專利名稱：光波導(dǎo)及其制造方法
光波導(dǎo)及其制造方法相關(guān)申請的交叉引用本申請要求2008年5月6日提交的臨時申請序列號N0.61/050,682，和2008年 10月31日提交的非臨時申請序列號N0.12/263400的優(yōu)先權(quán)，上述專利申請的內(nèi)容通過 引用而被全部并入本文。
背景技術(shù)：
本公開總體上涉及光波導(dǎo)及其制造方法。自從微電子學(xué)開始以來，一致的趨勢是朝向無源和有源的光電子器件的發(fā)展。 這可能是因為，至少一部分是因為，光電子器件可以提供優(yōu)于典型的電子器件的優(yōu)點這 一事實，諸如例如，更大的帶寬(差許多個數(shù)量級)。這種光電子器件往往涉及光信號的 傳輸，以及這種光信號到電信號的相互轉(zhuǎn)換。


通過參考下面的詳細(xì)說明和附圖，本公開的實施例的特點和優(yōu)點將會變得清 楚，在附圖中相同的附圖標(biāo)記對應(yīng)相同或相似但也許并不完全相同的部件。為簡便起 見，具有前面描述過的功能的附圖標(biāo)記可能會或者可能不會與有它們出現(xiàn)的隨后的附圖 相聯(lián)系地被說明。圖IA和IB —起示出了光波導(dǎo)的一個實施例的形成的示意性流程圖，其中，圖 IB是光波導(dǎo)的剖面示意圖；圖2A到2K—起示出了用于形成圖IB的光波導(dǎo)的蝕刻序列的示意性流程圖；圖2L是圖IB和2K的光波導(dǎo)在完全被氧化后的剖面示意圖；以及圖3是光波導(dǎo)的另一個實施例的剖面示意圖。
具體實施例方式這里公開的光波導(dǎo)的實施例由裸硅晶片形成。硅光波導(dǎo)被很好的熱連接到下面 的體硅，這使得能夠有效地冷卻裝置。進一步認(rèn)為，這使得波導(dǎo)不太可能遭受溫度波 動，溫度波動是形成在絕緣體上硅晶片上的裝置所特有的，其中氧化層起熱障作用并且 可能不利于地影響散熱。此外，這里公開的光波導(dǎo)可以有利地被用于無源或有源硅光電 器件中?，F(xiàn)在參考圖IA和圖1B，包括光波導(dǎo)10的結(jié)構(gòu)100 (圖IB示出了其剖面圖)由 具有兩個相對側(cè)面Si、S2的裸硅晶片12 (圖IA所示)形成。光波導(dǎo)10在硅晶片12中 被限定為使得所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)100包括建立在原始硅晶片12的剩余部分12’上的波導(dǎo)10。使用各向同性蝕刻和各向異性蝕刻的序列來在兩個相對側(cè)面Si，S2的每個側(cè)面 中形成凹槽14、16。蝕刻序列的一個非限制性的例子是單一 Bosch蝕刻序列。所述蝕刻 序列在下文中參照圖2A到2L進一步被討論凹槽14、16被配置為使得產(chǎn)生的波導(dǎo)10包括頭部H和第一瓶頸部或者柄部氐。波導(dǎo)10的組成部分H、B1被建立在硅晶片12的部分12，上。如圖IB所示，每個凹槽 14、16切除頭部H的下部，且每一凹槽包括圓邊緣RE和直邊緣SE。所述圓邊緣RE定 義了波導(dǎo)10的柄部B1,且直邊緣SE也是硅晶片部分12’的相應(yīng)表面。頭部H通常具 有方形、矩形、橢圓形、圓形或者任何其它期望的幾何形狀的橫截面形狀，其中底邊把 第一柄部B1磨圓并且通向所述第一柄部B115人們認(rèn)為柄部B1提供使得能夠?qū)崿F(xiàn)將模限 制在頭部H中的光屏障。在一個實施例中，波導(dǎo)10的橫電(TE)模大體上被限制在頭部 H中。應(yīng)當(dāng)理解的是，第一柄部B1可以被部分氧化或完全氧化。這種氧化可以在標(biāo)準(zhǔn) 的氧化爐中完成。加熱的時間可以根據(jù)是需要部分氧化還是需要完全氧化而改變。相信 這種氧化加強了波導(dǎo)10和下面的硅晶片部分12’之間的光學(xué)隔離，而同時仍使第一柄部 B1提供足夠的結(jié)構(gòu)支撐給波導(dǎo)10。圖2A到2K示出了用于形成圖IB和圖2K中所示的結(jié)構(gòu)100的實施例的蝕刻序 列的一個非限制性的例子。應(yīng)當(dāng)理解的是，這種序列也可以被用于形成圖3中示出的結(jié) 構(gòu)100，的實施例。如圖2A所示，硅晶片12具有氧化層26和在其上建立的抗蝕層28。氧化層 26可以通過任何合適的生長或沉積技術(shù)而建立。熱氧化隔離層通過形成二氧化硅的硅 的氧化來形成。氧化層26也可以通過任何共形沉積技術(shù)來建立，共形沉積技術(shù)的非限 制性的例子包括但不限于低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)、等離子體增強化學(xué)氣相沉積 (PECVD)、常壓化學(xué)氣相沉積(APCVD)或者任何其它合適的化學(xué)或物理氣相沉積技 術(shù)?？刮g層28也可以通過任何合適的化學(xué)或者物理氣相沉積技術(shù)建立在氧化層26上。而后使用電子束(e-束)或者光刻技術(shù)以使抗蝕層28圖案化并且暴露氧化層26 的一部分，如圖2B所示。應(yīng)當(dāng)理解的是，圖案最終被用以形成結(jié)構(gòu)100 (或100’)的 頭部H(或頂部T，如果是形成圖3的實施例的話)。如圖2C所示，金屬層30被建立在抗蝕層28的剩余部分上和氧化層26最新暴 露出來的部分上。金屬層30的非限定例子包括鋁、鈦、鉻或者其他類似金屬。這樣的 層30可以通過噴濺、化學(xué)氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)、蒸發(fā)(例如熱或電子 束)、噴墨沉積和/或旋轉(zhuǎn)涂布來沉積。而后剝離可以被用于去除金屬層30的建立在剩余的抗蝕層28上的部分，從而暴 露出氧化層26的其它部分。應(yīng)當(dāng)理解的是，在剝離后，金屬層30的直接建立在氧化層 26上的部分保留下來。而后可以使用干法蝕刻工藝(例如，CF4)來去除這些暴露出的氧 化層26部分。這些工藝分別在圖2D和2E中被示出。如圖2E中所示，一旦暴露的氧 化層26部分被去除，硅晶片12的部分被暴露出。而后可以執(zhí)行各向異性蝕刻工藝(例如，利用HBr)以去除硅晶片12的期望量的 暴露部分。這在圖2F中示出。如圖所示，剩余的金屬和氧化層30、26在本蝕刻工藝中 用作掩膜，因而在這些層30、26下的硅晶片12保持基本未被蝕刻。圖2G示出了另一個氧化層32大體上在整個結(jié)構(gòu)上的沉積。通常，這個層32共 形地沉積在硅晶片12的與氧化層26和經(jīng)由等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)的金屬 層30鄰近的暴露表面上。圖2H示出了在氧化層32上執(zhí)行的干法蝕刻工藝的結(jié)果。應(yīng) 當(dāng)理解的是，建立在氧化層26、金屬層30和在圖2F中暴露的硅晶片12的部分的側(cè)壁上的氧化層32在干法蝕刻后原封不動。如圖2H中所示，該蝕刻工藝暴露了金屬層30和二 氧化硅晶片12的表面。另一個各向異性干法蝕刻工藝在硅晶片12上進行，如圖21所示。剩余的氧化 層32用作掩膜，并且該層32之下的硅晶片12保持不被蝕刻。應(yīng)當(dāng)理解的是，蝕刻工藝 可以被執(zhí)行至直到實現(xiàn)波導(dǎo)10的期望高度，且硅晶片12的一部分12’保留下來。如前 所述，硅晶片12的該部分12’用作最終形成的波導(dǎo)10 (其非限制性的例子在圖2K和2L 中示出)的支撐。而后在硅晶片12上執(zhí)行各向同性干法蝕刻工藝以形成凹槽12、14。SF6可以在 各向同性干法蝕刻工藝中被使用。蝕刻工藝可被控制為在氧化層32鄰接晶片12的區(qū)域 切除硅晶片12的下部。如前面提到的，所得到的切口形成凹槽12、14，從而限定了第一 柄部B115應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)形成結(jié)構(gòu)100’ (如圖3所示)時，工藝可以稍微變化，結(jié)構(gòu) 100’包括額外的凹槽18、20。例如，在圖2H到2J中示出的各向異性和各向同性蝕刻 工藝可以被改變，以使得頂部T和頭部H被形成為具有形成在它們之間的凹槽18、20。應(yīng)當(dāng)理解的是，波導(dǎo)10的縱橫比可以通過改變各向異性(例如，HBr)和各向同 性(例如，SF6)硅蝕刻的相對持續(xù)時間而被控制。圖2K示出了剩余的氧化層26、32的去除以及所得到的結(jié)構(gòu)100，結(jié)構(gòu)100包括
波導(dǎo)10。氧化層可以例如經(jīng)由HF浸漬處理而被去除。圖2L示出了具有完全氧化的波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)100?？梢詧?zhí)行額外的氧化沉積工藝以 在波導(dǎo)10的每個表面上共形地建立氧化層?，F(xiàn)在參考圖3，另一個實施例結(jié)構(gòu)100’包括另一個實施例光波導(dǎo)10’。形成 這種結(jié)構(gòu)100’的方法包括在各向異性和各向同性蝕刻工藝中在兩個相對的側(cè)面Si、&的 每一個中定義第二凹槽18、20。第二凹槽18、20通常被形成為與相應(yīng)的第一凹槽14、 16相距一間隔距離的地方。在一個實施例中，第一凹槽12、14通過頭部H與第二凹槽 18、20分隔開。每個第二凹槽18、20具有大體上圓形的邊緣，并且凹槽18、20 —起限定了光波 導(dǎo)10’的第二柄部B2。相信第一和第二柄部B1和B2 —起提供了使得模限制在頭部H中 的光學(xué)屏障。當(dāng)光波導(dǎo)10’包括第二柄部B2時，應(yīng)當(dāng)理解的是，蝕刻工藝可以被執(zhí)行以使得 硅晶片12的頂部T與第二柄部B2鄰近。第一電觸點22可以可操作地連接到頂部T。在 一些實施例中，第二電觸點24可以可操作地連接到硅晶片部分12’，其非限制性的例子 在圖2中示出。第一和第二電觸點22、24的非限制性的例子包括金屬(例如，鋁)。應(yīng)當(dāng)理解的是，高品質(zhì)(歐姆)觸點22、24由金屬制成并且建立在高摻雜半導(dǎo) 體材料上。這樣，鄰近相應(yīng)的電觸點22、24的頂部T和部分12’的區(qū)域可以被摻雜以 表現(xiàn)出期望的電導(dǎo)率。在一個實施例中，頂部T被摻雜ρ-型或η-型，而鄰近電觸點24 的部分12’的區(qū)域被摻雜另一種η-型或者ρ-型。引入ρ-型電導(dǎo)性的摻雜物包括但不 限于硼、其它類似元素或它們的組合；并且引入η-型電導(dǎo)性的摻雜物包括但不限于磷、 砷、銻、其它類似元素或它們的組合。應(yīng)當(dāng)理解的是，在一些例子中，電觸點22、24使得電流能夠被容易地引入并流過結(jié)構(gòu)100’，且在其它例子中，電觸點22、24使得電荷易于從結(jié)構(gòu)100’提取。觸點 22、24的功能至少部分取決于結(jié)構(gòu)100’是用于調(diào)制器中還是用于探測器裝置中。應(yīng)當(dāng)理解的是，第一和第二柄部氏、B2之一或它們兩者可以被部分或者全部氧 化。相信這種氧化增強波導(dǎo)10’的光隔離。頭部H和柄部氏、B2的尺寸至少部分取決于所使用的波長以及波導(dǎo)10、10’是 單模還是多模。在一個非限制性的例子中，波導(dǎo)10、10’的高度和寬度均在大約IOOnm 到大約IOOOnm的范圍內(nèi)變化。在包括柄部氏、B2兩者的光波導(dǎo)10’的一個實施例中，電子部件(CMOS)和 光學(xué)部件可以有利地集成到相同的結(jié)構(gòu)中。電子部件可被可操作地布置在例如頂部P上 且可以利用氧化層而被隔離。光學(xué)部件可以被布置為鄰近硅襯底部分12’以使得它們位 于結(jié)構(gòu)的與電子部件所在的一端相對的一端處?？梢允褂霉柰?through silicon via)可 操作地連接電子和光學(xué)部件。雖然已經(jīng)詳細(xì)描述了幾個實施例，但對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說明顯的是，所公開 的實施例可以被改變。因此，前述描述應(yīng)被認(rèn)為是示例性的而不是限制性的。
權(quán)利要求
1.一種光波導(dǎo)，包括具有兩個相對的側(cè)面的硅晶片；第一凹槽，其限定在所述兩個相對的側(cè)面的每個中從而使得硅晶片包括頭部和第一 柄部。
2.如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，還包括在所述兩個相對的側(cè)面的每個中被限定為與相 應(yīng)的第一凹槽距離一間隔距離的第二凹槽。
3.如權(quán)利要求2所述的光波導(dǎo)，其中每個第一凹槽均包括圓邊緣和大體上直的邊緣， 并且其中每個第二凹槽均包括圓邊緣。
4.如權(quán)利要求2所述的光波導(dǎo)，其中硅晶片進一步包括由第二凹槽限定的第二柄部。
5.如權(quán)利要求4所述的光波導(dǎo)，其中第一柄部或第二柄部之一被部分或全部氧化。
6.如權(quán)利要求4所述的光波導(dǎo)，還包括 鄰近第二柄部的硅晶片的頂部；以及可操作地連接到頂部的電觸點。
7.如權(quán)利要求4所述的光波導(dǎo)，還包括 鄰近第二柄部的硅晶片的摻雜的頂部；可操作地連接到所述摻雜的頂部的第一電觸點； 鄰近第一柄部的硅晶片的摻雜的底部；和 可操作地連接到所述摻雜的底部的第二電觸點。
8.如權(quán)利要求7所述的光波導(dǎo)，其中所述頂部被摻雜為具有ρ-型電導(dǎo)性或η-型電導(dǎo) 性之一，并且其中所述底部被摻雜為具有η-型電導(dǎo)性或ρ-型電導(dǎo)性中的另外一種。
9.如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其中光波導(dǎo)的橫電?；旧媳幌拗圃谒鲱^部中。
10.如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其中第一柄部被部分或全部氧化。
11.一種制造光波導(dǎo)的方法，包括依次各向異性和各向同性地蝕刻硅晶片的兩個相對的側(cè)面，因而在所述兩個相對的 側(cè)面的每個中形成第一凹槽并定義硅晶片的頭部和第一柄部。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括在依次的各向同性和各向異性蝕刻工藝期間在 所述兩個相對的側(cè)面的每個中形成與相應(yīng)的第一凹槽距離一間隔距離的第二凹槽。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中第二凹槽限定硅晶片的第二柄部，并且其中該方 法還包括部分或全部氧化第一柄部或第二柄部中的至少之一。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括 鄰近第二柄部限定硅晶片的頂部；以及 可操作地將電觸點連接到所述頂部。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括 摻雜所述頂部；摻雜鄰近第一柄部的硅晶片的底部；以及 可操作地將第二電觸點連接到摻雜的底部。
全文摘要
一種光波導(dǎo)包括具有兩個相對的側(cè)面的硅晶片。第一凹槽被限定在所述兩個相對的側(cè)面中的每個中以使得硅晶片包括頭部和第一柄部。
文檔編號G02B6/12GK102016663SQ200980116348
公開日2011年4月13日 申請日期2009年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月6日
發(fā)明者D·法塔爾, M·菲奧倫蒂諾, Q·徐 申請人:惠普開發(fā)有限公司