一种通信激光器及其制作方法与流程

1.本发明涉及通信芯片半导体技术领域，具体涉及一种通信激光器及其制作方法。


背景技术：

2.随着通信激光器半导体的市场发展，数字产品的更新换代，电子产品的高智能体验，人们对高容量、高速率信息的通信传输要求越来越高，网络高带宽的需求也越来越高，而通信激光器作为通信系统的核心部件，提升高速率高带宽激光器芯片也成为必然。目前提升通信激光器的调制带宽的主流方向是在降电容、缩腔长方向，但是随着行业的大量优化，该方向已渐渐达到瓶颈，而提升载流子增益和光子密度对芯片材料的设计和制作较高，费时费力，因此，有必要设计一种新的通信激光器及其制作方法，以进一步提升芯片带宽。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种通信激光器及其制作方法，至少可以解决现有技术中的部分缺陷。
4.为实现上述目的，本发明的技术方案为一种通信激光器的制作方法，包括如下步骤：
5.s1、采用pecvd的方法在wafer正面生长厚度为2um以上的厚介质膜限制层，所述厚介质膜限制层包括自下而上依次设置的si3n4膜层、梯度sino
x
膜层、sio2膜层、梯度sion
x
膜层、si3n4膜层；
6.s2、光刻后采用rie干法刻蚀工艺完成厚介质膜限制层图形制作。
7.进一步地，所述si3n4膜层的厚度为0.15～0.3um，所述梯度sino
x
膜层的厚度为0.4～06um，所述sio2膜层的厚度为0.8～1.2um，所述梯度sion
x
膜层的厚度为0.4～06um；所述梯度sino
x
膜层和梯度sion
x
膜层中的x均逐渐增大。
8.进一步地，步骤s1的具体方法如下：
9.s11、将待生长厚介质膜限制层的wafer进行清洗前处理，然后放入pecvd 设备中抽真空，腔体加热至250～350℃；
10.s12、待达到真空度后对生长厚介质膜限制层的wafer正面先进行等离子渗氮处理；
11.s13、在经步骤s12处理后的wafer正面先生长一层si3n4膜层，其中反应气体为sih4和nh3；
12.s14、在完成步骤s13的生长工艺后，继续生长梯度sino
x
膜层，其中反应气体为n2o和sih4；
13.s15、在完成步骤s14的生长工艺后，继续生长一层sio2膜层，其中反应气体为n2o和sih4；
14.s16、在完成步骤s15的生长工艺后，继续生长梯度sion
x
膜层，其中反应气体为n2o和sih4；
15.s17、在完成步骤s16的生长工艺后，最后再生长一层si3n4膜层，其中反应气体为sih4和nh3；完成厚介质膜限制层的生长。
16.更进一步地，步骤s12中的等离子渗氮的工艺条件包括：真空度 0.9-1.0mtorr，n2流量800～1200sccm，等离子功率25～35w，时间4～8min。
17.更进一步地，步骤s14中生长梯度sino
x
膜层的工艺条件包括：保持n2o 流量不变，sih4气体从400～800sccm，以80～120sccm为步进，每步1～3min；步骤s16中生长梯度sionx膜层的工艺条件包括：保持n2o流量不变，sih4气体从800～400sccm，以80～120sccm为步进，每步1～3min。
18.更进一步地，步骤s13和步骤17中生长si3n4膜层的工艺条件包括：sih4的气体流量600～900sccm，nh3的气体流量40～60sccm，等离子功率为25～35w，时间为8～12min；步骤s15中生长sio2膜层的工艺条件包括：sih4的气体流量 80～120sccm，n2o的气体流量700～900sccm，等离子功率25～35w，时间 10～15min。
19.进一步地，步骤s2的具体方法如下：
20.s21、将光刻后待rie干法刻蚀的产品放入rie设备中抽真空，腔体温度为室温；
21.s22、待到达工艺真空度以后，通入反应气体chf3和o2，刻蚀18～25min；
22.s23、在完成步骤s22的刻蚀工艺后，关闭气体，通入反应气体cf4和o2，刻蚀8～15min；
23.s24、在完成步骤s23的刻蚀工艺后，重复步骤s21和步骤s22；
24.s25、在完成步骤s24的交替刻蚀工艺后，关闭气体，通入反应气体chf3和o2，刻蚀8～15min；完成厚介质膜限制层图形制作。
25.更进一步地，步骤s22和步骤s25中的工艺条件为：chf3的气体流量 50～80sccm，o2的气体流量5～10sccm，等离子功率150～250w。
26.更进一步地，步骤s23中的工艺条件为：cf4的气体流量40～60ssccm，o2的气体流量4～8sccm，等离子功率150～250w。
27.本发明还提供一种通信激光器，该通信激光器采用上述的制作方法制得。
28.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
29.(1)本发明通过在wafer正面生长厚度为2um以上的si3n4/梯度 sino
x
/sio2/梯度sion
x
/si3n4厚介质膜限制层，可以提升芯片正面量子阱侧面介质膜的限制因子，通过厚介质层增加光子的行程及散射达到降低噪音的效果，减少数据传输的误码率提升带宽；厚介质膜限制层同时对芯片本身具有很强的保护性为后续进一步提升芯片使用寿命提供方向；
30.(2)采用本发明的方法能够充分减少厚介质膜限制层的膜层应力，防止2um 以上厚介质膜限制层出现皲裂和鼓泡现象导致的芯片异常，经过高温合金破坏力实验，厚介质膜限制层完好无损；
31.(3)本发明的厚介质膜限制层采用si3n4/梯度sino
x
/sio2/梯度sion
x
/si3n4的复合膜层，其中两种梯度材料sino
x
和sion
x
中的x均逐渐增大，采用两种梯度材料主要起到中和厚介质膜限制层sio2内应力的效果，底层和表层si3n4也有中和压应力效果，同时有保护膜层整体性效果；pecvd采用梯度材料加sio2和si3n4的组合可以起到防止介质膜厚度太厚、应力太大导致限制层皲裂和鼓包等不良；
32.(4)本发明的pecvd渗氮工艺，高温下等离子体氮离子对芯片正面长时间的高能轰
击注入达到渗氮，部分氮离子与半导体表外层相结合，提升半导体的禁带宽度，减少少数载流子复合，防止光子密度的减小，提升调制带宽极限；
33.(5)本发明的rie干法刻蚀工艺不同于正常刻蚀，由于光刻胶的特有固性，刻蚀厚度较厚时间较长的限制层，光刻胶会出现碳化变形的现象，导致芯片图形尺寸异常及无法去胶，本发明采用chf3和cf4两种气体结合一定比例的o2交替重复刻蚀厚介质膜限制层的方法进行刻蚀，能有效防止长时间刻蚀导致的光刻胶碳化，解决了rie不能长时间连续刻蚀介质膜引发的光刻胶碳化尺寸变形去胶难的问题；
34.(6)本发明的厚介质膜限制层还有替代现有bcb工艺的作用，有机厚bcb 层在电极下有减少寄生电容作用，厚介质膜限制层替代bcb层同样有降低寄生电容作用，同时简化光刻工艺制作流程，异常率减小，降低有机bcb材料在工艺中的电极开裂风险，节省成本，提高效率；
35.(7)本发明适用于所有10g、25g dfb(分布式反馈)和eml(电吸收调制)以及不同通信远红外波段1200nm～1700nm半导体激光器。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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它的附图。
37.图1是本发明的pecvd厚介质膜限制层示意图；
38.图2是本发明的rie干法刻蚀示意图；
39.图3是10g厚介质膜限制层产品的pecvd和rie干法刻蚀效果图；
40.图4是实验组与对照组的调制带宽对比图；
41.图5是厚介质膜限制层的长期老化1000h图。
42.图中：100、wafer；110、激光器量子阱；120、si3n4膜层；130、梯度材料 sino
x
及sion
x
与sio2的复合膜层；140、rie刻蚀气体。
具体实施方式
43.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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
44.本实施例提供一种通信激光器的制作方法，包括如下步骤：
45.s1、采用pecvd的方法在wafer(晶圆)正面生长厚度为2um以上的厚介质膜限制层，所述厚介质膜限制层包括自下而上依次设置的si3n4膜层、梯度 sino
x
膜层、sio2膜层、梯度sion
x
膜层、si3n4膜层；
46.s2、光刻后采用rie干法刻蚀工艺完成厚介质膜限制层图形制作。
47.本实施例的pecvd生长厚介质膜限制层和rie干法刻蚀厚介质膜限制层的工艺在高速率芯片上可以提升调制带宽。本实施例中厚介质膜限制层的膜厚在 2um以上，无应力
释放导致的皲裂和鼓泡现象，经过高温合金破坏力实验，厚介质膜限制层完好无损。
48.作为本实施例的优化方案，所述si3n4膜层的厚度为0.15～0.3um，所述梯度 sino
x
膜层的厚度为0.4～06um，所述sio2膜层的厚度为0.8～1.2um，所述梯度 sion
x
膜层的厚度为0.4～06um；所述梯度sino
x
膜层和梯度sion
x
膜层中的x 均逐渐增大。在sio2膜层两侧采用梯度sino
x
和梯度sion
x
材料，可以起到中和较厚的sio2膜层内应力的效果。
49.作为本实施例的优化方案，步骤s1的具体方法如下：
50.s11、将待生长厚介质膜限制层的wafer进行清洗前处理，然后放入pecvd 设备中抽真空，腔体加热至250～350℃；
51.s12、待达到真空度后对生长厚介质膜限制层的wafer正面先进行等离子渗氮处理；
52.s13、在经步骤s12处理后的wafer正面先生长一层si3n4膜层，其中反应气体为sih4和nh3；
53.s14、在完成步骤s13的生长工艺后，继续生长梯度sino
x
膜层，其中反应气体为n2o和sih4；
54.s15、在完成步骤s14的生长工艺后，继续生长一层sio2膜层，其中反应气体为n2o和sih4；
55.s16、在完成步骤s15的生长工艺后，继续生长梯度sion
x
膜层，其中反应气体为n2o和sih4；
56.s17、在完成步骤s16的生长工艺后，最后再生长一层si3n4膜层，其中反应气体为sih4和nh3；完成厚介质膜限制层的生长。
57.更进一步地，步骤s12中的等离子渗氮的工艺条件包括：真空度 0.9-1.0mtorr，n2流量800～1200sccm，等离子功率25～35w，时间4～8min。通过该等离子渗氮工艺，可以提升半导体禁带宽度，减少少数载流子的损耗，提升性能。
58.更进一步地，步骤s14中生长梯度sino
x
膜层的工艺条件包括：保持n2o 流量不变，sih4气体从400～800sccm，以80～120sccm为步进，每步1～3min；步骤s16中生长梯度sion
x
膜层的工艺条件包括：保持n2o流量不变，sih4气体从800～400sccm，以80～120sccm为步进，每步1～3min。
59.更进一步地，步骤s13和步骤17中生长si3n4膜层的工艺条件包括：sih4的气体流量600～900sccm，nh3的气体流量40～60sccm，等离子功率为20～35w，时间为8～12min；步骤s15中生长sio2膜层的工艺条件包括：sih4的气体流量 80～120sccm，n2o的气体流量700～900sccm，等离子功率20～35w，时间 10～15min。
60.作为本实施例的优化方案，步骤s2的具体方法如下：
61.s21、将光刻后待rie干法刻蚀的产品放入rie设备中抽真空，腔体温度为室温；
62.s22、待到达工艺真空度以后，通入反应气体chf3和o2，刻蚀18～25min；
63.s23、在完成步骤s22的刻蚀工艺后，关闭气体，通入反应气体cf4和o2，刻蚀8～15min；
64.s24、在完成步骤s23的刻蚀工艺后，重复步骤s21和步骤s22；
65.s25、在完成步骤s24的交替刻蚀工艺后，关闭气体，通入反应气体chf3和o2，刻蚀8～15min；完成厚介质膜限制层图形制作。
66.rie干法刻蚀采用chf3和cf4两种气体结合一定比例的o2交替重复刻蚀厚介质膜限制层，能有效防止长时间刻蚀导致的光刻胶碳化。
67.更进一步地，步骤s22和步骤s25中的工艺条件为：chf3的气体流量 50～80sccm，o2的气体流量5～10sccm，等离子功率150～250w。步骤s22中工艺真空度为0.9-1.0mtorr。
68.更进一步地，步骤s23中的工艺条件为：cf4的气体流量40～60sccm，o2的气体流量4～8sccm，等离子功率150～250w。
69.下面结合具体产品10g 1310nmdfb采用生长厚介质膜限制层和rie干法刻蚀厚介质膜限制层的工艺在高速率芯片上以提升调制带宽的应用进行详细举例说明，实验以通讯波段为10g 1310nm的dfb电吸收调制分布式反馈激光器为例，以下实施例所形成的结构均可参见图1和2。
70.具体实现步骤如下：
71.步骤1)：将待pecvd生长厚介质膜限制层的wafer进行清洗前处理，然后放入pecvd设备抽真空，腔体加热至250～350℃；
72.步骤2)：待达到0.9-1.0mtorr真空度后对待镀wafer正面先进行等离子渗氮处理，pecvd渗氮工艺：n2流量1000sccm，等离子功率30w，时间5min；
73.步骤3)：在经步骤2)处理的待生长wafer先生长一层si3n4膜层，其中反应气体为sih4和nh3，sih4的气体流量800sccm，nh3的气体流量为50sccm，等离子功率30w，时间10min，si3n4膜层的厚度为300nm；
74.步骤4)：在完成步骤3)的生长工艺后，继续生长梯度sino
x
膜层，其中反应气体为n2o和sih4，工艺过程中n2o流量不变，sih4气体从400～800sccm，以100sccm为步进，每步2min，sino
x
厚度为500nm；
75.步骤5)：在完成步骤4)的生长工艺后，继续生长一层sio2膜层，其中反应气体为n2o和sih4，sih4的气体流量100sccm，n2o的气体流量为800sccm，等离子功率30w，时间12min，sio2膜层厚度为1um；
76.步骤6)：在完成步骤5)的生长工艺后，继续生长梯度sion
x
膜层，其中反应气体为n2o和sih4，工艺过程中n2o流量不变，sih4气体从800～400sccm，以100sccm为步进，每步2min，sion
x
厚度为500nm；
77.步骤7)：在经步骤6)的待生长工艺后，最后再生长一层si3n4膜层，其中反应气体为sih4和nh3，sih4的气体流量800sccm，nh3的气体流量为50sccm，等离子功率30w，时间10min，si3n4膜层的厚度为300nm，此时完成所有正面膜系pecvd工艺；
78.步骤8)：将光刻后待rie干法刻蚀的厚介质膜限制层放入rie设备抽真空，腔体温度为室温；
79.步骤9)：待到达工艺真空度0.9-1.0mtorr以后，通入反应气体chf3和o2， chf3的气体流量70sccm，o2的气体流量为8sccm，等离子功率200w刻蚀20min；
80.步骤10)：在完成步骤9)的刻蚀工艺后，关闭气体，通入反应气体cf4和 o2，cf4的气体流量50sccm，o2的气体流量为5sccm，等离子功率200w刻蚀 10min；
81.步骤11)：在完成步骤3)的刻蚀工艺后，重复步骤9)和步骤10)；
82.步骤12)：在完成步骤4)的交替刻蚀工艺后，关闭气体，通入反应气体chf3和o2，刻蚀10min，此时完成所有正面刻蚀工艺。
83.为了详细了解采用本实施例的pecvd生长厚介质膜限制层和rie干法刻蚀厚介质膜限制层的激光器制备方法在高速率芯片上的优势，下面进行详细的工艺分析并进行如下性能测试。
84.1)高速率调制带宽分析
85.实验分为两组对比：
86.第一组实验为实验组：条件为采用本实施例的pecvd生长厚介质膜限制层和rie干法刻蚀厚介质膜限制层的激光器制备方法，厚介质膜限制层替代bcb 方案，芯片随机挑选20pcs良品；
87.第二组实验为对照组：条件为正常工艺流程，含电极bcb工艺，芯片随机挑选20pcs良品。
88.分析方法：为了保证对比性，我们选用的是同一片源wafer，一分为二，半片采用本实施例的方法，半片采用正常工艺，同时流片，将挑选出来的各20pcs 芯片进行高温调制带宽测试，实验条件为85℃、50ma，实验结果如图4所示，可以发现厚介质膜限制层的调制带宽对比正常工艺，带宽水平两者差异不大，但厚介质膜限制层的带宽略有提升，说明厚介质膜限制层提升了芯片正面介质膜的限制因子，通过厚介质膜限制层增加光子的行程及散射达到降低噪音的效果，减少数据传输的误码率提升带宽，同时pecvd生长厚介质膜限制层之前的渗氮处理也提升了半导体的禁带宽度，减少光子的损失，保证光子密度提升带宽。
89.2)长期老化1000h实验
90.分析方法：从采用本实施例的厚介质膜限制层工艺的产品中随机筛选20pcs 合格芯片，进行长期老化1000h实验，老化实验条件为温度85℃，电流85ma，阈值ith与初始变化率超过10％判为失效，实验如图5所示；从实验结果可以看出采用本实施例的厚介质膜限制层工艺对产品的长期可靠性没有造成恶化，长期老化1000h无异常。
91.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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。