PhC-резонаторы из поликристаллического кремния для КМОП на

Том 12 научных докладов, Номер статьи: 17097 (2022) Цитировать эту статью

1287 Доступов

15 Альтметрика

Подробности о метриках

В этой работе мы представляем встроенное решение для интеграции 2D и 3D фотоники, совместимое с интеграцией Front End of Line (FEOL), с использованием осажденного поликристаллического кремния (poly:Si) для оптических межсоединений. Здесь обсуждается интеграция осажденного кремния на объемной кремниевой пластине во всех этапах ее обработки и конфигурациях. Кроме того, показаны результаты использования кремниевых высокодобротных фотонно-кристаллических (PhC) резонаторов, демонстрирующие возможность использования оптических резонаторов, созданных на основе этого материала, в следующем поколении 2D и 3D интегрированных оптических межсоединений.

Потребность в фотонике на уровне процессоров в последние годы значительно возрастает. Недавнее уменьшение размера транзисторов (вплоть до эквивалента узла 2 нм — 333,33 MTr/мм21,2 и прогнозируемого узла 1 нм в 20293 году), переведенное в увеличение плотности транзисторов, привело к быстрому росту числа плавающих транзисторов. точечных операций (FLOP), которые могут выполнять процессоры, с 1 терафлопс в 2007 году до 7,2 терафлопс в 2015 году и до прогнозируемых 96,8 терафлопс в 2022 году. Более того, чтобы поддерживать оптимальное соотношение архитектуры процессора 1 байт/флопс, чип ввода-вывода пропускная способность требует непрерывного масштабирования до нескольких сотен Тбит/с1. Однако площадь чипа ограничена его текущим размером из-за производительности и стоимости производства, что проявляется в очень медленном увеличении количества сигнальных выводов, что сильно ограничивает возможности упаковки чипа. Отсюда следует, что текущие требования к полосе пропускания могут быть удовлетворены только за счет увеличения тактовой частоты вне кристалла до 65 ГГц к 20294 году. Одновременно с этим внутреннее тепловыделение ограничивает максимальное энергопотребление чипа до 300 Вт2, при этом необходимо также сократить энергетический бюджет для выключенного состояния. -чип связи от тысяч до десятков фДж/бит. Вследствие этих требований к полосе пропускания и энергии оптические межсоединения необходимо реализовать на электронном чипе вместо существующих электрических каналов. Традиционный подход к упаковке оптики и электроники включает в себя соединение оптических соединений на электронике, полоса пропускания которой, однако, по-прежнему ограничена шагом сигналов ввода-вывода с перевернутой микросхемой. Этот подход проявляется в паразитном электричестве, влияющем на производительность как оптических, так и электронных компонентов, а также влияющем на плотность полосы пропускания. Другой многообещающий подход к интеграции заключается в монолитной внешней интеграции кремниевых фотонных схем, которая предполагает реализацию оптических и электронных компонентов в одном и том же слое КНИ кристаллического кремния, на одном кристалле5, что обеспечивает очень компактную интеграцию фотоники и электроники. , максимизируя плотность полосы пропускания и снижая паразитные эффекты. Однако, помимо более высокой стоимости SOI по сравнению с объемными кремниевыми пластинами, этот подход серьезно снижает производительность электроники, поскольку на длинах волн телекоммуникаций оптическое ограничение с низкими потерями в фотонных волноводах требует скрытого оксида толщиной не менее 1 мкм, в то время как SOI-транзисторы требуют очень высокой стоимости. тонкий заглубленный оксид (100 нм или ниже) для рассеивания тепла и электростатических эффектов. Толстый слой оксида означает, что длина затвора транзистора должна быть больше 100 нм, а плотность транзисторов снижается6,7, что значительно ограничивает производительность и масштабируемость процессоров. Некоторые усилия также были направлены на внешнюю интеграцию волноводов на объемных Si8,9,10 и тонких подложках КНИ11,12, но эти методы всегда включают этапы изготовления, включающие модификацию слоя кремниевой электроники. Другой подход к интеграции, называемый монолитной внутренней интеграцией13, предполагает реализацию фотонных компонентов в разных плоскостях по отношению к уровню электроники, обеспечивая высокую плотность полосы пропускания, аналогичную процессам внешней обработки, но с добавленной возможностью сохранить оптимизированное производство. транзисторного уровня без изменений, в отличие от требований внешней интеграции. Фотонный слой обычно включает осажденный кремний в различных фазах и формах, поскольку стандартный кристаллический кремний не может быть нанесен с помощью стандартной КМОП-технологии, а формируется только посредством эпитаксиального роста14, если кристаллическая затравка уже присутствует, или перенесена с донорской пластины c:Si на другую целевая пластина посредством ионной имплантации и склеивания пластин15,16, как и в случае с SOI. Осажденные кремниевые материалы для фотоники могут принимать форму нитрида кремния (SiN), аморфного кремния (a:Si) и, в последнее время, поликристаллического кремния (poly:Si). Несмотря на оптимизацию оптических свойств этих осажденных материалов, платформы SiN и a:Si по своей сути обладают плохими электрическими свойствами (низкая эффективная подвижность носителей заряда) из-за их аморфной атомной структуры, в отличие от того, что обычно требуется для электрооптической модуляции, переключения и фотодетектирование. И наоборот, нанесенный поли:Si, все еще совместимый с внешней интеграцией, характеризуется электрическими свойствами, аналогичными монокристаллическому кремнию, что открывает возможность использовать этот материал в полностью интегрируемых и очень эффективных оптоэлектронных компонентах. Тем не менее, осажденный поли:Si обычно демонстрирует высокую шероховатость поверхности и многочисленные границы зерен, что сильно влияет на оптические характеристики фотонных компонентов, главным образом из-за механизмов рассеяния. Более того, почти все описанные слои поли:Si требовали высокотемпературного осаждения, отжига и последующей обработки (обычно T ≥ 900 °C), как показано в17,18,19,20,21,22. Этот температурный диапазон несовместим с производственной обработкой23, что приводит к диффузии электронного легирования, и поэтому не может использоваться для вертикальной интеграции. В этой работе мы оптимизируем осажденную платформу из поли: кремния посредством лазерного отжига и процессов химико-механической планаризации для разработки высококачественных резонаторов PhC, которые будут использоваться в интегрированных оптических межсоединениях, совместимых с FEOL (помимо полной совместимости с интеграцией BEOL24). В этой работе мы также создаем гладкий поли:Si на толстых островках SiO2, вложенных в объемную пластину Si. Созданные области поли: кремния на пластине подходят для фотоники без ущерба для пригодности остальной части пластины для высокопроизводительных транзисторов. Улучшение взаимодействия света с веществом, обеспечиваемое фотонными кристаллами, позволяет создавать высокопроизводительную фотонику, занимающую лишь небольшую часть площади пластины.