GlobalFoundry的300mm硅光子工艺平台

这篇笔记主要参考GlobalFoudry(以下简称GF)最近发表的文章"300mm Monolithic Silicon Photonics Foundry Technology"(https://ieeexplore.ieee.org/document/8678809) ，介绍下GF的硅光子工艺平台。

GF采用90nm的CMOS工艺，不仅提供了光学元件的PDK，而且提供了用于模拟/数字控制电路的电学元件。光学元件主要有：Si波导、SiN波导、Mach-Zehnder调制器、Ge探测器、端面耦合器、偏振转换器件、热相移器和用于CWDM4的波分复用器。Mux/DeMux是GF的特色之一，其他Foundry都没有提供类似的PDK。电学元件包括：RF无源器件、ESD保护电路、e-fuse嵌入式存储器、标准的CMOS元件。

下图是GF硅光制程的截面图，

（图片来自文献2）

GF的SOI厚度是170nm, 而不是传统的220nm。金属有7层，6层为Cu, 1层为Al。而一般的硅光工艺为2/3层Cu。GF还提供了V-groove的制程，用于端面耦合器处光纤的放置。

GF采用浸没式光刻的方法制备波导，他们对比了干式光刻和浸没式光刻对波导参数的影响，

（表格来自文献1）

从上表中可以看出，采用浸没式光刻，波导宽度的刻蚀误差更小，侧壁粗糙度也更小。O波段下，350nm宽度波导的传播损耗约为1.5dB/cm, 810nm宽度波导的传播损耗约为0.5dB/cm。SiN波导的传输损耗为0.3dB/cm。

对于弯曲波导，GF采用了OPC(opitcal proximity correction)的方法, 将弯曲波导转变成一段段台阶相连的多边形，如下图所示，其目的是光刻时得到平滑的弯曲波导图案。但是GF并没有提供采用OPC方法后的弯曲波导损耗，小豆芽对这一点存疑。

（图片来自文献1）

GF提供了Mach-Zehnder型调制器的PDK, 采用travelling wave电极，可以实现14GHz/20GHz的调制速率，V_pi*L约为1.54V.cm。调制器结构如下图所示，

（图片来自文献2）

采用750℃的Ge生长工艺，GF的锗探测器暗电流为35-70nA, 响应率为1A/W, 3dB带宽约为40GHz。

（图片来自文献2）

GF的端面耦合器采用的是IBM的方案（参看IBM的硅光封装方案），如下图所示。1310nm时TE模的耦合效率为0.7dB, TM模的耦合效率为1.4dB。

（图片来自文献1）

GF的偏振分束旋转(PSR)器件, 如下图所示。TM模的插损约为1dB, 工作带宽为60nm，TE/TM的消光比约为27dB。

（图片来自文献1）

GF的Mux/DeMux采用级联MZI的方案，并且借助于热相移器的调控，串扰小于25dB, 单通道的插损为2.5dB。使用热相移器，可以调控每个通道的中心波长，波长可变化+/- 3nm。

（图片来自文献1）

GF的热相移器为undercut型热相移器，采用V-groove类似的工艺刻蚀掉硅衬底，用于提高相移器的调制效率。最终的P_pi约为2.81mW.

(图片来自文献1)

关于CMOS元件，GF并没有详细介绍相应的元器件，只是对比了GF不同工艺下TIA的性能，如下图所示。硅光工艺下的TIA可支持36Gb/s的接收速率。

（图片来自文献1）

对于每个元器件，GF提供的PDK并不都是最优的。但是它提供了详实的数据，给出了同一wafer不同die上器件的统计数据，这一点对于产品的yield分析非常重要。一般而言，wafer中间的器件性能相对较好。GF提供了单片集成Driver和TIA的可能。此外GF还提供了Mux/DeMux的PDK, 这也是其特色之一。GF下一步将推出45nm的硅光工艺。

（图片来自文献2）

目前提供硅光工艺的IC fab， 主要有TSMC、GlobalFoundry和SilTerra。希望在这些芯片加工大厂的推动下，硅光工艺有较快的发展，器件性能也相应地提高。

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。

参考文献：

1. K. Giewont, et.al., "300mm Monolithic Silicon Photonics Foundry Technology "
2. GLOBALFOUNDRIES Silicon Photonics Platform