CN117059631A - 基于晶圆到晶圆键合的异质光电融合集成芯片及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于晶圆到晶圆键合的异质光电融合集成芯片自下而上依次为：硅衬底层、二氧化硅层、硅薄膜层、锗薄膜层、第一氮化硅薄膜层、第二氮化硅薄膜层和掺杂铌酸锂薄膜层。通过将光电子器件与电子电路集成在同一衬底上，大幅减少了光电系统的尺寸，增加了系统的稳定性；基于掺杂铌酸锂材料，在充分发挥铌酸锂优异电光性能的同时，做片上光放大，从而使调制器达到无损甚至有增益，并有效提升系统带宽；二氧化硅隔离层，提升了晶圆间的键合力，大幅提升芯片的稳定性和产品良率。本发明发挥了氮化硅材料低损耗、低偏振敏感度、高工艺容忍度、硅材料高折射率和是直接带隙半导体的优势，实现了高性能的异质光电融合集成芯片。
Description
技术领域
本发明属于单片光电异质集成技术领域，特别是一种基于晶圆到晶圆键合的异质体系的光电融合集成芯片及方法。
技术背景
随着人们对大带宽、高处理速率的要求日益提升，由于光电系统兼顾光的高速传输优势和电的快速处理优势，故光电系统的发展将会为高速通信领域作出重大贡献。对光电系统的集成可以通过异质集成技术或混合集成技术实现。光电混合集成技术通过封装技术对光电子器件和电子器件进行整合。相比于混合集成，光电单片集成技术将光电子器件与电子与电子电路集成在同一衬底上，从而大幅降低系统体积、功耗、寄生参数和封装成本，最终实现高效率、高速率、大带宽、低损耗信号传输与处理，大大加速了光电集成技术的发展。近年来，随着半导体集成技术日趋成熟，国内外对晶圆键合工艺和基于晶圆键合的光电融合芯片的研究也愈发关注。使用晶圆到晶圆键合技术集成不同的光电子器件，发挥晶圆和异质集成本身的优势，能在缩小系统尺寸的同时，提升器件和系统的性能。未来关于光电融合集成芯片的研究将越来越趋向基于晶圆到晶圆键合的体系平台。
基于硅、氮化硅、锗、掺杂铌酸锂材料的光电集成技术是实现高性能、多功能光电集成系统的理想方法。将以掺杂铌酸锂、氮化硅、硅、锗为材料的光电子器件结合起来，实现的光电集成系统将具备小体积、高性能、低损耗的优势。掺杂铌酸锂材料不仅具有优异的电光性能，相较于三五族材料也有损耗低、价格便宜等优点，适合制备低驱动电压、大带宽的电光调制器；硅和氮化硅材料具有低成本、低损耗、CMOS工艺兼容性强等优点，适合制备高密度无源光子器件；硅锗作为间接带隙材料，做光电探测器有天然的优势，且成本便宜。利用单片集成技术将硅、氮化硅、锗、掺杂铌酸锂材料整合在同一衬底上，能降低光电集成系统的体积和损耗，同时提升整体性能的稳定性，在未来也有助于进行大规模集成，大大降低了系统的封装难度与成本。
发明内容
本发明提出一种基于晶圆到晶圆键合的异质光电融合集成芯片及方法。该方法通过单片集成的方式，将硅、氮化硅、锗、掺杂铌酸锂材料整合在同一硅衬底上，能大幅降低光电集成系统的体积、封装难度与成本，实现性能优异的单片光电集成系统。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于晶圆到晶圆键合的异质光电融合集成芯片自下而上依次为：硅衬底层、二氧化硅层、硅薄膜层、锗薄膜层、第一氮化硅薄膜层、第二氮化硅薄膜层和掺杂铌酸锂薄膜层。所述的二氧化硅层设置于硅衬底层与硅薄膜层、硅薄膜层与第一氮化硅薄膜层、第二氮化硅薄膜层与掺杂铌酸锂薄膜层之间作为隔离层；所述硅衬底层中可集成所述的电子电路包括放大电路、驱动电路、控制电路、模数转换电路、数模转换电路和数字处理电路等电路；所述硅薄膜层集成硅无源光子器件与电子电路；所述的掺杂铌酸锂薄膜层集成氮化硅-掺杂铌酸锂激光器；所述的锗薄膜层通过外延生长工艺附着在硅薄膜表面集成硅-锗光电探测器；所述第一氮化硅薄膜层集成氮化硅无源光子器件；所述的无源光子器件包括定向耦合器、多模干涉仪、波分复用器、马赫-曾德干涉仪、微环与延时线等器件；所述第二氮化硅薄膜层和掺杂铌酸锂薄膜层集成氮化硅-掺杂铌酸锂电光调制器；所述掺杂铌酸锂薄膜层为掺铒、掺镱等掺杂铌酸锂薄膜。
所述氮化硅-掺杂铌酸锂电光调制器和氮化硅无源光子器件通过氮化硅-氮化硅层间耦合器互连；所述硅无源光子器件通过硅波导与硅-锗光电探测器相连；所述氮化硅无源光子器件通过氮化硅波导进行互连；所述氮化硅-掺杂铌酸锂激光器通过硅-氮化硅层间耦合器与硅无源光子器件相连；所述氮化硅-掺杂铌酸锂电光调制器通过金属线与CMOS电子电路相连；所述硅-锗光电探测器通过金属线与CMOS电子电路相连；所述二氧化硅层设置于硅衬底层与硅薄膜层、硅薄膜层与氮化硅薄膜层、氮化硅薄膜层与掺杂铌酸锂薄膜层之间作为隔离层；所述硅衬底层中的电子电路可由金属线内部互连，实现电互连。
上述的基于晶圆到晶圆键合的异质光电融合集成方法，将激光器、硅无源光子器件、氮化硅无源光子器件、氮化硅-掺杂铌酸锂电光调制器、层间耦合器、硅-锗光电探测器、CMOS电子电路和金属电极集成在芯片上，并实现了器件间的光互连与电互连。
一种基于晶圆到晶圆键合的异质光电融合集成芯片的集成方法包括：晶圆键合、波导刻蚀、薄膜沉积、外延生长、金属沉积、离子掺杂、金属通孔等工艺。
采用所述波导刻蚀、离子掺杂工艺，在硅衬底层集成CMOS电子电路如驱动电路、放大电路等；采用所述的波导刻蚀技术，在硅晶圆层上集成硅基光子无源器件；采用所述的外延生长、薄膜沉积、离子掺杂技术，将掺杂锗薄膜与掺杂硅薄膜形成硅-锗光电探测器；采用所述离子掺杂工艺制备掺铒铌酸锂晶圆，制备氮化硅-掺杂铌酸锂激光器；采用所述的薄膜沉积技术，包括低压化学气相沉积法(LPCVD)，等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)等，在所述的硅晶圆上获得氮化硅薄膜，通过波导刻蚀技术，集成氮化硅光子无源器件；采用所述的金属沉积技术，波导刻蚀技术，在芯片内外部形成金属电极；采用所述金属通孔工艺技术，实现芯片正面或背部的金属电极通孔；采用所述的离子掺杂技术、波导刻蚀和晶圆键合工艺制备氮化硅-掺杂铌酸锂电光调制器。通过上述工艺步骤及制备方法即可得到一种基于晶圆到晶圆键合的异质光电融合集成芯片。
本发明的技术效果如下：
本发明提出的一种基于晶圆到晶圆键合的异质光电融合集成芯片及集成方法，通过将氮化硅-掺杂铌酸锂激光器、氮化硅-掺杂铌酸锂电光调制器、无源光子器件、硅-锗光电探测器、电子放大电路、模数转换电路、驱动电路、数模转换电路和数字处理电路集成在同一硅衬底上，实现了单片异质光电集成芯片。
具体优势如下：
1、本发明基于掺杂铌酸锂材料制备调制器，在充分发挥掺杂铌酸锂优异电光性能的同时，做片上光放大，使调制器达到无损甚至有增益，有效提升系统带宽。
2、本发明采用掺杂铌酸锂材料作为增益介质代替三五族材料制备激光器，更可以避免硅晶圆和三五族晶圆键合时的尺寸失配、工艺复杂等将三五族晶圆键合到硅晶圆上带来的一系列问题。
3、本发明在硅晶圆层、第一氮化硅薄膜层、第二氮化硅薄膜层和掺杂铌酸锂薄膜层间均设置二氧化硅隔离层，提升了晶圆间的键合力，大幅提升芯片的稳定性和产品良率。
4、本发明采用单片集成技术，使得光、电互连长度缩短，能大幅降低系统体积、功耗、寄生参数和封装成本。
5、本发明中的背面金属电极(Back Metal)沉积方法无须刻蚀掺杂铌酸锂层，可以避免铌酸锂刻蚀带来的芯片污染。
6、本发明中晶圆键合方法相较于晶片键合方法而言，集成面积更大，过程也更方便简单。
7、本发明中晶圆键合为后端工艺，工艺适配性强，即使用高温工艺时不会引起热失配。不仅支持等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)等低温工艺，也支持化学气相沉积法(LPCVD)等CMOS高温工艺。
8、本发明中采用传统体硅工艺，其成本较低，且能更好与现有硅光技术兼容。
除此之外，本发明也发挥了氮化硅材料低损耗、低偏振敏感度、高工艺容忍度、硅材料高折射率的优势，进一步提升了光电融合集成系统的性能。
附图说明
图1为本发明晶圆到晶圆键合结构的晶圆截面图；
图2为本发明基于晶圆到晶圆键合的异质光电融合集成芯片实施例1的截面图；
图3为本发明基于晶圆到晶圆键合的异质光电融合集成芯片实施例2的截面图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，给出了详细的实施方式和结构，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示本发明一种晶圆到晶圆键合结构的晶圆截面图，自下而上包括硅衬底1、二氧化硅层2、硅薄膜层3、锗薄膜层4、第一氮化硅薄膜层5、第二氮化硅薄膜层6、掺杂铌酸锂薄膜层7。所述的二氧化硅层设置于硅衬底层与硅薄膜层、硅薄膜层与第一氮化硅薄膜层、第二氮化硅薄膜层与掺杂铌酸锂薄膜层之间作为隔离层；所述掺杂铌酸锂薄膜包括掺铒、掺镱等掺杂铌酸锂薄膜；所述掺杂铌酸锂薄膜层和第二氮化硅薄膜层集成氮化硅-掺杂铌酸锂电光调制器；所述第一氮化硅薄膜层集成氮化硅无源光子器件；所述的氮化硅无源光子器件包括定向耦合器、多模干涉仪、波分复用器、马赫-曾德干涉仪、微环与延时线等器件；所述的硅无源光子器件定向耦合器、多模干涉仪、波分复用器、马赫-曾德干涉仪、微环等器件；所述硅薄膜层集成硅无源光子器件与电子电路；所述硅薄膜层-锗薄膜层集成硅-锗探测器；所述的锗薄膜层通过外延生长工艺附着在硅薄膜表面集成光电探测器；所述的氮化硅无源光子器件包括定向耦合器、多模干涉仪、波分复用器、马赫-曾德干涉仪、微环与延时线等器件；所述的硅无源光子器件定向耦合器、多模干涉仪、波分复用器、马赫-曾德干涉仪、微环等器件；所述硅衬底层中可集成所述的电子电路包括放大电路、驱动电路、控制电路、模数转换电路、数模转换电路和数字处理电路等电路。
如图2所示为本发明实施例1光电单片集成系统的截面图，包括氮化硅-掺杂铌酸锂激光器8、硅无源光子器件9、氮化硅无源光子器件10、氮化硅-掺杂铌酸锂电光调制器11、硅-氮化硅层间耦合器12、硅-锗光电探测器13、CMOS电子电路14、金属电极15、氮化硅-氮化硅层间耦合器16，所述实施例可通过端面耦合出光；氮化硅-掺杂铌酸锂激光器8通过硅.氮化硅层间耦合器12与硅无源光子器件9相连；所述的硅无源光子器件9通过硅波导进行互连；所述的硅无源光子器件9包括定向耦合器、多模干涉仪、波分复用器、马赫-曾德干涉仪、微环等器件；所述的氮化硅无源光子器件10通过氮化硅波导进行互连；所述的氮化硅无源光子器件10包括定向耦合器、多模干涉仪、波分复用器、马赫-曾德干涉仪、微环与延时线等器件；所述氮化硅无源光子器件10和氮化硅-掺杂铌酸锂电光调制器11通过氮化硅-氮化硅层间耦合器16互连；所述的硅无源光子器件9通过硅波导与硅-锗光电探测器13相连，实现光互连；所述的氮化硅-掺杂铌酸锂电光调制器11通过金属线与CMOS电子电路14相连；所述的硅-锗光电探测器13通过金属线与CMOS电子电路14相连；所述的CMOS电子电路14包括放大电路、驱动电路、控制电路、模数转换电路、数模转换电路和数字处理电路等电路，可由金属线内部互连，实现电互连；所述金属电极15制备采用背金工艺，即在晶圆背面淀积金属形成金属电极。
如图3所示为本发明实施例2光电单片集成系统的截面图。包括氮化硅-掺杂铌酸锂激光器17、硅无源光子器件18、硅-氮化硅层间耦合器19、氮化硅无源光子器件20、氮化硅-掺杂铌酸锂电光调制器21、硅-锗光电探测器22、CMOS电子电路23、金属电极24、氮化硅-氮化硅层间耦合器25，所述实施例可通过端面耦合出光；所述实施例中氮化硅-掺杂铌酸锂激光器17通过硅-氮化硅层间耦合器19与硅无源光子器件18相连；所述的硅无源光子器件18通过硅波导进行互连；所述的硅无源光子器件18包括定向耦合器、多模干涉仪、波分复用器、马赫-曾德干涉仪、微环等器件；所述的氮化硅无源光子器件20通过氮化硅波导进行互连；所述的氮化硅无源光子器件20包括定向耦合器、多模干涉仪、波分复用器、马赫-曾德干涉仪、微环与延时线等器件；所述氮化硅无源光子器件20和氮化硅-掺杂铌酸锂电光调制器21通过氮化硅-氮化硅层间耦合器25互连；所述的硅无源光子器件18通过硅波导与硅-锗光电探测器22相连，实现光互连；所述的氮化硅-掺杂铌酸锂电光调制器21通过金属线与CMOS电子电路23相连；所述的硅-锗光电探测器22通过金属线与CMOS电子电路23相连；所述的CMOS电子电路23包括放大电路、驱动电路、控制电路、模数转换电路、数模转换电路和数字处理电路等电路，可由金属线内部互连，实现电互连；所述的金属电极24采用正面金属溅射沉积工艺，通过刻蚀掺杂铌酸锂薄膜层，在上方沉积金属电极。
Claims (9)
1.一种基于晶圆到晶圆键合的异质光电融合集成芯片，其特征在于：自下而上包括硅衬底层(1)、硅薄膜层(3)、锗薄膜层(4)、第一氮化硅薄膜层(5)、第二氮化硅薄膜层(6)和掺杂铌酸锂薄膜层(7)；在所述的硅衬底层(1)和硅薄膜层(3)之间、所述的硅薄膜层(3)和锗薄膜层(4)之间、所述的硅薄膜层(3)和第一氮化硅薄膜层(5)之间、所述的第一氮化硅薄膜层(5)和第二氮化硅薄膜层(6)之间、所述的第二氮化硅薄膜(6)和掺杂铌酸锂薄膜层(7)之间均设有氧化硅层(2)作为隔离层；
所述的掺杂铌酸锂薄膜层(7)集成氮化硅-掺杂铌酸锂激光器；
所述的掺杂铌酸锂薄膜层(7)和第二氮化硅薄膜层(6)集成氮化硅-掺杂铌酸锂电光调制器；
所述的第一氮化硅薄膜层(5)集成氮化硅无源光子器件，所述的氮化硅无源光子器件通过氮化硅波导互连；
所述的第二氮化硅薄膜层(6)沉积于所述的第一氮化硅薄膜层(5)集成氮化硅-氮化硅层间耦合器；
所述的第一氮化硅薄膜层(5)沉积于所述的硅薄膜层(3)集成硅-氮化硅层间耦合器；
所述的锗薄膜层(4)附着于所述的硅薄膜层(3)集成硅-锗光电探测器；
所述的硅薄膜层(3)集成硅无源光子器件与电子电路，所述的硅无源光子器件通过硅波导互连；
所述的硅衬底层(1)集成CMOS电子电路；
所述的氮化硅-掺杂铌酸锂激光器通过硅-氮化硅层间耦合器与硅无源光子器件相连，所述的氮化硅-掺杂铌酸锂电光调制器通过氮化硅-氮化硅层间耦合器与氮化硅无源光子器件互连，所述的氮化硅-掺杂铌酸锂电光调制器通过金属线与CMOS电子电路相连，所述的硅-锗光电探测器通过硅波导与硅无源光子器件相连，实现光互连，所述的硅-锗光电探测器通过金属线与CMOS电子电路相连，实现光电融合。
2.根据权利要求1所述的基于晶圆到晶圆键合的异质光电融合集成芯片，其特征在于，所述的氮化硅无源光子器件，包括定向耦合器、多模干涉仪、波分复用器、马赫-曾德干涉仪、微环和延时线。
3.根据权利要求1所述的基于晶圆到晶圆键合的异质光电融合集成芯片，其特征在于，所述的硅无源光子器件，包括定向耦合器、多模干涉仪、波分复用器、马赫-曾德干涉仪和微环。
4.根据权利要求1所述的基于晶圆到晶圆键合的异质光电融合集成芯片，其特征在于，所述的CMOS电子电路，包括放大电路、驱动电路、控制电路、模数转换电路、数模转换电路和数字处理电路，通过金属线内部互连，实现电互连。
5.根据权利要求1-4任一所述的基于晶圆到晶圆键合的异质光电融合集成芯片，其特征在于，所述的掺杂铌酸锂薄膜层(7)上通过在铌酸锂薄膜中掺杂铒离子或镱离子制备而成。
6.根据权利要求1-4任一所述的基于晶圆到晶圆键合的异质光电融合集成芯片，其特征在于，采用背金工艺或者采用正面金属溅射沉积工艺形成金属电极。
7.根据权利要求6所述的基于晶圆到晶圆键合的异质光电融合集成芯片，其特征在于，所述的背金工艺是指在在所述的硅衬底层(1)的背面通过淀积金属形成金属电极。
8.根据权利要求6所述的基于晶圆到晶圆键合的异质光电融合集成芯片，其特征在于，所述的正面金属溅射沉积工艺是指通过刻蚀掺杂铌酸锂薄膜层，并在其上方沉积金属形成金属电极。
9.一种基于晶圆到晶圆键合的异质光电融合集成方法，其特征在于，所述方法包括：
采用波导刻蚀和离子掺杂工艺在硅衬底层集成CMOS微电子集成电路；
采用波导刻蚀技术在硅晶圆层上集成硅基光子无源器件；
采用外延生长、薄膜沉积、离子掺杂技术，将掺杂锗薄膜与掺杂硅薄膜形成硅-锗光电探测器；
采用离子掺杂工艺制备掺铒铌酸锂晶圆，制备氮化硅-掺杂铌酸锂激光器；
采用薄膜沉积技术，在所述的硅晶圆上获得氮化硅薄膜，通过波导刻蚀技术，集成氮化硅光子无源器件；
采用金属沉积技术、波导刻蚀技术，在芯片内外部形成金属电极，采用金属通孔工艺技术，实现芯片正面或背部的金属电极通孔；
采用离子掺杂技术、波导刻蚀和晶圆键合工艺制备氮化硅-掺杂铌酸锂电光调制器。
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