多层金属间氧化物脊形波导结构及其制作方法技术

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。

【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，可利用完全标准CMOS工艺实现。
技术介绍
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。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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种。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。本专利技术一种多层金属间氧化物脊形波导结构，包括多层金属和多层金属间氧化层；多层金属作为覆盖层，而多层金属间氧化层作为脊形波导芯层；由于发光二级管和探测器二极管均可以通过硅衬底上的有源区和阱形成，因此该结构脊形光波导可与光源和探测器集成；其特征在于，其结构包括一硅衬底；一氧化隔离层，该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，该PSG磷硅玻璃制作在氧化隔离层、有源区和阱上；第一层金属，该第一层金属制作在PSG磷硅玻璃上，作为波导下包层；第一层氧化层，该第一层氧化层制作在第一层金属上；第二层金属，该第二层金属制作在第一层氧化层上；第二层氧化层，该第二层氧化层制作在第二层金属上；第三层金属，该第三层金属制作在第二层氧化层上；第三层氧化层，该第三层氧化层制作在第三层金属上；第四层金属位于顶层，该第四层金属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。其中多层金属间氧化层为多层结构，因此该结构脊形波导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间的接触作为波导限制层；该结构脊形波导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，因此该波导可通过集成电路版图设计来调整脊形波导的脊高和脊宽，从而满足单模波导条件。本专利技术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结可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、第二层氧化物、第三层金属、第三层氧化物、第四层金属；步骤五分别制作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；这样就利用多层金属和多层金属间氧化物实现了脊形波导。其中多层金属间氧化层为多层结构，因此该结构脊形波导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间的接触作为波导限制层；该结构脊形波导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，因此该波导可通过集成电路版图设计来调整脊形波导的脊高和脊宽，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为本专利技术顶视图。图2为本专利技术X-X方向剖面图。图3为本专利技术Y-Y方向剖面图。具体实施例方式请参阅图3所示，本专利技术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，因此该结构脊形光波导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，该第三本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多层金属间氧化物脊形波导结构，包括：多层金属和多层金属间氧化层；多层金属作为覆盖层，而多层金属间氧化层作为脊形波导芯层；由于发光二级管和探测器二极管均可以通过硅衬底上的有源区和阱形成，因此该结构脊形光波导可与光源和探测器集成；其 特征在于，其结构包括：一硅衬底；一氧化隔离层，该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，该ＰＳＧ磷硅玻璃制作在氧化隔离层、有源区和阱上；第一层金属，该第一层金属制作在ＰＳＧ磷硅玻璃 上，作为波导下包层；第一层氧化层，该第一层氧化层制作在第一层金属上；第二层金属，该第二层金属制作在第一层氧化层上；第二层氧化层，该第二层氧化层制作在第二层金属上；第三层金属，该第三层金属制作在第二层氧化层上； 第三层氧化层，该第三层氧化层制作在第三层金属上；第四层金属位于顶层，该第四层金属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。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈弘达，黄北举，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]