[发明专利]一种与标准CMOS工艺完全兼容的片上光波导及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种波导装置及其制备方法，尤其是涉及一种与标准CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺完全兼容的，能在硅片上传导光信号，进而实现片上光互连的波导装置及其制备方法。

背景技术

采用光波导来实现光发射装置和光接受装置的互相连接，具有互连“零”延时，没有互连串扰，互连零功耗，没有传输带宽限制等四大优势。目前，实现片上光波导的主要方法有：第一，利用场氧化层和它的“鸟嘴”结构，把光信号耦合到二氧化硅中传导；第二，利用SOI(绝缘硅)衬底上的氮化硅层，把光信号限制在氮化硅层中传导。但是，由于硅衬底的折射率(3.5)高于二氧化硅(1.46)，因此第一种方法并不能把光信号很好地限制在二氧化硅中传导，从而大大限制了光波导的长度(＜10μm)；第二种方法需要使用SOI衬底，因此不能与标准CMOS工艺完全兼容，因而也大大增加了光波导的制造成本。

发明内容

本发明的目的正是为了克服上述现有技术中光波导不能很好地限制光信号和不能与标准CMOS工艺兼容且制造成本高等诸多问题的存在，提供一种与标准CMOS工艺完全兼容的片上光波导，这种光波导不仅能使“包层”的折射率低于“芯层”，从而很好地把光信号限制在“芯层”内传导，而且与标准CMOS工艺完全兼容。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的：

本发明一种与标准CMOS工艺完全兼容的片上光波导，所述光波导设置有包层，所述包层内设置有芯层。

所述包层，由重掺杂的N+埋层，重掺杂的深N阱，氧化层和钝化层构成。

所述芯层，由轻掺杂的P+外延层构成。

所述光波导呈脊形结构。

本发明一种与标准CMOS工艺完全兼容的片上光波导的制备方法，由以下步骤构成：

①在P型硅衬底上，首先通过N+离子注入，形成重掺杂的N+埋层；

②然后通过等离子溅射，在N+埋层上方生长一层轻掺杂的P+外延层，利用氮化硅掩蔽和离子注入，在P+外延层上形成两个重掺杂的深N阱；

③接着在整个硅片上方生长氧化层；

④最后在整个硅片上方生长钝化层。

所述重掺杂的N+埋层，重掺杂的深N阱，氧化层和钝化层构成包层。

所述轻掺杂的P+外延层构成芯层。

所述光波导呈脊形结构。

本发明的有益效果是：由于在掺杂浓度越高的区域，自由载流子浓度越高，其自由载流子吸收效应，使折射率越低；反之，掺杂浓度越低的区域，其折射率越高。因此，当光信号通过波导时，在垂直方向上，将会被限制在折射率最低的P+外延层内传导，在水平方向上，将会被限制在脊形的P+外延层内，从而沿着波导的“芯层”传导。同时，由于离子注入，等离子溅射，氮化硅掩蔽，氧化层生长，钝化层生长等均是标准CMOS工艺流程的步骤，从而使这种光波导与标准CMOS工艺完全兼容。很好地把光信号限制在“芯层”内传导，可以有效地增加光波导的长度；可以有效地降低光波导的制造成本。

附图说明

图1是光波导的纵剖面构造图。

图2是光波导的制造工艺流程图。

图中1.P型硅衬底，2.重掺杂的N+埋层，3.轻掺杂的P+外延层，4.重掺杂的深N阱，5.氧化层，6.钝化层，7.氮化硅掩蔽层

具体实施方式

在图1中，P型硅衬底1的厚度为250μm，离子注入形成的重掺杂N+埋层2的掺杂浓度为10²⁰/cm³，厚度为10μm，通过等离子溅射形成的轻掺杂P+外延层3的掺杂浓度为10¹⁶/cm³，厚度为2μm，通过离子注入形成的重掺杂的深N阱4的注入浓度为10²⁰/cm³，注入深度为1μm，氧化层5的和钝化层6生长厚度分别为2μm和10μm。波导的宽度应配合光发射部件的宽度，脊形的宽度与波导的宽度之比最好取1∶2。波导的“包层”由重掺杂的N+埋层2，重掺杂的深N阱4，氧化层5和钝化层)构成，波导的“芯层”由轻掺杂的P+外延层3构成。

在图2所示的制造工艺流程图，首先在P型硅衬底1上通过N+离子注入a，形成重掺杂的N+埋层2，然后通过等离子溅射b，在重掺杂的N+埋层2上方生长一层轻掺杂的P+外延层3，随后利用氮化硅掩蔽层7的掩蔽和离子注入c，在P+外延层上形成两个重掺杂的深N阱4，接着在整个硅片上方生长有源区氧化层5d，再利用氮化硅掩蔽层7掩蔽重掺杂的深N阱区4，生长场氧化层6e，最后形成光波导f。