CN111670495A - 具有嵌入的多孔电介质的电子产品、相关的半导体产品及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

在包括绝缘体上硅衬底的电子产品中，阳极氧化物或阳极氢氧化物的多孔层形成在绝缘体上硅衬底的硅层之上。形成在多孔层之上的金属层提供至少一条电传输线。电信号在至少一条电传输线中的速度可以通过多孔层的孔隙率的适当配置来控制。

Description

具有嵌入的多孔电介质的电子产品、相关的半导体产品及其 制造方法
技术领域
本发明涉及集成领域，并且更特别地，涉及电子产品、相关半导体产品及其制造方法。
背景技术
近年来，已经开发了半导体产品，在半导体产品中不同的电子子块被集成在公共衬底上，以构建用于生成、传输、转换、检测等电信号的功能。许多高级芯片需要在同一衬底上或通过根据封装解决方案进行的堆叠将电子功能耦接至附加的电子功能或部件。
图1示出了设置在晶片或衬底Sub上的示例集成功能结构100的平面图。例如，衬底Sub可以是绝缘体上硅(SOI)晶片。
在图1所示的示例中，功能结构100利用被实现为差分SGS共面波导(CPW)的电传输线。SGS共面波导包括由条形电导体G形成的接地线和由两个相应的条形电导体S形成的两条信号线。为了简单起见，图1未示出向信号导体S供应电信号的电连接。共面波导的导线形成在电介层Diel上。
在诸如图1所示的功能结构的器件中，期望精确地控制电信号在电传输线中传播的速度。电波以速度V电∝V_F∝c/√(ε_eff)(VF是速度因子，并且εeff是通过电波在***在传播线(信号线)与地回路之间的由介电常数为εr的介质(medium)/媒介(media)组成的电传输线中行进所看到的等效介电常数)传播。电介质的性质对控制电信号的速度的能力具有重要影响。
此外，在功能结构100中，还期望确保用于传播电信号的电传输线的良好阻抗匹配。实际上，不适当的阻抗匹配可能会导致电波的大部分被反射回至源，从而导致功能结构的效率损失和/或不适当控制。一般作为参考的阻抗Z通常是Z＝50Ω，并且电传输线的特性阻抗的大小是Z～√(L/(C))，其中L是线电感(H.m-1)，并且C是线电容(F.m-1)。然而，在实践中，使用常规电介质难以实现足够低的阻抗以确保良好的阻抗匹配，因为对于平面内的线宽/空间以及对于连接通孔导体的直径/间距，用常规技术(例如，共烧陶瓷)可实现的最小尺寸(临界尺寸，CD)被限制为几十μm。
鉴于以上问题而完成了本发明。
发明内容
本发明提供一种电子产品，包括：
绝缘体上硅衬底，其包括基础衬底、该基础衬底上的绝缘层和该绝缘层上的硅层；
形成在硅层之上的阳极氧化物或阳极氢氧化物的多孔层；以及
形成在多孔层之上的金属层，该金属层提供至少一条电传输线，
其中，多孔层在金属层下方的区域中的孔隙率基于电信号在至少一条电传输线中的期望速度来配置。
在具有以上配置的电子产品中，多孔层可以形成为包含大量空气/真空。此外，空气/真空在成品中的分数(fraction)可以通过控制在多孔层中形成的孔的大小来设置。
通过合适地调整多孔层中存在的材料与空气/真空的比率(孔隙率)，可以实现许多有益的结果。
第一，通过合适地调整多孔层的孔隙率，可以控制介质的表观介电常数εeff。对εeff的控制使得能够控制与电信号在电传输线中的速度相关的速度因子Vf。因此，可以实现电信号在电传输线中的期望速度，以满足例如特定应用要求。
第二，在电传输线的导体下方的介质中包含空气/真空可能导致阻抗的增大，尤其是在孔隙率大(即，空气/真空在多孔层中的分数大)的情况下。然而，可以通过减小临界尺寸(CD)来补偿阻抗的增大(与耦合电容的降低相关)，例如：与已知的MLCC(多层陶瓷电容器)方法相比，线宽/间隔规则可以减小2个数量级(例如，可以获得最小CD＜5μm)，并且这允许将线阻抗调谐到较低值。同样，与MLCC相比，竖直尺寸也可以减小2个数量级。因此，对于给定的目标阻抗，可以减小总大小(CD)，并且可以进一步提高集成密度。
第三，通过适当地调整多孔层的孔隙率，可以使电子器件的特定布局适应不同的驱动器频率，同时保持性能。
在实施方式中，电子产品还包括形成在硅层内的光波导，并且多孔层在金属层下方的区域中的孔隙率被配置成使得电信号在至少一条电传输线中的速度接近光信号在光波导中传播的速度。
在根据本发明的实施方式的电子产品中，多孔层中的孔可以是管状形状的。管状孔朝向下方的硅层延伸。
通常，多孔层的孔隙率的范围是从50％至高达91％。
在实施方式中，多孔层由阳极氧化铝(AAO)制成。
在实施方式中，电子产品还包括形成在硅层中的阳极化控制器件，该阳极化控制器件被配置成在制造期间控制多孔层的孔隙率。该阳极化控制器件被配置成使得在阳极化期间跨正在被阳极化的区域发生的电压降(阳极电压)引起该区域的期望孔隙率。为了控制阳极化控制器件，在多孔层上方的表面上设置金属接触件，并且设置导电路径以将金属接触件互连至阳极化控制器件。在实施方式中，金属接触件包括延伸穿过多孔层的通孔导体。
在实施方式中，阳极化控制器件由二极管提供，该二极管由在硅层中形成的p型区域和n型区域形成。然而，实施方式不限于阳极化控制器件为二极管，并且在其他实施方式中可以使用集成到硅层中的其他无源器件(例如，电阻器)。
在另一实施方式中，电子产品包括多个阳极化控制器件，每个阳极化控制器件被配置成控制多孔层的相应区域的孔隙率。在实施方式中，多个阳极化控制器件被配置成使得在多孔区域中产生不同孔隙率的区域。在实施方式中，多孔层包括具有第一孔隙率的第一多孔区域和具有第二孔隙率的第二多孔区域。
根据本发明的实施方式，可以在电子产品中设置相同或不同类型的一个或更多个电传输线。一个或更多个电传输线可以包括微带线型、共面波导型、差分微带导路型等的传输线。
可以在具有均匀孔隙率的多孔层的公共衬底上构造一个或更多个电传输线。替选地，可以在具有不同孔隙率的多个多孔区域之上设置一个或更多个电传输线。这使得可以在公共衬底上设置支持不同信号速度要求的电传输线。
在实施方式中，针对公共衬底上的相应的不同电传输线设置多组阳极化控制器件。每个阳极化控制器件的性质根据与相应的电传输线相关联的多孔区域所期望的孔隙率的要求来设置。因此，可以通过向不同的阳极化控制器件施加(例如，在衬底/晶片的***处)公共电压来实现不同区域中的阳极化。这有利于阳极化处理。
本发明还提供一种制造电子产品的方法，该方法包括：
在绝缘体上硅衬底的硅层中形成第一p型区域和第一n型区域，绝缘体上硅衬底包括基础衬底、该基础衬底上的绝缘层以及该绝缘层上的硅层，第一p型区域和第一n型区域形成第一阳极化控制二极管；
在硅层中形成第二p型区域和第二n型区域以形成第二阳极化控制二极管；
在硅层之上形成金属层；
使用第一阳极化控制二极管和第二阳极化控制二极管来阳极化金属层，以形成阳极氧化物或阳极氢氧化物的多孔层；以及
在多孔层之上形成金属层，该金属层提供至少一条电传输线。
根据以上方法，可以通过控制对金属层进行阳极化的阳极化处理，以简单的方式控制在至少一条电传输线下方的多孔层中实现的孔隙率，并且因此控制有效介电常数。在实施方式中，多孔层在金属层下方的区域中的孔隙率基于电信号在至少一条电传输线中的期望速度来配置。
在另一实施方式中，阳极化金属层包括：在对金属层的阳极化期间控制第一阳极化控制二极管和第二阳极化控制二极管，使得所形成的多孔层包括具有第一孔隙率的第一多孔区域和具有第二孔隙率的第二多孔区域。在实施方式中，该方法包括：向第一阳极化控制二极管和第二阳极化控制二极管施加公共电压来阳极化金属层，以形成多孔层。
在以上方法的变型中，阳极化控制器件由其他类型的无源器件(例如，电阻器)提供。
本发明还提供一种电光产品，包括：
绝缘体上硅衬底，其包括基础衬底、该基础衬底上的绝缘层和该绝缘层上的硅层；
位于硅层中的第一对相邻的p型区域和n型区域，第一对相邻的p型区域和n型区域在其间限定第一冶金结，该第一冶金结具有沿下方的绝缘层的边界，其中，第一冶金结周围的耗尽区是第一光波导的光信号的传播区域；
限制层，其形成在硅层上并封装第一光波导的传播区域；
多孔区域，其由阳极氧化物或阳极氢氧化物形成，其位于限制层的任一侧并且由限制层界定；以及
位于阳极氧化物区域/氢氧化物区域之上的图案化金属层，该金属层形成电传输线的导体。
在具有以上配置的电光产品中，阳极氧化物区域/氢氧化物区域可以被形成为包含大量空气/真空。此外，空气/真空在成品中的分数可以通过控制在阳极氧化物区域/氢氧化物区域中形成的孔的大小来设置。
通过合适地调整阳极氧化物/氢氧化物区域中存在的材料与空气/真空的比率，可以实现许多有益的结果。
第一，通过合适地调整阳极氧化物/氢氧化物区域中存在的材料与空气/真空的比率，可以控制介质的表观介电常数εeff，例如εeff可以降低到使得与电波的速度相关的速度因子Vf可以增大到更接近1的点，使得可以减小否则在电信号的速度与光波导中的光速度之间出现的失配。增大电信号的速度使得其基本上与光信号的速度匹配，消除了在设计中包括附加回路的需要，并且这使得集成密度(即，实现电光器件所需的覆盖面积)能够减小。此外，即使在没有与光信号的速度匹配的情况下使电信号的速度更接近光信号的速度，也可以获得技术优点，因为可以减小所需的附加回路的大小。
第二，在电传输线的导体下方的介质中包含空气/真空可能导致阻抗的增加，尤其是在孔隙率大(即，空气/真空在阳极氧化物/氢氧化物区域中的分数大)的情况下。然而，如上所述，可以通过减小临界尺寸(CD)来补偿阻抗的增加(与耦合电容的降低相关)。
第三，通过适当地调整阳极氧化物/氢氧化物区域的孔隙率，可以使电光器件的特定布局适应不同的驱动器频率，同时保持性能。
在根据本发明的实施方式的电光产品中，导电路径可以将形成电传输线的导体的金属层与限定第一冶金结的第一对p型区域和n型区域互连，并且导电路径可以包括延伸穿过阳极氧化物/氢氧化物区域的第一通孔导体。
在根据本发明的实施方式的电光产品中，可以在硅层中设置n+型区域和p+型区域，并且n+型区域和p+型区域可以电连接至形成第一冶金结的第一对n型区域和p型区域。第一通孔导体可以将限定电传输线的第一信号导体的金属层与硅层中的n+型区域(以及由此与限定第一冶金结的n型区域)互连。第二通孔导体可以将限定电传输线的接地导体的金属层与硅层中的p+型区域(以及由此与限定第一PN结的p型区域)互连。
第一通孔导体和第二通孔导体的大小以及第一通孔导体和第二通孔导体彼此的间隔可以被配置成使通孔的阻抗与电传输线的特性阻抗匹配。
例如通过使用光刻工艺来控制通孔导体的大小和间隔是简单的。因此，通过以使通孔的阻抗与电传输线的特性阻抗匹配的方式设置通孔导体的大小和间隔，可以以简单的方式实现阻抗匹配。
在根据本发明的实施方式的电光产品中，可以在绝缘层之上的硅层中设置第二对相邻的p型区域和n型区域，第二对相邻的p型区域和n型区域在其间限定第二冶金结，并且可以在硅层中设置与第一n型区域接触的第二n+型区域。第二冶金结周围的耗尽区可以被配置为第二光波导的光信号的传播区域。图案化金属层可以包括第二信号导体。第三通孔导体可以将限定第二信号导体的金属层与硅层中的第二n+型区域互连。第一信号导体和第二信号导体可以被配置成传播互补信号。以这种方式，电传输线、第一光波导和第二光波导可以被配置成形成电光调制器。
可以在公共衬底上构造具有不同孔隙率的阳极氧化物/氢氧化物区域的多个电光调制器。这使得可以在公共衬底上设置具有不同光程的光波导(考虑到光信号长度与在光波导中传播的光信号的波长相关)。
在根据本发明的实施方式的电光产品中，电光调制器可以包括沿光路径的具有不同孔隙率的阳极氧化物/氢氧化物的子区域。
在根据本发明的实施方式的电光产品中，可以设置阳极化控制二极管，其电连接至硅层中的p+型区域和n+型区域。阳极化控制二极管使得可以在制造期间控制在阳极氧化物/氢氧化物区域中实现的孔隙率。此外，如果针对公共衬底上的相应的不同电传输线设置多组阳极化控制二极管，则各组阳极化控制二极管的性质可以根据与每个电传输线相关联的阳极氧化物/氢氧化物区域所期望的孔隙率的要求而被彼此不同地设置，并且还可以通过向不同的阳极化控制二极管施加(例如，在衬底/晶片的***处)公共电压来实现不同区域中的阳极化。
多孔阳极氧化物/氢氧化物区域可以由阳极氧化铝制成。
本发明还提供一种制造电光产品的方法，该方法包括：
在绝缘体上硅衬底的硅层中形成第一对相邻的p型区域和n型区域，该绝缘体上硅衬底包括基础衬底、该基础衬底上的绝缘层和该绝缘层上的硅层，第一对相邻的p型区域和n型区域在其间限定第一冶金结，该第一冶金结具有沿下方的绝缘层的边界；
在硅层之上形成限制层，该限制层封装第一冶金结周围的耗尽区，由此将耗尽区配置为第一光波导的光信号的传播区域；
在硅层之上形成金属层；
对金属层进行阳极化，以形成阳极氧化物或阳极氢氧化物的多孔层；在面向光波导的阳极氧化物/氢氧化物层中形成开口；以及
在开口的任一侧的阳极氧化物/氢氧化物区域之上形成电传输线的金属导体。
根据以上方法，可以通过控制对金属层进行阳极化的阳极化处理，以简单的方式控制在电传输线的导体下方的电介质中实现的孔隙率，并且因此控制有效介电常数。
本发明还提供一种半导体产品，包括：
绝缘体上硅衬底，其包括基础衬底、该基础衬底上的绝缘层和该绝缘层上的硅层；
位于硅层中的第一对相邻的p型区域和n型区域，第一对相邻的p型区域和n型区域在其间限定第一冶金结，该第一冶金结具有沿下方的绝缘层的边界，其中，第一冶金结周围的耗尽区被配置为第一光波导的光信号的传播区域；
限制层，其形成在硅层上并且封装第一光波导；以及
多孔区域，其由阳极氧化物或阳极氢氧化物形成，其位于限制层的任一侧并且由限制层界定。
上述半导体产品可以是在根据本发明的电光产品的制造期间形成的中间产品。
本发明还提供一种制造半导体产品的方法，该方法包括：
在绝缘体上硅衬底的硅层中形成第一对相邻的p型区域和n型区域，该绝缘体上硅衬底包括基础衬底、该基础衬底上的绝缘层和该绝缘层上的硅层，第一对相邻的p型区域和n型区域在其间限定第一冶金结，该第一冶金结具有沿下方的绝缘层的边界；
在硅层之上形成限制层，该限制层封装第一冶金结周围的耗尽区，由此将耗尽区配置为第一光波导的光信号的传播区域；
在硅层之上形成金属层；
对金属层进行阳极化，以形成阳极氧化物或阳极氢氧化物的多孔层；以及
在面向光波导的阳极氧化物/氢氧化物层中形成开口。
附图说明
根据以下参照附图以仅示例性而非限制性的方式给出的对本发明的某些实施方式的描述，本发明的另外的特征和优点将变得明显，在附图中：
图1是示例集成半导体结构的平面图；
图2A示出了根据本发明的实施方式的示例电子产品；
图2B示出了根据本发明的另一实施方式的示例电子产品；
图2C示出了根据本发明的另一实施方式的示例电子产品；
图3A至图3C示出了具有不同孔隙率值的多孔阳极氧化物/氢氧化物材料，其中：
图3A示出了11％的孔隙率，
图3B示出了54％的孔隙率，以及
图3C示出了91％的孔隙率；
图4是示出电信号的速度如何受多孔阳极氧化物/氢氧化物层的孔隙率影响的曲线图；
图5是示出电传输线的特性阻抗如何受多孔阳极氧化物/氢氧化物层的孔隙率影响的曲线图；
图6A和图6B示出了具有不同区域的衬底，所述不同区域具有包括不同程度的孔隙率的多孔电介质；
图7A至图7D示出了形成在阳极氧化铝中的孔的结构，其中：
图7A是多孔AAO层的一部分的特写的立体示意图，
图7B表示通过图7A的一部分的截面，
图7C是从侧面观察的多孔AAO层的TEM高分辨率图像，以及
图7D是从上面观察的多孔AAO层的TEM高分辨率图像；
图8以截面示出了根据本发明的实施方式的电光产品；
图9是示出包括阳极化控制二极管的变型实施方式的图；以及
图10A至图10H示出了制造图8的电光产品的示例方法中的各阶段。
具体实施方式
图2A示出了根据实施方式的示例电子产品300A的俯视图和截面图。(同样，下面的图2B和图2C也示出了电子产品的俯视图和截面图)。如图2A所示，电子产品300A包括由硅基础衬底302形成的绝缘体上硅(SOI)衬底、形成在基础衬底302上的绝缘层304和形成在绝缘层304上的薄硅层306。在实施方式中，绝缘层304是由SiO2制成的掩埋氧化物层，并且薄硅层306是具有相对低掺杂(例如，用硼以1×1017a/cm3的浓度掺杂)的p型硅层。
具有指定掺杂类型和水平的区域308a和308b形成在薄硅层306中。在实施方式中，区域308b是相对轻的n型掺杂的区域，并且区域308a是相对轻的p型掺杂的区域。PN二极管由区域308a和308b形成。在实施方式中，如图2A所示，区域308a形成为包围区域308b的正方形/矩形环，区域308b也可以是正方形/矩形的。
多孔层310形成在硅层306之上。在实施方式中，多孔层310由阳极氧化物或阳极氢氧化物制成。例如，多孔层310可以由阳极氧化铝(AAO)制成。在实施方式中，多孔层310通过在电解质中执行阳极化处理来阳极化金属层而形成。在该阳极化处理中，氧化物或氢氧化物形成在金属层的表面上，并且电解质沿通过电场确定的优选方向(即通常垂直于表面)溶解氧化物或氢氧化物层。随着电解质溶解氧化物/氢氧化物层，在变得暴露的金属表面上形成新的氧化物/氢氧化物。结果，金属层逐渐转化成阳极氧化物或氢氧化物的多孔层310，该多孔层具有从顶表面基本垂直地延伸的管状孔，每个孔通过氧化物或氢氧化物的壁与相邻孔隔开。所得到的多孔层310具有根据六边形图案分布的圆柱形孔(参见图3A至图3C和图7A至图7D)。可以通过确保在执行阳极化之前掩蔽金属层的其他部分，在金属层的期望部分中形成多孔层310。例如，如图2A所示，被施加掩模的金属层的非阳极化区域保留在多孔层310的任一侧(与元件312相邻)。
图3A至图3C示出了通过该方法获得的一些几何形状。图3A示出了孔直径与孔间距的比率为33％的情况，产生11％的孔隙率，其中孔隙率为多孔层310中的孔的体积与该多孔层310的体积的比率。图3B示出了孔直径与孔间距的比率为66％——对应于54％的孔隙率——的情况。图3C示出了孔直径与孔间距的比率为87％(实际最大值)的情况，并且这给出了91％的孔隙率。
返回图2A，诸如通孔导体的导电路径312延伸穿过多孔层310，以将形成在多孔层10上方的表面上的金属接触件316与PN二极管的n型区域308b互连。这允许控制由区域308a和308b提供的PN二极管。
在实施方式中，由区域308a和308b形成的PN二极管提供了阳极化控制二极管，其可以用于控制在电子产品300A的制造期间产生多孔层310的阳极化处理。更具体地，阳极化控制二极管可以用于控制多孔层310的孔隙率，该孔隙率是多孔层310内的孔的间距P和直径D的函数(见图3A)。相邻孔之间的间距P与在阳极化处理期间施加的电压(和电解质的调整)相关，并且可以通过控制随后的各向同性蚀刻步骤期间的蚀刻时间来调整孔的直径D。因此，可以调整结构中的空气(或真空)的分数与氧化物/氢氧化物的分数之比(参见图3A至图3C)，并且可以在以下边界ε真空＜·ε多孔层＜ε氧化物/氢氧化物(在没有孔的情况下)内调整介质的表观介电常数。
在另一实施方式中，由区域308a和308b形成的PN二极管用形成在硅层306中的不同类型的无源器件(例如，电阻器)来替换。无源器件可以被配置为用于控制多孔层310的孔隙率的阳极化控制器件。
返回图2A，在多孔层310之上形成金属层314以提供至少一条电传输线。在图2A的实施方式中，金属层314包括单个信号(S)导体线，并且绝缘层304提供接地，从而产生微带线配置。提供连接(未示出)以用于将电信号供应至微带线的导体线。
使用上述阳极化控制特征，在实施方式中，基于电信号在至少一条电传输线中的期望速度来配置多孔层310的孔隙率。电信号的期望速度可以是满足特定应用要求所需的速度。具体地，为了实现电信号的较大速度，增大多孔层310的孔隙率以减小电传输线下方的介质的有效介电常数。相反地，通过降低多孔层310的孔隙率以增大电传输线下方的介质的有效介电常数来实现较低的速度。
图4是示出作为x轴上的频率的函数的y轴上的电信号在电传输线中的速度的曲线图。图4示出了以下事实：通过增大多孔层的孔隙率，电传输线的导体下方的介质的表观介电常数减小，并且可以增大电信号的速度。使用除AAO之外的阳极氧化物和氢氧化物，也获得这种相同的效果。
图5是示出作为x轴上的频率的函数的y轴上的电传输线的特性阻抗的曲线图。图5示出了由阳极氧化铝制成的多孔层310的孔隙率的增大如何引起电传输线的特性阻抗的增大。如上所述，这种阻抗的增加可以通过减小临界尺寸来补偿。
当使用除阳极氧化铝之外的阳极氧化物和氢氧化物时，也获得图5和图6所示的效果。
通常，多孔区域的孔隙率的均匀性取决于在阳极化处理期间供应至正在被阳极化的金属层的不同部分的阳极化电流的均匀性。考虑到在集成电路制造的上下文中希望/需要在晶片的***处施加阳极化电压的事实，则在阳极化处理期间是否可以获得合适程度的均匀性是有疑问的。然而，显著地，由于下面说明的原因，当从晶片***处的接触区域施加阳极化电压时，可以实现合适的均匀性。
根据其他实施方式，可以通过在多孔层310之上形成的金属层来提供不同类型的电传输线。例如，在图2B所示的实施方式中，金属层包括形成在两条接地导体线318a与318b之间的信号导体线314，由此至少一条电传输线包括GSG共面波导。在图2C所示的另一实施方式中，金属层包括差分信号导体线336a和336b，由此至少一条电传输线包括差分微带导路。在该配置中，类似于图2A的微带线配置，绝缘层304提供接地。在其他实施方式中，相同和/或不同类型的多个电传输线可以由形成在多孔层310之上的金属层提供。
根据其他实施方式，多孔层310可以包括孔隙率不同的多个多孔区域。相同的电传输线和/或不同的电传输线可以形成在多个多孔区域之上。图2C中示出了说明该构思的示例电子产品300C。如所示的，电子产品300C包括第一多孔区域324和第二多孔区域326。第一多孔区域324的特征在于第一孔隙率，并且第二多孔区域326的特征在于第二孔隙率。第一孔隙率和第二孔隙率可以被配置成不同或相等。
出于独立地控制第一多孔区域和第二多孔区域的阳极化的目的，提供了单独的阳极化控制器件和相关联的导电路径。例如，在图2C的实施方式中，硅层306包括p型区域308a和308c以及n型区域308b和308d。P型区域308a和n型区域308b为第一多孔区域324提供第一阳极化控制二极管，并且p型区域308c和n型区域308d为第二多孔区域326提供第二阳极化控制二极管。诸如通孔导体的导电路径328延伸穿过多孔区域324以将金属接触件332与第一二极管的n型区域308b互连，以允许对第一二极管的控制。诸如通孔导体的导电路径330延伸穿过多孔区域326以将金属接触件334与第二二极管的n型区域308d互连，以允许对第二二极管的控制。
在图2C的示例实施方式中，相同的电传输线即差分微带导路在第一多孔区域324和第二多孔区域326两者之上延伸。然而，在其他实施方式中，形成在多孔层之上的金属层可以包括第一电传输线和第二电传输线，使得第一多孔区域324位于第一电传输线下方并耦接至地、第一电传输线，并且第二多孔区域326位于第二电传输线下方并耦接至地、第二电传输线。第一电传输线和第二电传输线可以是相同或不同类型的。例如，第一电传输线和第二电传输线可以各自包括微带线、共面波导或差分微带导路。
诸如示例电子产品300C的电子产品可以从诸如图6A中所示的晶片50的晶片开始制造。如所示的，晶片50包括阳极氧化铝(AAO)的不同区域52、54、56。在区域52中，AAO的孔隙率为90％。在区域54中，AAO的孔隙率为45％。在区域56中，AAO的孔隙率为70％。晶片50的剩余部分58被设置有孔隙率为11％的AAO层。
通过在公共衬底上实现具有不同孔隙率的特定区域，可以集成具有不同电信号速度要求的结构。图6B示出了关于具有AAO的不同区域62、64、68的衬底部分60的这样的集成结构。在区域62中，AAO的孔隙率为90％。在区域64中，AAO的孔隙率为45％。在区域68中，AAO的孔隙率为11％。在图6B所示的示例中，第一马赫-曾德尔调制器72形成在对应于AAO区域68的区域中，而第二马赫-曾德尔调制器74形成在对应于AAO区域62和64的区域中(在图6B中仅示出了光波导的位置)。因此，MZM 72和74可以具有不同的光程。而且，在MZM 74中，由于有效介电常数沿光波导的长度改变，因此所实现的电速度沿传播方向改变。如本领域技术人员将基于本文的教导理解的，图6B所示的实施方式不限于嵌入其中的马赫-曾德尔调制器，并且可以包括使用至少一条电传输线的任何结构。
图7A至图7D示出了根据本发明的某些实施方式的可以在电子产品或半导体产品中提供的多孔阳极氧化铝层的结构。图7A立体地和以极大放大的比例示意性地示出了多孔AAO层的截面。图7B表示通过图7A的一部分的截面。图7C和图7D分别是从侧面和从上面观察的真实多孔AAO层的TEM高分辨率图像。
在下面，将参照图8描述根据实施方式的利用本发明的各方面的电光产品。将在包含马赫-曾德尔型的集成电光调制器的电光产品1的上下文中描述该实施方式。然而，应当理解，根据本发明的电光产品不限于包含马赫-曾德尔电光调制器的电光产品，并且可以包括其他类型的电光产品，包括在各种器件中彼此相关联的电波导和光波导。例如，根据实施方式的电光产品可以包括但不限于环形调制器、光电二极管等。
图8所示的电光产品1使用由硅基础衬底2(图9所示)形成的绝缘体上硅衬底、形成在基础衬底2上的绝缘层3以及形成在绝缘层3上的薄硅层4。在该示例中，绝缘层3是由SiO2制成的掩埋氧化物层，并且薄硅层是具有相对低掺杂(例如，用硼以1×1017a/cm3的浓度掺杂)的p型硅层。在薄硅层中形成具有指定掺杂类型和水平的区域4a至4e。区域4b是相对轻的n型掺杂的区域，并且区域4d是相对轻的p型掺杂的区域。区域4c是区域4b与4d之间的、冶金结周围的很低的p型掺杂的区域。PN或PIN二极管由区域4b和4d夹着区域4c形成。冶金结向下延伸到下方的掩埋氧化物层3。
区域4a是相对重的n型掺杂的区域，在此被指定为n+型区域，并且区域4e是相对重的p型掺杂的区域，在此被指定为p+型区域。n+区域4a和p+区域4e用于促进PIN二极管的掺杂区域4b和4c到电传输线(在该示例中为共面波导，参见下文)的导体的电连接，并且减小到冶金结的接入阻抗。
凹槽6a、6b形成在冶金结的任一侧上，并与冶金结稍微间隔开。凹槽之间的区域8用作光信号的传播区域。区域8由设置在凹入区域上方并填充凹槽6a、6b的限制材料9包围。限制材料9可以由与绝缘层3相同的材料(例如，SiO2)制成。限制材料9确保在光路径与限制材料9之间的边界面处发生适当的折射率转变，这防止了由这些边界处的寄生反射引起的不希望的光信号损失。
限制材料9交叠在n+区域4a和p+区域4e的边缘之上，并且邻接由阳极氧化物或阳极氢氧化物的多孔层制成的相邻区域10。在该示例中，多孔区域10由阳极氧化铝制成。穿过光路径上方的多孔阳极氧化物/氢氧化物层10来提供开口17，并且开口17没有阳极氧化物/氢氧化物，以避免否则可能在光路径与阳极氧化物/氢氧化物之间的界面处发生的不希望的反射。该限制材料具有保护部分19，该保护部分向上延伸并在开口17的***周围的多孔阳极氧化物/氢氧化物层10的边缘之上延伸。该保护部分19用于控制与保护部分19邻接的区域10的竖直表面的孔隙率，并且防止形成侧面孔。
图8示出了相同的材料用于凹槽6a、6b中的、这些凹槽之上的限制材料9以及形成保护部分19的情况。
在穿过阳极氧化物/氢氧化物区域10的通孔中设置一端分别接触n+区域4a和p+区域4e的通孔电极12a、12b，并且分别与电传输线的信号线和接地线对应的金属带14、15与通孔电极12a、12b的另一端接触。以这种方式，电传输线的信号线14经由n+区域4a电连接至PIN二极管的n型区域4b，并且电传输线的接地线15经由p+区域4e电连接至PIN二极管的p型区域4d。提供连接(未示出)以用于将电信号供应至电传输线的导体，并且还提供到光波导的输入/输出连接(未示出)。
因为多孔区域10由阳极氧化物或阳极氢氧化物形成，所以可以形成这些区域，使得它们包含大的且可调整的百分比的空气或真空。这使得电传输线的导体下方的介质的有效介电常数能够减小到指定值。有效介电常数的减小使得电信号在电传输线中的速度能够更接近光信号的速度。如下面将讨论的，可以通过适当控制孔的尺寸和间距来设置多孔区域10的孔隙率。
现在将参照图10A至图10H描述根据本发明的实施方式的制造电光产品的方法。
根据该示例的制造方法，绝缘体上硅(SOI)衬底晶片的硅层4经受掺杂，优选地以获得相对低水平的p型掺杂，例如1×1017a/cm3的硼浓度(SOI晶片包括在绝缘层3上方的p型硅层4，此处，绝缘层是掩埋氧化物层)。在硅层4中形成至少一个PIN二极管结构，使得PN结的竖直深度延伸到掩埋氧化物3的深度。PIN二极管结构通过以下操作来实现：将相反类型的掺杂剂注入到界定具有很低的p型掺杂的硅的体积的相应区域中。注入处理之后是处理步骤(热处理)中的激活/驱动，该处理步骤形成在两侧具有低掺杂水平的冶金结。替选地，期望的PIN二极管结构可以通过以下操作来创建：执行连续的注入步骤，以创建对应的高掺杂n/p子区域(对应于PIN结构的p型区域和n型区域)和低掺杂n/p子区域(对应于PIN二极管的中心部分)。为了减小到本征区域的接入阻抗，优选地，形成具有较重掺杂的、PIN二极管的P电极和N电极的接触区域(或者甚至优选地形成为硅化物)，以形成上述n+区域4a和p+区域4e。
p和n掺杂区域被向下蚀刻以在对应于针对光信号的波导的低掺杂区域附近(靠近冶金结)形成凹槽6a、6b。图10A表示在该阶段的所得的结构。
如图10B所示，接着在晶片表面上沉积材料层90，在该示例中为氧化硅。材料层90被图案化(参见图10C)，以创建限制材料9，该限制材料确保在光路径与限制材料之间的边界处的适当的折射率转变。可以通过常规的光刻步骤来创建期望的图案化。
如图10D所示，在该结构之上沉积厚金属膜100。金属膜由可以被阳极化的至少一个金属层构成。厚金属膜100优选地是厚度在1μm以上且在500μm以下的铝膜。然而，也可以使用其他金属类型，例如包括钛(Ti)、钨(W)或钽(Ta)。在本文档中，表述“阳极化的”和“阳极的”是指通过电解质中的阳极化处理由金属层形成的氧化物或氢氧化物(参见下文)。
如图10E所示，厚金属膜100被图案化以在光路径附近形成开口17。这是出于避免金属100与光路径之间的界面处的不希望的反射的目的。可以通过任何合适的光刻工艺(例如，通过光刻和蚀刻)来执行图案化。
沉积具有适当的折射率值的另外的材料以涂覆开口17的***处的金属层100的表面并形成保护部分19(参见图10F)。优选地，选择该另外的材料以与图10C的限制材料9具有相同的折射率。
通过在电解质中执行阳极化处理来阳极化金属层100。在该阳极化处理中，氧化物或氢氧化物形成在金属的表面上，并且电解质沿通过电场确定的优选方向(即通常垂直于表面)溶解氧化物或氢氧化物层。随着电解质溶解氧化物/氢氧化物层，在变得暴露的金属表面上形成新的氧化物/氢氧化物。结果，金属层100逐渐转化成阳极氧化物或氢氧化物的多孔层10，该多孔层具有从顶表面基本垂直地延伸的管状孔，每个孔通过氧化物或氢氧化物的壁与相邻孔隔开。多孔区域10优选地是具有根据六边形图案分布的圆柱形孔的阳极氧化铝区域(参见图3A至图3C和图7A至图7D)。图10G示出了可以被认为是中间半导体产品21的所得的结构。
穿过多孔区域10蚀刻通孔，以暴露下方的n+区域4a和p+区域4e，然后在该结构之上沉积金属层，并且通过公知的光刻工艺来蚀刻该金属层，以形成电传输线的导体14、15和通孔导体12。结果，共面波导信号(S)和接地(GND)线连接至限定光波导所使用的PN结的相应n型和p型区域(如图10H所示)。
因为在阳极化处理期间设置到p型硅层(具体地，设置到区域4a)的电压是阳极的(正的)，所以形成有n+区域的二极管被正向偏置(因此是非阻断的)。结果，厚金属层100所经历的电压是施加至晶片边缘处的p型硅层4的电压减去二极管的正向电压降VF(其为0.6V的量级)。就p+区域而言，接触是欧姆的，因此对电压分布没有影响(考虑到阳极反应中包括的低电流密度)。结果，在硅层4之上形成的阳极氧化物/氢氧化物区域具有近似相等的孔隙率，而不管它们是形成在具有p型极性的区域之上还是形成在n型极性的区域之上。
如上所述，因为本发明的实施方式采用了孔隙率可以在制造期间被设置为期望值的阳极氧化物/氢氧化物的区域，所以变得可以在公共衬底(晶片)上创建具有不同有效介电常数(孔隙率)的不同区域。例如，在图9所示的变型电光产品31中，硅层4可以形成为具有低掺杂的p型，并且作为NP二极管的阳极化控制二极管40a、40b可以被设置在n+区域4a/p+区域4e的外边缘处。阳极化控制二极管40a、40b可以用于使得能够创建不同孔隙率的区域。
可以借助于两个附加的注入步骤来形成阳极化控制二极管40a、40b。这些注入步骤中的一个步骤将p型掺杂剂注入到分别接触n+区域4a和p+区域4e的小区域中。这些注入步骤中的另一个步骤将n型掺杂剂注入到朝向结构外部定位的相邻小区域中。
随后，在阳极化处理期间，将阳极电压施加至硅层4，并且厚金属层100所经历的电压对应于阳极电源的电压(V阳极)减去上述阳极化控制二极管40a、40b的反向偏置电压(Vz)。结果，通过适当地调整设置在晶片上的不同位置处的阳极化控制二极管40a、40b的性质(特别是Vz)，可以将不同的电压施加至公共衬底上的不同位置，从而在不同位置处产生不同水平的孔隙率，同时仍使用施加至硅层4的公共电压V阳极。可以通过适当地调整NP二极管40a、40b的掺杂来根据需要设置阳极化控制二极管40a、40b的性质(例如，Vz)。在另一实施方式中，阳极化控制二极管40a、40b可以被设计为基本相同，并且将被配置成引起不同阳极化水平的不同阳极电压施加至公共衬底的不同位置。
附加变型
尽管以上已经参考某些特定实施方式描述了本发明，但是应当理解，本发明不受特定实施方式的特殊性的限制。在所附权利要求的范围内，可以在上述实施方式中做出许多变化、修改和发展。

Claims (15)

1.一种电子产品(1，300A，300B，300C)，包括：
绝缘体上硅衬底，所述绝缘体上硅衬底包括基础衬底(2，302)、所述基础衬底(2，302)上的绝缘层(3，304)和所述绝缘层(3，304)上的硅层(4，306)；
形成在所述硅层(4，306)之上的阳极氧化物或阳极氢氧化物的多孔层(10，310)；以及
形成在所述多孔层(10，310)之上的金属层(14/15，314)，所述金属层提供至少一条电传输线，
其中，所述多孔层(10，310)包括具有第一孔隙率的第一多孔区域(324)和具有第二孔隙率的第二多孔区域(326)，并且
其中，所述多孔层(10，310)在所述金属层(14/15，314)下方的区域中的孔隙率基于电信号在所述至少一条电传输线中的期望速度来配置。
2.根据权利要求1所述的电子产品(1，300A，300B，300C)，其中，所述多孔层(10，310)中的孔是管状形状的。
3.根据权利要求1或2所述的电子产品(1，300A，300B，300C)，其中，所述多孔层(10，310)在所述金属层(14/15，314)下方的区域中的孔隙率的范围是从50％至高达91％。
4.根据权利要求1、2或3所述的电子产品(1，300A，300B，300C)，还包括形成在所述硅层(4，306)中的阳极化控制器件，所述阳极化控制器件被配置成控制所述多孔层(10，310)在所述金属层(14/15，314)下方的区域中的孔隙率。
5.根据权利要求4所述的电子产品(300A，300B，300C)，还包括：
位于所述多孔层(310)上方的表面上的金属接触件(316)；以及
导电路径，所述导电路径将所述金属接触件(316)互连至所述阳极化控制器件，其中，所述金属接触件(316)包括延伸穿过所述多孔层(310)的通孔导体(312a)。
6.根据权利要求4所述的电子产品(300A，300B，300C)，其中，所述阳极化控制器件包括二极管或电阻器。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电子产品(300A，300B，300C)，其中，所述金属层(314)包括信号导体线，由此所述至少一条电传输线包括微带线。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的电子产品(300A，300B，300C)，其中，所述金属层(314)包括位于两条接地导体线之间的信号导体线，由此所述至少一条电传输线包括共面波导。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的电子产品(300A，300B，300C)，其中，所述金属层(314)包括差分信号导体线，由此所述至少一条电传输线包括差分微带导路。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的电子产品(1，300A，300B，300C)，其中，所述至少一条电传输线包括第一电传输线和第二电传输线，并且其中，所述第一电传输线经由所述第一多孔区域(324)耦接至地并且所述第二电传输线经由所述第二多孔区域(326)耦接至地。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的电子产品(1，300A，300B，300C)，还包括：
光波导，所述光波导形成在所述硅层(4，304)内，
其中，所述多孔层(10，310)在所述金属层(14/15，314)下方的区域中的的孔隙率被配置成使得所述电信号的速度接近光信号在所述光波导中传播的速度。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的电子产品(1，300A，300B，300C)，其中，所述多孔层(10，310)包括由阳极氧化铝(AAO)制成的区域。
13.一种制造电子产品的方法，所述方法包括：
在绝缘体上硅衬底的硅层(306)中形成第一p型区域(308a)和第一n型区域(308b)，所述绝缘体上硅衬底包括基础衬底(302)、所述基础衬底上的绝缘层(304)以及所述绝缘层(304)上的所述硅层(306)，所述第一p型区域(308a)和所述第一n型区域(308b)形成第一阳极化控制二极管；
在所述硅层(306)中形成第二p型区域(308c)和第二n型区域(308d)，所述第二p型区域(308c)和所述第二n型区域(308d)形成第二阳极化控制二极管；
在所述硅层(306)之上形成金属层；
使用所述第一阳极化控制二极管和所述第二阳极化控制二极管来阳极化所述金属层以形成阳极氧化物或阳极氢氧化物的多孔层(310)，其中，阳极化所述金属层包括：控制所述第一阳极化控制二极管和所述第二阳极化控制二极管，使得所形成的多孔层(310)包括具有第一孔隙率的第一多孔区域(324)和具有第二孔隙率的第二多孔区域(326)；以及
在所述多孔层(310)之上形成金属层(314)，所述金属层(314)提供至少一条电传输线。
14.根据权利要求13所述的方法，包括：向所述第一阳极化控制二极管和所述第二阳极化控制二极管施加公共电压来阳极化所述金属层，以形成所述多孔层(310)。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，所述多孔层(310)在所述金属层(314)下方的区域中的孔隙率基于电信号在所述至少一条电传输线中的期望速度来配置。
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