[發明專利]光耦合器件及其形成方法

有效

• 申請號: 201410077106.1
• 申請日: 2014-03-04
• 公開（公告）號: CN104900749B
• 公開（公告）日: 2017-05-17
• 發明（設計）人: 陳福成;洪中山
• 申請（專利權）人: 中芯國際集成電路制造(上海)有限公司;中芯國際集成電路制造（北京）有限公司
• 主分類號: H01L31/12
• 分類號: H01L31/12;H01L31/18;G02B6/24
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司11227
• 代理人: 駱蘇華

技術領域

本發明涉及半導體制作領域，更涉及一種光耦合器件及其形成方法。

背景技術

光波導（optical waveguide）是由光透明介質(如石英玻璃)構成的傳輸光頻電磁波的導行結構。光波導的傳輸原理是在不同折射率的介質分界面上，電磁波的全反射現象使光波局限在波導及其周圍有限區域內傳播。

在用于通信波段的眾多光波導材料中，絕緣體上硅材料由于其強大的光限制能力，易于制作亞微米級的低損耗光波導，同時制備工藝與微電子集成電路的制作工藝兼容，大大的減少了制備光電芯片的成本，使之成為實現高密度光電集成芯片的最具競爭力的材料之一。

現有應用絕緣體上硅材料制作光波導的步驟包括：提供絕緣體上硅襯底（SOI），所述絕緣體上硅襯底包括依次堆疊的基底層、氧化掩埋層和單晶硅層；刻蝕所述單晶硅層露出氧化掩埋層表面，形成光波導的單晶硅內芯；形成覆蓋所述內芯和氧化掩膜層表面的介質層，所述介質層和氧化掩埋層構成光波導的包層。由于單晶硅層的折射率大于介質層和氧化掩埋層的折射率，因此光被限制在單晶硅內芯中傳輸。

然而隨著半導體技術不斷發展，目前光波導器件的特征尺寸已經變得非常小，希望在二維的封裝結構中增加光波導器件的數量變得越來越困難，因此三維封裝成為一種能有效提高光波導器件集成度的方法。

現有技術通常采用光柵耦合技術和硅光通孔技術（TSPV，Through Silicon Photonic Via）來連接兩塊硅襯底上形成的平面光波導器件，從而實現不同光學器件的三維封裝。

但是現有技術的光柵耦合技術的耦合效率低，不利于提高光波導器件的性能。

發明內容

本發明解決的問題是怎樣提高光波導器件的耦合效率。

為解決上述問題，本發明提供一種光耦合器件的形成方法，包括：提供第一半導體襯底，所述第一半導體襯底包括第一表面和與第一表面相對的第二表面；提供第二半導體襯底，所述第二半導體襯底包括第三表面和與第三表面相對的第四表面；刻蝕第一半導體襯底的第一表面，在所述第一半導體襯底中形成第一凹槽，所述第一凹槽的側壁具有第一傾斜角；在第一凹槽的側壁和底部表面上形成第一反射層；刻蝕所述第二半導體襯底的第三表面，在所述第二半導體襯底中形成第二凹槽，所述第二凹槽的側壁具有第二傾斜角，所述第一傾斜角與第二傾斜角互余；在所述第二凹槽的側壁和底部表面上形成第二反射層；將第一半導體襯底的第一表面和第二半導體襯底的第三表面鍵合在一起，使第一凹槽與第二凹槽相對應。

可選的，所述第一半導體襯底的第一表面的晶面指數為（100），第二半導體襯底的第三表面的晶面指數為（110）。

可選的，所述第一傾斜角為54.74度，第二傾斜角為35.26度。

可選的，所述第一凹槽的開口的寬度等于第二凹槽開口的寬度，所述第二凹槽的深度與第一凹槽的深度比為1:2。

可選的，刻蝕所述第一半導體襯底和第二半導體襯底形成第一凹槽和第二凹槽采用的工藝為濕法刻蝕。

可選的，所述濕法刻蝕采用的刻蝕溶液為四甲基氫氧化銨溶液，四甲基氫氧化銨溶液的質量百分比濃度為18%～27%，刻蝕時的溫度為75～85攝氏度。

可選的，第一半導體襯底和第二半導體襯底的鍵合工藝為硅硅直接鍵合工藝。

可選的，所述鍵合工藝后還包括退火工藝。

可選的，在第一凹槽側壁和底部形成第一反射層后，還包括：在第一凹槽內形成第一光波導。

可選的，所述第一光波導的厚度小于第一凹槽的深度。

可選的，在所述第二凹槽的側壁和底部表面上形成第二反射層后，還包括在第二凹槽內形成第二光波導。

可選的，所述第二光波導的厚度小于第二凹槽的深度。

可選的，所述第一反射層和第二反射層的材料的折射率小于第一光波導和第二光波導的材料的折射率。

可選的，第一反射層和第二反射層的材料為金屬或介質材料，所述金屬為銅、鋁、金或銀，所述介質材料為氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或碳化硅。

可選的，所述第一光波導或第二光波導的材料為氮化硅或多晶硅。

可選的，所述第一反射層或第二反射層為單層或多層堆疊結構。