波导覆盖层

第24卷第5期2005年l01红外与毫米波学报J.
InfraredMillim.
WavesVo1.
24.
No.
5October.
2005文章编号:1001—9014(2005)05—0390—04硅基SiO2平面光波导中硼磷硅玻璃覆盖层的制备和研究陈思乡,江征风,胡业发,刘文(1.
武汉理[大学机电工程学院,湖北武汉430070:2.
武汉邮电科学研究院,湖北武汉430074)摘要:利等离子增强化学气目沉干只方法.
在Sill/NO反应气体中掺入PH和B'H制备了用于硅基SiO平面七吱导的硼砖硅玻璃覆盖层.
铲忻了磷掺杂和硼掺杂对折射率的影响,提出了选择掺杂气体流量匹配折射率的方.
研究了退温吱和气氛对晏性能的影响.
高温退弋使膜昙的于千射率趋于稳定,对光的吸收损耗减小;采用氧气退可以抑制和消降氯气退太时嘎昙中出现的不透明的徽晶粒,改善膜层质量.
采用多步沉积退火方法,消除了台j十覆盖辛出现的空洞和气迫,得到了台阶的覆羞性和覆盖王坦度都较好的硼磷硅玻璃膜层.
关键词:平面七波导;硼磷硅玻璃;等离子增强化学气相沉积;台阶覆盖中图分类号:TN713文献标识码:PECVDIoSIT【oNoFBoRoPHoSPHoSILICATEGLASSUSEDFoRSILICA.
BASEDPLANARLIGHTWAVECIRCUITSCHENSi—Xiang,JIANGZheng—Feng,HUYe—Fa,LIUWen(1.
S(hoolofElectromechankSEngineering,uhanUniversit)ofTechnology.
Wuhan430070,China;2.
WuhanResear(·hInstituteofPostsandTelecommunications,Wuhan430074,China)Abstract:The1)or0phos}】hosili(ateglass(BPSG)laersasthefillingcoatingstosilica—basedplanarlightwavecircuitswereobtainedbyusingplasmaenhan(edchemical、apordepositionwithSill4/N2OandPH3,B2H6.
Theinfluenceofdopantsonrefracti~eiildexofBPSGIaverswasdis(·ussedandthemethodsrelatedtherefractiveindexofBPSGlayerstoPHandB,HgasesflowsWeresuggested.
Thealmealingeffe(·tsofBPSGlaverswerestudiedonitsopticalfeaturesandsurfacemapatdif-ferentalmealingconditions.
Byusingnmltipledepositionfollowedbyannealing,theperfectBPSGlayers.
whicharewithoutvoidan(1gapall(1withfi11esmoothness.
、vefabricartdKeywords:PIC;BPSG;PECVD:StepCoverage引言平面光波导器件已成功地在si基SiO,、纯si、聚合物、InP等材料上实现集成.
平面波导集成T艺愈来愈成熟,基于si基SiO、纯si等材料的光波导器件已开始商用,相对而言,si基SiO,波导是目前研究得较多较为成熟的技术平台.
si基SiO波导技术任光器件制作上有很多优点卜1.
商用硅片已任半导体工、I中广泛应用,它表面平整、光滑,m且面积大,成本低.
2.
SiO,已被广泛应用于光纤的制造中,其性能稳定,折射率能精确控制,并且在通信波段.
具有极高的透光性,其内在的传输损耗极低.
3.
SiO,波导能完全由现有商用设备来完成,其T艺过程和微电子制造工艺相一致,因而制造成本低.
4.
由于光纤也由二氧化硅制成,因此二氧化硅波导和光纤能够实现很好的折射率匹配,减小连接界面的光反射损失;波导和光纤之间的热膨胀系数相匹配,因而可以共融粘合在一起.
而且可利用成熟的半导体工艺设备,实现有源器件与无源器件的混合集成等.
硅基片上光波导为具有缓冲层(或称下包层),芯层和上包层的3层结构.
对于覆盖于芯层的上包层,采用PECVD沉积方法,其关键技术是在保证与缓冲层折射率值相匹配并具有相当厚度的条件下,具有对芯层的很好的平坦覆盖作用,特别是具有后续工序如电镀电极的光波导.
由于芯层已被刻蚀出光波导设计要求的图形,表面具有台阶和沟槽,因此为了达到紧密的包裹效果,在沉积过程中引入磷掺收稿Et期:2004—12—18.
修回Et期:2005—06—15Receiveddate:2004—12-18,reviseddate:2005-06-15基金项目:国家863汁q光电材料与器件主题项目(2001AA312020)作者简介:陈思乡(1963一).
男,湖北监利人.
武汉理1.
大学.
副教授.
博,现从事微小光学和光纤传感器的研究工作.
维普资讯http://www.
cqvip.
com第24卷第5期2∞5年lOfl红外与毫米波学报J.
InfraredMillim.
WavesVol.
24,No.
5October,2∞5文章编号:1001-9014{2∞5)05-0390-04硅基Si02平面光波导中珊磷硅玻璃覆盖层的制备和研究陈思乡\江征风\胡业发\文IJ文2(1.
武汉理E大学机电工程学院.
湖北武ìx.
43∞70;2.
武汉邮电科学研究院,湖北武汉43∞74)摘要:于iJ节等离子体增强化学气恼沉积方法.
在刊iH4/N,O反应气体中掺入PH3和民H6制备了用于硅基Si02平面专吱导的珊嗨哇玻璃覆盖层.
斗、忏了嗨掺杂和可1掺杂对折射率的影响,提出了选择掺杂气体流量匹配折射率的方法.
研究了'fl火温度和气氛对模罢性能的影响.
高温迟k使膜层的折射率趋于稳定,对光的吸收损耗减小;采用氧气退火可以抑制句消除氮气迟火时模层中出现的不透明的微晶粒,改善膜层质量采用多步沉积退火方法,消除了台斗覆盖中出现的空洞和气/!
L啕得到了台阶的覆盖性和覆盖立坦度都较好的棚磷硅玻璃膜层.
关键词:平百光;史导;珊磷硅玻璃:等离子体增强化学气相沉积;台阶覆盖中图分类号:1'\7日文献标识码:气PECVDDEPOSITIONOFBOROPHOSPHOSILICATEGLASSUSEDFORSILICA-BASEDPLANARLIGHT飞离rAVECIRCUITSCHENSi-XiangJ,JIANGZheng-FengJ,HUYe-Fa1,LIUWen2(1.
SchoolofElectrom肘hanicsEngint't'rinp:,WuhanlJniversit~ofTechnology,Wuhan43∞70,China;2.
WuhanRt'searchInstituteofPostsandTelecommunications,Wuhan43∞74,China)Abstract:Tht'horophospho日licateglass(RPSG)la\t'rsastht'fillingcoatingstosilica-basedplanarlightwavecircuitswereobtaim.
dhyu叭III草plasmat'nhallcedch.
.
rnical飞apordt'positionwithSiH,/N,OandPH3,B2H6'Theinfluenceofdopantsonrt'fracti飞eind俨"ofBPSGlawn;wa,discusst'dandtlwrnethodsrelatedtherefractiveindexofBPSGlayerstoPH3andB2H6在丛、t'sflowswt'rt'su;gestf'd.
Theannealingefft'!
'IsofRP约Glayerswerestudiedonitsopticalfeaturesandsurfacemapatdif-ferentannealing!
'onditions.
Byusingmultipl俨depositionfollowedhyannealin苔,theperfectBPSGlayers,whicharewithout飞oidand;apandwithfin俨叮1l0othness.
wen俨fahricatedKeywords:PLC;RPSG;PEC飞0;StepCovera;e引言平面光;皮导器件己成功地在Si基Si02、纯Si、聚合物、InP等材料上实现集成.
平面波导集b:X:工艺愈来愈成熟,基于Si基SiO、、纯Si等材料的光i皮导器件己开始商用,相对而言,Si基Si02波导是目前研究得较多较为成熟的技术平台,Si基Si02波导技术在光器件制作t有很多优点一卜3.
气1.
商用旺片己在中导体工业中广泛应用,它表面平整、光滑.
而且面积大,成本低.
2.
Si02已被广泛应用于光纤的制造中,其性能稳定,折射率能精确控制,并且在光通信波段.
具有极高的透光性,其内在的传输损耗极低.
3.
SiO、波导能完全由现有商用设备未完成.
其工艺过程和做电子制造工艺相一致.
因而制造成尔低.
4.
由于光纤也由二氧化硅制成,因此二氧化硅肢导和光纤能够实现很好的折射率匹配,减小连接界面的光反射损失;波导和光纤之间的热膨胀系数相匹配,因而可以共融粘合在一起.
而且可利用成熟的半导体工艺设备,实现有源器件与无源器件的昆合集成等.
硅基片上光波导为具有缓冲层(或称下包层),芯层和上包层的3层结构.
对于覆盖于芯层的上包层,采用PECVD沉积方法,其关键技术是在保证与缓冲层折射率值相匹配并具有相当厚度的条件下,具有对芯层的很好的平坦覆盖作用,特别是具有后续工序如电镀电极的光波导.
由于芯层已被刻蚀出光波导设计要求的图形,表面具有台阶和沟槽,因此为了达到紧密的包裹效果,在沉积过程中引人磷掺收稿日期:2∞4-12-18,修回日期:2005-06-15Receiveddate:2ω4-12-18,revi睡ddate:2005-06-15基金项目:国家863计划尤电r材料与;l~件仨题项目(2ool.
\A飞12020)4幸者简介:陈思乡(1963-).
男.
湖北监利人.
武汉理工大学.
副教授.
博十丁.
现从事微小光学和光纤传感器的研究工作5期陈思乡等:硅基SiO平面光波导中硼磷硅玻璃覆盖层的制备和研究391杂,降低其软化温度,增加流动性,但是磷掺杂会使折射率降低,因此为补偿这一现象还需进行硼掺杂,达到折射率平衡,而将含有P:O和B:O的SiO:玻璃称为BPSG(Bor0phosph0siIicateglass).
BPSG进行退火时,可以使上包层的流动性更好,覆盖更加紧密,表面更加平滑.
1实验方法膜层的沉积是在英国STS公司具有平行板电极结构的Multi—PECVD设备上进行的.
电极直径为300mm,产生等离子体的激励频率为380kHz,电极高度为约30ram,反应气体为SiH/NO主反应气体和氢或氮稀释的GeH4、BH、PH等掺杂气体,采用SiH/N:O气体组合,沉积纯SiO层,加入BH、PH等气体沉积上包层.
在该PECVD系统中,采用SiH/NO主气体体系而不采用SiH/O的缘故是因为N,O的激活能(Ea=2.
5ev/molecule)比O2的激活能(Ea=6.
5ev/molecule)低得多,NO的化学键比O,更容易断裂,形成高的沉积速率.
衬底为单面抛光(1O0)晶向的4"硅片,衬底温度为200~400oC,射频功率为500~900W,本底真空小于0.
1mT,反应气压为200mT~600roT,沉积速率200nm/rain以上.
大部分的性能测试是在裸硅片上沉积BPSG膜层进行的,而填充特性和平坦性研究是在刻蚀了图形的基片上进行.
图形的刻蚀深度一般为大于6m,图形形成采用法国BPSNextral660L反应离子刻蚀设备(ReactiveIonEtching)完成,刻蚀反应气体为CHC13/Ar,采用2.
45GHz和13.
56MHz的标准微波和射频源.
折射率和膜层厚度的测试采用美国Metricon2010棱镜耦合仪.
2结果与讨论2.
1膜层折射率和组分在SiH/N:O主反应气体中引入PH3和BH掺杂的基本反应为.
'、:(1)SiH4+2N20—}Si02+2H2+2N2,(2)2PH3+5N20—}P2O5+3H2+5N2,(3)B2H6+3N20—}B2O3+3H2+3N2,气体在进入反应室时已进行充分的混合,因而生成的反应产物SiO、P!
O、B.
O,均匀分布于膜层中,形成折射率均匀的膜层(在lOOmm直径范围,膜层的折射率不均匀性小于0.
0003).
图1是分别进行磷掺杂和硼掺杂时膜层折射率随掺杂气体流量的关系,可以看出,在一定气体流量l0l2l4l6l8202224262830323436384042F图1膜层折射率R与BH、P气体流量F的关系曲线Fig.
1RefractiveindexofthelayerVSgasesflowofdiboraneofPH3OFB2H6范围内,膜层折射率随着掺杂气体流量变化基本呈线性关系,对于磷掺杂折射率单调增加,而对于硼掺杂折射率单调减少.
在磷硼掺杂同时存在时,膜层折射率可以认为是两种掺杂效应叠加的结果,因而通过这一实验结果可以进行折射率的匹配.
即选择磷烷(硼烷)掺杂气体的流量而确定另一掺杂气体硼烷(磷烷)的气体流量,使沉积的BPSG膜层的折射率与光波导下包层(纯氧化膜)的折射率相一致或相接近.
如选择磷烷的流量分别为12sccm、16sccm和20sccm时,根据实验曲线确定的硼烷流量相应为16sccm、22sccm和27sccm,得到的3种BPSG膜层的折射率分别1.
4452,1.
4448,1.
4450,都与热氧化光波导下包层的折射率1.
4450符合的相当好,测试波长为1546nm.
图2是对PH3/BH6流量为16sccm/22sccm的样品进行组分测试的XPS能谱,分析仪器为KRA—TOSXSAM800,以沾污碳C1S=284.
8eV为能量参考,得到磷硼掺杂原子的含量分别为P=2.
1at%,B:6.
2at%.
这与采用气体流量简当估算的结果相一致.
2.
2退火处理2520&15ulO0lOO200300400500600BE.
/eV图2BPSG膜层的XPS谱Fig.
2AtypicalXPSspectrumoftheBPSGlayer维普资讯http://www.
cqvip.
com5期陈思乡等:硅基Si02平面光波导中棚磷硅玻璃覆盖层的制备和研究391杂,降低其软化温度,增加流动性,但是磷掺杂会使折射率降低,因此为补偿这一现象还需进行唰掺杂,达到折射率平衡,而将含有P205和B203的Si02玻璃称为BPSG(Borophosphosilicateglass).
BPSG进行退火时,可以使上包层的流动性更好,覆盖吏加紧密,表面更加平滑.
1实验方法膜层的沉积是在英国STS公司具有平行板电极结构的Multi-PECVD设备上进行的.
电极宦径为3oomm,产生等离子体的激励频率为380kHz,电极高度为约30mm,反应气体为SiH/N20主反应气体和氢或氮稀释的GeH4、B2H6、PHJ等掺杂气体,采用SiH4/N20气体组合,沉积纯Si02层,加入B2H6、PH3等气体沉积上包层.
在该PECVD系统中,采用SiH/N20主气体体系而不采用SiH/02的缘故是因为N20的激活能(Ea=2.
5ev/molecule)比O2的激活能(Ea=6.
5ev/molecule)低得多,N20的化学键比0,更容易断裂,形成高的沉积速率.
衬底为单面抛光(I∞)晶向的4"硅片,衬底温度为200-400'(:,射频功率为500-900'ì万,本底真空小于0.
1mT,反应气压为200mT-600mT,沉积速率200nmlmm以上.
大部分的性能测试是在裸硅片上沉积BPSG膜层进行的,而填充特性和平坦性研究是在刻蚀了图形的基片上进行.
图形的刻蚀深度一般为大于6μm,图形形成采用法国BPSNextral660L反应离子刻蚀设备(React附IonEtching)完成,刻蚀反应气体为CHCI3/Ar,采用2.
45GHz和13.
56MHz的标准微歧和射频源.
折射率和膜层厚度的测试采用美国Metricon2010棱镜榈合仪.
2结果与讨论2.
1膜层折射率和组分在Si.
H4/N20主反应气体中引入PH3和民H6掺杂的基本反应为[4.
5:(1)Si凡+2N20→Si吼叫H2+2N2(2)2PH3+5N20P20S+3H2+5N2(3)B2H6+3N20B20J+3H2+3N2气体在进入反应室时已进行充分的服合,因而生成的反应产物Si02、P20s,B203均匀分布于膜层中,形成折射率均匀的膜层(在loomm直径范围,膜层的折射率不均匀性小于O.
∞03).
图l是分别进行磷掺杂和棚掺杂时膜层折射率随掺杂气体流量的关系,可以看出,在→定气体流量.
产[=~:~Ir1.
4430飞、1.
4425fl/\\it1.
4405l斜7~.
.
/\~1.
44001012141618202224262830323436384042F图l膜层折射率R与民陀、PH3气体流量F的关系曲线Fig.
1RefractiveindexofthelayerVSgasesf10wofdiboraneofPH3orB2H6范围内,膜层折射率随着掺杂气体流量变化基本呈线性关系,对于磷掺杂折射率单调增加,而对于跚掺杂折射率单调减少.
在磷棚掺杂同时存在时,膜层折射率可以认为是两种掺杂效应叠加的结果,因而通过这一实验结果可以进行折射率的匹配.
即选择磷娩(棚J皖)掺杂气体的流量而确定另一掺杂气体棚皖(磷皖)的气体流量,使沉积的BPSG膜层的折射率与光波导下包层(纯氧化膜)的折射率相一致或相接近.
如选择磷皖的流量分别为12sccm、16sccm和20sccm时,根据实验曲线确定的棚皖流量相应为16sccm、22sccm和27sccm得到的3种BPSG膜层的折射率分别1.
4452,1.
斜48,1.
4450,都与热氧化光波导下包层的折射率1.
4450符合的相当好,测试披长为1546nm.
图2是对PH/B2H6流量为16sccml22sccm的样品进行组分测试的XPS能谱,分析仪器为KRATOSXSAM8∞,以沾污碳Cls=284.
8eV为能量参考,得到磷棚掺杂原子的含量分别为P=2.
1at%,B=6.
2at%.
这与采用气体流量简当估算的结果相一致.
2.
2退火处理20000a巳一~1500010∞01500.
OSi.
100200300400500600B.
E.
leV图2BPSG膜层的XPS谱Fig.
2AtypicalXPSspectrumoftheBPSGlayer红外与毫米波学报和热氧化生长的SiO!
膜层相比,PECVD沉积的氧化物膜层是多孔的和疏松的,膜层中具有针孔和si—H、Si.
OH、Si.
N、N—H等大的陷阱态密度,因而必须进行退火处理,使膜层致密化并消除膜层中的这些不期望的化学键,并使波导膜层对光的吸收损耗达到最小.
图3是BPSG膜层的折射率随退火温度变化的情况,可以看出BPSG膜层的折射率在退火温度达到800℃时基本趋于稳定,退火温度进一部增加折射率不再发生变化,和沉积的纯SiO膜层相比,尽管在800℃左仃折射率有一个较大的减小,直到l】00~(2膜层折射率才趋于稳定.
一般认为800℃附近折射率的减小是一OH键断裂消失所致,而si.
H、N—H键的断裂消失需要约11【)()℃的退火温度.
退火气氛对BPSG的退火具有非常重要的影响,实验中研究了N和O,两种退火气氛.
当BPSG样品在N!
中退火时,对于掺杂浓度确定的样品当退火温度高于某一值时,样品的表面会出现一种灰白色的不透明的颗粒;如果退火温度不变而样品的掺杂浓度超过一定值时,样品的表面也会出现这种灰白包的不透明的颗粒.
膜层的掺杂浓度越大,出现透明颗粒的退火温度越低;掺杂浓度越小,出现透明颗粒的退火温度越高.
图4是在N!
中950~C退火时3种不同浓度的掺杂样品(A、B、C)表面的显微照片.
3种样品的掺杂气体PH/B:H流量比分别为A:12sccnV16sccm、B:16sccm/2Osccm、C:22seem/27stm.
图4(a)中完全观察不到不透明颗粒的存住,图4(b)中出现许多的不透明颗粒,并且集中于样品的中央向四周扩展,图4(c)中的不透明颗粒则遍布整个样品.
值得注意的是当只进行磷掺杂直到PH流量达到30seem或只进行硼掺杂直到B,H流量达到45SCCIII,沉积的膜层在相同条件下退火时.
3BPSG膜层折射率R与退火温度的关系Fig3Reffa('tixPindexRoftheBPSGla.
veratdifferentanlitatingtemperatureT图4950~C退火温度下具有不同B和P含量的BPSG膜层的表面照片Fig.
4ParticlesdistributiononwaferwithdifferentBandPcontentatannealing950~C膜层表面都不会产生这种不透明的灰白色颗粒.
因此可以认为这种颗粒由磷硼共同作用产生,属于硼磷化合物.
当退火气氛为纯O时,膜层表面上述不透明的颗粒得到抑制,对于A、B、C3种样品即使退火温度达到1050℃,膜层表面也是光洁而透亮,如图4(a).
对于退火过程中膜层表面出现颗粒的解释,K.
Ahmed和C.
Geisert等人[4]认为这种颗粒是BPO微晶粒,其形成过程由下列反应给出.
(a)B2O3+3H2O2H3BO3,(b)P2O5+3H2O一2H3PO4,(C)HBO+HPO4——BPO4·3H,O,(d)BPO4·3H2O--}BPO4+3H2O,首先BPSG膜层吸附水分形成硼酸和磷酸,两者反应生成可溶性的含水的BPO.
3H,O,在高温下去水形成难溶的不透明的BPO颗粒.
但是这难于解释在氧气氛下退火对颗粒形成的抑制作用.
作者认为尽管膜层表面形成的颗粒是BPO微晶粒,但其形成过程应和SiO,膜层中磷和硼的扩散有关,一般来说硼在SiO中的扩散系数很低,而且氮还可以阻碍硼扩散通道降低硼的扩散率,而磷在SiO,的扩散系数比硼高得多.
在N中退火时,高温下大量的磷扩散到膜层表面,与膜层表面存在的硼形成了BPO微晶粒;而在O中退火时,氧的存在可能阻碍了磷的外扩散.
进一步的研究正在进行之中.
2.
3台阶覆盖在SiO膜层中掺人磷杂质或硼杂质能够显著降低膜层的熔点或软化点,增加膜层的流动性,掺杂浓度越大膜层软化点越低.
和大规模半导体集成电路工艺中的BPSG覆盖不同,平面光波导的BPSG膜层除了要求具有好的回流特性、好的台阶覆盖效果和好的覆盖平坦性外,还要求和下包层具有较好的折射率匹配,而且要求较厚的覆盖层,厚度约为l5~20txm,以保证波导中传输的光波不会被泄漏.
填充的台阶深度较深为6txm以上,深宽比大于6:1.
维普资讯http://www.
cqvip.
com392红外与毫米i皮学报24卷和热氧化生长的Si02膜层相比,PECVD沉积的氧化物膜层是多孔的和琉松的,膜层中具有针孔和Si-H、Si-OH、Si-N、N-H等大的陷阱态密度.
因而必须进行退火处理,{I吏膜层致密化并消除膜层中的这些不期望的化学键,并使波导膜层对光的吸收损耗达到最小.
图3是BPSG膜层的折射率随退火温度变化的情况,可以看出BPSG膜层的折射率在退火温度达到8ω℃时基本趋于稳定,退火温度进一部增加折射率不再发生变化,和沉积的纯Si02膜层相比,尽管在800'C左右折射率有一个较大的减小,但直到IIOO'C膜层折射率才趋于稳定.
一般认为800'C附近折射率的减小是-OH键断裂消失所致,而且-H、:\-H键的断裂消失需要约1100'C的退火温度.
退火气氛对BPSG的退火具有非常重要的影响,实验中研究了风和O2两种退火气氛.
当BPSG样品在N2中退火时,对于掺杂浓度确定的样品当退火温度高于某一值时,样品的表面会出现一种灰白色的不透明的颗粒;如果退火温度不变而样品的掺杂放度超过一定值时,样品的表面也会出现这种灰白色的不透明的颗粒.
膜层的掺杂浓度越大,出现不透明颗粒的退火温度越低:掺杂浓度越小,出现不透明颗粒的退火温度越高.
图4是在N2中950'C退火时3种不同浓度的掺杂样品(A、B、C)表面的显微照片.
3种样品的掺杂气体PH/R2H.
流量比分别为气12sccm/16sccm、B:16sccm/20sccm、C:225ccml27们'm.
图4(a)中完全观察不到不透明颗粒的存在.
图4(b)中出现许多的不透明颗粒,并且集中于样品的中央向四周扩展,图4(c)中的不透明颗粒则遍市整个样品.
值得注意的是当只进行磷掺杂直到PH,流量达到30s叭响1或只进行删掺杂直到民吨流量达到45sccm,沉积的膜层在相同条件下退火时.
1.
4581.
4561.
4541.
452电1.
4501.
4481.
4461.
444'500EEa70080090010001100TlCi要j3BPSG膜后折射率R与退火温度T的关系Fi~.
3Refracti飞t'indexRoftheBPSGlaveratdifferentannt'alingtemperaturt'T(a);二}12ihli三号111泛平士、立了I~二二.
210411(b)(c)因4950"C退火温度下具有不同B和P含量的BPSG膜层的表面照片Fig.
4PartìclesdistributiononwaferwìthdifferentBandPcontentatannealìng950"C膜层表面都不会产生这种不透明的灰白色颗粒.
因此可以认为这种颗粒由磷棚共同作用产生,属于跚磷化合物.
当退火气氛为纯O2时,膜层表面上述不透明的颗粒得到抑制,对于A、B、C3种样品即使退火温度达到1050'C,膜层表面也是光洁而透亮,如图4(a).
对于退火过程中膜层表面出现颗粒的解释,K.
Ahrr时和C.
Geise时等人[4J认为这种颗粒是BP03微晶粒,其形成过程由下列反应给出.
(a)B203+3H202H3B03(b)P205+3H202H3P04(c)H3B03+H3P04BP04.
3H20(d)BP04.
3H20BP04+3H20首先BPSG膜层吸附水分形成棚酸和磷酸,两者反应生成可榕性的含水的BP03.
3H20,在高温下去水形成难榕的不透明的BP03颗粒.
但是这难于解释在氧气氛下退火对颗粒形成的抑制作用.
作者认为尽管膜层表面形成的颗粒是BP03微晶粒,但其形成过程应和Si02膜层中磷和珊的扩散有关,一般来说棚在Si02中的扩散系数很低,而且氮还可以阻碍棚扩散通道降低棚的扩散率,而磷在Si02的扩散系数比棚高得多.
在N2中退火时,高温下大量的磷扩散到膜层表面,与膜层表面存在的棚形成了BP03微晶粒;而在O2中退火时,氧的存在可能阻碍了磷的外扩散.
进一步的研究正在进行之中.
2.
3台阶覆盖在Si02膜层中掺入磷杂质或棚杂质能够显著降低膜层的熔点或软化点,增加膜层的流动性,掺杂浓度越大膜层软化点越低.
和大规模半导体集成电路工艺中的BPSG覆盖不同,平面光波导的BPSG膜层除了要求具有好的回流特性、好的台阶覆盖效果和好的覆盖平坦性外,还要求和下包层具有较好的折射率匹配,而且要求较厚的覆盖层,厚度约为15-20μm,以保证波导中传输的光波不会被泄漏.
填充的台阶深度较深为6μm以上,深宽比大于6:1.
5期陈思乡等:硅基SiO平面光波导中硼磷硅玻璃覆盖层的制备和研究393图5是几种情况下台阶覆盖的微观照片,退火温度均为98O℃,退火气氛为不产生微晶粒的氧气,升降温速率为2.
5~C/min,温度保持时间为2小时,填充的台阶深度均为6.
5m.
图5(a)中膜层的掺杂量相当于A样品磷烷和硼烷的流量,沉积的膜层仅为lO1.
~m,分两步沉积,即每沉积5m进行退火处理.
可以看出,在台阶的边缘和拐角处存在较大的空洞,台阶的覆盖性较差,这些空洞是在膜层沉积时覆盖形成并在高温回流时保存下来的.
包层中空洞的存在会使波导中光波的损耗增大,必须加以消除.
图5(b)是选择适当的多步沉积退火步骤后台阶的覆盖情况,膜层的掺杂量与A样品磷烷和硼烷的流量相同,沉积的膜层也为lOt~m,可以看到空洞已经完全得以消除,达到了对台阶的很好覆盖,台阶覆盖率大于80%,但是在台阶上面形成了较高隆起的覆盖层,即膜层的回流性较差导致覆盖平坦性不好,很显然这是由覆盖膜层的掺杂浓度不够回流特性不好所致.
图5(C)是增加硼磷掺杂浓度的情况,膜层的掺杂量与B样品磷烷和硼烷的流量相同,采用相同的多步沉积退火步骤.
可以看出,台阶的覆盖性和覆盖平坦度都较好.
但是如果掺杂浓度太高,光波的损耗会很大,而且高浓度的磷具有强的吸潮性,因而膜层变得不稳定.
对于深宽比大于6:1的AWG图样的蔓图5BPSG膜层台阶覆盖的截面图形Fig.
5ThecrosssectionofstepcoverageoftheBPSGlayer01qpatternsBPSG覆盖,台阶仪测试结果表明,在覆盖层厚度达20t~m时,表面的起伏基本在1m范围内,能很好地满足后续工序如波导型热光开关等电极的制作.
需要说明的是图5(a)和图5(b)中被覆盖的台阶为硅台阶,而图5(C)中的台阶为实际的波导芯层即掺锗的SiO,膜层,由于芯层和包层的折射率相差较小,因此照片中芯层图形较为模糊.
3结论利用PECVD在SiO,膜层中掺入硼磷杂质的方法,进行了平面光波导的BPSG覆盖层的制作,采用多步沉积退火工艺并选择适当的掺杂浓度,获得了台阶覆盖率和平坦性都较好的覆盖效果.
采用这种覆盖工艺制备的直波导的插入损耗在1550nm波长小于0.
1dB/cm,制作的100GHz通道间隔的AWG型DWDM芯片,特性指标较好,达到了实用化水平.
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com5期陈思乡等:硅基SiOz平面光波导中棚磷硅玻璃覆盖层的制备和研究393图5是几种情况下台阶覆盖的微观照片,退火温度均为980't:,退火气氛为不产生微晶粒的氧气,升降温速率为2.
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5μm.
图5(a)中膜层的掺杂量相当于A样品磷皖和跚烧的流量,沉积的膜层仅为10μm,分两步沉积,即每沉积5μm进行退火处理.
可以看出,在台阶的边缘和拐角处存在较大的空洞,台阶的覆盖性较差,这些空洞是在膜层沉积时覆盖形成并在高温回流时保存下来的.
包层中空洞的存在会使波导中光波的损耗增大,必须加以消除.
图5(b)是选择适当的多步沉积退火步骤后台阶的覆盖情况,膜层的掺杂量与A样品磷皖和跚烧的流量相同,沉积的膜层也为10μm,可以看到空洞已经完全得以消除,达到了对台阶的很好覆盖,台阶覆盖率大于80%,但是在台阶上面形成了较高隆起的覆盖层,即膜层的回流性较差导致覆盖平坦性不好,很显然这是由覆盖膜层的掺杂浓度不够回流特性不好所致.
图5(c)是增加跚磷掺杂浓度的情况,膜层的掺杂量与B样品磷皖和跚皖的流量相同,采用相同的多步沉积退火步骤.
可以看出,台阶的覆盖性和覆盖平坦度都较好.
但是如果掺杂浓度太高,光波的损耗会很大,而且高浓度的磷具有强的吸潮性,因而膜层变得不稳定.
对于深宽比大于6:1的AWG图样的(a)图5BPSG膜层台阶覆盖的截面图形Fig.
5ThecrosssectionofstepcoverageoftheBPSGlayeronpatternsBPSG覆盖,台阶仪测试结果表明,在覆盖层厚度达20μm时,表面的起伏基本在1μm班围内,能很好地满足后续工序如被导型热光开关等电极的制作.
需要说明的是图5(a)和图5(b)中被覆盖的台阶为硅台阶,而图5(c)中的台阶为实际的波导芯层即掺锚的Si02膜层,由于芯层和包层的折射率相差较小,因此照片中芯层图形较为模糊.
3结论利用PECVD在Si02膜层中掺入跚磷杂质的方法,进行了平面光波导的BPSG覆盖层的制作,采用多步沉积退火工艺并选择适当的掺杂浓度,获得了台阶覆盖率和平坦性都较好的覆盖效果.
采用这种覆盖工艺制备的直波导的插入损耗在1550nm波长小于O.
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