TWI484533B - 一種半導體光電結構與其形成方法 - Google Patents

Description

一種半導體光電結構與其形成方法

本發明係關於一種形成半導體光電結構的方法，特別是一種整合現有半導體技術來形成半導體光電結構的方法。

隨著科技的不斷進步，以及人類社會對於資訊傳輸量的渴求，傳統的銅纜線由於其先天的物理性限制(例如電阻或訊號遲滯的問題)，已逐漸無法應付目前的資訊傳輸量。且由於單條光纖中允許波長不同的多量光束各自攜帶不同的資訊，以光速傳送訊息而不會相互干擾，而且經過極長的距離訊號也不會過度衰減，可以滿足龐大資訊量的遠距離的傳送需求，因此以光纖取代銅纜線也成為目前的主流趨勢。

但在目前多數半導體元件仍都以電子為攜帶訊息的架構下，若要將光訊息的傳遞方式整合於積體電路的結構中，勢必需存在一良好的光傳輸系統，來作為光纖通訊與電流通訊之間的轉換媒介。這些光傳輸系統通常包含波導(waveguide)、光轉換元件(transformer)、光調節器(modulator)或光偵測器(photo-detector)等具有光傳導、分光、聚光或光電切換等功能之元件。光轉換元件主要可用以接收外界的光纖訊號，並藉由其特殊的材料介質或立體形狀，將光纖訊息引導耦合(coupling)至波導中。而波導主要用以在半導體介質中傳遞光纖訊息，利用傳輸介質與包覆介質之間折射率的差異，確保光訊息傳遞的完整。最後光纖訊息再藉由光偵測器轉換成為一般的電流訊息，而進入電子元件中進行訊號處理。

目前所發展的光傳輸系統中，所面臨最大的問題就是光傳輸元件之間的光學耦合(coupling)時所造成的光訊息耗損的問題。例如習知光轉換元件的形成方式都是各自形成，最後再分別黏結至半導體基板上。像是形成波導後，將已形成之光轉換元件利用黏結劑對準至波導上以進行黏合。但是由於黏結劑於固化過程中容易引起體積收縮，且黏結劑依其成份容易有不同的擴散效果，這將會減低波導與光轉換元件之間的光耦合率，而影響其傳輸品質。此外，目前的光傳輸系統的發展趨勢是希望可以整合於現有的半導體基板上，例如一具有互補式金氧半導體電晶管(CMOS)的半導體基板上。因此如何以現有半導體製造技術來有效整合光傳輸元件與半導體元件，以在基板上形成一光電結構，也是目前亟欲解決的問題。

本發明提供了一種形成半導體光電結構的方法，特別是一種可減少光訊號耗損，且可整合於現有半導體技術的方法。

根據申請專利範圍，本發明係提供了一種形成半導體光電結構的方法。此方法首先提供一基底，並在基底上形成一波導，然後於波導上形成複數層介電層，接著在這些介電層上的形成一接觸墊以及一保護層，並在保護層上形成一圖案化遮罩層，最後進行一蝕刻製程，利用圖案化遮罩層以暴露接觸墊，以及移除部份的保護層與介電層以形成一光轉換元件。

根據申請專利範圍，本發明另外提供了一種半導體光電結構。此結構包含一基底、一波導以及一光轉換元件。波導設置於基底上。光轉換元件設置於波導上，且包含複數層介電層，光轉換元件係部份重疊於波導上。

本發明可有效整合習知半導體電子元件的製程與光傳輸元件的製程，省卻了習知技術中還需額外製備光傳輸元件再與積體電路相互結合等的多道步驟，以大幅縮減體積並有效提高產能。

請首先參考第1圖至第11圖，為本發明中形成半導體光電結構的步驟示意圖。如第1圖所示，首先提供一基底100。基底100可以是矽基底、磊晶矽、矽鍺半導體基底、碳化矽基底或矽覆絕緣(silicon-on-insulator,SOI)基底等，在第1圖中是以矽覆絕緣基底為示例，故基底100會包含一矽層102、一絕緣層104以及一單晶矽層106。

接著如第2圖所示，在單晶矽層106中形成一波導108、一金氧半導體(Metal-oxide-semiconductor,MOS)110以及一淺溝隔離(shallow trench isolation,STI)109。其中，形成波導108的方法可利用一具有淺溝隔離圖案與波導圖案之光罩(未顯示)來進行一淺溝隔離製程，例如先蝕刻部份單晶矽層106，以於單晶矽層106中形成淺溝進而定義出至少一脊狀(rib)波導108及至少一主動區域，接著於淺溝內塞填介電材料並平坦化形成淺溝隔離109，然後再進於主動區域上形成金氧半導體110，此等皆為標準之半導體製程，故在此不多加贅述。此外，波導108通常材質為單晶矽，相較於下方的絕緣層104與接續覆蓋其上之介電層的材質例如氧化矽，其折射率較大，因此光傳遞至波導108與絕緣層104的介面時會產生全反射，不會折射至外界而佚失，而可確保光纖訊息的傳輸品質。

接著如第3圖所示，利用例如一化學氣相沈積(CVD)製程在波導108以及金氧半導體110上沈積一內層介電層(inter dielectric layer,ILD)112，例如是氧化矽(SiO₂ )、摻雜氧化矽四乙氧基矽烷(TEOS)、電漿增強式四乙氧基矽烷(PETEOS)或是其他低介電常數且折射率小於波導108折射率的材料。接著在內層介電層112中形成一接觸插塞(contact plug)114以電連接金氧半導體110，例如連接至金氧半導體110的源極，以形成外界電驅動之電通路。

接著，進行金屬內連線製程，以在內層介電層112上形成複數層介電層及所需之金屬內連線。例如先沈積一金屬層間介電層(inter metal layer,IMD)116，其材質可以和內層介電層112相同也可以不同。然後在內層介電層112上形成一電連接接觸插塞114之圖案化的金屬層118以逐步形成金屬內連線的結構。金屬層118的材質可以包含銅、鋁、鎢等導電材質，並可利用例如金屬鑲嵌(metal damascene)製程來形成。接著重複上述步驟以形成「金屬層間介電層116、金屬層118」的堆疊結構，堆疊的層數視半導體產品的設計而可以作增減，第3圖係以8層的堆疊結構作為示例。

於形成複數層的金屬層間介電層116以及金屬層118後，在最上層的金屬層間介電層116上形成至少一接觸墊120，且接觸墊120會和下方的複數層金屬層118電連接以形成一金屬內連線系統。接觸墊120的材質包含金屬鋁或銅等。隨後在接觸墊120上形成一保護層(passivation layer)122，例如一氮化矽層。

接著請參考第4圖，在保護層122上形成一遮罩層124。接著如第5圖所示，利用一圖案化光阻層(未顯示)來進行一微影暨蝕刻(photo-etching-process,PEP)步驟以形成圖案化的遮罩層124，圖案化的遮罩層124會對應保護層122下方的接觸墊120以及後續欲形成於各金屬層間介電層116中之光轉換元件的形狀。請接著參考第6圖，在去除該圖案化光阻層之後，進行一蝕刻製程123，並利用圖案化的遮罩層124作為蝕刻的遮罩，如第6圖的左半部所示，移除位於接觸墊120上方之保護層122，而於保護層122中形成一開口125以暴露接觸墊120，使接觸墊120得以作為外界電訊號的輸入/輸出端；且如第6圖的右半部所示，蝕刻製程123亦會同時移除部份之保護層122以及複數層的金屬層間介電層116而形成一溝渠127，使得沒有被移除且被溝渠127環繞的此些金屬層間介電層116形成了光轉換元件126。

關於光轉換元件126的立體形狀，請參考第7圖，所繪示為本發明中光轉換元件的立體示意圖。如第7圖所示，蝕刻製程123移除了部份的保護層122以及金屬層間介電層116，並形成了溝渠127。光轉換元件126被溝渠127所包圍，較佳者具有一立體錐形，意指具有沿著一方向而漸縮之一錐狀端128。光轉換元件126下方埋設有光導108，並和光導108於水平方向上部份重疊，且波導108的延伸方向會和光轉換元件126漸縮的錐狀端128方向相同。如此一來，位於光轉換元件126中的光線130會在光轉換元件126行進時，沿著漸縮的錐狀端128行光耦合(coupling)效應，使得光線130沿著箭頭A的方向向下耦合，然後再沿著波導108的箭頭B方向進行光纖傳輸。而為了確保光耦合效應的品質，本發明之錐狀端128具有至少兩側面，且其錐狀端128的角度θ越小越好，較佳者為0度至2度之間。

請再參考第6圖，在形成光轉換元件126時，其蝕刻製程123會以內層介電層112為蝕刻停止層，也就是說，蝕刻製程123會全部移除位於溝渠127內之內層介電層112上方的各金屬層間介電層116以及保護層122，但不會移除內層介電層112。此外，於本發明另一較佳實施例中，還可以在內層介電層112以及金屬層間介電層116之間形成一蓋層(未顯示)，例如矽化氮層，並以此蓋層作為蝕刻停止層，以確保蝕刻製程123會確實停止在此蓋層中而不會再進一步蝕刻至內層介電層112甚至是下方的波導108。

於本發明另一實施例中，也可以在不同的步驟中分別形成光轉換元件126以及暴露接觸墊120。例如，在第4圖中形成遮罩層124後，接著請參考第8圖，形成圖案化的遮罩層124，此圖案化的遮罩層124會對應接觸墊120的位置。接著進行一第一蝕刻製程129，移除部份的保護層122以形成開口125，並暴露接觸墊120。然後，如第9圖所示，利用另一個圖案化光阻(圖未示)在遮罩層124上形成另一圖案化結構，此結構除了對應接觸墊120外，還對應了光轉換元件126外圍之溝渠127的位置。然後進行一第二蝕刻製程131，利用此圖案化的遮罩層124移除部份之保護層122以及複數層的金屬層間介電層116而形成光轉換元件126。可以了解的是，上述暴露接觸墊120與形成光轉換元件126的步驟可以對調，例如先形成光轉換元件126後，再暴露接觸墊120。

於形成了光轉換元件126與暴露了接觸墊120後，請參考第10圖，將遮罩層124移除，而完成了整個半導體光電結構的製作。如第10圖所示，由於蝕刻製程123已經將光轉換元件126外部移除，形成溝渠127，而僅剩下空氣，且空氣的折射率(約為1)又比光轉換元件126中金屬層間介電層116(若是二氧化矽約為1.5)還來的小，因此當光線130在光轉換元件126中傳遞時，在光轉換元件126與空氣的交界處並不會折射而溢漏，而是會進行全反射而維持在光轉換元件126中。

值得注意的是，為了確保光轉換元件126傳輸光線130時能進行全反射，本發明在後續此半導體光電結構進行封裝填入一封裝材時，必須確保此封裝材和光轉換元件126之間須存在有空氣，例如架設一支撐物蓋住溝渠127，使得封裝材不會填入溝渠127中。或者，在封裝之前，還可以在光轉換元件126的表面上全面形成一折射率會小於形成光轉換元件126的批覆層132，如第11圖所示，用以幫助光轉換元件126的全反射，還可以用來保護光轉換元件126。

於本發明另一實施例中，金氧半導體110也可以是其他的半導體元件，例如一互補式金氧半導體(CMOS)、一光偵測器(photo detector)，甚至是光調節器(modulator)。這些半導體元件可以具有一光輸入端(未顯示)，藉以接收來自波導108之光纖訊息。例如當此半導體元件為一光偵測器時，波導108的光纖訊息可進入此光輸入端而可以轉換成電子訊號，而達成有效率的光轉換系統。

因此，藉由上述步驟，本發明提供了一半導體光電結構。如第11圖所示，此半導體光電結構包含一基底102、一波導108、一光轉換元件126以及一保護層122。基底100可以是矽基底、磊晶矽、矽鍺半導體基底、碳化矽基底或矽覆絕緣基底等。波導108設置於基底102上，其材質通常為單晶矽。光轉換元件126設置於波導108上，且光轉換元件126會部份重疊於波導108。光轉換元件126包含複數層介電層116，這些介電層116的材質包含氧化矽(SiO₂ )、摻雜氧化矽四乙氧基矽烷(TEOS)、電漿增強式四乙氧基矽烷(PETEOS)或是其他低介電常數且折射率小於波導108折射率的材料。保護層122設置於光轉換元件126上，例如是氮化矽層。此外，在光轉換元件126的表面上還可以有一折射率會小於光轉換元件126的批覆層132。

綜上而言，本發明提出一種半導體光電結構的與其形成方法，有效整合了習知半導體電子元件的製程與光傳輸元件的製程，省卻了習知技術中還需額外形成光傳輸元件的多道步驟，進而有效提高產能，並大幅縮減製造成本與晶片體積。另一方面，還可以在光轉換元件上形成一批覆層，同時保護光轉換元件，也可以達到更好的光傳輸與光耦合效果。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100．．．基底

102．．．矽層

104．．．絕緣層

106．．．單晶矽層

108．．．波導

109．．．淺溝隔離

110．．．金氧半導體

112．．．內層介電層

114．．．接觸插塞

116．．．金屬層間介電層

118．．．金屬層

120．．．接觸墊

122．．．保護層

123．．．蝕刻製程

124．．．遮罩層

125．．．開口

126．．．光轉換元件

127．．．溝渠

128．．．錐狀端

129．．．第一蝕刻製程

130．．．光線

131．．．第二蝕刻製程

132．．．披覆層

第1圖至第11圖為本發明中形成半導體光電結構的方法之示意圖。

100．．．基底

102．．．矽層

104．．．絕緣層

106．．．單晶矽層

108．．．波導

109．．．淺溝隔離

110．．．金氧半導體

112．．．內層介電層

114．．．接觸插塞

116．．．金屬層間介電層

118．．．金屬層

120．．．接觸墊

122．．．保護層

123．．．蝕刻製程

124．．．遮罩層

125．．．開口

126．．．光轉換元件

127．．．溝渠

Claims (20)

1. 一種形成半導體光電結構的方法，包含：提供一基底；於該基底上形成一波導；於該波導上形成複數層介電層；於該些介電層上的形成一接觸墊；於該接觸墊上形成一保護層；於該保護層上形成一圖案化遮罩層；以及進行至少一蝕刻製程，利用該圖案化遮罩層以暴露該接觸墊以及移除部份之該保護層與該些介電層以形成一光轉換元件(transformer)。
2. 如申請專利範圍第1項的方法，其中暴露該接觸墊的同時，也移除部份之該保護層與該些介電層以成該光轉換元件。
3. 如申請專利範圍第1項的方法，其中先暴露該接觸墊，再移除部份之該保護層與該些介電層以成該光轉換元件。
4. 如申請專利範圍第1項的方法，其中先移除部份之該保護層與該些介電層以成該光轉換元件，再暴露該接觸墊。
5. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該光轉換元件部份重疊於該波導上。
6. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該些介電層包含一內層介電層，以及複數層金屬層間介電層設置於該內層介電層上，其中該蝕刻製程以該內層介電層為蝕刻停止層。
7. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該些介電層包含一內層介電層、一蓋層設置於該內層介電層上，以及複數層金屬層間介電層設置於該蓋層上，其中該蝕刻製程以該蓋層為蝕刻停止層。
8. 如申請專利範圍第1項的方法，還包含形成一披覆層，覆蓋於該光轉換元件之表面，其中該披覆層之折射率小於該些介電層的折射率。
9. 如申請專利範圍第1項的方法，還包含以一封裝材料封裝該半導體光電結構，其中該封裝材料與該光轉換元件之間具有空氣。
10. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該光轉換元件包含一錐狀端，其中該錐狀端包含至少兩側面，且該錐狀端介於0度與2度之間。
11. 如申請專利範圍第10項的方法，還包含提供一光輸入訊號，其中該光輸入訊號係沿著該錐狀端輸入該光轉換元件。
12. 如申請專利範圍第1項的方法，還包含在該基底上形成一半導體元件，其中該半導體元件包含一光輸入端，該光輸入端可接收來自該波導之光訊息。
13. 如申請專利範圍第12項的方法，其中該半導體元件包含互補式金氧半導體、光偵測器或光調節器。
14. 如申請專利範圍第12項的方法，還包含在該些介電層中形成複數個金屬內連線，該金屬內連線電性連接該接觸墊與該半導體元件。
15. 一種半導體光電結構，包含：一基底；一波導，設置於該基底上；以及一光轉換元件，設置於該波導上，其中該光轉換元件包含複數層介電層，且該光轉換元件部份重疊於該波導上。
16. 如申請專利範圍第15項之結構，該光轉換元件還包含一保護層，設置於該些介電層上。
17. 如申請專利範圍第15項的結構，還包含一披覆層，覆蓋於該光轉換元件之表面，其中該披覆層之折射率小於該些介電層的折射率。
18. 如申請專利範圍第15項的結構，還包含一封裝材料設置於該光轉換元件上，其中該封裝材料與該光轉換元件之間具有空氣。
19. 如申請專利範圍第15頂的結構，還包含一半導體元件設置在該基底上，其中該半導體元件包含一光輸入端，該光輸入端可接收來自該波導之光訊息。
20. 如申請專利範圍第15項的結構，其中該光轉換元件包含一錐狀端，其中該錐狀端包含至少兩側面，且該錐狀端介於0度與2度之間。