[发明专利]利用晶片键合技术的光调制器

说明书

技术领域

本发明的实施例总体上涉及电子器件领域，更具体而言，涉及用于利用晶片键合技术的光调制器的方法和设备。

背景技术

随着因特网及其它数据网络承载更大量的数据，在数据传输中越来越多地使用了基于光学的技术。这种技术中利用的元件中就有光调制器，这是调制光束的电子器件。

具体而言，可以利用嵌入硅波导中的诸如金属-氧化物-半导体(MOS)电容器结构的器件来产生高速光学相位调制。硅光调制器基于硅的折射率调制。

在常规光调制器中，在制造器件中使用多晶硅(通称为多晶硅、poly-Si或poly)，多晶硅提供在器件中被调制的光承载波导介质。多晶硅由多个硅晶体构成，可以在特定所需温度下通过诸如硅烷热分解的特定工艺而沉积在半导体晶片上。

然而，在光调制器中使用多晶硅导致通过多晶硅波导的光损耗高。光损耗因此限制了将该材料用于光调制器件，尤其是为了高速工作的器件，在高速工作时光损耗变得更大。此外，使用多晶硅可能导致制造用于高速通信和互连应用的器件困难，包括在设备中键合其它部件的困难。

附图说明

在附图中通过举例而非限定性的方式示出了本发明的实施例，在附图中，采用类似的附图标记表示类似的元件。

图1是示出了制造光调制器的实施例的流程图；

图2是用于制造光调制器结构的实施例的第一组工艺的示意图；

图3是继晶片键合之后用于制造光调制器结构的实施例的第二组工艺的示意图；

图4是具有晶片键合的光调制器结构的实施例示意图；

图5是MOS电容器光调制器器件实施例的示意图；以及

图6是针对光调制器特定实施例的相位效率特性的示意图。

具体实施方式

本发明的实施例总体涉及利用晶片键合技术的光调制器。

如这里使用的：

“光调制器”表示调制一束光的强度的器件。光调制器包括半导体器件，包括利用MOS(金属氧化物半导体)技术的器件。

在一些实施例中，用于制造光调制器的工艺包括使用晶体硅形成波导。在一些实施例中，一种工艺包括使用晶片键合和晶片转移技术将晶片的一层晶体硅晶片键合到另一晶片。在一些实施例中，光调制器器件设备包括使用晶片键合技术键合到第二晶片上的晶体硅晶片或绝缘体上硅(SOI)晶片。在一些实施例中，器件包括MOS电容器光调制器，其具有通过氧化物层键合到绝缘体上硅(SOI)部件的硅层的晶体硅层。

硅光调制器利用了通过自由载流子等离子体色散效应而发生的硅的折射率调制。例如，通过在硅光波导中注入或耗尽电子和空穴，自由载流子的密度变化导致通过波导的光的光学相位调制。为了达到硅中光学调制所需的自由载流子密度，已经提出的可能器件构造包括正向偏置的PIN二极管(在p型半导体区域和n型半导体区域之间具有接近本征纯度的硅区域)、反向偏置的PN结和金属氧化物半导体(MOS)电容器。在一些实施例中，光调制器器件利用了MOS电容器技术。正向偏置的PIN二极管提供了高的相位调制效率，但在这种技术中，器件速度通常受到限制。尽管反向偏置PN结和MOS电容器器件都可以提供高速工作能力(在一些实施方式中，提供40吉比特每秒的运行)，MOS电容器移相器与反向偏置PN结相比具有高得多的相位效率，由此为光调制器器件提供了优点。

然而，MOS电容器结构的常规制造和使用中主要局限在于通常使用沉积于栅极氧化物(绝缘体)顶部的多晶硅层。在一些实施例中，可以利用晶体硅层替换光学模块结构中的多晶硅层。与晶体硅相比，多晶硅层具有高得多的光损耗。在一些实施例中，使用晶片键合技术将晶体硅晶片或SOI晶片键合到另一晶片，由此能够用一层晶体硅替换多晶硅层。在一些实施例中，用于MOS电容器的栅极氧化物也是在晶片键合过程中形成的。在一些实施例中，可以比常规更精确地控制栅极氧化物两侧的硅层的掺杂水平，这可以有助于实现期望的调制器性能。

在常规工艺或器件中，利用沉积于栅氧化层上的一层多晶硅制造基于MOS电容器的硅调制器。在常规工艺或器件中，主要的挑战是由掺杂多晶硅层的高光损耗造成的，对于未掺杂多晶硅，光损耗可能为10分贝每厘米左右。对于掺杂多晶硅光损耗要大很多。此外，多晶硅具有较低的掺杂剂激活率。因此，多晶硅要获得与晶体硅相同的激活掺杂剂浓度，需要高得多的掺杂水平。对于更高速度的操作，例如超过25吉比特每秒的操作，使用多晶硅可能是困难的或不可行的，因为这种速度需要的更高掺杂水平导致额外的光损耗，这可能是光调制器不可接受的。