金氧半元件130，雷射光經由耦合器118導入光波導110，以進行後續的處理。

在第一實施例中，是以於形成光波導110的步驟中，同時形成金氧半元件130之閘極120為例來說明之，但本發明並不以此為限。也可以於形成光波導110的步驟之後，才形成金氧半元件130，如第二實施例所述。以下，將描述第一實施例與第二實施例之不同之處，相同處則不再贅述。圖7A至7C為根據本發明第二實施例所繪示之光電元件之形成方法的剖面示意圖。

首先，提供如圖5B的中間結構。然後，請參照圖7A，於基底102上依序形成絕緣材料層119、導體層121及圖案化光阻層125。絕緣材料層119的材料例如是氧化矽，且其形成方法例如是進行熱氧化法。導體層121的材料例如是多晶矽、非晶矽或單晶矽，且其形成方法例如是進行化學氣相沉積法。

接著，請參照圖7B，以圖案化光阻層125為罩幕，依序蝕刻導體層121及絕緣材料層119，以於第一區104a之基底102上形成絕緣層112與光波導110。光波導110與部份深溝渠隔離結構108及至少部份半船型材料層106重疊。然後，移除圖案化光阻層125。至此，於第一區104b上完成光波導110及耦合器118的製作。

之後，請參照圖7C，於第二區104b形成金氧半元件130。於基底102上依序形成絕緣層120及閘極122。於閘極122兩側的基底102中形成淡摻雜區125。於閘極122的側壁上形成間隙壁124。於間隙壁124兩側的基底102中形成濃摻雜區127。淡摻雜區125及濃摻雜區127形成源極與汲極區126。於基底102上形成介電層132，以覆蓋金氧半元件130及光波導110。至此，完成本發明之光電元件100的製作。

综上所述，本發明的光電元件可以將光波導、耦合器及金氧半元件有效地整合在單一晶片上，減低佔用面積及簡化系統。此外，本發明之光電元件的形成方法利用現有之半導體設備，即可以將光波導、耦合器及金氧半元件形成於整體矽基底上。也就是說，本發明之光電元件的形成方法可避免將金氧半元件形成於SOI基板上之微調元件之模型試驗的時間，大幅降低成本，提升競爭力。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．光電元件

101．．．淺溝渠隔離結構

102．．．基底

104a．．．第一區

104b．．．第二區

105．．．頂面

107．．．頭部

107a．．．斜面

106．．．半船型材料層

108．．．深溝渠隔離結構

109．．．尾部

110．．．光波導

112、120．．．絕緣層

113．．．淺溝渠

115、119．．．隔離層

117．．．深溝渠

118．．．耦合器

119．．．絕緣材料層

121．．．導體層

122．．．閘極

123、125．．．圖案化光阻層

124．．．間隙壁

125．．．淡摻雜區

126．．．源極與汲極區

127．．．濃摻雜區

130．．．金氧半元件

132．．．介電層

138．．．光纖

140．．．雷射

圖1為根據本發明一實施例所繪示之光電元件的剖面示意圖。

圖2為本發明一實施例所繪示之半船型材料層的立體示意圖。

圖3為根據本發明另一實施例所繪示之光電元件的剖面示意圖。

圖4為根據本發明一實施例所繪示之光電元件之封裝的上視簡化示意圖。

圖5A至5D為根據本發明第一實施例所繪示之光電元件之形成方法的剖面示意圖。

圖6為本發明一實施例所繪示之用以形成半船型材料層之離子植入區的立體示意圖。

圖7A至7C為根據本發明第二實施例所繪示之光電元件之形成方法的剖面示意圖。

100．．．光電元件

101．．．淺溝渠隔離結構

102．．．基底

104a．．．第一區

104b．．．第二區

106．．．半船型材料層

107a．．．斜面

108．．．深溝渠隔離結構

109．．．尾部

110．．．光波導

112、120．．．絕緣層

118．．．耦合器

122．．．閘極

124．．．間隙壁

125．．．淡摻雜區

126．．．源極與汲極區

127．．．濃摻雜區

130．．．金氧半元件

132．．．介電層

Claims (22)

1. 一種光電元件，包括：一基底，該基底的材料包括整體矽基底，具有一第一區；一半船型材料層，該半船型材料層的材料包括SiOx，配置於該第一區之該基底中，其中該半船型材料層的折射率小於該基底的折射率，且該半船型材料層的頂面與該基底的表面齊平；一深溝渠隔離結構，配置於該第一區之該基底中，且位於該半船型材料層之頭部的一側；以及一光波導，配置於該第一區之該基底上，與部份該深溝渠隔離結構及至少部份該半船型材料層重疊。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該基底包括整體矽基底。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該半船型材料層的材料包括SiO_x 。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該光波導的材料包括多晶矽、非晶矽或單晶矽。
5. 如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該深溝渠隔離結構的深度為微米級。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該深溝渠隔離結構與該半船型材料層分開一距離或互相緊鄰。
7. 如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中一雷射經由一光纖耦接至該半船型材料層的一尾部。
8. 如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該基底更包括一第二區，且該第一區與該第二區以一淺溝渠隔 離結構互相分開。
9. 如申請專利範圍第1項所述之光電元件，更包括配置於該第二區的一金氧半(MOS)元件。
10. 一種光電元件的形成方法，包括：提供一基底，該基底的材料包括整體矽基底，該基底具有一第一區；在該第一區的基底中形成一半船型材料層，該半船型材料層的材料包括SiOx，其中該半船型材料層的折射率小於該基底的折射率，且該半船型材料層的頂面與該基底的表面齊平；於該第一區之該基底中形成一深溝渠隔離結構，其中該深溝渠隔離結構形成於該半船型材料層之頭部的一側；以及於該第一區之該基底上形成一光波導，其中該光波導與部份該深溝渠隔離結構及至少部份該半船型材料層重疊。
11. 如申請專利範圍第10項所述之光電元件的形成方法，其中形成該半船型材料層的步驟包括對該基底進行多數次的離子植入製程，以於該第一區之該基底中形成階梯狀的多數個離子植入區。
12. 如申請專利範圍第11項所述之光電元件的形成方法，其中各該離子植入製程包括O⁺ 離子植入製程。
13. 如申請專利範圍第11項所述之光電元件的形成方法，其中各該離子植入製程的植入劑量為10¹⁴ ~10²¹ 原子/平方公分。
14. 如申請專利範圍第11項所述之光電元件的形成方法，其中形成該半船型材料層的步驟更包括進行一回火製程，使得該些離子植入區擴散而形成該半船型材料層。
15. 如申請專利範圍第10項所述之光電元件的形成方法，其中該基底包括整體矽基底。
16. 如申請專利範圍第10項所述之光電元件的形成方法，其中該光波導的材料包括多晶矽、非晶矽或單晶矽。
17. 如申請專利範圍第10項所述之光電元件的形成方法，其中該深溝渠隔離結構的深度為微米級。
18. 如申請專利範圍第10項所述之光電元件的形成方法，其中該深溝渠隔離結構與該半船型材料層分開一距離或互相緊鄰。
19. 如申請專利範圍第10項所述之光電元件的形成方法，其中該基底更包括一第二區，且該第一區與該第二區以一淺溝渠隔離結構互相分開。
20. 如申請專利範圍第19項所述之光電元件的形成方法，更包括於該第二區形成一金氧半(MOS)元件。
21. 如申請專利範圍第20項所述之光電元件的形成方法，其中於形成該光波導的步驟中，同時形成該金氧半元件之閘極。
22. 如申請專利範圍第20項所述之光電元件的形成方法，其中於形成該光波導的步驟之後，形成該金氧半元件。