集成光电器件和波导的制作方法

专利名称：集成光电器件和波导的制作方法
技术领域：
本发明涉及与半导体器件集成在一起的波导。
背景技术：
众所周知，光线是沿着我们所知的射线一样的直线路径传播的。射线在材料界面上会发生折射、反射和散射等现象。在一个非传导性的波导中，采用一种低指数的包层包裹着一种高指数的芯，这样射线会通过包层和芯的界面上全内反射限制于高指数芯区。所反射的射线相互干扰，在波导内形成电磁场的模式。这种波导的模式可称之为场模式，它在芯区域传播而不会发生散射，即，改变形状。
对波导中的光进行电检测，光须被吸收在检测材料中且光生电荷必须被收集。为了提高检测的效率，吸收材料一般设置在与波导相接触的称为瞬逝(evanescent)耦合的结构中。检测器的耦合效率可以通过在波导芯和吸收检测器材料之间增加一个中间匹配层来提高。但是，这种结构仍然存在着检测器材料所产生的散射损耗以及由于在匹配层中模式推斥以及导引所造成的低效率的耦合。
光电检测器件的性能受到增益带宽乘积的限制。高增益的光电检测器会降低频率响应或带宽，且一个快速的光电检测器会降低增益或信号。而光电检测器的速度会受到最慢载流子穿过检测器有源区域的传输时间的限制。
附图简要描述

图1A、2A、3A、4A、5A、6A、7A、8A、8C、9A、10A和11A是光电晶体管和波导在不同制造步骤中的剖面图；图1B、2B、3B、4B、5B、6B、7B、8B、9B、10B和11B是光电晶体管和波导在不同制造步骤中的俯视图；图12A和12C是光电二极管和波导的截面图；和，
图12B是光电二极管和波导的俯视图。
具体实施例方式
一个由光电晶体管或光电二极管与波导相耦合的集成系统可提供一个相对较快、结构紧凑且具有增益的集成光检测器。光电晶体管或光电二极管可以作为由光来开关的逻辑电路的元件。与光电晶体管或光电二极管集成的高指数波导可有效地将将光耦合到有损耗的检测器材料中。光在检测器材料中被吸收光，该材料将电子空穴对限制在光电晶体管基极的小区域或者是限制在光电二极管的本征区域中。这种结构可以减小基极面积或者本征区域，并允许具有较快的开关频率。此外，它也允许放大所发射极集电极电流被放大。
把检测器的有源材料与入射瞬逝模式的尾随脉冲(tail)，即没有限制于波导芯的一部分光模式，相隔离，采用具有低指数折射的包层材料减小由于输入检测器区域的反射和衍射所引起的损耗。此外，一个非传导性的倾斜镜面操纵光模式导引通过波导芯进入检测器材料中，从而通过增加入射在检测器材料上的角度来提高进入高指数、高损耗的检测器材料的耦合效率。
参考图1A所示的剖面图，硅绝缘体基片10在其上表面包含一层薄的硅层12，硅层12设置在掩埋的二氧化硅层14上。硅层12和掩埋二氧化硅层14都设置在一个晶片上，例如，一个8英寸的硅晶片。一般来说，例如，薄的硅层12的厚度T1为0.5μm(μm)。例如，掩埋的二氧化硅层14的厚度T2为0.3μm。薄硅层12设置在硅绝缘体基片10的顶层，正如图1B的俯视图所示。
参考图2A所示的剖面图以及图2B所示的俯视图，在硅层12上沉积了一层衰减层18。衰减层18是一层有损耗的材料，也就是说，它能够吸收光。衰减层18的折射指数高于硅层的折射指数。此外，形成衰减层18的材料与硅相匹配，这就使得衰减层18不会与硅层12分层。例如，衰减层18可以是锗涂层。衰减层18可以采用诸如化学蒸汽沉积法(CVD)制成。在采用锗衰减层18的条件下，可以采用在600摄氏度的锗气体和氢载体来沉积。锗可以在诸如ASM国际公司(ASM International)生产的Epsilon或应用材料公司(Applied Materials)生产的Epi x P Centura的CVD系统中沉积。衰减层18厚度T3为，例如，0.1μm。
参考图3A所示的剖面图以及图3B所示的俯视图，光阻材料图形(未显示)被限定在衰减层18上。没有覆盖光阻材料的衰减层18的部分可以通过干蚀刻去除，例如，可以采用氯/溴化氢。去除了衰减层18的部分就露出了下面的薄硅层12的部分。之后，下层的薄硅层的暴露部分可以采用氯/溴化氢试剂以干刻蚀去除，以露出掩埋的二氧化硅层14的部分22a、22b。刻蚀到掩模的二氧化硅层14有利于所形成光电晶体管与它在衰减层18下的基极进行电和光的绝缘。在刻蚀衰减层18之后，由没有被刻蚀所去除的衰减层18和硅层12的部分来限定一个台面形区域20。该台面形区域20所具有的宽度W1为，例如，6μm。这个最小的宽度W1是由在该台面形区域中20中所建立的光电晶体管的尺寸来确定的(见下面)。
参考图4A所示的剖面图以及图4B所示的俯视图，在掩埋二氧化硅层14和台面形区域20上沉积一层中间包层24。中间包层24可以是，例如，采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)方法所沉积的二氧化硅层。沉积后，中间包层24所具有的厚度为，例如，1μm，并且具有诸如1.5相对较低的折射指数。中间包层24可采用化学机械抛光的方法平面化，使得顶层25基本上平坦。在抛光之后，在掩埋的二氧化硅层14上的中间包层的厚度T4为，例如，0.85μm。中间包层24的厚度T4是这样选择的，使得它的厚度等于或厚于沿着构筑在中间包层24上的波导而传输的传输模式的瞬逝尾随脉冲(见下面)。该模式的瞬逝尾随脉冲是在波导芯中传播的部分光线，该光线在波导芯外呈指数衰减。
参考图5A所示的剖面图以及图5B所示的俯视图，在中间包层24上进行光阻层的图形化(未显示)。该光阻层限定了在台面形区域20上的开孔。可以采用干刻蚀方法在台面形区域20上去除由在光阻层中的开孔所暴露的中间包层24的部分，以形成一个包层窗口26。包层窗口26可以由中间包层24形成的第一侧壁27a和第二侧壁27b以及台面形区域20的上表面27c来限定。干刻蚀方法可以使用诸如三氟甲烷/氧气(CHF3/O2)的气体化合物来进行。包层窗口26的宽度W2可以为，例如，5.5μm。包层窗口26的宽度W2小于台面形区域20的W1，从而便于包层窗口26在台面形区域20上的光刻定位。
参考图6A所示的剖面图以及图6B所示的俯视图，在中间包层24上形成波导层28。波导层28可以是，例如，采用硅烷原始物质(precursor)和氮气以PECVD的工艺沉积而成的氮化硅层。波导层28可以具有一个相对较高的折射指数，该指数可以高于中间包层24的折射指数。因此，波导层28的折射指数大于1.5，且在一些实施例中，可以大于1.9。在使用中，波导层28的相对高折射指数与包层24相对低折射指数之间的高反差有助于限制光在波导层28中传输。此外，波导层28在完工的器件的工作的波长区域中在光学上是透明的，例如，对于波长850纳米的光是光学透明的。
波导层28覆盖在中间包层24和台面形区域20上，其在中间包层24上的厚度T5为0.3μm。波导层28的上表面30限定了一个角度，该角度是沿着在中间包层24之上的波导上表面30中的线A和在包层窗口26中的第一侧壁27a之上的波导上表面30中的线B之间延伸的。包层窗口26的波导上表面30的斜率限定了一个倾斜的镜面31。角度是这样选择的，从而在使用中，使通过波导层28所传输的模式经历偏离倾斜镜面31的全内反射，并且通过衰减层28引导到薄的硅层12中。入射的临界角θC都可定义为θC＝sin-1(n2/n1)式中n1等于光穿过诸如波导层28的介质的折射指数；n2等于诸如直接包层24的最接近媒介的折射指数。角度是，例如，25。那么，任何大于25的角度都会引起全内反射且传播的光都将限制在波导层28中。
参考图7A所示的剖面图以及图7B所示的俯视图，在波导层28上沉积光阻层(未显示)并且进行图形化。没有被光阻层所覆盖的波导层28部分可以采用诸如干刻蚀方法予以去除。在波导层28是氮化硅层的情况下，干刻蚀方法可以采用二氟甲烷/氧气(CH2F2/O2)的混合气体来进行。被光阻层所覆盖的波导层28部分就不会被刻蚀掉，因而形成了波导芯32。波导芯所具有的宽度W3为，例如，0.3μm。波导芯32延伸在中间包层24上延伸且与台面形区域20相接触。
波导芯32的厚度T5和宽度W3是由使用时经波导层28所传输的模式类型所决定的。对于单模的传输来说，这些尺寸需要低于第一模式下的截止频率以及高于第二模式下的截止频率。波导芯的厚度T5和宽度W3要远小于光的自由空间波长，具有最大值约为0.35μm。
参考图8A所示的剖面图，图8B所示的俯视图以及图8c所示的部分截面图，发射极34和集电极36形成在最接近波导芯32的薄的硅层12上。发射极34和集电极36可以采用离子注入方式来制成，它使用波导芯32作为掩模，通过衰减层18注入离子。在P型薄的硅层12的情况下，可以注入n型离子，例如，磷离子，剂量为每平方厘米10E14原子(atoms/cm2)并且具有有20千电子伏特的能量，以形成发射极34和集电极36，各自的结深度D1为，例如，0.3μm。这样形成了横向光电晶体管40，该晶体管是由一个n型发射极34，一个n型集电极36，以及一个由薄硅层12所定义的p型基极38所构成。P型基极38的长度L1为，例如，5.5μm。
正如以上参考图4A和图4B所提到的，中间包层24的厚度T4是这样选择的，使得中间包层24的厚度等于或厚于沿着构筑在中间包层24上的波导芯32传输的模式的瞬逝尾随脉冲。中间包层24可防止瞬逝尾随脉冲到达由有损耗的衰减材料所构成的衰减层18和由损耗检测器材料所构成的薄硅层12。这种偏置通过减少背景噪声量和使得光电晶体管更加健全来提高光电晶体管40的速度。阻止瞬逝尾随脉冲到达薄硅层12可以减少从薄硅层12反射出的光干扰，从而减少了导通晶体管所必需的光量，以及减少了可能影响其它晶体管散射光量。
波导芯32可以与台面形区域20偏置一个偏置距离D2。偏置距离D2是，例如，0.3μm。偏置距离D2可以减少来自衰减层18和薄硅层12的反射和散射。
参考图9A所示的剖面图以及图9B所示的俯视图，在波导32、中间包层24和衰减层18暴露的部分之上沉积一上包层50。上包层50可采用诸如PECVD工艺来沉积二氧化硅。沉积后，在中间包层24上的上包层50的厚度为，例如，1μm。上包层50可以采用化学机械抛光工艺来平面化，使得在中间包层之上的上包层50的厚度T6为0.85μm。
参考图10A所示的剖面图以及图10B所示的俯视图，在上包层50的上表面52上沉积一光阻材料层(未显示)且进行图形化。该光阻材料层限定了在发射极34和集电极36上的开孔。由光阻材料层所限定的开孔所露出的上包层50部分可以采用诸如CHF3/O2等离子体干刻蚀方法去除。去除的上包层部分形成了在发射极34之上的第一接触孔60和集电极36之上的第二接触孔62。第一和第二接触孔60，62的宽度W4为，例如，0.2μm至0.3μm，深度D3可为，例如，0.85μm。在刻蚀之后，剥离光阻材料层。
参考图11A所示的剖面图以及图11B所示的俯视图，采用CVD工艺在第一接触孔60和第二接触孔62的底部沉积一粘结层70。粘结层70的材料是诸如氮化钛之类的材料，这种材料可以提供很好的粘结力和低的接触电阻。随后，在第一和第二孔60和62上的粘结层70上沉积一层金属72。该金属72是，例如，采用CVD工艺沉积的钨。采用抛光的方式去除在上包层50上表面52上的过量的金属72。在光电晶体管40的基极38上没有金属触点。因此，该基极38是悬浮着的。
在使用中，衰减层18衰减由波导芯32所传播的模式，且将光高效地耦合到基极38的薄硅层12中。该薄硅层12是一个有损耗的检测器，并限定了一个在台面形区域20下的多模腔体。衰减层18也是一种能够很好吸收光的有损耗材料。在衰减层18是由锗制成的情况下，它的消光系数大约是硅的消光系数40倍，消光系数是光散射和吸收的部分损耗光。因此，衰减层18有利于减少吸收和限制由波导芯32传输光所需的基极区域38的长度L1。
因此，经波导芯32至基极38传输模式的有效耦合可减小基极38的所需长度L1。从薄硅层12的波导芯12的偏置距离D1和由倾斜的镜面31将模式引导到基极38都可以提高耦合的效率。倾斜的镜面将模式限制于波导芯32中且将它导向基极38。在光电晶体管40之下的掩埋氧化层14有助于将光限制于光电晶体管40的基极区域内。
在工作过程中，光电晶体管40放大感生的光电流。由波导芯传输的光被吸收于基极38，形成电子空穴对。集电极36具有正偏置，因此，在基极38光生的电子被扫描进集电极36。在基极38形成空穴后，电子被阻止穿过基极38和进入到发射极34。这些空穴对最接近于发射极34的基极38进行充电，这样，就降低了发射极-基极的势垒，也就是降低了电子由发射极发射到基极38的势垒。因此，光电晶体管40就可以切换成导通，且在发射极34和集电极36之间具有大的电流，并且测量到的光电流被有效地放大。发射极34/集电极36的电流等于感生光电流乘以光电晶体管40的增益。相对小尺寸的基极38和发射极34导致较快的响应时间。
在另一选择实施例中，参考图12A所示的剖面图以及图12B所示的俯视图，SOI基片10可采用上述参考图1A-7B所提及的工艺加以处理。在该实施例中，薄硅层12是本征不掺杂的硅。在最接近波导芯32的薄硅层12中形成一个n型区域100和一个p型区域102。n型区域100和p型区域102可以采用离子注入的方法利用波导芯32作为掩模通过衰减层18进行注入。采用两个分离的光阻材料的掩模(未显示)来分别限定n型区域100和p型区域102。为了形成n形区域100，可以注入n型离子，例如，剂量为每平方厘米4×10E14(atoms/cm2)且具有30KeV的二氟化硼(BF2)。同样，也可以注入p型离子，例如，剂量为每平方厘米4×10E14(atoms/cm2)且具有30KeV的磷离子，以形成p形区域102。n形区域100和p形区域102都有一个诸如0.3μm的深度D4。从而，就制成了一个横向p-i-n的光电二极管104，它是由n形区域100，p形区域102和在n形区域100和p形区域102之间的本征硅区域106所组成。SOI基极10和横向p-i-n的光电二极管104可以采用参考图9A-11B所讨论的方法进一步来加工。
本申请并不限制于以上所提及的特定实施例。例如，掩模二氧化硅层14所具有的厚度可达几个μm。衰减层18部分也可以采用湿刻蚀的方法去除。光敏元件可以不需衰减层18来制成。薄层12可以不是硅，而如锗的其它材料。最接近于台面形区域的薄硅层12部分可以不被刻蚀掉。中间包层24可以薄于经波导芯32传输的瞬逝尾随脉冲。包层24部分也可以采用湿刻蚀的工艺去除，例如，可以采用只刻蚀氧原子而不刻蚀锗原子的氢氟酸来刻蚀。波导层28可以不是氮化硅，而是氧氮化硅的材料。发射极34和集电极36可以采用光阻材料作掩模的方法来注入。发射极34和集电极36也可以注入其它n型离子，例如，剂量为每平方厘米粒子10E14(atoms/cm2)且具有80-100KeV的砷离子。另外，当薄硅层12是n型时，发射极34和集电极36可以注入p型的搀杂剂。单一的光阻材料层可以用来限定横向p-i-n二极管104中的n型100和p型102区域，而波导芯32作为掩模使得本征硅区域106不被注入。上包层50也可以采用其它沉积方式来沉积，例如，高浓度的等离子体(HDP)沉积方法。
本文未讨论的其它实施例也包含在以下权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种波导，其特征在于，它包括具有限定一个角度的上表面的波导芯。
2.如权利要求1所述波导，其特征在于，所述角度至少等于所述波导芯的总的内反射的角度。
3.如权利要求1所述波导，其特征在于，所述波导芯限定一倾斜的镜面。
4.如权利要求1所述波导，其特征在于，还包括具有基极的光电晶体管，其中，所述波导芯与光电晶体管的基极相耦合。
5.如权利要求4所述波导，其特征在于，所述波导芯限定一倾斜的镜面。
6.如权利要求5所述波导，其特征在于，所述波导芯设置在基片上，所述倾斜的镜面引导通过波导芯传播输的模式进入基片。
7.如权利要求1所述波导，其特征在于，还包括具有n型区域、本征层区域、p型区域的光电二极管；其中，所述波导芯与光电二极管的本征层区域相耦合。
8.如权利要求7所述波导，其特征在于，所述波导芯限定一倾斜的镜面。
9.如权利要求8所述波导，其特征在于，所述波导芯设置在基片上，所述倾斜的镜面引导通过波导芯所传播的模式进入基片。
10.一种波导，其特征在于，它包括设置在基片之上的波导芯；以及，设置在所述波导芯和所述基片之间的包层，其中，所述波导通过所述包层偏离所述基片。
11.如权利要求10所述波导，其特征在于，所述波导芯的折射指数高于所述包层的折射指数。
12.如权利要求10所述波导，其特征在于，还包括设置在基片之上的检测器材料，其中，至少去除最接近于所述波导芯的检测器材料部分。
13.一种光电晶体管，其特征在于，它包括形成在所述基片中的发射极；形成在所述基片中的集电极；和，形成在所述发射极和所述集电极之间的基片中的基极，其中，所述发射极，所述集电极和所述基极在所述基片上是横向对准的。
14.如权利要求13所述光电晶体管，其特征在于，所述基极由有损耗的材料组成。
15.如权利要求13所述光电晶体管，其特征在于，还包括波导芯。
16.如权利要求15所述光电晶体管，其特征在于，所述波导芯构造成将模式传播到所述基极。
17.一种光电二极管，其特征在于，它包括形成在所述基片中的n型区域；形成在所述基片中的p型区域；和，设置在所述n型区域和所述p型区域之间的基片的本征部分。其中，所述n型区域，所述p型区域和所述基片的本征部分是横向对准的。
18.如权利要求17所述光电二极管，其特征在于，所述基片的本征部份由有损耗的材料组成。
19.如权利要求17所述光电二极管，其特征在于，还包括波导芯。
20.如权利要求19所述光电二级管，其特征在于，所述波导芯可以构造成将模式传播至设置在所述n型区域和所述p型区域之间的基片的本征部分。
21.一种波导，其特征在于，它包括设置在所述基片上的波导芯；设置在所述基片上方和在所述波导芯下方的衰减层；和，设置在所述衰减层和所述基片之间的检测器层。
22.如权利要求21所述波导，其特征在于，所述衰减层由锗组成。
23.如权利要求21所述波导，其特征在于，所述检测器层由硅组成。
24.一种制作器件的方法，其特征在于，它包括在基片上形成一层包层，而在该部分基片上设置了一检测器层；在所述包层上形成一开孔，以露出部分的检测器层；在所述包层和所述孔上形成一波导层；去除一部分的波导层来形成波导芯；和，把第一区域和第二区域注入到最接近于所述波导芯的所述检测器层的暴露部分。
25.如权利要求24所述方法，其特征在于，所述注入第一区域和第二区域包括注入发射极和集电极。
26.如权利要求24所述方法，其特征在于，所述注入第一区域和第二区域包括注入n型区域和p型区域。
27.如权利要求24所述方法，其特征在于，所述形成波导层包括通过所述包层使所述波导层偏离所述检测器层。
28.如权利要求24所述方法，其特征在于，在所述包层上形成的波导层包括形成一倾斜的镜面。
29.如权利要求25所述方法，其特征在于，所述形成波导层包括通过所述包层使所述波导层偏离所述检测器层。
30.如权利要求25所述方法，其特征在于，在所述包层上形成的波导层包括形成一倾斜的镜面。
全文摘要
一种波导包括波导芯，该波导芯具有可限定一个角度的上表面。该波导包括一个通过包层偏离基片的波导芯。一种光电晶体管包括发射极，集电极，以及横向对准的基极。一种光电二极管包括n－和p－型区域，以及横向对准的本征基片部分。一种波导包括波导芯，衰减层，以及检测器层。一种适用于制造器件的方法包括在基片上形成包层，而该基片具有其表面形成的检测器层；在包层中形成开孔，以露出检测器层；在包层和开孔上形成波导层；去除部分波导层，以限定波导芯；以及把第一区域和第二区域注入到最接近于波导芯的检测器层。
文档编号G02B6/12GK1639605SQ03804470
公开日2005年7月13日 申请日期2003年2月7日 优先权日2002年2月26日
发明者P·戴维茨, M·雷肖克, B·布罗克 申请人:英特尔公司