專利名稱：用標準工藝制作金屬間氧化層光波導(dǎo)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)，尤其涉及到用標準CMOS工藝制作光波導(dǎo)以及光波導(dǎo)與光源和探測器的集成技術(shù)。
背景技術(shù)：
在硅基光電子集成回路中，電信號先驅(qū)動硅基發(fā)光器產(chǎn)生光信號，光信號通過硅基光波導(dǎo)傳輸?shù)焦杌馓綔y器，硅基光探測器再將光信號轉(zhuǎn)化成電信號。硅基光電子集成回路實現(xiàn)了電信號到光信號再到電信號的傳輸過程，并可以與集成電路集成在一個芯片上，成本低，可實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，解決了完全電信號傳輸中的帶寬、功耗、延時、竄擾等問題，是實現(xiàn)芯片內(nèi)光互連的基本途徑。
與標準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)的傳輸性能對整個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)與標準的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，在制作與標準CMOS工藝兼容的硅基光波導(dǎo)時，需要選擇一合適的層作為芯層，以達到最優(yōu)化的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種用標準工藝制作金屬間氧化層光波導(dǎo)的方法，該方法是采用標準CMOS工藝制作光波導(dǎo)器件，具有光波導(dǎo)傳輸損耗低和工藝簡單的優(yōu)點。
本發(fā)明一種用標準工藝制作金屬間氧化層光波導(dǎo)的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一在襯底上生長第一二氧化硅層；步驟二在襯底上制作光源和探測器；步驟三在二氧化硅層上淀積磷硅酸玻璃；
步驟四在磷硅酸玻璃上淀積第一金屬層作波導(dǎo)下包層；步驟五在第一金屬層上淀積第二二氧化硅層做波導(dǎo)芯層；步驟六在第二二氧化硅層上淀積第二金屬層作波導(dǎo)上包層；其中第二二氧化硅層與硅基發(fā)光器相耦合，第二二氧化硅層與硅基光探測器相耦合。
其中襯底為硅襯底。
其中該硅基發(fā)光器包括有源區(qū)及阱。
其中該光探測器包括有源區(qū)及阱。
其中第一、第二二氧化硅層的折射率為1.37。
其中第一、第二金屬層的折射率為1.39。


為進一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實施例及附圖詳細說明如后，其中圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
請參閱圖1所示，本發(fā)明一種用標準工藝制作金屬間氧化層光波導(dǎo)的方法，包括如下步驟
步驟一在襯底101上生長第一二氧化硅層104，該襯底101為硅襯底，該第一二氧化硅層104的折射率為137；步驟二在襯底101上制作光源109和探測器100，該硅基發(fā)光器109包括有源區(qū)103及阱102，該光探測器100包括有源區(qū)103及阱102，該第二二氧化硅層110的折射率為1.37；步驟三在二氧化硅層104上淀積磷硅酸玻璃105；步驟四在磷硅酸玻璃105上淀積第一金屬層106作波導(dǎo)下包層，該第一金屬層106的折射率為1.39；步驟五在第一金屬層106上淀積第二二氧化硅層110做波導(dǎo)芯層；步驟六在第二二氧化硅層110上淀積第二金屬層111作波導(dǎo)上包層，該第二金屬層111的折射率為1.39；其中第二二氧化硅層110與硅基發(fā)光器109相耦合，第二二氧化硅層110與硅基光探測器100相耦合。
為了制作硅基單片光電子集成回路，光發(fā)射器109和第二二氧化硅層110、第二二氧化硅層110和光探測器100之間的耦合也是亟需解決的問題。本發(fā)明中利用有源區(qū)103與阱102間的PN節(jié)做光發(fā)射器109，該光發(fā)射器109為發(fā)光二極管，第二二氧化硅層110覆蓋在PN節(jié)上。發(fā)光二極管發(fā)出的光直接耦合進入第二二氧化硅層110，實現(xiàn)發(fā)光二極管與第二二氧化硅層110的耦合，利用有源區(qū)103與阱102間的PN節(jié)做光探測器100，第二二氧化硅層110覆蓋在PN節(jié)上。第二二氧化硅層110將光直接耦合到光探測器100，實現(xiàn)光探測器100與第二二氧化硅層110的耦合(見圖1所示)。
本發(fā)明中的金屬間氧化層波導(dǎo)的材料和工藝均與標準CMOS工藝流程兼容，因此制作步驟與標準CMOS工藝流程相同，具體步驟如下一、有源區(qū)103和阱102結(jié)構(gòu)的制作由于光發(fā)射器109和光探測器100都是由有源區(qū)103和阱102結(jié)構(gòu)構(gòu)成，所以制作的第一步是制作有源區(qū)103和阱102結(jié)構(gòu)。
1、在已經(jīng)清潔過的硅襯底101表面，將不需作為阱102結(jié)構(gòu)的部分用氧化硅材料覆蓋保護。
2、將磷元素注入沒有被氧化硅材料覆蓋的襯底101，從而形成N型阱102。
3、在N型阱102上生長一層薄氧化硅材料。
4、根據(jù)掩模版，在有源區(qū)103處再注入磷元素形成P+有源區(qū)103。
二、第一二氧化硅層104的制作第一二氧化硅層104用來隔離不同作用的有源區(qū)103。
1、在已做好阱102結(jié)構(gòu)和有源區(qū)103的硅表面生長一層薄的二氧化硅材料(大約20至60nm厚)。
2、在有源區(qū)103部分生長一層厚的保護層，該保護層為氮化硅(Si3N4)材料，該保護層大約200nm厚。保護層的目的是保護有源區(qū)避免受到氧化。
3、對整個硅襯底101進行氧化，在沒有保護層的區(qū)域生長一層厚的第一二氧化硅層104，該第一二氧化硅層104大約900nm厚。
4、除去保護層。
三、淀積磷硅酸玻璃層105CMOS 藝中，主要的制作對象是NMOS和PMOS管，因此在淀積磷硅酸玻璃層105時需要用到制造MOS管的工藝。
1、在已經(jīng)做好第一二氧化硅層104和阱102結(jié)構(gòu)的硅芯片上，生長一層薄的二氧化硅材料。
2、對有源區(qū)103MOS管柵極區(qū)域進行閾值校準注入。主要是調(diào)整MOS管溝道雜質(zhì)濃度，達到校準MOS管開啟閾值的目的。
3、除去柵極區(qū)域以外的二氧化硅層。
4、在柵極二氧化硅材料上淀積多晶硅。
5、對阱102結(jié)構(gòu)中將要制作MOS管的源、漏區(qū)域進行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墻(OxideSpacer)。主要目的是調(diào)整溝道有效長度。
7、在MOS管柵極、源極、漏極上淀積硅化物，增強MOS管各極的導(dǎo)電性。
8、淀積磷硅酸玻璃層105。在需要與金屬連接的區(qū)域腐蝕出接觸孔(Contact Holes)。接觸孔的目的是可以使MOS管各極與金屬線相連。在本發(fā)明中，接觸孔的目的是為了光發(fā)射器109和光探測器100能夠和第二二氧化硅層110直接耦合。
四、一層第一金屬層106的制作本發(fā)明中，用到CMOS工藝中的第一層金屬106和第二層金屬111。由于金屬鋁的折射率比二氧化硅折射率大，金屬鋁是做氧化層波導(dǎo)包層的理想材料。在制作金屬層時，將鋁材料淀積到接觸孔中和需要制作光波導(dǎo)的區(qū)域，作為第二二氧化硅層110的下包層。
五、淀積第二二氧化硅層110
在已經(jīng)做好的一層金屬層106上淀積第二二氧化硅110，作為第二二氧化硅110的芯層。
六、第二金屬層111的制作在第二二氧化硅層110上將鋁材料淀積到需要制作第二二氧化硅層110的區(qū)域，作為第二二氧化硅層110的上包層。這樣，第二金屬層111與第一金屬層106形成第二二氧化硅層110的上下包層。
這種金屬間氧化物光波導(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準光波導(dǎo)模型類似，所以可以得到較高的傳輸效率，從而為實現(xiàn)硅基單片光電子集成回路提供了可行性。
權(quán)利要求
1.一種用標準工藝制作金屬間氧化層光波導(dǎo)的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一在襯底上生長第一二氧化硅層；步驟二在襯底上制作光源和探測器；步驟三在二氧化硅層上淀積磷硅酸玻璃；步驟四在磷硅酸玻璃上淀積第一金屬層作波導(dǎo)下包層；步驟五在第一金屬層上淀積第二二氧化硅層做波導(dǎo)芯層；步驟六在第二二氧化硅層上淀積第二金屬層作波導(dǎo)上包層；其中第二二氧化硅層與硅基發(fā)光器相耦合，第二二氧化硅層與硅基光探測器相耦合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用標準工藝制作金屬間氧化層光波導(dǎo)的方法，其特征在于，其中襯底為硅襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用標準工藝制作金屬間氧化層光波導(dǎo)的方法，其特征在于，其中該硅基發(fā)光器包括有源區(qū)及阱。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用標準工藝制作金屬間氧化層光波導(dǎo)的方法，其特征在于，其中該光探測器包括有源區(qū)及阱。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用標準工藝制作金屬間氧化層光波導(dǎo)的方法，其特征在于，其中第一、第二二氧化硅層的折射率為1.37。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用標準工藝制作金屬間氧化層光波導(dǎo)的方法，其特征在于，其中第一、第二金屬層的折射率為1.39。
全文摘要
本發(fā)明一種用標準工藝制作金屬間氧化層光波導(dǎo)的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一在襯底上生長第一二氧化硅層；步驟二在襯底上制作光源和探測器；步驟三在二氧化硅層上淀積磷硅酸玻璃；步驟四在磷硅酸玻璃上淀積第一金屬層作波導(dǎo)下包層；步驟五在第一金屬層上淀積第二二氧化硅層做波導(dǎo)芯層；步驟六在第二二氧化硅層上淀積第二金屬層作波導(dǎo)上包層；其中第二二氧化硅層與硅基發(fā)光器相耦合，第二二氧化硅層與硅基光探測器相耦合。
文檔編號G02B6/13GK1967301SQ200510086898
公開日2007年5月23日 申請日期2005年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月17日
發(fā)明者陳弘達, 顧明, 劉海軍 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所