TWI497699B - 形成光轉換元件的方法 - Google Patents

Description

形成光轉換元件的方法

本發明涉及一種形成光轉換元件的方法，特別是一種能同時形成光轉換元件以及金屬內連線系統的方法。

隨著科技的不斷進步，各種半導體製程所產生的半導體晶片(chip)已經充斥於人類的電子產品中，成為日常生活中不可或缺的必需品。目前的發展趨勢除了增加晶片上半導體元件的積集度，以朝更小、更密集的方向發展外，也希望可以整合不同科技或領域的元件至半導體晶片中，使得晶片能具有不同的功能，例如結合機械領域的微機電系統、結合生物技術的DNA晶片或者是結合光學領域的光傳輸系統等。而由於各領域的材料物質性質上的不同，因此如何將這些元件的製程整合至現有的半導體技術，則是目前亟欲解決的問題。

以光傳輸系統來說，為了能將光訊號傳輸或轉換至現有半導體的電子訊號，通常需要若干光學元件的協助，例如波導(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。

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。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，是目前亟欲解決的問題。

本發明於是提供一種形成光轉換元件的方法，能有效整合光轉換元件的製程於習知的半導體製程中。此方法首先提供一基底，此基底包含有一第一區域以及一第二區域。於基底上全面形成一第一材料層，接著移除基底第一區域以外之第一材料層。然後於該基底上全面形成一第二材料層，並移除位於第一區域以及第二區與上之第二材料層。最後於基底上全面形成一第一導電層並移除位於第二區域以外之第一導電層，使該第一材料層、該第二材料層以及該第一導電層齊高，使得該第一材料層作為該光轉換元件之部份。

根據本發明所提供的方法，可以在同一層中形成兩層不同的材料層以及一導電層。利用這樣的步驟，可在形成金屬內連線系統的同時，也一起形成光轉換元件，有效整合了光轉換元件的製程至一般半導體的金屬內連線製程中，而可大大提升了生產的效率以及產品的可靠度。

請參考第1圖至第5圖，所繪示為本發明形成光轉換元件之方法的第一實施例示意圖。請參考第1圖，首先提供一基底100，基底100上定義有一第一區域106。接著，於基底100上形成至少一介電層102。然後，在最上層的介電層102上形成一第一材料層104。隨即圖案化第一材料層104，例如進行一微影暨蝕刻製程，僅保留位於第一區域106內之第一材料層104，而移除第一區域106以外區域的第一材料層104。然後，在介電層102上全面形成一第二材料層108，例如用化學氣相沈積(CVD)製程，以在介電層102上以及圖案化的第一材料層104上全面形成第二材料層108。第一材料層104與第二材料層108宜選用有蝕刻選擇比的介電層，例如第一材料層104為氮化矽，而第二材料層108為氧化矽。

如第2圖所示，在基底100上定義一第二區域110，第二區域110與第一區域106實質上不會重疊。然後進行一微影暨蝕刻製程。例如先在第二材料層108上全面形成一光阻層112，接著進行一微影製程以移除位於第一區域106以及第二區域110上之光阻層112。以圖案化之光阻層112為遮罩，進行一蝕刻製程來同時移除第一區域106以及第二區域110之第二材料層108，形成如第3圖的結構。

接著如第4圖所示，於基底100上全面形成一第一導電層114，使得第一導電層114形成在第一材料層104以及第二材料層108上，並填入第二區域110中，其中填入於第二區域110之第一導電層114會高於鄰近之第二材料層108。接著如第5圖所示，進行一平坦化製程，將第一導電層114與第一材料層104以及第二材料層108等高。如此一來，即可形成本發明之半導體結構，即在同一層的空間結構中，形成了兩種不同介電層(第一材料層104與第二材料層108)，並在最後形成第一導電層114。

上述的第一實施例係利用同一道的微影暨蝕刻步驟來移除位於第一區域106以及第二區域110內之第二材料層108(請參考第4圖)。然而，第1圖所示，在形成第二材料層108時，會共形(conformal)地沿著第一材料層104沈積，因此在靠近第一區域106邊緣的地方會有微微隆起的第二材料層108。而在第2圖中，由於這些隆起的第二材料層108並沒有位於第一區域106內，因此並不會被移除，最後會在第3圖中，在虛線B所標示的地方還殘有少許的第二材料層108。雖然這些殘留突出的第二材料層108可能在第5圖的平坦化製程中被移除，但移除的效果並不理想。為了避免這樣的情況，本發明還提供了第二實施方式以及第三實施方式，可避免虛線B殘留第二材料層108的問題。相較於第一實施例的第2圖為同時移除第一區域106以及第二區域110的第二材料層108，在本發明第二實施例以及第三實施例中，係先移除第一區域106上之第二材料層108之後，再移除第二區域110內之第二材料層108。

於本發明第二實施例中，可將第一實施例中的第2圖取代為第6圖與第7圖。舉例來說，當在進行完第1圖的步驟後，請接續至第6圖，進行一平坦化製程，例如一化學研磨製程，以移除位於第一材料層104上方之第二材料層108，也就是移除位於第一區域106內之第二材料層108，使得第一材料層104與第二材料層108齊平。接著如第7圖所示，進行一微影暨蝕刻製程，例如先全面形成一光阻層116，然後進行一微影製程以移除位於第二區域110之光阻層116。以此圖案化的光阻層116為遮罩進行一蝕刻製程，移除位於第二區域110之第二材料層108。如此一來，即可接續回第3圖的結構，然後再進行第4圖至第5圖，同樣也可以得到本發明之半導體結構。本實施例由於進行了第6圖的平坦化製程，去除了微微突起的第二材料層108，因此後續第二材料層108就不會有第3圖中虛線B所示突出的結構。

在第三實施例中，可將第一實施例中的第2圖取代為第8圖、第9圖以及第7圖。在進行完第1圖的步驟後，請接續至第8圖。首先在基底100上定義一第三區域120，其中第三區域120會位於第一區域106的內部，其面積大小並不會超出第一區域106。接著進行一微影暨蝕刻製程，例如全面形成一光阻層118，並進行一微影製程以移除位於第三區域120內之光阻層118。然後進行一蝕刻製程，以此開口於第三區域120之光阻層118為遮罩，來移除位於第三區域120內之第二材料層108，最後去除掉光阻層118，而得到如第9圖的結構。由於在前述微影暨蝕刻製程中，僅移除了第三區域120內的第二材料層108，因此還會有部份突起的第二材料層108在第一材料層104的上方。最後，進行一平坦化製程，例如一化學研磨製程，移除這些「突起」的第二材料層108，使得第一材料層104和第二材料層108等高，最後會得到如第6圖的結構。接著同樣再進行第7圖、第3圖、第4圖、第5圖的製程，而完成本發明之半導體結構。由於本實施例用以移除第一區域106的第二材料層106的方法，係先移除部份的第二材料層(第三區域120)，然後再進行平坦化製程，因此可確保第一材料層104與第二材料層108交界處的緻密，且第一材料層104和第二材料層108得以等高。

藉由上述第一實施例至第三實施例所提供的步驟，可在同一層的空間結構中，形成了兩種不同介電層(第一材料層104與第二材料層108)，以及一金屬層(第一導電層114)。因此若應用在一般的金氧半導體(metal oxide semiconductor,MOS)製程中，即可以一介電層形成例如光轉換元件等光電結構，以另一介電層形成金屬層間介電層，而以導電層作為金屬內連線系統。參考第10圖，所繪示為本發明同時形成金屬內連線系統以及光轉換元件的示意圖。如第10圖所示，在基底200上除了有習知的半導體元件204以及位於其上的金屬內連線系統224外，還會具有一波導202以及一光轉換元件222。金屬內連線系統224包括第一金屬層214、第二金屬層220以及其上的複數層金屬層等，其向下電連接了半導體元件204，向上連接一接觸墊(圖未示)，以提供外界訊號的輸入/輸出。

光轉換元件222包括第一介電層210、第三介電層216以及其上的複數層介電層等，其具有一階梯狀結構，其結構請參考第11圖，所繪示為本發明階梯狀光轉換元件結構的平面示意圖。如第11圖所示，光轉換元件222係由複數層的介電層組成，越上層的面積越小。每一層介電層的平面俯視都具有一角錐狀結構，且此角錐的尖端會朝向波導202的方向，而呈現一立體之錐狀堆疊結構，故光訊號可沿著箭頭A的方向在光轉換元件222中傳輸並向下耦合至波導202中。當然，光轉換元件222並不限於階梯狀結構，而可能有其他的立體形狀，其為本領域技術人員所熟知，在此不加以贅述。

請再一次參考第10圖，於本發明同時形成金屬內連線系統224以及光轉換元件222的步驟中，首先提供一基底200。接著在基底200中形成一波導202以及一半導體元件204，例如一MOS。接著形成一內層介電層(inter dielectric layer,ILD)206，並於內層介電層206中形成適當的接觸插拴(contact plug)208以電連接半導體元件204。接著，即可使用上述第一實施例至第三實施例的方式，來形成內層介電層206上之A層至F層的結構，由第10圖可知，A層至F層都具有「同一層的金屬層中具有兩種不同介電層」的結構。例如，A層具有第一介電層210、第二介電層212以及第一金屬層214，可依序對比為第5圖中之第一材料層104、第二材料層108與第一導電層114。故利用前述實施例的步驟，調整第一區域106與第二區域110的範圍，即可得到如第10圖中A層的結構。接著，也可以用同樣的方法在A層上形成B層的第三介電層216、第四介電層218以及第二金屬層220。C層至F層也可利用相同方式形成。當然，A層至F層可視情況需要而任意搭配第一實施例至第三實施例之方式來形成。此外，前述第一至第三實施例中，其最後形成第一導電層114的「金屬化製程」係以單鑲嵌製程為例(請參考第4圖與第5圖)，但也可以視金屬內連線系統224的設計，例如將第4圖與第5圖的單鑲嵌製程替換為一雙鑲嵌製程。

因此，A層的第一介電層210、B層的第三介電層216以及其上的介電層結構，即可形成階梯狀的一光轉換元件222；而第一金屬層214、第二金屬層220以及其上的金屬層結構則可以形成金屬內連線系統224；第二介電層212、第四介電層218則形成了金屬層間介電層。故藉由本發明所提供的實施方式，即可有效整合習知金屬內連線系統224的製程與光轉換元件222的製程，在形成了一般的金屬內連線系統224時，也同時形成了階梯狀結構的光轉換元件222。

由於光轉換元件222的形狀並不限於階梯狀，因此本發明亦可藉由改變第一區域106的大小來調整各層介電層的區域，使得光轉換元件222具有不同的立體形狀。值得注意的是，為了避免光轉換元件222中的光線不向外界佚失，其第一介電層210的折射率會大於第二介電層212的折射率，而第三介電層216的折射率會大於第四介電層218的折射率。於本發明較佳實施例中，第一介電層210和第三介電層216為相同材質，例如是氮化矽層，而第二介電層212與第四介電層218為相同材質，例如是氧化矽層。

藉由上述步驟，即可將形成光轉換元件的步驟整合至現有的MOS製程中。但可以了解的是，本發明提供的一種形成半導體結構的方法，並不限於形成光轉換元件(transformer)，而可能應用於其他光學元件，甚至是微機電系統等。故本發明的製作方法不僅可有效整合各種領域的製程，且應用領域亦十分廣泛。

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‧‧‧介電層

104‧‧‧第一材料層

106‧‧‧第一區域

108‧‧‧第二材料層

110‧‧‧第二區域

112‧‧‧光阻層

114‧‧‧第一導電層

116‧‧‧光阻層

118‧‧‧光阻層

120‧‧‧第三區域

200‧‧‧基底

202‧‧‧波導

204‧‧‧半導體元件

206‧‧‧內層介電層

208‧‧‧接觸插拴

210‧‧‧第一介電層

212‧‧‧第二介電層

214‧‧‧第一金屬層

216‧‧‧第三介電層

218‧‧‧第四介電層

220‧‧‧第二金屬層

222‧‧‧光轉換元件

224‧‧‧金屬內連線系統

第1圖至第5圖所繪示為本發明形成半導體結構方法的第一實施例示意圖。

第6圖至第7圖所繪示為本發明形成半導體結構方法的第二實施例示意圖。

第8圖至第9圖所繪示為本發明形成半導體結構方法的第三實施例示意圖。

第10圖所繪示為本發明同時形成金屬內連線系統以及光轉換元件的的示意圖。

第11圖所繪示為本發明階梯狀光轉換元件結構的平面示意圖。

100．．．基底

102．．．介電層

104．．．第一材料層

106．．．第一區域

108．．．第二材料層

110．．．第二區域

114．．．第一導電層

Claims (28)

1. 一種形成光轉換元件的方法，包含：提供一基底，該基底包含一第一區域以及一第二區域；於該基底上全面形成一第一材料層；移除該基底之該第一區域以外之該第一材料層；於該基底上全面形成一第二材料層；移除位於該第一區域以及該第二區域上之該第二材料層；於該基底上全面形成一第一導電層；以及移除位於該第二區域以外之該第一導電層，使該第一材料層、該第二材料層以及該第一導電層齊高，使得該第一材料層作為該光轉換元件之部份。
2. 如申請專利範圍第1項的方法，還包含形成一金屬內連線系統，其中該第一導電層作為該金屬內連線系統之部份。
3. 如申請專利範圍第1項的方法，其中移除位於該第一區域上之該第二材料層的同時，移除位於該第二區域上之該第二材料層。
4. 如申請專利範圍第3項的方法，其中移除位於該第一區域以及該第二區域上之該第二材料層的步驟，包含：於該基底上全面形成一光阻層；進行一微影製程以移除位於該第一區域以及該第二區域之該光 阻層；以及進行一蝕刻製程以移除位於該第一區域以及該第二區域上之該第二材料層。
5. 如申請專利範圍第1項的方法，其中移除位於該第一區域以及該第二區與上之該第二材料層的步驟，包含：先移除位於該第一區域之該第二材料層後，接著移除該第二區域之該第二材料層。
6. 如申請專利範圍第5項的方法，其中移除位於該第一區域上之該第二材料層的步驟，包含一平坦化製程。
7. 如申請專利範圍第5項的方法，其中移除位於該第一區域上之該第二材料層的步驟，包含一微影暨蝕刻製程。
8. 如申請專利範圍第7項的方法，其中該微影暨蝕刻製程包含：於該基底上全面形成一光阻層；進行一微影製程以移除位於一第三區域之該光阻層，其中該第三區域位於該第一區域內；進行一蝕刻製程以移除位於該第三區域內之該第二材料層；以及進行一平坦化製程以移除位於該第一區域之該第二材料層。
9. 如申請專利範圍第5項的方法，其中移除位於該第二區域上之該 第二材料層的步驟，包含：於該基底上全面形成一光阻層；進行一微影製程以移除位於該第二區域上之該光阻層；以及進行一蝕刻製程以移除位於該第二區域之該第二材料層。
10. 如申請專利範圍第1項的方法，其中移除位於該第二區域以外之該第一導電層的步驟包含一平坦化製程。
11. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該第一材料層之折射係數大於該第二材料層之折射係數。
12. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該第一材料層包含氮化矽。
13. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該第二材料層包含氧化矽。
14. 如申請專利範圍第1項的方法，移除位於該第二區域以外之該第一導電層後，還包含：於該基底上定義一第四區域以及一第五區域；於該基底上全面形成一第三材料層；移除該基底之該第四區域以外之該第三材料層；於該基底上全面形成一第四材料層；移除位於該第四區域以及該第五區與上之該第四材料層；於該基底上全面形成一第二導電層；以及 移除位於該第五區域以外之該第二導電層，使得該第一材料層與該第三材料層形成該光轉換元件之部份，該第一導電層與該第二導電層形成該金屬內連線系統之部份。
15. 如申請專利範圍第14項的方法，其中該第三材料層之折射係數大於該第四介電層之折射係數。
16. 如申請專利範圍第14項的方法，其中該第一材料層與該第三材料層為相同材質。
17. 如申請專利範圍第14項的方法，其中該第二材料層與該第四材料層為相同材質。
18. 如申請專利範圍第1項的方法，其中於形成該第一材料層之前，還包含於該基底中形成一波導。
19. 如申請專利範圍第18項的方法，其中該波導與該第一材料層部份重疊。
20. 如申請專利範圍第1項的方法，其中於形成該第一材料層之前，還包含：在該基底中形成一半導體元件；以及在該半導體元件上形成一內層介電層。
21. 一種半導體結構，包含：一基底；一第一導電層，設置於該基底上，其中該第一導電層係作為一金屬內連線系統之部份；以及一第一材料層以及一第二材料層，設置於該基底上，其中該第一材料層作為一光轉換元件之部份，該第一材料層、該第二材料層與該第一導電層位於同一層，且該第一材料層、該第二材料層以及該第一導電層齊高。
22. 如申請專利範圍第21項之半導體結構，其中該第一材料層的折射係數大於該第二材料層的折射係數。
23. 如申請專利範圍第21項之半導體結構，還包含：一第二導電層，設置於該第一導電層上並與該第一導電層電性相連，其中該第一導電層與該第二導電層係同時作為該金屬內連線系統之部份；以及一第三材料層與一第四材料層，設置於該第一材料層與該第二材料層上，其中該第三材料層、該第四材料層與該第二導電層位於同一層，且該第三材料層、該第四材料層以及該第二導電層齊高。
24. 如申請專利範圍第23項之半導體結構，其中該第三材料層與該一材料層部份重疊，並形成一階梯狀結構。
25. 如申請專利範圍第23項半導體結構，其中該第三材料層之折射係數大於該第四介電層之折射係數。
26. 如申請專利範圍第23項半導體結構，其中該第一材料層與該第三材料層為相同材質。
27. 如申請專利範圍第23項半導體結構，其中該第二材料層與該第四材料層為相同材質。
28. 如申請專利範圍第21項之半導體結構，還包含一波導，設置於該基底中，其中該波導與該第一材料層部份重疊。