针对集成器件的射频损失减少的制作方法

1.本公开涉及诸如高速光子器件和互连的rf器件中射频(rf)损失的减小。


背景技术：

2.高速硅光子器件(例如，光调制器和光电二极管)包括光学元件和电子元件。许多光学元件形成在掩埋氧化物(box)或其他绝缘层顶部上的硅器件层中。由于增加的rf损失和附加的寄生元件，该硅层(例如，留在硅器件结构周围的区域中的硅平板)的电导率可能对器件的rf性能产生负面影响。尽管在一些情况下可以通过移除rf金属焊盘和线下方的硅平板来解决此问题，但在许多情况下，出于制造考虑和光学器件配置的需要，无法使用该解决方案。例如，在一些器件中，在硅层中形成的光学波导或其他光学结构占据金属焊盘和线附近的基板面，从而显著地限制了可以从中移除硅的区域。此外，即使在没有器件的区域中，由于硅的移除具有破坏衬底的结构完整性的趋势，因此跨越实质区域移除硅也不可能。因此，简单地移除金属线和焊盘下方的硅的备选方案是期望的。


技术实现要素：

3.根据一些实施例，一种射频(rf)结构，包括：衬底，衬底包括被设置在绝缘层上的半导体器件层；集成rf器件的半导体器件结构，半导体器件结构被形成在半导体器件层中或被形成在半导体器件层上；以及至少一个金属化结构，至少一个金属化结构被设置在半导体器件层之上，至少一个金属化结构用以向或从集成rf器件传送rf信号，其中半导体器件层被图案化，以形成多个断开连接的半导体岛，断开连接的半导体岛至少在至少部分地包围至少一个金属化结构的区域之上延伸。
4.根据一些实施例，一种制造射频(rf)结构的方法，方法包括：图案化和蚀刻绝缘体上半导体衬底的半导体器件层，以在半导体器件层中创建多个断开连接的半导体岛；在半导体器件层中或在半导体器件层上形成集成rf器件的半导体器件结构；以及在半导体器件层之上设置至少一个金属化结构，至少一个金属化结构可操作地向或从集成rf器件传送rf信号，其中半导体岛至少被形成在至少部分地包围至少一个金属化结构的区域之上。
5.根据一些实施例，一种射频(rf)结构，包括：衬底，衬底包括被设置在绝缘层上的半导体器件层；集成rf器件的半导体器件结构，半导体器件结构被形成在半导体器件层中或被形成在半导体器件层上；以及至少一个金属化结构，至少一个金属化结构被设置在半导体器件层之上，至少一个金属化结构用以向或从集成rf器件传送rf信号，其中至少在至少部分地包围至少一个金属化结构的区域之上的半导体器件层包括所注入的离子，所注入的离子增加了半导体器件层的电阻率。
6.根据一些实施例，一种制造射频(rf)结构的方法，方法包括：通过离子注入来增加绝缘体上半导体衬底的半导体器件层的一部分的电阻率；在半导体器件层中或在半导体器件层上形成rf器件的半导体器件结构；以及在半导体器件层之上沉积至少一个金属化结构，至少一个金属化结构可操作地向或从rf光子器件传送rf信号，其中半导体器件层的部
分在至少部分地包围至少一个金属化结构的区域之上延伸。
附图说明
7.图1是根据各种实施例的包括光学和电子元件的示例rf光子结构的示意性截面图。
8.图2是根据各种实施例的包括光学和电子元件的示例rf光子结构的示意性俯视图。
9.图3是图示了根据一个实施例的器件金属化的示例p-i-n二极管结构的示意性截面图。
10.图4a和图4b分别是图示了根据一个实施例的传输线的示例马赫曾德尔(mach-zehnder)调制器的示意性俯视图和截面图。
11.图5是图示了根据各种实施例的硅器件层的图案化的、如图1所示的示例rf光子结构的示意性截面图。
12.图6是根据一个实施例的示例rf光子结构的示意性俯视图，该俯视图图示了硅器件层中相对于图2的光学和电子元件的位置的矩形网格沟道图案。
13.图7是根据一个实施例的示例rf光子结构的示意性俯视图，该俯视图图示了硅器件层中相对于图2的光学和电子元件的位置的三角剖分(triangulation)沟道图案。
14.图8是根据各种实施例的制造rf光子结构的方法的流程图。
具体实施方式
15.本文描述了通过至少在器件的金属化结构(诸如，金属线和焊盘)附近、并且在一些情况下跨越整个器件层(但限定半导体器件结构的区域除外)而增加器件层的平均电阻率(即，减小平均电导率)，来减小与集成rf器件相关联的rf损失的方法。在一些实施例中，通过例如氢(h)、氦(he)、硼(b)、锂(li)、碳(c)或其他合适的材料的离子注入来实现增加的电阻率。在其他实施例中，器件层被图案化来形成由不导电(例如，介电填充)的沟道分离的断开连接的岛，不导电的沟道用于中断在器件层中感应的涡电流。这些岛可以在朝向金属化结构的边缘处大小减小并且密度增加，在金属化结构的边缘处涡电流往往最强。
16.在下文中，针对绝缘体上硅(soi)衬底中实现的光子器件，具体描述rf损失减小。然而，如本领域普通技术人员将理解的，所公开的rf损失减小方法不限于光子器件，而是同样可适用于在绝缘体上半导体衬底中实现的任何rf器件(包括rf电子器件和传感器)。此外，尽管集成器件通常在soi衬底上实现，但是除硅以外的半导体材料(例如，锗、磷化铟、砷化镓等)也可以用于器件层和在其中形成的器件结构(例如，波导)。
17.图1以示意性截面图图示了根据各种实施例的示例rf光子结构100。结构100包括光学和电子器件组件，这些光学和电子器件组件被形成在soi衬底上，soi衬底包括处理层102(例如，由硅、金刚石或另一合适的材料制成)，并且这些光学和电子器件组件通过掩埋氧化物(box)或另一介电层(在本文中也统称为“绝缘层”)104、硅器件层106与处理层102分离。硅波导和/或其他硅器件结构108可以被形成在硅器件层106中。如图所示，硅器件结构108可以由于对硅器件层106的部分蚀刻而得到，该部分蚀刻使得硅平板110的厚度小于原始硅器件层106跨衬底各部分的厚度。备选地，硅器件结构108的轮廓可以由被蚀刻到硅器
件层106中直至绝缘层104的沟道限定。除了在硅器件层中的(多个)任何硅器件结构108之外，rf光子结构100还可以包括被设置在硅器件层106之上的、诸如由iii-v或其他化合物半导体材料制成的其他半导体器件结构(未示出)。例如，许多激光二极管、光电二极管、光学放大器和光学调制器包括由iii-v材料制成的有源器件层或p-i-n层状结构。硅器件层106以及在硅器件层106中或之上形成的任何半导体器件结构可以被覆盖在例如氧化物或其他电介质的顶部包覆(cladding)层112中。为了使得能够施加或读出rf信号，rf光子结构100包括一个或多个金属化结构114，一个或多个金属化结构114被嵌入顶部包覆层112中(或者备选地设置在其上)。如图所示，金属化结构114可以包括硅器件层106之上的多个层级处的金属层116，这些金属层116由垂直金属通孔118连接。
18.图2提供了根据各种实施例(例如，图1的结构100)的示例rf光子结构200的示意性俯视图，图2进一步图示了各种类型的金属化结构(例如，114)。如图所示，金属化结构可以包括作为一种类型的器件金属化202(即，被直接设置在rf光子器件的一个或多个半导体器件结构上的金属)。另一类型的金属化结构是传输线，传输线包括连接至rf电压源的两个端子的电极204的对。电极204的长度的至少一部分可以沿着硅器件层中或硅器件层上形成的半导体器件(例如，如图所示，沿着波导206的两侧)延伸。此外，rf光子结构200通常包括用于将引线键合到光子芯片的金属键合焊盘208，以及通用金属线或迹线210，该通用金属线或迹线210可以在器件内的金属化结构之间建立电连接，或跨芯片延伸以形成多个器件之间或器件和键合焊盘之间(例如，如图所示，在传输线电极204和键合焊盘208之间)的互连。
19.图3示出了可以在诸如激光二极管、光电二极管或电吸收调制器的rf光子器件中使用的p-i-n二极管结构300，作为具有器件金属化的rf光子结构的示例。如截面图所示，p-i-n二极管可以采取具有更窄的台面(mesa)302的层状结构的形式，更窄的台面302包括堆叠在n型材料308的较宽条带之上的本征层304和p型层306。为了建立与二极管的p型层306和n型层308的电连接，可以跨顶部p型层306设置p侧金属接触通孔310，并且可以在n型层308上将n侧金属层312设置到台面302的两侧，其中垂直接触通孔314又从n侧金属层312延伸。接触通孔310、314可以延伸到顶部包覆层的顶部，其中它们可以直接或经由金属线连接到构成光子芯片的电气端子的金属键合焊盘(未示出)。
20.图4a和图4b示出了基于波导的马赫曾德尔调制器400，作为包括传输线的rf光子结构的示例。如图4a以俯视图所示出的，马赫曾德尔调制器400包括传入波导402，传入波导402分叉成两个干涉式波导臂404、406，两个干涉式波导臂404、406然后重新组合成传出波导408。极性相反的电极410、412被设置到干涉式波导臂404、406的两侧，并经由接触迹线414被各自连接至干涉式波导臂404、406中的一个。施加在这些电极410、412之间的rf信号可以用于对沿两个波导臂404、406传播的光之间的相对光学相位进行电光调制，从而对传出波导408中的光信号幅度进行调制。如图4b的截面图所示，每个干涉仪臂404、406可以被实现为复合波导，复合波导包括在硅器件层418中形成的硅肋形波导416以及在肋形波导416之上设置的iii-v波导420。接触迹线414可以连接到iii-v波导420上的器件金属化422。
21.在rf光子器件中，半导体器件结构的光学性质(诸如，波导的折射率或本征二极管层的吸收边缘)的期望电光调制通常伴随着不良的寄生电流(包括由rf信号的变化磁场在硅器件层中感应的涡电流)。这些寄生电流引起能量损失，这例如通过降低光学调制器的调制幅度、光电二极管的信号强度等，降低了器件性能。根据各种实施例，通过修改硅器件层
以减小其电导率并因此减小寄生电流，rf损失减小，且器件的rf性能相应增加。
22.图5是根据各种实施例的示例rf光子结构500的示意截面图，如图1所示，其中硅(或其他半导体)器件层106利用电流中断绝缘沟道502(描绘为垂直线，仅标记了几个)被图案化。这些沟道502可以被蚀刻到硅器件层106中，并且根据工艺细节，其宽度在0.5μm和2μm之间的范围内(例如，大约1μm)。例如，由于在经图案化的硅器件层106的顶部上沉积了顶部包覆层112，沟道502可以填充有介电材料。如图6和图7的俯视图所示，沟道可以在多个方向上定向(在硅器件层106的平面中)，以便彼此相交或相遇，并且因此形成沟道的二维网格或网络，沟道的二维网格或网络形成在沟道之间的硅的断开连接的区域(本文中的“硅岛”(或更广泛地“半导体岛”))。在一些实施例中，硅岛的尺寸在大约1μm与大约50μm之间的范围内，或者在大约4μm与大约20μm之间的较窄范围内。通过以这种方式“切割”硅器件层106，跨硅器件层106的涡电流被中断，从而避免了大规模电流环路。再次参考图5，沟道502优选地贯穿硅器件层106一直延伸到绝缘(例如，box)层104，使得硅岛彼此电隔离，从而消除了岛之间的电流流动并将涡电流限制为每个岛内小得多的区域。然而，即使是部分蚀刻的沟道也将倾向于减少跨硅器件层106的整体涡电流流动。
23.图6是根据一个实施例的示例rf光子结构600的示意俯视图，图6图示了硅器件层中相对于图2的金属化结构202、204、208、210和波导206的位置的矩形网格沟道图案。在该示例中，硅器件层包括两个平行的直沟道集合602、604(每个集合中仅几个沟道被标记)，两个集合彼此相交以形成四边形网格。更具体地，在所示的示例中，一个集合的沟道602被定向为平行于波导206，而另一集合的沟道604被定向为垂直于波导206，使得沟道602、604形成具有矩形硅岛606(仅标记了几个)的矩形网格。沟道602、604不必以直角相交，而是可以限定平行四边形形状的硅岛。此外，第三平行沟道集合可以在第一和第二集合的交点处与其相交来形成三角形网格。本领域普通技术人员可以设想网格线的附加配置。
24.如图6所示，由相交沟道602、604形成的网格不必是均匀的，但是沟道之间的间隔可以变化，从而产生跨硅器件层具有变化大小的硅岛606。沟道602、604可以在金属化结构202、204、208、210正下方的区域中或紧邻的周围区域中特别密集地间隔开，并形成最小的硅岛606。朝向与金属化结构202、204、208、210的更大距离，如通常针对远离键合焊盘、传输线和器件金属化的区域608所指示的，相邻沟道602、604之间的间距可以增加，或者沟道甚至可以完全消失。随着距金属化结构的距离的增加，该减小的沟道密度反映出，首先，所感应的涡电流在较大的距离处幅度较低。此外，即使接近金属化结构，沟道也可以从硅器件层中的限定硅器件结构的区域被省略或包括设置在硅之上的其他(例如，iii-v)半导体器件结构，以避免干扰器件功能。例如，图6示出了包围波导206的条带610，其中硅平板保持无沟道。
25.图7是根据一个实施例的示例rf光子结构700的示意俯视图，图7图示了在硅器件层中相对于图2的金属化结构202、204、208、210和波导206的位置的三角剖分沟道图案化。在该示例中，沟道702以各种定向形成短区段，从而在将硅器件层的区域分成三角形的沟道网络的顶点处以三个或更多个沟道为组相遇。类似于具有矩形网格沟道图案的rf光子结构600，在金属化结构附近，沟道密度可以更高，并且硅岛相应地更小。在一些实施例中，如图7最清楚地所示，对于金属键合焊盘208和相关联的接触迹线210，岛在金属化结构的边缘下方的区域中可以最小。仅如图6所示，波导206通过未经图案化的无沟道硅的条带在两侧上
相接。
26.图6和图7中描绘的两个沟道图案当然仅是示例，并且本领域普通技术人员将想到将硅器件层分成多个断开连接的硅岛的其他沟道配置。通常，硅岛在数量和密度上位于或集中于rf电流最强且绝缘沟道因此达到最大性能改进的区域中。这些区域通常包括硅器件层在金属化结构的下方和/或(横向)全部或部分包围金属化结构的部分，尤其是沿金属化结构的边缘的区域。由于附近的半导体器件组件，可以不一定总是完全包围金属化结构。例如，在传输线的电极之间的区域中的硅波导可以防止图案化电极的内部边缘下方或内部边缘之间的区域，但是在这种情况下，在电极的外部边缘下方和周围进行图案化仍然可以实现射频损失的显著减小。
27.如图5-图7所示，具有限定了断开连接的硅岛的电绝缘沟道的硅器件层的图案化可以中断rf感应的涡电流的自由流动，并因此减小硅器件层的平均电导率。有利地，通过仅移除硅器件层中的一小部分(例如，在某些实施例中小于10％)的硅材料，实现了这样的电导率减小(或电阻率增加)，从而保持由该层提供的大部分结构支撑。在一些情况下，将材料移除限制为一小部分还可以用作满足制造工艺中施加的层密度平衡要求。
28.增加硅器件层(在金属化结构的下方和/或完全或部分包围金属化结构的区域中)的电阻率的备选方法是通过离子注入。在该工艺中，合适的材料的离子(例如，h、he、b、li或c)朝向soi衬底被加速进入soi衬底(通常在对硅器件层的任何图案化之前)，其中离子注入参数被选择为使得引起硅器件层的电导率的减小。通常，离子注入可以导致硅晶格中具有电活性的晶体缺陷，并可以增加硅层的电阻率。在一些实施例中，实现了两个到三个数量级的电阻率增加。可以被调整以实现期望电阻率增加的离子注入参数除了离子类型以外，还包括离子能(因为它们即将出现在衬底上)、离子剂量和各种退火参数(例如，退火持续时间、温度、温度斜率和环境气体)。离子注入参数的合适组合是本领域普通技术人员已知的。仅提供一个示例，氢离子注入可以使用剂量在10
14
到2
·
10
16
离子/cm2之间的100kev h

离子，并且h

注入之后可以是分两个阶段进行的热退火：快速热退火(例如，经过大约一分钟的时段，大约50℃/s的陡峭温度斜率和大约900℃的平稳段)，然后进行常规的热退火(例如，持续时间在几分钟到两个小时之间，温度约为1200℃)。根据各种实施例，当使用离子注入来增加硅层的电阻率时，通常在注入之前掩盖具有功能作用(例如，包括半导体器件结构)的层区域。
29.图8是制造rf光子结构的方法800的流程图，根据各种实施例，方法800并入了用于增加至少在金属化结构附近的硅器件层的电阻率的步骤。方法800开始于在步骤802处提供(普通的)soi衬底(或更一般地，绝缘体上半导体衬底)。在一些实施例中，通过离子注入来增加硅(或其他半导体)器件层的电阻率。在这种情况下，首先在硅器件层上沉积掩膜层并将掩模层图案化，以至少掩盖器件层中将放置敏感结构(例如，半导体器件结构)的区域(803)。然后，通过离子注入，对硅器件的暴露区域(特别是包括将要放置金属化结构的区域)进行处理来增加电阻率(804)。然后，在一个或多个步骤中，对硅器件层进行光刻图案化和蚀刻(在本文中统称为“图案化”)，以形成硅器件结构和/或绝缘沟道，绝缘沟道将(多个)器件结构外部的区域以及将放置金属化结构的位置附近的区域划分为多个断开连接的硅岛(806)。(对于在硅器件层中注入电阻率增加的离子的衬底，创建绝缘沟道是可选的。)根据(多个)硅器件结构的特定结构和蚀刻深度，这些结构(或其部分)和绝缘沟道可以同时创
建，也可以在单独的步骤中创建。例如，可以在与绝缘沟道相同的步骤中限定并蚀刻其侧壁一直向下延伸到衬底的绝缘层的脊形波导。另一方面，可以通过对硅器件层进行部分蚀刻，然后对剩余的硅平板进行光刻图案化并完全蚀刻以形成绝缘沟道，来创建从硅的下层平板延伸的肋形波导。
30.在硅器件层的图案化之后，可以在硅器件层的顶部上创建附加的半导体器件结构(808)。例如，在一些实施例中，沉积另一半导体材料(例如，氮化硅)层并将其图案化来形成附加的器件结构(例如，氮化硅波导)。在其他实施例中，化合物半导体(例如，iii-v)管芯被键合到硅器件层，然后被图案化，例如以形成台面结构。在一些实施例中，一些半导体器件结构的表面被金属化，例如以形成电接触层(810)。顶部介电包覆然后可以被设置在衬底和半导体器件结构之上(812)。可以通过光刻图案化和蚀刻包覆来形成通孔，然后在通孔中填充金属以形成垂直金属通孔(814)，和/或通过沉积和图案化金属层以创建水平金属化结构(816)，而在顶部介电包覆中和顶部介电包覆上创建金属化结构。可以交替地重复进行介电层和金属层的沉积和图案化，以在多个层级(包括例如顶部处的金属键合焊盘)处形成金属化结构，其中金属通孔垂直地连接不同层级。方法800以pic内的完成的rf光子结构结束(在818处)，准备好与电子电路芯片集成和封装。
31.已参考附图描述了用于减少集成器件中的rf损失的整体方法，以下编号列表描述了各种示例实施例。
32.1.一种射频(rf)结构，包括：衬底，衬底包括被设置在绝缘层上的半导体器件层；集成rf器件的半导体器件结构，半导体器件结构被形成在半导体器件层中或被形成在半导体器件层上；以及至少一个金属化结构，至少一个金属化结构被设置在半导体器件层之上，至少一个金属化结构用以向或从集成rf器件传送rf信号，其中半导体器件层被图案化，以形成多个断开连接的半导体岛，断开连接的半导体岛至少在至少部分地包围至少一个金属化结构的区域之上延伸。
33.2.根据示例1的rf结构，其中断开连接的半导体岛至少在完全包围至少一个金属化结构的区域之上延伸。
34.3.根据示例1或示例2的rf结构，其中断开连接的半导体岛在除了包括并紧邻半导体器件结构的区域之外的半导体器件层之上延伸。
35.4.根据示例1至3中任一项的rf结构，其中多个断开连接的半导体岛被形成在被蚀刻到半导体器件层中的沟道之间。
36.5.根据示例4的rf结构，其中沟道形成矩形网格。
37.6.根据示例4的rf结构，其中沟道将经图案化的区域分成三角形。
38.7.根据示例4至6中任一项的rf结构，其中沟道具有在0.5μm和2μm之间的宽度。
39.8.根据示例1至7中任一项的rf结构，其中断开连接的岛的大小不均匀，其大小随着距至少一个金属化结构的边缘的距离越大而增加。
40.9.根据示例1至8中任一项的rf结构，其中半导体岛具有在大约1μm和大约50μm之间的尺寸。
41.10.根据示例1至9中任一项的rf结构，其中至少一个金属化结构包括以下中的至少一项：器件金属化、电极、接触迹线、或键合焊盘。
42.11.根据示例1至10中任一项的rf结构，其中半导体器件结构包括以下中的至少一
项：被形成在半导体器件层中的半导体器件结构、或被设置在半导体器件层之上的半导体器件结构。
43.12.根据示例1至11中任一项的rf结构，其中集成rf器件是光子器件。
44.13.根据示例1至12中任一项的rf结构，其中集成rf器件包括以下中的至少一项：激光二极管、光学调制器、光电检测器、或光学开关。
45.14.一种制造射频(rf)结构的方法，方法包括：图案化和蚀刻绝缘体上半导体衬底的半导体器件层，以在半导体器件层中形成多个断开连接的半导体岛；在半导体器件层中或在半导体器件层上形成集成rf器件的半导体器件结构；以及在半导体器件层之上设置至少一个金属化结构，至少一个金属化结构可操作地向或从集成rf器件传送rf信号，其中半导体岛至少被形成在至少部分地包围至少一个金属化结构的区域之上。
46.15.根据示例14的方法，其中半导体器件结构包括通过图案化和蚀刻，与断开连接的半导体岛同时被形成在半导体器件层中的半导体器件结构。
47.16.一种射频(rf)结构，包括：衬底，衬底包括被设置在绝缘层上的半导体器件层；集成rf器件的半导体器件结构，半导体器件结构被形成在半导体器件层中或被形成在半导体器件层上；以及至少一个金属化结构，至少一个金属化结构被设置在半导体器件层之上，至少一个金属化结构用以向或从集成rf器件传送rf信号，其中至少在至少部分地包围至少一个金属化结构的区域之上的半导体器件层包括所注入的离子，所注入的离子增加了半导体器件层的电阻率。
48.17.根据示例16的rf结构，其中所注入的离子包括以下中的至少一项：氢、氦、硼、锂、或碳。
49.18.根据示例16或示例17的rf结构，其中金属化结构包括以下中的至少一项：器件金属化、电极、接触迹线、或键合焊盘。
50.19.根据示例16至18中任一项的rf结构，其中半导体器件结构包括以下中的至少一项：被形成在半导体器件层中的半导体器件结构、或被设置在半导体器件层之上的半导体器件结构。
51.20.根据示例16至19中任一项的rf结构，其中集成rf器件是光子器件。
52.21.根据示例16至20中任一项的rf结构，其中集成rf器件包括以下中的至少一项：激光二极管、光学调制器、光电检测器、或光学开关。
53.22.一种制造射频(rf)结构的方法，方法包括：通过离子注入来增加绝缘体上半导体衬底的半导体器件层的一部分的电阻率；在半导体器件层中或在半导体器件层上形成rf器件的半导体器件结构；以及在半导体器件层之上设置至少一个金属化结构，至少一个金属化结构可操作地向或从rf光子器件传送rf信号，其中半导体器件层的该部分在至少部分地包围至少一个金属化结构的区域之上延伸。
54.23.根据示例22的方法，还包括在离子注入之前：至少在包括半导体器件结构的区域中掩盖半导体器件层。
55.24.根据示例1至13或16至21中任一项的结构，其中半导体器件层是硅层。
56.25.根据示例14、15、22或23中任一项的方法，其中半导体器件层是硅层。
57.尽管已参考特定示例实施例描述了本发明主题，但是明显的是，可以在不脱离本发明主题的较宽范围的情况下对这些实施例进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应
被认为是例示性的而不是限制性的。