DE602005004945T2

DE602005004945T2 - Herstellung einer optischen Verbindungsschicht auf einem elektronischen Schaltkreis

Info

Publication number: DE602005004945T2
Application number: DE602005004945T
Authority: DE
Inventors: Jean-Marc 38120 Fedeli; Lea 38330 Di Cioccio
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2009-03-12
Anticipated expiration: 2025-03-16
Also published as: EP1577690A1; ATE387639T1; EP1577690B1; DE602005004945D1; US20060001038A1; FR2867898B1; US7482184B2; FR2867898A1

Description

TECHNISCHES GEBIET UND STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft das Gebiet optoelektronischer Bauteile, namentlich das photonischer Bauteile auf Silizium und insbesondere die Herstellung optischer Verbindungen auf Siliziumchips zur Signalverteilung innerhalb von Chips.
Sie bezieht sich auch auf Techniken zur Lichtleitung in Leitern mit einem hohen Index und Abmessungen im Nanometerbereich.
Die Erfindung findet namentlich auf dem Gebiet optischer Verbindungen, optischer Verbindungen innerhalb von Chips, der optischen Telekommunikation und integrierter optischer Sensoren Verwendung.
Mit Techniken des „photonischen Typs auf Silizium" wird das Herstellen hochintegrierter optischer Funktionen auf Silizium angestrebt.
Auf übliche Weise werden an einen Satz Lichtleiter gekoppelte Lichtsender bereitgestellt, wobei dieser Satz entweder eine passive optische Funktion ausübt oder einem elektrischen Steuerbefehl folgt.
Diese Leiter enden in Photodetektoren, die das Ergebnis der optischen Funktion elektrisch ausgeben.
Zur Verteilung eines optischen Signals auf dem Chip wie zum Beispiel im Fall einer optischen Verteilung bei einer Uhr nimmt die optische Funktion die Form eines Baums mit Verzweigungen und Wendungen an. Das gesamte in 1 veranschaulichte optische System setzt sich damit aus den folgenden Elementen zusammen:

– einem Lichtsender 2 (Elektrolumineszenzdiode oder Laserdiode), der an einen Submikronleiter 4 mit hohem Index gekoppelt ist,
– einem Verteilungsbaum 6,
– Photodetektoren 8, 10, die an das Ende jeder Baumspitze gekoppelt sind.

Das „Wafer scale integration of GaAs optoelectronic devices with standard Si integrated circuits using a low-temperature bonding procedure" betitelte Dokument von A. Georgali kas et al., Applied Physics Letters, Bd. 81, Nr. 27, Dec. 2002, beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauteils, das einen Schritt des Bindens eines AsGa-Heterostrukturen enthaltenden Wafers auf einen planarisierten CMOS-Schaltkreis beschreibt. Dieses Binden erfolgt durch SOG. Anschließend wird das AsGa-Substrat entfernt. Die Schritte der Bildung des Leiters und der Metallisierung für die Laserdiode und den Photodetektor erfolgen in den Schichten der Heterostruktur. Dieses Verfahren gestattet nicht das Entkoppeln des Lichtleiterteils von dem optoelektronischen Teil (wobei der letzte die Lichtaussendung und Photodetektion umfasst). Dies schließt namentlich die Verwendung von Leitern aus Silizium aus.
Es wird derzeit nach anderen Typen von Verfahren gesucht, die das Herstellen optoelektronischer Komponenten ermöglichen, die einen Lichtleiterteil, aktive optische Mittel wie etwa Lichtsender und Detektoren und ein elektrisches Substrat umfassen oder eine oder mehrere elektronische Komponenten wie etwa zum Beispiel einen CMOS-Schaltkreis umfassen.
Das Dokument WO2004/010192 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements, das den Schritt der Herstellung optisch aktiver Mittel in einer Oberflächenschicht vorsieht. Zu diesem Schritt werden jedoch keine Einzelheiten angegeben.
Es stellt sich somit das Problem des Auffindens anderer Verfahren zur Herstellung derartiger Komponenten.
Noch ein weiteres Problem ist das der elektromagnetischen Kopplung zwischen den Lichtleitmitteln und den optisch aktiven Mitteln wie dem oder den Photodetektor(en) und/oder dem oder den Lichtsender(n).
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung soll die vorstehend dargestellten Schwierigkeiten durch Vereinfachung der Herstellung überwinden.
Die Erfindung betrifft erstens ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements umfassend:

a – einen Schritt der Herstellung von Mitteln zur Lichtleitung in einer Oberflächenschicht eines Verbundsubstrats, das ein Trägersubstrat, eine Oxidzwischenschicht, deren Material einen Brechungsindex unter dem der Oberflächenschicht aufweist, und die Oberflächenschicht umfasst, und
b – einen Schritt des Zusammenfügens dieser Mittel mit Mitteln einer elektronischen Schaltung,
c – einen Schritt des Entfernens des Trägersubstrats und
d – die Bildung optisch aktiver Mittel oben auf dieser Anordnung auf der Zwischenschicht, wobei die Zwischenschicht eine das Sicherstellen einer guten elektromagnetischen Kopplung zwischen den optisch aktiven Mitteln und den Mitteln zur Lichtleitung ermöglichende Dicke aufweist.

Bei diesem Verfahren wird eine verminderte Anzahl technischer Schritte durchgeführt.
Das vorherige Zusammenfügen der Mittel zur Lichtleitung umfassenden Schicht oder einer diese Mittel zur Lichtleitung enthaltenden Schicht mit dem elektronischen Schaltkreis gestattet namentlich eine leichte Kontrolle des Abstands zwischen den Mitteln zur Lichtleitung und den optisch aktiven Mitteln.
Das Trägersubstrat ist zum Beispiel aus einem Halbleitermaterial, namentlich aus Silizium hergestellt und die Oxidzwischenschicht (namentlich ein Oxid des Halbleitermaterials des Trägersubstrats) weist zum Beispiel einen optischen Index von typischerweise unter 1,6 auf.
Das Verbundsubstrat ist zum Beispiel vom SOI-Typ mit einem Trägersubstrat aus Silizium, einer Schicht aus einem thermischen Oxid, die der Zwischenschicht mit niedrigem optischem Index entspricht, und einer Oberflächenschicht aus monokristallinem Silizium.
Die Oberflächenschicht kann aus einem Polymer oder einem Nitrid oder polykristallinem Silizium sein.
Die Oxidschicht kann eine Dicke zwischen 50 nm und 1 μm, vorteilhafterweise zwischen 50 nm und 400 nm aufweisen.
Der Schritt b) kann durch molekulare Adhäsion oder durch das SOG-Verfahren („spin an glass") oder durch Kleben mittels eines Polymers zum Beispiel BCB oder durch Metallkleben oder eutektisches Bonden durchgeführt werden.
Die optisch aktiven Mittel können Materialien des III-V-Typs sein. Diese Mittel umfassen zum Beispiel einen oder mehrere Laser und/oder einen oder mehrere Strahlungsdetektoren.
Der Schritt d) kann einen Schritt des Zusammenfügens durch molekulare Adhäsion umfassen.
Genauer umfasst Schritt d) gemäß einer Ausführungsform:

d1 – das Zusammenfügen eines Verbundsubstrats mit der Anordnung aus den Mitteln zur Lichtleitung und den Mitteln einer elektronischen Schaltung, wobei dieser Schritt durch Zusammenfügen durch molekulare Adhäsion erhalten werden kann, und
d2 – das Bilden der optisch aktiven Mittel in dem Verbundsubstrat.

Die optisch aktiven Mittel können durch Ätzen des Verbundsubstrats hergestellt werden.
Das Verfahren kann außerdem einen Schritt des Einschließens in einer Schicht aus dem die Zwischenschicht bildenden Material mit niedrigem optischen Index, zum Beispiel einer Oxidschicht wie zum Beispiel Siliziumoxid umfassen.
Die Erfindung ermöglicht das Erhalten eines sehr geringen Abstands d (zum Beispiel in der Größenordnung von 100 nm) zwischen dem Lichtleiter und der oberen Oberfläche dieser Schicht aus Material mit niedrigem Index, eines Abstands d, der im Fall eines thermischen Oxids über den gesamten Wafer zwischen +/– 10 nm gehalten werden kann. So wird eine gute elektromagnetische Kopplung zwischen den Lichtleitmitteln und den optisch aktiven Mitteln wie etwa dem oder den Photodetektor(en) und/oder dem oder den Sender(n) erhalten.
Die Erfindung betrifft auch ein optoelektronisches Bauelement, das Lichtleitmittel umfasst, die zwischen den Mitteln eines elektronischen Schaltkreises und den optisch aktiven Mitteln enthalten sind.
Eine Oxidzwischenschicht aus einem Material mit niedrigem optischen Index, typischerweise unter 1,6, trennt die Lichtleitmittel und die optisch aktiven Mittel. Die Dicke der Oxidschicht ist so, dass sie das Sicherstellen einer guten elektromagnetischen Kopplung zwischen den Lichtleitmitteln und den optisch aktiven Mitteln ermöglicht. Die Zwischenschicht weist eine Dicke zwischen 50 nm und 1 μm, vorteilhafterweise zwischen 50 nm und 200 nm oder zwischen 50 nm und 400 nm auf.
Bevorzugt trennt die Lichtleitmittel und die optisch aktiven Mittel ein Abstand von mindestens 1 μm.
Die Materialien, aus denen sich dieses Bauelement zusammensetzt, wurden bereits in Verbindung mit dem vorstehenden Verfahren angeführt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt ein bekanntes Bauelement dar.
Die 2A–2I stellen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens dar.
Die 3A–3H stellen Schritte der Herstellung von Strahlungsquellen bei einem Wafer auf einem InP-Substrat dar.
BESCHREIBUNG BESONDERER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird in den 2A–2I veranschaulicht.
Ein Ausgangs-SOI-Wafer setzt sich aus einem Siliziumsubstrat 60 mit einem thermischen Oxid 62 darauf zusammen, dessen Dicke einen Wert nahe dem gewünschten Wert, zum Beispiel in dem Bereich 50 nm – 1 μm, vorteilhafterweise zwischen 50 nm und 400 nm für den Abstand d zwischen dem Lichtleiter und den optisch aktiven Mitteln aufweist.
Als Beispiel weist der SOI-Wafer eine Schicht 62 mit einer Dicke d von etwa 100 nm mit einer Gleichförmigkeit von +/– 10 nm auf.
Die Siliziumschicht 64 selbst weist eine Dicke zwischen zum Beispiel 100 nm und 500 nm (2A) auf.
Optische Lichtleitmittel 66 werden anschließend durch Photolithographie und Ätzen (2B) in der Schicht 64 hergestellt. Diese Mittel werden in 2B im Querschnitt dargestellt und können sich senkrecht zu der Ebene dieser Figur erstrecken. Außerdem ist in 2B nur ein Lichtleiter dargestellt, aber es kann auch ein Netzwerk von Lichtlei tern wie das der 1 hergestellt werden.
Es wird dann ein Auftrag einer Siliziumschicht 67 zum Beispiel durch PECVD durchgeführt.
Diese Schicht 67 ermöglicht das Einschließen des Lichtleiters oder der Lichtleitmittel in einem Material mit geringem Index.
Zum Erhalt einer ebenen Oberfläche (2D) wird ein mechanisch-chemisches Polieren durchgeführt.
Die Dicke e über dem Lichtleiter 66 ist bevorzugt 1 μm, um optische Verluste nach dem Zusammenfügen zu vermeiden.
Dieses die Lichtleiter 66 umfassende Substrat wird dann auf einen elektronische Schaltkreise, zum Beispiel des CMOS-Typs (2E) enthaltenden Wafer geklebt. Das Kleben kann durch molekulare Adhäsion oder durch andere Klebetypen, zum Beispiel durch SOG (Abkürzung des angelsächsischen Ausdrucks „sein an glass") oder über ein Polymer, zum Beispiel BOB oder durch eutektisches Metallkleben bewerkstelligt werden.
Dann wird das Siliziumsubstrat 60 bis zur Oberfläche der Schicht 62 (2F) entfernt. Es wird eine optoelektronische Komponente 69 erhalten.
Es wird dann das Zusammenfügen der optisch aktiven Komponenten 70 zum Beispiel durch molekulare Adhäsion durchgeführt. Die Komponenten 70, wenigstens eine Lichtquelle wie etwa zum Beispiel ein Laser und/oder ein oder mehrere Photodetektoren, sind zum Beispiel aus III-V-Material. Ein Beispiel der Herstellung derartiger Komponenten 70 wird in Verbindung mit den 3A–3H genauer beschrieben.
Diese Materialien können anschließend einer Lithographie und Ätzung unterzogen und dann in einer Schicht 71 aus zum Beispiel Silizium eingeschlossen werden (2G).
Dann werden die verschiedenen Siliziumschichten (2H) geätzt, um Öffnungen 72, 74 auf den Elektroden 76 und den Metallteilen 78, 80 des Wafers der Stromkreise 68 herzustellen.
Anschließend werden die Elektroden und der CMOS-Schaltkreis mit einer metallischen Beschichtung 82 (2I) verbunden.
Schließlich wird das Zusammenfügen der aktiven Komponenten (Laser und/oder Photodetektoren) auf der Oxidschicht 62 durchgeführt. Der Abstand d zwischen dem Lichtleiter und den optisch aktiven Mitteln 70 wird hauptsächlich durch die Dicke dieser Oxidschicht 62 definiert: dieser kann gering, zum Beispiel in der Größenordnung von 70 nm bis 420 nm sein.
Im Fall eines thermischen Oxids kann die Oxiddicke ungeachtet der Größe des Abstands d mit einer Genauigkeit von +/– 10 nm im Substratmaßstab (8 Zoll) kontrolliert werden, was das Sicherstellen einer optimalen Kopplung über das gesamte Substrat ermöglicht, wobei auf diese Weise gute Produktionsausbeuten sichergestellt werden, was bei einem industriellen Verfahren besonders vorteilhaft ist.
Ein geringer Abstand d, zum Beispiel im vorstehenden Bereich, ermöglicht das Sicherstellen einer guten elektromagnetischen Kopplung zwischen dem Lichtleiter und jedem betroffenen Photodetektor oder Sender.
Wenn der Abstand d noch zu groß ist, kann die Schicht 62 mit mikroelektronischen Techniken des chemischen Ätzens oder Plasmaätzens (zum Beispiel nach dem Schritt der 2F) ausgedünnt werden, die erneut das Entfernen von Silizium in geringer Dicke, typischerweise in der Größenordnung von 100 nm mit hoher Genauigkeit ermöglichen.
Anders gesagt ermöglicht dem vorherigen Zusammenfügen der die Lichtleitmittel umfassenden Schicht mit dem elektronischen Stromkreis 69 eine leichte Kontrolle des Abstands d vor dem Zusammenfügen mit den optischen aktiven Mitteln.
Im Fall einer Übertragung durch molekulare Adhäsion wie der der 2E ist es vorteilhaft, dieses Verbinden auf einem thermischen Oxid durchzuführen. Tatsächlich ermöglichen es die Struktureigenschaften des thermischen Oxids, dass eine Bindung von sehr guter Qualität erhalten wird.
Die Toleranzen für den Auftrag des Oxids 67 sowie für das Polieren dieser Oxidschicht sind erleichtert (Dicke nach dem Polieren bevorzugt über 1 μm) und eine Dickenkontrolle nach dem Polieren ist nicht notwendig.
Nach diesem Verfahren verringert sich die Anzahl der technischen Schritte.
3A–3H veranschaulichen ein Beispiel zur Herstellung optisch aktiver Komponenten aus einem aktiven Wafer, der ein Substrat 170 aus InP, eine Opferschicht 172 aus InGaAs, eine Heterostruktur 174 (das heißt ein Stapel sich abwechselnder Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung) mit einer Dicke in der Größenordnung einiger hundert nm, zum Beispiel zwischen 300 nm und 700 nm, zum Beispiel 500 nm, eine Kontaktzone 176 (zum Beispiel mit einer Dicke von etwa 100 nm) und eine Schicht 178 aus Silizium (zum Beispiel mit einer Dicke von etwa 10 nm) umfasst.
Dieser Wafer wird mit der in 2F veranschaulichten, bereits hergestellten Anordnung 69, Lichtleitmitteln und elektronischen Bauteilen zusammengefügt. Bei der Anordnung wird eine Bindung durch molekulare Adhäsion der beiden Wafer eingesetzt.
Anschließend werden das InP-Substrat 170 und die Opferschicht 172 (3D) entfernt.
Anschließend kann eine Lithographie und Ätzung der Heterostruktur 174 (2D) erfolgen, um die gewünschte Komponente 179, zum Beispiel eine aktive Komponente wie etwa eine Lichtquelle (Diodenlaser oder Mikrolaser) oder einen Detektor zu bilden.
Anschließend werden die Lithographie und das Ätzen der Schicht 176 des unteren Kontakts ausgeführt (3E).
Ein Schritt der Planarisierung kann anschließend durch Auftrag einer Schicht 180 aus einem Polymer wie zum Beispiel BCB stattfinden (3F).
Dann werden die Öffnungen 182, 184 in dieser Schicht (3G) und metallischen Aufträge 186 für die unteren und oberen Kontakte (3H) hergestellt.
Auf diese Weise wird das in 2G veranschaulichte Bauelement erhalten.
Trotz der Schichten 176 und 178 bleibt der Abstand zwischen dem Lichtleiter und den aktiven optischen Mitteln 179 aufgrund der wie bereits vorstehend angegebenen Tatsache des vorherigen Zusammenfügens der die Lichtleitmittel umfassenden Schicht mit dem elektronischen Stromkreis leicht kontrollierbar.
Das Beispiel wurde für eine Schicht 64 aus monokristallinem Silizium angegeben, es kann sich aber auch um eine Schicht aus einem anderen Material mit einem Index über dem der Oxidschicht 62, zum Beispiel um ein Polymer oder ein Nitrid oder eine Schicht aus polykristallinem Silizium handeln.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements umfassend: a – einen Schritt der Herstellung von Mitteln (66) zur Lichtleitung in einer Oberflächenschicht (64) eines Verbundsubstrats, das ein Trägersubstrat (60), eine Oxidzwischenschicht (62), deren Material einen Brechungsindex unter dem der Oberflächenschicht (64) aufweist, und die Oberflächenschicht umfaßt, und b – einen Schritt des Zusammenfügens dieser Mittel mit Mitteln (68) einer elektronischen Schaltung, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner c – einen Schritt des Entfernens des Trägersubstrats (60) und d – die Bildung optisch aktiver Mittel (70) oben auf dieser Anordnung auf der Zwischenschicht umfaßt, wobei die Zwischenschicht eine das Sicherstellen einer guten elektromagnetischen Kopplung zwischen den optisch aktiven Mitteln und den Mitteln zur Lichtleitung ermöglichende Dicke aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Trägersubstrat aus einem Halbleitermaterial besteht.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Zwischenschicht mit einem Brechungsindex unter dem der Oberflächenschicht aus einem Oxid eines Halbleitermaterials besteht.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Zwischenschicht aus einem thermischen Oxid besteht.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zwischenschicht mit einem Brechungsindex unter dem der Oberflächenschicht einen Brechungsindex unter 1,6 aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verbundsubstrat vom SOI-Typ ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Oberflächenschicht (64) aus einem Polymer oder Nitrid oder polykristallinem Silizium besteht.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Zwischenschicht (62) eine Dicke zwischen 50 nm und 1 μm, vorteilhafterweise zwischen 50 nm und 400 nm aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, das außerdem einen Schritt der Kapselung der Zwischenschicht in einer Materialschicht umfaßt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Schritt b) durch molekulare Adhäsion oder durch das SOG-Verfahren oder mittels eines Polymers oder durch Metallkleben oder eutektisches Bonden durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Schritt d) d1 – das Zusammenfügen eines aktiven Wafers mit der aus den Mitteln (66) zur Lichtleitung und den Mitteln (38) einer elektronischen Schaltung gebildeten Anordnung und d2 – das Bilden der optisch aktiven Mittel (70) in dem aktiven Wafer dieser Anordnung umfaßt.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei der aktive Wafer einen Stapel aus III-V-Materialien umfaßt.
Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei Schritt d1 durch Zusammenfügen durch molekulare Adhäsion erhalten wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die optisch aktiven Mittel (70) durch Ätzen in dem aktiven Wafer hergestellt werden.
Optoelektronisches Bauelement umfassend Mittel (66) zur Lichtleitung, die zwischen den Mitteln (68) einer elektronischen Schaltung und den optisch aktiven Mitteln (70) eingeschlossen sind, und eine Oxidzwischenschicht (62) mit einem Brechungsindex unter dem Index des die Mittel zur Lichtleitung bildenden Materials, die zwischen diesen Mitteln (66) zur Lichtleitung und den optisch aktiven Mitteln (70) eingeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Oxidschicht zwischen 50 nm und 1 μm liegt, um das Sicherstellen einer guten elektromagnetischen Kopplung zwischen den Mitteln (66) zur Lichtleitung und den optisch aktiven Mitteln (70) zu ermöglichen.
Bauelement gemäß Anspruch 15, wobei der Index der Zwischenschicht unter 1,6 ist.
Bauelement gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei das Oxid der Zwischenschicht ein thermisches Oxid ist.
Bauelement gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Zwischenschicht eine Dicke zwischen 50 nm und 400 nm aufweist.
Bauelement gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die Mittel zur Lichtleitung und die Mittel (68) einer elektronischen Schaltung ein Abstand von mindestens 1 μm trennt.
Bauelement gemäß einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei die optisch aktiven Mittel (70) aus Materialien des III-V-Typs bestehen.