CN1371483A - 与标准cmos电路相集成的波导结构及其制作方法 - Google Patents

与标准cmos电路相集成的波导结构及其制作方法 Download PDF

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Abstract

提供了波导结构和制作用于传送光信号的波导的方法。波导结构是通过使用标准CMOS制造操作过程被制成的,并与具有数字CMOS电路的同一个芯片集成在一起。制作波导的示例的方法包括形成一个穿过介质层向下到基片的接触孔,以及用第一金属化涂层涂覆接触孔的侧壁。然后用介质材料填充接触孔。局部波导结构被形成在接触孔的第一金属化涂层和介质材料上。由波导介质结构和被规定在波导介质上的第二金属化涂层规定了局部波导结构。第三金属化涂层被形成来规定隔板连同局部波导结构的侧壁,第一金属化涂层和第二金属化涂层。第三金属化涂层被配置成完成被填充以波导介质材料的波导结构。然后,光信号可以传播通过波导结构,以及与其它CMOS数字电路相接口。

Description

与标准CMOS电路相集成 的波导结构及其制作方法
                    发明背景
1.发明领域
本发明涉及半导体设备的制造。更具体地，本发明涉及把高速度波导结构集成到标准互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片。
2.相关技术描述
今天的半导体设备不断地被推进满足更严格的要求。随着使用这种技术的设备充斥市场，消费者对设备提出更高的要求。这些要求包括更小的、更紧凑的、具有更大功能的设备。
在搜索更高的执行的电路，CMOS电路的设计者一直在寻求其它技术。这样的技术包括射频(RF)技术、微波频率技术、和光频率技术。然而，一个问题是这样的技术不能通过使用在标准CMOS设计中实施的相同的处理操作过程来被集成。结果，当对于更快速的执行电路的需要增长时，集成电路设计者被迫单独的设计和制造分开的芯片，然后通过使用印刷电路板(PCB)把它们合并在一起。
众所周知，由于制造上的不同，需要分开地设计和制造。也就是，在制造CMOS设备时实施的标准制造操作过程不容易被应用来制造RF电路、微波电路或光学电路。例如，许多RF电路需要把传导线形成为具有内导体和外部的屏蔽体的同轴线。某些微波电路通过使用微带技术和带有或不带有填充介质材料的钢波导来制造。光设备也常常通过使用多个介质层和特别地排列的导体来制造。
一旦CMOS芯片和RF设备或微波设备或光学设备准备好集成，主要的工作必须被执行，以确保做到在两个技术之间的信号正确的通信。这种测试常常需要在时间上很大的投资，以及多次产生无法满足严格性能需要的设备。性能上的这种失败主要是由于分开地制造的过程，以及当分开的芯片被接口时受到的信号或功率损耗。另外，分开制造和集成也具有增加工程化费，从而增加最后的产品的成本的缺点。
通过以上所述，需要能够把标准CMOS电路连同其它非CMOS高速度电路集成在一起的半导体设备。也需要用于使用标准CMOS制造处理过程制作半导体设备的方法。
                 发明概要
一般说来，本发明通过提供把非CMOS高速度电路结构连同标准CMOS电路集成在一起的半导体设备，而满足这些需要。应当看到，本发明可以以多种方式被实施，包括处理过程、设备、系统、设备或方法。下面描述本发明的几个发明性实施例。
在一个实施例中，揭示了通过实施CMOS制造过程来制作波导结构的方法。方法包括提供基片，具有被制造在其上的多个有源设备；以及重叠的氧化物层。规定了一个接触孔穿过氧化物层，用来规定向下到基片的路径。方法然后转到在氧化物层上和在接触孔内淀积第一金属化涂层。在接触孔的基底处去除第一金属化涂层，以便限定向下到基片的路径，以及接触孔被填充以接触孔介质材料。然后，在第一金属化涂层上形成波导介质，以及与接触孔介质材料相接触。然后在波导介质上形成第二金属化涂层。方法然后转到形成第二金属化涂层、波导介质、和第一金属化涂层的图案。图案被配置成使得具有接触孔介质材料的局部波导结构与波导介质相接触。第三金属化涂层被形成在局部波导结构上。第三金属化被配置成规定金属化隔板，它连接第一金属化涂层和第二金属化涂层，以及包围波导介质，以便规定波结构。
在另一个实施例中，揭示了制作用于传送光学信号的波导的方法。方法包括形成一个接触孔，穿过介质层，向下到基片，以及用第一金属化涂层覆盖接触孔的侧壁。接触孔然后被填充以介质材料。局部波导结构被形成在第一金属化涂层和接触孔的介质材料。局部波导结构由波导介质结构和在波导介质结构上规定的第二金属化涂层规定。然后，形成第三金属化涂层，规定隔板连同局部波导的侧壁，第一金属化涂层，第二金属化涂层。第三金属化涂层被配置来完成波导结构，填充以波导介质结构。然后，光信号可被传播提供波导结构，以及与其它CMOS数字电路相面接。
在再一个实施例中，揭示了被集成到半导体设备的、和通过使用标准CMOS处理过程被制造的波导结构。波导结构包括：(a)具有被制造在其中的发光二极管的基片；(b)被涂覆的导电材料和介质填充的接触孔，与基片的发光二极管通信；以及(c)导电材料涂覆的介质线，与导电材料覆盖的、和介质填充的接触孔进行介质接触，导电材料涂覆的介质线规定波导结构。
应当看到本发明的许多优点。半导体应用现在可以把波导结构和标准CMOS通信合并在单个芯片上。这样，不再要求设计者设计和制造具有波导结构的分开的芯片和CMOS芯片来制作想要的集成电路应用项。通过以下结合附图的详细说明，借助于例子说明本发明的原理，将明白本发明的其它方面和优点。
                    附图简述
通过以下结合附图的详细说明，将容易了解本发明。所以，相同的参考数字表示相同的结构单元。
图1显示按照本发明的一个实施例的、在初始标准CMOS处理期间半导体设备的截面图。
图2显示按照本发明的一个实施例的、在执行蚀刻操作后。图1的半导体基片的截面图。
图3显示在氧化物层上和在与基片相接口的接触孔中的TiN涂层的形成。
图4显示按照本发明的一个实施例的、被配置来去除接触孔中的一部分TiN材料的蚀刻操作。
图5显示按照本发明的一个实施例的、淀积介质层到接触孔，造成到基片的介质连接。
图6显示按照本发明的一个实施例的、在CMO操作被实施来去除过量的介质材料后的图5的最后的结构。
图7显示按照本发明的一个实施例的、在介质层与TiN的第二涂层被形成在图6的结构后的最后的结构。
图8显示按照本发明的一个实施例的、被使用来规定局部波导的位置的光阻掩膜的形成。
图9显示按照本发明的一个实施例的、具有波导介质结构的最后的局部波导结构。
图10显示按照本发明的一个实施例的、在第三TiN涂层被淀积在局部波导结构后的图9的结构。
图11A显示按照本发明的一个实施例的、通过使用标准CMOS制造操作而制造的最后的波导结构。
图11B显示按照本发明的一个实施例的、图11A的波导结构的更详细的图。
图12显示按照本发明的一个实施例的、在波导结构上形成介质层，以便继续进行标准CMOS处理过程。
                 优选实施例详述
揭示了具有集成的波导结构的CMOS半导体设备。在以下的说明中，阐述多个特定的细节，以便提供对本发明的透彻的了解。然而，本领域技术人员将会看到，可以不用这些特定的细节的全部或局部而实施本发明。在其它事例中，熟知的处理操作将不作详细描述，以免不必要地掩蔽本发明。
图1显示按照本发明的一个实施例的、在初始标准CMOS处理期间半导体设备的截面图。设备从半导体基片100开始被处理，它包括多个在其中制作晶体管设备的有源区。在本例中，浅沟隔离(STI)区102被提供来隔离示例的晶体管，它包括源极区与漏极区104，以及栅极106。一旦在IC设备上规定了各种晶体管后，氧化物层108就被淀积在半导体基片100。在本实施例中，氧化物层108被淀积到约5,000埃和约15,000埃之间的厚度范围，优选的厚度约为10,000埃。
图2显示按照本发明的一个实施例的、在执行蚀刻操作后。图1的半导体基片的截面图。如图所示，光阻掩膜110在氧化物层108上被做成图案，规定向下到半导体基片100的接触孔。实施蚀刻操作112，以便在氧化物层108上蚀刻，氧化物层108优选地是二氧化硅(SiO2)材料或其它适当的无机或有机介质。蚀刻操作规定在区域100a处向下到半导体基片100的接触孔，它将被使用来形成发光二极管(LED)，如图11B所示。本发明的波导也可一个实现激光二极管，它可以通过使用熟知的技术被制作在半导体基片100，以便产生光信号。
一旦完成图2上的蚀刻操作，处理过程转到图3，在其中氮化钛(TiN)层114被淀积在氧化物层108上和接触孔113中。如图所示，包括基底的接触孔113的壁被淀积上TiN层114。优选地，TiN层114被淀积到约200埃和约1,000埃之间的厚度范围，以及更优选地约为500埃的厚度。优选地，TiN材料的电阻率是在约每厘米50微欧姆到约每厘米1,000微欧姆之间，以及最优选地是每厘米100微欧姆。
图4显示按照本发明的一个实施例的、被配置来去除接触孔中的一部分TiN材料114的蚀刻操作。如图所示，光阻掩膜116以一种暴露接触孔113内半导体基片100的区域100a的方式被形成在TiN层114。通过从接触孔113的基底去除TiN材料114，可以把要被形成的波导连接到半导体基片100和它的相关的光发射结构。现在，氧化物层120被淀积到TiN层114和接触孔113内，以使得氧化物层120在区域100a处与半导体基片100直接接触。氧化物淀积优选地是高密度等离子体(HDP)氧化物淀积，它被做成填充在接触孔113中向下到半导体基片100。
这时，化学机械抛光(CMP)操作，如图6所示地被执行来去除氧化物层120向下到TiN层114。如图7所示，另一个氧化物层122被淀积在TiN层114上，以及被淀积成与在接触孔113内包含的氧化物材料120进行介质接触。优选地，氧化物层122被淀积到约5,000埃和约15,000埃之间的厚度范围。一旦氧化物层122被淀积到适当的厚度，规定所形成的波导的深度后，TiN层114a就被淀积成氧化物层122上。优选地，TiN材料114a将具有范围在约200埃和约1,000埃之间的厚度，最优选地，和TiN层114一样，具有约500埃的厚度。
波导的宽度将通过在TiN层114a做成光阻掩膜124的图案而被规定，如图8所示。一旦在TiN层114a上规定了光阻掩膜124，就执行蚀刻操作126，去除暴露的TiN层114a，氧化物层122，和TiN层114。所以，光阻掩膜124规定波导的宽度W，如图9所示。优选地，宽度可被选择为在约0.5微米与约50微米之间，最优选地约为1微米。在TiN层114a，氧化物层122和TiN层114上实施的示例的蚀刻操作在下面的表A上加以说明。蚀刻的氧化物层122所以规定了在其顶部和底部被涂覆以导电材料的介质线。这时，波导还没有被规定，因为波导需要由在所有壁上的金属化涂层包围。
               表A
    参量           TiN               氧化物           TiN
     压力(mT)     ∽10     ∽30     ∽10
    RF-顶部(W)     ∽450     ∽450     ∽450
    RF-底部(W)     ∽135     ∽300     ∽135
    BCl3(sccm)     ∽60     0.0     ∽60
    Cl2(sccm)     ∽60     0.0     ∽60
    N2(sccm)     ∽11     0.0     ∽11
    CF34(sccm)     0.0     ∽30     0.0
    Ar(sccm)     0.0     ∽100     0.0
    CHF3(sccm)     0.0     ∽90     0.0
    He夹持(T)     ∽10     ∽10     ∽10
    完成     时间     时间     时间
    时间     ∽20秒     ∽20秒     ∽10秒
在下一个操作中，另一个TiN层114b被掩蔽淀积在氧化物层108的顶部，和局部波导结构的TiN层114a，如图10所示。在本实施例中，TiN层114b的厚度优选地在约200埃和约2,000埃之间，以及最优选地，约为1,000埃。一旦TiN层114b已被淀积，就实施蚀刻操作117，从氧化物层108和TiN层114a，去除TiN层114b。蚀刻操作117的效果将是要留下如图11A所示TiN隔板114b围绕氧化物层122的侧壁，因此，包围介质材料122和规定波导结构130。众所周知，波导结构包含一个空洞，或介质填充的导电管子、方形，或矩形。在截止频率以上的电磁波可以沿着波导传播具有被约束在波导内的电场和磁场。有利地，本发明的波导可以通过使用被使用来制造数字电路的同一个标准CMOS处理过程操作来制造。
如图所示，波导结构130现在被金属材料包围，在本例中，优选地是TiN。应当看到，任何其它适当的金属材料可被使用来规定波导130的隔板。例如，其它适当的材料可以从包含氮化钛(TiN)，铜(Cu)，金(Au)，钨(W)，和氮化钽(TaN)的组中进行选择。一旦波导结构130被形成，就可在波导结构上形成氧化物层132，如图12所示，以及可以按需要完成任何剩余的标准处理过程步骤。
图11B显示按照本发明的一个实施例的、波导结构130的更详细的图。波导结构130被显示为具有由TiN材料114，114a和114b规定的隔板。被包含在波导结构130内的是：具有线的形式的氧化物材料122，和向下延伸的、并与半导体材料100的区域100a相接触的氧化物材料120。在本示例性实施例中，半导体基片100优选地是被负的充电的P型基片。在区域100a中规定了N+掺杂的阱，它被使用来规定一个二极管。然后，N+掺杂的阱在操作期间被连接到正的电压源。
为了图形地显示二极管140的位置，简化图显示二极管是如何在N+掺杂的阱和P型基片的交界面上被规定的。因此，二极管140可以产生必要的光和用作为发光二极管(LED)，以便把光信号传播到波导结构130的介质材料120和122。在一个实施例中，波导结构130可被使用来传播具有大于1016Hz的频率的光信号。当最大尺寸(宽度或高度)约为1微米时，光信号的1016Hz的频率是波导结构130的截止频率。如果希望传播大于1013Hz的光信号，则最大尺寸(例如宽度)必须大于约10微米。所以，正如可以看到的，对波导130的尺寸的修改使得能够用于不同的截止频率。
虽然上述的本发明以某些细节进行描述，以便清晰地了解，但将会看到，可以在附属权利要求的范围内做成某些改变和修改。因此，本实施例被认为是说明性的，而不是限制性的，本发明并不限于这里给出的细节，而是可以在附属权利要求的范围和等价物内被修改。

Claims (20)

1.用于通过实施CMOS制造过程来制作波导结构的方法，方法包括：
提供基片，具有被制造在其上的多个有源设备和重叠的氧化物层；
规定了一个穿过氧化物层的接触孔，用来规定向下到基片的路径；
在氧化物层上和在接触孔内淀积第一金属化涂层；
在接触孔的基底处去除第一金属化涂层，以便规定向下到基片的路径；
以接触孔介质材料填充接触孔；
在第一金属化涂层上形成波导介质，以及与接触孔介质材料相接触；
在波导介质上形成第二金属化涂层；
形成第二金属化涂层、波导介质、和第一金属化涂层的图案，图案被做成使得具有接触孔介质材料的局部波导结构与波导介质相接触；以及
在局部波导结构上形成第三金属化涂层，第三金属化被配置成规定金属化隔板，连接第一金属化涂层和第二金属化涂层，以及包围波导介质，以及规定波结构。
2.如权利要求1中所述的、用于通过实施CMOS制造过程来制作波导结构的方法，其中基片包括在规定到基片的路径上的发光二极管和激光二极管之一。
3.如权利要求1中所述的、用于通过实施CMOS制造过程来制作波导结构的方法，其中发光二极管和激光二极管之一被做成产生光信号，传播通过接触孔介质材料和波导结构的波导介质。
4.如权利要求1中所述的、用于通过实施CMOS制造过程来制作波导结构的方法，其中第一金属化涂层、第二金属化涂层和第三金属化涂层，每个是从包含氮化钛(TiN)，铜(Cu)，金(Au)，钨(W)，和氮化钽(TaN)的组中选择的。
5.如权利要求4中所述的、用于通过实施CMOS制造过程来制作波导结构的方法，其中当第一金属化涂层、第二金属化涂层和第三金属化涂层，每个是氮化钛(TiN)时，涂层具有的宽度的范围为约200埃和约2,000埃之间。
6.如权利要求5中所述的、用于通过实施CMOS制造过程来制作波导结构的方法，其中氮化钛(TiN)具有的电阻率的范围为约每厘米50微欧姆和约每厘米1,000微欧姆之间。
7.如权利要求1中所述的、用于通过实施CMOS制造过程来制作波导结构的方法，其中波导结构是能够载送具有大于1014Hz的频率的光信号的光波导结构。
8.如权利要求7中所述的、用于通过实施CMOS制造过程来制作波导结构的方法，其中波导介质具有范围为约5,000埃和约15,000埃之间的厚度，以及具有范围为约5,000埃和约50,000埃之间的宽度。
9.制作用于传送光学信号的波导的方法，包括：
形成一个穿过介质层，向下到基片的接触孔；
用第一金属化涂层覆盖接触孔的侧壁；
用介质材料填充接触孔；
在第一金属化涂层和接触孔的介质材料上形成局部波导结构，局部波导结构由波导介质结构和在波导介质结构上规定的第二金属化涂层规定；以及
形成第三金属化涂层，规定隔板连同局部波导的侧壁，第一金属化涂层，第二金属化涂层。第三金属化涂层规定被填充以波导介质结构的波导。
10.如权利要求9中所述的、制作用于传送光学信号的波导的方法，其中涂覆与第一金属化涂层接触的接触孔的侧壁的操作包括，
淀积第一金属化涂层在介质层和在接触孔中；
在接触孔的基底处蚀刻掉第一金属化涂层，以便规定到基片的非金属路径。
11.如权利要求10中所述的、制作用于传送光学信号的波导的方法，其中与介质材料的接触的填充包括：
淀积HDP氧化物在第一金属化涂层和在接触孔中；以及
磨光掉在第一金属化涂层上的HDP氧化物，以使得留在接触孔中的HDP氧化物规定被包含在接触孔内的介质材料。
12.如权利要求10中所述的、制作用于传送光学信号的波导的方法，其中形成局部波导结构包括，
淀积氧化物在第一金属化涂层；
淀积第二金属化涂层在氧化物层上；
在第二金属化涂层上形成光阻掩膜，以便规定对于局部波导结构的位置；以及
蚀刻没有被光阻掩膜覆盖的第二金属化涂层，氧化物层和第一金属化涂层。
13.如权利要求10中所述的、制作用于传送光学信号的波导的方法，其中形成第三金属化涂层规定隔板连同局部波导结构的侧壁包括
淀积第三金属化涂层在局部波导结构的第二金属化涂层和介质层上；以及
掩盖蚀刻第三金属化涂层，去除在介质层上的第三金属化涂层和部分地去除在局部波导结构的第二金属化涂层时的第三金属化涂层，掩盖蚀刻被配置成规定隔板因此规定了波导。
14.如权利要求10中所述的、制作用于传送光学信号的波导的方法，其中发光二极管被形成在基片上，以及发光二极管与接触的介质材料和波导的波导介质结构进行光接口。
15.如权利要求9中所述的、制作用于传送光学信号的波导的方法，其中第一金属化涂层、第二金属化涂层和第三金属化涂层，每个是从包含氮化钛(TiN)，铜(Cu)，金(Au)，钨(W)，和氮化钽(TaN)的组中选择的。
16.通过使用标准CMOS处理过程被集成到要被制造的半导体设备中的波导结构，包括：
具有被制造在其中的发光二极管的基片；
被涂覆的导电材料和介质填充的接触孔，与基片的发光二极管通信；以及
导电材料涂覆的介质线，与导电材料覆盖的、和介质填充的接触孔进行介质接触，导电材料涂覆的介质线规定波导结构。
17.如权利要求16中所述的、通过使用标准CMOS处理过程被集成到要被制造的半导体设备中的波导结构，其中发光二极管被形成来产生光信号，传送通过导电材料涂覆的、和介质填充的接触孔以及导电材料涂覆的介质线。
18.如权利要求16中所述的、通过使用标准CMOS处理过程被集成到要被制造的半导体设备中的波导结构，还包括：
通过使用标准CMOS处理过程，规定在波导结构上的标准互联的金属化层。
19.如权利要求16中所述的、通过使用标准CMOS处理过程被集成到要被制造的半导体设备中的波导结构，其中导电材料是从包含氮化钛(TiN)，铜(Cu)，金(Au)，钨(W)，和氮化钽(TaN)的组中选择的。
20.如权利要求16中所述的、通过使用标准CMOS处理过程被集成到要被制造的半导体设备中的波导结构，其中接触孔和介质线的介质填充是由无机介质和有机介质形成的。
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