CN100361308C - 一种单片光电集成回路的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单片光电集成回路的制作方法，它是利用激光辅助微细加工技术制作单片光电集成回路，即在制作光器件过程中，利用激光的高度定域性，在扩散、合金等高温工艺中使得高温区域严格限制在光器件所在区域，从而避免对基片上已做成的集成电路产生高温冲击，对电器件性能不产生负面影响，最终使光、电两部分器件都具有最佳性能，达到提高单片光电集成回路器件的整体性能水平的目的。
Description
技术领域：
本发明属于光电子技术领域，它特别涉及单片光电集成回路的制备技术领域。
背景技术：
单片光电集成回路是利用光电子技术和微电子技术将光电子器件和微电子器件单片集成到同一衬底，制作而成的。其中光电集成回路简称OEICs(Optoelectronic Integrated Circuits)。
单片OEICs通过集成减少了寄生参数，具有高速和低噪声的特性，已成为超高速通信系统的关键器件。在毫米波光纤-无线系统的基站里，光/毫米波转换器是关键元件，单片OEICs是这个元件的较好选择。在其他光纤接入网中，光电转换模块也是关键器件，因为它必须能双向工作，价格低廉，产量大，这个需求也可用单片OEICs满足。单片OEICs还可用于光存储系统和光互连。光互连消除了电互连中的电磁干扰、串话及RC-限制的延时等问题。单片OEICs还可用于光交换和光计算中的波长控制，光束方向控制等([1]Mario Dagenais，Robert F.Leheny，“Integratedoptoelectronics”，the first edition Academic Press，1995)。
单片OEICs需要将光电子、电子两类功能和结构不同的器件集成到同一衬底上，所以需要解决结构及工艺兼容性的问题。目前的解决办法是采用外延生长技术，用一步生长或多步生长的方法生长出器件材料结构，采用扩散、合金、退火、光刻、腐蚀及剥离等半导体工艺制作出单片OEICs([2]Kiyoto Takahata，Yoshifum Muramoto，et al.，“Ultrafast monolithicreceiver OEIC composed of multimode waveguide p-i-n photodiode and HEMTdistributed amplifier”，IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics，Vol.6，pp.31-36，2000
[3]Andreas Umbach，Thomas Engel，et al.，“Technology of InP-based 1.55-μmultrafast OEMMIC’s：40-Gbit/s broad-band and 38/60-GHz narrow-bandphotoreceivers”，IEEE Journal of Quantum Electronics，Vol.36，pp.1024-1031，1999
[4]D.Huber，M.Bitter，M.Dulk，et al.，“53 GHz monolithically integratedInP/InGaAs PIN/HBT receiver OEIC with an electrical bandwidth of 63 GHz”，Conference Proceedings-International Conference on Indium Phosphide andRelated Materials May 14-May 182000，p 325-328，2000
[5]敖金平，曾庆明等，“单片集成MSM/HEMT长波长光接收机”，光电子·激光，第11卷，241-243页，2000)。市场上已有用这种办法制作出的40Gb/s速率的单片OEICs产品。但这种方法需要复杂的工艺过程，使得器件的生产效率低，器件的一致性差，导致器件成本非常高，难以被市场接受。
同时，上述方法仍不能完全解决光电两部分兼容的问题。例如在PIN/HBT单片集成光接收机这样的单片OEICs中，PIN探测器层虽可共用HBT的基极和集电极层，但仍存在不能兼顾减小探测器电容和减小载流子在集电极层的漂移时间的问题([4]D.Huber，M.Bitter，M.Dulk，et al.，“53GHz monolithically integrated InP/InGaAs PIN/HBT receiver OEIC with anelectrical bandwidth of 63 GHz”，Conference Proceedings-InternationalConference on Indium Phosphide and Related Materials May 14-May 182000，p 325-328，2000)。采用MSM光电二极管作为单片集成光接收机的光探测器可以一定程度上解决工艺兼容问题，但是由于MSM光探测器的电极是不透明的，极大的影响了探测器的响应度([5]敖金平，曾庆明等，“单片集成MSM/HEMT长波长光接收机”，光电子·激光，第11卷，241-243页，2000)。在已经报道的绝大部分采用PIN光电二极管的单片集成光接收机中，由于未在器件制作过程中采用阳极局部扩散工艺(以避免对电器件性能产生负面影响)，只能制作出台面结构的PIN光电二极管，而台面结构的PIN光电二极管的p-n结裸露在外界，因而稳定性和可靠性存在严重的先天不足([6]徐之韬，王任凡等，“10Gbit/s高速GaInAs/InP平面PIN的研究”，光通信研究，总第89期，37-41页，1998)。因此，为了在单片集成光接收机中制作出高可靠性的平面结构PIN二极管，人们采用了离子注入、快速热处理等方法来实现阳极掺杂。但是，扩散等高热工艺即使采用快速热处理等方法，还是会对电器件的性能产生影响。当用离子注入代替扩散进行掺杂时，虽然具有“直接写入”和“低温掺杂”的优势，但离子注入时会在晶体内产生大量的晶格缺陷，这些缺陷必须经过退火进行消除，退火又是高热工艺，而且退火后还总会有残留的缺陷，这对光、电器件都会产生不利影响。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种单片光电集成回路的制作方法，按照本发明的方法对光电二极管/前放集成电路(简称：PDIC)进行扩散、退火等激光微细加工技术可解决单片OEICs工艺中的光电兼容问题，从而达到制作出具有高可靠性的单片OEICs的目的。
为了方便地描述本发明内容，首先作术语定义：
激光诱导扩散：；利用聚焦的激光束，在一定的扩散温度下作用于半导体基片，将杂质源以一定的方式掺入到特定的区域并达到一定的要求；
激光诱导合金：利用激光辐照半导体基片表面，通过加热区域表面载流子与金属元素相互作用，相互替代、相互扩散等复杂过程，在半导体表面形成重掺杂区；
激光退火：将激光对准需退火的区域进行退火。
本发明提供的一种单片光电集成回路的制作方法，其特征是它采用下面的步骤：
步骤1准备好半导体衬底1，根据制作OEICs的设计要求，确定电器件2、光器件4的位置，用掩模把将要制作光器件4的区域掩蔽好，如图1所示；
步骤2在半导体衬底1上的电器件2所在区域按照设计的要求，用常规的集成电路工艺制备电器件；
步骤3去除光器件4所在区域的掩模，再将通过步骤2做好的电器件2部分用掩模掩蔽好，如图2所示；
步骤4在光器件4所在区域，利用激光微细加工的直接写入功能制作光器件4。所述的利用激光微细加工的直接写入功能的方法可以是激光诱导扩散、可以是激光诱导合金、激光退火等；
步骤5去除电器件部分的掩模，进行光、电器件的互连；
经过以上步骤后，就可以得到单片OEICs器件。
需要说明的是：
在步骤2中，制作电路部分时，不用考虑光器件的工艺要求，因而电路部分的性能可得到最优化。其次，在步骤4中，激光诱导合金实现欧姆接触，及光诱导退火可以消除缺陷。制作光器件时采用的激光微细加工技术具有低温处理和直接写入等独特优越性，扩散、合金等高温工艺中高温区域严格限制在光器件所在区域，不会对基片上已做成的集成电路产生高温冲击，也就不会影响电路部分的性能，因此可以使光、电两部分器件都具有最佳性能，因而使单片OEICs器件的整体性能水平得以提高。激光诱导合金实现欧姆接触，激光诱导退火可以消除缺陷。
在步骤5中，进行光、电器件互联方法之一是用聚合物填充光、电器件之间的空隙，然后在需互连的光、电器件区域镀金属膜以实现互连。
本发明的工作原理如下：利用激光微细加工的直接写入功能，用激光诱导扩散、激光诱导合金和激光退火等办法制作光器件。在加工过程中，利用激光的高度定域性，在扩散、合金等高温工艺中使得高温区域严格限制在光器件所在区域，避免了对基片上已做成的集成电路产生高温冲击，最终使光、电两部分器件都具有最佳性能，达到提高单片OEICs器件的整体性能水平的目的。
本发明的实质是利用激光辅助微细加工技术制作单片OEICs，即在制作光器件过程中，利用激光的高度定域性从而在扩散、合金等高温工艺中使得高温区域严格限制在光器件所在区域，从而避免对基片上已做成的集成电路产生高温冲击，对电器件性能不产生负面影响，最终以使光、电两部分器件都具有最佳性能，达到提高单片OEICs器件的整体性能水平的目的。
本发明的优点在于：
(1)在制作电路部分时，不用考虑光器件的工艺要求，因而电路部分的性能可得到最优化。
(2)由于制作光器件时采用的激光微细加工技术具有低温处理和直接写入等独特优越性，扩散、合金等高温工艺中高温区域严格限制在光器件所在区域，不会对基片上已做成的集成电路产生高温冲击，也就不会影响电路部分的性能，因此可以使光、电两部分器件都具有最佳性能，从而使单片OEICs器件的整体性能水平得以提高。
附图说明：
图1用掩模将光器件所在区域掩蔽好的半导体衬底结构示意图
其中1是衬底、2是电器件、3是掩模、4是光器件。
图2用掩模将电器件所在区域掩蔽好的半导体衬底结构示意图
其中1是衬底、2是电器件、3是掩膜、4是光器件。
图3利用激光辅助微细加工制作的单片集成光接收机示意图
其中2是电器件、4是光电二极管、5是阳极、6是阴极、7是P+-扩散区、8是隔离区、9是高电子迁移率晶体管(HEMT)层、10是硅-磷化铟基片、11是本征区、12是N+扩散区。
具体实施方式
制备激光辅助微细加工制作单片光电集成光接收机(如图3所示)
(1)在磷化铟(InP)衬底10上一步生长材料，其中光电二极管各层生长在高电子迁移率晶体管(HEMT)层9上，刻蚀出隔离区后，左边制作高电子迁移率晶体管，右边制作PIN光电二极管4；
(2)刻蚀出光电二极管阴极台面；
(3)在隔离区左边的高电子迁移率晶体管层9上完成电器件2部分的制作；
(4)在光电二极管顶层P+扩散区7上光刻出探测器部分的光学窗口，然后进行激光诱导扩散；
(5)完成光电二极管N型(N+扩散区12)和P型(P+扩散区7)欧姆接触；
(6)在光学窗口镀增透膜；
(7)电器件2与光电二极管4互连；
(8)对所有器件进行钝化处理。
由此就可以制备出单片光电集成光接收机。
综上所述，由于激光诱导扩散等高热工艺使高温区只局限在光电探测器区域，在不对电器件性能产生负面影响的前提下，可以制作出具有平面结构PIN光电二极管的单片集成光接受机。本发明的方法可用于制备多种单片光电集成回路。
Claims (2)
1、一种单片光电集成回路的制作方法，其特征是它采用F面的步骤：
步骤1准备好半导体衬底(1)，根据制作光电集成回路的设计要求，确定电器件(2)、光器件(4)的位置，用掩模把将要制作光器件(4)的区域掩蔽好；
步骤2在半导体衬底(1)上的电器件(2)所在区域按照设计的要求，用常规的集成电路工艺制备电器件；
步骤3去除光器件(4)所在区域的掩模，再将通过步骤2做好的电器件(2)部分用掩模掩蔽好；
步骤4在光器件(4)所在区域，利用激光微细加工的直接写入功能制作光器件(4)，所述的利用激光微细加工的直接写入功能的方法是激光诱导扩散或者是激光诱导合金；
步骤5去除电器件部分的掩模，进行光、电器件的互连；
经过以上步骤后，就可以得到单片光电集成回路器件。
2、根据权利要求1所述的一种单片光电集成回路的制作方法，其特征是在步骤5中所述的进行光、电器件互联方法是首先用聚合物填充光、电器件之间的空隙，然后在需互连的光、电器件区域镀金属膜以实现互连。
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