本發(fā)明涉及半導體，具體涉及一種異質(zhì)集成電光調(diào)制器件及其制備方法。

背景技術：

1、利用低壓化學氣相沉積(lpcvd)制備的化學計量比氮化硅(si3n4)薄膜/波導芯使用晶圓級制造工藝，具有寬波長范圍(400–2350nm)的透明性、高光功率的低光傳播損耗等優(yōu)點。但是在氮化硅光波導與具有顯著電光效應的材料(例如鈮酸鋰等)相結合的電光相位調(diào)制器件中，由于鈮酸鋰與硅、二氧化硅之間具有較大的熱膨脹系數(shù)差異，高溫下鈮酸鋰薄膜會因高的熱應力而破裂，因此無法在硅襯底上的鈮酸鋰薄膜表面通過lpcvd沉積氮化硅薄膜。另外，鈮酸鋰所含金屬元素會潛在地對互補金屬氧化物半導體(cmos)工藝設備造成污染，且鈮酸鋰刻蝕相對困難。

2、現(xiàn)有技術方案通過氮化硅波導芯和鈮酸鋰薄膜異質(zhì)集成形成復合波導和電光調(diào)制器件，具體是將鈮酸鋰薄膜鍵合在化學計量比氮化硅波導芯上方來形成鈮酸鋰-氮化硅復合波導或電光調(diào)制器件。但是該方案需要鈮酸鋰薄膜和圖形化的化學計量比氮化硅之間具有薄(典型厚度～100nm)、平坦且均勻的鍵合介質(zhì)層，該鍵合介質(zhì)層通常通過化學機械拋光(cmp)工藝來控制，工藝難度較高，會導致鍵合介質(zhì)層的厚度不均勻、平坦性較差，進而導致鈮酸鋰薄膜鍵合強度較低、電光調(diào)制器件可靠性和性能均一性較差。

技術實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種異質(zhì)集成電光調(diào)制器件及其制備方法，以解決相關技術中對圖形化的化學計量比氮化硅波導芯表面的鍵合介質(zhì)層進行cmp工藝控制鍵合介質(zhì)層的厚度、平坦性的難度較高，導致鍵合介質(zhì)層的厚度均勻性差、平坦性差，進而導致鈮酸鋰薄膜鍵合強度較低、電光調(diào)制器件可靠性和性能均一性較差的問題。

2、第一方面，本發(fā)明提供了一種異質(zhì)集成電光調(diào)制器件的制備方法，該制備方法包括：

3、提供第一襯底，在第一襯底一側(cè)表面依次形成埋層、第一波導芯層、第一鍵合介質(zhì)層；

4、對第一鍵合介質(zhì)層背向第一波導芯層一側(cè)表面進行化學機械拋光工藝；

5、在第一鍵合介質(zhì)層背向第一波導芯層一側(cè)表面形成電光薄膜層，形成第一波導芯襯底；

6、提供鍵合平臺；

7、將第一波導芯襯底的電光薄膜層與鍵合平臺接觸并鍵合連接在一起；

8、去除第一襯底，在埋層背向第一波導芯層的一側(cè)，對埋層和第一波導芯層進行圖形化工藝形成第一波導芯，暴露出部分第一鍵合介質(zhì)層；

9、在第一波導芯側(cè)部的第一鍵合介質(zhì)層表面形成電極。

10、本發(fā)明提供的異質(zhì)集成電光調(diào)制器件的制備方法，一方面，在整面的第一波導芯層上形成第一鍵合介質(zhì)層，對第一鍵合介質(zhì)層進行化學機械拋光工藝，可以降低化學機械拋光工藝的難度、提高第一鍵合介質(zhì)層的厚度均勻性和平坦度，提高異質(zhì)集成電光調(diào)制器件的均一性和電光薄膜層的鍵合強度，進而提高異質(zhì)集成電光調(diào)制器件的可靠性；可以減輕鍵合介質(zhì)層的厚度不均勻、平坦度不佳導致的電光調(diào)制特性均一性差、電光薄膜層鍵合強度低等問題。另一方面，將第一波導芯襯底與鍵合平臺鍵合連接在一起之后再形成圖形化的第一波導芯，可以形成第一波導芯-電光薄膜層的復合波導，第一鍵合介質(zhì)層可以在刻蝕第一波導芯層時作為保護層避免刻蝕損傷電光薄膜層，避免電光薄膜層損傷帶來的光傳播損耗增加和電光調(diào)制特性均一性變差。此外，通過將第一波導芯襯底與不同結構的鍵合平臺鍵合，可以獲得不同性能的電光調(diào)制器件，可以為鍵合平臺增加電光調(diào)制功能和應用場景。

11、在一種可選的實施方式中，鍵合平臺為第二波導芯襯底；

12、提供鍵合平臺的步驟包括：

13、提供第二襯底，在第二襯底一側(cè)表面依次形成第一包層、第二波導芯、第二包層；第二包層包覆第二波導芯的表面和側(cè)面；

14、在第二包層背向第二波導芯一側(cè)表面依次形成過渡波導芯和第二鍵合介質(zhì)層，形成第二波導芯襯底；第二鍵合介質(zhì)層包覆過渡波導芯的表面和側(cè)面；第二波導芯在第二襯底上的投影與過渡波導芯在第二襯底上的投影部分重疊，形成第二過渡結構；

15、將第一波導芯襯底的電光薄膜層與鍵合平臺接觸并鍵合連接在一起的步驟包括：

16、將第一波導芯襯底的電光薄膜層與第二波導芯襯底的第二鍵合介質(zhì)層對應接觸并鍵合連接在一起；電光薄膜層在第二襯底上的投影至少覆蓋部分過渡波導芯在第二襯底上的投影；

17、形成第一波導芯的步驟中，第一波導芯在第二襯底上的投影與過渡波導芯在第二襯底上的投影部分重疊，形成第一過渡結構。

18、本發(fā)明提供的異質(zhì)集成電光調(diào)制器件的制備方法，通過將第一波導芯襯底的電光薄膜層與第二波導芯襯底的第二鍵合介質(zhì)層鍵合在一起，可以將第一波導芯-電光薄膜層復合波導芯集成到第二波導芯所在的波導平臺上，第二波導芯傳播的光信號經(jīng)由過渡波導芯進入第一波導芯-電光薄膜層復合波導芯進行電光調(diào)制之后，再經(jīng)由過渡波導芯回到第二波導芯，在第二波導芯構成的波導中實現(xiàn)其他功能，可以減少光信號傳輸過程中的損耗，為第二波導芯襯底增加電光調(diào)制功能和應用場景。

19、在一種可選的實施方式中，第一波導芯在長度方向的至少一端包括第一錐形部分；

20、第二波導芯在長度方向的至少一端包括第二錐形部分；

21、過渡波導芯在長度方向的兩端分別包括第三錐形部分和第四錐形部分；第三錐形部分和第四錐形部分之間的區(qū)域為中間過渡區(qū)域；

22、第三錐形部分在第二襯底上的投影與第一錐形部分在第二襯底上的投影部分重疊，第三錐形部分和第一錐形部分形成第一過渡結構；第三錐形部分與第一錐形部分的錐形方向倒置；

23、第四錐形部分在第二襯底上的投影與第二錐形部分在第二襯底上的投影部分重疊，第四錐形部分和第二錐形部分形成第二過渡結構；第四錐形部分與第二錐形部分的錐形方向倒置；

24、將第一波導芯襯底的電光薄膜層與第二波導芯襯底的第二鍵合介質(zhì)層對應接觸并鍵合連接在一起的步驟中，電光薄膜層在第二襯底上的投影至少覆蓋第三錐形部分在第二襯底上的投影和部分中間過渡區(qū)域在第二襯底上的投影。

25、本發(fā)明提供的異質(zhì)集成電光調(diào)制器件的制備方法，第三錐形部分在第二襯底上的投影與第一錐形部分在第二襯底上的投影部分重疊，形成第一過渡結構；第三錐形部分與第一錐形部分的錐形方向倒置；第四錐形部分在第二襯底上的投影與第二錐形部分在第二襯底上的投影部分重疊，形成第二過渡結構；第四錐形部分與第二錐形部分的錐形方向倒置；可以實現(xiàn)高效的光場過渡，減少光信號傳輸過程中的損耗。

26、在一種可選的實施方式中，異質(zhì)集成電光調(diào)制器件包含至少一個第一波導芯、至少兩個過渡波導芯和至少兩個第二波導芯；第一波導芯在長度方向的兩端分別包括第一錐形部分；

27、每個第一波導芯在長度方向的兩端分別設置一個過渡波導芯；每個過渡波導芯的第三錐形部分與第一錐形部分形成第一過渡結構；

28、第二波導芯位于過渡波導芯的第四錐形部分一側(cè)，每個過渡波導芯第四錐形部分與第二錐形部分形成第二過渡結構。

29、本發(fā)明提供的異質(zhì)集成電光調(diào)制器件的制備方法，至少一個第一波導芯的兩端各一個第一過渡結構，該第一過渡結構中的過渡波導芯又與兩個第二波導芯各形成一個第二過渡結構；因此，該結構中的一個第二波導芯傳播的光信號可以依次經(jīng)由一個第二過渡結構和一個第一過渡結構進入第一波導芯-電光薄膜層復合波導芯，在第一波導芯-電光薄膜層復合波導芯的另一端，光信號依次經(jīng)由另一個第一過渡結構和另一個第二過渡結構到達另一個第二波導芯，在兩個第二波導芯構成的波導中實現(xiàn)其他功能，可以減少光信號傳輸過程中的損耗，為第二波導芯襯底增加電光調(diào)制功能和應用場景。

30、在一種可選的實施方式中，異質(zhì)集成電光調(diào)制器件包含一個第一波導芯、兩個過渡波導芯和兩個第二波導芯；

31、兩個過渡波導芯分別位于第一波導芯在長度方向的兩端；兩個第二波導芯分別位于兩個過渡波導芯的第四錐形部分一側(cè)。

32、在一種可選的實施方式中，鍵合平臺不包含波導；

33、提供鍵合平臺的步驟包括：

34、提供第三襯底；

35、在第三襯底上形成第三包層；

36、將第一波導芯襯底的電光薄膜層與鍵合平臺接觸并鍵合連接在一起的步驟包括：

37、將第一波導芯襯底的電光薄膜層與第三包層對應接觸并鍵合連接在一起。

38、在一種可選的實施方式中，第一波導芯與電光薄膜層形成復合波導芯；

39、形成第一波導芯層的工藝為沉積工藝；第一波導芯層為化學計量比氮化硅薄膜或者化學計量比氮化硅薄膜-二氧化硅薄膜-化學計量比氮化硅薄膜疊層；

40、形成第一鍵合介質(zhì)層的工藝為沉積工藝；第一鍵合介質(zhì)層為二氧化硅薄膜、氧化鋁薄膜或者二氧化硅薄膜-氧化鋁薄膜疊層；

41、形成電光薄膜層的工藝為智能離子切割工藝或晶圓減薄工藝；電光薄膜層的材料為鈮酸鋰、鉭酸鋰或鈦酸鋇；

42、第一襯底的材料為硅；

43、埋層的材料為二氧化硅；埋層的厚度為0.1μm～2μm；

44、第一波導芯層的厚度為100nm～500nm；

45、第一鍵合介質(zhì)層的厚度為10nm～300nm；

46、電光薄膜層的厚度為100nm～500nm。

47、本發(fā)明提供的異質(zhì)集成電光調(diào)制器件的制備方法，通過沉積工藝形成第一波導芯層為化學計量比氮化硅薄膜或者化學計量比氮化硅薄膜-二氧化硅薄膜-化學計量比氮化硅薄膜疊層；相比于非化學計量比氮化硅(sinx)薄膜，化學計量比氮化硅(si3n4)薄膜具有很低的光傳播損耗，可以減少電光調(diào)制器件的插入損耗。

48、在一種可選的實施方式中，形成第一波導芯層的工藝為低壓化學氣相沉積工藝；第一波導芯層為化學計量比氮化硅薄膜；

49、第一波導芯為化學計量比氮化硅芯；

50、電光薄膜層為鈮酸鋰薄膜；

51、化學計量比氮化硅芯與鈮酸鋰薄膜構成氮化硅-鈮酸鋰復合波導芯。

52、本發(fā)明提供的異質(zhì)集成電光調(diào)制器件的制備方法，通過低壓化學氣相沉積工藝形成第一波導芯層，進而形成第一波導芯，第一波導芯為化學計量比氮化硅芯，化學計量比氮化硅芯與鈮酸鋰薄膜構成氮化硅-鈮酸鋰復合波導芯，由于化學計量比氮化硅波導芯具有很低的光傳播損耗，因此得到的氮化硅-鈮酸鋰復合波導芯也具有較低的光傳播損耗，可以減少電光調(diào)制器件的插入損耗。另外，本發(fā)明提供的異質(zhì)集成電光調(diào)制器件的制備方法，可以在鈮酸鋰薄膜不承受高溫工藝的前提下，在鈮酸鋰薄膜上方形成化學計量比氮化硅波導芯。

53、在一種可選的實施方式中，第二波導芯的折射率大于第一包層和第二包層的折射率；

54、過渡波導芯的折射率大于電光薄膜層的折射率；

55、第二襯底的材料為硅；

56、第一包層的材料為二氧化硅；

57、第二包層的材料為二氧化硅；

58、第二鍵合介質(zhì)層的材料為二氧化硅、氧化鋁、鍵合膠中的一種或多種；

59、第一包層的厚度為2μm～20μm；

60、第二包層位于第二波導芯上方的厚度為0.1μm～1.5μm；第二鍵合介質(zhì)層位于過渡波導芯上方的厚度為0.2μm～1.5μm。

61、在一種可選的實施方式中，第二波導芯為硅薄膜、氮化硅薄膜中的一層或其與二氧化硅薄膜構成的多層；

62、過渡波導芯的材料為富硅氮化硅或硅。

63、第二方面，本發(fā)明提供了一種異質(zhì)集成電光調(diào)制器件，該異質(zhì)集成電光調(diào)制器件包括：

64、鍵合平臺；

65、電光薄膜層，位于鍵合平臺一側(cè)表面；

66、第一鍵合介質(zhì)層，位于電光薄膜層背向鍵合平臺一側(cè)表面；

67、第一波導芯，位于第一鍵合介質(zhì)層背向電光薄膜層一側(cè)的部分表面，暴露出部分第一鍵合介質(zhì)層；

68、埋層，位于第一波導芯背向第一鍵合介質(zhì)層的一側(cè)表面；

69、電極，第一波導芯側(cè)部的第一鍵合介質(zhì)層表面。

70、本發(fā)明提供的異質(zhì)集成電光調(diào)制器件，由上述異質(zhì)集成電光調(diào)制器件的制備方法制備而成，可以提高第一鍵合介質(zhì)層的厚度均勻性和平坦度，提高電光調(diào)制器件的均一性和電光薄膜層的鍵合強度，進而提高異質(zhì)集成器件的可靠性。可以減輕鍵合介質(zhì)層的厚度不均勻、平坦度不佳導致的電光調(diào)制特性均一性差、電光薄膜層鍵合強度低等問題；同時還可以提高電光薄膜層的可靠性，進而提高異質(zhì)集成器件的可靠性。此外，第一波導芯-電光薄膜層復合波導芯與不同結構的鍵合平臺鍵合，可以獲得不同性能的電光調(diào)制器件，可以為鍵合平臺增加電光調(diào)制功能和應用場景。

71、在一種可選的實施方式中，鍵合平臺為第二波導芯襯底；

72、第二波導芯襯底包括依次層疊的第二襯底、第一包層、第二波導芯、第二包層、過渡波導芯和第二鍵合介質(zhì)層；第二包層包覆第二波導芯的表面和側(cè)面；第二鍵合介質(zhì)層包覆過渡波導芯的表面和側(cè)面；

73、第二波導芯襯底位于電光薄膜層背向第一鍵合介質(zhì)層的一側(cè)表面；其中，第二鍵合介質(zhì)層與電光薄膜層接觸；電光薄膜層在第二襯底上的投影至少覆蓋部分過渡波導芯在第二襯底上的投影；

74、第一波導芯在第二襯底上的投影與過渡波導芯在第二襯底上的投影部分重疊；第二波導芯在第二襯底上的投影與過渡波導芯在第二襯底上的投影部分重疊。

75、在一種可選的實施方式中，異質(zhì)集成電光調(diào)制器件包含至少一個第一波導芯、至少兩個過渡波導芯和至少兩個第二波導芯；

76、第一波導芯在長度方向的兩端分別包括第一錐形部分；第二波導芯在長度方向的至少一端包括第二錐形部分；過渡波導芯在長度方向的兩端分別包括第三錐形部分和第四錐形部分；第三錐形部分和第四錐形部分之間的區(qū)域為中間過渡區(qū)域；

77、每個第一波導芯在長度方向的兩端分別設置一個過渡波導芯；每個過渡波導芯的第三錐形部分與第一錐形部分構成第一過渡結構；

78、第二波導芯位于過渡波導芯的第四錐形部分一側(cè)，每個過渡波導芯第四錐形部分與第二錐形部分構成第二過渡結構；

79、電光薄膜層在第二襯底上的投影至少覆蓋第三錐形部分在第二襯底上的投影和部分中間過渡區(qū)域在第二襯底上的投影。