CEA-Leti：300mm低损耗PECVD氮化硅平台

氮化硅（SiN）凭借优异的光学特性与CMOS工艺兼容性，成为集成光子学领域的核心候选材料。然而，在电信波段（尤其是C波段1520-1560 nm），SiN波导的光损耗问题始终制约其应用——氢相关键（Si-H、N-H）引发的吸收损耗与波导侧壁粗糙度导致的散射损耗，是两大核心挑战。

等离子体增强化学气相沉积（PECVD）作为低温制备工艺（400°C），虽满足后端工艺（BEOL）热预算要求（<400°C），却因非化学计量比结构含大量氢键，光损耗通常超过3 dB/cm；而高温沉积的低压化学气相沉积（LPCVD）SiN虽氢含量低、损耗可低于1 dB/cm，却无法适配多层光子平台集成。

为此，CEA Leti研究团队通过系统实验与理论建模，深入探究PECVD SiN波导光传播损耗的关键控制参数，为有无热预算约束下的超低损耗平台构建提供指导。研究采用300 mm先进工艺设备制备波导，实现了退火前0.34 dB/cm@1310nm，退火后0.18 dB/cm@1310nm，0.35 dB/cm@1550nm的低损耗单模波导。结合Payne和Lacey散射模型，量化体材料损耗与表面散射损耗的贡献，重点分析了材料成分、侧壁粗糙度、退火处理及封装层特性对损耗的影响。

原文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11339916

一、实验与测试方法

1. 波导制备工艺

实验基于300 mm Si晶圆开展大规模兼容制备，基底为2.5 μm热氧化层（SiO₂），其上通过AMAT Producer GT系统在400°C下沉积400 nm厚PECVD SiN层（Si₃N₄）。波导图形化采用193 nm浸没式光刻技术，搭配三层掩模结构（100 nm光刻胶+37 nm Si抗反射涂层+400 nm旋涂碳层），以解决193 nm光刻胶刻蚀选择性有限的问题。光刻设计包含700-1100 nm宽条形波导，以及适配1.31 μm和1.55 μm单模传输的光栅耦合器。

刻蚀过程在300 mm电感耦合等离子体（ICP）反应器中进行，通过实时终点监测系统精准控制工艺：先经60 s H₂等离子体处理光刻胶，再以Ar/CF₄/CHF₃等离子体刻蚀Si抗反射涂层（选择性1.4），随后用O₂/HBr等离子体刻蚀旋涂碳层（选择性42），最后以Ar/CF₄/CHF₃等离子体刻蚀SiN层（选择性1.4）。刻蚀后经O₂等离子体干法剥离与HF/HCl湿法清洗，沉积2 μm厚SiO₂作为包层完成波导制备。

2. 材料与器件表征

研究选用两种PECVD SiN材料（SiN1、SiN2），SiN1采用SiH₄/N₂前驱体并经400°C H₂处理，SiN2采用SiH₄/N₂/NH₃前驱体且无H₂处理。通过椭圆偏振仪测得1.31 μm波长下SiN1和SiN2的折射率分别为1.956和1.940，1.55 μm波长下略低（约0.1%）。

傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征显示，两种材料均存在Si-N（470 cm⁻¹、830 cm⁻¹）、Si-H（2180 cm⁻¹）和N-H（3350 cm⁻¹）特征吸收峰，通过积分计算得SiN1的总氢浓度（2.22×10²²/cm³）高于SiN2（1.55×10²²/cm³），其中SiN1的Si-H浓度（1.24×10²²/cm³）是SiN2（0.40×10²²/cm³）的3倍。

包层方面，对比了亚大气压化学气相沉积（SACVD）与PECVD制备的SiO₂，两者在1.31 μm波长的折射率接近（1.446 vs 1.452），但SACVD SiO₂含大量OH键（3400 cm⁻¹吸收峰），经800°C N₂退火后OH键可完全消除。

波导关键尺寸与粗糙度通过临界尺寸扫描电子显微镜（CD-SEM）表征，采用功率谱密度（PSD）拟合方法提取无偏线边缘粗糙度（LER）与相关长度ξ：光刻后光刻胶的LER为3.3±0.1 nm、ξ=27 nm，SiN刻蚀后波导的LER优化至2.1±0.1 nm、ξ=78 nm，波导实际宽度为600±3 nm（较标称值缩减100 nm，部分源于H₂固化等离子体处理）。

光学损耗测试采用半自动12英寸探针台，搭配可调谐激光器（皮米级分辨率）与光电探测器，通过1D TE偏振光栅耦合器（1.31 μm对应周期0.96 μm，1.55 μm对应周期1.15 μm）实现光纤与波导耦合。测试覆盖1270-1340 nm（O波段）与1500-1600 nm（C波段），通过测量0.9-15 cm不同长度波导的透射功率，经线性回归拟合（R²>0.98）提取损耗系数（dB/cm），结果为15个芯片的平均值。

二、Payne-Lacey散射模型与参数分析

集成波导的光损耗主要源于三类：侧壁粗糙度引发的散射损耗、芯层/包层中缺陷导致的体材料损耗、波导弯曲或模式约束不足引发的辐射损耗（本实验中因采用40 μm半径弯曲结构，辐射损耗可忽略）。Payne和Lacey模型是量化侧壁散射损耗的核心工具，其核心公式通过真空波数k₀（k₀=2π/λ）、波导半宽d、粗糙度振幅σ、相关长度ξ、芯层/包层折射率（n₁、n₂）等参数，计算散射损耗α。

模型仿真揭示了关键参数对散射损耗的影响规律：在1.31 μm波长下，散射损耗对粗糙度和相关长度更为敏感，要实现0.1-0.2 dB/cm的超低损耗，需同时控制LER≤2 nm且相关长度≤30 nm；芯层折射率每提升0.1，1.31 μm和1.55 μm波段损耗分别增加27%和34%；波导宽度每变化100 nm，损耗变化幅度仅为8%-10%，是影响最不敏感的参数。实验中采用的300 mm工艺虽实现了2.1 nm的低LER，但78 nm的相关长度成为进一步降低散射损耗的瓶颈——模型预测，若能将相关长度降至30 nm且保持低粗糙度，在消除体材料损耗的前提下，损耗可突破0.2 dB/cm甚至达到0.1 dB/cm以下。

三、实验结果与关键发现

1. 材料成分与包层对损耗的影响

在1.31 μm波长（O波段），氢诱导吸收损耗较弱，散射损耗与包层材料损耗共同主导总损耗。实验显示，PECVD包层的波导损耗比SACVD封装低0.1 dB/cm，根源在于SACVD SiO₂中的OH键在1.4 μm附近存在强吸收；SiN1的损耗比SiN2高48%，这与SiN1中更高的Si-H浓度及Si-Si纳米团簇缺陷相关——PL光谱证实SiN1的Si-Si团簇含量显著高于SiN2，这类缺陷会引入额外体材料损耗。此时实验测得的损耗（SiN1约0.5 dB/cm、SiN2约0.34 dB/cm）是Payne-Lacey模型预测散射损耗（约0.22 dB/cm）的两倍，印证了体材料损耗的显著贡献。

在1.55 μm波长（C波段），氢相关键的吸收损耗成为主导。SiN1和SiN2的损耗均达到3 dB/cm以上，是1.31 μm波段的10倍、模型预测散射损耗的17倍。这是因为N-H键的一级倍频峰靠近1500 nm，Si-H键的二级倍频峰延伸至C波段，两者共同加剧吸收损耗；且损耗随波导宽度增加而上升——宽波导使光模式更集中于芯层，与缺陷的重叠度提高，吸收损耗进一步放大。

2. 侧壁粗糙度的调控权衡

波导侧壁粗糙度的根源是光刻胶图形的粗糙度，H₂退火处理是降低光刻胶侧壁粗糙度的有效手段，但会导致相关长度增加。实验对比了SiN1波导有无H₂退火处理的损耗差异：无H₂固化时，LER略增至2.34 nm，但相关长度降至49 nm，波导宽度增加27 nm；根据模型预测，无H₂退火的波导损耗应比有H₂固化低12%，这与实验结果完全吻合（全宽度范围内，无H₂退火样品损耗普遍低0.04-0.1 dB/cm）。该结果表明，在低粗糙度振幅的基础上，控制相关长度对降低散射损耗至关重要，如何在不增加粗糙度的前提下抑制相关长度增长，是工艺优化的关键方向。

3. 高温驱氢退火处理的双重效应

1100°C N₂氛围退火1 h可有效去除SiN中的氢相关键——SiN1和SiN2的Si-H、N-H键几乎完全消除，薄膜厚度分别缩减15.4%和6.3%，折射率略有上升（SiN1从1.96增至2.07，SiN2从1.94增至1.97）。

但退火会引入新的缺陷，且缺陷类型与SiN初始成分相关：Si-rich的SiN1会形成大量大尺寸Si-Si纳米团簇，导致1.31 μm波段损耗增至约1.6 dB/cm（是未退火样品的4倍）；N-rich的SiN2则生成N悬空键，对1.31 μm波段损耗影响较小，但会增加1.55 μm波段的吸收。

退火的积极效果同样显著：SiN2在1.31 μm波段的损耗降至0.18-0.24 dB/cm，与模型预测的散射损耗完全匹配，实现了仅由散射主导的超低损耗；1.55 μm波段损耗降至0.35-0.38 dB/cm，虽因N悬空键仍高于模型预测，但已显著低于未退火样品（3.85 dB/cm），且优于LPCVD SiN的0.72 dB/cm。值得注意的是，退火温度超过400°C会丧失BEOL兼容性，因此仅适用于无热预算约束的场景。

4. 性能对比与优势

未退火的PECVD SiN波导在1.31 μm波段实现0.34 dB/cm的损耗，优于标准PECVD、物理气相沉积（PVD）及无氨PECVD SiN，仅略高于非BEOL兼容的LPCVD SiN（0.24 dB/cm）；退火后的PECVD SiN2在1.31 μm波段损耗（0.18 dB/cm）超越LPCVD SiN，1.55 μm波段损耗（0.35 dB/cm）低于LPCVD SiN，但仍不及BEOL兼容的PVD SiN（0.2 dB/cm）。而PVD SiN在1.31 μm波段的损耗（0.43 dB/cm）高于本研究的PECVD SiN，表明PECVD结合优化光刻工艺在O波段具有独特优势。

四、结论与展望

本研究通过实验与建模的深度结合，明确了PECVD SiN波导超低损耗的实现路径：在BEOL兼容条件下（无退火），需采用300 mm先进光刻刻蚀工艺，将LER控制在2 nm左右，同时优化H₂等离子体处理参数，平衡粗糙度振幅与相关长度（目标≤30 nm），并选用低OH键的PECVD SiO₂作为包层，可实现1.31 μm波段0.34 dB/cm的低损耗；若无需BEOL兼容，1100°C退火可去除氢相关键，使N-rich SiN在1.31 μm波段损耗降至0.18 dB/cm，但需通过调控SiN化学计量比与退火条件，抑制N悬空键、Si-Si团簇等新缺陷的生成。

未来，将PVD SiN沉积技术与优化的等离子体光刻工艺结合，有望在保持BEOL兼容性的同时，实现两大电信波长下均低于0.1 dB/cm的超低损耗，为集成光子学的高密度、高性能应用奠定基础。