具有反转曲率区段的分段的光栅耦合器

技术领域

本发明涉及光电子芯片(photonics chip)，更具体地，涉及包括光栅耦合器(grating coupler)的结构以及形成包括光栅耦合器的结构的方法。

背景技术

光电子芯片用于许多应用和系统，如数据通信系统和数据计算系统。光电子芯片将光学组件(如波导、光开关、光栅耦合器和偏振器)和电子组件(如场效应晶体管)集成到一个统一的平台中。除其他因素外，通过在光电子芯片中集成这两种类型的组件，可以减少布局面积、成本和操作开销。

光栅耦合器通常用于光电子芯片中，用于在光探测和测距(Light Detection andRanging；LIDAR)系统中提供天线，以及在硅光子学相控阵列中提供天线。光栅耦合器可以在给定的发射角度引导芯片外(off-chip)的激光脉冲或接收激光脉冲。传统光栅耦合器可能效率低或缺乏紧凑性，并且可能对制造可变性不稳健。

需要包括光栅耦合器的改进结构和形成包括光栅耦合器的结构的方法。

发明内容

在本发明的一个实施例中，一种结构包括光栅耦合器，其具有沿纵轴间隔的多个分段(segment)。各分段相对于该纵轴倾斜。各分段包括具有第一曲率的第一弯曲区段(section)和具有相对于该第一曲率反转(inverted)的第二曲率的第二弯曲区段。

在本发明的一个实施例中，一种方法包括形成光栅耦合器，其包括沿纵轴间隔的多个分段。各分段相对于纵轴倾斜。各分段包括具有第一曲率的第一弯曲区段和具有相对于第一曲率反转的第二曲率的第二弯曲区段。

附图说明

并入本说明书并构成本说明书一部分的附图说明了本发明的各种实施例，并与上面给出的本发明的一般说明和下面给出的实施例的详细说明一起，用于解释本发明的实施例。在附图中，相似的附图标记在各种视图中表示相似的特征。

图1为包括根据本发明的实施例的处理方法的初始制造阶段的结构的光电子芯片的俯视图。

图2为大致沿图1中的线2-2截取的结构的横截面图。

图3为图1的后续制造阶段的结构的俯视图。

图4为大致沿图3中的线4-4截取的结构的横截面图。

图5为图4的后续制造阶段的结构的横截面图。

图6为根据本发明的替代实施例的结构的俯视图。

图7为根据本发明的替代实施例的结构的俯视图。

图8为根据本发明的替代实施例的结构的俯视图。

图9为大致沿图8中的9-9线截取的结构的横截面图。

附图标记说明

10 结构

12 光栅耦合器

13 介电层

14 波导芯

15 处理基板

16、18 区域

20、21 特征

22 分段

23 凹槽

24 纵轴

26、28、30 区段

31 介电层

32 光栅耦合器

33 凹槽

34 分段

35 纵轴

36、38 区域

40、41 特征

46、48、50 区段

52 介电层

54 后段工艺堆栈

56 介电层

58 多边形形状

60、61 特征

66、68 区段

70、71 特征

72 光栅耦合器

74 分段

75 纵轴

76、78、80 区段

r1至r6 内径。

具体实施方式

参考图1、2并根据本发明的实施例，结构10包括光栅耦合器12和与光栅耦合器12相邻的波导芯(waveguide core)14。波导芯14可包括紧邻光栅耦合器12的椎体。光栅耦合器12和波导芯14位于介电层13上及上方。光栅耦合器12可包括由凹槽23隔开的光栅结构或分段22。波导芯14可与纵轴24对准，且分段22可与凹槽23对准并沿纵轴24由凹槽23隔开。在一个实施例中，分段22可以均匀的节距(pitch)和均匀的占空比(duty cycle)隔开，以定义周期性布置。在替代实施例中，分段22可以非均匀的间距和/或非均匀的占空比隔开，以定义变迹(即，非周期)布置。

光栅耦合器12和波导芯14可以由相同的材料组成。在一个实施例中，光栅耦合器12和波导芯14可由单晶半导体材料(例如单晶硅)组成。在一个实施例中，单晶半导体材料可源自绝缘体上硅(silicon-on-insulator；SOI)基板的装置层(device layer)，该装置层还包括提供介电层13的埋置氧化物层以及由单晶半导体材料(例如单晶硅)组成的处理(handle)基板15。光栅耦合器12和波导芯14可以通过光刻和蚀刻工艺从装置层图案化。装置层可被完全蚀刻以限定光栅耦合器12和波导芯14。或者，可以仅部分蚀刻装置层，以在介电层13上定义薄的残余层，残余层连接光栅耦合器12的分段22的各个下部，并连接到波导芯14的下部。在替代实施例中，光栅耦合器12和波导芯14可由不同类型的材料组成，例如类似氮化硅或多晶硅的介电材料。

光栅耦合器12包括区域16，其具有多个与分段22相交的多个特征20、21，以及没有类似特征20、21的特征的区域18。光栅耦合器12的区域18位于光栅耦合器12的区域16和波导芯14之间。

各分段22在光栅耦合器12的布局(layout)中相对于纵轴24成角度或倾斜。各分段22可包括相对于纵轴24纵向布置的区段26、区段28和区段30。分段22可沿纵轴24以给定的节距定位，且区段30可与纵轴24相交。在各分段22内，区段30沿分段22的长度定位在区段26和区段28之间，且区段30可直接将区段26连接至区段28。在各分段22内，区段26和区段28可相对于区段30对称布置。在一个实施例中，位于光栅耦合器12的区域16中的分段22和位于光栅耦合器12的区域18中的分段22可以具有相等或基本相等的长度。

各分段22的区段26可以延伸到光栅耦合器12的布局中的弯曲或曲线路径上，并且可以在其弯曲弧长度上具有给定的曲率。各分段22的区段28可在光栅耦合器12的布局中的弯曲或曲线路径上延伸，并可在其弯曲弧长度上具有给定的曲率。各分段22的区段30可在光栅耦合器12的布局中的弯曲或曲线路径上延伸，并可在其弯曲弧长度上具有给定曲率。区段30的曲率相对于区段26的曲率反向或反转，并且相对于区段28的曲率反向或反转。分段22的区段30可与纵轴24相交，且在一个实施例中，区段30可围绕纵轴24居中。各分段22的区段30的曲率可定义朝向远离波导芯14的方向的凹度。各分段22的区段26、28的各自曲率可定义一个朝向波导芯14的方向的凹度，该凹度与区段30的曲率定义的凹度的方向反转。

对于各分段22，区段30具有以分段22的一侧为中心的内径r3和外径，区段26具有以分段22的与区段30的顶点相对的一侧为中心的内径r1和外径，且区段28具有以分段22的与区段30的顶点相对的一侧为中心的内径r2和外径。在一个实施例中，各分段22的区段26、区段28和区段30的曲率可在其各自的弯曲弧长度上保持恒定。在一个实施例中，各分段22的区段26和28可以具有相等的曲率(即，相等的内径和相等的外径)。在一个实施例中，各分段22的区段26、区段28和区段30可追踪在其各自长度上具有连续转弯切线的平滑曲线。

每个特征20与光栅耦合器12的区域16中的分段22的区段26中的一个以上相交。作为一个组，特征20与每个区段26的不同部分相交，这些部分在横向上相对于纵轴24和相对于区段30具有不同的间距。在代表性实施例中，为条带(strip)或条(bar)的特征20可相对于纵轴24倾斜一定角度。在代表性实施例中，特征20可以均匀的节距和均匀的占空比隔开，以定义周期性布置。在替代实施例中，特征20可以非均匀的节距和/或非均匀的占空比隔开，以定义变迹(即，非周期)布置。

每个特征21与光栅耦合器12的区域16中的分段22的区段28中的一个以上相交。作为一个组，特征21与每个区段28的不同部分相交，这些部分在横向方向上相对于纵轴24和相对于区段30具有不同的间距。在代表性实施例中，为条带或条的特征21可相对于纵轴24倾斜一定角度。在一个实施例中，特征21可以均匀的间距和均匀的占空比隔开，以定义周期性布置。在替代实施例中，特征21可以非均匀的间距和/或非均匀的占空比隔开，以定义变迹(即，非周期)布置。

特征20可以相对于纵轴24倾斜一定角度，且特征21也可以相对于纵轴24倾斜一定角度。相对于纵轴24处于不同旋转方向(例如顺时针和逆时针)的特征20的倾角和特征21的倾角可以具有相等的绝对值。在替代实施例中，特征20和特征21的倾角可以具有基本相等的绝对值。在替代实施例中，特征20和特征21的倾角可以具有不相等的绝对值。

参考图3、图4，其中相似的附图标记表示图1、图2中的相似特征。在随后的制造阶段，在光栅耦合器12和波导芯14上形成介电层31。介电层31可由介电材料(例如二氧化硅)组成，介电材料通过化学气相沉积法沉积并通过例如化学机械抛光来平坦化以去除形貌。分段22嵌入或埋入介电层31的介电材料中，使得分段间的凹槽23由介电层31的介电材料填充。

结构10还可包括光栅耦合器32，其位于光栅耦合器12上方，与光栅耦合器12和波导芯14处于结构10的不同水平面(level)上。在一个实施例中，光栅耦合器32可定位在介电层31上。在一个实施例中，光栅耦合器32可定位在与介电层31直接接触的位置。光栅耦合器32可包括由凹槽33隔开的光栅结构或分段34。在一个实施例中，分段34可以具有均匀的节距和均匀的占空比，以定义周期性布置。在替代实施例中，分段34可具有非均匀的节距和/或非均匀的占空比，以定义变迹(即，非周期)布置。

光栅耦合器32可由不同于光栅耦合器12和波导芯14的材料组成。在一个实施例中，光栅耦合器32可由具有不同于光栅耦合器12的材料的成分组成的材料组成。在一个实施例中，光栅耦合器32可由结晶度不同于光栅耦合器12的材料组成。在一个实施例中，光栅耦合器32可由多晶半导体材料(例如多晶硅)组成。在一个实施例中，光栅耦合器32可由介电材料(例如氮化硅)组成。在替代实施例中，两个光栅耦合器12、32可由相同材料组成。在替代实施例中，两个光栅耦合器12、32可由介电材料(例如氮化硅)组成。光栅耦合器32可以通过光刻和蚀刻工艺从沉积层图案化。沉积层可以完全蚀刻以限定光栅耦合器32，或者，也可以仅部分蚀刻以限定介电层31上连接光栅耦合器32的分段34的各个下部的减薄残余层。

光栅耦合器32包括区域36，其具有与分段34相交的多个特征40、41，以及没有类似特征40、41的特征的区域38。光栅耦合器32的区域36可位于光栅耦合器12的区域16上方，且光栅耦合器32的区域38可位于光栅耦合器12的区域18上方。

各分段34在光栅耦合器12的布局中相对于纵轴35倾斜。各分段34可包括相对于纵轴35纵向布置的区段46、区段48和区段50。分段34可沿纵轴35以给定的节距定位，且区段50可与纵轴35相交。纵轴35可平行或基本平行于纵轴24对齐(图1)。在各分段34内，区段50沿分段34的长度定位在区段46和区段48之间，且区段50可直接将区段46连接至区段48。在各分段34内，区段46和区段48可以相对于区段50对称布置。在一个实施例中，位于光栅耦合器32的区域36中的分段34和位于光栅耦合器32的区域38中的分段22可以具有相等或基本相等的长度。

各分段34的区段46可延伸至光栅耦合器32的布局中的弯曲或曲线路径上，并在其弯曲弧长度上具有给定的曲率。各分段34的区段48可在光栅耦合器32的布局中的弯曲或曲线路径上延伸，并可在其弯曲弧长度上具有给定的曲率。各分段34的区段50可在光栅耦合器32的布局中的弯曲或曲线路径上延伸，并可在其弯曲弧长度上具有给定的曲率。区段50的曲率相对于区段46的曲率反向或反转，并且相对于区段48的曲率反向或反转。分段34的区段50可与纵轴35相交，且在一个实施例中，区段50可围绕纵轴35居中。各分段34的区段50的曲率可定义一个背向波导芯14的凹度。各分段34的区段46、48的各自曲率可定义一个面向波导芯14的凹度。

对于各分段34，区段50具有以分段34的一侧为中心的内径r6和外径，区段46具有以分段34的与区段50的顶点相对的一侧为中心的内径r4和外径，且区段48具有以分段34的与区段50的顶点相对的一侧为中心的内径r4和外径。在一个实施例中，各分段34的区段46、区段48和区段50的曲率在其各自的弯曲弧长度上可以是恒定的。在一个实施例中，各分段34的区段46和48可以具有相等的曲率(即，相等的内径和相等的外径)。在一个实施例中，各分段34的区段46、区段48和区段50可以描绘在其各自的长度上具有连续转向切线的平滑曲线。

光栅耦合器32的分段34的区段46、48、50可以重叠布置定位在光栅耦合器12的分段22的区段26、28、30的上面和上方。在一个实施例中，光栅耦合器32的分段34可以相对于光栅耦合器12的分段22纵向偏移，使得重叠布置纵向偏移。

在一个实施例中，光栅耦合器32的分段34的图案可以与光栅耦合器12的分段22的图案相同或基本相同。在另一个实施例中，光栅耦合器32的分段34的图案可以与光栅耦合器12的分段22的图案不同。在一个实施例中，光栅耦合器32中的分段34的数量可以不同于光栅耦合器12中的分段22的数量。在一个实施例中，光栅耦合器32的分段34可以具有与光栅耦合器12的分段22不同的节距和/或占空比。在一个实施例中，光栅耦合器32中的分段34的区段46的曲率可以不同于光栅耦合器12中的分段22的区段26的曲率。在一个实施例中，光栅耦合器32中的分段34的区段48的曲率可以不同于光栅耦合器12中的分段22的区段28的曲率。在一个实施例中，光栅耦合器32中的分段34的区段50的曲率可以不同于光栅耦合器12中的分段22的区段30的曲率。

每个特征40与光栅耦合器32的区域36中的分段34的区段46中的一个以上相交。作为一个组，特征40与每个区域36的不同部分相交，这些部分在横向上相对于纵轴35和相对于区段50具有不同的间距。在代表性实施例中，为条带或条的特征40可以相对于纵轴35倾斜一定角度。在一个实施例中，特征40可以均匀的间距和均匀的占空比隔开，以定义周期性布置。在替代实施例中，特征40可以非均匀的间距和/或非均匀的占空比隔开，以定义变迹(即，非周期)布置。

各特征41与光栅耦合器32的区域36中的分段34的区段46中的一个以上相交。作为一个组，特征41与每个区域36的不同部分相交，这些部分在横向上相对于纵轴35和相对于区段50具有不同的间距。在代表性实施例中，为条带或条的特征41可相对于纵轴35倾斜一定角度。在一个实施例中，特征41可以均匀的间距和均匀的占空比隔开，以定义周期性布置。在替代实施例中，特征41可以非均匀的间距和/或非均匀的占空比隔开，以定义变迹(即，非周期)布置。在一个实施例中，特征40可以与特征41具有相同的形状和/或以相同的图案排列。

特征40可以相对于纵轴35倾斜一定角度，且特征41也可以相对于纵轴35倾斜一定角度。相对于纵轴35处于不同旋转方向(例如，顺时针和逆时针)的特征40的倾角和特征41的倾角可以具有相等的绝对值。在替代实施例中，特征40和特征41的倾角可以具有基本相等的绝对值。在替代实施例中，特征40和特征41的倾角可以具有不相等的绝对值。

特征40可通过重叠布置定位在光栅耦合器12的特征20上方。在一个实施例中，特征40可以相对于特征20横向偏移，使得重叠布置偏移。在一个实施例中，特征40的图案可以与光栅耦合器12的特征20的图案相同或基本相同。在另一个实施例中，特征40的图案可以与光栅耦合器12的特征20的图案不同。在一个实施例中，特征40的数量可以不同于光栅耦合器12中特征20的数量。在一个实施例中，特征40的形状可以不同于光栅耦合器12的特征20的形状。在一个实施例中，光栅耦合器12的特征40和特征20可以具有相等的节距和/或相等的占空比。在一个实施例中，特征40可具有与光栅耦合器12的特征20不同的节距和/或占空比。

特征41可以重叠布置在光栅耦合器12的特征21上。在一个实施例中，特征41可以相对于特征21横向偏移，使得重叠布置偏移。在一个实施例中，特征41的图案可以与光栅耦合器12的特征21的图案相同或基本相同。在另一个实施例中，特征41的图案可以与光栅耦合器12的特征21的图案不同。在一个实施例中，特征41的数量可以不同于光栅耦合器12中特征21的数量。在一个实施例中，特征41的形状可以不同于光栅耦合器12的特征21的形状。在一个实施例中，光栅耦合器12的特征41和特征21可以具有相等的节距和/或相等的占空比。在一个实施例中，特征41可具有与光栅耦合器12的特征21不同的节距和/或占空比。

参考图5，其中类似的参考号表示图4中的类似特征，并且在随后的制造阶段，在光栅耦合器32上方形成介电层52。介电层52可由介电材料(例如二氧化硅)组成，介电材料通过化学气相沉积法沉积并通过例如化学机械抛光来平坦化以去除形貌。分段34嵌入或埋入介电层52的介电材料中，使得凹槽33由介电层52的介电材料填充。

后段工艺堆栈54可通过在介电层52和光栅耦合器32上方进行后段工艺处理(back-end-of-line；BEOL)处理形成。后段工艺堆栈54可包括一个或多个介电层56，其由介电材料组成，例如二氧化硅、氮化硅或低k介电材料。

在本文描述的任何实施例中，结构10可以集成到包括电子组件和附加光学组件的光电子芯片中。例如，电子组件可以包括通过CMOS前端工艺(front-end-of-line；FEOL)处理制造的场效应晶体管。

光栅耦合器12的形状类似鱼骨，其中分段22的区段30沿着脊柱定位，并且具有相对于区段26和28的曲率反转的曲率。光栅耦合器12包括由分段22的区段30定义的位于脊柱两侧的特征20、21。特征20、21和分段22的尺寸和位置应确保不会在工作波长下衍射或反射光，并作为有效的光学材料，因此定义了超材料。

光栅耦合器32的形状也类似鱼骨，其中分段34的区段50沿着脊柱定位，并且具有相对于区段46和48的曲率反转的曲率。光栅耦合器32包括由分段34的区段50定义的位于脊柱两侧的特征40、41。特征40、41和分段34的尺寸和位置应确保不会在工作波长下衍射或反射光，并作为有效的光学材料，因此定义了超材料。

结构10可提供耦合效率的改进、占用面积/形状因素的降低以及增强的稳健性和对制造变化的容忍度。在代表性实施例中，结构10包括两个光栅耦合器12、32，或者在替代实施例中，结构10可以仅包括光栅耦合器12或光栅耦合器32。

参考图6，根据替代实施例，光栅耦合器12的分段22的每个区段26、28、30可以包括多边形形状58，而不是弯曲形状，这些多边形58串行连接为线分段，以定义用于定义分段22的分段线性曲线。对于各分段22，区段30具有相对于区段26和区段28的曲率反向或反转的曲率。例如，区段26、28、30中的每一个可以包括三个多边形形状58，尽管数量在不同的实施例中可以变化并且可以近似弯曲形状。在替代实施例中，光栅耦合器32的分段34的区段46、48、50中的每一个可包括多边形形状而不是弯曲形状，其类似于多边形形状58并且作为线分段串联连接以定义用于定义分段34的分段线性曲线。

参考图7，根据替代实施例，可修改结构10以包括替换特征20、21的特征60和特征61。特征60可布置在阵列中，例如具有行(row)和列(column)的二维阵列，并且二维阵列的行可以相对于纵轴24倾斜或斜向一定角度。特征61可以布置在阵列中，例如具有行和列的二维阵列，并且二维阵列的行可以相对于纵轴24倾斜或斜向一定角度。在代表性实施例中，特征60的形状可以是矩形，且特征61的形状可以是矩形。在替代实施例中，特征60和/或特征61可以具有不同的形状，例如圆形或圆盘形状。

可定位特征60，以替换光栅耦合器12区域16中分段22的区段26的相应部分。在这种情况下，特征60不与分段22的区段26相交，而是横向定位，靠近截断的区段26的端部。可以定位特征61以替换光栅耦合器12的区域16中的分段22的区段28的相应部分。在这种情况下，特征61不与分段22的区段28相交而是横向邻接区段28的端部。位于区域16中的分段22可以具有比位于区域18中的分段22更短的长度。

在一个实施例中，光栅耦合器32的特征40、41可以被修改以包括类似于特征60、61的特征。在一个实施例中，光栅耦合器32的特征40、41可以被修改以包括类似于特征60、61的特征，并且可以省略光栅耦合器12的特征20、21。在替代实施例中，光栅耦合器32的特征40、41可以修改为包括类似于特征60、61的特征，并且可以保留光栅耦合器12的特征20、21。

参考图8、图9，根据替代实施例，结构10可以修改为包括具有光栅结构或分段74的另一个光栅耦合器72，这些光栅结构或分段74位于光栅耦合器32的分段34上方，位于结构10的不同高度。光栅耦合器72的构造可包括类似于光栅耦合器32的区段46、48、50的区段76、78、80。光栅耦合器72位于介电层52上。光栅耦合器72的分段74由凹槽73隔开，并沿纵轴75隔开。光栅耦合器32位于光栅耦合器12和光栅耦合器72之间的垂直方向上。

分段74在光栅耦合器72的布局中相对于纵轴75倾斜。光栅耦合器72的分段74的区段76、78、80以重叠布置定位在光栅耦合器32的分段34的区段46、48、50上方。光栅耦合器72的分段74可相对于光栅耦合器32的分段34纵向偏移，使得重叠布置在纵向偏移。

光栅耦合器72包括区段66，其具有多个与分段34相交的特征70、71和没有与特征70、71相似的特征的区段68。特征70、71的结构可以与特征40、41和特征20、21相似。

光栅耦合器72可由与构成光栅耦合器32的材料不同的材料和与构成光栅耦合器12和波导芯14的材料不同的材料构成。例如，光栅耦合器72可以由氮化硅构成，光栅耦合器32可以由多晶硅构成，并且光栅耦合器12可以由单晶硅构成。

上述方法用于制造集成电路芯片。由此产生的集成电路芯片可由制造商以原始晶圆形式(例如，作为具有多个未封装芯片的单个晶圆)、裸芯片或封装形式分布。芯片可以与其他芯片、分立电路元件和/或其他信号处理装置集成，作为中间产品或最终产品的一部分。最终产品可以是包括集成电路芯片的任何产品，例如具有中央处理器的计算机产品或智能手机。

本文中引用的由近似语言修改的术语，例如“约”、“大约”和“基本上”，不限于指定的精确值。近似语言可能对应于用于测量值的仪器的精度，除非另有取决于仪器的精度，否则可能表示规定值的+/-10％。

本文中对诸如“垂直”、“水平”等术语的引用是作为示例而非限制来建立参考框架的。本文中使用的术语“水平”被定义为与半导体基板的常规平面平行的平面，而不管其实际三维空间取向如何。术语“垂直”和“法线”指的是与水平面垂直的方向，正如刚才定义的那样。术语“横向”是指水平面内的方向。

与另一个特征“连接”或“耦合”的一个特征可以直接连接或耦合到另一个特征或与另一个特征耦合，或者可以存在一个或多个中间特征。如果不存在中间特征，则一个特征可以“直接连接”或“直接耦合”到另一特征或与另一特征一起。如果存在至少一个中间特征，则一个特征可以与另一特征“间接连接”或“间接耦合”。一个特征在另一各特征上或与另一特征接触，可以直接在另一特征上或与另一特征直接接触，或者反转，可以存在一个或多个中间特征。如果不存在中间特征，则一个特征可以直接在另一特征上，或与另一特征直接接触。如果存在至少一个中间特征，则一个特征可间接在另一特征上或与另一特征间接接触。如果一个特征延伸到另一个特征上并覆盖另一个特征的一部分，则不同的特征会重叠。

本发明的各种实施例的描述是为了说明的目的而给出的，但并不打算穷尽或局限于所公开的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。选择本文中使用的术语是为了最好地解释实施例的原理、相对于市场中发现的技术的实际应用或技术改进，或者使本领域的普通技术人员能够理解本文中公开的实施例。