TWI499817B - 光子裝置結構及製造方法 - Google Patents
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Description
政府權力
本發明在DARPA授予之協議書第HR0011-11-9-0009號下,由政府支援進行。政府對本發明擁有特定權利。
本文中描述之結構及方法實施例係關於在一積體電路基板上形成光子裝置,其中一光子裝置與基板材料之間具有足夠光學絕緣以減小其等之間之消散耦合。
將光子裝置與電子裝置整合在相同半導體基板上是一當前趨勢。一絕緣體上矽(SOI)基板可用作為用於此整合之支撐基板。當形成諸如光學波導之光子裝置時,在波導之核心周圍提供一包層以限制沿著波導傳播之一光波。核心材料之折射率大於包層之折射率。若矽用作為一波導之核心材料,其具有約3.47之一折射率,則波導包層可由具有一更低折射率之一材料形成。例如,具有約1.54之一折射率之二氧化矽常常用作為波導包層。
當將一絕緣體上矽基板用作為支撐基板時,波導核心之下之包層材料可係SOI基板之埋藏氧化物(BOX)絕緣體,該埋藏氧化物絕緣體通常可再次係二氧化矽,且波導核心可由BOX絕緣體上方之矽形成。BOX包層之作用為防止因自矽波導核心至SOI結構之一支撐矽基
板之消散耦合而發生之光學信號洩露。然而,為防止此消散耦合,波導核心下方之BOX包層材料必須相對較厚,例如,大於1.0μm且通常2.0μm至3.0μm厚。當Box包層材料較厚時,其抑制熱度流至下伏矽,因此遞減其尤其對可在相同基板上形成之CMOS電路作為一散熱器之效能。此外,當諸如高速邏輯電路之某些電子裝置作為光子裝置整合在相同SOI基板上時,SOI基板之BOX必須相對較薄,通常具有在100nm至200nm之範圍中之一厚度。當提供用於電子裝置之一良好基板時,此一薄BOX絕緣體SOI不足以防止矽波導核心消散耦合至SOI基板之下伏支撐矽,其導致非所要光學信號丟失。此外,SOI基板相對較昂貴且有時限制供應。
因此,亦使用非SOI基板以將電子與光子裝置整合在相同基板上。美國專利第7,920,770號中描述可用以防止一光學裝置消散耦合至下伏非SOI基板之一技術。在此專利中,在一製成光學裝置之下之基板中蝕刻一較深絕緣渠溝。所描述蝕刻在光學裝置之下提供以一大致彎曲形狀形成之一渠溝。如所示,一光子裝置(諸如一波導核心)之一下伏包層材料必須至少1μm厚,且較佳2.0μm至3.0μm厚。包層材料在側向經過光子裝置之各側邊緣之深度處亦應延伸至少1μm。然而,為達到包層深度準則,一彎曲渠溝將需要經過一光子裝置之側邊緣之大於1μm之一側向延伸。彎曲渠溝超過一光子裝置之側邊緣之側向延伸越大,則必須提供用於形成光子裝置之基板占據面積越大。專利‘770亦揭示在基板上方提供一額外光學裝置製造材料用於形成一光學裝置。
我們所需要的係一種適用於形成CMOS及光子裝置之兩者之提供一大致矩形形狀的下部包層之非SOI基板,以及一種形成光子裝置及下伏包層之簡單方法。亦期望一種不需要在一非SOI基板上方存在一額外光學裝置製造材料之基板結構。
本申請案係關於(i)一種形成一光子結構之方法,其包括:蝕刻一半導體基板以在半導體基板之一凸緣部分下方產生一腔,以及自半導體基板之凸緣部分形成一光子裝置之一元件;(ii)一種形成一光子結構之方法,其包括:在一半導體基板上方形成一光子裝置元件,以及在光子裝置元件下方之半導體基板中蝕刻一大致矩形形狀的腔;(iii)一種光子結構,其包括:一基板,其包括適用於形成一光子裝置元件之一基板材料;一光子裝置元件,其包括基板材料;及一腔,其在光子裝置元件下方之基板中且含有用於將光子裝置元件自基板光學去耦合之一包層材料;及(iv)一種光子結構,其包括:一基板,其具有一截面為大致矩形的腔且含有用於將一光子元件自基板光學去耦合之一材料;及光子元件,其形成在腔上方。
1‧‧‧長度
101‧‧‧半導體基板/矽
103‧‧‧保護材料
104‧‧‧上部表面
105‧‧‧硬遮罩材料
107‧‧‧光阻材料
109、209‧‧‧開口
111‧‧‧基板渠溝
113‧‧‧保護襯墊
117、119、121、123‧‧‧腔
125‧‧‧氧化物填充腔/氧化物材料
127‧‧‧光阻材料
129‧‧‧波導核心裝置
131‧‧‧凸緣部分
135‧‧‧氧化物/上部包層氧化物
141‧‧‧金屬化層
151‧‧‧電晶體
153‧‧‧閘極
155‧‧‧閘極氧化物
157‧‧‧源極
159‧‧‧汲極區域
161‧‧‧渠溝隔離結構
163‧‧‧側壁間隔片
201‧‧‧半導體基板/矽基板
203‧‧‧氧化物材料/氧化物間隔層/保護氧化物
材料
211‧‧‧渠溝
213‧‧‧光子裝置製造材料
225‧‧‧氧化物填充腔/氧化物層/氧化物下部包層
227‧‧‧圖案化光阻劑
229‧‧‧波導核心
235‧‧‧氧化物/氧化物上部包層
A-1、A-1,B-1、B-1‧‧‧線
圖1以截面繪示在一基板上方製造之一光子裝置之一實施例;圖2以截面繪示在一基板上方製造之一光子裝置之另一實施例;圖3A至圖3O以截面繪示可用以形成圖1實施例之一處理序列;圖4A及圖4A-1繪示圖1實施例之一部分之一截面及平面圖;圖4B及圖4B-1繪示圖1實施例之另一部分之一截面及平面圖;圖5A至圖5F以截面繪示可用以形成圖2實施例之一處理序列;及圖6繪示根據同時具有電子裝置及光子裝置製造於其上之圖1實施例之一基板之一截面;及圖7繪示根據同時具有電子裝置及光子裝置製造於其上之圖2實施例之一基板之一截面。
本文中描述之一實施例提供一種光子裝置(例如,具有由半導體基板材料形成之一核心之一波導)及在基板材料之一腔中提供之一相
關聯下部包層材料。腔位於光子裝置下方。本文中亦描述一種形成光子裝置及下伏包層之方法之一實施例。
本文中描述之實施例亦提供一種其中在基板中形成一大致矩形形狀之一下部包層之一半導體基板上方之光子裝置(例如,一波導)。
本文中描述之多種實施例提供一種適用於CMOS與光子裝置整合之非SOI基板。
圖1描繪本發明之一結構實施例,其中一半導體基板101之一部分具有用作為一光子裝置之一下部包層之一氧化物(例如,二氧化矽)填充腔125。圖1中展示之光子裝置係具有作為其之一元件之一波導核心129之一波導。氧化物填充腔125具有一大致矩形形狀截面。光子裝置進一步包含形成於側部上及波導核心129上方之一氧化物135(例如,二氧化矽)形式之一上部包層。波導核心129上方形成之氧化物135可係形成為一CMOS與光子電路互連金屬化物之部分之一層間介電(ILD)結構之部分,如下文詳細描述。
波導核心129係由基板101之一凸緣部分131(圖3K)形成,該凸緣部分131係在蝕刻基板101以產生大致矩形形狀之氧化物填充腔125期間產生。由於波導核心129係由與其中形成氧化物填充腔125相同之半導體材料形成,故不需要額外處理步驟以在基板101上方形成一額外光子裝置製造層。
圖2描繪其中亦製造一基板201以產生大致矩形形狀之一氧化物填充腔225之另一實施例。氧化物填充腔225用作為包含一波導核心229之一波導之一下部包層,該波導核心提供在用作為一基板201保護層之一氧化物材料203(例如,二氧化矽)上方。藉由波導核心229上方形成之一氧化物235(例如,二氧化矽)提供側部上及波導核心229上方之一上部包層,該氧化物235可係形成為一CMOS與光子電路互連金屬化物之部分之一層間介電(ILD)結構之部分。不同於圖1實施例,圖
2實施例具有由氧化物層225上方及氧化物間隔層203上方提供之一光子製造層形成之一波導核心229。
圖3A至圖3O展示用於自一半導體基板101開始形成圖1結構之一處理序列。基板材料可係一單晶矽半導體材料。然而,可搭配適用於CMOS及光子裝置製造之其他基板材料(諸如,多晶矽、碳化矽,及矽鍺等等)使用處理序列。圖3A至圖3O中繪示之處理序列可在處理基板101之前、之後或期間執行以在相同基板101之另一部分上形成CMOS裝置。
圖3A展示半導體基板101之具有作為程序之開始點之一上部表面104之一部分。如圖3B中所示,一保護材料103之一層形成於基板101之頂部表面上。保護材料可係在基板101之頂部表面上生長或沈積且保護基板101不受後續處理步驟影響之氧化物(例如,二氧化矽(SiO2
))。接著一硬遮罩材料105(例如,氮化矽(Si3
N4
))沈積在保護材料103上。
如圖3C中所示,接著一圖案化光阻材料107形成於硬遮罩材料105上方,該圖案界定光阻材料107中之一開口109。
如圖3D中所示,開口109用以蝕刻穿過硬遮罩材料105、保護材料103且至基板101中,從而在基板101之一上部表面104中形成一基板渠溝111。形成渠溝111且蝕刻穿過保護材料103及硬遮罩105之蝕刻可係一各向異性乾式蝕刻。接著移除光阻材料107。
圖3E繪示渠溝111之側部處及開口109處之保護材料103及硬遮罩材料105之側部處之一保護襯墊113之形成。保護襯墊113可由可藉由沈積施覆之氧化物(例如,SiO2
)形成。由於待保護不受後續處理影響之一區域係在基板渠溝111之側壁處,故保護襯墊113非藉由沈積施覆而係可在渠溝111側壁及底部上生長。在任何情況下,且如圖3F中所示,藉由各向異性濕式或乾式蝕刻而移除渠溝111中之保護襯墊113之
底部,從而留下渠溝111之側部上之保護襯墊113。若保護襯墊113係藉由沈積施覆,則保護襯墊113亦留在保護材料103及硬遮罩材料105中之開口109之側部上。基板渠溝111之深度(其亦決定保護襯墊113沿著渠溝111之側部之長度1(圖3F))係基於用以形成下文描述之一光子裝置之一元件之基板101之一隨後產生之凸緣部分131(圖3J)之一所要厚度而選擇。例如,若一光子裝置元件(諸如,一波導核心129)之所要厚度具有在約30nm至約1μm之範圍中之一值,則渠溝111之深度及保護襯墊103沿著渠溝111之側部之結果長度1將同樣具有在約30nm至約1μm之對應範圍中之相同值。
在形成保護襯墊113之後,且如圖3G中所示,起始基板101之一等向性濕式蝕刻穿過開口109及渠溝111,其開始在基板101中形成一腔117。蝕刻劑將蝕刻矽101但不蝕刻保護襯墊113或保護材料103。為幫助最小化由一光子裝置及其相關聯下伏包層佔據之基板101區域,期望一大致矩形蝕刻腔。美國專利第7,628,932號及第8,159,050號中描述其中可實現一矽基板之一大致矩形腔蝕刻之方式,及用於此目的之適當蝕刻劑,該等專利之全文以引用方式併入本文中。
在一濕式蝕刻之前,首先在渠溝111中執行一矽蝕刻以敞開基板101之所要矽平面。可基於所要腔形狀、基板101之所要凸緣部分131(圖3J)之形狀及基板之晶體定向而選擇濕式蝕刻劑。若使用<100>矽,則濕式蝕刻劑可係氫氧化物,例如NH4
OH或四甲基銨氫氧化物(TMAH),然而NH4
OH將比TMAH更快地形成一成形腔。基板101之蝕刻速率將與矽平面之方向不一致。圖3G繪示蝕刻之開始,其中開始形成一大致六邊形形狀的腔。進一步蝕刻產生一大致菱形形狀的腔119,如圖3H中所示。更進一步蝕刻產生圖3I中之橫向長形大致六邊形形狀的腔121。為將圖3I腔形成為一大致矩形形狀,可使用一不同蝕刻劑以產生腔121之方角。因此,可使用具有約4:2:3之NH4
F:
QEII:H2
O2
之一體積比例之一緩衝氟化物蝕刻溶劑以進一步各向異性蝕刻圖3I腔121以形成更方之腔角且產生圖3J中所示之大致矩形形狀的腔123。QEII係可自Olin Microelectronics Materials(Newalk,Connecticut)購得之一商用蝕刻溶劑。大致矩形形狀的腔123在腔123上方產生基板材料之一凸緣部分131。
建立圖3J中所示之大致矩形截面形狀的腔123之濕式蝕刻之後,保護材料103及硬遮罩材料105經藉由乾式蝕刻或化學機械拋光移除以暴露基板101之上部表面104。接著基板101經清洗而使基板101留下如圖3K中所示之大致矩形的腔123、凸緣部分131,及保護襯墊113之一部分。
如圖3L中所示,接著腔123由氧化物材料125(例如,二氧化矽)填充。氧化物材料125將用作為一隨後形成的光子裝置之一下部包層且其可藉由沈積、旋塗,或熱生長形成。
圖3M展示基板101凸緣部分131上方之一圖案化光阻材料127之形成。光阻材料用作為基板101及凸緣部分131之一各向異性蝕刻之一遮罩,其在氧化物125之上部表面處停止,從而提供圖3N中之波導核心129形式之一光子裝置之一元件。波導核心129經支撐在氧化物材料125之上部表面上,氧化物材料125之上部表面提供用於波導核心129之一下部包層。如圖3O中所示,接著一上部包層材料以氧化物135之形式(例如,二氧化矽)形成於矽波導核心129之側部上及其上方,從而形成圖1中所示之完整光子波導。
儘管結合圖3L描述氧化物材料125係在形成波導核心裝置129之前在大致矩形的腔123中形成,然而亦可能在形成波導核心129之後在腔123中形成氧化物材料125。
圖4A及圖4A-1描繪圖1結構之一部分之各自平面及截面(沿著線A-1、A-1)圖。圖4A之平面圖用虛線展示氧化物135下方之結構。截
面圖圖4A-1係通過一渠溝111在通過其發生大致矩形的腔123之蝕刻之基板101中之位置取得。圖4A-1截面中繪示氧化物125及135之兩者且圖4A平面圖中亦藉由虛線繪示氧化物125。如圖4A中所示,複數個渠溝111在一線性方向上沿著基板101間隔形成,因此一線性延伸下伏包層氧化物125被提供用於一線性延伸波導核心129。
圖4B及圖4B-1描繪圖1結構之另一部分之各自平面及截面(沿著線B-1、B-1)圖。圖4B之平面圖用虛線展示氧化物135之下之結構。截面圖係通過一線性延伸波導核心129取得且展示由圖4B-1截面中之包層氧化物125、135包圍之波導核心129,且線性延伸氧化物125及波導核心129在圖4B平面圖中用虛線展示。上部包層氧化物135可係用於以下文連同圖6描述之方式支撐CMOS與光子裝置連接之一金屬化圖案之一層間介電(ILD)結構之部分。
圖1實施例提供一種具有由基板材料形成之一核心129之一波導形式之光學裝置。波導具有在基板之一大致矩形的腔(如從截面觀看)中形成之一下部包層且提供一容易製造的結構,同時相較於一彎曲腔減小需要用於其形成之基板101占據面積之量。
圖5A至圖5E以截面描繪可用以形成圖2實施例之一處理序列。
圖5A繪示可具有與基板101相同材料(如一實例,單晶矽)之一半導體基板201。
圖5B繪示一保護氧化物材料203(例如,二氧化矽)在基板201上方之形成。氧化物材料203可生長或藉由沈積或旋塗形成。一光子裝置製造材料213係(例如)藉由沈積形成於氧化物材料203上方。光子裝置製造材料213可係單晶矽、多晶矽、非晶矽,或適用於形成光子裝置之其他材料,諸如Si3
N4
、Six
Ny
、SiOx
Ny
、SiC、Six
Gey
、GaAs、AlGaAs、InGaAs,或InP,其中x及y係正整數(例如,1、2等)。材料213經選擇使得其折射率高於稍後形成的包圍包層材料之折射率。圖
5B亦繪示光子裝置製造材料213上方提供之一圖案化光阻劑227。
圖5C繪示在使用一濕式或乾式各向異性蝕刻且使用光阻劑227作為一遮罩蝕刻光子裝置製造材料213之後且在移除光阻劑227之後之圖5B結構。由光子裝置製造材料213形成之一光子裝置之一元件(例如,波導核心229)餘留在氧化物材料203上方。
接著,如圖5D中所示,一開口209經使用一圖案化光阻劑(未顯示)蝕刻至氧化物材料203中。開口209部分延伸至基板201中,從而在基板201中形成一渠溝211。在此之後,基板201經使用上文關於圖3G至圖3K描述之技術及蝕刻材料進一步蝕刻以在基板中形成橫向延伸經過波導核心229之側邊緣之一大致矩形的腔223。蝕刻劑將蝕刻矽基板201,但不蝕刻保護材料203。接著,腔223及開口209由藉由生長、沈積或旋塗形成之氧化物225(例如,二氧化矽)填充,如圖5E中所示。如圖5F中所示,氧化物235(例如,二氧化矽)形成於波導核心229上方使得氧化物下部及上部包層225、235完全包圍波導核心229。氧化物235可單獨形成或可係用於以下文連同圖7描述之方式支撐CMOS與光子裝置連接之一金屬化圖案之一層間介電(ILD)之部分。
圖6展示在具有形成於基板101之一部分上之CMOS電路及形成於另一部分上之一光子裝置(例如,一波導)之一基板101上形成之圖1實施例。圖6亦展示上部包層氧化物135可形成為支撐一或多個金屬化層141之一層間介電(ILD)結構之部分。CMOS電路藉由一MOSFET電晶體151例示,且藉由淺渠溝隔離結構161隔離,該MOSFET電晶體151具有其中側壁間隔片163形成於一閘極氧化物155上方之一閘極153且具有源極157及汲極區域159。CMOS裝置(例如,電晶體151)可在形成波導核心129及相關聯氧化物填充腔125之前、之後或期間形成於基板101上。
圖7展示在具有形成於基板201之一部分上之CMOS電路及形成於
另一部分上之一光子裝置(例如,一波導)之一基板201上形成之圖2實施例。圖7亦展示上部包層氧化物135可形成為支撐一或多個金屬化層141之一層間介電(ILD)結構之部分。CMOS電路藉由一MOSFET電晶體151例示,且藉由淺渠溝隔離結構161隔離,該MOSFET電晶體151具有其中側壁間隔片163形成於一閘極氧化物155上方之一閘極153且具有源極157及汲極區域159。CMOS裝置(例如,電晶體151)可在形成波導核心229及相關聯氧化物填充腔225之前、之後或期間形成於基板201上。
如圖6及圖7中可見,圖1及圖2中繪示之實施例可係其上同時形成CMOS電路及光子裝置及電路之一共同基板101(201)之部分。
儘管上文已描述本發明之實例之方法及設備實施例,然而由於在不脫離本發明之精神及範疇之情況下可進行改變,故本發明不限於該等實施例之細節。例如,儘管已描述及圖解說明具有一相關聯核心129(229)及包圍的上部及下部氧化物包層之一波導,然而亦可使用來自基板101(圖1)之矽或自光子製造材料(圖2)建構其他光子裝置(諸如,光學調變器、濾光器、光柵、分接頭、光偵測器、光發射器及其他光子裝置)。再者,電晶體151僅係可在基板101(201)之CMOS區域中形成之多種電子裝置及電路之一實例。再者,儘管連同圖1實施例描述一矽基板,然而基板101可由適用於形成一光子裝置之一元件之其他材料形成。同樣地,連同圖2描述之矽基板201可由適用於支撐一光子裝置之其他材料形成。
因此,本發明不受前述描述限制,但僅受隨附申請專利範圍之範疇限制。
101‧‧‧半導體基板/矽
125‧‧‧氧化物填充腔/氧化物材料
129‧‧‧波導核心裝置
135‧‧‧氧化物/上部包層氧化物
Claims (20)
- 一種形成一光子結構之方法,其包括:蝕刻一半導體基板以在該半導體基板之一凸緣部分下方產生一腔;及自該半導體基板之該凸緣部分形成一光子裝置之一元件,其中該光子裝置元件包括一波導核心;其中該形成該光子結構之方法進一步包括:用一包層材料填充該腔;及其中該腔具有一大致矩形的截面形狀。
- 如請求項1之方法,其中該包層材料包括一氧化物。
- 如請求項2之方法,其中該半導體基板包括一矽基板。
- 如請求項3之方法,其中該氧化物包括二氧化矽。
- 如請求項1之方法,其進一步包括:使用一遮罩及一第一蝕刻以在該半導體基板之一表面中形成一渠溝;及使用一第一等向性蝕刻穿過該渠溝以形成該腔。
- 如請求項1之方法,其進一步包括:在該半導體基板上方形成一硬遮罩;在該硬遮罩上方形成一圖案化光阻劑以界定一渠溝之一位置;及蝕刻該半導體基板穿過該硬遮罩以形成該渠溝。
- 如請求項6之方法,其進一步包括在該硬遮罩與該半導體基板之間形成氧化物材料。
- 如請求項5之方法,其進一步包括:在執行該第一等向性蝕刻之前在該渠溝之側壁上形成一蝕刻保護襯墊。
- 如請求項8之方法,其中該蝕刻保護襯墊包括一氧化物。
- 如請求項9之方法,其中該氧化物包括二氧化矽。
- 如請求項5之方法,其中該第一等向性蝕刻包括氫氧化物蝕刻。
- 如請求項11之方法,其中該氫氧化物蝕刻包括使用NH4 OH或四甲基銨氫氧化物(TMAH)作為蝕刻劑。
- 如請求項11之方法,其進一步包括在該第一等向性蝕刻之後執行一第二等向性蝕刻以蝕刻該腔。
- 如請求項13之方法,其中該第二等向性蝕刻包括使用一緩衝氟化物作為該蝕刻劑。
- 如請求項14之方法,其中該緩衝氟化物蝕刻劑溶劑包括NH4 F:QEII:H2 O2 。
- 如請求項1之方法,其中在形成該光子裝置元件之後用該包層材料填充該腔。
- 如請求項1之方法,其進一步包括在該光子裝置元件之側部上方及周圍形成該包層材料。
- 如請求項17之方法,其中該光子裝置元件之該等側部上方及周圍之該包層材料包括一氧化物。
- 如請求項18之方法,其中該氧化物包括二氧化矽。
- 一種形成一光子結構之方法,其包括:蝕刻一半導體基板以在該半導體基板之一凸緣部分下方產生一腔;自該半導體基板之該凸緣部分形成一光子裝置之一元件;使用一遮罩及一第一蝕刻以在該半導體基板之一表面中形成一渠溝;及使用一第一等向性蝕刻穿過該渠溝以形成該腔;其中該第一等向性蝕刻包括氫氧化物蝕刻; 其中該形成該光子結構之方法進一步包括在該第一等向性蝕刻之後執行一第二等向性蝕刻以蝕刻該腔;及其中該光子裝置元件之形成發生在該第二等向性蝕刻之後。
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