形成光子结构的方法技术

所揭示的实施例涉及一种集成电路结构及其形成方法，其中在用于制造含有电子装置的CMOS半导体结构的后端上形成光子装置。使用用于掺杂剂活化的微波退火来形成与所述光子装置相关联的掺杂区域。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】政府依据由DARPA授予的第HR0011-11-9-0009号协议支持本专利技术。政府在本专利技术中具有一定权利。
本专利技术的实施例大体上涉及在硅晶片上制造光子结构及电子装置，且具体来说，本专利技术的实施例针对在CMOS工艺流程的后端处。
技术介绍
近年来，硅光子学日益受关注，其主要针对微电子电路中的光学发射及光学互连。利用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺，光子装置(例如波导、调制器及检测器)通常由绝缘体上半导体(SOI)或块状硅晶片上的硅或多晶硅及锗材料形成。将光子装置集成到CMOS工艺流程中的一种常规方法发生在CMOS生产线的前端处。典型前端方法涉及:首先，在衬底上制造光子装置；接着，在单一 CMOS晶片上制造电子装置(例如晶体管)，其中所述光子装置及所述电子装置具有不同硅材料厚度。光子装置的前端集成存在以下问题:制造光子装置所需的额外处理步骤可能干扰常规CMOS工艺流程。例如，光子装置在绝缘体上硅(SOI)晶片上的前端集成需要衬底，所述衬底具有比可使用具有小于I微米厚的埋藏氧化物材料及小于200纳米厚的硅材料的衬底的标准CMOS电子SOI装置厚的埋藏氧化物材料(大于I微米)及硅材料(大于200纳米)。在常规CMOS生产线的前端中，制造光子装置所需的额外处理步骤增加含有CMOS电子装置及光子装置两者的集成电路的总复杂性及成本。另外，对于CMOS电子装置及光子装置的并排布局，光子装置占据可用于电子装置的宝贵衬底空间。期望得到在CMOS生产线的后端中制造光子装置的改进方法。【附图说明】图1展示根据所揭示实施例的制造于单一 CMOS半导体结构中的光子装置及电子装置；图2展示根据所揭示实施例的在单一 CMOS半导体结构中形成光子装置及电子装置的方法?’及图3展示根据所揭示实施例的在单一 CMOS半导体结构中形成光子装置及电子装置的方法。【具体实施方式】在以下详细描述中，参考形成本专利技术的一部分的附图，且附图中依说明方式展示可被实践的特定实施例。应理解，相同参考数字表示全部图式中的相同元件。足够详细地描述这些实施例以使所属领域的技术人员能够制造及使用所述实施例，且应理解，可对所揭示的所述特定实施例(下文仅详细讨论其中一些)做出结构、材料、电性及程序变化。术语“晶片”及“衬底”应被理解为可互换的且包含硅、绝缘体上硅(SOI)或蓝宝石上硅(SOS)、掺杂及未掺杂半导体、由底部半导体基座支撑的硅的外延生长材料及其它半导体结构。此外，当参考以下描述中的“晶片”及“衬底”时，先前工艺步骤可能已用于在底部半导体结构或基座中或底部半导体结构或基座上形成区域、结或材料层。另外，半导体无需基于硅，而是可基于硅锗、锗、砷化镓或其它已知半导体材料。光子装置包含光子波导、调制器、解调器及光检测器，以及其它装置。通常需要掺杂剂活化来实现有源光子装置(例如光检测器、调制器)功能且产生欧姆电接触区域。在形成有源光子装置及欧姆接触件时，可通过将原子掺杂剂植入到半导体材料中且接着加热所述掺杂剂以使其活化而形成掺杂区域。以高温(例如1000摄氏度)加热所述掺杂剂需要:所述掺杂剂活化步骤发生在金属化之前，这是因为金属化材料会因此高温而受损坏。为此，在完成CMOS电路之前及在形成将光子装置与电子装置互连的金属化材料之前形成光子装置。在CMOS电路的金属化发生之后在CMOS工艺流程的后端处产生有源光子装置的一个挑战为:使用低温(即，低于约500摄氏度)来防止CMOS电路及金属化材料受损坏。本文描述在常规CMOS工艺流程中集成光子装置的方法。所揭示的实施例涉及在CMOS工艺流程的后端处于单一 CMOS半导体结构上形成光子装置及电子装置的方法。使用低沉积温度的多晶硅、锗及硅锗技术(例如(例如)物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、等离子增强CVD(PECVD)、旋涂玻璃(SOG)沉积及原子层沉积(ALD))来形成光子装置。所揭示的实施例还利用在约200摄氏度到约500摄氏度、优选地约300摄氏度到约400摄氏度之间的温度下的电磁(例如微波)退火达至少五(5)分钟到高达两(2)小时以使有源光子装置及欧姆接触件掺杂剂活化及退火。尽管能够被吸收到被退火区域中的任何适当能量是适当的，但为方便起见，下文将仅讨论微波能。基于微波的活化技术可有效地活化所要掺杂剂(例如含磷、锑、镓、硼或砷掺杂原子)，而不损及前端CMOS电路或金属化材料以借此实现在CMOS工艺流程的后端处的光子装置的完全集成。低温微波退火还导致更少掺杂剂迀移出(及迀移入)衬底中的掺杂区域且导致掺杂区域内的掺杂剂浓度更均匀。在常规CMOS工艺中的光子装置的前端集成中，光子装置通常由SOI晶片上的硅或多晶硅、锗及硅锗材料形成。后端集成的另一优点在于:光子装置可由额外材料形成，如果使用前端工艺，那么所述额外材料会受用于形成电子装置的处理影响。例如，后端处理可使用氮化硅来形成具有比多晶硅更好的光子传播的光子装置。例如，不在前端处使用SOI衬底上的硅或多晶硅来制造波导核心，而是可在后端工艺中由SOI衬底上的氮化硅形成波导核心。参考图式，其中相同参考数字标示相同元件，图1展示使用后端处理来制造以在相同支撑衬底上形成CMOS集成结构103上的光子集成结构101的半导体结构200的一个实施例的部分横截面图。作为一实例，光子集成结构101包含光检测器250A及调制器250B。作为一实例，CMOS集成结构103包含制造为晶体管的电子装置210。可使用下文结合图2及3所描述的方法来制造半导体结构200。CMOS集成结构103包括:硅衬底201 ;埋藏氧化物(BOX) 202，其由(例如)二氧化娃形成；娃制造材料203 ;栅极氧化物材料219 ;及交替金属及绝缘材料，其形成包含绝缘(例如S12^c BPSG)材料205、金属I材料214、绝缘(例如S1 2或BPSG)材料206、金属2材料215、最后金属材料216及钝化材料218 (例如二氧化硅)的层间电介质(ILD)金属化结构。通过通孔导体217将金属I材料214连接到电子装置210的下方电路。使用所属领域的技术人员所知的常规CMOS工艺来形成电子装置210。电子装置210包括:掺杂阱204、漏极植入区域21IA及源极植入区域211B、栅极氧化物材料219上的栅极212及栅极侧壁间隔件213。栅极212可由多晶硅形成。绝缘材料205覆盖电子装置210及硅制造材料203，硅制造材料203由埋藏氧化物(BOX) 202及硅衬底201支撑。在此实施例中，光子集成结构101形成于CMOS集成结构103上，且包括形成于钝化层218上的半导体材料251、氧化物材料252、其中形成光检测器250A及调制器250B的硅制造材料253。交替金属及绝缘材料形成包含绝缘(例如3102或8?36)材料255、金属I材料264、绝缘(例如3丨02或BPSG)材料256、金属2材料265、最后金属材料266及钝化材料267的ILD金属化结构。光检测器250A可包括形成于硅波导核心253a上的掺杂或未掺杂锗(Ge)或硅锗(SiGe)区域262。波导核心253a由包覆材料包围，所述包覆材料由氧化物材料252及隔离区域254 (其可由二氧化硅(S12)形成)形成。绝缘材料2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造集成结构的方法，所述方法包括：在含有电子装置的经制造的CMOS结构上形成第一半导体材料；制造与所述第一半导体材料相关联的光子装置，所述光子装置具有相关联掺杂区域；及使用微波能来活化所述掺杂区域，使得所述掺杂区域被加热到在约200摄氏度到约500摄氏度的范围内的温度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：古尔特杰·桑胡，
申请(专利权)人：美光科技公司，
类型：发明
国别省市：美国;US