專(zhuān)利名稱(chēng)：用標(biāo)準(zhǔn)工藝制作磷硅酸玻璃層光波導(dǎo)及集成的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到硅基單片光電子集成技術(shù)，尤其涉及到用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制作光波導(dǎo)以及光波導(dǎo)與光源和探測(cè)器的集成技術(shù)。
背景技術(shù)：
在硅基光電子集成回路中，電信號(hào)先驅(qū)動(dòng)硅基發(fā)光器產(chǎn)生光信號(hào)，光信號(hào)通過(guò)硅基光波導(dǎo)傳輸?shù)焦杌馓綔y(cè)器，硅基光探測(cè)器再將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。硅基光電子集成回路實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)到光信號(hào)再到電信號(hào)的傳輸過(guò)程，并可以與集成電路集成在一個(gè)芯片上，成本低，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，解決了完全電信號(hào)傳輸中的帶寬、功耗、延時(shí)、竄擾等問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)光互連的基本途徑。
與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容的硅基光波導(dǎo)是硅基單片光電子集成回路(OEIC)的主要組成部分。光波導(dǎo)的傳輸性能對(duì)整個(gè)硅基單片光電子集成回路的性能有決定性的影響。硅基光波導(dǎo)主要是要具備低的傳輸損耗。傳輸損耗與材料的折射率、吸收系數(shù)、波導(dǎo)腔體形狀、腔體表面粗糙程度等有關(guān)。到目前為止，已提到的硅基光波導(dǎo)大多是以SOI為襯底的脊形波導(dǎo)。這種波導(dǎo)利用SOI襯底中的氧化層作下包層，芯片上覆蓋的氧化層作上包層，波導(dǎo)芯層為脊形硅波導(dǎo)。由于硅的氧化物的折射率比硅材料的折射率大很多，這種波導(dǎo)的傳輸效率是比較高的。但是，以SOI為襯底的脊形波導(dǎo)與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝不兼容，因此不適宜與集成電路集成，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。
在CMOS工藝中各層的的折射率都不相同，各層材料的光吸收系數(shù)也有差異，在制作與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容的硅基光波導(dǎo)時(shí)，需要選擇一合適的層作為芯層，以達(dá)到最優(yōu)化的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
目前的硅基光波導(dǎo)均需要特殊工藝，如SOI工藝等。這些工藝與工業(yè)集成電路制造工藝不兼容，因此不適合大規(guī)模生產(chǎn)，成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種標(biāo)準(zhǔn)工藝制作磷硅酸玻璃層光波導(dǎo)及集成的方法，該方法用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制作出高效的光波導(dǎo)器件。這種光波導(dǎo)器件完全由標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝生產(chǎn)線生產(chǎn)，為硅基光電子集成回路提供了可行性。
本發(fā)明一種用標(biāo)準(zhǔn)工藝制作磷硅酸玻璃層光波導(dǎo)及集成的方法，其特征在于，其步驟包括步驟1在硅襯底上的中間生長(zhǎng)二氧化硅層；步驟2在硅襯底上、二氧化硅層的兩端，分別制作阱和有源區(qū)，一端形成光源，另一端形成探測(cè)器；步驟3在二氧化硅層上淀積磷硅酸玻璃層形成光波導(dǎo)，該阱和有源區(qū)分別與磷硅酸玻璃層耦合；步驟4在磷硅酸玻璃層上淀積金屬鋁形成上包層；光源發(fā)出的光直接耦合進(jìn)光波導(dǎo)，通過(guò)光波導(dǎo)傳送到光探測(cè)器，并由光探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
其中磷硅酸玻璃層的折射率為1.47，二氧化硅的折射率為1.37，金屬鋁的折射率為1.39。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1的A-A剖面圖。
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參閱圖1及圖2，本發(fā)明一種用標(biāo)準(zhǔn)工藝制作磷硅酸玻璃層光波導(dǎo)及集成的方法，其步驟包括步驟1在硅襯底11上的中間生長(zhǎng)二氧化硅層14；步驟2在硅襯底11上、二氧化硅層14的兩端，分別制作阱12和有源區(qū)13，一端形成光源19，另一端形成探測(cè)器10；步驟3在二氧化硅層14上淀積磷硅酸玻璃層15形成光波導(dǎo)，該阱12和有源區(qū)13分別與磷硅酸玻璃層15耦合；步驟4在磷硅酸玻璃層15上淀積金屬鋁16形成上包層；光源19發(fā)出的光直接耦合進(jìn)光波導(dǎo)，通過(guò)光波導(dǎo)傳送到光探測(cè)器10，并由光探測(cè)器10轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
其中磷硅酸玻璃層15的折射率為1.47，二氧化硅的折射率為1.37，金屬鋁16的折射率為1.39。
請(qǐng)結(jié)合參閱圖1及圖2，本發(fā)明的與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容的磷硅酸玻璃層15(光波導(dǎo))利用CMOS工藝中的磷硅酸玻璃層15做波導(dǎo)芯層，磷硅酸玻璃層15下面的氧化層14作波導(dǎo)下包層，磷硅酸玻璃層15上面的金屬層16作上包層。
本發(fā)明中利用一端的有源區(qū)13與阱18形成PN節(jié)，該P(yáng)N節(jié)做光源19，磷硅酸玻璃層15覆蓋在光源19上。光源19發(fā)出的光直接耦合進(jìn)入磷硅酸玻璃層15，實(shí)現(xiàn)光源19與磷硅酸玻璃層15(光波導(dǎo))的集成，利用另一端的有源區(qū)13與阱12間的PN節(jié)做光探測(cè)器10，磷硅酸玻璃層15覆蓋在光探測(cè)器10上。磷硅酸玻璃層15(光波導(dǎo))將光直接耦合到光探測(cè)器10，實(shí)現(xiàn)光探測(cè)器10與磷硅酸玻璃層15(光波導(dǎo))的集成(見(jiàn)圖1所示)。
參閱圖2，為了限制光波的橫向擴(kuò)散，在磷硅酸玻璃層15兩側(cè)的襯底11上制作接觸孔20(contact)。由于接觸孔20內(nèi)填有金屬鋁16，因此磷硅酸玻璃層15(光波導(dǎo))側(cè)壁材料就為金屬鋁16(見(jiàn)圖2所示)。由于金屬鋁16的折射率比磷硅酸玻璃層15的折射率小很多，光波就被限制在一定的范圍之內(nèi)。
實(shí)施例本發(fā)明中的磷硅酸玻璃層波導(dǎo)的材料和工藝均與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝流程兼容，因此制作步驟與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝流程相同，具體步驟如下，結(jié)合參閱圖1及圖2一、有源區(qū)13和阱結(jié)構(gòu)12的制作由于光源19和光探測(cè)器10都是由有源區(qū)13和阱12構(gòu)成，所以制作的第一步是制作有源區(qū)13和阱12。
1、在已經(jīng)清潔過(guò)的硅表面，將不需作為阱結(jié)構(gòu)的部分用氧化硅層覆蓋保護(hù)。
2、將磷元素注入沒(méi)有被氧化硅層覆蓋的襯底11，從而形成N型阱12區(qū)。
3、在N型阱12區(qū)上生長(zhǎng)一層薄氧化層。
4、根據(jù)掩模版，在有源區(qū)13處再注入磷元素形成P+有源區(qū)。
二、二氧化硅層14的制作二氧化硅層14用來(lái)做磷硅酸玻璃層15(PSG)(光波導(dǎo))的下包層，是光波導(dǎo)器件的基礎(chǔ)。
1、在已做好阱12結(jié)構(gòu)和有源區(qū)13的硅表面生長(zhǎng)一層薄的二氧化硅層14(大約20至60nm厚)。
2、用化學(xué)氣相淀積技術(shù)(CVD)在有源區(qū)13部分淀積一層厚的氮化硅(Si3N4)保護(hù)層(大約200nm厚)氮化硅層的目的是保護(hù)有源區(qū)13避免受到氧化。
3、對(duì)整個(gè)硅片進(jìn)行氧化，在沒(méi)有氮化硅保護(hù)層的區(qū)域生長(zhǎng)一層厚的氧化硅隔離層(大約900nm厚)。
4、在180攝氏度用磷酸將氮化硅保護(hù)層除去。
三、淀積PSG(phosphosilicate glass)層15CMOS工藝中，主要的制作對(duì)象是NMOS和PMOS管，因此在淀積PSG層15時(shí)需要用到制造MOS管的工藝。
1、在已經(jīng)做好氧化層隔離和阱結(jié)構(gòu)的硅芯片上，生長(zhǎng)一層薄的二氧化硅層14。
2、對(duì)有源區(qū)13MOS管柵極區(qū)域進(jìn)行閾值校準(zhǔn)注入。主要是調(diào)整MOS管溝道雜質(zhì)濃度，達(dá)到校準(zhǔn)MOS管開(kāi)啟閾值的目的。
3、除去柵極區(qū)域以外的二氧化硅層。
4、在柵極二氧化硅層14上淀積多晶硅。
5、對(duì)阱結(jié)構(gòu)中將要制作MOS管的源、漏區(qū)域進(jìn)行N型注入和P型注入，形成NMOS和PMOS管的源、漏極。
6、在MOS管柵極側(cè)面淀積柵極氧化物保護(hù)墻(Oxide Spacer)。主要目的是調(diào)整溝道有效長(zhǎng)度。
7、在MOS管柵極、源極、漏極上淀積硅化物，增強(qiáng)MOS管各極的導(dǎo)電性。
8、淀積PSG層。在需要與金屬連接的區(qū)域腐蝕出接觸孔20(ContactHoles)。接觸孔20(圖2中)的目的是可以使MOS管各極與金屬線相連。在本發(fā)明中，接觸孔20的目的是為了限制PSG波導(dǎo)的尺寸，接觸孔20中將填入金屬鋁層16。
四、金屬層16的制作本發(fā)明中，只用到CMOS工藝中的第一層金屬鋁。由于金屬鋁層16的折射率比PSG 15折射率大很多，，金屬鋁層16是做PSG波導(dǎo)側(cè)壁的理想材料。在制作金屬層16時(shí)，將鋁材料淀積到接觸孔20中和需要制作金屬線的區(qū)域。金屬鋁16的下表面與PSG層15相接觸，因此可作為PSG波導(dǎo)的上包層。
這種PSG光波導(dǎo)完全用CMOS工藝制作而成，不需更改CMOS工藝中的任何工序和材料，可以在生產(chǎn)廠商(Foundry)的工藝流水線上與CMOS集成電路一同制造，真正實(shí)現(xiàn)了光電子與微電子的集成。這種波導(dǎo)中的芯層和包層的材料特性與標(biāo)準(zhǔn)光波導(dǎo)模型類(lèi)似，所以可以得到較高的傳輸效率，從而為實(shí)現(xiàn)硅基單片光電子集成回路提供了可行性。
權(quán)利要求
1.一種用標(biāo)準(zhǔn)工藝制作磷硅酸玻璃層光波導(dǎo)及集成的方法，其特征在于，其步驟包括步驟1在硅襯底上的中間生長(zhǎng)二氧化硅層；步驟2在硅襯底上、二氧化硅層的兩端，分別制作阱和有源區(qū)，一端形成光源，另一端形成探測(cè)器；步驟3在二氧化硅層上淀積磷硅酸玻璃層形成光波導(dǎo)，該阱和有源區(qū)分別與磷硅酸玻璃層耦合；步驟4在磷硅酸玻璃層上淀積金屬鋁形成上包層；光源發(fā)出的光直接耦合進(jìn)光波導(dǎo)，通過(guò)光波導(dǎo)傳送到光探測(cè)器，并由光探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用標(biāo)準(zhǔn)工藝制作磷硅酸玻璃層光波導(dǎo)及集成的方法，其特征在于，其中磷硅酸玻璃層的折射率為1.47，二氧化硅的折射率為1.37，金屬鋁的折射率為1.39。
全文摘要
一種用標(biāo)準(zhǔn)工藝制作磷硅酸玻璃層光波導(dǎo)及集成的方法，其特征在于，其步驟包括步驟1在硅襯底上的中間生長(zhǎng)二氧化硅層；步驟2在硅襯底上、二氧化硅層的兩端，分別制作阱和有源區(qū)，一端形成光源，另一端形成探測(cè)器；步驟3在二氧化硅層上淀積磷硅酸玻璃層形成光波導(dǎo)，該阱和有源區(qū)分別與磷硅酸玻璃層耦合；步驟4在磷硅酸玻璃層上淀積金屬鋁形成上包層；光源發(fā)出的光直接耦合進(jìn)光波導(dǎo)，通過(guò)光波導(dǎo)傳送到光探測(cè)器，并由光探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
文檔編號(hào)G02B6/13GK1854775SQ20051001160
公開(kāi)日2006年11月1日 申請(qǐng)日期2005年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月21日
發(fā)明者陳弘達(dá), 顧明, 高鵬 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所