一种硅基WDM接收器件及其制备方法

摘要

本申请公开了一种硅基WDM接收器件及其制备方法，所述方法包括：获取SOI晶圆；制备光波解复用器，包括：在所述SOI晶圆上定义光波解复用器区域；在所述光波解复用器区域形成增透膜和电介质材料层，所述增透膜位于所述电介质材料层的一侧；在所述电介质材料层的另一侧形成光栅，在所述光栅与所述电介质材料层之间形成反射膜；制备硅基光波导、探测器和硅基光膜转换器；在所述光波解复用器所述硅基光波导、所述探测器和所述硅基光膜转换器的表面形成保护膜。本申请的硅基WDM接收器件及其制备方法，通过引入电介质材料实现非热敏光波解复用器，可以降低器件的光学折射率和热光系数，提高器件性能，有助于减小集成器件的体积、降低成本。

权利要求

1.一种硅基WDM接收器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：获取SOI晶圆；

制备光波解复用器，包括：在所述SOI晶圆上定义光波解复用器区域；

在所述光波解复用器区域形成增透膜和电介质材料层，所述增透膜位于所述电介质材料层的一侧；

在所述电介质材料层的另一侧形成光栅，在所述光栅与所述电介质材料层之间形成反射膜；

制备硅基光波导、探测器和硅基光膜转换器；

在所述光波解复用器、所述硅基光波导、所述探测器和所述硅基光膜转换器的表面形成保护膜。

2.根据权利要求1所述的硅基WDM接收器件的制备方法，其特征在于，所述探测器为锗探测器，所述制备探测器具体包括：在所述SOI晶圆上定义探测器区域；

在所述探测器区域形成锗材料层；

通过光刻和刻蚀所述锗材料层形成锗波导；

对所述探测器区域进行掺杂处理；

在所述探测器区域形成第一电极和第二电极。

3.根据权利要求1所述的硅基WDM接收器件的制备方法，其特征在于，所述制备硅基光波导包括：

通过光刻和刻蚀所述SOI晶圆的顶硅层形成所述硅基光波导。

4.根据权利要求1所述的硅基WDM接收器件的制备方法，其特征在于，所述电介质材料层采用氮化硅或氧氮化硅形成。

5.根据权利要求2所述的硅基WDM接收器件的制备方法，其特征在于，所述锗波导为脊状波导。

6.根据权利要求1所述的硅基WDM接收器件的制备方法，其特征在于，所述保护膜包括第一电介质护层和第二电介质护层。

7.根据权利要求1所述的硅基WDM接收器件的制备方法，其特征在于，所述反射膜采用电介质材料或金属材料。

8.一种硅基WDM接收器件，其特征在于，包括光波解复用器、硅基光波导、多个探测器和硅基光膜转换器；

所述硅基光膜转换器与所述光波解复用器通过所述硅基光波导形成互连；

所述多个探测器与所述光波解复用器分别通过所述硅基光波导形成互连；

所述光波解复用器包括形成在SOI晶圆上的增透膜、电介质材料层和反射膜；

所述增透膜和所述反射膜分别设于所述电介质材料层的两侧。

9.根据权利要求8所述的硅基WDM接收器件，其特征在于，所述探测器包括形成在SOI晶圆上的锗波导、第一电极和第二电极；

所述第一电极和所述第二电极分别设于所述锗波导的两侧。

10.根据权利要求8所述的硅基WDM接收器件，其特征在于，所述硅基光波导包括直线型波导和/或曲线型波导。

说明书

一种硅基WDM接收器件及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体领域和光电集成领域，特别涉及一种硅基WDM接收器件及其制备方法。

背景技术

[0002] 随着人们对信息传输、处理速度要求的不断提高和多核计算时代的来临，基于金属的电互连将会由于过热、延迟、电子干扰等缺陷成为发展瓶颈。而采用光互连来取代电互
连，可以有效解决这一难题。在光互连的具体实施方案中，硅基光互连以其无可比拟的成本
和技术优势成为首选。硅基光互连既能发挥光互连速度快、带宽大、抗干扰、功耗低等优点，
又能充分利用微电子标准CMOS工艺成熟、高密度集成、高成品率、成本低廉等优势，其发展
必将推动新一代高性能计算机、数据通信系统的发展，有着广阔的市场应用前景。

[0003] 硅基光互连的核心技术是在硅基上实现各种光电功能的器件，如集成WDM(波分复用，wavelength division multiplexing)接收器件：包括光波解复用器(DeMUX)、光电探测
器、光膜转换器等元器件组成的多通道WDM接收器。

[0004] 然而，在实际应用中，光学材料往往受温度影响而导致折射率的变化，折射率的变化则会影响集成光电器件的整体性能，如果集成光电器件具有非热敏特性，那么将有效地
提高器件性能的稳定性，且因避免使用控制温度的元器件，可以降低制造成本。

发明内容

[0005] 本申请的目的是提供一种硅基WDM接收器件及其制备方法，通过引入多材料集成实现非热敏光波解复用器，可以降低器件的光学折射率和热光系数,可以提高器件性能，同
时可以避免使用控制温度的元器件，有助于减小集成器件的体积、降低成本。

[0006] 为实现上述目的及其他相关目的，本申请提供了一种硅基WDM接收器件的制备方法，包括如下步骤：

[0007] 获取SOI晶圆；

[0008] 制备光波解复用器，包括：在所述SOI晶圆上定义光波解复用器区域；

[0009] 在所述光波解复用器区域形成增透膜和电介质材料层，所述增透膜位于所述电介质材料层的一侧；

[0010] 在所述电介质材料层的另一侧形成光栅，在所述光栅与所述电介质材料层之间形成反射膜；

[0011] 制备硅基光波导、探测器和硅基光膜转换器；

[0012] 在所述光波解复用器、所述硅基光波导、所述探测器和所述硅基光膜转换器的表面形成保护膜。

[0013] 可选地，所述探测器为锗探测器，所述制备探测器具体包括：

[0014] 在所述SOI晶圆上定义探测器区域；

[0015] 在所述探测器区域形成锗材料层；

[0016] 通过光刻和刻蚀所述锗材料层形成锗波导；

[0017] 对所述探测器区域进行掺杂处理；

[0018] 在所述探测器区域形成第一电极和第二电极。

[0019] 可选地，所述制备硅基光波导包括：

[0020] 通过光刻和刻蚀所述SOI晶圆的顶硅层形成所述硅基光波导。

[0021] 可选地，所述电介质材料层采用氮化硅或氧氮化硅形成。

[0022] 可选地，所述锗波导为脊状波导。

[0023] 可选地，所述保护膜包括第一电介质护层和第二电介质护层。

[0024] 可选地，所述反射膜采用电介质材料或金属材料。

[0025] 本申请还提供了一种硅基WDM接收器件，包括光波解复用器、硅基光波导、多个探测器和硅基光膜转换器；

[0026] 所述硅基光膜转换器与所述光波解复用器通过所述硅基光波导形成互连；

[0027] 所述多个探测器与所述光波解复用器分别通过所述硅基光波导形成互连；

[0028] 所述光波解复用器包括形成在SOI晶圆上的增透膜、电介质材料层和反射膜；

[0029] 所述增透膜和所述反射膜分别设于所述电介质材料层的两侧。

[0030] 可选地，所述探测器包括形成在SOI晶圆上的锗波导、第一电极和第二电极；

[0031] 所述第一电极和所述第二电极分别设于所述锗波导的两侧。

[0032] 可选地，所述硅基光波导包括直线型波导和/或曲线型波导。

[0033] 采用上述技术方案，本申请所述的硅基WDM接收器件及其制备方法具有如下有益效果：

[0034] (1)本申请的硅基WDM接收器件通过引入电介质材料实现非热敏光波解复用器，进而集成具有多材料系统的接收器件，可以降低器件的光学折射率和热光系数，可以提高器
件性能，同时可以避免使用控制温度的元器件，有助于减小集成器件的体积、降低成本；

[0035] (2)本申请的硅基WDM接收器件使用电介质光波解复用器，将多个器件集成到一个集成芯片中，大大缩小了接收器的体积，去除了多个分立器件的封装，降低了成本，同时降
低了单个器件间连接带来的插损，可以提高集成器件的整体性能。

附图说明

[0036] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于
本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他
的附图。

[0037] 图1为本申请实施例一种可选的硅基WDM接收器件的结构示意图；

[0038] 图2为本申请实施例一种可选的硅基WDM接收器件的制备方法的流程图；

[0039] 图3为本申请实施例一种可选的SOI晶圆的结构示意图；

[0040] 图4为本申请实施例一种可选的光波解复用器的结构示意图；

[0041] 图5为本申请实施例一种可选的表面具有保护膜的光波解复用器的结构示意图；

[0042] 图6为在探测器区域形成锗材料层后的示意图；

[0043] 图7为本申请实施例一种可选的探测器的结构示意图。

[0044] 以下对附图作补充说明：

[0045] 11‑顶硅层；12‑埋氧层；13‑底硅层；1‑光波解复用器；101‑增透膜；102电解质材料层；103‑反射膜；104‑光栅；2‑硅基光波导；3‑探测器；301‑锗材料层；302‑锗波导；303‑第一
电极；304‑第二电极；4‑硅基光膜转换器；5‑第一电介质护层；6‑第二电介质护层。

具体实施方式

[0046] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其
他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0047] 此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等
指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简
化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和
操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能
理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第
一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、
“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样
使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图
示或描述的那些以外的顺序实施。

[0048] 需要说明的是，本申请实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸
绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也
可能更为复杂。

[0049] 请参见图1，图1是本申请实施例一种可选的硅基WDM接收器件的结构示意图，所述硅基WDM接收器件包括集成在一个SOI晶圆上的非热敏光波解复用器1、硅基光波导2、多个
探测器3和硅基光膜转换器4；硅基光膜转换器4与光波解复用器1通过硅基光波导2形成互
连；多个探测器3与光波解复用器1分别通过硅基光波导2形成互连。

[0050] 波分复用技术是在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端通过复用器(mux)将不同波长的光信号组合起来(复用)，并耦合到光缆线路上的
同一根光纤中进行传输，在接收端通过解复用器1(demux)将组合的波长光信号分开(解复
用)，送到不同的光探测器3(Photodetectors)。通过波分复用/解复用技术，一个物理通道
(一根光纤/光波导)可以同时实现几个信道的通信(每个波长即是一个信道)。

[0051] 现有技术的解复用器(demux)一般基于硅基材料实现，通过光刻和刻蚀等工艺在硅基材料上直接制备硅材料的解复用器；本申请的硅基WDM接收器件则在硅基材料的基础
上引入电介质材料实现非热敏光波解复用器，进而集成具有多材料系统的接收器件，可以
降低器件的光学折射率和热光系数，可以提高器件性能，同时可以避免使用控制温度的元
器件，有助于减小集成器件的体积、降低成本。

[0052] 图2是本申请实施例一种可选的硅基WDM接收器件的制备方法的流程图，该图2中，本申请实施例的硅基WDM接收器件的制备方法包括如下步骤：

[0053] S1:获取SOI晶圆；

[0054] 结合图3所示，本申请实施例一种可选的硅基WDM接收器件基于3微米光电技术体系，采取的SOI晶圆具有顶硅层11、埋氧层12和底硅层13，其中，顶硅层11的厚度为3微米，该
硅基WDM接收器件集成在一片SOI晶圆上。

[0055] S2:制备光波解复用器1，包括：

[0056] S201:在SOI晶圆上定义光波解复用器区域；

[0057] 在具体实施中，可以通过光刻和刻蚀SOI晶圆的顶硅层11至暴露埋氧层12，形成一个预设尺寸的第一凹槽，以定义光波解复用器区域。

[0058] S202:在光波解复用器区域形成增透膜101和电介质材料层102，增透膜101位于电介质材料层102的一侧；

[0059] S203:在电介质材料层102的另一侧形成光栅，在光栅与电介质材料层102之间形成反射膜103；

[0060] 结合图4所示，图4是本申请实施例一种可选的光波解复用器的结构示意图，也是图1所示的A‑A向剖面图，在具体实施中，可以通过化学气相沉积在光波解复用器区域沉积
增透膜材料层，该增透膜材料层的厚度约为0.1～0.2μm，由于增透膜材料层的厚度较小，此
时可不对增透膜材料层进行进一步的光刻或者平坦化处理；再通过化学气相沉积在该增透
膜材料层上沉积电介质材料，沉积厚度约为3.1μm，并通过光刻和刻蚀去除多余部分，形成
预设尺寸的电介质材料层102，此时电介质材料层102与第一凹槽内壁之间通过刻蚀暴露出
的增透膜材料层的部分形成增透膜101，增透膜101的作用是减少反射；再通过平整化工艺
使电介质材料层102的上表面与顶硅层11的上表面处在同一水平面上，该平整化工艺包括
CMP(Chemical Mechanical Polishing)工艺；再通过光刻和刻蚀在电介质材料层102另一
侧形成光栅图形(图4中未示出，可参考图1所示的光栅104)，在光栅端面与电介质材料层
102之间沉积反射膜103，反射膜103的作用是减少透射，该反射膜103的厚度为0.1～0.5μm，
并通过光刻和刻蚀去除反射膜103多余部分，如此形成具有增透膜101、电介质材料层102、
反射膜103和光栅104的光波解复用器结构。

[0061] 需要说明的是，在上述实施方式中，增透膜101、电介质材料层102、反射膜103的厚度均不相同，其中增透膜101和反射膜103的厚度远远小于电介质材料层102的厚度，而在本
申请实施例的附图中，为了便于示出增透膜101、电介质材料层102和反射膜103的结构和位
置关系，将三者的厚度示为相同，应理解的是，在具体实施中，增透膜101、电介质材料层102
和反射膜103的具体尺寸并不限于本申请实施例附图所示。

[0062] 在具体实施中，电介质材料区域与硅材料区域界面角度可由光刻定义，约为2°‑30°；电介质材料区域与硅材料区域界面反射率小于40dB。

[0063] 需要说明的是，上述的增透膜101、电介质材料层102和反射膜103的具体尺寸并无特殊限定，可以是上述的尺寸，也可以根据实际需要进行设计；增透膜101、电介质材料层
102和反射膜103的具体形成工艺也应不限于上述的实施方式；SOI晶圆的尺寸也无特殊限
定，可以是上述的基于3微米光电技术体系的尺寸，也可以是其他尺寸。

[0064] S3:制备硅基光波导2、探测器3和硅基光膜转换器4；

[0065] 作为一种可选的实施方式，图1所示的探测器3为锗探测器，制备探测器3具体包括：

[0066] S301:在SOI晶圆上定义探测器区域；

[0067] 结合图6所示，在具体实施中，可以通过光刻和刻蚀SOI晶圆的顶硅层11形成一个预设尺寸的第二凹槽(未暴露埋氧层12)，以定义探测器区域。

[0068] S302:在探测器区域形成锗材料层301；

[0069] 结合图6所示，在具体实施中，可以通过锗外延工艺在第二凹槽内沉积锗材料层301。

[0070] S303:通过光刻和刻蚀锗材料层301形成锗波导302；

[0071] 在具体实施中，锗波导302的高度为3μm，锗波导302的宽度为0.2～1.5μm。

[0072] 需要说明的是，基于本申请实施例上述的3微米光电技术，本申请实施例的锗波导302的高度为3μm，宽度为0.2～1.5μm，在实际运用中，锗波导302的尺寸并无特殊限定，可以
根据实际需要进行设计。

[0073] S304:对探测器区域进行掺杂处理；

[0074] 在具体实施中，可以采用离子注入工艺于探测器区域形成P+型掺杂区和N+型掺杂区，该P+型掺杂区和N+型掺杂区之间被锗波导302隔开。

[0075] S305:在探测器区域形成第一电极303和第二电极304。

[0076] 结合图7所示，图7是本申请实施例一种可选的探测器的结构示意图，也是图1所示的B‑B向剖面图，在具体实施中，可以在P+型掺杂区和N+型掺杂区的上方沉积或电镀金属形
成第一电极303和第二电极304，上述第一电极303和第二电极304的材料可以为Cu、Au、W、Pt
等导电性能良好且能够与Ge形成欧姆接触的金属材料。

[0077] S4:在光波解复用器1、硅基光波导2、探测器3和硅基光膜转换器4的表面形成保护膜。

[0078] 结合图5和图7所示，可以在制备好的各器件表面沉积第一电介质护层5和第二电介质护层6形成保护膜，进行封装，其中第一电介质护层5可采用氧化硅材料，厚度约为0.1
～5μm，第二电介质护层6可采用氮化硅材料，厚度小于1μm。

[0079] 需要说明的是，第一电介质护层5和第二电介质护层6的厚度并无特殊限定，可以根据实际需要进行具体设计。

[0080] 作为一种可选的实施方式，制备硅基光波导2包括：

[0081] S306:通过光刻和刻蚀SOI晶圆的顶硅层11形成硅基光波导2。

[0082] 在具体实施中，硅基光波导2的高度为0.1～3μm，硅基光波导2的宽度为0.1～5μm。

[0083] 需要说明的是，基于本申请实施例上述的3微米光电技术，本申请实施例的硅基光波导2的高度为0.1～3μm，宽度为0.1～5μm，在实际运用中，硅基光波导2的尺寸并无特殊限
定，可以根据实际需要进行设计。

[0084] 需要说明的是，在实际应用中，锗波导和硅基光波导的宽度可以不是定值，在特殊位置可以根据器件的需要设计对应尺寸的锗波导和硅基光波导，在锗波导和硅基光波导的
连接处采用对应尺寸。

[0085] 需要说明的是，本申请实施例的锗波导和硅基光波导的尺寸都是基于上述的3微米光电技术进行限定的，在具体实施中，锗波导和硅基光波导的具体尺寸应不限于上述尺
寸，可以根据实际需要进行具体设计，例如，在使用超薄硅基材料时(约0.22微米)，锗波导
和硅基光波导的高度受限，因此可以根据需要适当加宽锗波导和硅基光波导的宽度。

[0086] 作为一种可选的实施方式，电介质材料层102采用氮化硅或氧氮化硅形成。

[0087] 在具体实施中，光波解复用器1使用的电介质材料可以包括氮化硅(Si3N4)、富硅的氮化硅(SixNy)或氧氮化硅(SixOyNz)等具有低热光系数的电介质。热光系数(TOC，Thermo‑
Optic Coefficient)又称折射率的温度系数(temperaturedependence of refractive 
‑4
index)，是光学材料折射率随温度的变化率(dn/dT)。硅的热光系数为1.8(x10 /℃)，而
‑4 ‑4
Si3N4的热光系数为0.24(x10 /℃)，SiO2的热光系数为0.1(x10 /℃)。本申请实施例所用
的氮化硅或氧氮化硅等电介质材料仍然能充分利用微电子标准CMOS的成熟工艺。

[0088] 作为一种可选的实施方式，本申请实施例所述的锗波导302为脊状波导。

[0089] 需要说明的是，本申请实施例所述的锗波导和硅基光波导为脊状波导，上述实施例中所述的锗波导的高度为脊状锗波导的高度和脊状锗波导下方未完全刻蚀的锗材料层
的高度的总和，硅基光波导的高度为脊状硅基光波导的高度和硅基光波导下方未完全刻蚀
的顶硅层的高度的总和，应理解的是，在具体实施中，上述的脊状锗波导的高度、脊状锗波
导下方未完全刻蚀的锗材料层的高度、脊状硅基光波导的高度和硅基光波导下方未完全刻
蚀的顶硅层的高度可根据实际需要进行具体设计，并不限于上述的尺寸。

[0090] 作为一种可选的实施方式，本申请实施例所述的保护膜包括第一电介质护层5和第二电介质护层6。

[0091] 作为一种可选的实施方式，本申请实施例所述的反射膜103采用电介质材料或金属材料。

[0092] 需要说明的是，本申请实施例的硅基WDM接收器件的制备工艺次序并不限于上述的步骤，在具体实施中，可以将各个器件区域的定义同步进行，也可以将各器件的封装同步
进行，以简化制备工艺。

[0093] 本申请实施例还提供了一种硅基WDM接收器件(结合图1)，包括光波解复用器1、硅基光波导2、多个探测器3和硅基光膜转换器4；

[0094] 硅基光膜转换器4与光波解复用器1通过硅基光波导2形成互连；

[0095] 多个探测器3与光波解复用器1分别通过硅基光波导2形成互连；

[0096] 光波解复用器1包括形成在SOI晶圆上的增透膜101、电介质材料层102和反射膜103(结合图5所示)；

[0097] 增透膜101和反射膜103分别设于电介质材料层102的两侧。

[0098] 在具体应用中，入射光由硅基光膜转换器4端输入，经过硅基光波导2进入光波解复用器1，然后再经多路硅基光波导2进入多个探测器3。

[0099] 作为一种可选的实施方式，图1所示的探测器3包括形成在SOI晶圆上的锗波导302、第一电极303和第二电极304；

[0100] 第一电极303和第二电极304分别设于锗波导302的两侧。

[0101] 需要说明的是，图1所示的探测器3并不限于上述的锗探测器，也可以是锗硅探测器或者是高速锗探测器；图1中仅仅示出了两个探测器3，在具体实施中，本申请实施例的硅
基WDM接收器件可以集成多通道的探测器，包括4路探测器、8路探测器或者更多路的探测
器。

[0102] 作为一种可选的实施方式，图1所示的硅基光波导2包括直线型波导和/或曲线型波导。

[0103] 在具体实施中，本申请实施例的硅基光波导2可以根据器件结构需要设计成直线型波导和/或曲线型波导，图1中示出的硅基光波导2包括了曲线型波导。

[0104] 如上所述，本发明的硅基WDM接收器件及其制备方法，具有以下有益效果：

[0105] (1)本申请的硅基WDM接收器件通过引入电介质材料实现非热敏光波解复用器，进而集成具有多材料系统的接收器件，可以降低器件的光学折射率和热光系数，可以提高器
件性能，同时可以避免使用控制温度的元器件，有助于减小集成器件的体积、降低成本；

[0106] (2)本申请的硅基WDM接收器件使用电介质光波解复用器，将多个器件集成到一个集成芯片中，大大缩小了接收器的体积，去除了多个分立器件的封装，降低了成本，同时降
低了单个器件间连接带来的插损，可以提高集成器件的整体性能。

[0107] 本发明方法和结构简单，在半导体领域和光电集成领域具有广泛的应用前景。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

[0108] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。