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TWI887345B - 光學結構、半導體結構與形成光學結構的方法 - Google Patents

光學結構、半導體結構與形成光學結構的方法 Download PDF

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TWI887345B
TWI887345B TW110103874A TW110103874A TWI887345B TW I887345 B TWI887345 B TW I887345B TW 110103874 A TW110103874 A TW 110103874A TW 110103874 A TW110103874 A TW 110103874A TW I887345 B TWI887345 B TW I887345B
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吳建瑩
許隨贏
黃振浩
李建璋
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Abstract

一種光學結構可藉由如下步驟來提供：在介電材料層之上形成矽光柵結構；在矽光柵結構之上沉積至少一個介電材料層；以及在至少一個介電材料層之上沉積層堆疊。層堆疊中的不同材料的第一介電蝕刻停止層及第二介電蝕刻停止層之一包括氮化矽或氮氧化矽。可在層堆疊上形成鈍化介電層，並且可在鈍化介電層之上形成圖案化的蝕刻遮罩層。可藉由執行各向異性蝕刻製程來穿過鈍化介電層的未遮罩部分形成開口，各向異性蝕刻製程藉由將圖案化的蝕刻遮罩層用作遮罩結構來蝕刻對氮化矽或氮氧化矽具有選擇性的介電材料。至少一個蝕刻遮罩層最小化過度蝕刻。

Description

光學結構、半導體結構與形成光學結構的方法
本揭示案是關於一種光學結構與其形成方法，特別是關於一種用於與光學纖維耦合的光學耦合結構的矽光子裝置與其形成方法。
利用矽光子耦合來提供光學纖維與光子裝置(諸如，光源或光感測器)之間的晶片上光學互連。矽光子耦合提供多通道高效能計算及大容量資料儲存伺服器，並且與利用電流流動以供訊號傳輸的習知記憶體裝置相比，每單位位元耗費較少能量。
本揭示案提供一種光學結構，包括矽光柵結構、至少一個介電材料層、包括第一介電蝕刻停止層及第二介電蝕刻停止層的層堆疊、鈍化介電層和光學纖維。矽光柵結構定位在埋入式絕緣層之上。至少一個介電材料層上覆並且接觸矽光柵結構。層堆疊上覆至少一個介電材料層並且第一介電蝕刻停止層及第二介電蝕刻停止層之一包括選自 氮化矽及氮氧化矽的介電材料，且第二介電蝕刻停止層包括不同於第一介電蝕刻停止層的介電材料。鈍化介電層包括介電材料並且上覆層堆疊，並且包括上覆矽光柵結構的末端部分的開口，其中開口不含鈍化介電層的介電材料，或開口包括一厚度的鈍化介電層的介電材料，其中此厚度小於鈍化介電層在開口外部的一厚度的10%。光學纖維上覆鈍化介電層中的開口並且包括用於接收或發射被導向鈍化介電層中的開口的光的末端表面。層堆疊由鈍化介電層的一部分與開口間隔開且未經由開口露出，或者，第一介電蝕刻停止層與第二介電蝕刻停止層的其中一個經由開口露出，且第一介電蝕刻停止層與第二介電蝕刻停止層的另一個未經由開口露出。
本揭示案提供一種包括半導體晶粒及光學纖維的半導體結構。半導體晶粒自下至上包括矽襯底、埋入式絕緣層、矽光柵結構、至少一個介電材料層、包括第一介電蝕刻停止層及第二介電蝕刻停止層的層堆疊，以及鈍化介電層，鈍化介電層包括介電材料並且包括上覆矽光柵結構的末端部分的開口。光學纖維上覆鈍化介電層中的開口，並且穿過鈍化介電層中的開口光學地耦合至矽光柵結構，並且藉由光學模製結構附接至半導體晶粒。至少一個介電材料層包括選自氮化矽及氮氧化矽的至少一種介電材料。第一介電蝕刻停止層及第二介電蝕刻停止層之一包括選自氮化矽及氮氧化矽的介電材料。第二介電蝕刻停止層包括不同於第一介電蝕刻停止層的介電材料。第一介電蝕刻停 止層及第二介電蝕刻停止層皆設置在開口的底表面之下。第一介電蝕刻停止層及第二介電蝕刻停止層中的一個與開口垂直間隔開來，且不經由開口露出。
本揭示案提供一種形成光學結構的方法包含以下操作。在埋入式絕緣層之上形成矽光柵結構。在矽光柵結構之上沉積至少一個介電材料層。在至少一個介電材料層之上沉積包括第一介電蝕刻停止層及第二介電蝕刻停止層的層堆疊，其中第一介電蝕刻停止層及第二介電蝕刻停止層之一包括選自氮化矽及氮氧化矽的至少一種介電材料，且第二介電蝕刻停止層包括不同於第一介電蝕刻停止層的介電材料。在層堆疊之上形成包括介電材料的鈍化介電層。 在鈍化介電層之上形成圖案化的蝕刻遮罩層，其中圖案化的蝕刻遮罩層在區域中包括上覆矽光柵結構的末端部分的開口。藉由執行各向異性蝕刻製程來穿過鈍化介電層的未遮罩部分形成開口，各向異性蝕刻製程藉由將圖案化的蝕刻遮罩層用作遮罩結構來蝕刻對氮化矽或氮氧化矽具有選擇性的介電材料。層堆疊由鈍化介電層的一部分與開口間隔開且未經由開口露出，或者，第一介電蝕刻停止層與第二介電蝕刻停止層的其中一個經由開口露出，且第一介電蝕刻停止層與第二介電蝕刻停止層的另一個未經由開口露出。
10:矽襯底
20:埋入式絕緣層
30:矽光柵結構
32:矽接線結構
50:矽光子裝置
60:介電材料層
62:第一氧化矽層
63:接觸蝕刻停止襯墊
64:第二氧化矽層
66:介電蝕刻停止層
66A:第一介電蝕刻停止層
66B:第二介電蝕刻停止層
69:開口
69S:側壁
70:鈍化介電層
70R:介電材料部分
77:圖案化的蝕刻遮罩層
80:光學纖維
82:光
84:光學模製結構
100:半導體晶粒
150:焊球
200:襯底
250:插腳
910:步驟
920:步驟
930:步驟
940:步驟
950:步驟
960:步驟
當結合附圖閱讀時，根據以下詳細描述最佳理解本 揭示案的諸態樣。應注意，根據業界的標準實踐，各種特徵並未按比例繪製。事實上，出於論述清楚的目的，可任意地增大或縮小各種特徵的尺寸。
第1圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的透通式透視圖。
第2A圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第一構型在形成鈍化介電層之後的垂直橫截面圖。
第2B圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第一構型在形成圖案化的蝕刻遮罩層之後的垂直橫截面圖。
第2C圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第一構型在穿過鈍化介電層形成開口之後的垂直橫截面圖。
第2D圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第一構型在附接光學纖維之後的垂直橫截面圖。
第2E圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第一構型的替代實施例在附接光學纖維之後的垂直橫截面圖。
第3A圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第二構型的垂直橫截面圖。
第3B圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第二構型的替代實施例的垂直橫截面圖。
第4A圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第四構型的垂直橫截面圖。
第4B圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第四構型的替代實施例的垂直橫截面圖。
第4C圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第四構型的平面圖。
第5A圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第四構型的垂直橫截面圖。
第5B圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第四構型的替代實施例的垂直橫截面圖。
第5C圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第四構型的平面圖。
第6A圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第五構型在形成第一圖案化後介電蝕刻停止層之後的垂直橫截面圖。
第6B圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第五構型在形成第二圖案化後介電蝕刻停止層之後的垂直橫截面圖。
第6C圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第五構型在穿過鈍化介電層形成開口之後的垂直橫截面圖。
第6D圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第五構型的替代實施例在附接光學纖維之後的垂直橫截面圖。
第6E圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第五構型的平面圖。
第7A圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第六構型在穿過鈍化介電層形成開口之後的垂直橫截面圖。
第7B圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第六構型的替代實施例在附接光學纖維之後的垂直橫截面圖。
第7C圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第六構型的平面圖。
第8圖是根據本揭示案的實施例的本揭示案的示例性半導體晶粒在附接光學纖維之後的垂直橫截面圖。
第9圖是圖解說明根據本揭示案的實施例的形成矽光子裝置的步驟的流程圖。
以下揭示內容提供了用於實施所提供標的之不同特徵的許多不同實施例或實例。下文描述部件及配置的特定實例以簡化本揭示案。當然，這些僅僅是實例且並非意欲限制性的。例如，在以下描述中，在第二特徵之上或在其上製造第一特徵可包括將第一特徵及第二特徵製造為直接接觸的實施例，且亦可包括可在第一特徵與第二特徵之間製造額外特徵以使得第一特徵與第二特徵可不直接接觸的實施例。另外，本揭示案可重複各種實例中的元件符號及/或字母。此重複是出於簡單與清晰的目的，且其自身不指示所論述的各種實施例及/或構型之間的關係。
此外，本文中可利用空間相對術語，諸如「下方」、「在...之下」、「下」、「上方」、「上」等，以便於描述，以描述一個元件或特徵與另一(些)元件或特徵之關係，如圖中所圖解說明。除圖中所描繪的定向之外，空間相對術語亦意欲涵蓋裝置在利用或操作中的不同定向。可以其他方式來定向裝置(旋轉90度或以其他定向)，且可同樣相應地解釋本文所利用的空間相對描述詞。除非另外明確說明，否則預設具有相同元件符號的每一元件具有相同材料成份並且具有相同厚度範圍內的厚度。
本揭示案的實施例針對一種包括用於與光學纖維耦合的光學耦合結構的矽光子裝置。特定而言，本揭示案的實施例針對一種矽光子裝置及其形成方法，矽光子裝置包括至少一個介電蝕刻停止層，以用於控制穿過矽光柵結構的末端部分之上的鈍化介電層的開口的垂直橫截面剖面，現在詳細描述其各種態樣。
所屬領域中已知各種被動及主動矽光子裝置。此類矽光子裝置可產生光學訊號(如在光源的情況下)、偵測光學訊號(如在光偵測器的情況下)，或者分裂或放大光學訊號。
參照第1圖，圖中以透通式透視圖圖解說明根據本揭示案的實施例的示例性光學結構。可利用絕緣體上矽(SOI,silicon-on-insulator)襯底來形成示例性光學結構，該示例性光學結構含有矽襯底10、包括氧化矽的埋入式絕緣層20以及頂部半導體層。矽襯底10可具有在介 於500微米至1mm的範圍內的厚度。埋入式絕緣層20的厚度可經判定以最小化在與矽襯底10的界面處的光學反射。例如，埋入式絕緣層20的厚度可在介於100nm至400nm的範圍內，並且可以是約200nm，儘管亦可利用更小及更大的厚度。埋入式絕緣層20可包括氧化矽，諸如，熱氧化矽，亦即，具有成份SiO2並且由矽的熱氧化物形成的化學計量氧化矽。
可圖案化頂部半導體層以提供矽光柵結構30。矽光柵結構30包括聯接至矽板材頂表面的具有均一高度的矽接線結構32的一維週期性陣列。矽板材的一端(本文中稱為遠端)可經漸縮以提供可變寬度，該可變寬度隨著距矽接線結構32的一維週期性陣列的側向距離減小。矽接線結構32的頂表面與矽板材的底表面之間的垂直距離可在介於10nm至300nm的範圍內，並且可決於用於光學通訊的光的波長而選擇。在一個實施例中，垂直距離可以是約220nm。矽接線結構32在沿著垂直於矽接線結構32的沿長度方向(lengthwise direction)的方向上的節距，亦即，沿著矽接線結構32的節距的方向(與矽光柵結構30的沿長度方向相同)，可與用於光學通訊的光在矽光柵結構30中的矽媒體內在沿著矽光柵結構30的週期性方向上的波長相同。因為矽的相對電容率(亦即，矽的介電常數)是約11.7，矽接線結構32沿著矽光柵結構30的沿長度方向的節距可等於用於光學通訊的光的波長除以11.7。例如，矽接線結構32沿著矽光柵結構30的週期性方向的節距可 在介於80nm至200nm的範圍內，儘管亦可利用更小及更大的節距。矽光子裝置50可耦合至矽光柵結構30的遠端。例如，光學開關、光源或光偵測器可耦合至矽光柵結構30的遠端。
可藉由利用兩個圖案化製程來圖案化頂部半導體層而形成矽光柵結構30。可利用第一圖案化製程來限定矽光柵結構30的邊界。可利用第二圖案化製程來凹陷矽光柵結構30的定位於矽接線結構32的區域外部的區域。每一矽接線結構32可在沿著矽光柵結構30的沿長度方向延伸的垂直平面內具有相同的垂直橫截面形狀。在一個實施例中，每一矽接線結構32可在沿著矽光柵結構30的沿長度方向延伸的垂直平面內具有相同的矩形橫截面形狀。
可利用矽光柵結構30來提供光學纖維80與矽光子裝置50之間的光學耦合，該矽光柵結構30可提供在埋入式絕緣層20之上。具體地，矽光柵結構30、至少一個介電材料層({62,63,64}；統稱為至少一個介電材料層60)以及鈍化介電層70的組合，其中至少一個介電材料層上覆矽光柵結構30並且在與矽光柵結構30的界面處提供折射指數的對比，並且鈍化介電層70上覆至少一個介電材料層60並且包括穿過鈍化介電層70的開口69。
通常，可在具有平坦頂表面(亦即，包含在水平平面內的頂表面)的矽光柵結構30之上形成至少一個介電材料層60。在一個實施例中，至少一個介電材料層60可自下至上包括接觸矽光柵結構30的第一氧化矽層62、上覆 第一氧化矽層62的接觸蝕刻停止襯墊(CESL,contact etch stop liner)63，以及接觸接觸蝕刻停止襯墊63的第二氧化矽層64。
可藉由沉積及平坦化氧化矽材料來形成第一氧化矽層62。在一個實施例中，可藉由化學氣相沉積來沉積第一氧化矽層62，並且可藉由化學機械平坦化製程來平坦化第一氧化矽層62的頂表面。或者，可藉由自平坦化沉積製程(諸如，旋塗)來形成第一氧化矽層62。第一氧化矽層62可具有在介於5微米至10微米的範圍內的厚度(如自矽光柵結構30的最頂表面至與接觸蝕刻停止襯墊63的界面量測)，儘管亦可利用更小及更大的厚度。
接觸蝕刻停止襯墊63包括介電材料，該介電材料可用作在形成接觸矽光子裝置的各種部件的接觸通孔結構(未明確圖解說明)期間的蝕刻停止材料。接觸蝕刻停止襯墊63可包括介電材料，諸如，介電金屬氧化物(諸如，氧化鋁、氧化鈦、氧化鉭、氧化釔等)、氮化矽、碳化矽及/或碳氧化矽。接觸蝕刻停止襯墊63的厚度可經選擇以最小化與在矽光柵結構30與光學纖維80之間透射的光的光學干涉。例如，接觸蝕刻停止襯墊63的厚度可在介於20nm至100nm的範圍內，儘管亦可利用更小及更大的厚度。
可藉由沉積氧化矽材料來形成第二氧化矽層64。例如，可利用化學氣相沉積來沉積第二氧化矽層64。第二氧化矽層64可具有在介於150nm至500nm的範圍內的厚度，儘管亦可利用更小及更大的厚度。
根據本揭示案的實施例，可在至少一個介電材料層60之上沉積至少一個介電蝕刻停止層66。至少一個介電蝕刻停止層66包括不同於將隨後沉積的介電鈍化層的介電材料的介電材料。至少一個介電蝕刻停止層66包括選自氮化矽及氮氧化矽的至少一種介電材料。至少一個介電蝕刻停止層66可由單個介電蝕刻停止層組成，或可包括複數個介電蝕刻停止層，該些介電蝕刻停止層可經圖案化或可不經圖案化。至少一個介電蝕刻停止層66的總厚度可在介於20nm至300nm的範圍內，儘管亦可利用更小及更大的厚度。在後續章節中詳細描述至少一個介電蝕刻停止層66的各種構型。通常，利用至少一個介電蝕刻停止層66來阻止至少一個介電材料層60的下伏部分的局部過度蝕刻。特定而言，可利用至少一個介電材料層60來阻止至少一個介電材料層60的下伏部分在穿過鈍化介電層將隨後形成的開口的周邊處的過度蝕刻。
隨後，可在至少一個介電蝕刻停止層66之上沉積包括介電材料的鈍化介電層70。鈍化介電層70可包括碳化矽、氮化矽、未摻雜矽酸鹽玻璃、摻雜的矽酸鹽玻璃、氮氧化矽、有機矽酸鹽玻璃，或低介電常數(低k)介電材料(諸如，多孔有機矽酸鹽玻璃)中的一或多者。在一個實施例中，鈍化介電層70的厚度可經選擇以提供對周圍光的足夠遮蔽，以便阻止光學雜訊進入矽光柵結構30或矽光子裝置50。在所圖解說明的實例中，鈍化介電層70可具有在介於3微米至30微米的範圍內的厚度，諸如介於4微 米至10微米，儘管亦可利用更小及更大的厚度。在一個實施例中，可藉由化學氣相沉積製程來形成鈍化介電層70。
可在鈍化介電層70之上形成圖案化的蝕刻遮罩層(諸如，圖案化的光阻劑層(未繪示))。圖案化的蝕刻遮罩層可在區域中包括上覆矽光柵結構30的末端部分的開口。可藉由執行各向異性蝕刻製程來穿過鈍化介電層70的未遮罩部分形成開口69。各向異性蝕刻製程可將圖案化的蝕刻遮罩層用作遮罩結構來蝕刻對至少一個介電蝕刻停止層66中的介電材料具有選擇性的鈍化介電層70的介電材料。在一個實施例中，鈍化介電層70在各向異性蝕刻製程之前可具有初始厚度。各向異性蝕刻製程的持續時間可經選擇以使得開口69可不含鈍化介電層70的介電材料，或包括鈍化介電層70的介電材料，其中厚度小於鈍化介電層70的初始厚度的10%(諸如，小於5%，及/或小於2%，及/或小於1%)。儘管對於鈍化介電層70中開口69下方介電材料的任何剩餘部分而言均一厚度是期望的，鈍化介電層70中開口69下方鈍化介電層70的介電材料的剩餘部分的非均一厚度分佈很常見。通常，鈍化介電層70中開口69下方鈍化介電層70的介電材料的任何剩餘部分可在開口69的中央區域處具有較大厚度，並且在開口69的周邊區域處具有較小厚度或完全經蝕刻。另外，可在開口69的周邊部分處附帶地蝕刻至少一個介電蝕刻停止層66的一部分。開口69的側向尺寸可在介於2微米至10微米的範圍內，諸如介於3微米至6微米，儘管可利用更大或更小 的側向尺寸。例如，開口69可具有矩形水平形狀，其中每一邊具有在介於2微米至10微米的範圍內的長度，諸如介於3微米至6微米，儘管可利用更小及更大的長度。
根據本揭示案的實施例，針對至少一個介電蝕刻停止層66利用氧化矽或氮化矽提高在各向異性蝕刻製程期間至少一個介電蝕刻停止層66的蝕刻阻力。根據本揭示案的一些實施例，可在開口69的周邊處形成至少一個介電蝕刻停止層66，以便增大蝕刻阻力，同時在開口69的中央區域處提供介電蝕刻停止層66的較小厚度，以使得歸因於介電蝕刻停止層66的光學效應最小化。在一個實施例中，鈍化介電層70可在開口69中連續地延伸，並且可具有在介於1nm至200nm的範圍內的厚度，並且在鈍化介電層70中的開口外部具有在介於3微米至30微米的範圍內的厚度。或者，可在開口69的中央部分處形成並未實體連接至鈍化介電層70的介電材料的獨立剩餘部分(未明確圖解說明)。鈍化介電層70的介電材料的離散部分可具有可變厚度，該可變厚度可在介於1nm至200nm的範圍內。開口69中的介電材料的離散部分可與具有均一厚度(為初始厚度)的鈍化介電層70的平坦部分具有相同材料成份。
隨後，可在鈍化介電層70中的開口69之上設置光學纖維80。光學纖維80包括用於接收或發射被導向鈍化介電層70中的開口69的光82的末端表面。
通常，第1圖中所圖解說明的示例性光學結構可包括：矽光柵結構30，該矽光柵結構30定位在埋入式絕 緣層20之上；至少一個介電材料層60，該至少一個介電材料層60上覆並且接觸矽光柵結構30；至少一個介電蝕刻停止層66，該至少一個介電蝕刻停止層66上覆至少一個介電材料層60並且包括選自氮化矽及氮氧化矽的至少一種介電材料；鈍化介電層70，該鈍化介電層70包括介電材料並且上覆至少一個介電蝕刻停止層66並且包括上覆矽光柵結構30的末端部分的開口69，其中開口69不含鈍化介電層70的介電材料，或包括鈍化介電層70的介電材料，其中厚度小於鈍化介電層70在開口69外部的厚度的10%；以及光學纖維80，該光學纖維80上覆鈍化介電層70中的開口69，並且包括用於接收或發射被導向鈍化介電層70中的開口69的光82的末端表面。
可以各種構型提供至少一個介電蝕刻停止層66，現在參照第2A圖至第7C圖描述。
第2A圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第一構型在形成鈍化介電層70之後的垂直橫截面圖。在第一構型中，至少一個介電蝕刻停止層66包括單個介電蝕刻停止層66，該單個介電蝕刻停止層66具有均質材料成份，並且接觸至少一個介電材料層60的平坦頂表面以及在矽光柵結構30的整個區域之上的鈍化介電層70的底表面。換言之，單個介電蝕刻停止層66在矽光柵結構30的整個區域之上連續地延伸。在一個實施例中，可將單個介電蝕刻停止層66形成為毯覆介電材料層，亦即，未圖案化的介電材料層。可藉由化學氣相沉積來沉積單個介電 蝕刻停止層66。在一個實施例中，單個介電蝕刻停止層66可基本上由氮化矽組成。在另一實施例中，單個介電蝕刻停止層66可基本上由以大於10%(諸如，介於15%至50%)的原子濃度包括氮原子的氮氧化矽組成。單個介電蝕刻停止層66的厚度可在介於20nm至150nm的範圍內，諸如介於30nm至70nm，儘管亦可利用更小及更大的厚度。
第2B圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第一構型在形成圖案化的蝕刻遮罩層77之後的垂直橫截面圖。在一個實施例中，圖案化的蝕刻遮罩層77可以是圖案化的光阻劑層，該圖案化的光阻劑層可藉由蝕刻曝光及顯影而藉由在鈍化介電層70之上塗覆毯覆光阻劑材料層並且藉由圖案化毯覆光阻劑材料層來形成。可在矽光柵結構30的包括矽接線結構32的遠端部分之上形成圖案化的蝕刻遮罩層77中的開口。圖案化的蝕刻遮罩層77中的開口的至少一個側壁可在矽光柵結構30之上延伸。
第2C圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第一構型在穿過鈍化介電層70形成開口69之後的垂直橫截面圖。執行各向異性蝕刻製程以蝕刻鈍化介電層70的未遮罩部分。各向異性蝕刻製程可具有蝕刻化學物，該蝕刻化學物蝕刻對單個介電蝕刻停止層66的氮化矽或氮氧化矽具有選擇性的鈍化介電層70的介電材料。在一個實施例中，各向異性蝕刻製程可利用由至少一種氫氟碳化物氣體及/或至少一種氟碳化物氣體產生的氟電漿。在一個 實施例中，各向異性蝕刻製程的持續時間可經選擇以使得開口69不含鈍化介電層70的介電材料，或包括鈍化介電層70的介電材料，其中厚度小於鈍化介電層厚度(亦即，鈍化介電層70在圖案化的蝕刻遮罩層77下方的厚度)的10%(諸如，小於5%，及/或小於2%，及/或小於1%)。
第2D圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第一構型在移除圖案化的蝕刻遮罩層77以及附接光學纖維80之後的垂直橫截面圖。可例如藉由灰化來移除圖案化的蝕刻遮罩層77。可以誘發光82在矽光柵結構30與光學纖維80之間的光學耦合的方式設置光學纖維80。可利用光學模製化合物(未繪示)將光學纖維80附接至目標位置，該化合物可填充鈍化介電層70中的開口69。第2D圖圖解說明鈍化介電層70在開口69中連續地延伸並且在開口69內具有在介於1nm至200nm的範圍內的厚度的實施例。鈍化介電層70在開口69內的部分的厚度可以均一或可以不均一。
第2E圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第一構型的替代實施例在移除圖案化的蝕刻遮罩層77以及附接光學纖維80之後的垂直橫截面圖。在此實施例中，包括鈍化介電層70的介電材料的介電材料部分70R定位於開口69的中央區域處單個介電蝕刻停止層66的頂表面上，並且與鈍化介電層70中開口的側壁側向間隔開並且不接觸。因此，可在開口69的中央部分處形成並未實體連接至鈍化介電層70的介電材料的離散部分。介電材料的 離散部分可具有可變厚度，該可變厚度可在介於1nm至200nm的範圍內。開口69中的介電材料部分70R可與具有均一厚度(為初始厚度)的鈍化介電層70的平坦部分具有相同材料成份。
第3A圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第二構型的垂直橫截面圖。在第二構型中，至少一個介電蝕刻停止層66包括第一介電蝕刻停止層66A及第二介電蝕刻停止層66B的層堆疊，該第二介電蝕刻停止層66B上覆第一介電蝕刻停止層66A的至少一部分並且包括不同於第一介電蝕刻停止層66A的介電材料。在一個實施例中，第一介電蝕刻停止層66A包括碳化矽層，及/或基本上由碳化矽層組成，並且第二介電蝕刻停止層66B包括氮化矽或氮氧化矽，及/或基本上由氮化矽或氮氧化矽組成。在一個實施例中，第二介電蝕刻停止層66B可基本上由氮化矽組成。在另一實施例中，第二介電蝕刻停止層66B可基本上由以大於10%(諸如，介於15%至50%)的原子濃度包括氮原子的氮氧化矽組成。第一介電蝕刻停止層66A的厚度可在介於20nm至150nm的範圍內，諸如介於30nm至70nm，儘管亦可利用更小及更大的厚度。第二介電蝕刻停止層66B的厚度可在介於20nm至150nm的範圍內，諸如介於30nm至70nm，儘管亦可利用更小及更大的厚度。
可將第一介電蝕刻停止層66A及第二介電蝕刻停止層66B中的每一者形成為毯覆材料層，亦即，在相應材 料層的整個區域具有均一厚度的未圖案化材料層。在一個實施例中，可藉由相應化學氣相沉積製程來沉積第一介電蝕刻停止層66A及第二介電蝕刻停止層66B中的每一者。在後續的各向異性蝕刻製程期間穿過第二介電蝕刻停止層66B的任何部分蝕刻的實施例中，第一介電蝕刻停止層66A充當額外蝕刻停止結構。第一介電蝕刻停止層66A及第二介電蝕刻停止層66B中的每一者以相應的均一厚度在矽光柵結構30的整個區域之上連續地延伸。
在形成第一介電蝕刻停止層66A及第二介電蝕刻停止層66B之後，可形成鈍化介電層70。隨後，可執行第2B圖、第2C圖及第2D圖的處理步驟以提供第3A圖中所圖解說明的結構。鈍化介電層70在開口69中連續地延伸，並且在開口69內具有在介於1nm至200nm的範圍內的厚度。鈍化介電層70在開口69內的部分的厚度可以均一或可以不均一。
第3B圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第二構型的替代實施例的垂直橫截面圖。包括鈍化介電層70的介電材料的介電材料部分70R定位於開口69的中央區域處單個介電蝕刻停止層66的頂表面上，並且與鈍化介電層70中開口的側壁側向間隔開並且不接觸。因此，可在開口69的中央部分處形成並未實體連接至鈍化介電層70的介電材料的離散部分。介電材料的離散部分可具有可變厚度，該可變厚度可在介於1nm至200nm的範圍內。開口69中的介電材料部分70R可與具有均一厚度(為 初始厚度)的鈍化介電層70的平坦部分具有相同材料成份。
第4A圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第四構型的垂直橫截面圖。可藉由圖案化第二介電蝕刻停止層66B來自示例性光學結構的第二構型衍生示例性光學結構的第四構型。具體地，可將第二介電蝕刻停止層66B沉積為毯覆材料層，並且可在第二介電蝕刻停止層66B之上塗覆並且圖案化光阻劑層(未繪示)，以便覆蓋第二介電蝕刻停止層66B的部分。第二介電蝕刻停止層66B的覆蓋有圖案化的光阻劑層的區域可包括鈍化介電層70中將隨後形成的開口69的整個區域。
隨後，可執行第2B圖、第2C圖及第2D圖的處理步驟以提供第4A圖中所圖解說明的結構。鈍化介電層70在開口69中連續地延伸，並且在開口69內具有在介於1nm至200nm的範圍內的厚度。鈍化介電層70在開口69內的部分的厚度可以均一或可以不均一。
第4B圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第四構型的替代實施例的垂直橫截面圖。包括鈍化介電層70的介電材料的介電材料部分70R定位於開口69的中央區域處單個介電蝕刻停止層66的頂表面上，並且與鈍化介電層70中開口的側壁側向間隔開並且不接觸。因此，可在開口69的中央部分處形成並未實體連接至鈍化介電層70的介電材料的離散部分。介電材料的離散部分可具有可變厚度，該可變厚度可在介於1nm至200nm的範圍 內。開口69中的介電材料部分70R可與具有均一厚度(為初始厚度)的鈍化介電層70的平坦部分具有相同材料成份。
第4C圖是根據本揭示案的實施例的第4A圖或第4B圖的示例性光學結構的第四構型的平面圖。第一介電蝕刻停止層66A在矽光柵結構30的整個區域之上連續地延伸，並且第二介電蝕刻停止層66B包括側向地環繞由開口69的側壁69S所限定的區域的周邊。第二介電蝕刻停止層66B的周邊的至少一個區段跨過矽光柵結構30。
第5A圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第四構型的垂直橫截面圖。可藉由圖案化第一介電蝕刻停止層66A來自示例性光學結構的第二構型衍生示例性光學結構的第四構型。具體地，可將第一介電蝕刻停止層66A沉積為毯覆材料層，並且可在第二介電蝕刻停止層66B之上塗覆並且圖案化光阻劑層(未繪示)，以便覆蓋第一介電蝕刻停止層66A的一部分。第一介電蝕刻停止層66A的覆蓋有圖案化後光阻劑層的區域可包括鈍化介電層70中將隨後形成的開口69的整個區域。隨後，可在第一介電蝕刻停止層66A之上形成第二介電蝕刻停止層66B。第二介電蝕刻停止層66B可接觸第一介電蝕刻停止層66A的表面，以及至少一個介電材料層60的最頂表面的一部分。
隨後，可執行第2B圖、第2C圖及第2D圖的處理步驟以提供第5A圖中所圖解說明的結構。鈍化介電層 70在開口69中連續地延伸，並且在開口69內具有在介於1nm至200nm的範圍內的厚度。鈍化介電層70在開口69內的部分的厚度可以均一或可以不均一。
第5B圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第四構型的替代實施例的垂直橫截面圖。包括鈍化介電層70的介電材料的介電材料部分70R定位於開口69的中央區域處單個介電蝕刻停止層66的頂表面上，並且與鈍化介電層70中開口的側壁側向間隔開並且不接觸。因此，可在開口69的中央部分處形成並未實體連接至鈍化介電層70的介電材料的離散部分。介電材料的離散部分可具有可變厚度，該可變厚度可在介於1nm至200nm的範圍內。開口69中的介電材料部分70R可與具有均一厚度(為初始厚度)的鈍化介電層70的平坦部分具有相同材料成份。
第5C圖是根據本揭示案的實施例的第5A圖或第5B圖的示例性光學結構的第四構型的平面圖。第一介電蝕刻停止層66A包括側向地環繞由鈍化介電層70中開口69的側壁69S所限定的區域的周邊。第一介電蝕刻停止層66A的周邊的至少一個區段跨過矽光柵結構30。第二介電蝕刻停止層66B在矽光柵結構30的整個區域之上連續地延伸。
第6A圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第五構型在形成第一圖案化後介電蝕刻停止層66A之後的垂直橫截面圖。可藉由圖案化第一介電蝕刻停止層 66A來自示例性光學結構的第二構型衍生示例性光學結構的第五構型。具體地，可將第一介電蝕刻停止層66A沉積為毯覆材料層，並且可在第二介電蝕刻停止層66B之上塗覆並且圖案化光阻劑層(未繪示)，以便在鈍化介電層70中將隨後形成的開口69的區域內在光阻劑層中形成開口。第一介電蝕刻停止層66A的並未覆蓋有圖案化的光阻劑層的區域可整體地定位在鈍化介電層70中將隨後形成的開口69的整個區域內。可執行蝕刻製程(諸如，各向異性蝕刻製程或各向同性蝕刻製程)以蝕刻第一介電蝕刻停止層66A的未遮罩部分。可例如藉由灰化來移除圖案化的光阻劑層。隨後，可在第一介電蝕刻停止層66A之上形成第二介電蝕刻停止層66B。第二介電蝕刻停止層66B可接觸第一介電蝕刻停止層66A的表面，以及至少一個介電材料層60的最頂表面的一部分。
第6B圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第五構型在形成第二圖案化後介電蝕刻停止層66B之後的垂直橫截面圖。可在第一介電蝕刻停止層66A之上沉積第二介電蝕刻停止層66B作為毯覆材料層。第二介電蝕刻停止層66B可接觸第一介電蝕刻停止層66A中開口的區域內至少一個介電材料層60的最頂表面。可在第二介電蝕刻停止層66B之上塗覆並且圖案化光阻劑層(未繪示)，以便覆蓋第二介電蝕刻停止層66B的一部分。第二介電蝕刻停止層66B的覆蓋有圖案化的光阻劑層的區域可包括鈍化介電層70中將隨後形成的開口69的整個區域。圖案化 後第二介電蝕刻停止層66B的周邊可自在鈍化介電層70中將隨後形成的開口69的區域的周邊側向地向外偏離。
參照第6C圖，可執行第2B圖、第2C圖及第2D圖的處理步驟以提供第6C圖中所圖解說明的結構。鈍化介電層70在開口69中連續地延伸，並且在開口69內具有在介於1nm至200nm的範圍內的厚度。鈍化介電層70在開口69內的部分的厚度可以均一或可以不均一。第一介電蝕刻停止層66A及第二蝕刻停止層66B的組合在鈍化介電層70中開口69的周邊處提供增大量的蝕刻停止材料。通常，開口69的周邊部分是發生至介電蝕刻停止層(66A,66B)的過度蝕刻的區域，在穿過介電蝕刻停止層(66A,66B)蝕刻的實施例中，至少一個介電材料層60的介電材料可經蝕刻以提供在矽光柵結構30與光學纖維80之間的劣化的光學耦合之蝕刻剖面。因此，在鈍化介電層70中開口69的周邊處存在第一介電蝕刻停止層66A及第二介電蝕刻停止層66B兩者降低蝕穿至少一個介電蝕刻停止層66的概率，因此，降低形成鈍化介電層70中開口69的光學有害的蝕刻剖面的概率。
第6D圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第五構型的替代實施例在移除圖案化的蝕刻遮罩層77以及附接光學纖維80之後的垂直橫截面圖。包括鈍化介電層70的介電材料的介電材料部分70R定位於開口69的中央區域處單個介電蝕刻停止層66的頂表面上，並且與鈍化介電層70中開口的側壁側向間隔開並且不接觸。因此， 可在開口69的中央部分處形成並未實體連接至鈍化介電層70的介電材料的離散部分。介電材料的離散部分可具有可變厚度，該可變厚度可在介於1nm至200nm的範圍內。開口69中的介電材料部分70R可與具有均一厚度(為初始厚度)的鈍化介電層70的平坦部分具有相同材料成份。
第6E圖是根據本揭示案的實施例的第6C圖或第6D圖的示例性光學結構的第五構型的平面圖。第一介電蝕刻停止層66A包括開口，該第一介電蝕刻停止層66A具有定位在由鈍化介電層70中開口69的側壁69S所限定的區域內的周邊，並且第二介電蝕刻停止層66B具有定位在由鈍化介電層70中開口69的側壁69S限定的區域外部的周邊，並且在第二介電蝕刻停止層66B的周邊內並不包括任何開口。
第7A圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第六構型在穿過鈍化介電層70形成開口69之後的垂直橫截面圖。可藉由圖案化第一介電蝕刻停止層66A及第二介電蝕刻停止層66B來自第二示例性光學結構衍生示例性光學結構的第六構型。具體地，可圖案化第一介電蝕刻停止層66A以覆蓋鈍化介電層70中將隨後形成的開口69的整個區域。在此實施例中，第一介電蝕刻停止層66A可具有定位在鈍化介電層70中開口69的周邊外部的周邊，並且在第一介電蝕刻停止層66A的周邊內並不包括任何開口。可圖案化第二介電蝕刻停止層66B以在鈍化介電層70 中開口69的區域內形成開口。第二介電蝕刻停止層66B可包括開口，該第二介電蝕刻停止層66B具有定位在鈍化介電層70中開口69的區域內的周邊。
隨後，可執行第2B圖、第2C圖及第2D圖的處理步驟以提供第7A圖中所圖解說明的結構。鈍化介電層70在開口69中連續地延伸，並且在開口69內具有在介於1nm至200nm的範圍內的厚度。鈍化介電層70在開口69內的部分的厚度可以均一或可以不均一。第一介電蝕刻停止層66A及第二介電蝕刻停止層66B的組合在鈍化介電層70中開口69的周邊處提供增大量的蝕刻停止材料。通常，開口69的周邊部分是發生至介電蝕刻停止層(66A,66B)的過度蝕刻的區域，在穿過介電蝕刻停止層(66A,66B)蝕刻的實施例中，至少一個介電材料層60的介電材料可經蝕刻以提供劣化矽光柵結構30與光學纖維80之間的光學耦合的蝕刻剖面。因此，在鈍化介電層70中開口69的周邊處存在第一介電蝕刻停止層66A及第二介電蝕刻停止層66B兩者降低蝕穿至少一個介電材料層60的概率，因此，降低形成鈍化介電層70中開口69的光學有害的蝕刻剖面的概率。
第7B圖是根據本揭示案的實施例的示例性光學結構的第六構型的替代實施例在移除圖案化的蝕刻遮罩層77以及附接光學纖維80之後的垂直橫截面圖。包括鈍化介電層70的介電材料的介電材料部分70R定位於開口69的中央區域處單個介電蝕刻停止層66的頂表面上，並且與 鈍化介電層70中開口的側壁側向間隔開並且不接觸。因此，可在開口69的中央部分處形成並未實體連接至鈍化介電層70的介電材料的離散部分。介電材料的離散部分可具有可變厚度，該可變厚度可在介於1nm至200nm的範圍內。開口69中的介電材料部分70R可與具有均一厚度(為初始厚度)的鈍化介電層70的平坦部分具有相同材料成份。
第7C圖是根據本揭示案的實施例的第7A圖或第7B圖的示例性光學結構的第六構型的平面圖。第一介電蝕刻停止層66A具有定位在由鈍化介電層70中開口69的側壁所限定的區域外部的周邊，並且在第一介電蝕刻停止層66A的周邊內並不包括任何開口，並且第二介電蝕刻停止層66B包括開口，第二介電蝕刻停止層66B具有定位在由鈍化介電層70中開口69的側壁所限定的區域內的周邊。
第8圖是根據本揭示案的實施例的本揭示案的示例性半導體晶粒100在附接光學纖維80之後的垂直橫截面圖。半導體晶粒100可併入第1圖的示例性光學結構。可利用光學模製結構84來將光學纖維80附接至半導體晶粒100，半導體晶粒100是其中包括至少一個矽光子裝置50以及至少一個矽光柵結構30的光學半導體晶粒。可利用焊球150的陣列來將半導體晶粒100附接至封裝襯底200，該襯底200可包括插腳250以用於附接至電路板，或可利用焊球的另一陣列(諸如，C4球)以用於附接至電路 板。
共同參照第1圖至第8圖並且根據本揭示案的各種實施例，提供一種包括半導體晶粒100及光學纖維80的半導體結構。半導體晶粒100自下至上包括矽襯底10、埋入式絕緣層20、矽光柵結構30、至少一個介電材料層60、至少一個介電蝕刻停止層66以及鈍化介電層70，鈍化介電層70包括介電材料並且包括上覆矽光柵結構30的末端部分的開口69。光學纖維80上覆鈍化介電層70中的開口69，並且穿過鈍化介電層70中的開口69光學地耦合至矽光柵結構30，並且藉由光學模製結構84附接至半導體晶粒100。至少一個介電材料層60包括選自氮化矽及氮氧化矽的至少一種介電材料。
在一個實施例中，矽光柵結構30包括聯接至矽板材頂表面的矽接線結構32的一維週期性陣列，其中矽板材的遠端經漸縮以提供可變寬度，該可變寬度隨著距矽接線結構32的一維週期性陣列的側向距離減小。
在一個實施例中，至少一個介電蝕刻停止層66包括第一介電蝕刻停止層66A及第二介電蝕刻停止層66B的層堆疊，第二介電蝕刻停止層66B上覆第一介電蝕刻停止層66A的至少部分並且包括不同於第一介電蝕刻停止層66A的介電材料。
第9圖是圖解說明根據本揭示案的實施例的形成光學結構的步驟的流程圖。參照步驟910以及第1圖，可在埋入式絕緣層20之上形成矽光柵結構30。參照步驟 920以及第1圖、第2A圖、第2E圖、第3A圖、第3B圖、第4A圖、第4B圖、第5A圖、第5B圖、第6A圖、第6D圖、第7A圖及第7B圖，可在矽光柵結構30之上沉積至少一個介電材料層60。參照步驟930以及第1圖、第2A圖、第2E圖、第3A圖、第3B圖、第4A圖、第4B圖、第5A圖、第5B圖、第6A圖、第6B圖、第6D圖、第7A圖及第7B圖，可在至少一個介電材料層60之上沉積至少一個介電蝕刻停止層66。至少一個介電蝕刻停止層66包括選自氮化矽及氮氧化矽的至少一種介電材料。參照步驟940以及第1圖、第2A圖、第2E圖、第3A圖、第3B圖、第4A圖、第4B圖、第5A圖、第5B圖、第6C圖、第6D圖、第7A圖及第7B圖，可在至少一個介電蝕刻停止層66之上形成包括介電材料的鈍化介電層70。參照步驟950以及第1圖、第2B圖、第2E圖、第3A圖、第3B圖、第4A圖、第4B圖、第5A圖、第5B圖、第6C圖、第6D圖、第7A圖及第7B圖，可在鈍化介電層70之上形成圖案化的蝕刻遮罩層77。圖案化的蝕刻遮罩層77在區域中包括上覆矽光柵結構30的末端部分的開口。參照步驟960以及第1圖、第2C圖、第2E圖、第3A圖、第3B圖、第4A圖、第4B圖、第5A圖、第5B圖、第6C圖、第6D圖、第7A圖及第7B圖，可藉由執行各向異性蝕刻製程來穿過鈍化介電層70的未遮罩部分形成開口69，各向異性蝕刻製程藉由將圖案化的蝕刻遮罩層77用作遮罩結構來蝕刻對氮化矽或氮氧化矽具有 選擇性的介電材料。隨後，可移除圖案化的蝕刻遮罩層77，並且可在鈍化介電層70中的開口69之上設置光學纖維80。
本揭示案的至少一個介電蝕刻停止層66包括氮化矽層或氮氧化矽層，該至少一個介電蝕刻停止層66可有利地在穿過鈍化介電層70形成開口69的各向異性蝕刻製程期間用作高效的蝕刻停止層。開口69的理想蝕刻剖面在於開口69並不垂直地延伸穿過介電蝕刻停止層66，並且並不蝕刻至少一個介電材料層60。介電蝕刻停止層66藉由利用不同於鈍化介電層70的介電材料的介電材料來阻止開口延伸至至少一個介電材料層60。各向異性蝕刻製程的化學物可經選擇以使得在各向異性蝕刻製程期間介電蝕刻停止層66的材料的蝕刻率小於鈍化介電層70的介電材料的蝕刻率的30%，並且較佳地小於10%，並且甚至更加地小於3%。在一些實施例中，至少一個介電蝕刻停止層66的蝕刻阻力可僅圍繞鈍化介電層70中的開口69的周邊增大，同時藉由圖案化第一介電蝕刻停止層66A及第二介電蝕刻停止層66B中的一者或兩者而在穿過鈍化介電層70的開口69的中央區域處提供第一介電蝕刻停止層66A及第二介電蝕刻停止層66B中的僅一者。在此實施例中，在穿過鈍化介電層70中的開口69的中央區域處存在第一介電蝕刻停止層66A及第二介電蝕刻停止層66B中的僅一者可藉由減小至少一個介電蝕刻停止層(66A,66B)在穿過鈍化介電層70的開口69的中央區域處的厚度來減小至 少一個介電蝕刻停止層(66A,66B)的光學效應。
在一些實施例中，一種光學結構包括矽光柵結構、至少一個介電材料層、至少一個介電蝕刻停止層、鈍化介電層和光學纖維。矽光柵結構定位在埋入式絕緣層之上。至少一個介電材料層上覆並且接觸矽光柵結構。至少一個介電蝕刻停止層上覆至少一個介電材料層並且包括選自氮化矽及氮氧化矽的至少一種介電材料。鈍化介電層包括介電材料並且上覆至少一個介電蝕刻停止層，並且包括上覆矽光柵結構的末端部分的開口，其中開口不含鈍化介電層的介電材料，或開口包括一厚度的鈍化介電層的介電材料，其中此厚度小於鈍化介電層在開口外部的一厚度的10%。光學纖維上覆鈍化介電層中的開口並且包括用於接收或發射被導向鈍化介電層中的開口的光的末端表面。
在一些實施例中，至少一個介電蝕刻停止層包括第一介電蝕刻停止層及第二介電蝕刻停止層的層堆疊，第二介電蝕刻停止層上覆第一介電蝕刻停止層的至少一部分並且包括不同於第一介電蝕刻停止層的介電材料。
在一些實施例中，第一介電蝕刻停止層包括碳化矽層；以及第二介電蝕刻停止層包括氮化矽或氮氧化矽。
在一些實施例中，第一介電蝕刻停止層及第二介電蝕刻停止層中的每一者在矽光柵結構的整個區域之上連續地延伸。
在一些實施例中，第一介電蝕刻停止層在矽光柵結構的整個區域之上連續地延伸；以及第二介電蝕刻停止層 包括側向地圍繞由鈍化介電層中的開口的側壁所限定的區域的周邊，其中周邊的至少一個區段跨過矽光柵結構。
在一些實施例中，第一介電蝕刻停止層包括側向地圍繞由鈍化介電層中的開口的側壁所限定的區域的周邊，其中周邊的至少一個區段跨過矽光柵結構；以及第二介電蝕刻停止層在矽光柵結構的整個區域之上連續地延伸。
在一些實施例中，第一介電蝕刻停止層包括開口，第一介電蝕刻停止層具有定位在由鈍化介電層中的開口的側壁所限定的區域內的周邊；以及第二介電蝕刻停止層具有定位在由鈍化介電層中的開口的側壁所限定的區域外部的周邊，並且在第二介電蝕刻停止層的周邊內並不包括任何開口。
在一些實施例中，第一介電蝕刻停止層具有定位在由鈍化介電層中的開口的側壁所限定的區域外部的周邊，並且在第一介電蝕刻停止層的周邊內並不包括任何開口；以及第二介電蝕刻停止層包括開口，第二介電蝕刻停止層具有定位在由鈍化介電層中的開口的側壁所限定的區域內的周邊。
在一些實施例中，至少一個介電蝕刻停止層包括單個介電蝕刻停止層，單個介電蝕刻停止層具有均質材料成份，並且接觸至少一個介電材料層的平坦頂表面以及在矽光柵結構的整個區域之上的鈍化介電層的底表面。
在一些實施例中，至少一個介電材料層包括第一氧化矽層、接觸蝕刻停止襯墊以及第二氧化矽層。第一氧化 矽層接觸矽光柵結構。接觸蝕刻停止襯墊上覆第一氧化矽層。第二氧化矽層接觸接觸蝕刻停止襯墊。
在一些實施例中，包括鈍化介電層的介電材料的介電材料部分定位於開口的中央區域處至少一個介電蝕刻停止層的頂表面上，並且與鈍化介電層中的開口的側壁側向間隔開且不接觸。
在一些實施例中，鈍化介電層在開口中連續地延伸，並且具有在介於1nm至200nm的範圍內的厚度，並且在鈍化介電層中的開口外部具有在介於3微米至30微米的範圍內的厚度。
在一些實施例中，一種包括半導體晶粒及光學纖維的半導體結構。半導體晶粒自下至上包括矽襯底、埋入式絕緣層、矽光柵結構、至少一個介電材料層、至少一個介電蝕刻停止層以及鈍化介電層，鈍化介電層包括介電材料並且包括上覆矽光柵結構的末端部分的開口。光學纖維上覆鈍化介電層中的開口，並且穿過鈍化介電層中的開口光學地耦合至矽光柵結構，並且藉由光學模製結構附接至半導體晶粒。至少一個介電材料層包括選自氮化矽及氮氧化矽的至少一種介電材料。
在一些實施例中，矽光柵結構包括聯接至矽板材的頂表面的矽接線結構的一維週期性陣列，其中矽板材的遠端經漸縮以提供可變寬度，可變寬度隨著距矽接線結構的一維週期性陣列的側向距離減小。
在一些實施例中，至少一個介電蝕刻停止層包括第 一介電蝕刻停止層及第二介電蝕刻停止層的層堆疊，第二介電蝕刻停止層上覆第一介電蝕刻停止層的至少一部分並且包括不同於第一介電蝕刻停止層的介電材料。
在一些實施例中，一種形成光學結構的方法包含以下操作。在埋入式絕緣層之上形成矽光柵結構。在矽光柵結構之上沉積至少一個介電材料層。在至少一個介電材料層之上沉積至少一個介電蝕刻停止層，其中至少一個介電蝕刻停止層包括選自氮化矽及氮氧化矽的至少一種介電材料。在至少一個介電蝕刻停止層之上形成包括介電材料的鈍化介電層。在鈍化介電層之上形成圖案化的蝕刻遮罩層，其中圖案化的蝕刻遮罩層在區域中包括上覆矽光柵結構的末端部分的開口。藉由執行各向異性蝕刻製程來穿過鈍化介電層的未遮罩部分形成開口，各向異性蝕刻製程藉由將圖案化的蝕刻遮罩層用作遮罩結構來蝕刻對氮化矽或氮氧化矽具有選擇性的介電材料。
在一些實施例中，鈍化介電層在各向異性蝕刻製程之前具有鈍化介電層厚度。各向異性蝕刻製程的持續時間經選擇以使得開口不含鈍化介電層的介電材料，或開口包括一厚度的鈍化介電層的介電材料，其中此厚度小於鈍化介電層的一厚度的10%。
在一些實施例中，形成一光學結構的方法進一步包括在鈍化介電層中的開口之上設置光學纖維，其中光學纖維包括用於接收或發射被導向鈍化介電層中的開口的光的末端表面。
在一些實施例中，至少一個介電蝕刻停止層包括第一介電蝕刻停止層及第二介電蝕刻停止層的層堆疊，第二介電蝕刻停止層上覆第一介電蝕刻停止層的至少一部分並且包括不同於第一介電蝕刻停止層的介電材料。
在一些實施例中，第一介電蝕刻停止層包括碳化矽層。第二介電蝕刻停止層包括氮化矽或氮氧化矽。
前述概述了若干實施例的特徵，使得熟習此項技術者可更好地理解本揭示案的各種態樣。熟習此項技術者應當理解，他們可容易地將本揭示案用作設計或修改其他製程與結構的基礎，以用於實施與本文介紹的實施例相同的目的及/或達成相同的優點。熟習此項技術者亦應認識到，此類等效構造並不偏離本揭示案的精神及範疇，而是可在不偏離本揭示案的精神及範疇的情況下進行各種改變、替換及更改。
10:矽襯底 20:埋入式絕緣層 30:矽光柵結構 32:矽接線結構 50:矽光子裝置 60:介電材料層 62:第一氧化矽層 63:接觸蝕刻停止襯墊 64:第二氧化矽層 66:介電蝕刻停止層 69:開口 70:鈍化介電層 80:光學纖維 82:光

Claims (10)

  1. 一種光學結構，包括：一矽光柵結構，該矽光柵結構定位在一埋入式絕緣層之上；至少一個介電材料層，該至少一個介電材料層上覆並且接觸該矽光柵結構；一層堆疊，包括一第一介電蝕刻停止層及一第二介電蝕刻停止層，該層堆疊上覆該至少一個介電材料層並且該第一介電蝕刻停止層及該第二介電蝕刻停止層之一包括選自氮化矽及氮氧化矽的介電材料，且該第二介電蝕刻停止層包括不同於該第一介電蝕刻停止層的介電材料；一鈍化介電層，該鈍化介電層包括一介電材料並且上覆該層堆疊，並且包括上覆該矽光柵結構的一末端部分的一開口，其中該開口不含該鈍化介電層的該介電材料，或開口包括一厚度的該鈍化介電層的該介電材料，其中該厚度小於該鈍化介電層在該開口外部的一厚度的10%；以及一光學纖維，該光學纖維上覆該鈍化介電層中的該開口並且包括用於接收或發射被導向該鈍化介電層中的該開口的光的一末端表面，其中：該層堆疊由該鈍化介電層的一部分與該開口間隔開且未經由該開口露出，或者該第一介電蝕刻停止層與該第二介電蝕刻停止層的其中一個經由該開口露出，且該第一介電蝕刻停止層與該第二介電蝕刻停止層的另一個未經由該開口露出。
  2. 如請求項1所述之光學結構，其中：該第一介電蝕刻停止層包括一碳化矽層；以及該第二介電蝕刻停止層包括氮化矽或氮氧化矽。
  3. 如請求項1所述之光學結構，其中該第一介電蝕刻停止層及該第二介電蝕刻停止層中的每一者在該矽光柵結構的一整個區域之上連續地延伸。
  4. 如請求項1所述之光學結構，其中：該第一介電蝕刻停止層在該矽光柵結構的一整個區域之上連續地延伸；以及該第二介電蝕刻停止層包括側向地圍繞由該鈍化介電層中的該開口的側壁所限定的一區域的一周邊，其中該周邊的至少一個區段跨過該矽光柵結構。
  5. 如請求項1所述之光學結構，其中：該第一介電蝕刻停止層包括側向地圍繞由該鈍化介電層中的該開口的側壁所限定的一區域的一周邊，其中該周邊的至少一個區段跨過該矽光柵結構；以及該第二介電蝕刻停止層在該矽光柵結構的一整個區域之上連續地延伸。
  6. 如請求項1所述之光學結構，其中： 該第一介電蝕刻停止層包括一開口，該第一介電蝕刻停止層具有定位在由該鈍化介電層中的該開口的側壁所限定的一區域內的一周邊；以及該第二介電蝕刻停止層具有定位在由該鈍化介電層中該的開口的側壁所限定的該區域外部的一周邊，並且在該第二介電蝕刻停止層的該周邊內並不包括任何開口。
  7. 如請求項1所述之光學結構，其中：該第一介電蝕刻停止層具有定位在由該鈍化介電層中的該開口的側壁所限定的一區域外部的一周邊，並且在該第一介電蝕刻停止層的該周邊內並不包括任何開口；以及該第二介電蝕刻停止層包括一開口，該第二介電蝕刻停止層具有定位在由該鈍化介電層中的該開口的側壁所限定的該區域內的一周邊。
  8. 如請求項1所述之光學結構，其中該至少一個介電材料層包括：一第一氧化矽層，該第一氧化矽層接觸該矽光柵結構；一接觸蝕刻停止襯墊，該接觸蝕刻停止襯墊上覆該第一氧化矽層；以及一第二氧化矽層，該第二氧化矽層接觸該接觸蝕刻停止襯墊。
  9. 一種包括一半導體晶粒及一光學纖維的半導體結構，其中：該半導體晶粒自下至上包括一矽襯底、一埋入式絕緣層、一矽光柵結構、至少一個介電材料層、包括一第一介電蝕刻停止層及一第二介電蝕刻停止層的一層堆疊，以及一鈍化介電層，該鈍化介電層包括一介電材料並且包括上覆該矽光柵結構的一末端部分的一開口；以及該光學纖維上覆該鈍化介電層中的該開口，並且穿過該鈍化介電層中的該開口光學地耦合至該矽光柵結構，並且藉由一光學模製結構附接至該半導體晶粒；以及該至少一個介電材料層包括選自氮化矽及氮氧化矽的至少一種介電材料，其中：該第一介電蝕刻停止層及該第二介電蝕刻停止層之一包括選自氮化矽及氮氧化矽的介電材料；該第二介電蝕刻停止層包括不同於該第一介電蝕刻停止層的介電材料；該第一介電蝕刻停止層及該第二介電蝕刻停止層皆設置在該開口的一底表面之下；以及該第一介電蝕刻停止層及該第二介電蝕刻停止層中的一個與該開口垂直間隔開來，且不經由該開口露出。
  10. 一種形成一光學結構的方法，包括：在一埋入式絕緣層之上形成一矽光柵結構； 在該矽光柵結構之上沉積至少一個介電材料層；在該至少一個介電材料層之上沉積包括一第一介電蝕刻停止層及一第二介電蝕刻停止層的一層堆疊，其中該第一介電蝕刻停止層及該第二介電蝕刻停止層之一包括選自氮化矽及氮氧化矽的至少一種介電材料，且該第二介電蝕刻停止層包括不同於該第一介電蝕刻停止層的介電材料；在該層堆疊之上形成包括一介電材料的一鈍化介電層；在該鈍化介電層之上形成一圖案化的蝕刻遮罩層，其中該圖案化的蝕刻遮罩層在一區域中包括上覆該矽光柵結構的一末端部分的一開口；以及藉由執行一各向異性蝕刻製程來穿過該鈍化介電層的一未遮罩部分形成一開口，該各向異性蝕刻製程藉由將該圖案化的蝕刻遮罩層用作一遮罩結構來蝕刻對氮化矽或氮氧化矽具有選擇性的該介電材料，其中：該層堆疊由該鈍化介電層的一部分與該開口間隔開且未經由該開口露出，或者該第一介電蝕刻停止層與該第二介電蝕刻停止層的其中一個經由該開口露出，且該第一介電蝕刻停止層與該第二介電蝕刻停止層的另一個未經由該開口露出。
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