半导体构造、半导体构造形成方法、导光导管和光信号传播组合件的制作方法

专利名称：半导体构造、半导体构造形成方法、导光导管和光信号传播组合件的制作方法
技术领域：
本发明关于半导体构造、半导体构造形成方法、导光导管和光信号传播组合件。
背景技术：
光信号有许多应用。举例来说，光信号经常用于在较远距离上传送数据。导光导管 (例如，比如光纤电缆)可用作光信号的通道。然而，光信号在从一个点行进到另一个 点期间可能会变得降级，且因此可能需要沿着信号通道在各种间隔处刷新光信号。
光信号的另一使用是在超快计算机中。许多物理效应以非常高的频率使作为信息的 可靠载体的电子的性能发生降级，从而致使所述电子无法用来以超快的处理器速度传送 信息。然而，光子可能是具有此类超快处理器速度的信息的可行载体。
光信号的又一使用是用于在可能具有非常高的辐射的环境下利用的处理器中传送 信息。虽然此类环境可能对利用电子的信号传送造成许多问题，但利用光子的信号传送 在此类条件下可能保持相对稳固。在高辐射环境下利用信息传送的应用包括军事应用和 外空间技术应用。
以上列举的实例只是针对光信号技术已经开发或正被开发的许多应用中的少数几 者。考虑到光信号技术的许多应用，将需要开发出用于改进光信号传播和传送的装置和 方法。

发明内容
在一个方面中，本发明包含一种光引导导管。所述导管包含光借以迁移的内部材料 以及包围所述内部材料的护套(或屏障)。所述护套经配置以大致保持所述光沿着由内 部材料界定的路径迁移。所述内部材料包括其中散布着一种或一种以上稀土元素的基 质，其中在所述基质的至少一部分内所述一种或一种以上稀土元素的总浓度为至少约 lxlO^个原子/cm3。正如所属领域的技术人员已知的，稀土元素是原子序数为58到71 的元素中的任何元素。
在一个方面中，本发明包含一种半导体构造，所述构造包括半导体衬底和由所述衬 底支撑的波导。所述波导包括一种或一种以上稀土元素，其中这些元素在所述波导的至 少一个区段内存在的总浓度为至少约lxlO"个原子/cm3。
在一个方面中，本发明包含一种光信号传播组合件。所述组合件包括光信号输入端、
光信号放大器、光信号接收器和光信号导管。所述光信号放大器经配置以从所述输入端 接收光信号并放大所述光信号，且所述光信号导管经配置以将经放大的信号从放大器引 导到接收器。所述光信号放大器包括基质材料内的一种或一种以上稀土元素。在特定方 面中，所述稀土元素可包含铈、铒、钕和镱中的一者或一者以上。
在一个方面中，本发明包含一种形成半导体构造的方法。提供半导体衬底，且将一 个或一个以上沟道蚀刻到所述衬底中。所述沟道中的至少一者装衬有第一屏障材料且接 着用波导材料填充。所述波导材料中的至少一些掺杂有一种或一种以上稀土元素。接着， 在波导材料上方形成第二屏障材料，其中所述第二屏障材料沿着所述至少一个沟道的侧 壁接触所述第一屏障材料。


下文参看以下附图描述本发明的优选实施例。
图1是根据本发明示范性方面的光学装置组合件的概略横截面俯视图。 图2是沿着图1的线2-2的概略横截面图。
图3是根据本发明另一示范性方面的光学装置组合件的概略横截面俯视图。 图4是根据本发明示范性方面的初步处理阶段处的半导体构造的片段的概略横截面图。
图5是图4处理阶段之后的处理阶段处所示的图4的片段的视图。 图6是图5处理阶段之后的处理阶段处所示的图4的片段的视图。 图7是图6处理阶段之后的处理阶段处所示的图4的片段的视图。 图8是图7处理阶段之后的处理阶段处所示的图4的片段的视图。 图9是包括沿线8-8的图8的片段的示范性构造的俯视图。 图IO是图8处理阶段之后的处理阶段处所示的图4的片段的视图。
具体实施例方式
本发明的揭示内容是为了促进美国专利法"为了促进科学与实用技术的进步"("to promote the progress of science and useful arts",第1章，第8节)的本质用途而提交的。
本发明包含光波导和光放大器，以及形成光波导和光放大器的方法。在本发明的一 些方面中，认识到可利用稀土元素来放大光信号。可将所述稀土元素纳入到光互连中， 且在特定方面中将其纳入到集成电路光互连中，以维持沿着所述光互连迁移的光信号的 信号强度。在一些方面中，可利用所述稀土元素来放大光互连的至少一区段内的光信号 强度。
在一些方面中，可考虑将稀土元素纳入在导光导管内，其中术语"导光导管"用来 一般性地指代任何具有用于光的路径的装置，其中包含光波导和光放大器。
稀土元素可借以放大光信号或至少帮助维持光信号的机理在于，所述元素可产生额 外光子，所述额外光子的相位和轨迹与撞击所述元素的光子的相位和轨迹相同。本发明 的一个方面是认识到在芯片上集成电路光互连中纳入稀土元素可能是有利的，特别是在 稀土元素处于硅纳米晶体内的情况下。当稀土元素被具有适当能量的光子激发时，散布 在电介质(例如二氧化硅)中的硅纳米晶体中的稀土元素可导致光放大。对于铒来说， 这可能(例如)在室温下在lxl0—"每平方厘米的估计激发横截面的情况下以大约1540 run 的波长产生发射。此效应可用于增强光借以传送通过材料的量子效率。
铒、镱、钕和铈可特别适合于纳入到介电波导材料中。举例来说，铒离子具有的量 子能级允许以800 nm波长、980 nm波长和1480nm波长激发。
稀土元素在集成电路的常用电介质(例如，比如二氧化硅)中的溶解度往往较低。 这可能是有益的，因为间质稀土元素(例如，比如铒)将不会实质性改变电介质的物理 性质(例如，折射率和介电常数)。
在导光导管内纳入各种数量和类型的稀土元素可使得能够针对特定应用而调整所 述导管的性质。参看图I到图IO描述本发明的示范性方面。
参看图1和图2，所述两图说明构造10,其包括从光信号输入端14延伸到光信号 接收器16的导光导管12。
光信号输入端可以是将光信号引导到导管12中的任何元件，且光信号接收器16可 以是来自导管12的光信号被馈入进去的任何元件。举例来说，在一些方面中，输入端 14可对应于光纤电缆，并且可在输入端与导管12之间提供适当的透镜和/或其它装置， 使得将来自光纤电缆的光信号传送到导管12。类似地，在一些方面中，接收器16可对 应于光纤电缆，并且可在接收器与导管12之间提供适当的透镜和/或其它装置，使得将 来自导管的光信号传送到光纤电缆。作为另一实例，输入端14可对应于将光数据信号 引导到导管12的高频处理器，且接收器16可对应于经配置以存储或利用光数据信号内 含有的数据的系统。
将光引导导管12展示为由衬底18支撑。此衬底可以是适合于支撑光引导导管的任 何元件，且在一些方面中，其可包括单晶硅。在这些方面中，衬底可称为半导体衬底。 为了帮助解释所附权利要求书，将术语"半传导衬底"和"半导体衬底"定义为意指任 何包括半传导材料的构造，所述半传导材料包含但不限于例如半传导晶片等大块半传导 材料(以单独的形式或以上面包括其它材料的组合件形式)以及半传导材料层(以单独
的形式或以包括其它材料的组合件形式)。术语"衬底"是指任何支撑结构，其中包含 但不限于半传导衬底。可能有利的是，衬底为半导体衬底，因为这可允许针对制造光引 导导管利用半导体处理技术。
如果衬底18是半导体衬底，则所述衬底可均质地为半导体组合物(如图所示)，或 者可包括多个不同组合物层。如果衬底均质地为半导体组合物，则衬底可(例如)包括 单晶硅、主要由单晶硅组成或由单晶硅组成。如果衬底包括多个层，则所述层中的一者 或一者以上可包括单晶硅、主要由单晶硅组成或由单晶硅组成，且所述层中的其它层可 以包括或不包括半导体材料。举例来说，其它层可包括介电材料、金属材料或导电的含 金属的组合物。在衬底包括多个层的方面中，导管12可形成在任何合适的层中，或者 可延伸穿过一个以上层。
将光引导导管12展示为包括内部材料20和围绕此内部材料的护套22。在所展示的 方面中，导光导管延伸到衬底18中。护套包括位于内部材料20与衬底18之间的第一 部分24以及位于内部材料20和衬底18上方的第二部分26。第一部分24和第二部分 26可包括彼此相同的组合物，或者其组合物可彼此不同。另外，虽然将第一部分24和 第二部分26展示为是均质的，但了解到所述部分中的至少一者可包括排列作为此部分 内的各种区段或层的多个不同组合物。
可将内部材料20视为导光导管12的光波导。光迁移穿过所述内部材料。正如所属 领域的技术人员将认识到的，可由内部材料的组合物确定迁移穿过内部材料的特定波长 的光。本发明的一个方面是认识到在内部材料内包含一种或一种以上稀土元素(换句话 说，选自由铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥组成的群组的 一种或一种以上元素)可增强迁移穿过内部材料的光信号的稳定性。在一些方面中，内 部材料可包括其中散布有一种或一种以上稀土元素的基质，其中在所述基质的至少一部 分内所述一种或一种以上稀土元素的总浓度为至少约lxlO"个原子/cm3。
基质可包括任何合适的组合物或组合物组合，且在一些方面中，基质将包括二氧化 硅、含二氧化硅的玻璃(例如，硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)、磷硅酸盐玻璃(PSG)和氟 硅酸盐玻璃(FSG))、氮化硅、氧化铟锡和氧化锌锡中的一者或一者以上。可将含氧化 硅的玻璃视为掺杂二氧化硅，且在一些方面中，可将其视为由二氧化硅以及磷、氟和硼 中的一者或一者以上组成。
可在内部材料基质内将稀土元素提供为任何合适浓度，以便帮助维持迁移穿过内部 材料基质的光信号的稳定性(或者如果需要的话，放大迁移穿过内部材料基质的光信 号)。通常将在内部材料基质内将稀土元素提供为小于或等于所述稀土元素的固溶度极
限的浓度，这通常将意味着稀土元素的总浓度将小于或等于约lxlO"个原子/cm3。在示 范性方面中，在内部材料基质内稀土元素的总浓度将为约lxlO"个原子/cmS到约lx1018 个原子/cm3。在一些方面中，特定稀土元素将是内部材料基质内提供的仅有稀土元素， 或者至少将是制造技术限制内存在的仅有稀土元素。如果特定稀土元素是制造技术限制 内存在的仅有稀土元素，则可将此稀土元素视为大致上只是内部材料内存在的仅有稀土 元素。在一些方面中，可能有利的是内部材料基质大致仅包括铒或铈。
在一些方面中，可在内部材料基质内存在的硅纳米晶体内提供土族元素。举例来说， 富含铒的(或掺杂有铒的)硅纳米晶体内的内部材料基质中可存在铒。
护套22经配置以大致保持光沿着由内部材料20界定的路径迁移。所述护套通常将 包括这样一种或一种以上组合物其折射率不同于邻近这些组合物的内部材料20的折 射率。正如所属领域的技术人员将认识到的，护套的折射率与邻近于护套的内部材料的 折射率之间的差别可有助于保持光沿着由内部材料界定的路径。
护套22的组合物可以是适合于有助于保持光沿着由内部材料20界定的路径的任何 组合物。举例来说，如果内部材料20包括二氧化硅，则护套22的邻近于氧化硅的部分 可包括氮化硅和/或金属材料和/或含金属的组合物。在本发明的所示方面中，护套22包 括非金属材料区段34和金属材料区段32。金属材料32可以是任何合适的组合物或组合 物组合，且在特定方面中，其可包括铝、钨、铜和金属硅化物(例如，硅化钛和硅化钨) 中的一者或一者以上。
可将波导20视为具有沿着纵轴21延伸的纵向尺寸(图1)，并且具有正交于纵向尺 寸的横向尺寸(例如，图l和图2的横向尺寸23和25)。在本发明的所示方面中，护套 22完全围绕波导20的横向尺寸延伸，且因而完全围绕这些横向尺寸。
在本发明的一些方面中，内部材料20将具有掺杂有足以放大光信号的充分浓度的 一种或一种以上稀土元素的区域(或区段)(其通常将为至少约lxlO"个原子/cr^的总 浓度的稀土元素)，并且将具有未掺杂任何显著量的稀土元素的(或者换句话说，具有 小于lxlO"个原子/cr^的稀土元素总浓度的)另一区域(或区段)。在图3中说明本发 明的此方面。在参看图3时，在合适的情况下将使用上文在描述图l和图2时利用的类 似编号。
图3展示包括由衬底18支撑的导光导管42的构造40。衬底18可与先前参看图1 和图2描述的衬底完全相同。将上文论述的光信号输入端14和光信号接收器16展示为 接近导光导管42。从输入端14提供的光信号穿过导管42到达接收器16，且因而可将 穿过导管的光路径视为从输入端14向下游前进到接收器16。
导光导管42包括波导的两个邻近区段44和46，其中区段44相对于穿过导管到达 接收器16的光流动而位于区段46的上游。在本发明的特定方面中，上游区段44可掺 杂有足以放大光信号的充分浓度的一种或一种以上稀土元素(其通常将为至少约lxl0'6 个原子/cm3的总浓度的稀土元素；且可为约lxlO"个原子/cm3到约lx1018个原子/cm3 的总浓度的稀土元素)，而下游区段46未掺杂有任何显著量的稀土元素(其通常将为小 于lxlO"个原子/cr^的稀土元素总浓度)。在这些方面中，可将构造40视为包括光信号 传播组合件。可将此组合件的上游区段44视为光信号放大器，所述光信号放大器从输 入端14接收光信号，并在使信号穿过导管的剩余区段46到达接收器16之前，利用其 中的稀土元素来放大信号。
波导的区段44和46可包括与上文关于波导20论述的组合物相似的组合物，且具 体地说，可包括其中散布有一种或一种以上稀土元素的介电基质材料。在特定方面中， 可在富含稀土元素的硅纳米晶体中提供这些土族元素中的至少一些。可利用任何合适的 稀土元素或稀土元素组合。在一些方面中，将利用铒、铈、钕和镱中的一者或一者以上。
在一些方面中，区段44的介电基质材料将不同于区段46的介电基质材料。举例来 说，可能有利的是利用氧化铟锡和氧化锌锡中的一者或两者作为光放大区段44的介电 基质材料，并利用其它材料作为区段46的介电基质材料。因而，在本发明的一些方面 中，区段44将包括氧化铟锡和氧化锌锡中的一者或两者，且区段46将不包括氧化铟锡 或氧化锌锡。在这些方面中，区段46的介电基质材料可(例如)包括二氧化硅、掺杂 二氧化硅和氮化硅中的一者或一者以上。
沿着区段44和46的横向边缘展示与上文参看图1和图2论述的护套22相似的护 套48。示范性护套48具有金属区域32和非金属区域34。展示此示范性护套以指示图3 的构造中所利用的护套可如同图l和图2的构造中所利用的护套那样包括非金属区段、 金属区段或非金属区段与金属区段的组合。虽然将护套48的金属材料展示为邻近富含 稀土元素的区段44，但应了解所述护套邻近区段46的部分也可为金属的。然而，在本 发明的一些方面中，可能有利的是沿着导管42包括氧化铟锡和氧化锌锡中的一者或两 者的区域提供护套的金属区域。
类似于护套22完全横向围绕图1和图2的波导20的方式，图3的护套48可完全 横向围绕含有区段44和46的波导。
参看图4到图10描述用于形成本发明示范性光信号导管的示范性方法。在参看图4 到图10时，在合适的情况下将利用上文在描述图1到图3时利用的类似编号。
参看图4，将构造40展示为包括衬底18。此衬底可为半导体衬底，且在一些方面
中，可包括大块单晶硅、主要由大块单晶硅组成或由大块单晶硅组成。
接下来参看图5，将沟道50蚀刻到衬底18中。虽然仅展示了一个沟道，但应了解 可同时在衬底内形成多个沟道。沟道50可用任何合适的处理来形成，所述处理包含(例 如)提供界定沟道位置的光刻图案化掩模(未图示)；蚀刻进入衬底中以在由掩模界定 的位置中形成沟道；且随后移除掩模，从而留下图5所示的结构。
接下来参看图6，用屏障材料54装衬沟道50，且接着用波导材料56填充所述有衬 的沟道。在图5的处理阶段处形成多个沟道的应用中，可用材料54装衬并用材料56填 充所有所述沟道，或者作为替代形式，可用材料54装衬且/或用材料56填充不到全部的 沟道。屏障材料54是相对于沿着包括材料56的波导行进的光的屏障。所述屏障可完全 阻止光从波导中逸出，但更常见的情况是仅部分地阻止光从波导中逸出。
屏障材料54最终形成上文论述的护套，且因而可包括与先前针对图1到图3的防 护材料所述的组合物相同的组合物。因此，所述屏障材料可(例如)包括氮化硅或其它 非金属材料且/或可包括各种金属材料。
波导材料56最终形成与上文论述的导光导管类似的导光导管，且因而可包括与先 前针对图1到图3的导光导管所述的组合物相同的组合物。因此，波导材料可(例如) 包括以下材料中的一者或一者以上、主要由其组成或由其组成二氧化硅、掺杂二氧化 硅、氮化硅、氧化铟锡和氧化锌锡。
参看图7，材料54和56经受平坦化(例如，比如化学机械抛光)，以便形成在衬底 18和材料54及56上延伸的平坦化上表面57。在一些方面中，所述平坦化可移除衬底 18的一部分，使得平坦化表面57位于衬底18的初始最上表面的正下方，且在其它方面 中，可在到达衬底18的最上表面后大致停止。
参看图8，将波导材料56(图7)暴露于一种或一种以上稀土元素，以便将所述材 料转换成掺杂有稀土元素的材料60。虽然将用稀土元素掺杂展示为在图7的平坦化之后 发生，但应了解本发明也包含此掺杂在平坦化之前发生的方面(未图示)。
可利用任何合适的方法将所需的稀土元素纳入到波导材料中。举例来说，可将掺杂 剂植入到所述材料中。在示范性方面中，利用约100KeV到约300 KeV的植入能量和约 lxlO"原子/cr^到约lxlO"原子/cn^的植入剂量将一种或一种以上稀土元素的氯化物植 入到所述材料中。此植入可实现稀土元素在波导材料内有约lx1016个原子/cm3到约 lxlO"个原子/cm3的所需剂量。在所述植入之后可以是在例如约500°C到约700°C的温 度下持续约IO分钟到约30分钟的退火，以便将所述植入的稀土元素扩散在波导材料内。 在特定方面中，所述植入的稀土元素可能是铒，且氯化物因此可能是氯化铒。如果植入
的稀土元素完全是铒，则波导材料内的掺杂剂可能只是铒；而且，如果植入的稀土元素 至少几乎完全是铒，则波导材料内的掺杂剂可能至少大致只是铒。
在另一方面中，可通过将波导材料暴露于其中溶解有含稀土元素的材料的酸性溶液 来掺杂波导材料。此酸性溶液可(例如)对应于由36% (以重量计)的盐酸(HC1)在 水中的1:1体积稀释形成的溶液，其中溶解有以下各项中的一者或一者以上氧化铒 (Er203)、氧化铈(Ce02)或各种有机/稀土元素化合物。在所述掺杂之后可以是上述退 火，以便将稀土元素扩散在波导材料内。
不管用来在波导材料内提供稀土元素的程序如何，本发明的一些方面均包括在波导 材料的硅纳米晶体内纳入稀土元素。如果波导材料包括一些硅，则此纳入可在退火期间 发生。因而，本发明的一些方面将包括在用作波导材料的介电材料中纳入一些硅。在这 些方面中，波导材料可主要包括二氧化硅、掺杂二氧化硅、氮化硅、氧化铟锡和氧化锌 锡中的一者或一者以上；且波导材料可进一步包括足够的硅，以使得硅纳米晶体以足够 的量分散在波导材料内，以纳入最终提供在波导材料内的大部分或全部稀土元素。
参看图8描述的掺杂可掺杂全部波导材料或只掺杂波导材料的一部分。举例来说， 可在掺杂期间用掩模来保护一些波导材料，使得受保护的部分不被掺杂，而另一部分被 掺杂。图9展示在图8的处理阶段处的示范性构造的俯视图，其中波导材料的一部分被 掺杂以形成惨杂材料60，而波导材料的另一部分(或区段)未掺杂(且因而保持为上文 参看图6和图7所论述的材料56)。
图9的构造包括与上文参看图3所论述的组合件类似的光信号传播组合件。具体地 说，图9的区段60可具有与上文针对图3的区段44所论述的组合物相同的组合物，且 图9的区段56可具有与上文针对图3的区段46所论述的组合物相同的组合物。因此， 在一些方面中，区段60可对应于掺杂有稀土元素的氧化铟锡和掺杂有稀土元素的氧化 锌锡中的一者或两者，且区段56可对应于二氧化硅、掺杂二氧化硅和氮化硅中的一者 或一者以上。
虽然将屏障材料54展示为沿着区段60包括与沿着区段56共同的组合物，但本发 明包含一些其中沿着掺杂波导材料的屏障材料不同于沿着未掺杂波导材料的屏障材料 的方面。举例来说，可能有利的是沿着包括氧化锌锡或氧化锌锡的掺杂波导材料利用金 属屏障材料，且沿着包括二氧化硅、掺杂二氧化硅和/或氮化硅的未掺杂波导材料利用非 金属屏障材料。
参看图10，展示在继图8和图9的处理阶段之后的处理阶段处的图8的横截面，且 具体地说，展示在平坦化表面57上形成第二屏障材料62之后的图8的横截面。第二屏
障材料沿着沟道50 (上文参看图5描述了此沟道)的侧壁接触第一屏障材料。第二屏障 材料可如同第一屏障材料那样包括单个组合物，或可包括不同组合物的区段。在一些方 面中，第二屏障材料可在组成上与第一屏障材料相同，其中第二屏障材料接触第一屏障 材料。
遵照法规，已经关于结构和方法特征基本上具体地用语言描述了本发明。然而应了 解，本发明不限于所展示和描述的具体特征，因为本文中所揭示的方式包括实现本发明 的优选形式。因此，以本发明在所附权利要求书的恰当范围内的任何形式或修改来主张 本发明，所附权利要求书的恰当范围是根据等同原则以合适方式解释的。
权利要求
1. 一种光引导导管，其包括内部材料，光迁移穿过所述内部材料；护套，其围绕所述内部材料且经配置以大致使光沿着由所述内部材料界定的路径迁移；且其中所述内部材料包括其中散布有一种或一种以上稀土元素的基质；在所述基质的至少一部分内所述一种或一种以上稀土元素的总浓度为至少约l×1016个原子/cm3。
2. 根据权利要求l所述的光引导导管，其中所述一种或一种以上稀土元素包含铈、铒、 钕和镱中的一者或一者以上。
3. 根据权利要求1所述的光引导导管，其中所述一种或一种以上稀土元素包含铒，其 中所述铒中的至少一些作为掺杂有铒的硅纳米晶体存在。
4. 根据权利要求1所述的光引导导管，其中所述一种或一种以上稀土元素包含铒，且 其中含有所述铒的所述内部材料基质中的至少一些包括玻璃，其中所述玻璃由二氧 化硅以及氟、磷和硼中的一者或一者以上组成。
5. 根据权利要求4所述的构造，其中在所述内部材料基质的所述至少一些内铒浓度为 约lxlO"个原子/cmS到约lxlO"个原子/cm3。
6. 根据权利要求1所述的光引导导管，其中所述一种或一种以上稀土元素包含铒，且 其中含有所述铒的所述内部材料基质中的至少一些是二氧化硅。
7. 根据权利要求6所述的构造，其中在所述内部材料基质的所述至少一些内铒浓度为 约lxl0"个原子/cm3到约lxlO"个原子/cm3。
8. 根据权利要求1所述的光引导导管，其中所述一种或一种以上稀土元素包含铒，且 其中所述内部材料基质中的至少一些包括氧化铟锡和氧化锌锡中的一者或两者。
9. 根据权利要求8所述的构造，其中在所述内部材料基质的所述至少一些内铒浓度为 约lxlO"个原子/cm3到约lxlO"个原子/cm3。
10. 根据权利要求l所述的光引导导管，其中所述内部材料包括第一区段，其含有总浓度为至少约lxl0^个原子/cm3的所述一种或一种以上稀 土元素；以及第二区段，其沿着光沿着所述内部材料的所述路径位于所述第一区段的下游，其 中所述第二区段含有总浓度小于lx1015个原子/cm3的所述一种或一种以上稀土元 素。
11. 根据权利要求IO所述的光引导导管，其进一步包括沿着光的所述路径位于所述第 一区段上游的区域；所述导管经配置以使得光信号从所述上游区域传到所述第一区 段；所述第一区段放大所述光信号，且所述经放大的光信号接着传到所述第二区段 中。
12. 根据权利要求IO所述的光引导导管，其中所述第一区段的介电组合物包括氧化铟 锡和氧化锌锡中的一者或两者；且其中所述第二区段的介电组合物不包括氧化铟锡 或氧化锌锡。
13. 根据权利要求12所述的光引导导管，其中所述第二区段的介电组合物包括二氧化 硅、掺杂二氧化硅和氮化硅中的一者或一者以上。
14. 根据权利要求l所述的光引导导管，其中所述一种或一种以上稀土元素包括铒。
15. 根据权利要求1所述的光引导导管，其中所述一种或一种以上稀土元素大致只是 铒。
16. 根据权利要求l所述的光引导导管，其中所述护套包括金属区段和非金属区段。
17. —种半导体构造，其包括半导体衬底；以及波导，其由所述衬底支撑且包括一种或一种以上稀土元素，其中在所述波导的至 少一个区段内所述一种或一种以上稀土元素以至少lxlO"个原子/cm3的总浓度存 在。
18. 根据权利要求17所述的构造，其中所述一种或一种以上稀土元素包含铈、铒、钕 和镱中的一者或一者以上。
19. 根据权利要求17所述的构造，其中所述一种或一种以上稀土元素中的至少一些作 为掺杂有稀土元素的硅纳米晶体存在。
20. 根据权利要求17所述的构造，其中所述一种或一种以上稀土元素的总浓度为约 lxlO"个原子/cm3到约lxlO"个原子/cm3。
21. 根据权利要求17所述的构造，其中所述波导进一步包括含有所述一种或一种以上 稀土元素的介电材料基质，且其中所述介电材料基质中的至少一些包括二氧化硅、 掺杂二氧化硅、氮化硅、氧化铟锡和氧化锌锡中的一者或一者以上。
22. 根据权利要求21所述的构造，其中所述波导具有纵向尺寸和正交于所述纵向尺寸 的横向尺寸；且进一步包括完全围绕所述横向尺寸的护套。
23. 根据权利要求22所述的构造，其中所述护套至少部分为金属的。
24. 根据权利要求22所述的构造，其中所述介电材料基质中的至少一些包括二氧化硅 或掺杂二氧化硅；且其中围绕所述介电材料基质的所述至少一些的所述横向尺寸的 所述护套由氮化硅组成。
25. 根据权利要求17所述的构造，其中所述波导包括第一区段，其含有所述一种或一种以上稀土元素；以及 第二区段，其大致不含有所述一种或一种以上稀土元素。
26. 根据权利要求25所述的构造，其中所述第二区段沿着光沿着所述波导的路径位于 所述第一区段的下游。
27. 根据权利要求26所述的构造，其中所述第一区段包括氧化铟锡和氧化锌锡中的一 者或两者；且其中所述第二区段不包括氧化铟锡或氧化锌锡。
28. 根据权利要求26所述的构造，其进一步包括光信号导管，所述光信号导管经配置 以向所述第一区段提供光信号输入；且其中所述第一区段是光放大器，所述光放大 器经配置以放大所述光信号输入，并将所述经放大的光信号馈入到所述第二区段 中。
29. —种光信号传播组合件，其包括光信号输入端；光信号放大器，其经配置以从所述输入端接收光信号并放大所述光信号，所述光 信号放大器在基质材料内包括一种或一种以上稀土元素； 光信号接收器；以及光信号导管，其经配置以将所述经放大的光信号引导到所述接收器。
30. 根据权利要求29所述的组合件，其中所述一种或一种以上稀土元素包含铈、铒、 钕和镱中的一者或一者以上。
31. 根据权利要求29所述的组合件，其中所述一种或一种以上稀土元素包含铒，其中 所述铒中的至少一些作为掺杂有铒的硅纳米晶体存在。
32. 根据权利要求31所述的组合件，其中在所述基质材料内铒浓度为约"106个原子 /cm3到约lxlO"个原子/cm3。
33. 根据权利要求32所述的组合件，其中所述基质材料包括氧化铟锡和氧化锌锡中的 一者或两者。
34. 根据权利要求33所述的组合件，其中所述光信号导管中存在的任何稀土元素以小 于lxlO"个原子/cmS的总浓度存在。
35. 根据权利要求34所述的组合件，其中所述光信号导管主要由氮化硅、二氧化硅或 掺杂二氧化硅中的一者或一者以上组成。
36. 根据权利要求29所述的组合件，其进一步包括半导体衬底，且其中所述光信号导 管的至少一部分和所述光信号放大器的至少一部分由所述半导体衬底支撑。
37. 根据权利要求36所述的组合件，其中所述半导体衬底包括大块单晶硅。
38. —种形成半导体构造的方法，其包括提供半导体衬底；将一个或一个以上沟道蚀刻到所述衬底中；用第一屏障材料装衬所述沟道中的至少一者； 用波导材料填充所述至少一个有衬的沟道；用一种或一种以上稀土元素掺杂所述波导材料中的至少一些；以及 在所述波导材料上方形成第二屏障材料，所述第二屏障材料沿着所述至少一个沟 道的侧壁接触所述第一屏障材料。
39. 根据权利要求38所述的方法，其中所述掺杂包括利用约100 KeV到约300 KeV 的植入能量并以约lxlO"个原子/cri^到约lxlO"个原子/cn^的植入剂量，从所述 一种或一种以上稀土元素的氯化物植入所述一种或一种以上稀土元素。
40. 根据权利要求39所述的方法，其进一步包括在所述掺杂之后进行退火，以使所述 植入的一种或一种以上稀土元素在所述波导材料内扩散。
41. 根据权利要求39所述的方法，其中所述一种或一种以上稀土元素大致只是铒。
42. 根据权利要求38所述的方法，其中所述一种或一种以上稀土元素包含铈，且其中 所述掺杂包括将所述波导材料的至少一部分暴露于其中溶解有含铈的材料的酸性 溶液。
43. 根据权利要求42所述的方法，其中所述酸性溶液包括HC1。
44. 根据权利要求42所述的方法，其中所述含铈的材料包括氧化铈。
45. 根据权利要求38所述的方法，其中所述一种或一种以上稀土元素包含铒，且其中 所述掺杂包括将所述波导材料的至少一部分暴露于其中溶解有含铒的材料的酸性 溶液。
46. 根据权利要求38所述的方法，其中所述酸性溶液包括HC1。
47. 根据权利要求38所述的方法，其中所述含铒的材料包括Er203。
48. 根据权利要求38所述的方法，其中所述掺杂进一步包括在所述暴露于所述酸性溶 液之后进行退火，其中所述退火使所述铒在所述波导材料内扩散。
49. 根据权利要求38所述的方法，其中所述用波导材料填充所述沟道过量填充所述沟 道，且进一步包括在形成所述第二屏障材料之前对所述波导材料进行平坦化。
50. 根据权利要求38所述的方法，其中所述第一屏障材料的至少一个区域接触所述第 二屏障材料在组成上大致与所述至少一个区域相同的区域。
51. 根据权利要求38所述的方法，其中在所述波导材料的掺杂区域内稀土元素总浓度 为大于0个原子/cmS到约lxlO"个原子/cm3。
52. 根据权利要求38所述的方法，其中在所述波导材料的掺杂区域内稀土元素总浓度 为约lxlO"个原子/cn^到约lxlO"个原子/cm3。
53. 根据权利要求38所述的方法，其中所述波导材料的至少一些选自由二氧化硅和掺 杂二氧化硅组成的群组。
54. 根据权利要求38所述的方法，其中所述波导材料的至少一些是氮化硅。
55. 根据权利要求38所述的方法，其中所述波导材料的至少一些是氧化铟锡。
56. 根据权利要求38所述的方法，其中所述波导材料的至少一些是氧化锌锡。
57. 根据权利要求38所述的方法，其中所述波导包括第一区段，其含有掺杂有稀土元素的介电材料；以及 第二区段，其大致不含有稀土元素。
58. 根据权利要求38所述的方法，其中所述波导包括第一区段，其含有掺杂有铒的介电材料；以及 第二区段，其大致不含有铒掺杂剂。
59. 根据权利要求58所述的方法，其中所述第二区段沿着光沿着所述波导的路径位于 所述第一区段的下游。
60. 根据权利要求58所述的方法，其中所述第二区段由二氧化硅或掺杂二氧化硅组成， 且其中所述第一区段的所述掺杂有铒的介电材料包括氧化铟锡和氧化锌锡中的一 者或两者。
全文摘要
本发明包含其中纳入有稀土元素的光信号导管。所述光信号导管可(例如)含有纳入介电材料基质内的稀土元素。举例来说，铒或铈可位于散布在光信号导管的介电材料各处的硅纳米晶体内。所述介电材料可界定用于光信号的路径，且可包裹在护套中，所述护套有助于保持所述光信号沿着所述路径。所述护套可包含任何合适的屏障材料，且可(例如)含有一种或一种以上金属材料。本发明还包含形成光信号导管的方法，其中这些方法中的一些方法是其中将所述光信号导管形成为半导体构造的一部分的方法。
文档编号G02B6/42GK101365971SQ200680051190
公开日2009年2月11日 申请日期2006年12月15日 优先权日2006年1月17日
发明者钱德拉·穆利 申请人:美光科技公司