用标准工艺制作金属间氧化层光波导的方法技术

本发明专利技术一种用标准工艺制作金属间氧化层光波导的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：在衬底上生长第一二氧化硅层；步骤二：在衬底上制作光源和探测器；步骤三：在二氧化硅层上淀积磷硅酸玻璃；步骤四：在磷硅酸玻璃上淀积第一金属层作波导下包层；步骤五：在第一金属层上淀积第二二氧化硅层做波导芯层；步骤六：在第二二氧化硅层上淀积第二金属层作波导上包层；其中第二二氧化硅层与硅基发光器相耦合，第二二氧化硅层与硅基光探测器相耦合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种，该方法是采用标准CMOS工艺制作光波导器件，具有光波导传输损耗低和工艺简单的优点。本专利技术一种，其特征在于，包括如下步骤步骤一在衬底上生长第一二氧化硅层；步骤二在衬底上制作光源和探测器；步骤三在二氧化硅层上淀积磷硅酸玻璃； 步骤四在磷硅酸玻璃上淀积第一金属层作波导下包层；步骤五在第一金属层上淀积第二二氧化硅层做波导芯层；步骤六在第二二氧化硅层上淀积第二金属层作波导上包层；其中第二二氧化硅层与硅基发光器相耦合，第二二氧化硅层与硅基光探测器相耦合。其中衬底为硅衬底。其中该硅基发光器包括有源区及阱。其中该光探测器包括有源区及阱。其中第一、第二二氧化硅层的折射率为1.37。其中第一、第二金属层的折射率为1.39。附图说明为进一步说明本专利技术的具体
技术实现思路
，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中图1是本专利技术结构示意图。具体实施例方式请参阅图1所示，本专利技术一种，包括如下步骤 步骤一在衬底101上生长第一二氧化硅层104，该衬底101为硅衬底，该第一二氧化硅层104的折射率为137；步骤二在衬底101上制作光源109和探测器100，该硅基发光器109包括有源区103及阱102，该光探测器100包括有源区103及阱102，该第二二氧化硅层110的折射率为1.37；步骤三在二氧化硅层104上淀积磷硅酸玻璃105；步骤四在磷硅酸玻璃105上淀积第一金属层106作波导下包层，该第一金属层106的折射率为1.39；步骤五在第一金属层106上淀积第二二氧化硅层110做波导芯层；步骤六在第二二氧化硅层110上淀积第二金属层111作波导上包层，该第二金属层111的折射率为1.39；其中第二二氧化硅层110与硅基发光器109相耦合，第二二氧化硅层110与硅基光探测器100相耦合。为了制作硅基单片光电子集成回路，光发射器109和第二二氧化硅层110、第二二氧化硅层110和光探测器100之间的耦合也是亟需解决的问题。本专利技术中利用有源区103与阱102间的PN节做光发射器109，该光发射器109为发光二极管，第二二氧化硅层110覆盖在PN节上。发光二极管发出的光直接耦合进入第二二氧化硅层110，实现发光二极管与第二二氧化硅层110的耦合，利用有源区103与阱102间的PN节做光探测器100，第二二氧化硅层110覆盖在PN节上。第二二氧化硅层110将光直接耦合到光探测器100，实现光探测器100与第二二氧化硅层110的耦合(见图1所示)。本专利技术中的金属间氧化层波导的材料和工艺均与标准CMOS工艺流程兼容，因此制作步骤与标准CMOS工艺流程相同，具体步骤如下一、有源区103和阱102结构的制作由于光发射器109和光探测器100都是由有源区103和阱102结构构成，所以制作的第一步是制作有源区103和阱102结构。1、在已经清洁过的硅衬底101表面，将不需作为阱102结构的部分用氧化硅材料覆盖保护。2、将磷元素注入没有被氧化硅材料覆盖的衬底101，从而形成N型阱102。3、在N型阱102上生长一层薄氧化硅材料。4、根据掩模版，在有源区103处再注入磷元素形成P+有源区103。二、第一二氧化硅层104的制作第一二氧化硅层104用来隔离不同作用的有源区103。1、在已做好阱102结构和有源区103的硅表面生长一层薄的二氧化硅材料(大约20至60nm厚)。2、在有源区103部分生长一层厚的保护层，该保护层为氮化硅(Si3N4)材料，该保护层大约200nm厚。保护层的目的是保护有源区避免受到氧化。3、对整个硅衬底101进行氧化，在没有保护层的区域生长一层厚的第一二氧化硅层104，该第一二氧化硅层104大约900nm厚。4、除去保护层。三、淀积磷硅酸玻璃层105CMOS 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105时需要用到制造MOS管的工艺。1、在已经做好第一二氧化硅层104和阱102结构的硅芯片上，生长一层薄的二氧化硅材料。2、对有源区103MOS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、在栅极二氧化硅材料上淀积多晶硅。5、对阱102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(OxideSpacer)。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、淀积磷硅酸玻璃层105。在需要与金属连接的区域腐蚀出接触孔(Contact Holes)。接触孔的目的是可以使MOS管各极与金属线相连。在本专利技术中，接触孔的目的是为了光发射器109和光探测器100能够和第二二氧化硅层110直接耦合。四、一层第一金属层106的制作本专利技术中，用到CMOS工艺中的第一层金属106和第二层金属111。由于金属铝的折射率比二氧化硅折射率大，金属铝是做氧化层波导包层的理想材料。在制作金属层时，将铝材料淀积到接触孔中和需要制作光波导的区域，作为第二二氧化硅层110的下包层。五、淀积第二二氧化硅层110 在已经做好的一层金属层106上淀积第二二氧化硅110，作为第二二氧化硅110的芯层。六、第二金属层111的制作在第二二氧化硅层110上将铝材料淀积到需要制作第二二氧化硅层110的区域，作为第二二氧化硅层110的上包层。这样，第二金属层111与第一金属层106形成第二二氧化硅层110的上下包层。这种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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用标准工艺制作金属间氧化层光波导的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：在衬底上生长第一二氧化硅层；步骤二：在衬底上制作光源和探测器；步骤三：在二氧化硅层上淀积磷硅酸玻璃；步骤四：在磷硅酸玻璃上淀积第一 金属层作波导下包层；步骤五：在第一金属层上淀积第二二氧化硅层做波导芯层；步骤六：在第二二氧化硅层上淀积第二金属层作波导上包层；其中第二二氧化硅层与硅基发光器相耦合，第二二氧化硅层与硅基光探测器相耦合。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈弘达，顾明，刘海军，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]