CN115248477A - 封装件及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

一种方法包括形成第一光子管芯，其包括形成第一硅波导，以及形成第一氮化物波导。该方法还包括形成延伸到第一光子管芯中的第一多个介电层中的第一通孔，以及将第二光子管芯接合到第一光子管芯。第二光子管芯包括第二氮化物波导。第一硅波导通过第一氮化物波导光耦合到第二氮化物波导。第二通孔延伸到第二光子管芯中的第二多个介电层中。本申请的实施例提供了封装件及其形成方法。

Description

封装件及其形成方法
技术领域
本申请的实施例涉及封装件及其形成方法。
背景技术
电信号和处理是用于信号传输和处理的技术之一。近年来，光信号和处理已在越来越多的应用中得到使用，特别是由于为了信号传输的与光纤相关的应用。
光信号和处理通常与电信号和处理相结合以提供成熟的应用。例如，光纤可用于远距离信号传输，电信号可用于短距离信号传输以及处理和控制。相应地，形成了集成光学组件和电子元件的器件，用于光信号和电信号之间的转换，以及光信号和电信号的处理。封装件因此可以包括包括光学器件的光学(光子)管芯和包括电子器件的电子管芯二者。
发明内容
根据本公开的一些实施例，一种形成封装件的方法包括形成第一光子管芯，包括形成第一硅波导；形成第一氮化物波导；形成延伸到第一光子管芯中的第一多个介电层中的第一通孔；将第二光子管芯接合到第一光子管芯，其中第二光子管芯包括第二氮化物波导，其中第一硅波导通过第一氮化物波导光耦合到第二氮化物波导；以及形成延伸到第二光子管芯中的第二多个介电层中的第二通孔。
根据本公开的一些实施例，一种封装件包括第一光子管芯，该第一光子管芯包括第一硅波导；位于第一硅波导下方的第一多个介电层；在第一多个介电层之一中的第一氮化物波导；以及穿透第一多个介电层的第一通孔；第二光子管芯位于第一光子管芯下方并接合到第一光子管芯，其中第二光子管芯包括第二多个介电层；在第二多个介电层之一中的第二氮化物波导，其中第二氮化物波导通过第一氮化物波导光耦合到第一硅波导；以及穿过第二多个介电层的第二通孔；导电部件位于第二通孔下方，并通过第二通孔电连接至第一通孔。
根据本公开的一些实施例，一种封装件包括电子管芯；多个光子管芯堆叠以形成管芯堆叠，其中电子管芯接合到管芯堆叠中的顶部光子管芯，并且其中多个光子管芯中的每一个包括多个介电层；穿过多个介电层的导电路径；以及氮化物波导，其中所述多个光子管芯中的氮化物波导被光耦合，并且被配置为将所述多个光子管芯中的底部管芯中的光传输到所述多个光子管芯中的顶部管芯
本申请的实施例提供了具有堆叠光子管芯的集成3DIC及其形成方法。
附图说明
当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以最佳地理解本发明的各个方面。应该注意，根据工业中的标准实践，各种部件没有被按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增加或减少。
图1-图5、图6A、图6B和图7-图18示出了根据一些实施例的包括堆叠光子管芯的封装件的形成中的中间阶段的截面图。
图19-图24示出了根据一些实施例的包括堆叠光子管芯与光学器件的封装件的形成和集成中的中间阶段的截面图。
图25-图31示出了根据一些实施例的包括堆叠光子管芯与光学器件的封装件的形成和集成中的中间阶段的截面图。
图32-图43示出了根据一些实施例的包括堆叠光子管芯与光学器件的封装件的形成和集成的中间阶段的截面图。
图44示出了根据一些实施例的采用背面照明的封装件。
图45示出了根据一些实施例的采用正面照明的封装件。
图46图示了根据一些实施例的光学装置的侧视图。
图47示出了根据一些实施例的用于形成包括堆叠光子管芯的封装件的工艺流程。
具体实施方式
以下公开提供了许多用于实现本公开的不同特征的不同的实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本公开。当然，这些仅是实例而不旨在限制。例如，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成附加部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本公开可以在各个示例中重复参考数字和/或字母。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示讨论的个实施例和/或配置之间的关系。
此外，为了便于描述，本文中可以使用诸如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…之上”、“上部”等的空间相对术语，以描述如图中所示的一个元件或部件与另一元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作工艺中的不同方位。装置可以以其它方式定位(旋转90度或在其它方位)，并且在本文中使用的空间相对描述符可以同样地作相应地解释。
提供了一种包括堆叠的光子管芯的封装件及其形成方法。根据本公开的一些实施例，多个光子管芯被形成和堆叠，并且被接合到电子管芯。一些光子管芯的硅衬底可以在封装件过程中被去除，或者可以被减薄并用于形成诸如硅波导、光栅耦合器等的光学器件。诸如氮化硅波导的非硅波导形成在堆叠的光子管芯中，并且用作用于传递光信号的垂直光通路。还形成电通孔以通过堆叠的光子管芯传导电信号。随着光子管芯被堆叠，光子管芯占据更小的尺码。此外，可能不需要在光子管芯之间使用光纤来传导光。本文讨论的实施例是为了提供示例以实现或使用本公开的主题，并且本领域普通技术人员将容易理解在保持在不同实施例的预期范围内的同时可以进行的修改。在各个视图和说明性实施例中，相同的附图标记用于表示相同的元件。尽管可以将方法实施例讨论为以特定顺序执行，但是其他方法实施例可以以任何逻辑顺序执行。
图1至图18示出了根据本公开的一些实施例的包括堆叠光子管芯的封装件的形成中的中间阶段的截面图。相应的过程也示意性地反映在如图47所示的工艺流程200中。
参考图1，提供了基础衬底20。根据一些实施例，基础衬底20包括体衬底20A、体衬底20A上方的介电层20B和介电层20B上方的硅层20C(其是覆盖层)。体衬底20A可以由介电材料、半导体材料等或它们的组合形成。根据一些实施例，体衬底20A包括诸如硅衬底的半导体衬底。介电层20B可以由氧化硅层形成或包括氧化硅层，或者可以由对光透明的其他介电材料(例如氮氧化硅)形成。根据一些实施例，介电层20B可以具有在约0.5μm和约4μm之间的范围内的厚度。硅层20C的厚度可以在约0.1μm和约1.5μm之间的范围内。基础衬底20可以被称为具有正侧或正面(例如，图1中朝上的一侧)和背侧或背面(例如，图1中朝下的一侧)。基础衬底20的正面也称为所得光子晶圆和光子管芯的正面。
在图2中，硅层20C被图案化以形成多个光子器件，这些光子器件也被称为硅器件。相应的过程在如图47所示的工艺流程200中被示为工艺202。光子器件的一些示例包括光学器件，其可以包括波导22、光子组件24和光栅耦合器26。图示的波导22、光子组件24和光栅耦合器26可以代表多个器件。可以使用合适的光刻和蚀刻技术对硅层20C进行图案化，这可能涉及使用光刻胶来定义图案的蚀刻工艺。在整个说明书中，由硅层20C形成的部件统称为光子层。
根据一些实施例，光子组件24物理地和/或光学地耦合到波导22以便通过光信号与波导22光学交互。示例光子组件24可以包括但不限于光电探测器、调制器等。例如，光电探测器可以光耦合到波导22以检测波导22内的光信号并产生对应于光信号的电信号。调制器还可以接收电信号并调制波导22内的光功率以产生相应的光信号。以这种方式，光子组件24可以从波导22输入光信号或将光信号输出到波导22。根据其他实施例，光子组件可以包括其他有源或无源组件，例如激光二极管、光信号分离器或其他光子结构或器件的类型。
根据一些实施例，一个或多个光栅耦合器26可以与波导22集成，并且可以通过图案化硅层20C来形成一个或多个光栅耦合器26。光栅耦合器26是允许光信号和/或光功率在波导22和诸如随后形成的光学通孔、微透镜等的光子组件之间传输的光子器件。光栅耦合器26可以使用光刻和蚀刻工艺形成。光栅耦合器26、波导22和光子组件24可以共享一些共同的蚀刻工艺和蚀刻掩模。
参见图3，介电层28形成在波导22、光子组件24、光栅耦合器26和介电层20B上。介电层28可以由氧化硅、氮化硅、它们的组合等的一层或多层形成或包括由氧化硅、氮化硅、它们的组合等的一层或多层，并且可以通过CVD、PVD、原子层沉积(ALD)、旋涂电介质形成工艺、高密度等离子体化学气相沉积(HDP-CVD)、可流动CVD(FCVD)等或它们的组合形成介电层28。介电层28对光是透明的。根据一些实施例，通过诸如CMP工艺或机械研磨工艺的平坦化工艺来平坦化介电层28。介电层28在光学层上的部分可以具有在约10nm和约500nm之间的范围内的厚度。
由于波导22和介电层28的材料的折射率不同，波导22具有高内反射，使得光基本上被限制在波导22内，这取决于各自的材料的光的波长和介质的折射率。根据一些实施例，波导22的材料的折射率高于介电层28的材料的折射率。例如，波导22可以包括硅，并且介电层28可以包括氧化硅。
进一步参见图3，通孔30和接触插塞32形成在介电层28中。根据一些实施例，通孔30和接触插塞32通过大马士革工艺形成，例如单大马士革、双大马士革或喜欢。例如，可以通过形成延伸穿过介电层28的开口并用导电材料填充开口来形成通孔30。导电材料可以包括由TiN、TaN、Ti、Ta等形成的扩散阻挡层，以及诸如钨、铜、钴等的金属材料。可以执行诸如CMP工艺或机械研磨工艺的平坦化工艺以去除多余的导电材料。扩散阻挡层和金属材料的其余部分是通孔30和接触插塞32。接触插塞电连接到光学组件。
根据一些实施例，接触插塞32延伸穿过介电层28，并且电连接到光子组件24。接触插塞32允许电力或电信号被传输到光子组件24，并且电信号从光子组件24被传输。以这种方式，光子组件24可以将电信号转换成由波导22传输的光信号，和/或可以将来自波导22的光信号转换成电信号。
进一步参见图3，重分布结构34形成在介电层28上。相应的工艺在图47所示的工艺流程200中被示为工艺204。重分布结构34包括介电层36和形成在介电层36中的导电部件38。导电部件38提供互连和电路由。导电部件38电连接到通孔30、接触插塞32和/或诸如电子管芯的上面的装置。介电层36可以是例如绝缘和/或钝化层，并且可以包括氧化硅、氮化硅或其他材料。介电层36对光可以是透明的或不透明的。介电层36可以通过镶嵌工艺形成。导电焊盘40形成在介电层36的最顶层中。
在图4和5中，重分布结构34的部分被去除并由介电层42替换。参考图4，可以通过蚀刻去除重分布结构34的部分，从而形成凹槽41。相应的工艺在如图47所示的工艺流程200中被示为工艺206。重分布结构34的去除部分可以位于光栅耦合器26的直接上方。接下来，如图5所示，沉积介电层42，然后通过平坦化工艺以露出导电焊盘40。相应的工艺在如图47所示的工艺流程200中被示为工艺208。
选择介电层42的材料以在光栅耦合器26和垂直安装的光纤(未示出)和/或微透镜(例如图8中的微透镜54)之间提供更有效的光耦合。例如，介电层42可以比介电层36更透明、具有更低的损耗并且反射性更小。根据一些实施例，介电层42的材料类似于介电层36的材料，但使用形成具有更好质量(例如，更少的杂质、位错等)的材料的技术被沉积。以这种方式，用介电层42替换重分布结构34的介电层36的部分可以允许所得光子封装件的更有效操作，并且可以减少光信号损失。例如，介电层42可以由氧化硅形成或包括氧化硅。
根据其他实施例，介电层36不被介电层42替代。在这些实施例中，重分布结构34的一些区域可以基本上没有导电部件38和导电焊盘40，以便允许光学信号穿过介电层36传输。例如，这些无金属区域可以在光栅耦合器26和微透镜54(图8)之间延伸，微透镜54可以与垂直安装的光纤对齐以允许光信号在光栅耦合器26和光纤之间耦合。
参考图6A，根据一些实施例，一个(或多个)电子管芯44接合到重分布结构34。在如图47所示的工艺流程200中，相应工艺被示为工艺210。电子管芯44可以是例如使用电信号与光子组件24通信的半导体器件、管芯或芯片。图6A中示出了一个电子管芯44，而根据其他实施例，所得光子封装件70'(图18)也可以包括两个或更多个电子管芯44。电子管芯44包括半导体衬底45、互连结构41和电连接件46，电连接件46可以是例如导电焊盘、导电柱等。
电子管芯44可以包括用于与光子组件24接口的集成电路，例如用于控制光子组件24的操作的电路。例如，电子管芯44可以包括控制器、驱动器、放大器等或其组合。电子管芯44还可以包括CPU。根据一些实施例，电子管芯44包括用于处理从光子组件24接收到的电信号的电路。根据一些实施例，电子管芯44还可以根据从另一个器件或管芯接收到的电信号(数据或类似物)来控制光子组件24的高频信号发送。根据一些实施例，电子管芯44可以是提供串行器/解串器(SerDes)功能的电子集成电路(EIC)等。以这种方式，电子管芯44可以充当光信号和电信号之间的I/O接口的部分。
根据一些实施例，电子管芯44通过混合接合(包括电介质-电介质接合和金属-金属接合两者)、直接金属-金属接合、焊料接合等接合到重分布结构34。
图6B示出了图6A中所示结构的示例顶视图。根据一些实施例，波导22在电子管芯44下方延伸。可以有多个波导22。而且，可以有多个接合焊盘40和46。
参考图7，间隙填充材料48形成在电子管芯44和重分布结构34上。相应的工艺在图47中所示的工艺流程200中被示为工艺212。间隙填充材料48可以由氧化硅、氮化硅、聚合物等或它们的组合形成。可通过CVD、PVD、ALD、旋涂工艺、HDP-CVD、FCVD等或其组合形成间隙填充材料48。间隙填充材料48可以是在适合在其中传输光信号或光功率的波长下对光透明的材料(例如，氧化硅)。根据不通过间隙填充材料48向上投射光的一些实施例，间隙填充材料48可以包括相对不透明的材料，例如密封剂、模塑料等。可以使用诸如CMP工艺、研磨工艺等的平坦化工艺来平坦化间隙填充材料48。根据一些实施例，平坦化工艺可以暴露电子管芯44，其中电子管芯44的顶表面和间隙填充材料48是共面的。
图8示出了支撑衬底50的附接。相应工艺在图47所示的工艺流程200中被示出为工艺214。根据一些实施例，含硅介电层52(可能包括氧化硅、氮氧化硅、碳氮化硅或类似物)用于将支撑衬底50接合到电子管芯44的半导体衬底以及接合到间隙填充材料48。可以通过熔合来执行接合，其中形成Si-O-Si键。可以在支撑衬底50中形成微透镜54。根据一些实施例，支撑衬底50是或包括硅衬底。
接下来，可以去除体衬底20A。相应的工艺在如图47所示的工艺流程200中被示为工艺216。得到的结构在图9中示出。可以使用平坦化工艺(例如，CMP或研磨工艺)、蚀刻工艺、其组合等来去除体衬底20A。根据一些实施例，介电层20B也被减薄。介电层20B的减薄可以作为体衬底20A的去除工艺的部分，或者可以在单独的步骤中减薄介电层20B。根据一些实施例，在减薄之后，介电层20B可以具有在约0.05μm到约0.5μm的范围内的厚度。
根据替代实施例，代替为完全去除体硅衬底20A，减薄体硅衬底20A，然后图案化，形成硅部件21，其可以包括硅波导、光栅耦合器、光子组件等，这分别与上面所讨论的硅波导22、光栅耦合器26和光子组件24基本相同。相应的工艺也被示为如图47所示的工艺流程200中的工艺216。在图9和所得封装件70'(图18)中，硅部件21被示为虚线以指示可以形成或者可以没有形成硅部件21。
在随后的工艺中，形成氮化物波导56(包括56A和56B，并且可能更多)。参考图10，氮化物波导56A形成在介电层20B上。相应的工艺在如图47所示的工艺流程200中被示为工艺218。形成工艺可以包括沉积工艺，随后是通过蚀刻的图案化工艺。沉积工艺可以包括CVD、PECVD、LPCVD、PVD等。氮化物波导56A可以由氮化硅、氮氧化硅等形成或包括氮化硅、氮氧化硅等。或者，可以形成聚合物波导替换形成氮化物波导56A。根据一些实施例，氮化物波导56A的厚度可以在约0.2μm和约1.0μm之间的范围内，而其他厚度也是可能的。
根据一些实施例，氮化物波导56A可以包括光子结构，例如光栅耦合器、边缘耦合器或允许光信号被传输或处理的耦合器(例如，模式转换器)。由氮化硅形成的波导(例如，氮化物波导56A)可能比由硅形成的波导(例如，波导22)具有优势。例如，氮化硅具有比硅更高的介电常数，因此氮化物波导可以具有比硅波导更大的内部光限制。这也可以允许氮化物波导的性能或泄漏对工艺变化不太敏感，对尺寸均匀性不太敏感，对表面粗糙度(例如，边缘粗糙度或线宽粗糙度)不太敏感。降低的工艺灵敏度可以允许氮化物波导比硅波导更容易或成本更低地处理。这些特性可以允许氮化物波导具有比硅波导更低的传播损耗。在一些情况下，氮化物波导的传播损耗(dB/cm)可以在硅波导的约0.1％和约50％之间。
参考图11，介电层58A形成在氮化物波导56A上。相应的工艺在图47所示的工艺流程200中被示为工艺220。介电层58A可以包括一种或多种类似于上述用于介电层28或介电层42的材料。例如，介电层58A可以包括氧化硅、旋涂玻璃等。介电层58A可以使用与上述介电层28或介电层42类似的工艺形成，或者可以使用不同的工艺形成。例如，可以使用CVD、PVD、旋涂等形成介电层58A，同时可以使用另一工艺。根据一些实施例，诸如CMP工艺或机械研磨工艺的平坦化工艺用于去除介电层58A的多余材料。在平坦化之后，介电层58A可以具有与氮化物波导56A的表面共面的表面(图示的底表面)。或者，介电层58A可以比氮化物波导56A厚，并且可以具有与氮化物波导56A重叠的部分。
参考图12，逐层形成更多的氮化物波导56(包括波导56B)和介电层58(包括介电层58B和58C)。如图47所示，相应工艺在工艺流程200中被示为工艺222。反射器57也可以由诸如铜、钨、镍等的金属形成。附加氮化物波导56和介电层58可以使用选自用于形成波导56A和介电层58A的相同候选材料和工艺的材料和工艺来形成。根据一些实施例，附加氮化物波导56通过介电层58与其上层氮化物波导56物理分离。此外，至少一些或所有氮化物波导56完全封闭在介电层58中。或者说，至少一些或全部氮化物波导56的所有表面与介电层58接触。每个波导56可以具有与直接覆盖的波导56重叠的至少部分或全部。此外，每个波导56与其直接上覆的波导56可以分开小的垂直距离，例如，小于约1μm。
参考图13，(导电)通孔60和接合焊盘62形成在介电层58和介电层20B中。相应的工艺在图47所示的工艺流程200中被示为工艺224。形成工艺可以包括蚀刻穿过介电层58和介电层20B以形成通孔开口，并露出通孔30，用导电材料(例如TiN、TaN、Ti、Ta、Cu、W、Co等)填充通孔开口，并执行平坦化工艺。可以有或可以没有围绕导电材料形成的介电衬垫。还形成接合焊盘62，并且可以形成附加介电层58D。介电层58D可由与其他介电层58类似的材料形成。因此形成光子晶圆64，其接合到电子管芯44。
参考图14，形成光子晶圆164。根据一些实施例，使用与用于形成光子管芯晶圆64的工艺相似的工艺(或不同的工艺)来形成光子晶圆164。光子晶圆164的结构可以与光子晶圆64的结构相同、相似或不同。根据一些实施例，光子晶圆164中的组件使用光子管芯64中的类似组件的附图标记编号来表示，其中添加了数字“1”作为前缀。光子晶圆164中的类似组件可以类似于光子晶圆64中的对应组件。例如，光子晶圆164中的波导、光子组件、光栅耦合器和氮化物波导分别使用附图标记符号122、124、126和156来表示。此外，还可以形成重分布结构134、介电层128、介电层142、通孔130和132、体衬底120A和氧化物层120B以及接合焊盘140。
根据一些实施例，氮化物波导68形成在介电层142中。根据替代实施例，当重分布结构134很薄时，例如，薄于约2μm或约1μm，在介质层142中不形成氮化物波导。
接下来，如图15所示，将光子晶圆164接合到光子晶圆64。相应的工艺在如图47所示的工艺流程200中被示为工艺226。可以通过混合接合来执行接合，其中光子晶圆164中的接合垫140接合到光子晶圆64中的接合垫62，并且介电层58D接合到光子晶圆164中的表面介电层和介电层142。
接下来，根据一些实施例，体硅衬底120A被减薄，然后被图案化，形成硅部件121，其可以包括硅波导、光栅耦合器、光子组件等。根据替代实施例，在接合之后，体硅衬底120A被完全去除，并且氧化层120B可以被减薄。相应的工艺在图47所示的工艺流程200中被示为工艺228。因此，在图15中，硅部件121被示为虚线以指示可以形成或可以不形成硅部件121。
图16示出了更多氮化物波导156和介电层158(包括158A、158B、158C和158D)的形成。相应的工艺在如图47所示的工艺流程200中被示为工艺230。材料和形成工艺可以参见氮化物波导56和介电层58的形成。
根据完全去除体硅衬底120A的一些实施例，形成一些氮化物波导156以物理接触氧化物层120B。因此，在图16中，硅部件121和一个氮化物波导156都被示为虚线，以指示可以形成硅部件121或氮化物波导156或二者都形成以接触氧化物层120B。
图17示出了通孔160和接合焊盘162的形成。相应的工艺被示出为如图47所示的工艺流程200中的工艺232。因此完成了光子晶圆164的形成。形成工艺及材料可分别参见介电层58、贯通孔60、焊盘62的形成工艺及材料，在此不再赘述。
图18示出了电连接件166的形成，其可以形成在接合焊盘162(其可以是凸块下金属)上。相应的工艺在图47所示的工艺流程200中被示为工艺234。得到的结构被称为光子晶圆70。根据一些实施例，除了所示出的光子晶圆64和164之外，还有在光子晶圆64和164之间一个或者堆叠的多个光子晶圆，并且用于形成和堆叠附加的光子晶圆的工艺类似于图14至图17所示的工艺。在随后的工艺中，执行单片化工艺以将光子晶圆70锯切分开，并形成离散的光子管芯70'，它们彼此相同。每个光子管芯70'包括一个或多个电子管芯44，并且还包括光子晶圆64中的光子管芯64'之一和光子晶圆164中的光子管芯164'之一。在随后的工艺中，进一步封装件光子封装件70'。例如，光纤(未示出)可以附接到微透镜54并对准微透镜54。
在光子封装件70'中，电子管芯44与堆叠的光子管芯64'、164'等接合。存在多个用于传导电流和信号的电子传导路径。电子导电路径连接电子管芯44，并延伸到光子封装件70'的底部。例如，箭头71被绘制以表示导电路径之一，其包括通孔60和160以及对应的接合焊盘，以及重分布结构34和134中的重分布线。
光子封装件70'还包括光学贯通孔72，其包括硅波导22、122和氮化物波导56和156，以及可能的硅波导21、121和68。当相邻硅波导22之间的，以及当相邻的硅波导22、122和氮化物波导56之间的水平距离较小，当存在重叠时，并且当硅波导22、122和氮化物波导56之间的垂直距离D1和D2较小时，光可以在相邻的硅波导22、122和氮化物波导56之间进行光耦合。因此，底部氮化物波导56中的光可以通过箭头73标记的光路耦合到重叠的硅波导22、122(以及可能的硅波导21、121和68)以及氮化物波导56和156。虽然图18示出硅波导21和121在光路73的外部，但是硅波导21和/或121也可以形成在相应的氮化物波导56A和/或156A的位置以形成光路73的部分。光贯通孔72还可以包括硅部件68当它们形成在光路73中时。
光也可以由光栅耦合器26发射到微透镜54和覆盖的光纤(未示出)，并且相应的光显示为光束75。因此，硅波导22、122、氮化物波导56和156以及可能的光路73中的硅部件21、121和/或68统称为光学贯通孔72，其可以延伸到两个或更多个光子管芯64'/164'中。
为了有效地相互耦合光，光贯通孔72中的相邻硅波导22、122和氮化物波导56具有小距离以实现有效的光耦合和低光损失。例如，硅波导22/122与其相邻氮化物波导56之间的垂直距离D1可以小于约2,000埃，并且相邻氮化物波导56之间的垂直距离D2可以小于约2μm。此外，为了有效的光传输，包括介电层58和158以及氧化物层20B和120B、142等在内的光路中的所有材料可以是透光的，并且可以具有小于氮化硅的光折射率。例如，这些介电层中的一些或全部可以由氧化硅形成或包括氧化硅。
图19至图24示出了根据本公开的一些实施例的光子封装件的形成和光子组件的集成中的中间阶段的截面图。除非另有说明，否则这些实施例中的组件的材料和形成工艺与前面图1-图5、图6A、图6B和图7-图18所示实施例中的用相同的附图标记表示的相同组件基本相同。因此，关于图19-图24(以及图25-图31、图32-图43、图44和图45中的实施例)中所示的部件的形成过程和材料的细节可以在前述实施例的讨论中找到。这些实施例的初始步骤与图1-图5、图6A、图6B和图7-图17所示的基本相同，得到的结构如图19所示。
图20示出了支撑衬底74的接合。根据一些实施例，可以包括氧化硅、氧氮化硅、碳氮化硅等的含硅介电层76用于将支撑衬底74接合到支撑衬底50。根据替代实施例，不采用支撑衬底50和介电层52，并且支撑衬底74和介电层76直接接合到电子管芯44和间隙填充材料48。接合可以可以通过电介质-电介质接合进行，其中形成Si-O-Si键。可以在支撑衬底74中形成微透镜54。根据一些实施例，支撑衬底74是或包括硅衬底、玻璃衬底等。
参考图21，光子组件78附接到支撑衬底74(例如，附接到介电层76)。可以通过熔接、粘合剂接合、焊料接合等来实现粘合。根据一些实施例，光子组件78是光电二极管(例如激光二极管)，其可以由III-V半导体材料形成或包括III-V半导体材料。根据一些实施例，光子组件78被配置为接收电信号并发射光束(例如激光束)。光-发出区域80可以与氮化物波导156(表示为156REC)之一水平对齐，该氮化物波导156接收由光-发出区域80发射的光束，并沿着光路73向上传输光。根据一些实施例，光-发出区域80与光-接收氮化物波导156REC之间的横向距离D3较小，例如小于约300nm，并且可以在约200nm至约300nm之间的范围内。
图22和图23示出了接合线84的形成和光学胶82的填充(光学胶82对光子组件78发射的光是透明的)从而固定光子组件78。接合线84的形成顺序和光学胶82的填充顺序也可以颠倒。光子组件78可以通过接合线84电连接到接合焊盘162之一。图24示出了电连接件166的形成，从而形成光子晶圆70。在随后的工艺中，执行分割工艺以将互不相连的光子封装件70'彼此分开。
图25到图31示出了根据替代实施例的光子封装件的形成以及光子组件与光子封装件的集成。参考图25，形成重分布组件86。重分布组件86包括衬底88和衬底88上方的重分布结构87。衬底88可以是半导体衬底、介电衬底、玻璃载体等。重分布结构87进一步包括介电层90和介电层90中的重分布线92。重分布线92可以通过镶嵌工艺或通过电镀工艺形成。
参考图26，光子封装件70'被接合到重分布组件86。可以通过混合接合、金属对金属直接接合等接合。接下来，参考图27，光子组件78被接合到重分布元件86。可以通过金属对金属直接结合、焊料结合等接合。光子组件78的电极81电连接到并且可以物理接合到接合焊盘，接合焊盘是重分布线92的一部分。因此，光子组件78可以通过重分布线92和贯通孔60及160电连接到电子管芯44。根据一些实施例，光子组件78的侧壁接触光子封装件70'的侧壁。根据替代实施例，在光子封装件70'和光子组件78之间存在间隙(类似于图22)。
参考图28，密封剂94被分配和固化。根据一些实施例，密封剂94包括模塑料。根据替代实施例，密封剂94包括氧化硅、氮化硅等。在随后的工艺中，可以进行平面化工艺，例如CMP工艺或机械抛光工艺，得到的结构如图29所示。
图29进一步示出了支撑衬底74的附接，该支撑衬底74可以通过熔合接合到支撑衬底50，介电层76位于其间。微透镜54可以形成在支撑衬底74中。
在随后的工艺中，例如通过CMP工艺、机械研磨工艺、蚀刻工艺等去除衬底88。得到的结构如图30所示。图31说明了电连接件166的形成，从而形成了光子晶圆70。随后，执行分割工艺以将互不相连的光子封装件70'彼此锯开。
图32至图43示出了根据替代实施例的光子封装件的形成以及光子组件与光子封装件的集成。初始过程与图1至图5中所示的相同，并且所得结构也显示在图32中。接下来，参考图33，将电子管芯44接合到重分布结构34。此外，具有高热导率值(例如，高于约1瓦/m*K)的热块98附接到重分布结构34。热块98可以是硅块、金属块等。根据一些实施例，通过热界面材料(未示出)实现附接，该热界面材料将热块98粘附到金属焊盘40'。金属焊盘40'可以连接到接合焊盘40之一，该接合焊盘40将接合到电子管芯44。
图34至图38所示的后续工艺与图7至图17所示的工艺基本相同。因此这里不再详细讨论材料和工艺的细节。例如，如图34所示，形成并平坦化间隙填充材料48。图35示出了支撑衬底50的附接。图36示出了体衬底20A的去除，随后形成如图37所示的介电层58和氮化物波导56。图38示出了光子晶圆164的形成，其包括通孔60和焊盘62。
参考图39，执行各向异性蚀刻工艺以蚀刻透光子晶圆164、介电层56、介电层20B和互连结构34中的介电层36。因此形成开口102。根据一些实施例，开口102停止在互连结构34中的金属焊盘40'上。
图40示出了光子组件78到金属焊盘40'的附接，其中光子组件78中的电极81接合到金属焊盘40'并电连接到金属焊盘40'。接下来，如图41所示，执行平坦化工艺以去除光子组件78的延伸到开口102外部的部分。接下来，光学胶82被分配和固化，如图42所示。根据一些实施例，图41和42所示的过程可以颠倒过来。图43说明了电连接件166的形成，从而形成了光子晶圆70。在随后的工艺中，执行分割工艺以将互不相连的光子封装件70'彼此分开。还示出了从光子组件78中的光-发出区域80到氮化物波导156REC以及到波导22和光栅耦合器26的光路。
本申请的实施例可以采用正面照明方案，其中光可以从光子封装件70'的正面发出或接收。例如，图44示出了采用正面照明的光子封装件70'，其中正面是指光子管芯64和164的正面。在图44中，封装件组件96(其可以是中介层，封装件组件、封装件、印刷电路板等)被接合到光子封装件70'。
图45示出了采用背面照明方案的光子封装件70'。采用背照式，可以使用更多的芯片面积用于传感器照明(如果采用图像传感器)，并且可以增加图像传感器的密度。用于封装件相应光子封装件的工艺流程类似于在前面的实施例中所讨论的，除了那些，执行引线接合(通过接合线103)以将光子封装件70'电子连接到下面的封装件部件。在图44中，封装件组件96(其可以是中介层、封装件组件、封装件、印刷电路板等)附接到光子封装件70'。
在上述实施例中，根据本公开的一些实施例讨论了一些工艺和部件以形成三维(3D)封装件。也可以包括其他特征和过程。例如，可以包括测试结构以帮助对3D封装件或3DIC设备进行验证测试。测试结构可以包括例如形成在重分布层中或衬底上的允许测试3D封装件或3DIC的测试焊盘、探针和/或探针卡等的使用。验证测试可以在中间结构以及最终结构上执行。此外，本文公开的结构和方法可以与已知良好管芯的中间验证的测试方法结合使用，以提高产量并降低成本。
本公开的实施例具有一些有利特征。通过将光子管芯与电子管芯堆叠在一起，相应的光子封装件的尺寸会减少。可以采用包括氮化物波导和硅波导的光学通孔来提供光子管芯之间的光学通信，而不需要使用光纤。
根据本公开的一些实施例，一种方法包括形成第一光子管芯，包括形成第一硅波导；形成第一氮化物波导；形成延伸到第一光子管芯中的第一多个介电层中的第一通孔；将第二光子管芯接合到第一光子管芯，其中第二光子管芯包括第二氮化物波导，其中第一硅波导通过第一氮化物波导光耦合到第二氮化物波导；以及形成延伸到第二光子管芯中的第二多个介电层中的第二通孔。在一个实施例中，该方法还包括将电子管芯接合到第一光子管芯，其中第二通孔通过第一通孔电耦合到电子管芯。在一个实施例中，形成第一硅波导包括在基础衬底的氧化物层上蚀刻硅层，并且该方法还包括在氧化物层上方形成重分布结构，其中重分布结构包括第三多个介电层和第三多个介电层中的多条重分布线。在一个实施例中，蚀刻硅层进一步形成光栅耦合器。在一个实施例中，基础衬底还包括位于氧化物层下方的体硅衬底，并且该方法还包括在将第二光子管芯接合到第一光子管芯之前，去除体硅衬底。在一个实施例中，基础衬底还包括位于氧化层下方的体硅衬底，并且该方法还包括：在将第二光子管芯接合到第一光子管芯之前，减薄体硅衬底；蚀刻已减薄的体硅衬底以形成第二硅波导。在一个实施例中，第二硅波导将第二氮化物波导光耦合到第一硅波导。在一个实施例中，形成第一光子管芯还包括形成第三氮化物波导，其中第三氮化物波导光耦合在第二氮化物波导和第一氮化物波导之间。在一个实施例中，形成第一光子管芯还包括形成第四氮化物波导，其中第四氮化物波导将第二氮化物波导光耦合到第一硅波导。在一个实施例中，该方法还包括附接光子组件，其中该光子组件包括与第二氮化物波导对准的光-发出区域，并且其中第二氮化物波导被配置为接收从光-发出区域发射的光束。在一个实施例中，该方法还包括附接硅支撑衬底，其中第二光子管芯和硅支撑衬底位于第一光子管芯的相对侧上。
根据本公开的一些实施例，一种封装件包括第一光子管芯，该第一光子管芯包括第一硅波导；位于第一硅波导下方的第一多个介电层；在第一多个介电层之一中的第一氮化物波导；以及穿透第一多个介电层的第一通孔；第二光子管芯位于第一光子管芯下方并接合到第一光子管芯，其中第二光子管芯包括第二多个介电层；在第二多个介电层之一中的第二氮化物波导，其中第二氮化物波导通过第一氮化物波导光耦合到第一硅波导；以及穿过第二多个介电层的第二通孔；导电部件位于第二通孔下方，并通过第二通孔电连接至第一通孔。在一个实施例中，封装件还包括在第一光子管芯上方并接合到第一光子管芯的电子管芯，其中第二通孔通过第一通孔电连接到电子管芯。在一个实施例中，封装件还包括光子组件，其中光子组件包括与第二氮化物波导对准的光-发出区域，并且其中第二氮化物波导被配置为接收从光-发出区域发射的光束。在一个实施例中，第一光子管芯和第二光子管芯被配置为将光束光学地传输到第一硅波导。在一个实施例中，封装件还包括在第二多个介电层中的介电层中的第二硅波导。
根据本公开的一些实施例，一种封装件包括电子管芯；多个光子管芯堆叠以形成管芯堆叠，其中电子管芯接合到管芯堆叠中的顶部光子管芯，并且其中多个光子管芯中的每一个包括多个介电层；穿过多个介电层的导电路径；以及氮化物波导，其中所述多个光子管芯中的氮化物波导被光耦合，并且被配置为将所述多个光子管芯中的底部管芯中的光传输到所述多个光子管芯中的顶部管芯。在一个实施例中，多个光子管芯中的一个还包括硅波导。在一个实施例中，封装件还包括激光二极管，该激光二极管包括与多个光子管芯之一中的氮化物波导对准的光-发出区域。在一个实施例中，封装件还包括光电二极管，该光电二极管包括与多个光子管芯之一中的光-接收氮化物波导对准的光-发出区域，其中光电二极管和多个光子管芯之一被配置为使光-接收氮化物波导接收从光-发出区域发出的光束。
前面概述了若干实施例的特征，使得本领域人员可以更好地理解本公开的方面。本领域人员应该理解，它们可以容易地使用本公开作为基底来设计或修改用于实施与本文所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优势的其它工艺和结构。本领域技术人员也应该意识到，这种等同配置不背离本公开的精神和范围，并且在不背离本公开的精神和范围的情况下，本文中它们可以做出多种变化、替换以及改变。

Claims (10)

1.一种形成封装件的方法，包括：
形成第一光子管芯，包括：
形成第一硅波导；以及
形成第一氮化物波导；
形成延伸到所述第一光子管芯中的第一多个介电层内的第一通孔；
将第二光子管芯接合到所述第一光子管芯，其中所述第二光子管芯包括：
第二氮化物波导，其中所述第一硅波导通过所述第一氮化物波导光耦合到所述第二氮化物波导；以及
形成延伸到所述第二光子管芯中的第二多个介电层内的第二通孔。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括将电子管芯接合到所述第一光子管芯，其中所述第二通孔通过所述第一通孔电耦合到所述电子管芯。
3.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述第一硅波导包括在基础衬底的氧化物层上蚀刻硅层，并且所述方法还包括在所述氧化物层上方形成重分布结构，其中所述重分布结构包括第三多个介电层和所述第三多个介电层中的多个重分布线。
4.根据权利要求3所述的方法，其中蚀刻所述硅层进一步形成光栅耦合器。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述基础衬底还包括位于所述氧化物层下方的体硅衬底，并且所述方法还包括在将所述第二光子管芯接合到所述第一光子管芯之前，去除所述体硅衬底。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述基础衬底还包括位于所述氧化物层下方的体硅衬底，并且所述方法还包括，在将所述第二光子管芯接合到所述第一光子管芯之前：
减薄所述体硅衬底；和
蚀刻已减薄的所述体硅衬底以形成第二硅波导。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第二硅波导将所述第二氮化物波导光耦合到所述第一硅波导。
8.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述第一光子管芯还包括形成第三氮化物波导，其中所述第三氮化物波导光耦合在所述第二氮化物波导和所述第一氮化物波导之间。
9.一种封装件，包括：
第一光子管芯，包括：
第一硅波导；
第一多个介电层，位于所述第一硅波导下方；
第一氮化物波导，在所述第一多个介电层之一中；以及
第一通孔，穿透所述第一多个介电层；
第二光子管芯，位于所述第一光子管芯下方并接合到所述第一光子管芯，其中所述第二光子管芯包括：
第二多个介电层；
第二氮化物波导，位于所述第二多个介电层之一中，其中第二氮化物波导通过所述第一氮化物波导光耦合到所述第一硅波导；以及
第二通孔，穿过所述第二多个介电层；以及
导电部件，位于所述第二通孔下方，并通过所述第二通孔电连接到所述第一通孔。
10.一种封装件，包括：
电子管芯；以及
多个光子管芯堆叠以形成管芯堆叠件，其中所述电子管芯接合到所述管芯堆叠件中的顶部光子管芯，并且其中所述多个光子管芯中的每个包括：
多个介电层；
导电路径，穿过所述多个介电层；和
氮化物波导，其中所述多个光子管芯中的所述氮化物波导光耦合，并且配置为将所述多个光子管芯中的底部管芯中的光传输到所述多个光子管芯中的顶部管芯。
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