專利名稱：光波導的外延制備方法
光波導的外延制備方法
背景技術：
本發(fā)明涉及光波導的外延制備方法。很多器件中用到了光波導。例如，光波導模式變換器可以在SOI硅片上制作。美國專利No. 7539373公開了一種上述模式變換器的例子。光波導的制作可以用到許多工序，例如化學刻蝕?？涛g步驟會使得光波導表面粗糙，這種粗糙會導致入射光傳輸損失，降低變換器的效率。在現(xiàn)有技術基礎上，有必要改進光波導及其制作方法。所有在本申請中提到的美國專利、專利申請和其他出版物在此都作為參考文獻。關于本發(fā)明中要求受保護的實施例的簡要說明在下文中陳述，但不作為對本發(fā)明范圍的限制。已簡要概括的本發(fā)明的實施例的其他細節(jié)，和/或本發(fā)明的其他實施例將在下文中“發(fā)明細節(jié)描述”中得到陳述。簡要說明根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施例，一個由體硅襯底，埋氧層，頂層硅和光刻膠層的硅片，依次用光刻法和刻蝕法在頂硅層上制作第一硅脊。在所述頂硅層上(包括脊區(qū)和非脊區(qū))沉積一層氧化硅。在所述氧化硅層上刻蝕一個窗口。理想地是，所述窗口的寬度大于所述脊的寬度。用選擇性外延工藝在所述窗口內沉積硅，從而在第一硅脊上形成一個硅島。 之后，可以用化學機械拋光法(CMP)平坦化所述硅片的表面。如果需要多層脊/硅島，選擇性外延工藝可以重復實施。另一種替代方案是，常規(guī)外延(BEG)工藝也可用來形成多層脊 /硅島。在一些實施例中，制備方法還包括在所述硅片上沉積第二氧化層，其中第二氧化層覆蓋了脊和第一硅島。去除所述第二氧化層的一部分，以形成位于所述第一硅島上的第二窗口。理想地是，第二窗口寬于所述第一硅島。用選擇性外延方法，在第二窗口內沉積位于第一硅島上的第二硅層。第二硅層構成了位于所述第一硅島上的第二硅島的母體。在一些實施例中，制備方法包括，提供一個帶脊的硅片，在所述硅片上沉積有氧化層，其中，氧化層覆蓋了所述硅片上的脊。所述氧化層的一部分被去除而在所述脊上形成一個窗口，例如用刻蝕方法。理想地是，所述窗口寬于所述第所述脊。然后，采用選擇性外延工藝在所述脊上沉積出一個硅島。 在一些實施例中，提供一個帶脊硅片的步驟是，在帶有頂硅層的硅片，所述硅片上覆有氧化層。去除氧化層的一部分，以形成位于頂硅層上的一個窗口。采用選擇性外延方法，在窗口內沉積出一個位于所述頂硅層上的硅島。在一些實施例中，制備方法包括，一個覆有頂硅層的硅片，其上有脊，所述脊旁邊有保護層。所述硅片表面包括所述脊和保護層。用常規(guī)外延工藝在所述硅片上沉積一層硅， 其中，所述脊上沉積單晶硅，在所述保護層上沉積多晶硅。沉積在所述脊上的單晶硅構成硅島。在一些實施例中，多晶硅被去除。如果需要多層脊/硅島，可以通過多次重復BEG來實現(xiàn)。作為替代方案，也可以采用選擇性外延方法新增多個脊/硅島。在一些實施例中，還包括在所述第一硅島旁邊沉積第二保護層，其中，硅片表面包括第一硅島和第二保護層。采用BEG在硅片表面沉積第二硅層。對第二硅層加工成形，即去除第二硅層的一部分。第二硅層的保留部分構成位于第一硅島上的第二硅島。在一些實施例中，提供一個覆有頂硅層且所述頂硅層上有脊和位于脊旁邊的保護層的硅片的步驟是，在硅片的頂硅層表面沉積保護層。去除氧化層的一部分，以形成位于頂硅層上的一個窗口。采用選擇性外延方法，在窗口內沉積出一個位于所述頂硅層上的硅島。根據(jù)另一個實施例，一個由體硅襯底，埋氧層，帶脊的頂層硅的硅片，在其上沉積氧化層和光刻膠層，所述氧化層的高度大于所述脊的高度，這樣所述脊會被氧化層覆蓋。采用光刻工藝，在所述氧化層上刻蝕出一個窗口。然后，可以采用選擇性外延工藝填充所述窗口，形成位于所述脊上的硅島。如果需要多層硅脊結構，上述過程可以重復進行。以上這些和其他的描繪了本發(fā)明特征的實施例，在權利要求部分被指出，并構成了本發(fā)明的一部分。然而，為了更好地理解本發(fā)明及其優(yōu)勢、使用本發(fā)明達到的目的，可以參考構成本發(fā)明另一部分的附圖及其解釋，這些圖及其解釋也揭示和描述了本發(fā)明的各種實施例。附圖解釋本發(fā)明的詳細描述將在下文中結合特定附圖在下文中給出。

圖1給出了帶脊硅片的一個實施例。圖2-4為制備帶脊硅片的一種工藝的示意圖。圖5-9為制備帶脊硅片的另一種工藝示意圖。圖10為脊上有一個硅島的脊波導的示意圖。圖11為脊上有第一硅島和第二硅島的脊波導的示意圖。圖12-15描述了采用選擇性外延方法在硅脊上的窗口內沉積出一個硅島的一種工藝。圖16-18描述了采用常規(guī)外延方法在硅脊上沉積硅島的一種工藝。發(fā)明細節(jié)描述本發(fā)明可以由很多不同的方式體現(xiàn)，這里也描述了本發(fā)明的一些特定實施例。這種描述只是對本發(fā)明原則的舉例說明，而非將本發(fā)明限制在特定的實施例范圍內。為了本發(fā)明之目的，除非另行說明，附圖中相同的數(shù)字應指向同一特征。本發(fā)明討論了制造光波導的外延制備方法，比如SOI硅片上的脊波導。一些實施例中，波導脊是由多層脊構成，如圖10，11和18所示。另外一些實施例中，波導脊具有三維的立體結構。本發(fā)明討論了選擇性外延(SEG)和常規(guī)外延(BEG)在硅脊上生長新硅層(例如硅島)的方法。選擇性外延的實施條件通常比常規(guī)外延更加嚴格。相對于BEG，SEG工藝配方要求低溫、低壓，和不同的反應氣體環(huán)境。SEG工藝配方可以識別不同的襯底材料，即在硅(如單晶硅襯底)上沉積硅(如單晶硅)，但是如果襯底材料不是硅，那么在非硅材料上將不會沉積單晶硅。US4579621公開了一個選擇性外延的實例。BEG工藝會在硅(如單晶硅襯底)上沉積硅(如單晶硅)，而在非硅材料上也會沉積多晶物質(如多晶硅)。例如，在BEG中，氧化物上會沉積多晶硅。一些實施例中，多次SEG用于在硅脊上制成多層脊(例如，在第一硅島上生成第二硅島)。一些實施例中，多次BEG也用于在硅脊上制成多層脊。一些實施例中，SEG用于在硅脊上制成第一脊，BEG用于在第一脊上制成第二脊；一些實施例中，BEG用于在硅脊上制成第一脊，SEG用于在第一脊上制成第二脊?？梢孕略鋈我夂线m數(shù)量的脊，如弟三脊，第四脊。在不同的實施例中，新增脊可以采用SEG和BEG工藝的任意組合來實現(xiàn)。圖1是一個帶有硅脊的硅片。在硅脊上可以使用本發(fā)明中公開的多種方法來制造其他的硅層(可以是多層)。這種帶有硅脊30的硅片20可以采用多種可行的方法制作而成。圖2-圖9是制作這種硅脊的實施圖例。圖2是適合于制作硅脊30的平面硅片20。該硅片是由體硅襯底18、埋氧層22、頂層硅M以及光刻膠16構成。一些實施例中，硅脊30可以通過去除頂層硅M部分材料而制成。圖3是硅片上去除部分光刻膠后的圖形化示意圖。例如，通過光刻過程把光刻膠16表面圖形轉移到刻蝕表面圖形，光刻膠的剩余部分將保護頂層硅，刻蝕后也就會成為硅脊30，未被光刻膠保護的部分硅層38在刻蝕時會被去除。通過光刻-刻蝕步驟，光刻膠表面的二維圖形就形成了硅脊30的三維結構。例如，一些實施例中，硅脊30沿著其長度方向是錐形。圖4是除去頂層硅部分材料后留下硅脊30的示意圖。剩余的光刻膠去除后就形成了一個如圖1所示的帶有硅脊30的硅片20。一些實施例中，硅脊30也可以通過在硅片上外延生長的方法制成。圖5是適合于制作硅脊30的平面硅片20a。該硅片是由體硅襯底18、埋氧層22 以及頂層硅M構成，類似于圖2的結構。圖5在頂層硅16上增加了一個氧化層40(例如 Si02)。該氧化層可以通過熱氧化或氣相沉積而制成，比如低壓化學氣相沉積(LPCVD)、等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)等。光刻膠16在氧化物上表面。光刻-刻蝕過程用來去除部分光刻膠16和部分氧化層40。圖6是去除光刻膠后的示意圖。圖7是采用HF溶液或反應離子刻蝕方法去除硅片上氧化層后的示意圖。圖8去除剩余光刻膠16的示意圖。部分氧化層留在頂層硅上，窗口 42處氧化物被去除，頂層硅表面裸露出來，可以用外延的方法生長新的硅層。光刻膠表面的二維圖形轉移到窗口 42，外延生長后就形成了硅脊30的三維結構。例如，一些實施例中，硅脊30沿著其長度方向是錐形。圖9是在頂層硅M上窗口 42處生長硅脊后硅片20的示意圖，脊30位于沉積氧化層40之間。作為硅脊材料，所生長的外延層是單晶硅。理想地是，外延工藝沉積的單晶硅作為構成脊30的物質。去除余下的氧化層40后就是如圖1所示的帶有硅脊30的硅片 20。一旦提供了帶有硅脊30的硅片20，新的脊就可以加載硅脊30上，如圖10中的硅島46。圖10是脊硅島的一個實施例，其中硅島46已經沉積在脊30上。圖11為多脊波導的示意圖，其中脊30上沉積有硅島46，硅島46上沉積有第二硅島58。在不同的實施例中， 硅島46和58可以用任何合適的工藝實現(xiàn)(如多次BEG，多次SEG ；BEG后SEG ；SEG后BEG，圖12-15討論了在脊30上用選擇性外延(SEG)方法新增硅島46的過程。在脊30上先制作一個窗口 42，然后用選擇性外延方法在窗口 42內形成硅島46。對于圖12，在一些實施例中，頂層硅M用氧化層41覆蓋，氧化層41的厚度大于脊 30的高度，這樣頂層硅M上的脊30及非表面都可以被氧化層41覆蓋。在一些實施例中， 氧化層41的厚度h大于或者等于生長在脊30上的硅島46 (如圖15所示)。在脊形結構上的氧化層41沉積完畢后，對其進行光刻開出一個窗口 42，此窗口可以使得脊30的表面裸露出來。理想情況是，窗口 42的中心和脊30的中心對齊(橫向)，且寬度大于脊30。窗口 42可以通過任何合適的方法獲得，例如光刻和刻蝕。在一些實施例中，在光刻定義窗口之前，可以如化學機械拋光(CMP)的方法對氧化層42進行平坦化處理。 圖13顯示了覆蓋在氧化層41上的光刻膠16，其被曝光顯影后在需要開窗露出頂層硅的位置被去除，此處光刻膠被去除后氧化層41的一部分被暴露出來，暴露出來的部分不再有光刻膠保護可以去除而形成窗口 42，如圖14所示。光刻膠16上表面的成形/刻蝕是在二維平面上操作的，因此，對光刻膠層進行開窗42的位置和尺寸也是在二維平面定義，從而，前述窗口的成形和外延過程共同定義硅島 46的三維立體結構。用選擇性外延工藝可以在窗口 42內外延生長位于脊30上的單晶硅。理想情況是，選擇性外延在裸露的脊30上沉積硅，如單晶硅，而氧化層41上不沉積任何物質。理想地是，SEG工藝配方可以辨別脊30和氧化層41，而不會再氧化層41上沉積物質。當窗口 42的尺寸大于脊30 (例如，窗口 42寬于脊30)，所沉積的硅趨向于有一個平坦的表面。如果窗口 42并不比脊30大，沉積的硅更加可能有非平面的表面，例如一個類似圓的形狀。
圖15為選擇性外延后窗口 42被單晶硅填滿的硅片20，脊30上形成了硅島46。最后對圖15中的硅片20加工成形，得到形成圖11中所示的脊結構。在一些實施例中，SEG實施后，硅片20的表面(例如硅島46的表面)被平坦化，例如用CMP，其中硅島46的上表面將和氧化層41的上表面等高。因此，在一些實施例中，SEG實施前，窗口 42的高度可以定義SEG工藝過程中沉積在脊30上的硅島46的高度。在一些實施例中，被保留的氧化層41 會被去除。這樣，包含硅島46在內的兩層脊結構得到實現(xiàn)。在一些實施例中，第三層，例如第二硅島，可以新增在硅片20的第一硅島上。第二硅島可以用任何合適的方法得到，例如在第一次外延形成的脊上，再繼續(xù)選擇性外延生長第二個脊，或者接下來將要闡述的常規(guī)外延方法。如果采用常規(guī)外延方法，可以在如圖15 所示的硅片20 (例如平坦化后)上進行。這樣，光刻開窗后的氧化層41在第一次選擇性外延后可以保留在硅片20上，在此基礎上進行常規(guī)外延。用合適的方法可以加工制作出任意個脊，例如，四個脊，五個脊等。每個脊都可以被修正成期望的立體結構，例如，通過在脊生成前修改窗口 42的形狀圖16和圖17討論了采用常規(guī)外延方法在脊30上新增硅島46的方法。圖16是硅片20上的頂硅層M上有脊30和位于脊30旁邊的保護層50的一個實施例。在一些實施例中，保護層50包括氧化層40，如圖9所示。因此，在一些實施例中，本發(fā)明方法還包括制備如圖9所示的硅片20，然后再實施BEG工藝。在一些實施例中，保護層 50由氧化硅或氮化硅構成。理想的情況是，保護層50的高度和脊30的高度相同在一些實施例中，可以提供帶有脊30的硅片(如圖1)，保護層50可以沉積在頂硅層M的非脊部分。
如果帶有脊30的硅片20是由圖5-9中描述的刻蝕、生長工藝形成的，所得到的硅片20(如圖9所示)可以作為圖16中的硅片20來加工。不管采用何種方法制作帶有保護層50的硅片20，理想地是，在BEG工藝實施前硅片20的上表面被平坦化，例如用CMP方法。常規(guī)外延(BEG)工藝可能與SEG工藝類似；然而，BEG工藝最好是在硅片20的平坦表面上進行，所述硅片20包括硅脊30和保護層50。BEG工藝在硅片20的表面上沉積了類似一層覆蓋層的硅材料。圖17是在BEG工藝實施之后的硅片20。硅層52已經沉積在硅片20上。隨著外延層的生長，在硅脊30裸露的硅表面生長出一個硅島46。硅島46由單晶硅構成。BEG工藝也會在保護層50上沉積非單晶狀態(tài)的硅，例如多晶硅48。在BEG工藝中，單晶硅島46和多晶物質48之間有一個斜邊56。典型地，斜邊56 使得隨著高度的增加硅島46的寬度減小，這就是硅島46和脊30之間的自對準過程。BEG工藝之后，多晶硅48可以用任何適用的方法去除，例如包括光刻/刻蝕等的成形工藝。在一些實施例中，成形步驟也可以修正硅島46。在一些實施例中，保留的保護層 50可以用任何合適的方法去除。在一些實施例中，第三個脊，例如第二個硅島，可以新增在硅片20的第一硅島46 上。第二個硅島可以用任何合適的方法增加，例如前文討論的BEG或者SEG。如需要，可以增加更多的脊。以上公開的內容僅在于闡述說明，而非窮盡。本發(fā)明提供了在本技術領域中現(xiàn)有技術的變化和替代方案。所有這些替代方案和變化都落在權利要求的范圍內，其中“包括” 表示“包含”，但不是僅限于。本領域的技術人員可能根據(jù)此處描述的具體實施例找到其他等同方案，這些等同方案也落在權利要求范圍內。
權利要求
1.一種光波導的外延制備方法，包括 一個帶脊的硅片；在所述硅片上沉積氧化層，所述氧化層覆蓋了所述脊；去除所述氧化層的一部分，從而在所述脊上形成一個窗口，所述窗口比所述脊更寬； 用選擇性外延方法在所述窗口內、所述脊上沉積硅層，所述硅層構成位于所述脊上的第一硅島的母體；對所述硅層加工成形，得到所述第一硅島。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種光波導的外延制備方法，還包括在所述第一硅島上制作第二硅島。
3.根據(jù)權利要求2的一種光波導的外延制備方法，其中，所述第二硅島的制備方法是， 在所述硅片上沉積第二氧化層，所述第二氧化層覆蓋了所述脊和所述第一硅島；去除所述第二氧化層的一部分，以在所述第一硅島上形成第二窗口，且所述第二窗口寬于所述第一硅島；用選擇性外延方法，在所述第二窗口內，沉積位于所述第一硅島上的第二硅層，所述第二硅層構成位于所述第一硅島上的第二硅島的母體； 對所述第二硅層加工成形，得到所述第二硅島。
4.根據(jù)權利要求2所述的一種光波導的外延制備方法，其中，所述第二硅島的制作方法是，在所述硅片表面上的脊和第一硅島的旁邊沉積保護層，且所述保護層上表面與所述第一硅島的上表面等高；采用常規(guī)外延方法在所述硅片上沉積第二硅層；對第二硅層加工成形，即去除第二硅層的一部分，其被保留的部分構成位于所述第一硅島上的第二硅島。
5.一種光波導的外延制備方法，包括一個帶頂硅層的硅片，在所述硅層上沉積保護層，所述硅片的上表面由所述脊和所述保護層構成，所述保護層位于所述脊的旁邊；對所述硅片的上表面進行平坦化處理，使得所述保護層的上表面與所述脊的上表面等尚；采用常規(guī)外延工藝在所述硅片上沉積硅層，所述硅層由多晶硅和單晶硅構成，其中，所述單晶硅沉積在所述脊上，所述多晶硅沉積在所述保護層上；對所述硅層加工成形，去除所述硅層的一部分，所述硅層的保留部分構成位于所述脊上的第一硅島。
6.根據(jù)權利要求5所述的光波導的外延制備方法，其中所述保護層由氧化物或氮化物構成。
7.根據(jù)權利要求5所述的光波導的外延制備方法，其中，所述硅片的制作方法是，提供一個硅片，其包括頂硅層和覆蓋在所述頂硅層上保護層；去除所述保護層的一部分，在所述頂硅層裸露的上表面上得到一個窗口 ； 在所述窗口內用選擇性外延方法，在所述頂硅層上沉積硅層，形成所述脊。
8.根據(jù)權利要求5所述的光波導的外延制備方法，還包括在所述第一硅島上新增第二娃島。
9.根據(jù)權利要求8所述的光波導的外延制備方法，其中，所述第二硅島的制作方法是， 在所述硅片上沉積氧化層，所述氧化層覆蓋了所述脊和所述第一硅島；去除所述氧化層的一部分，在所述第一硅島上制作一個窗口 ；用選擇性外延方法在所述窗口內、所述第一硅島上沉積硅層，所述硅層構成位于所述第一硅島上的第二硅島的母體；對所述硅層加工成形，得到所述第二硅島。
10.根據(jù)權利要求8所述的光波導的外延制備方法，其中，所述第二硅島的制作方法是，在所述第一硅島旁邊沉積第二保護層，所述硅片的上表面包括所述第一硅島和所述第二保護層；采用常規(guī)外延工藝在所述硅片上沉積第二硅層；對所述第二硅層加工成形，去除所述第二硅層的一部分，所述第二硅層的保留部分構成位于所述第一硅島上的第二硅島。
全文摘要
本發(fā)明公開了光波導的外延制備方法，包括在所述脊上沉積硅島。在一些實施例中，硅島的制作可以采用選擇性外延方法或常規(guī)外延方法。在一些實施例中，第二個硅島在第一硅島上沉積。在一些實施例中，多個硅島分別采用不同的方法制作。
文檔編號G02B6/13GK102213795SQ20111009499
公開日2011年10月12日 申請日期2011年4月15日 優(yōu)先權日2010年4月15日
發(fā)明者李冰, 李小剛, 王浙輝 申請人:上海圭光科技有限公司