[發(fā)明專利]基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的全波導(dǎo)型橫向多晶硅光互連系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710990355.3
• 申請(qǐng)日: 2017-10-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107871736B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-08-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 毛陸虹;叢佳;謝生;郭維廉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L27/04
• 分類號(hào): H01L27/04
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 杜文茹

一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的全波導(dǎo)型橫向多晶硅光互連系統(tǒng)，包括由下至上依次設(shè)置的襯底、淺溝道隔離層和柵氧層，柵氧層的上端面設(shè)置有SiO₂層，SiO₂層內(nèi)分別嵌入有：位于柵氧層的上端的光互連層和位于光互連層上方的金屬光反射板，其中，光互連層包括有由左向右依次設(shè)置的第一多晶硅光電探測(cè)器、第一多晶硅光波導(dǎo)、多晶硅LED組、第二多晶硅光波導(dǎo)和第二多晶硅光電探測(cè)器，SiO₂隔離層內(nèi)還嵌入有用于第一多晶硅光電探測(cè)器、第二多晶硅光電探測(cè)器和多晶硅LED組與外部電源相連的若干個(gè)連線孔和貫穿連線孔的外接導(dǎo)線，金屬光反射板上形成有用于貫穿外接導(dǎo)線的過(guò)線孔或過(guò)線槽。本發(fā)明充分利用LED發(fā)出光信號(hào)，增加光互連系統(tǒng)響應(yīng)度，減少能量損耗。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種全波導(dǎo)型橫向多晶硅光互連系統(tǒng)。特別是涉及一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的全波導(dǎo)型橫向多晶硅光互連系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,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(guò)“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(lái)越小，然而互連線的延時(shí)卻越來(lái)越大，并且互連線尺寸的減小使互連線電阻增加，從而增加了功耗。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)之間也不會(huì)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工藝在硅基表面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。目前,與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容性最好的器件為硅PN結(jié)發(fā)光器件,它發(fā)光的波長(zhǎng)在Si基探測(cè)器可探測(cè)范圍內(nèi),具有較快的響應(yīng)速度,可以滿足硅光電集成的要求,因此在Si OEIC中有很好的應(yīng)用前景。但是PN結(jié)發(fā)光器件一直存在著發(fā)光效率低的問(wèn)題難以解決。其原因除了Si基PN-LED本身發(fā)光效率低，另外在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上也存在大量損耗：首先Si-LED發(fā)光為高摻雜結(jié)與低摻雜阱形成的結(jié)，外部能測(cè)量和看到的部分僅為側(cè)面PN結(jié)向上發(fā)光部分，而其他部分發(fā)出的光則被體硅吸收無(wú)法作為傳輸信號(hào)，造成了嚴(yán)重的能量損失；其次一般CMOS工藝都會(huì)在硅表面覆蓋氧化層，由于硅PN-LED發(fā)出的光是從硅入射到SiO₂中，而硅的折射率比SiO₂折射率大很多，這就造成了體硅LED發(fā)出的光很大一部分由于全反射效應(yīng)無(wú)法傳輸出去。張興杰等人[1]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)特性與單晶Si-LED非常相似。專利[2]曾提出一種單晶硅LED及多晶硅PIN光電探測(cè)器組成的新型光互連結(jié)構(gòu)。這為我們提供了一種思路，可以利用多晶硅制作PIN-LED進(jìn)行發(fā)光，利用多晶硅光波導(dǎo)全反射和氧化層金屬反射兩種方式傳輸光信號(hào)，多晶硅PIN光電探測(cè)器接收光信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。當(dāng)從多晶硅入射到氧化層中光信號(hào)的入射角度大于25°時(shí)就會(huì)發(fā)生全反射，那么利用PIN-LED作為發(fā)光器件，一部分光信號(hào)射出多晶硅表面經(jīng)過(guò)上層金屬反射到光電探測(cè)器處，一部分光信號(hào)直接在多晶硅內(nèi)部經(jīng)過(guò)多晶硅波導(dǎo)全反射傳輸至光電探測(cè)器處，僅有少部分光射到器件下方損失。另外多晶硅在不進(jìn)行摻雜時(shí)電阻很大，且其比體硅更薄所以在LED與光電探測(cè)器相距同樣距離的時(shí)候多晶硅波導(dǎo)具有更好的電隔離效果。這樣就能夠充分利用LED所發(fā)出光信號(hào)，有效增加互連系統(tǒng)的響應(yīng)度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種能夠充分利用LED發(fā)出光信號(hào)，增加光互連系統(tǒng)響應(yīng)度，減少能量損耗的基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的全波導(dǎo)型橫向多晶硅光互連系統(tǒng)。