一种具有通孔的硅光芯片结构及其制作方法与流程

本发明属于半导体制造领域，涉及一种具有通孔的硅光芯片结构及其制作方法。

背景技术：

1、近年来，硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料，利用互补金属氧化物半导体工艺进行光器件开发和集成的新一代技术，硅光子技术结合了集成电路技术的大规模、高精度制造的特性和光子技术的高速率、低功耗的优势，在生物、通信以及雷达等技术领域得到广泛应用。目前基于硅光子技术的硅基光电集成芯片制备的光电探测器，光耦合器、光功率分配器以及波束分束/合束器等半导体器件层出不穷，而针对不同功能的器件需要对应的器件结构以及元件以满足要求。其中，波导是硅光芯片中不可缺少的组成部分，用以实现硅光芯片的信息传输。然而所有波导器件都要面临损耗问题，如何控制和降低波导传输损耗，已经成为实现集成光路商业化需要解决的主要问题之一。

2、经过对光集成器件研究的不断扩展和深入，发现波导损耗可分为线性损耗和非线性损耗，其中非线性损耗主要是双光子吸收引起的自由载流子吸收损耗，主要由波导介质的不均匀性、刻蚀工艺带来的侧壁粗糙度及波导结构等因素引起，而由于现在制造多是用高纯度材料，由于波导材料本身不均匀性(包括杂质)引起的损耗几乎可以忽略，在波导结构不断改进的同时，保持波导结构表面光滑度和完整度显得尤其重要。

3、但是，针对不同功能的器件，通常其内部结构也存在很大差异，需要对含波导的结构层进行刻蚀形成通孔以沉积其他介质或形成层间互连结构，部分器件结构形成的通孔需要暴露出单根波导的顶面和一个侧面或者相邻两根距离极近的波导之间的缝隙，目前常规通孔的实现方法为干法刻蚀，不可避免的会对波导造成一定程度的影响，从而对波导引入了很大的侧壁粗糙度，导致损耗增加；此外，干法刻蚀时产生的聚合物副产物会附着在波导侧壁，进一步造成波导粗糙度的增加，增加传输损耗，影响期间的性能。

4、因此，如何提供一种具有通孔的硅光芯片结构及其制作方法，以实现避免刻蚀工艺增大波导表面粗糙度，保证波导表面光滑度及完整性，降低因波导表面粗糙度带来的传输损耗，从而提高器件性能及运行稳定性，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。

5、应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本技术的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本技术的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有通孔的硅光芯片结构及其制作方法，用于解决现有技术中在硅光芯片中形成通孔时，若通孔的位置在波导结构周围，采用干法刻蚀会增大波导表面粗糙度，从而增加传输损耗影响器件性能的问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种具有通孔的硅光芯片结构的制作方法，包括以下步骤：

3、提供一半导体层，所述半导体层包括基底层及波导层，所述波导层位于所述基底层上，所述波导层包括在水平方向上依次排列且间隔设置的第一波导、第二波导及第三波导；

4、形成包层于所述基底层上，所述包层覆盖所述波导层；

5、采用干法刻蚀形成间隔设置的第一上通孔及第二上通孔于所述包层中，所述第一上通孔自所述包层的顶面开口并往下延伸，所述第一上通孔的底面显露所述第一波导的至少一部分顶面，所述第二上通孔自所述包层的顶面开口并往下延伸，所述第二上通孔的底面显露所述第二波导的顶面及所述第三波导的顶面；

6、采用湿法刻蚀形成间隔设置的第一下通孔及第二下通孔于所述包层中，所述第一下通孔自所述第一上通孔的底面开口并往下延伸至所述基底层的顶面，所述第二下通孔自所述第二上通孔的底面开口并往下延伸至所述基底层的顶面；

7、其中，所述第一上通孔与所述第一下通孔组成第一通孔，所述第一通孔显露所述第一波导的顶面及所述第一波导的一侧面，所述第二上通孔与所述第二下通孔组成第二通孔，所述第二通孔显露所述第二波导的顶面与两侧面，并显露所述第三波导的顶面及两侧面。

8、可选地，所述第一波导及所述第二波导之间的距离大于所述第二波导及所述第三波导之间的距离。

9、可选地，包括以下步骤：

10、形成第一光刻胶层于所述包层的上表面，并图形化所述第一光刻胶层以得到第一刻蚀窗口及第二刻蚀窗口，所述第一波导位于所述第一刻蚀窗口的开口范围内，所述第二波导及所述第三波导位于所述第二刻蚀窗口的开口范围内；

11、基于所述第一刻蚀窗口及所述第二刻蚀窗口进行所述干法刻蚀以形成所述第一上通孔及所述第二上通孔，所述第一上通孔的底面显露所述第一波导的顶面，所述第二上通孔的底面显露所述第二波导的顶面及所述第三波导的顶面；

12、形成第二光刻胶层，所述第二光刻胶层覆盖所述包层的上表面并覆盖所述第一上通孔的裸露表面及所述第二上通孔的裸露表面；

13、去除所述第二光刻胶层位于所述第一上通孔底部的部分及位于所述第二上通孔底部的部分，并保留所述第二光刻胶层位于所述第一上通孔两侧壁的部分及位于所述第二上通孔两侧壁的部分作为保护侧墙；

14、进行所述湿法刻蚀以形成所述第一下通孔及所述第二下通孔；

15、去除所述第二光刻胶层。

16、可选地，去除所述第二光刻胶层位于所述第一上通孔底部的部分及位于所述第二上通孔底部的部分时采用的曝光能量低于图形化所述第一光刻胶层时采用的曝光能量。

17、可选地，包括以下步骤：

18、形成光刻胶层于所述包层的上表面，并图形化所述光刻胶层以得到第一刻蚀窗口及第二刻蚀窗口，所述第一波导部分位于所述第一刻蚀窗口的开口范围内，所述第二波导及所述第三波导位于所述第二刻蚀窗口的开口范围内，其中，所述第一波导的一侧面位于所述第一刻蚀窗口的开口范围之外，所述第一波导的另一侧面位于所述第一刻蚀窗口的开口范围内；

19、基于所述第一刻蚀窗口及所述第二刻蚀窗口进行所述干法刻蚀以形成所述第一上通孔及所述第二上通孔，所述第一上通孔的一侧壁在水平方向上位于所述第一波导的两侧面之间，所述第一波导的一侧面在水平方向上位于所述第一上通孔的两侧壁之间；

20、基于所述第一上通孔及所述第二上通孔进行所述湿法刻蚀以形成所述第一下通孔及所述第二下通孔，并使得所述第一上通孔的在水平方向上位于所述第一波导的两侧面之间的一侧壁在垂直方向上与所述第一波导的在水平方向上位于所述第一上通孔的两侧壁之外的一侧面齐平。

21、可选地，采用高密度等离子体化学气相沉积法形成所述包层。

22、可选地，包括以下步骤：

23、形成第一钝化层于所述包层的上表面；

24、形成光刻胶层于所述第一钝化层的上表面，并图形化所述光刻胶层以得到第一刻蚀窗口及第二刻蚀窗口；

25、基于所述第一刻蚀窗口及所述第二刻蚀窗口进行所述干法刻蚀以形成所述第一上通孔及所述第二上通孔；

26、去除所述光刻胶层；

27、形成第二钝化层，所述第二钝化层覆盖所述第一钝化层的上表面并覆盖所述第一上通孔的裸露表面及所述第二上通孔的裸露表面；

28、采用干法刻蚀去除所述第二钝化层位于所述第一上通孔底部的部分及位于所述第二上通孔底部的部分，并保留所述第二钝化层位于所述第一上通孔两侧壁的部分及位于所述第二上通孔两侧壁的部分作为保护侧墙；

29、进行所述湿法刻蚀以形成所述第一下通孔及所述第二下通孔；

30、去除所述第一钝化层及所述第二钝化层。

31、可选地，依次采用高密度等离子体化学气相沉积法及等离子体增强化学气相沉积法形成所述包层。

32、可选地，所述湿法刻蚀采用的刻蚀液包括含氢氟酸溶液。

33、本发明还提供一种具有通孔的硅光芯片结构，包括：

34、基底层；

35、波导层，位于所述基底层上，所述波导层包括在水平方向上依次排列且间隔设置的第一波导、第二波导及第三波导；

36、包层，位于所述基底层上，所述包层覆盖所述波导层；

37、第一通孔与第二通孔，在垂直方向贯穿所述包层并在水平方向上间隔设置，所述第一通孔还显露所述第一波导的顶面及所述第一波导的一侧面，所述第二通孔还显露所述第二波导的顶面与两侧面，并显露所述第三波导的顶面及两侧面。

38、如上所述，本发明的具有通孔的硅光芯片结构的制作方法，采用复合刻蚀法去除波导周围的包层介质以形成通孔，在刻蚀过程中能够避免传统刻蚀方法对波导造成的表面粗糙度加大及损坏，能够有效保持波导的表面光滑度及完整度，降低波导的传输损耗，从而提高器件的性能及工作稳定性；本发明的具有通孔的硅光芯片结构，其结构中的波导保持了较高的表面光滑度及完整度较高，在实际应用时，波导的信号传输损耗相对较小，能够明显提高器件的工作效率。