一种基于标准CMOS工艺的混合光互连系统的制作方法

本发明涉及一种混合光互连系统。特别是涉及一种由单晶硅光电探测器(PD)和多晶硅发光二极管(LED)组成的基于标准CMOS工艺的混合光互连系统。

背景技术：

随着科学技术的迅猛发展,集成电路的特征尺寸正在变得越来越小,芯片的集成度也在摩尔定律的引导下变得越来越高,微电子产品正在向着小而精的方向发展。进入21世纪，微电子的发展遇到了物理极限的瓶颈。进一步通过“摩尔定律”等比例缩小不仅会急剧增加制造成本，而且会导致不期望的物理效应。另一个更为迫切的瓶颈在于微电子芯片内电互连的延时和功耗。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，从而增加了延时和功耗。当线宽由1微米，变到35纳米,晶体管的本征延时从20ps减小到了2.5ps,但互连线延迟从1ps增加到了250ps,互连线的延时和功耗将大大超过晶体管本身的延时和功耗。人们注意到光作为信号载体的光电子技术不仅传输速度快，频率高，传播信息容量大，而且在三维空间传播，光束交叉时信号之间也不容易产生串扰。如果将微电子技术与光电子技术相结合,用标准CMOS工艺在硅基衬底上制备全硅光电集成电路(OEIC),则可在维持集成电路工艺成本基本不变的前提下,使电路处理信息的速度有很大的提高。

高效的硅基发光器件(Si-LED)及光电探测器是实现OEIC的基础和核心。为此近些年研究人员对Si-LED及相应的探测器进行了大量的研究,设计了各种类型的Si-LED及探测器。虽然在OEIC的研究中不断有新的理论被提出,单个器件的某些性能也有相当的提高,然而用标准CMOS工艺制作OEIC的技术依然还不成熟,还有待于进一步的研究。以往Si-LED及探测器多为单晶硅，多晶硅的光电器件极少被研究探索,王阳元等人曾详细阐述了多晶硅的电学特性，张兴杰等人[张兴杰,张世林,韩磊,等.标准CMOS工艺新型多晶硅PIN-LED的设计与实现[J].光电子·激光,2013(1):6-10]基于标准CMOS工艺成功制备了多晶硅PIN-LED，且成功测试了其电学及光学特性，这证明了基于标准工艺制备多晶硅PIN-LED是可行的。专利[谢荣,张兴杰.基于标准CMOS工艺的新型光互连结构:,CN203690325U[P].2014.]曾提出一种单晶硅LED及多晶硅PIN探测器组成的新型光互连结构。但是其LED与探测器之间仅隔有一层薄栅氧，隔离电效应和热效应的影响不好；其次其下层单晶硅LED只能作为发光器件多晶硅只能作为接收器件不能实现双向通信；第三Si基LED正向偏置载流子注入发射红外光，反向偏置击穿虽发出可见光，但发光波长也在700nm左右，由于多晶硅层较薄，其对Si基LED发出的长波长光探测性能较弱，而单晶硅深结探测长波长光相对较好。本发明利用多晶硅层制备Si-LED,单晶硅作为探测器，在水平方向上并排放置，且利用上层金属反射效应形成光互连的混合集成系统。这样不仅可以很好地避免光互连中的电信号与硅衬底中电信号产生串扰，很好地保持各器件的互相独立性，同时相较单晶硅LED和单晶硅探测器光互连系统又减少了光传输路程和散射损耗。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种实现在芯片上进行光通信的同时有效的减少光传输路程和电干扰的基于标准CMOS工艺的混合光互连系统。

本发明所采用的技术方案是：一种基于标准CMOS工艺的混合光互连系统，包括基底，所述基底的上表面上设置有二氧化硅体，所述二氧化硅体内位于上部设置有用于反射光的金属层，所述二氧化硅体内且在基底的上表面上由下至上依次设置有起隔离作用的栅氧层和用于发光的多晶硅LED，所述的基底内临近上表面且位于栅氧层和多晶硅LED的一侧设置有用于接收从所述金属层所反射的光的单晶硅PD。

所述的多晶硅LED包括有依次并排设置在所述栅氧层上的多晶硅LED阴极、多晶硅LED i区和多晶硅LED阳极，所述多晶硅LED阴极通过贯穿所述金属层的多晶硅LED阴极接触孔连接多晶硅LED阴极外接导线，所述多晶硅LED阳极通过贯穿所述金属层的多晶硅LED阳极接触孔连接多晶硅LED阳极外接导线。

所述的单晶硅PD包括有N阱和分别嵌入在所述N阱内的单晶硅PD阴极和单晶硅PD阳极，所述单晶硅PD阴极通过贯穿所述金属层的单晶硅PD阴极接触孔连接单晶硅PD阴极外接导线，所述单晶硅PD阳极通过贯穿所述金属层的单晶硅PD阳极接触孔连接单晶硅PD阳极外接导线。

本发明的一种基于标准CMOS工艺的混合光互连系统，能够将输入的电信号通过多晶硅LED发光转化成光信号,然后光信号经过金属反射被单晶硅光电探测器转换成电信号输出。本发明能够在不增加集成电路制造成本基础上，实现芯片上光通信的同时有效的减少光传输路程，减少电干扰。本发明的技术特点是：

1、本发明通过设计由新型多晶硅PIN-LED和单晶硅LED探测器组成的光互连系统,能够将输入的电信号通过多晶硅PIN-LED转化成光信号,然后光信号被单晶硅探测器转换成电信号输出。该发明可为基于标准CMOS工艺的光互连系统提供一些新的、有益的参考。

2、本发明中在多晶硅两端进行P+和N+的离子注入，制备出多晶硅PIN结构做为光互连结构的发光器件；在单晶硅N阱中进行相应的P+、N+注入，制备出P+/N阱的PN结结构作为光互连结构的探测器件。

3、本发明提出的新型光互连系统由于多晶硅PIN-LED与单晶硅探测器在水平方向上有一定距离，可以很好地避免光互连中的电信号与硅衬底上集成电路的电信号产生串扰，很好地保持各自器件的独立性。

4、本发明提出的新型光互连系统提出了将多晶硅LED作发光器件，衬底硅上PN结作接收器件的想法，不仅避免了纯单晶硅光互连系统中光传输路程长互相之间易造成串扰，易造成损耗等特点；并且巧妙的利用了多晶硅和单晶硅结深的特点，很好的分配了二者的功能，将多晶硅作为LED单晶硅作为探测器形成新型光互连系统。

5、本发明多晶硅PIN结构与单晶硅PN结结构都可分别作为发光LED和光探测器，也即本发明可以实现光信号的双向传输。

附图说明

图1是本发明基于标准CMOS工艺的混合光互连系统的整体结构示意图；

图2是本发明基于标准CMOS工艺的混合光互连系统的俯视图；

图3是本发明基于标准CMOS工艺的混合光互连系统中多晶硅LED的整体结构示意图；

图4是本发明基于标准CMOS工艺的混合光互连系统中单晶硅PD的整体结构示意图。

1：基底 2：单晶硅PD

3：栅氧层 4：多晶硅LED

5：金属层 6：二氧化硅体

21：N阱 22：单晶硅PD阳极

23：单晶硅PD阳极 24：单晶硅PD阴极外接导线

25：单晶硅PD阳极外接导线 26：单晶硅PD阴极接触孔

27：单晶硅PD阳极接触孔 41：多晶硅LED阴极

42：多晶硅LED i区 43：多晶硅LED阳极

44：多晶硅LED阴极外接导线 45：多晶硅LED阳极外接导线

46：多晶硅LED阴极接触孔 47：多晶硅LED阳极接触孔

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种基于标准CMOS工艺的混合光互连系统做出详细说明。

本发明的一种基于标准CMOS工艺的混合光互连系统，包括多晶硅LED、光波导、P+/N阱组成的单晶硅探测器以及P型衬底；所述多晶硅LED包括多晶硅LED阳极及其接触区、多晶硅LED阴极及其接触区、多晶硅LED的i区；多晶硅LED可正向偏置发射红外光，也可反向偏置发射可见光。所述波导为金属及其下方SiO₂层；所述单晶硅光电探测器包括单晶硅探测器阳极及其接触、单晶硅探测器阴极及其接触及在P型衬底中的N阱；光电探测器通过反向偏置实现对光的探测。所述多晶硅PIN-LED结构与单晶硅PN结结构可分别作为发光LED和光电探测器，可以实现信号的双向传输。所述混合光互连是指多晶硅LED和单晶硅光电探测器组成的非单一硅质组成的互联系统。

如图1所示，本发明的一种基于标准CMOS工艺的混合光互连系统，包括基底1，所述基底1的上表面上设置有二氧化硅体6，所述二氧化硅体6内位于上部设置有用于反射光的金属层5，所述二氧化硅体6内且在基底1的上表面上由下至上依次设置有起隔离作用的栅氧层3和用于发光的多晶硅LED 4，所述的基底1内临近上表面且位于栅氧层3和多晶硅LED 4的一侧设置有用于接收从所述金属层5所反射的光的单晶硅PD 2。

如图2、图3所示，所述的多晶硅LED 4包括有依次并排设置在所述栅氧层3上的多晶硅LED阴极41、多晶硅LED i区42和多晶硅LED阳极43，所述多晶硅LED阴极41通过贯穿所述金属层5的多晶硅LED阴极接触孔46连接多晶硅LED阴极外接导线44，所述多晶硅LED阳极43通过贯穿所述金属层5的多晶硅LED阳极接触孔47连接多晶硅LED阳极外接导线45。

如图2、图4所示，所述的单晶硅PD 2包括有N阱21和分别嵌入在所述N阱21内的单晶硅PD阴极22和单晶硅PD阳极23，所述单晶硅PD阴极22通过贯穿所述金属层5的单晶硅PD阴极接触孔26连接单晶硅PD阴极外接导线24，所述单晶硅PD阳极23通过贯穿所述金属层5的单晶硅PD阳极接触孔27连接单晶硅PD阳极外接导线25。

本发明的一种基于标准CMOS工艺的混合光互连系统具体实现方法如下：

1)采用轻掺杂的P型硅片,晶向为<100>,进行热氧化形成缓冲层。从而减少下一步淀积SiN₄、在硅表面造成的应力,随后低压化学汽相淀积(LPVCD)SIN₄,用来作为离子注入的mask及后续工艺中定义N阱的区域,即图2中的21区。

2)将光刻胶涂在晶圆上之后,利用光刻技术将所要形成的N阱区的图形定义出来。并用干法刻蚀的方法将上述定义的区域的SiN₄去掉,形成N阱注入窗口,即图2中的21区。

3)利用离子注入的技术,将N注入第2)步中所定义的窗口中,接着利用无机溶液,如硫酸或干式臭氧(03)烧除法将光刻胶去除；并采用热磷酸湿式刻蚀方法将SIN₄去除掉。

4)离子注入之后会严重的破坏晶格的周期性,所以离子注入后必须经过退火处理,以恢复晶格的完整性。

5)利用热氧化方法在晶圆上形成高品质的二氧化硅,即图1中6,要求非常洁净、厚度精确。

6)利用低压化学气相沉积(LPCVD)技术在晶圆表面沉积多晶硅层作为多晶硅LED层。

7)将光刻胶涂布在晶圆上,再利用光刻技术将所需要的多晶硅LED的区域定义出来。然后利用活性离子刻蚀技术刻蚀出多晶硅PIN层的结构,再将表面的光刻胶去除。

8)利用氧化技术,在晶圆表面形成一层氧化层,保护器件表面,免于受后续工艺的影响。涂布光刻胶后,利用光刻技术刻蚀出单晶硅PD与多晶硅LED的P+区即图2中的43区与23区,与此同时形成单晶硅PD与多晶硅LED的N+区域即图2中的41区与22区的屏蔽,再利用离子注入技术将硼元素注入该区域。

9)利用光刻技术刻蚀出多晶硅LED与单晶硅PD的N+区,即图2中的41区与22区,与此同时形成单晶硅PD与多晶硅LED的P+区域即图2中的43区与23区的屏蔽,再利用离子注入技术将砷元素注入该区域,然后除去晶圆表面的光刻胶。

10)去除第8)步中生成的表面氧化物。之后利用退火技术,将经离子注入过的N+区即图2中的41区与22区,及P+区即图2中的43区与23区进行电性活化及扩散处理。

11)利用溅射工艺在整个晶圆表面进行Ti淀积,然后利用自对准硅化物工艺形成TISi₂,接着进行湿法刻蚀除去多余的Ti并保留TISi₂,形成Si和金属之间的欧姆接触。利用溅射工艺在整个晶圆表面进行硼磷硅玻璃(BPSG)淀积并对晶圆表面进行化学机械平坦化。然后进行利用光刻技术定义接触孔,再利用活性离子刻蚀技术刻蚀出接触孔,即图中26、27、46、47。接着利用溅射工艺,在接触孔表面溅射一层TIN,并用W填充接触孔。

12)利用光刻技术定义出金属层5的屏蔽层。再将铝金属利用活性离子刻蚀技术刻蚀出金属导线的结构及金属屏蔽层。制备出金属层5(M₁)作为反射板，与下层氧化层6形成波导。

13)同理制备第二层金属(M₂)24,44，第三层金属(M₃)25,45分别作为多晶硅LED和单晶硅PD的外接导线。

14)然后再进行电镀压焊点、划片、引线键合,最后封装在管壳上,制成单晶硅探测器及多晶硅LED互连结构。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图,上述本发明实施例序号仅仅为了描述,不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例。并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。