CN100478718C

CN100478718C - 多层金属间氧化物脊形波导结构及其制作方法

Info

Publication number: CN100478718C
Application number: CNB2006100586598A
Authority: CN
Inventors: 陈弘达; 黄北举; 顾明; 刘海军
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2006-03-06
Filing date: 2006-03-06
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2026-03-06
Also published as: CN101034185A

Abstract

一种多层金属间氧化物脊形波导结构，包括：一硅衬底；一氧化隔离层位于衬底和阱上，用于隔离不同的电子器件；一PSG磷硅玻璃制作在氧化隔离层、有源区和阱上；第一层金属制作在PSG磷硅玻璃上，作为波导下包层；第一层氧化层制作在第一层金属上；第二层金属制作在第一层氧化层上；第二层氧化层制作在第二层金属上；第三层金属制作在第二层氧化层上；第三层氧化层制作在第三层金属上；第四层金属位于顶层位于顶层制作在第三层氧化层上；第一层金属和第二层金属接触、第二层金属和第三层金属接触、第三层金属和第四层金属接触作为脊形波导横向限制层，使光线被限制在脊形波导内。

Description

多层金属间氧化物脊形波导结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及到硅基单片光电子集成技术，尤其涉及到多层金属间氧化物脊形波导结构及其制作方法，可利用完全标准CMOS工艺实现。

背景技术

集成电路的集成度按照摩尔定律每两年翻一番的速度飞速向前发展，晶体管尺寸和互连线尺寸同步缩小使芯片集成度越来越高。随着集成度的提高，单个晶体管的延时越来越小，然而互连线的延时却越来越大。这是因为互连线尺寸的减小使互连线电阻增加，虽然目前采用铜互连代替以前的铝互连能在一定程度上减小电阻和互连线的电迁移率问题，然而当互连线尺寸进一步减小时，铜互连仍然遇到了延时和功耗的瓶颈。此外，随着铜互连线尺寸的减小，表面散射越来越严重从而使互连线电阻进一步增加。当互连线宽度小于50nm时，这种表面散射的影响将变得非常显著，并且严重依赖于金属淀积技术。这些电互联固有的电阻、延时、功率损失及电磁干扰等问题使人们把目光转向了光互联。片上光互联能解决电互联固有的瓶颈，可用于系统芯片中时钟信号传输，解决信号的相互干扰和时钟歪斜问题。

在硅基光电子集成回路中，片上光互联是这样来实现的：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，具有成本低，可大批量生产优点，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。

在片上光互联中，光波导无疑是至关重要的部件。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。它要满足低的传输损耗以及单模传输等要求。此外为了使光波导能传输较多的光场能量，希望光波导具有较大的横截面积。较大横截面积的光波导还有利于波导和光源及探测器之间的光耦合，提高耦合效率。波导的传输损耗与材料的折射率、吸收系数、波导几何形状、表面粗糙程度等有关。到目前为止，低损耗的单模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。由于波导覆盖层为硅的氧化物，其折射率比波导芯层硅材料的折射率小很多，因此这种波导的传输效率是比较高的。此外这种脊形波导结构可以通过调整内脊、外脊高及脊宽来达到单模传输要求。由于SOI脊形波导结构的高度和宽度可自由调整，因此既可以制作大截面单模波导以减小耦合损耗又可以制作结构紧凑的微型波导利于单片光电集成。但是，现代超大规模集成电路广泛使用的是硅衬底材料。以SOI为衬底的脊形波导结构无法利用标准的CMOS工艺来实现，因此无法在标准CMOS工艺流水线上硅基单片集成光源、波导及探测器。

因此有必要设计出利用标准CMOS工艺来制作光波导的方法，尤其是制作出在水平和垂直方向对光场均有限制的脊形光波导结构。在标准CMOS工艺中，各层材料的折射率都不相同，各层材料的光吸收系数也有差异，因此可以利用这些材料折射率和吸收系数的差异来制作光波导。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种多层金属间氧化物脊形波导结构及其制作方法。这种光波导器件由CMOS工艺中的多层金属间氧化物做波导芯层，第一层金属作波导下包层，顶层金属作波导上包层，利用中间不同层金属的接触来定义波导的高度和宽度。整个光波导器件的制作不需要修改标准CMOS工艺流程，从而为完全由标准CMOS工艺生产线生产硅基光电子集成回路提供了可行性。

本发明一种多层金属间氧化物脊形波导结构的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：在硅衬底上通过离子注入方法制作有源区和阱形成PN结，该PN结作为发光二极管或者探测器二极管；

步骤二：在已做好阱和有源区的硅表面氧化生长二氧化硅层作为氧化隔离层；

步骤三：淀积磷硅酸玻璃层；

步骤四：在磷硅酸玻璃层上分别淀积第一层金属、第一层氧化物、第二层金属及其与第一层金属接触；

步骤五：依次淀积制作第二层氧化物、第三层金属及其与第二层金属接触、第三层氧化物、第四层金属及其与第三层金属接触。

其中多层金属间氧化层为多层结构，该脊形波导结构的波导层厚度通过改变氧化层的层数而改变，不再受限于单层金属间的氧化层厚度。

其中通过利用多层金属间的接触作为波导限制层；该脊形波导结构分别利用不同金属层的接触作为脊形波导内外脊的限制层从而实现水平方向波导对光的限制。

该结构波导中的各个介质层均为标准CMOS集成电路工艺中的相应层，因此该波导通过集成电路版图设计来调整脊形波导结构的脊高和脊宽，从而满足单模波导条件。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1为本发明顶视图。

图2为本发明X-X方向剖面图。

图3为本发明Y-Y方向剖面图。

具体实施方式

请参阅图3所示，本发明一种多层金属间氧化物脊形波导结构，包括：

多层金属314和多层金属314间氧化层315；多层金属314作为覆盖层，而多层金属314间氧化层315作为脊形波导芯层；由于发光二级管和探测器二极管均可以通过硅衬底301上的有源区317和阱316形成，因此该脊形波导结构可与光源和探测器集成；其特征在于，其结构包括：

一硅衬底301；

一氧化隔离层313，该氧化隔离层位于衬底301和阱316上，用于隔离不同的电子器件；

一PSG磷硅玻璃302，该PSG磷硅玻璃302制作在氧化隔离层313、有源区317和阱316上；

第一层金属303，该第一层金属303制作在PSG磷硅玻璃302上，作为波导下包层；

第一层氧化层304，该第一层氧化层304制作在第一层金属303上；

第二层金属305，该第二层金属305制作在第一层氧化层304上；

第二层氧化层306，该第二层氧化层306制作在第二层金属305上；

第三层金属307，该第三层金属307制作在第二层氧化层306上；

第三层氧化层308，该第三层氧化层308制作在第三层金属307上；

第四层金属309位于顶层，该第四层金属309位于顶层制作在第三层氧化层308上；

第一层金属303和第二层金属305接触312、第二层金属305和第三层金属307接触311、第三层金属307和第四层金属309接触310作为脊形波导横向限制层，使光线被限制在脊形波导318内。

其中多层金属间氧化层315为多层结构，因此该结构脊形波导结构318的波导层厚度可以通过改变氧化层的层数而改变，不再受限于单层金属间的氧化层厚度。

其中可通过利用多层金属314间的接触作为波导限制层；该脊形波导结构318分别利用不同金属层的接触作为脊形波导结构内外脊的限制层从而实现水平方向波导对光的限制。

该结构波导中的各个介质层均为标准CMOS集成电路工艺中的相应层，因此该波导可通过集成电路版图设计来调整脊形波导结构318的脊高和脊宽，从而满足单模波导条件。

请再参阅图3所示，本发明一种多层金属间氧化物脊形波导结构的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：在硅衬底301上通过离子注入方法制作有源区317和阱316形成PN结，该PN结可作为发光二极管或者探测器二极管；

步骤二：在已做好阱316和有源区317的硅表面氧化生长二氧化硅层作为氧化隔离层313；

步骤三：淀积磷硅酸玻璃层302；

步骤四：在磷硅酸玻璃层302上分别淀积第一层金属303、第一层氧化物304、第二层金属305、第二层氧化物306、第三层金属307、第三层氧化物308、第四层金属309；

步骤五：分别制作第一层金属303和第二层金属305接触312，第二层金属305和第三层金属307接触311，第三层金属307和第四层金属309接触310；

这样就利用多层金属314和多层金属间氧化物315实现了脊形波导318。

其中多层金属间氧化层315为多层结构，因此该脊形波导结构318的波导层厚度可以通过改变氧化层的层数而改变，不再受限于单层金属间的氧化层厚度。

其中可通过利用多层金属314间的接触作为波导限制层；该脊形波导结构318分别利用不同金属层的接触作为脊形波导内外脊的限制层从而实现水平方向波导对光的限制。

目前广泛研究使用的高性能SOI脊形光波导无法通过标准CMOS工艺线流片生产，需要自制掩模版通过光刻、曝光、刻蚀等工艺步骤完成波导的制作。通过用户自定义工艺制作的SOI脊形光波导势必成本较高且无法和大规模集成电路实现单片集成。为了批量生产光电子集成回路以降低成本，有必要使用标准CMOS工艺制造光波导。现代大规模集成电路CMOS工艺广泛使用多层金属铜作为互连线，互连线之间利用SiO₂作为电介质绝缘层。由于铜的折射率远远小于SiO₂的折射率，因此完全可利用CMOS工艺中铜互连线作为波导包层，以二氧化硅作为波导芯层。单层SiO₂电介质层的厚度较薄，传输光场能量有限，甚至会由于厚度太薄无法建立起有效的光传输模式导致光波导失效。为了解决这一问题，本发明使用多层金属间氧化层作为波导层，将各个金属层间的氧化物连成一体大大增大了波导厚度。此外，本发明还使用金属接触将不同层金属互连以作为波导在水平方向上的覆盖层。

由于本发明使用标准CMOS工艺，因此可以通过版图的形式交由芯片代工厂(Foundry)生产，其版图如图1所示。深亚微米CMOS工艺使用的互连金属层数可达6层，本发明示意图只画出其中四层。有源区P注入区11和N井12的PN结构成发光二极管，而有源区P注入区18和N井17的PN结构成探测器。第一层金属13作为波导的下包层，第一层、第二层及第三层金属间的接触14作为脊形波导外脊部分在水平方向上的覆盖层。第三层和第四层金属的接触15作为脊形波导内脊部分在水平方向上的覆盖层。顶层金属16作为波导上包层。波导高度通过选用不同层数金属间的氧化物确定，波导宽度由金属间的接触间距来确定。通过调整波导宽度和高度来优化波导特性，使波导能有效传输光场。

图2为本发明在X-X方向的剖面图。Si衬底201上的有源区203与阱202间的PN结形成发光二极管，场区隔离二氧化硅212的“鸟嘴”覆盖在发光二级管PN结上。发光二极管发出的光直接耦合进入多层金属间氧化层波导213，实现发光二极管与光波导的集成。有源区215与阱214间的PN结形成探测器，同样二氧化硅212的“鸟嘴”覆盖在探测器PN结上。波导将光直接耦合到光探测器，实现光探测器与光波导的集成。在PSG磷硅玻璃204上，依次为以下各层：第一层金属205、第一层SiO₂层206、第二层金属207、第二层SiO₂层208、第三层金属209、第三层SiO₂层210、第四层金属211。

图3为本发明在Y-Y方向的剖面图，由图可见最顶层金属309和底层金属303分别形成了脊形波导318的上下包层，第一层金属303和第二层金属305的接触312、第二层金属305和第三层金属307的接触311及第三层金属307和第四层金属309的接触310形成脊形波导318在水平方向上的限制层，定义了脊形波导318的宽度。这样就形成了多层金属314间的多层氧化物315结构脊形光波导318。在硅衬底301上依次还有以下各层：井316、有源区317、PSG磷硅玻璃302、场区隔离SiO₂层313、第一层SiO₂层304、第二层SiO₂层306、第三层SiO₂层308。

本发明中的金属间氧化层波导的材料和工艺均与标准CMOS工艺流程相同，因此制作步骤与标准CMOS工艺流程一样，具体步骤如下：

一、有源区317和阱316结构的制作

由于光发射器和光探测器都是由有源区317和阱316构成，所以制作的第一步是制作有源区317和阱316结构。

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，从而形成N型阱区。

3、在N型阱区上生长一层薄氧化层。

4、根据掩模版，在有源区处再注入磷元素形成P+有源区。

二、氧化隔离层313的制作

在集成电路中氧化隔离层313用来隔离不同作用的有源区，实现不同电子器件的隔离。

1、在已做好阱316结构和有源区317的硅表面生长一层薄的二氧化硅层(大约20至60nm厚)。

2、在有源区317部分生长一层厚的氮化硅(Si₃N₄)保护层(大200nm厚)。氮化硅层的目的是保护有源区避免受到氧化。

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氧化硅隔离层(大约900nm)厚。

4、除去氮化硅保护层。

三、淀积磷硅酸玻璃层302

CMOS工艺中，主要的制作对象是NMOS和PMOS管，因此在淀积磷硅酸玻璃层204时需要用到制造MOS管的工艺。

1、在已经做好氧化层隔离313和阱316结构的硅芯片上，生长一层薄的二氧化硅层。

2、对有源区MOS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204。在需要与金属连接的区域腐蚀出接触孔(ContactHoles)。接触孔的目的是可以使MOS管各极与金属线相连。在本发明中，接触孔的目的是为了光源和光探测器能够和光波导直接耦合。

四、第一层金属303的制作

本发明中，用到CMOS工艺中的第一至第四层金属。由于金属铜的折射率比二氧化硅折射率小很多，金属铜是做氧化层波导包层的理想材料。在制作金属层时，将铜材料淀积到接触孔中和需要制作光波导的区域，作为光波导的下包层。

五、第一层氧化物304淀积

在已经做好的第一层金属上淀积二氧化硅，作为光波导的芯层。

六、第二层金属305及其与第一层金属接触312的制作

将铜材料淀积到脊形光波导外侧的区域，两层金属的接触作为光波导的水平方向覆盖层。

七、第二层氧化物306淀积

在已经做好的第二层金属上淀积二氧化硅，作为光波导的芯层。

八、第三层金属307及其与第二层金属接触311的制作

九、第三层氧化物308淀积

在已经做好的第三层金属上淀积二氧化硅，作为光波导的芯层。

十、第四层金属309及其与第三层金属接触310的制作

将铜材料淀积到整个脊形光波导区域，作为波导的上包层。两层金属的接触作为光波导的水平方向覆盖层。这样就完成了整个脊形波导结构318的制作过程。

这种多层金属间氧化物光波导完全用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。这种脊形光波导在水平和垂直两个方向上对光线均有限制作用，因此具有良好的传输特性。而且还可以通过调整脊高和脊宽来优化波导，进一步改善波导的性能，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、一种多层金属间氧化物脊形波导结构的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤三：淀积磷硅酸玻璃层；

步骤四：在磷硅酸玻璃层上依次淀积第一层金属、第一层氧化物、第二层金属及其与第一层金属接触；

2、根据权利要求1所述的多层金属间氧化物脊形波导结构的制作方法，其特征在于，其中多层金属间氧化层为多层结构，该脊形波导结构的波导层厚度通过改变氧化层的层数而改变，不再受限于单层金属间的氧化层厚度。

3、根据权利要求1所述的多层金属间氧化物脊形波导结构的制作方法，其特征在于，其中通过利用多层金属间的接触作为波导限制层；该脊形波导结构分别利用不同金属层的接触作为脊形波导内外脊的限制层从而实现水平方向波导对光的限制。

4、根据权利要求1所述的多层金属间氧化物脊形波导结构的制作方法，其特征在于，该波导结构中的各个介质层均为标准CMOS集成电路工艺中的相应层，因此该波导通过集成电路版图设计来调整脊形波导结构的脊高和脊宽，从而满足单模波导条件。