选择性外延硅基脊型光波导及制作方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种选择性外延硅基脊型光波导及制作方法。

背景技术：

1、在过去的十几年中，大规模光子集成电路在光通信、光量子计算及高灵敏度光学传感器等方面得到广泛应用，由此吸引了学术界和工业界的兴趣，并使其得以快速发展。基于绝缘体上硅(silicon on insulator,soi)衬底的纳米光波导，以其较低的光传输损耗、超高的集成度以及与互补金属-氧化物-半导体(complementary metal-oxide-semiconductor,cmos)制造工艺相兼容的特点，成为硅基光子集成电路中一种典型的结构。借助于芯层硅和包层二氧化硅之间的高折射率差(δn～2)，硅纳米光波导具有十分紧凑的结构尺寸(几百纳米)，并允许非常小的转弯半径(低至几微米)，为实现光电系统的高密度集成奠定坚实的材料和结构基础。另一方面，硅波导芯层和包层之间的高折射率差，也使得光波的传输损耗对于波导侧墙的粗糙度散射高度敏感，为硅波导乃至硅光集成芯片带来重大的挑战。例如，10纳米的侧墙刻蚀粗糙度，就足以引起几十db/cm的严重传输损耗(参见论文kevin k.lee et al,fabrication of ultralow-loss si/sio2 waveguides byroughness reduction,optics letters,2001,26(23):1888-1890)。

2、学术界和工业界持续致力于降低纳米硅波导粗糙度散射引起的光损耗，除了改进光刻和刻蚀工艺之外，更多研究集中在硅波导侧壁刻蚀后的平滑处理上，如通过氧化平滑硅表面(中国专利公开号cn117139850a)、在氢气氛围中退火促进硅表面原子迁移(中国专利授权号cn1277135c、cn107132617b)、激光回流或修饰硅表面(中国专利公开号cn117139850a)等方面。这几类方法都证明能有效降低硅侧壁粗糙度和减少光传输损耗，但同时带来一些问题，例如，氧化法消耗硅芯层厚度、改变波导形貌和光模场、带来额外的应力和缺陷等；氢气氛围退火高温和真空，实施条件较高，也会使方形波导变圆和偏离设计光模场；激光处理需要额外的专用设备，同cmos产线设备及工艺不兼容等。硅光芯片中最常使用的波导为条型光波导(strip waveguide)和脊型光波导(rib waveguide)：矩形截面的条形光波导最常用于传输光信号，因此其粗糙度散射损耗及其改进的研究较多；具有“凸”字形截面的脊型光波导容易掺杂和连接金属电极，除传输光信号以外，用途更加广泛，如用于构建波导光栅、光移相器、调制器和探测器等无源和有源器件，但脊型光波导粗糙度引起的损耗及其改进的研究相对较少。

3、图1为常规的soi硅脊型光波导剖面结构示意图，soi衬底由支撑硅衬底、埋氧层和顶层硅构成；在soi衬底上经过光学光刻和干法刻蚀顶层硅形成的脊型光波导，包括硅脊型波导和硅平板两部分，被埋氧层和刻蚀后沉积的氧化硅层包覆；其中，硅平板侧壁、硅平板表面和脊型波导侧壁均为经过干法刻蚀的表面比较粗糙，尤其是被刻蚀过的脊型波导侧壁、硅平板侧壁的表面远比硅平板表面更为粗糙；只有脊型波导表面为原始的顶层硅表面，较为平滑。若能降低这些波导侧壁及硅平板表面的粗糙度，将有效降低波导损耗。经合理设计的脊型光波导，光模场主要分布于脊型光波导部分，在硅平板和包层内都分布较少，脊型波导侧壁粗糙度引起的波导损耗比硅平板侧壁更为严重，因此降低脊型波导侧壁的粗糙度更加重要。

4、由于现有技术改善硅波导侧壁粗糙度方面存在的局限性，以及在脊型光波导领域的研究的不足，有必要提出能弥补现有方法的不足并适合脊型光波导的侧壁粗糙度改善方法。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，提供了选择性外延硅基脊型光波导及制作方法，利用soi衬底的顶层硅制作脊型光波导的平板，再在平板上选择性外延生长锗层，有效改善了各表面的粗糙度。

2、本发明第一方面提出了选择性外延硅基脊型光波导，包括：

3、soi衬底，包括自下而上的硅衬底、埋氧层和顶层硅；

4、硅平板层，由所述soi衬底的顶层硅制成，作为脊型光波导的平板部分；

5、选择性外延硅，在所述硅平板层上表面中心部分选择性外延生长硅层形成，作为脊型光波导的凸起部分；以及，

6、第二氧化硅层，完全包裹所述脊型光波导的平板部分和凸起部分。

7、作为一种优选方案，所述顶层硅厚度等于脊型光波导的平板部分厚度。

8、作为一种优选方案，所述硅平板层包括经过光刻和干法刻蚀顶层硅所形成的平板图形。

9、作为一种优选方案，所述选择性外延硅形成过程包括：

10、在硅平板层上表面沉积第一氧化硅层，采用光刻和刻蚀第一氧化硅层暴露硅平板层的中心部分，通过选择性外延生长硅层形成所述脊型光波导的凸起部分，去除第一氧化硅层。

11、作为一种优选方案，所述soi衬底的硅衬底的电阻率为0.01～10k欧姆·厘米，埋氧层厚度为0.1～3微米，顶层硅厚度为0.05～3微米。

12、作为一种优选方案，所述选择性外延硅厚度为0.05-3微米。

13、本发明第二方面提出了选择性外延硅基脊型光波导的制作方法，包括：

14、步骤1、提供一soi衬底，所述soi衬底包括自下而上的硅衬底、埋氧层和顶层硅；

15、步骤2、采用光刻和干法刻蚀顶层硅形成脊型光波导的平板部分；

16、步骤3、沉积第一氧化硅层；

17、步骤4、采用光刻和干法刻蚀第一氧化硅层，暴露平板部分的中心区域形成选择性外延窗口；

18、步骤5、在选择性外延窗口中选择性外延生长硅层形成脊型光波导的凸起部分；

19、步骤6、去除第一氧化硅层；

20、步骤7、沉积第二氧化硅层，对脊型光波导的平板部分和凸起部分形成包裹。

21、作为一种优选方案，还包括步骤8，采用化学机械抛光工艺将第二氧化硅层抛光，使整个第二氧化硅层表面平整。

22、作为一种优选方案，所述soi衬底的顶层硅厚度与所述的脊型光波导的平板部分厚度相同。

23、与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明提出的脊型光波导的侧壁是平滑的外延硅表面并未经过刻蚀，相比常规脊型光波导经过干法刻蚀的粗糙侧壁表面，能显著减少光波传播的散射损耗；同时，脊型光波导的平板部分硅层厚度，就是soi衬底顶层硅的原始厚度并未经过刻蚀，比常规脊型光波导经过刻蚀的顶层硅厚度更精准、更均匀，因此光模场更符合设计，光更少泄漏到波导以外发生损耗。

技术特征：

1.选择性外延硅基脊型光波导，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的选择性外延硅基脊型光波导，其特征在于，所述顶层硅厚度等于脊型光波导的平板部分厚度。

3.根据权利要求1所述的选择性外延硅基脊型光波导，其特征在于，所述硅平板层是经过光刻和干法刻蚀顶层硅所形成的平板图形。

4.根据权利要求1所述的选择性外延硅基脊型光波导，其特征在于，所述选择性外延硅形成过程包括：

5.根据权利要求1所述的选择性外延硅基脊型光波导，其特征在于，所述soi衬底的硅衬底的电阻率为0.01～10k欧姆·厘米，埋氧层厚度为0.1～3微米，顶层硅厚度为0.05～3微米。

6.根据权利要求1所述的选择性外延硅基脊型光波导，其特征在于，所述选择性外延硅厚度为0.05-3微米。

7.选择性外延硅基脊型光波导的制作方法，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的选择性外延硅基脊型光波导的制作方法，其特征在于，还包括步骤8，采用化学机械抛光工艺将第二氧化硅层抛光，使整个第二氧化硅层表面平整。

9.根据权利要求7所述的选择性外延硅基脊型光波导的制作方法，其特征在于，所述soi衬底的顶层硅厚度与所述的脊型光波导的平板部分厚度相同。

技术总结
本发明提供了选择性外延硅基脊型光波导及制作方法，该脊型光波导包括：SOI衬底，包括自下而上的硅衬底、埋氧层和顶层硅；硅平板层，由所述SOI衬底的顶层硅制成，作为脊型光波导的平板部分；选择性外延硅，在所述硅平板层上表面中心部分选择性外延生长硅层形成，作为脊型光波导的凸起部分；以及，第二氧化硅层，完全包裹所述脊型光波导的平板部分和凸起部分。相比常规的经过干法刻蚀具有粗糙侧壁表面的脊型光波导，本发明能显著减少光波传播的散射损耗；同时，脊型光波导的平板部分硅层厚度，为顶层硅的原始厚度并未经过刻蚀，比常规脊型光波导经过刻蚀的顶层硅厚度更精准、更均匀，光模场更符合设计，光更少泄漏到波导以外发生损耗。

技术研发人员：杨荣,王百钱,余明斌
受保护的技术使用者：苏州希卓科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24