具有提供于半導(dǎo)體襯底上的光子晶體下部包覆層的光子裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及制作于半導(dǎo)體襯底上方的光子裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]例如波導(dǎo)、調(diào)制器、檢測器、解調(diào)器、諧振器、分接頭、分裂器、放大器、光柵、耦合器及其它的光子裝置已成功地集成于集成電路襯底上。通常，光子裝置具有用于引導(dǎo)光的波導(dǎo)芯材料以及環(huán)繞所述芯以將光局限于所述芯中的包覆物。通常，襯底由硅形成且芯材料由多晶硅形成。在將此等裝置制作于襯底上時(shí)，還必須存在對通過芯的光解耦以使其不耦合到襯底以防止光學(xué)信號(hào)損失。此需要芯與襯底之間的適合光學(xué)解耦器。通常出于此目的，可使用具有呈硅上部層下方的二氧化硅層的形式的光學(xué)絕緣體的絕緣體上硅(SOI)襯底。替代地，裸硅襯底可具備其上可建立具有波導(dǎo)芯的光子裝置的上覆光學(xué)解耦器(舉例來說，二氧化硅層)。另外，當(dāng)前趨勢是將電子電路及裝置與光子電路及裝置一起集成于襯底上。此存在額外問題，這是因?yàn)榫哂杏糜诠庾友b置及電路的適合光學(xué)隔離的襯底可不適合于制作于相同襯底上的電子裝置及電路的所要操作特性。
[0003]期望用于在提供適合包覆層及低信號(hào)損失時(shí)將光子電路及裝置與襯底光學(xué)隔離且允許將電子電路及裝置易于集成于所述相同襯底上的有效技術(shù)及結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0004]圖1 (A)是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例制作于襯底上的光子裝置的實(shí)例沿著波導(dǎo)方向的橫截面圖；
[0005]圖1⑶是展示代表性尺寸的圖1㈧實(shí)施例的放大部分；
[0006]圖1 (C)是旋轉(zhuǎn)90°且沿著波導(dǎo)方向的垂直平面的圖1㈧實(shí)施例的橫截面圖；
[0007]圖2 (A)到2 (H)繪示用于形成圖1A實(shí)施例的制作過程的連續(xù)步驟的實(shí)例；
[0008]圖3 (A)到3⑶繪示另一制作過程的連續(xù)步驟的實(shí)例；
[0009]圖4是經(jīng)制作以將光子裝置及電裝置兩者容納于相同襯底上的集成電路的橫截面。
【具體實(shí)施方式】
[0010]本發(fā)明提供一種可將例如波導(dǎo)的光子裝置或包含波導(dǎo)作為其結(jié)構(gòu)的部分的其它光子裝置與下伏襯底的塊體材料隔離的光學(xué)隔離結(jié)構(gòu)。光學(xué)隔離結(jié)構(gòu)還用作下部包覆物以用于對通過光子裝置的光的垂直局限。光學(xué)隔離結(jié)構(gòu)是由制作于在其上方形成光子裝置的其余部分的襯底中的光子晶體形成。光子裝置包含具有通過光子晶體下部包覆層與襯底光學(xué)隔離的芯的波導(dǎo)。額外包覆物還提供于波導(dǎo)芯的側(cè)上及頂部上方。
[0011 ] 光子裝置可集成于其上形成光子裝置及電裝置兩者的襯底上。
[0012]雖然實(shí)施例將描述為采用硅襯底及作為用于波導(dǎo)的芯材料的結(jié)晶硅，但所述實(shí)施例并不限于這些特定材料的使用，這是因?yàn)槠渌牧峡捎糜谝r底及波導(dǎo)芯。
[0013]現(xiàn)在參考圖1(A)及圖1(C)的橫截面圖，后者是圖1(A)的經(jīng)90°旋轉(zhuǎn)視圖，且圖1(B)是圖1(A)的放大部分，展示形成于硅襯底101上的光子裝置100的一個(gè)實(shí)施例。所展示光子裝置100是具有波導(dǎo)芯105、由形成于襯底101中的光子晶體103形成的下部包覆物以及由電介質(zhì)材料107形成的側(cè)壁包覆物及上部包覆物(如圖1(C)中所展示)的波導(dǎo)。在圖1(A)中光通過芯105的方向是左到右或右到左。光子裝置可形成為使用波導(dǎo)芯105來傳遞光的任何類型的光子裝置。若干實(shí)例包含波導(dǎo)、調(diào)制器、檢測器、解調(diào)器、諧振器、分接頭、分裂器、放大器、光柵、親合器及其它光子裝置。波導(dǎo)芯105中的光導(dǎo)模式與娃襯底101模式之間的耦合因光子晶體103的晶體色散性質(zhì)而受抑制，借此提供穿過波導(dǎo)芯105的低損失光路徑。
[0014]光子晶體103提供為形成于襯底101中的元件109的周期性或準(zhǔn)周期性陣列。作為非限制性實(shí)例，襯底101可由裸硅形成(也就是說，硅是穿過整個(gè)襯底101厚度的僅有材料)。元件109可由各種電介質(zhì)材料或?qū)щ姴牧闲纬?，例?作為實(shí)例)氧化物(氧化硅、二氧化硅)、氮化物(例如氮化硅)或金屬(例如鋁或銅)。實(shí)際上，可使用將襯底101中斷成周期性或準(zhǔn)周期性分段118(圖1 (B))且致使光色散的任何材料，只要光子晶體103的平均折射率低于波導(dǎo)芯105的材料的折射率即可。元件109致使進(jìn)入到襯底101中的光的色散，使得光極少或并不耦合到襯底101塊體中。此外，由于光子晶體103的平均折射率低于波導(dǎo)芯105的折射率，因此其用作包含芯105以及側(cè)及上部包覆物107的波導(dǎo)的下部包覆物，在圖1(C)中最好地展示。圖1(B)通過虛線展示包含光子晶體100分段118的連續(xù)波導(dǎo)分段122中的一者，其中波導(dǎo)芯105具有高度(h)，元件109具有寬度(x)及到襯底101中的深度(d)，且元件109以周期(a)間隔開。
[0015]光子晶體103的平均折射率通過對具有周期(a)(圖1 (B))或準(zhǔn)周期的光子晶體103分段118的折射率求平均而確定，如下文所描述。作為一個(gè)實(shí)例，波導(dǎo)芯105可由結(jié)晶硅形成，且側(cè)及上部包覆物107可由具有比結(jié)晶硅波導(dǎo)芯105的折射率低的折射率的材料形成。在圖1(A)到1(C)實(shí)施例的一個(gè)特定實(shí)例中，襯底101由裸娃形成，元件109由二氧化硅形成，芯105由外延結(jié)晶硅形成，且側(cè)及上部包覆物107由二氧化硅形成。另外，如下文進(jìn)一步所描述，如果電子裝置還將集成于襯底101上，那么側(cè)及上部包覆物可由BPSG或PSG(已知用作電子集成電路中的層間電介質(zhì)材料且具有低于結(jié)晶硅波導(dǎo)芯105的折射率的折射率的材料)形成。
[0016]如圖UA)到1(C)中所展示，光子晶體103具有周期(a)的周期性結(jié)構(gòu)(圖1B);然而光子晶體還可具有準(zhǔn)周期性晶體結(jié)構(gòu)。準(zhǔn)周期性光子晶體是眾所周知的且在(舉例來說)Florescu等人的“二維光子準(zhǔn)晶體中的完全帶隙(Complete Band Gaps inTwo-Dimens1nal Photonic Quasicrystals) ”(美國物理學(xué)會(huì)(2009)第 155112-1 頁到第15512-7頁)及Sun等人的“借助光子準(zhǔn)晶體光纖的空氣導(dǎo)引(Air Guiding with PhotonicQuas1-Crystal Fiber) ”(IEEE (2010)，1041 到 1135)中加以描述。
[0017]在特定構(gòu)造及使用圖1(B)中所展示的波導(dǎo)分段122尺寸的一個(gè)實(shí)例中，光子晶體103形成為一維(1D)布拉格(Bragg)反射體。波導(dǎo)芯105的高度(h)及寬度(w)可分別為大約3.3um及大約3X(h)。彡3:1的寬度與厚度比促進(jìn)光源耦合到(舉例來說)光子裝置100。波導(dǎo)芯105的此不對稱設(shè)計(jì)還支持初級(jí)傳播零階模式，同時(shí)支持較高階模式。元件109的寬度(x)可為大約0.13um且周期(a)可為大約0.54um。元件9的深度(d)可為大約0.68um。在本文中使用措辭“大約”來指示一值可從所表達(dá)值偏離±10%。借助此構(gòu)造，光子晶體103具有3.4的平均折射率，所述平均折射率小于結(jié)晶硅的折射率(3.5)。另外，由于襯底101的娃在元件109之間的寬度是大約0.41um，所述寬度是元件109的寬度(w)的三(3)倍以上，因此促進(jìn)了襯底101上的用于波導(dǎo)芯105的幾乎完整結(jié)晶外延硅層的形成。
[0018]在具有這些尺寸的波導(dǎo)上完成的模擬展示，光子晶體103及波導(dǎo)芯105的幾何性質(zhì)可經(jīng)最小調(diào)整以在1310nm±40nm的波長處實(shí)現(xiàn)TE。^ TM Q1傳播模式的最小發(fā)射損失。存在到襯底101中的大約_2db/cm到大約_5db/cm的低光學(xué)信號(hào)損失。所述模擬還揭露，波導(dǎo)芯層105的高度(h)(圖1 (B))應(yīng)針對TEQ1模式發(fā)射大于大約2.5um且針對TM Q1模式發(fā)射大于大約5um。
[0019]上文所論述的參數(shù)不過是波導(dǎo)芯105及相關(guān)聯(lián)光子晶體包覆物103的代表性尺寸的實(shí)例。其它尺寸也可用于特定應(yīng)用。
[0020]雖然上文所描述及圖式中所圖解說明的實(shí)施例形成充當(dāng)布拉格反射體的一維光子晶體103，但光子晶體103還可形成為襯底101內(nèi)的二維或三維光子晶體結(jié)構(gòu)。二維及三維光子晶體103可進(jìn)一步降低到襯底101中的光學(xué)信號(hào)損失且改進(jìn)光子裝置100支持TE及TM光學(xué)發(fā)射模式的能力。
[0021]現(xiàn)在參考圖2(A)到2(H)來描述用于形成圖1(A)到1 (C)結(jié)構(gòu)的過程的一個(gè)實(shí)例。
[0022]圖2(A)圖解說明是裸硅襯底的起始襯底101。使用光刻將襯底101圖案化為具有多個(gè)溝槽102。在一個(gè)實(shí)例中，在襯底101上形成經(jīng)圖案化掩模(例如，氮化硅掩模)，其中將對應(yīng)于元件109的位置的掩模的部分移除向下到襯底101的表面。如圖2(B)中所展示，掩模的經(jīng)移除區(qū)允許對襯底101的選擇性蝕刻以形成溝槽102，在此之后通過蝕刻或化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)及襯底101清洗來移除掩模。接著，如圖2(C)中所展示，在襯底101上方沉積或生長氧化物(例如，二氧化硅109)，從而填充溝槽102。如圖2(D)中所展示，接著將二氧化硅平面化向下到襯底101的上部層以形成嵌入于襯底101中的元件109。以周期(a)來布置元件109。
[0023]如圖2(E)中所展示，將結(jié)晶硅層114(其將形成波導(dǎo)芯105)非選擇性地外延生長為含有氧化物元件109的襯底101上方的毯覆層。圖2(F)展示從圖2(E)旋轉(zhuǎn)90°的襯底101的橫截面。由于元件109的寬度(X) (0.13um)較小，因此在外延生長期間較小量的多晶硅將形成于氧化物元件109上方。然而，多晶硅將薄于.2um且因此其有效體積將小于將形成波導(dǎo)芯105的實(shí)質(zhì)上完整外延結(jié)晶層114的總體積的1%。
[0024]如圖2(G)中所展示，選擇性地蝕刻結(jié)晶外延硅層114以將溝槽111形成到襯底101的表面處的光子晶體103的頂部，借此形成波導(dǎo)芯105，波導(dǎo)芯105通過溝槽111與其它外延結(jié)晶硅區(qū)114分離。接著，如圖2(H)中所展示，沉積電介