GlobalFoundry的300mm硅光子工藝平臺

  這篇筆記主要參考GlobalFoudry(以下簡稱GF)最近發(fā)表的文章"300mm Monolithic Silicon Photonics Foundry Technology"，介紹下GF的硅光子工藝平臺。

  GF采用90nm的CMOS工藝，不僅提供了光學(xué)元件的PDK，而且提供了用于模擬/數(shù)字控制電路的電學(xué)元件。光學(xué)元件主要有：Si波導(dǎo)、SiN波導(dǎo)、Mach-Zehnder調(diào)制器、Ge探測器、端面耦合器、偏振轉(zhuǎn)換器件、熱相移器和用于CWDM4的波分復(fù)用器。Mux/DeMux是GF的特色之一，其他Foundry都沒有提供類似的PDK。電學(xué)元件包括：RF無源器件、ESD保護(hù)電路、e-fuse嵌入式存儲器、標(biāo)準(zhǔn)的CMOS元件。

  下圖是GF硅光制程的截面圖，

(圖片來自文獻(xiàn)2)

  GF的SOI厚度是170nm, 而不是傳統(tǒng)的220nm。金屬有7層，6層為Cu, 1層為Al。而一般的硅光工藝為2/3層Cu。GF還提供了V-groove的制程，用于端面耦合器處光纖的放置。

  GF采用浸沒式光刻的方法制備波導(dǎo)，他們對比了干法刻蝕和浸沒式光刻對波導(dǎo)參數(shù)的影響

(表格來自文獻(xiàn)1)

  從上表中可以看出，采用浸沒式光刻，波導(dǎo)寬度的刻蝕誤差更小，側(cè)壁粗糙度也更小。O波段下，350nm寬度波導(dǎo)的傳播損耗約為1.5dB/cm, 810nm寬度波導(dǎo)的傳播損耗約為0.5dB/cm。SiN波導(dǎo)的傳輸損耗為0.3dB/cm。

  對于彎曲波導(dǎo)，GF采用了OPC(opitcal proximity correction)的方法, 將彎曲波導(dǎo)轉(zhuǎn)變成一段段臺階相連的多邊形，如下圖所示，其目的是光刻時(shí)得到平滑的彎曲波導(dǎo)圖案。但是GF并沒有提供采用OPC方法后的彎曲波導(dǎo)損耗，小豆芽對這一點(diǎn)存疑。

(圖片來自文獻(xiàn)1)

  GF提供了Mach-Zehnder型調(diào)制器的PDK, 采用travelling wave電極，可以實(shí)現(xiàn)14GHz/20GHz的調(diào)制速率，V_pi*L約為1.54V.cm。調(diào)制器結(jié)構(gòu)如下圖所示，

(圖片來自文獻(xiàn)2)

  采用750℃的Ge生長工藝，GF的鍺探測器暗電流為35-70nA, 響應(yīng)率為1A/W, 3dB帶寬約為40GHz。

(圖片來自文獻(xiàn)2)

  GF的端面耦合器采用的是IBM的方案(參看IBM的硅光封裝方案)，如下圖所示。1310nm時(shí)TE模的耦合效率為0.7dB, TM模的耦合效率為1.4dB。

(圖片來自文獻(xiàn)1)

  GF的偏振分束旋轉(zhuǎn)(PSR)器件, 如下圖所示。TM模的插損約為1dB, 工作帶寬為60nm，TE/TM的消光比約為27dB。

(圖片來自文獻(xiàn)1)

  GF的Mux/DeMux采用級聯(lián)MZI的方案，并且借助于熱相移器的調(diào)控，串?dāng)_小于25dB, 單通道的插損為2.5dB。使用熱相移器，可以調(diào)控每個(gè)通道的中心波長，波長可變化+/- 3nm。

(圖片來自文獻(xiàn)1)

  GF的熱相移器為undercut型熱相移器，采用V-groove類似的工藝刻蝕掉硅襯底，用于提高相移器的調(diào)制效率。最終的P_pi約為2.81mW。

(圖片來自文獻(xiàn)1)

  關(guān)于CMOS元件，GF并沒有詳細(xì)介紹相應(yīng)的元器件，只是對比了GF不同工藝下TIA的性能，如下圖所示。硅光工藝下的TIA可支持36Gb/s的接收速率。

(圖片來自文獻(xiàn)1)

  對于每個(gè)元器件，GF提供的PDK并不都是最優(yōu)的。但是它提供了詳實(shí)的數(shù)據(jù)，給出了同一wafer不同die上器件的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)對于產(chǎn)品的yield分析非常重要。一般而言，wafer中間的器件性能相對較好。GF提供了單片集成Driver和TIA的可能。此外GF還提供了Mux/DeMux的PDK, 這也是其特色之一。GF下一步將推出45nm的硅光工藝。

  (圖片來自文獻(xiàn)2)

  目前提供硅光工藝的IC fab， 主要有TSMC、GlobalFoundry和SilTerra。希望在這些芯片加工大廠的推動(dòng)下，硅光工藝有較快的發(fā)展，器件性能也相應(yīng)地提高。

  文章中如果有任何錯(cuò)誤和不嚴(yán)謹(jǐn)之處，還望大家不吝指出，歡迎大家留言討論。

  參考文獻(xiàn)：

  K. Giewont, et.al., "300mm Monolithic Silicon Photonics Foundry Technology "

  GLOBALFOUNDRIES Silicon Photonics Platform