CN100368837C - 用标准cmos工艺制作磷硅酸玻璃层光波导及集成的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用标准CMOS工艺制作磷硅酸玻璃层光波导及集成的方法，其特征在于，其步骤包括：步骤1：在硅衬底上、二氧化硅层的两端，分别制作阱和有源区，一端形成光源，另一端形成探测器；步骤2：在硅衬底上的中间生长二氧化硅层；步骤3：在二氧化硅层上淀积磷硅酸玻璃层形成光波导，该阱和有源区分别与磷硅酸玻璃层耦合；步骤4：在磷硅酸玻璃层上淀积金属铝形成上包层；光源发出的光直接耦合进光波导，通过光波导传送到光探测器，并由光探测器转换成电信号。

Description

用标准CMOS工艺制作磷硅酸玻璃层光波导及集成的方法
技术领域
本发明涉及到硅基单片光电子集成技术，尤其涉及到用标准CMOS工艺制作光波导以及光波导与光源和探测器的集成技术。
背景技术
在硅基光电子集成回路中，电信号先驱动硅基发光器产生光信号，光信号通过硅基光波导传输到硅基光探测器，硅基光探测器再将光信号转化成电信号。硅基光电子集成回路实现了电信号到光信号再到电信号的传输过程，并可以与集成电路集成在一个芯片上，成本低，可实现大规模生产，解决了完全电信号传输中的带宽、功耗、延时、窜扰等问题，是实现芯片内光互连的基本途径。
与标准CMOS工艺兼容的硅基光波导是硅基单片光电子集成回路(OEIC)的主要组成部分。光波导的传输性能对整个硅基单片光电子集成回路的性能有决定性的影响。硅基光波导主要是要具备低的传输损耗。传输损耗与材料的折射率、吸收系数、波导腔体形状、腔体表面粗糙程度等有关。到目前为止，已提到的硅基光波导大多是以SOI为衬底的脊形波导。这种波导利用SOI衬底中的氧化层作下包层，芯片上覆盖的氧化层作上包层，波导芯层为脊形硅波导。由于硅的氧化物的折射率比硅材料的折射率大很多，这种波导的传输效率是比较高的。但是，以SOI为衬底的脊形波导与标准的CMOS工艺不兼容，因此不适宜与集成电路集成，不适合大规模生产。
在CMOS工艺中各层的的折射率都不相同，各层材料的光吸收系数也有差异，在制作与标准CMOS工艺兼容的硅基光波导时，需要选择一合适的层作为芯层，以达到最优化的波导结构。
目前的硅基光波导均需要特殊工艺，如SOI工艺等。这些工艺与工业集成电路制造工艺不兼容，因此不适合大规模生产，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种标准CMOS工艺制作磷硅酸玻璃层光波导及集成的方法，该方法用标准CMOS工艺制作出高效的光波导器件。这种光波导器件完全由标准CMOS工艺生产线生产，为硅基光电子集成回路提供了可行性。
本发明一种用标准CMOS工艺制作磷硅酸玻璃层光波导及集成的方法，其特征在于，其步骤包括：
步骤1：将硅衬底上不需形成阱的部分用二氧化硅层覆盖保护起来，并在硅衬底上、所述起覆盖保护作用的二氧化硅层的两端，分别形成由阱和有源区构成的PN结，其中一端的PN结构成光源，另一端的PN结构成光探测器；
步骤2：在所述两端的有源区上淀积氮化硅保护层，并在没有形成氮化硅保护层的硅衬底上生长用作光波导的下包层的二氧化硅层，再除去氮化硅保护层；
步骤3：在步骤2中形成的二氧化硅层上淀积磷硅酸玻璃层形成光波导，磷硅酸玻璃层覆盖在光源和光探测器上，光源和光探测器分别与磷硅酸玻璃层构成的光波导耦接；
步骤4：在磷硅酸玻璃层之上和其两侧的接触孔中淀积金属铝，形成光波导的上包层；
光源发出的光直接耦合进光波导，通过光波导传送到光探测器，并由光探测器转换成电信号。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的A-A剖面图。
具体实施方式
请参阅图1及图2，本发明一种用标准CMOS工艺制作磷硅酸玻璃层光波导及集成的方法，其步骤包括：
步骤1：在硅衬底11上、二氧化硅层14的两端，分别制作阱12和有源区13，一端形成光源19，另一端形成光探测器10；
步骤2：在已做好阱12和有源区13的硅衬底11上的中间生长二氧化硅层14；
步骤3：在二氧化硅层14上淀积磷硅酸玻璃层15形成光波导，该阱12和有源区13分别与磷硅酸玻璃层15耦合；
步骤4：在磷硅酸玻璃层15上淀积金属铝16形成上包层；
光源19发出的光直接耦合进光波导，通过光波导传送到光探测器10，并由光探测器10转换成电信号。
其中磷硅酸玻璃层15的折射率为1.47，金属铝16的折射率为1.39。
请结合参阅图1及图2，本发明的与标准CMOS工艺兼容的磷硅酸玻璃层15(光波导)，利用CMOS工艺中的磷硅酸玻璃层15做波导芯层，磷硅酸玻璃层15下面的氧化层14作波导下包层，磷硅酸玻璃层15上面的金属层16作上包层。
本发明中利用一端的有源区13与阱18形成PN结，该PN结做光源19，磷硅酸玻璃层15覆盖在光源19上。光源19发出的光直接耦合进入磷硅酸玻璃层15，实现光源19与磷硅酸玻璃层15(光波导)的集成，利用另一端的有源区13与阱12间的PN结做光探测器10，磷硅酸玻璃层15覆盖在光探测器10上。磷硅酸玻璃层15(光波导)将光直接耦合到光探测器10，实现光探测器10与磷硅酸玻璃层15(光波导)的集成(见图1所示)。
参阅图2，为了限制光波的横向扩散，在磷硅酸玻璃层15两侧的衬底11上制作接触孔20(contact)。由于接触孔20内填有金属铝16，因此磷硅酸玻璃层15(光波导)侧壁材料就为金属铝16(见图2所示)。由于金属铝16的折射率比磷硅酸玻璃层15的折射率小很多，光波就被限制在一定的范围之内。
本发明中的磷硅酸玻璃层波导的材料和工艺均与标准CMOS工艺流程兼容，因此制作步骤与标准CMOS工艺流程相同，具体步骤如下，结合参阅图1及图2：
一、有源区13和阱结构12的制作
由于光源19和光探测器10都是由有源区13和阱12构成，所以制作的第一步是制作有源区13和阱12。
1、在已经清洁过的硅表面，将不需作为阱结构的部分用氧化硅层覆盖保护。
2、将磷元素注入没有被氧化硅层覆盖的衬底11，从而形成N型阱12区。
3、在N型阱12区上生长一层薄氧化层。
4、根据掩模版，在有源区13处再注入磷元素形成P+有源区。
二、二氧化硅层的制作
二氧化硅层14用来做磷硅酸玻璃层15(PSG)(光波导)的下包层，是光波导器件的基础。
1、在已做好阱12结构和有源区13的硅表面生长一层薄的二氧化硅层(大约20至60nm厚)。
2、用化学气相淀积技术(CVD)在有源区13部分淀积一层厚的氮化硅(Si3N4)保护层(大约200nm厚)。氮化硅层的目的是保护有源区13避免受到氧化。
3、对整个硅片进行氧化，在没有氮化硅保护层的区域生长一层厚的二氧化硅层14(大约900nm厚)。
4、在180摄氏度用磷酸将氮化硅保护层除去。
三、淀积PSG(phosphosilicate glass)层15
CMOS工艺中，主要的制作对象是NMOS和PMOS管，因此在淀积PSG层15时需要用到制造MOS管的工艺。
1、在已经做好氧化层隔离和阱结构的硅芯片上，生长一层薄的二氧化硅层。
2、对有源区13MOS管栅极区域进行阈值校准注入。主要是调整MOS管沟道杂质浓度，达到校准MOS管开启阈值的目的。
3、除去栅极区域以外的二氧化硅层。
4、在栅极二氧化硅层14上淀积多晶硅。
5、对阱结构中将要制作MOS管的源、漏区域进行N型注入和P型注入，形成NMOS和PMOS管的源、漏极。
6、在MOS管栅极侧面淀积栅极氧化物保护墙(Oxide Spacer)。主要目的是调整沟道有效长度。
7、在MOS管栅极、源极、漏极上淀积硅化物，增强MOS管各极的导电性。
8、淀积PSG层。在需要与金属连接的区域腐蚀出接触孔20(ContactHoles)。接触孔20(图2中)的目的是可以使MOS管各极与金属线相连。在本发明中，接触孔20的目的是为了限制PSG波导的尺寸，接触孔20中将填入金属铝层16。
四、金属层16的制作
本发明中，只用到CMOS工艺中的第一层金属铝。由于金属铝层16的折射率比PSG 15折射率小很多，金属铝层16是做PSG波导侧壁的理想材料。在制作金属层16时，将铝材料淀积到接触孔20中和需要制作金属线的区域。金属铝16的下表面与PSG层15相接触，因此可作为PSG波导的上包层。
这种PSG光波导完全用CMOS工艺制作而成，不需更改CMOS工艺中的任何工序和材料，可以在生产厂商(Foundry)的工艺流水线上与CMOS集成电路一同制造，真正实现了光电子与微电子的集成。这种波导中的芯层和包层的材料特性与标准光波导模型类似，所以可以得到较高的传输效率，从而为实现硅基单片光电子集成回路提供了可行性。

Claims (1)

1.一种用标准CMOS工艺制作磷硅酸玻璃层光波导及集成的方法，其特征在于，其步骤包括：
步骤1：将硅衬底上不需形成阱的部分用二氧化硅层覆盖保护起来，并在硅衬底上、所述起覆盖保护作用的二氧化硅层的两端，分别形成由阱和有源区构成的PN结，其中一端的PN结构成光源，另一端的PN结构成光探测器；
步骤2：在所述两端的有源区上淀积氮化硅保护层，并在没有形成氮化硅保护层的硅衬底上生长用作光波导的下包层的二氧化硅层，再除去氮化硅保护层；
步骤3：在步骤2中形成的二氧化硅层上淀积磷硅酸玻璃层形成光波导，磷硅酸玻璃层覆盖在光源和光探测器上，光源和光探测器分别与磷硅酸玻璃层构成的光波导耦接；
步骤4：在磷硅酸玻璃层之上和其两侧的接触孔中淀积金属铝，形成光波导的上包层；
光源发出的光直接耦合进光波导，通过光波导传送到光探测器，并由光探测器转换成电信号。
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