本發(fā)明涉及一種混合光互連系統(tǒng)。特別是涉及一種由單晶硅光電探測(cè)器(PD)和多晶硅發(fā)光二極管(LED)組成的基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的混合光互連系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,集成電路的特征尺寸正在變得越來越小,芯片的集成度也在摩爾定律的引導(dǎo)下變得越來越高,微電子產(chǎn)品正在向著小而精的方向發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)，微電子的發(fā)展遇到了物理極限的瓶頸。進(jìn)一步通過“摩爾定律”等比例縮小不僅會(huì)急劇增加制造成本，而且會(huì)導(dǎo)致不期望的物理效應(yīng)。另一個(gè)更為迫切的瓶頸在于微電子芯片內(nèi)電互連的延時(shí)和功耗。隨著集成度的提高，單個(gè)晶體管的延時(shí)越來越小，然而互連線的延時(shí)卻越來越大，這是因?yàn)榛ミB線尺寸的減小使互連線電阻增加，從而增加了延時(shí)和功耗。當(dāng)線寬由1微米，變到35納米,晶體管的本征延時(shí)從20ps減小到了2.5ps,但互連線延遲從1ps增加到了250ps,互連線的延時(shí)和功耗將大大超過晶體管本身的延時(shí)和功耗。人們注意到光作為信號(hào)載體的光電子技術(shù)不僅傳輸速度快，頻率高，傳播信息容量大，而且在三維空間傳播，光束交叉時(shí)信號(hào)之間也不容易產(chǎn)生串?dāng)_。如果將微電子技術(shù)與光電子技術(shù)相結(jié)合,用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝在硅基襯底上制備全硅光電集成電路(OEIC),則可在維持集成電路工藝成本基本不變的前提下,使電路處理信息的速度有很大的提高。

高效的硅基發(fā)光器件(Si-LED)及光電探測(cè)器是實(shí)現(xiàn)OEIC的基礎(chǔ)和核心。為此近些年研究人員對(duì)Si-LED及相應(yīng)的探測(cè)器進(jìn)行了大量的研究,設(shè)計(jì)了各種類型的Si-LED及探測(cè)器。雖然在OEIC的研究中不斷有新的理論被提出,單個(gè)器件的某些性能也有相當(dāng)?shù)奶岣?然而用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制作OEIC的技術(shù)依然還不成熟,還有待于進(jìn)一步的研究。以往Si-LED及探測(cè)器多為單晶硅，多晶硅的光電器件極少被研究探索,王陽元等人曾詳細(xì)闡述了多晶硅的電學(xué)特性，張興杰等人[張興杰,張世林,韓磊,等.標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝新型多晶硅PIN-LED的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].光電子·激光,2013(1):6-10]基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝成功制備了多晶硅PIN-LED，且成功測(cè)試了其電學(xué)及光學(xué)特性，這證明了基于標(biāo)準(zhǔn)工藝制備多晶硅PIN-LED是可行的。專利[謝榮,張興杰.基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的新型光互連結(jié)構(gòu):,CN203690325U[P].2014.]曾提出一種單晶硅LED及多晶硅PIN探測(cè)器組成的新型光互連結(jié)構(gòu)。但是其LED與探測(cè)器之間僅隔有一層薄柵氧，隔離電效應(yīng)和熱效應(yīng)的影響不好；其次其下層單晶硅LED只能作為發(fā)光器件多晶硅只能作為接收器件不能實(shí)現(xiàn)雙向通信；第三Si基LED正向偏置載流子注入發(fā)射紅外光，反向偏置擊穿雖發(fā)出可見光，但發(fā)光波長(zhǎng)也在700nm左右，由于多晶硅層較薄，其對(duì)Si基LED發(fā)出的長(zhǎng)波長(zhǎng)光探測(cè)性能較弱，而單晶硅深結(jié)探測(cè)長(zhǎng)波長(zhǎng)光相對(duì)較好。本發(fā)明利用多晶硅層制備Si-LED,單晶硅作為探測(cè)器，在水平方向上并排放置，且利用上層金屬反射效應(yīng)形成光互連的混合集成系統(tǒng)。這樣不僅可以很好地避免光互連中的電信號(hào)與硅襯底中電信號(hào)產(chǎn)生串?dāng)_，很好地保持各器件的互相獨(dú)立性，同時(shí)相較單晶硅LED和單晶硅探測(cè)器光互連系統(tǒng)又減少了光傳輸路程和散射損耗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種實(shí)現(xiàn)在芯片上進(jìn)行光通信的同時(shí)有效的減少光傳輸路程和電干擾的基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的混合光互連系統(tǒng)。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的混合光互連系統(tǒng)，包括基底，所述基底的上表面上設(shè)置有二氧化硅體，所述二氧化硅體內(nèi)位于上部設(shè)置有用于反射光的金屬層，所述二氧化硅體內(nèi)且在基底的上表面上由下至上依次設(shè)置有起隔離作用的柵氧層和用于發(fā)光的多晶硅LED，所述的基底內(nèi)臨近上表面且位于柵氧層和多晶硅LED的一側(cè)設(shè)置有用于接收從所述金屬層所反射的光的單晶硅PD。

所述的多晶硅LED包括有依次并排設(shè)置在所述柵氧層上的多晶硅LED陰極、多晶硅LED i區(qū)和多晶硅LED陽極，所述多晶硅LED陰極通過貫穿所述金屬層的多晶硅LED陰極接觸孔連接多晶硅LED陰極外接導(dǎo)線，所述多晶硅LED陽極通過貫穿所述金屬層的多晶硅LED陽極接觸孔連接多晶硅LED陽極外接導(dǎo)線。

所述的單晶硅PD包括有N阱和分別嵌入在所述N阱內(nèi)的單晶硅PD陰極和單晶硅PD陽極，所述單晶硅PD陰極通過貫穿所述金屬層的單晶硅PD陰極接觸孔連接單晶硅PD陰極外接導(dǎo)線，所述單晶硅PD陽極通過貫穿所述金屬層的單晶硅PD陽極接觸孔連接單晶硅PD陽極外接導(dǎo)線。

本發(fā)明的一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的混合光互連系統(tǒng)，能夠?qū)⑤斎氲碾娦盘?hào)通過多晶硅LED發(fā)光轉(zhuǎn)化成光信號(hào),然后光信號(hào)經(jīng)過金屬反射被單晶硅光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。本發(fā)明能夠在不增加集成電路制造成本基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)芯片上光通信的同時(shí)有效的減少光傳輸路程，減少電干擾。本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)是：

1、本發(fā)明通過設(shè)計(jì)由新型多晶硅PIN-LED和單晶硅LED探測(cè)器組成的光互連系統(tǒng),能夠?qū)⑤斎氲碾娦盘?hào)通過多晶硅PIN-LED轉(zhuǎn)化成光信號(hào),然后光信號(hào)被單晶硅探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。該發(fā)明可為基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的光互連系統(tǒng)提供一些新的、有益的參考。

2、本發(fā)明中在多晶硅兩端進(jìn)行P+和N+的離子注入，制備出多晶硅PIN結(jié)構(gòu)做為光互連結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件；在單晶硅N阱中進(jìn)行相應(yīng)的P+、N+注入，制備出P+/N阱的PN結(jié)結(jié)構(gòu)作為光互連結(jié)構(gòu)的探測(cè)器件。

3、本發(fā)明提出的新型光互連系統(tǒng)由于多晶硅PIN-LED與單晶硅探測(cè)器在水平方向上有一定距離，可以很好地避免光互連中的電信號(hào)與硅襯底上集成電路的電信號(hào)產(chǎn)生串?dāng)_，很好地保持各自器件的獨(dú)立性。

4、本發(fā)明提出的新型光互連系統(tǒng)提出了將多晶硅LED作發(fā)光器件，襯底硅上PN結(jié)作接收器件的想法，不僅避免了純單晶硅光互連系統(tǒng)中光傳輸路程長(zhǎng)互相之間易造成串?dāng)_，易造成損耗等特點(diǎn)；并且巧妙的利用了多晶硅和單晶硅結(jié)深的特點(diǎn)，很好的分配了二者的功能，將多晶硅作為L(zhǎng)ED單晶硅作為探測(cè)器形成新型光互連系統(tǒng)。

5、本發(fā)明多晶硅PIN結(jié)構(gòu)與單晶硅PN結(jié)結(jié)構(gòu)都可分別作為發(fā)光LED和光探測(cè)器，也即本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的雙向傳輸。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的混合光互連系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的混合光互連系統(tǒng)的俯視圖；

圖3是本發(fā)明基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的混合光互連系統(tǒng)中多晶硅LED的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的混合光互連系統(tǒng)中單晶硅PD的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

1：基底 2：?jiǎn)尉Ч鑀D

3：柵氧層 4：多晶硅LED

5：金屬層 6：二氧化硅體

21：N阱 22：?jiǎn)尉Ч鑀D陽極

23：?jiǎn)尉Ч鑀D陽極 24：?jiǎn)尉Ч鑀D陰極外接導(dǎo)線

25：?jiǎn)尉Ч鑀D陽極外接導(dǎo)線 26：?jiǎn)尉Ч鑀D陰極接觸孔

27：?jiǎn)尉Ч鑀D陽極接觸孔 41：多晶硅LED陰極

42：多晶硅LED i區(qū) 43：多晶硅LED陽極

44：多晶硅LED陰極外接導(dǎo)線 45：多晶硅LED陽極外接導(dǎo)線

46：多晶硅LED陰極接觸孔 47：多晶硅LED陽極接觸孔

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的混合光互連系統(tǒng)做出詳細(xì)說明。

本發(fā)明的一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的混合光互連系統(tǒng)，包括多晶硅LED、光波導(dǎo)、P+/N阱組成的單晶硅探測(cè)器以及P型襯底；所述多晶硅LED包括多晶硅LED陽極及其接觸區(qū)、多晶硅LED陰極及其接觸區(qū)、多晶硅LED的i區(qū)；多晶硅LED可正向偏置發(fā)射紅外光，也可反向偏置發(fā)射可見光。所述波導(dǎo)為金屬及其下方SiO₂層；所述單晶硅光電探測(cè)器包括單晶硅探測(cè)器陽極及其接觸、單晶硅探測(cè)器陰極及其接觸及在P型襯底中的N阱；光電探測(cè)器通過反向偏置實(shí)現(xiàn)對(duì)光的探測(cè)。所述多晶硅PIN-LED結(jié)構(gòu)與單晶硅PN結(jié)結(jié)構(gòu)可分別作為發(fā)光LED和光電探測(cè)器，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的雙向傳輸。所述混合光互連是指多晶硅LED和單晶硅光電探測(cè)器組成的非單一硅質(zhì)組成的互聯(lián)系統(tǒng)。

如圖1所示，本發(fā)明的一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的混合光互連系統(tǒng)，包括基底1，所述基底1的上表面上設(shè)置有二氧化硅體6，所述二氧化硅體6內(nèi)位于上部設(shè)置有用于反射光的金屬層5，所述二氧化硅體6內(nèi)且在基底1的上表面上由下至上依次設(shè)置有起隔離作用的柵氧層3和用于發(fā)光的多晶硅LED 4，所述的基底1內(nèi)臨近上表面且位于柵氧層3和多晶硅LED 4的一側(cè)設(shè)置有用于接收從所述金屬層5所反射的光的單晶硅PD 2。

如圖2、圖3所示，所述的多晶硅LED 4包括有依次并排設(shè)置在所述柵氧層3上的多晶硅LED陰極41、多晶硅LED i區(qū)42和多晶硅LED陽極43，所述多晶硅LED陰極41通過貫穿所述金屬層5的多晶硅LED陰極接觸孔46連接多晶硅LED陰極外接導(dǎo)線44，所述多晶硅LED陽極43通過貫穿所述金屬層5的多晶硅LED陽極接觸孔47連接多晶硅LED陽極外接導(dǎo)線45。

如圖2、圖4所示，所述的單晶硅PD 2包括有N阱21和分別嵌入在所述N阱21內(nèi)的單晶硅PD陰極22和單晶硅PD陽極23，所述單晶硅PD陰極22通過貫穿所述金屬層5的單晶硅PD陰極接觸孔26連接單晶硅PD陰極外接導(dǎo)線24，所述單晶硅PD陽極23通過貫穿所述金屬層5的單晶硅PD陽極接觸孔27連接單晶硅PD陽極外接導(dǎo)線25。

本發(fā)明的一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的混合光互連系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

1)采用輕摻雜的P型硅片,晶向?yàn)?lt;100>,進(jìn)行熱氧化形成緩沖層。從而減少下一步淀積SiN₄、在硅表面造成的應(yīng)力,隨后低壓化學(xué)汽相淀積(LPVCD)SIN₄,用來作為離子注入的mask及后續(xù)工藝中定義N阱的區(qū)域,即圖2中的21區(qū)。

2)將光刻膠涂在晶圓上之后,利用光刻技術(shù)將所要形成的N阱區(qū)的圖形定義出來。并用干法刻蝕的方法將上述定義的區(qū)域的SiN₄去掉,形成N阱注入窗口,即圖2中的21區(qū)。

3)利用離子注入的技術(shù),將N注入第2)步中所定義的窗口中,接著利用無機(jī)溶液,如硫酸或干式臭氧(03)燒除法將光刻膠去除；并采用熱磷酸濕式刻蝕方法將SIN₄去除掉。

4)離子注入之后會(huì)嚴(yán)重的破壞晶格的周期性,所以離子注入后必須經(jīng)過退火處理,以恢復(fù)晶格的完整性。

5)利用熱氧化方法在晶圓上形成高品質(zhì)的二氧化硅,即圖1中6,要求非常潔凈、厚度精確。

6)利用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)技術(shù)在晶圓表面沉積多晶硅層作為多晶硅LED層。

7)將光刻膠涂布在晶圓上,再利用光刻技術(shù)將所需要的多晶硅LED的區(qū)域定義出來。然后利用活性離子刻蝕技術(shù)刻蝕出多晶硅PIN層的結(jié)構(gòu),再將表面的光刻膠去除。

8)利用氧化技術(shù),在晶圓表面形成一層氧化層,保護(hù)器件表面,免于受后續(xù)工藝的影響。涂布光刻膠后,利用光刻技術(shù)刻蝕出單晶硅PD與多晶硅LED的P+區(qū)即圖2中的43區(qū)與23區(qū),與此同時(shí)形成單晶硅PD與多晶硅LED的N+區(qū)域即圖2中的41區(qū)與22區(qū)的屏蔽,再利用離子注入技術(shù)將硼元素注入該區(qū)域。

9)利用光刻技術(shù)刻蝕出多晶硅LED與單晶硅PD的N+區(qū),即圖2中的41區(qū)與22區(qū),與此同時(shí)形成單晶硅PD與多晶硅LED的P+區(qū)域即圖2中的43區(qū)與23區(qū)的屏蔽,再利用離子注入技術(shù)將砷元素注入該區(qū)域,然后除去晶圓表面的光刻膠。

10)去除第8)步中生成的表面氧化物。之后利用退火技術(shù),將經(jīng)離子注入過的N+區(qū)即圖2中的41區(qū)與22區(qū),及P+區(qū)即圖2中的43區(qū)與23區(qū)進(jìn)行電性活化及擴(kuò)散處理。

11)利用濺射工藝在整個(gè)晶圓表面進(jìn)行Ti淀積,然后利用自對(duì)準(zhǔn)硅化物工藝形成TISi₂,接著進(jìn)行濕法刻蝕除去多余的Ti并保留TISi₂,形成Si和金屬之間的歐姆接觸。利用濺射工藝在整個(gè)晶圓表面進(jìn)行硼磷硅玻璃(BPSG)淀積并對(duì)晶圓表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械平坦化。然后進(jìn)行利用光刻技術(shù)定義接觸孔,再利用活性離子刻蝕技術(shù)刻蝕出接觸孔,即圖中26、27、46、47。接著利用濺射工藝,在接觸孔表面濺射一層TIN,并用W填充接觸孔。

12)利用光刻技術(shù)定義出金屬層5的屏蔽層。再將鋁金屬利用活性離子刻蝕技術(shù)刻蝕出金屬導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)及金屬屏蔽層。制備出金屬層5(M₁)作為反射板，與下層氧化層6形成波導(dǎo)。

13)同理制備第二層金屬(M₂)24,44，第三層金屬(M₃)25,45分別作為多晶硅LED和單晶硅PD的外接導(dǎo)線。

14)然后再進(jìn)行電鍍壓焊點(diǎn)、劃片、引線鍵合,最后封裝在管殼上,制成單晶硅探測(cè)器及多晶硅LED互連結(jié)構(gòu)。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖,上述本發(fā)明實(shí)施例序號(hào)僅僅為了描述,不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例。并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。