磷硅酸玻璃光波导

　　为了充分利用标准CMOS工艺兼容中的各层作为硅基光波导，这里再介绍一种利用CMOS工艺中的磷硅酸玻璃作为 光波导的例子。利用CMOS工艺中的磷硅酸玻璃层作为光波导芯层，磷硅酸玻璃层下面的氧化层作为光波导下包层 ，PSG层上面的金属层作为上包层。如图1所示利用有源区与阱间的pn结作为发光二极管，磷硅酸玻璃覆盖在pn结上。发光二极管发出的光直接耦 合进入磷硅酸玻璃光波导，实现发光二极管与光波导的集成，利用有源区与阱间的pn结作为光探测器，磷硅酸玻 璃覆盖在pn结上。光波导将光直接耦合到光探测器，实现光探测器与光波导的集成。

　　图1 磷硅酸玻璃光波导示意图

　　为了限制光波的横向扩散，在磷硅酸玻璃光波导两侧的衬底上制作接触孔。由于接触孔内填有金属，因此PSG光 波导侧壁材料就为金属铝（如图2所示）。由于金属铝的折射率比PSG的折射率小很多，因而光波就被限制在一定 的范围之内。由于磷硅酸玻璃材料的制作工艺与标准CM0S工艺流程兼容，因此和金属间氧化物光波导类似，磷硅 酸玻璃光波导的制作步骤与标准CM0S工艺流程相同，具体步骤如下。

　　图2 磷硅酸玻璃光波导剖面图

　　（1）有源区和阱结构的制作：在己经清洁过的硅表面，将无须作为阱结构的部分用氧化硅层覆盖保护。将磷元 素注入没有被氧化硅层覆盖的衬底，从而形成N型阱区。在N型阱区上生长一层薄氧化层。根据掩模版，在有源区处再注入磷元素形成P＋有源区。

　　（2）场氧化层的制作：场氧化隔离层用做磷硅酸光波导的下包层，是光波导器件的基础。在已经做好阱结构和有源区的硅表面生长一层薄的二氧化硅层（大约20～60 nm）。在有源区部分生长一层厚的氮化硅（Si3N4）保护层（大约⒛0 nm）。氮化硅层的目的是保护有源区不受到氧化。对整个硅片进行氧化，在没有氮化硅保护层的区域生长一层厚的氧化硅隔离层（大约900 nm）。除去氮化硅保护层。

　　（3）淀积磷硅酸玻璃层：在已经做好氧化层隔离和阱结构的硅芯片上，生长一层薄的二氧化硅层。对有源区MOS管栅极区域进行阈值校准注入。主要是调整MOS管沟道杂质浓度，达到校准MOS管开启阈值的目的。除去栅极区域以外的二氧化硅层。在栅极二氧化硅层上淀积多晶硅。对阱结构中将要制作MOS管的源、漏区域进行N型注入和P型注入，形成NMOS和PMOS管的源、漏极。在MOS管栅极侧面淀积栅极氧化物保护墙（OxideSpacer）。在MOS管栅极、源极、漏极上淀积硅化物，增强MOS管各极的导电性。最后淀积磷硅酸玻璃层。在需要与金属连接的区域腐蚀出接触孔（Contact Holes）。接触孔的目的是可以使MOS管各极与金属线相连。在磷硅酸玻璃光波导中，接触孔的目的是为了限制磷硅酸光波导的尺寸，接触孔中将填入金属铝。

　　（4）第一层金属层的制作：与金属间氧化物光波导不同的是，磷硅酸玻璃光波导只用到CMOS工艺中的第一层金属铝。由于金属铝的折射率（1．39）比磷硅酸折射率（1．47）小很多，，金属铝是做磷硅酸光波导侧壁的理想材料。在制作金属层时，将铝材料淀积到接触孔中和需要制作金属线的区域。金属线的下表面与PSG层相接触，因此可作为PSG光波导的上包层。

　　由以上的描述可以看出，与金属间氧化物光波导一样，这种磷硅酸光波导的制作过程与CMOS工艺一样，不需要改变任何微电子集成电路的加工工序，为研究开发微电子与光电子集成系统提供了研究基础。与金属间氧化物光波导不同，这种光波导的上、下包层不是同一种材料，也就是说光波在光波导中传播时，在上、下包层的交界处的全反射临界角不同。这就对光发射器的出射光进入光波导时的入射角提出了一定的要求。

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