本發(fā)明涉及一種混合光互連系統(tǒng)。特別是涉及一種由單晶硅光電探測器(PD)和多晶硅發(fā)光二極管(LED)組成的基于標準CMOS工藝的混合光互連系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,集成電路的特征尺寸正在變得越來越小,芯片的集成度也在摩爾定律的引導(dǎo)下變得越來越高,微電子產(chǎn)品正在向著小而精的方向發(fā)展。進入21世紀，微電子的發(fā)展遇到了物理極限的瓶頸。進一步通過“摩爾定律”等比例縮小不僅會急劇增加制造成本，而且會導(dǎo)致不期望的物理效應(yīng)。另一個更為迫切的瓶頸在于微電子芯片內(nèi)電互連的延時和功耗。隨著集成度的提高，單個晶體管的延時越來越小，然而互連線的延時卻越來越大，這是因為互連線尺寸的減小使互連線電阻增加，從而增加了延時和功耗。當線寬由1微米，變到35納米,晶體管的本征延時從20ps減小到了2.5ps,但互連線延遲從1ps增加到了250ps,互連線的延時和功耗將大大超過晶體管本身的延時和功耗。人們注意到光作為信號載體的光電子技術(shù)不僅傳輸速度快，頻率高，傳播信息容量大，而且在三維空間傳播，光束交叉時信號之間也不容易產(chǎn)生串擾。如果將微電子技術(shù)與光電子技術(shù)相結(jié)合,用標準CMOS工藝在硅基襯底上制備全硅光電集成電路(OEIC),則可在維持集成電路工藝成本基本不變的前提下,使電路處理信息的速度有很大的提高。

高效的硅基發(fā)光器件(Si-LED)及光電探測器是實現(xiàn)OEIC的基礎(chǔ)和核心。為此近些年研究人員對Si-LED及相應(yīng)的探測器進行了大量的研究,設(shè)計了各種類型的Si-LED及探測器。雖然在OEIC的研究中不斷有新的理論被提出,單個器件的某些性能也有相當?shù)奶岣?然而用標準CMOS工藝制作OEIC的技術(shù)依然還不成熟,還有待于進一步的研究。以往Si-LED及探測器多為單晶硅，多晶硅的光電器件極少被研究探索,王陽元等人曾詳細闡述了多晶硅的電學(xué)特性，張興杰等人[張興杰,張世林,韓磊,等.標準CMOS工藝新型多晶硅PIN-LED的設(shè)計與實現(xiàn)[J].光電子·激光,2013(1):6-10]基于標準CMOS工藝成功制備了多晶硅PIN-LED，且成功測試了其電學(xué)及光學(xué)特性，這證明了基于標準工藝制備多晶硅PIN-LED是可行的。專利[謝榮,張興杰.基于標準CMOS工藝的新型光互連結(jié)構(gòu):,CN203690325U[P].2014.]曾提出一種單晶硅LED及多晶硅PIN探測器組成的新型光互連結(jié)構(gòu)。但是其LED與探測器之間僅隔有一層薄柵氧，隔離電效應(yīng)和熱效應(yīng)的影響不好；其次其下層單晶硅LED只能作為發(fā)光器件多晶硅只能作為接收器件不能實現(xiàn)雙向通信；第三Si基LED正向偏置載流子注入發(fā)射紅外光，反向偏置擊穿雖發(fā)出可見光，但發(fā)光波長也在700nm左右，由于多晶硅層較薄，其對Si基LED發(fā)出的長波長光探測性能較弱，而單晶硅深結(jié)探測長波長光相對較好。本發(fā)明利用多晶硅層制備Si-LED,單晶硅作為探測器，在水平方向上并排放置，且利用上層金屬反射效應(yīng)形成光互連的混合集成系統(tǒng)。這樣不僅可以很好地避免光互連中的電信號與硅襯底中電信號產(chǎn)生串擾，很好地保持各器件的互相獨立性，同時相較單晶硅LED和單晶硅探測器光互連系統(tǒng)又減少了光傳輸路程和散射損耗。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種實現(xiàn)在芯片上進行光通信的同時有效的減少光傳輸路程和電干擾的基于標準CMOS工藝的混合光互連系統(tǒng)。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于標準CMOS工藝的混合光互連系統(tǒng)，包括基底，所述基底的上表面上設(shè)置有二氧化硅體，所述二氧化硅體內(nèi)位于上部設(shè)置有用于反射光的金屬層，所述二氧化硅體內(nèi)且在基底的上表面上由下至上依次設(shè)置有起隔離作用的柵氧層和用于發(fā)光的多晶硅LED，所述的基底內(nèi)臨近上表面且位于柵氧層和多晶硅LED的一側(cè)設(shè)置有用于接收從所述金屬層所反射的光的單晶硅PD。

所述的多晶硅LED包括有依次并排設(shè)置在所述柵氧層上的多晶硅LED陰極、多晶硅LED i區(qū)和多晶硅LED陽極，所述多晶硅LED陰極通過貫穿所述金屬層的多晶硅LED陰極接觸孔連接多晶硅LED陰極外接導(dǎo)線，所述多晶硅LED陽極通過貫穿所述金屬層的多晶硅LED陽極接觸孔連接多晶硅LED陽極外接導(dǎo)線。

所述的單晶硅PD包括有N阱和分別嵌入在所述N阱內(nèi)的單晶硅PD陰極和單晶硅PD陽極，所述單晶硅PD陰極通過貫穿所述金屬層的單晶硅PD陰極接觸孔連接單晶硅PD陰極外接導(dǎo)線，所述單晶硅PD陽極通過貫穿所述金屬層的單晶硅PD陽極接觸孔連接單晶硅PD陽極外接導(dǎo)線。

本發(fā)明的一種基于標準CMOS工藝的混合光互連系統(tǒng)，能夠?qū)⑤斎氲碾娦盘柾ㄟ^多晶硅LED發(fā)光轉(zhuǎn)化成光信號,然后光信號經(jīng)過金屬反射被單晶硅光電探測器轉(zhuǎn)換成電信號輸出。本發(fā)明能夠在不增加集成電路制造成本基礎(chǔ)上，實現(xiàn)芯片上光通信的同時有效的減少光傳輸路程，減少電干擾。本發(fā)明的技術(shù)特點是：

1、本發(fā)明通過設(shè)計由新型多晶硅PIN-LED和單晶硅LED探測器組成的光互連系統(tǒng),能夠?qū)⑤斎氲碾娦盘柾ㄟ^多晶硅PIN-LED轉(zhuǎn)化成光信號,然后光信號被單晶硅探測器轉(zhuǎn)換成電信號輸出。該發(fā)明可為基于標準CMOS工藝的光互連系統(tǒng)提供一些新的、有益的參考。

2、本發(fā)明中在多晶硅兩端進行P+和N+的離子注入，制備出多晶硅PIN結(jié)構(gòu)做為光互連結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件；在單晶硅N阱中進行相應(yīng)的P+、N+注入，制備出P+/N阱的PN結(jié)結(jié)構(gòu)作為光互連結(jié)構(gòu)的探測器件。

3、本發(fā)明提出的新型光互連系統(tǒng)由于多晶硅PIN-LED與單晶硅探測器在水平方向上有一定距離，可以很好地避免光互連中的電信號與硅襯底上集成電路的電信號產(chǎn)生串擾，很好地保持各自器件的獨立性。

4、本發(fā)明提出的新型光互連系統(tǒng)提出了將多晶硅LED作發(fā)光器件，襯底硅上PN結(jié)作接收器件的想法，不僅避免了純單晶硅光互連系統(tǒng)中光傳輸路程長互相之間易造成串擾，易造成損耗等特點；并且巧妙的利用了多晶硅和單晶硅結(jié)深的特點，很好的分配了二者的功能，將多晶硅作為LED單晶硅作為探測器形成新型光互連系統(tǒng)。

5、本發(fā)明多晶硅PIN結(jié)構(gòu)與單晶硅PN結(jié)結(jié)構(gòu)都可分別作為發(fā)光LED和光探測器，也即本發(fā)明可以實現(xiàn)光信號的雙向傳輸。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于標準CMOS工藝的混合光互連系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明基于標準CMOS工藝的混合光互連系統(tǒng)的俯視圖；

圖3是本發(fā)明基于標準CMOS工藝的混合光互連系統(tǒng)中多晶硅LED的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明基于標準CMOS工藝的混合光互連系統(tǒng)中單晶硅PD的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

1：基底 2：單晶硅PD

3：柵氧層 4：多晶硅LED

5：金屬層 6：二氧化硅體

21：N阱 22：單晶硅PD陽極

23：單晶硅PD陽極 24：單晶硅PD陰極外接導(dǎo)線

25：單晶硅PD陽極外接導(dǎo)線 26：單晶硅PD陰極接觸孔

27：單晶硅PD陽極接觸孔 41：多晶硅LED陰極

42：多晶硅LED i區(qū) 43：多晶硅LED陽極

44：多晶硅LED陰極外接導(dǎo)線 45：多晶硅LED陽極外接導(dǎo)線

46：多晶硅LED陰極接觸孔 47：多晶硅LED陽極接觸孔

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的一種基于標準CMOS工藝的混合光互連系統(tǒng)做出詳細說明。

本發(fā)明的一種基于標準CMOS工藝的混合光互連系統(tǒng)，包括多晶硅LED、光波導(dǎo)、P+/N阱組成的單晶硅探測器以及P型襯底；所述多晶硅LED包括多晶硅LED陽極及其接觸區(qū)、多晶硅LED陰極及其接觸區(qū)、多晶硅LED的i區(qū)；多晶硅LED可正向偏置發(fā)射紅外光，也可反向偏置發(fā)射可見光。所述波導(dǎo)為金屬及其下方SiO₂層；所述單晶硅光電探測器包括單晶硅探測器陽極及其接觸、單晶硅探測器陰極及其接觸及在P型襯底中的N阱；光電探測器通過反向偏置實現(xiàn)對光的探測。所述多晶硅PIN-LED結(jié)構(gòu)與單晶硅PN結(jié)結(jié)構(gòu)可分別作為發(fā)光LED和光電探測器，可以實現(xiàn)信號的雙向傳輸。所述混合光互連是指多晶硅LED和單晶硅光電探測器組成的非單一硅質(zhì)組成的互聯(lián)系統(tǒng)。

如圖1所示，本發(fā)明的一種基于標準CMOS工藝的混合光互連系統(tǒng)，包括基底1，所述基底1的上表面上設(shè)置有二氧化硅體6，所述二氧化硅體6內(nèi)位于上部設(shè)置有用于反射光的金屬層5，所述二氧化硅體6內(nèi)且在基底1的上表面上由下至上依次設(shè)置有起隔離作用的柵氧層3和用于發(fā)光的多晶硅LED 4，所述的基底1內(nèi)臨近上表面且位于柵氧層3和多晶硅LED 4的一側(cè)設(shè)置有用于接收從所述金屬層5所反射的光的單晶硅PD 2。

如圖2、圖3所示，所述的多晶硅LED 4包括有依次并排設(shè)置在所述柵氧層3上的多晶硅LED陰極41、多晶硅LED i區(qū)42和多晶硅LED陽極43，所述多晶硅LED陰極41通過貫穿所述金屬層5的多晶硅LED陰極接觸孔46連接多晶硅LED陰極外接導(dǎo)線44，所述多晶硅LED陽極43通過貫穿所述金屬層5的多晶硅LED陽極接觸孔47連接多晶硅LED陽極外接導(dǎo)線45。

如圖2、圖4所示，所述的單晶硅PD 2包括有N阱21和分別嵌入在所述N阱21內(nèi)的單晶硅PD陰極22和單晶硅PD陽極23，所述單晶硅PD陰極22通過貫穿所述金屬層5的單晶硅PD陰極接觸孔26連接單晶硅PD陰極外接導(dǎo)線24，所述單晶硅PD陽極23通過貫穿所述金屬層5的單晶硅PD陽極接觸孔27連接單晶硅PD陽極外接導(dǎo)線25。

本發(fā)明的一種基于標準CMOS工藝的混合光互連系統(tǒng)具體實現(xiàn)方法如下：

1)采用輕摻雜的P型硅片,晶向為<100>,進行熱氧化形成緩沖層。從而減少下一步淀積SiN₄、在硅表面造成的應(yīng)力,隨后低壓化學(xué)汽相淀積(LPVCD)SIN₄,用來作為離子注入的mask及后續(xù)工藝中定義N阱的區(qū)域,即圖2中的21區(qū)。

2)將光刻膠涂在晶圓上之后,利用光刻技術(shù)將所要形成的N阱區(qū)的圖形定義出來。并用干法刻蝕的方法將上述定義的區(qū)域的SiN₄去掉,形成N阱注入窗口,即圖2中的21區(qū)。

3)利用離子注入的技術(shù),將N注入第2)步中所定義的窗口中,接著利用無機溶液,如硫酸或干式臭氧(03)燒除法將光刻膠去除；并采用熱磷酸濕式刻蝕方法將SIN₄去除掉。

4)離子注入之后會嚴重的破壞晶格的周期性,所以離子注入后必須經(jīng)過退火處理,以恢復(fù)晶格的完整性。

5)利用熱氧化方法在晶圓上形成高品質(zhì)的二氧化硅,即圖1中6,要求非常潔凈、厚度精確。

6)利用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)技術(shù)在晶圓表面沉積多晶硅層作為多晶硅LED層。

7)將光刻膠涂布在晶圓上,再利用光刻技術(shù)將所需要的多晶硅LED的區(qū)域定義出來。然后利用活性離子刻蝕技術(shù)刻蝕出多晶硅PIN層的結(jié)構(gòu),再將表面的光刻膠去除。

8)利用氧化技術(shù),在晶圓表面形成一層氧化層,保護器件表面,免于受后續(xù)工藝的影響。涂布光刻膠后,利用光刻技術(shù)刻蝕出單晶硅PD與多晶硅LED的P+區(qū)即圖2中的43區(qū)與23區(qū),與此同時形成單晶硅PD與多晶硅LED的N+區(qū)域即圖2中的41區(qū)與22區(qū)的屏蔽,再利用離子注入技術(shù)將硼元素注入該區(qū)域。

9)利用光刻技術(shù)刻蝕出多晶硅LED與單晶硅PD的N+區(qū),即圖2中的41區(qū)與22區(qū),與此同時形成單晶硅PD與多晶硅LED的P+區(qū)域即圖2中的43區(qū)與23區(qū)的屏蔽,再利用離子注入技術(shù)將砷元素注入該區(qū)域,然后除去晶圓表面的光刻膠。

10)去除第8)步中生成的表面氧化物。之后利用退火技術(shù),將經(jīng)離子注入過的N+區(qū)即圖2中的41區(qū)與22區(qū),及P+區(qū)即圖2中的43區(qū)與23區(qū)進行電性活化及擴散處理。

11)利用濺射工藝在整個晶圓表面進行Ti淀積,然后利用自對準硅化物工藝形成TISi₂,接著進行濕法刻蝕除去多余的Ti并保留TISi₂,形成Si和金屬之間的歐姆接觸。利用濺射工藝在整個晶圓表面進行硼磷硅玻璃(BPSG)淀積并對晶圓表面進行化學(xué)機械平坦化。然后進行利用光刻技術(shù)定義接觸孔,再利用活性離子刻蝕技術(shù)刻蝕出接觸孔,即圖中26、27、46、47。接著利用濺射工藝,在接觸孔表面濺射一層TIN,并用W填充接觸孔。

12)利用光刻技術(shù)定義出金屬層5的屏蔽層。再將鋁金屬利用活性離子刻蝕技術(shù)刻蝕出金屬導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)及金屬屏蔽層。制備出金屬層5(M₁)作為反射板，與下層氧化層6形成波導(dǎo)。

13)同理制備第二層金屬(M₂)24,44，第三層金屬(M₃)25,45分別作為多晶硅LED和單晶硅PD的外接導(dǎo)線。

14)然后再進行電鍍壓焊點、劃片、引線鍵合,最后封裝在管殼上,制成單晶硅探測器及多晶硅LED互連結(jié)構(gòu)。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個優(yōu)選實施例的示意圖,上述本發(fā)明實施例序號僅僅為了描述,不代表實施例的優(yōu)劣。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例。并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所作的任何修改、等同替換、改進等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。