CN117254345B - 一种模块化的硅基异质光电集成架构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模块化的硅基异质光电集成架构，其由一个单元模块单独构成或者由至少两个单元模块通过晶圆级硅基光电异质集成，所述单元模块包括硅光模块、高频材料模块、激光材料模块、超低损耗材料模块或者集成电路模块中的任一种，同一集成架构中不同单元模块的种类互不相同，在不同的使用场景中，通过定制化增减形成不同种类的集成架构，其可以采用一个单元模块，两个单元模块直至五个单元模块的定制化组合，构建多达22种的模块组合集成架构，通过模块化的方案可以轻松实现多种功能材料间的选择及组合，增加应用系统功能种类，提高集成自由度，降低成本，本申请还提供了上述集成架构的集成方法。
Description
技术领域
本发明涉及硅基光电子异质集成技术领域，具体涉及一种模块化的硅基异质光电集成架构及方法。
背景技术
随着数据传输带宽需求的不断增加，铜互连已经逐渐逼近其物理极限，相比之下，光互连能够提供更高的带宽和更低的传输损耗，“光进铜退”趋势逐渐成为共识。硅是集成电路制造中的主流材料，同时也具备优秀的光电性能，因此以硅作为载体实现光电集成催生了硅基光电子（硅光）技术的衍生。
近年来，硅光技术凭借其成本低廉、性能稳定和工艺成熟等优势迅速发展，已逐步开始替代传统Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的光通信市场。基于SOI平台研发的硅光工艺本身具备一套相对完整的光学元器件系统，包括各类无源器件、电光调制器、光电探测器和波分复用器等。但受限于硅基材料的低发光效率和弱光电效应，激光器、调制器等有源器件的性能一直难以提升，人们从而开始研究如何将优良的光电材料与硅光平台异质集成在一起，既能利用硅光平台低成本低损耗高集成度等优势，又能利用异质材料的优良光电特性。例如，磷化铟（InP）等Ⅲ-Ⅴ族化合物作为传统的光电应用材料，具有电子迁移率高、耐辐射性能好、禁带宽度大等优点，是通信波段激光光源的传统制造材料；铌酸锂薄膜具有优良的电光、非线性光学、热电特性，熔点高，透光范围覆盖可见光至中红外光，兼有良好的力学性能和化学稳定性，铌酸锂薄膜调制器较硅基调制器相比能在低功耗和低损耗下实现超高速调制。
2023年公开的美国专利US11675126B1：Heterogenous integration of anelectro-optical platform（光电平台异构集成）提供了一种混合光子集成电路及其制造方法：在SOI晶圆上制作硅光功能器件后，将薄膜铌酸锂键合到硅光晶圆上，随后将硅光晶圆衬底去除，并且将至少一个III-V裸片键合到上面；该技术提到了CMOS电芯片的集成，但是没有提供合理的硅基光电集成的方案，没有提及光电芯片集成。
2016年公开的美国专利US9507089B2 Method of manufacturing a photonicintegrated circuit optically coupled to a laser of III-V material（制造与 III-V 材料激光器光学耦合的光子集成电路的方法）描述了一种制造集成电路的方法，该集成电路结构包括SOI硅光和III-V激光器，在去除包含硅光器件的晶圆衬底后，将硅光和III-V激光器两者键合集成，随后进行III-V激光器的制造，但是该专利中仅仅给出了SOI硅光和III-V激光器的异质集成，其并未涉及具体的集成方法。
综合而言，现有技术中各功能材料集成先后顺序依赖度较高，无法轻易实现功能材料的定制化增减选择，且目前尚未出现一种合理的集成方法。
发明内容
基于上述表述，本发明提供了一种模块化的硅基异质光电集成架构，以解决现有技术中各功能材料集成先后顺序依赖度较高，无法轻易实现功能材料的定制化增减选择的技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种模块化的硅基异质光电集成架构，其由一个单元模块单独构成或者由至少两个单元模块通过晶圆级硅基光电异质集成，所述单元模块包括硅光模块、高频材料模块、激光材料模块、超低损耗材料模块或者集成电路模块中的任一种，同一集成架构中不同单元模块的种类互不相同。
与现有技术相比，本申请的技术方案具有以下有益技术效果：
本申请提供的硅基异质光电集成架构，采用模块化的形式，将不同功能单元作为单独的单元模块，然后在不同的使用场景中，通过定制化增减形成不同种类的集成架构，其可以采用一个单元模块，两个单元模块直至五个单元模块的定制化组合，构建多达22种的模块组合集成架构，通过模块化的方案可以轻松实现多种功能材料间的选择及组合，提高集成自由度，降低成本。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步的，所述硅光模块为使用SOI晶圆制作的包含硅光器件的晶圆；高频材料模块为使用TFLN或者BTO制作的包含高频调制器件的晶圆；激光材料模块为使用III-V族化合物半导体材料制作的包含III-V激光器件及放大器件的晶圆；超低损耗材料模块为使用SiN或SiON介质材料的包含超低损耗光波导的晶圆；集成电路模块为使用Si、SiC或者GaN制作的包含集成电路器件的晶圆。
进一步的，所述硅光器件包括通过多次不同深度的Si刻蚀形成的光栅、波导和调制器以及通过局部开孔和锗外延生长形成的锗器件。
进一步的，所述集成架构包括硅光模块、高频材料模块、超低损耗材料模块和集成电路模块，所述高频材料模块包括通过PECVD或者LPCVD沉积SiN后刻蚀形成的SiN器件；超低损耗材料模块包括可与硅光模块的晶圆异质键合的薄膜铌酸锂；所述集成电路模块的晶圆与硅光模块的晶圆采用晶圆级混合键合连接。
进一步的，还包括激光材料模块，所述激光材料模块内具有用于耦合III-V激光器件的耦合区，III-V族半导体外延材料异质键合于第二硅晶圆，所述III-V族半导体外延材料包括依次层叠分布的上包层、有源层和下包层，所述III-V激光器件由所述III-V族半导体外延材料分步刻蚀形成，所述激光材料模块的晶圆和所述硅光模块的晶圆通过晶圆级键合形成所述集成架构。
本申请还提供了一种模块化的硅基异质光电集成方法，用于集成如上所述的集成架构，其包括如下步骤：
S1，在第一硅晶圆上集成超低损耗材料模块、高频材料模块和集成电路模块；
S2，在第二硅晶圆上制备III-V模块；
S3. 将第一硅晶圆和第二硅晶圆进行晶圆级键合。
进一步的，步骤S1包括：
S11，选取第一硅晶圆，在第一硅晶圆的顶层硅上制作无源光器件和锗器件；
S12，在第一硅晶圆上设置超低损耗材料模块，所述超低损耗材料模块包括通过沉积SiN后刻蚀形成于所述第一硅晶圆的SiN器件；
S13，在第一硅晶圆上异质键合TFLN，刻蚀TFLN形成TFLN器件；
S14，在所述锗器件和所述TFLN器件上设置多层金属和过孔，形成金属电极；
S15，将包含集成电路模块的第三硅晶圆和第一硅晶圆进行晶圆级混合键合，并去除第一硅晶圆的衬底。
进一步的，步骤S2包括：
S21，在第二硅晶圆上制作无源光子器件；
S22，在第二硅晶圆上设置III-V族半导体外延材料；
S23，在III-V族半导体外延材料上刻蚀形成III-V激光器件；
S24，在III-V激光器件上制作多层金属和过孔，形成金属电极。
进一步的，步骤S22包括：通过晶圆对晶圆或芯片对晶圆的方法将III-V族半导体外延材料异质键合于第二硅晶圆；其中，所述III-V族半导体外延材料包括上包层、有源层和下包层。
进一步的，还包括：
S3，减薄第一硅晶圆上的衬底；
S4，将包含集成电路模块的第三硅晶圆和第一硅晶圆的键合界面处的重布线层电极引出，形成TSV-1，
S5，将III-V激光器件的金属电极连出，形成TSV-2；
S6，在TSV-1和TSV-2上制备用于与PCB封装的微凸点。
附图说明
图1为本发明实施例中硅光模块的结构示意图；
图2为本发明实施例中高频材料模块的结构示意图；
图3为本发明实施例中激光材料模块的结构示意图；
图4为本发明实施例中超低损耗材料模块的结构示意图；
图5为本发明实施例中集成电路模块的结构示意图；
图6为本发明实施例中第一硅晶圆初始结构；
图7为图6刻蚀无源光子器件后的结构示意图；
图8为图7刻蚀SiN器件后的结构示意图；
图9为图8制备TFLN器件后的结构示意图；
图10为图9形成金属电极后的结构示意图；
图11为第三硅晶圆和第一硅晶圆进行晶圆级混合键合的状态示意图；
图12为图11中去除第一硅晶圆的衬底后的结构示意图；
图13为第二硅晶圆的初始结构示意图；
图14为图13刻蚀无源光子器件后的结构示意图；
图15为图14中III-V族半导体外延材料异质键合后的结构示意图；
图16为图15中III-V族半导体外延材料分步刻蚀形成III-V激光器件后的结构示意图；
图17为图16形成上包层和下包层的金属电极后的结构示意图；
图18为第二硅晶圆和第一硅晶圆对准进行晶圆级键合的状态示意图；
图19为图18实施步骤S4和步骤S5后的结构示意图；
图20为图19实施步骤S6后的结构示意图；
图21为图20形成微凸点后的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
可以理解，空间关系术语例如“在……下”、“在……下面”、“下面的”、“在……之下”、“在……之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向（譬如，旋转90°或其它取向），并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
如图1所示，本申请提供了一种模块化的硅基异质光电集成架构，由一个单元模块单独构成或者由至少两个单元模块通过晶圆级硅基光电异质集成。
根据硅光集成需求，单元模块包括硅光模块100、高频材料模块200、激光材料模块300、超低损耗材料模块400或者集成电路模块500中的任一种，在同一集成架构中不同单元模块的种类互不相同。
其中，硅光模块100指使用200至300nm左右顶硅厚度的SOI晶圆制作的包含硅光器件的晶圆；高频材料模块200一般指使用TFLN（薄膜铌酸锂）、BTO（碳酸锂）等材料制作的包含高频调制器件的晶圆；激光材料模块300一般指使用InP、GaAs等III-V族化合物半导体材料制作的包含激光器件及放大器件的晶圆；超低损耗材料模块400一般指使用SiN、SiON等介质材料制作的包含超低损耗光波导的晶圆；集成电路模块500一般指使用Si、SiC、GaN等材料制作的包含集成电路器件的晶圆。
如图1所示，硅光模块100包括第一硅晶圆10，第一硅晶圆10由硅衬底和二氧化硅掩埋化合物构成，硅掩埋化合物内具有作为光信息传输通道的无源光子器件和互连金属16，其中，无源光子器件包括通过多次不同深度的Si刻蚀形成的光栅11、波导12和调制器13以及通过局部开孔和锗外延生长形成的锗器件，具体的，锗器件包括锗（Ge）和锗探测器15。
如图2所示，为高频材料模块200的基础结构，本实施例中高频材料采用TFLN（薄膜铌酸锂）加以说明，其包括形成在对应硅晶圆上的由TFLN刻蚀形成的无源光子器件，具体包括铌酸锂光栅21、铌酸锂波导22和铌酸锂调制器23，在铌酸锂调制器23上连接有金属电极。
如图3所示，为激光材料模块300的基础结构示意图；III-V模块300包括由III-V族半导体外延材料刻蚀形成的III-V激光器件，III-V激光器件上连接有金属电极35；III-V族半导体外延材料包括上包层31、有源层32和下包层33，其中，III-V激光器件由III-V族半导体外延材料分步刻蚀形成。
如图4所示，为超低损耗材料模块400的基础结构示意图，其包括形成在对应硅晶圆上由SiN材料制成的SiN器件，具体可包括SiN光栅41、SiN波导42和SiN耦合器43，其中SiN材料可以为SiOxNy。
如图5所示，为集成电路模块500的基础结构示意图。
可以理解的是，在本申请中，每一个单独的单元模组均被制备成预定的具有特定功能器件的硅晶圆，在需要组合时，将不同的模块的硅晶圆按照晶圆级硅基光电异质集成即可。
本实施例提供的硅基异质光电集成架构，采用模块化的形式，将不同功能单元作为单独的单元模块，然后在不同的使用场景中，通过定制化增减形成不同种类的集成架构，其可以采用一个单元模块，两个单元模块直至五个单元模块的定制化组合，构建多达22种的模块组合集成架构，通过模块化的方案可以轻松实现多种功能材料间的选择及组合，提高集成自由度，降低成本。
根据不同单元模块组合并剔除掉不太实用的其他组合后，有以下22种模块组合，见下表1：可实施的硅基异质光电集成架构清单表。
表1：可实施的硅基异质光电集成架构清单表
，
为了对本申请中集成架构有更全面的理解，本申请实施例以最复杂的包含有五个单元模块的集成架构6加以说明。
其中，为了便于制作，硅光模块100、超低损耗模块400和高频材料模块200首先集成到一个硅晶圆上，即第一硅晶圆，具体的，超低损耗材料模块400包括通过PECVD或者LPCVD沉积SiN后刻蚀形成于第一硅晶圆的SiN器件，薄膜铌酸锂异质键合于第一硅晶圆上；高频材料模块200和锗器件上均形成有互连金属。
其中，集成电路模块500对应的第三硅晶圆与第一硅晶圆进行晶圆级混合键合。
然后激光材料模块300采用第二硅晶圆，第二硅晶圆内形成有III-V激光器件耦合区，III-V族半导体外延材料异质键合于第二硅晶圆，III-V族半导体外延材料包括一次层叠分布的上包层、有源层和下包层，III-V激光器件由III-V族半导体外延材料分步刻蚀形成，III-V模块300和SOI硅光模块通过晶圆级键合形成集成架构。
具体的，该集成架构的集成方式包括如下步骤：
S1，在第一硅晶圆上集成硅光模块、超低损耗材料模块、高频材料模块和集成电路模块；
其中，该步骤S1包括：
S11，选取第一硅晶圆，在第一硅晶圆的顶层硅上制作无源光器件和锗器件；
如图6所示，为第一硅晶圆10初始结构，其包括Si衬底101、掩埋氧化物BOX和顶硅层103，其中，BOX层厚度为2-4μm，顶硅层厚度一般约200~350nm。
采用多步Si刻蚀，通过多次不同深度的Si刻蚀形成波导12、光栅11等无源光子器件，如图7所示。
S12，在第一硅晶圆上设置超低损耗材料模块，所述超低损耗材料模块包括通过沉积SiN后刻蚀形成于所述第一硅晶圆的SiN器件；
通过PECVD或者LPCVDC沉积SiN后刻蚀形成SiN器件，如图8所示。
S13，在第一硅晶圆上异质键合薄膜铌酸锂，刻蚀薄膜铌酸锂形成高频材料模块；
通过局部开孔和锗外延生长形成锗Ge器件并制备钨（W）通孔。
金属通孔接触，通过SiO2通孔刻蚀，完成硅化物制备和金属钨沉积制成钨通孔，通过晶圆对晶圆或芯片对晶圆方法实现薄膜铌酸锂（TFLN）的异质键合，其中，TFLN在其他实施例中可以更换为其他压电材料，如PZT，通过刻蚀TFLN制备TFLN器件，如图9所示。
S14，在所述锗器件和所述TFLN模块上设置多层金属和过孔，形成金属电极；
具体的，通过大马士革工艺制作多层金属（按层数氛围metal 1、metal 2，……,top metal）和过孔（via 1，……，top via），后续用于3D封装的重布线层（RDL）制备于顶层金属（top metal），如图10所示。
S15，将包含CMOS模块的第三硅晶圆30和第一硅晶圆10进行晶圆级混合键合，如图11所示，去除第一硅晶圆10的衬底，如图12所示，这样就形成了集成硅光模块、超低损耗材料模块、高频材料模块和集成电路模块的架构，即表中的集成架构7。
S2，在第二硅晶圆上制备激光材料模块；
具体的，步骤S2包括：
S21，在第二硅晶圆20上制作无源光子器件；
如图13所示，为第二硅晶圆20的初始结构，与第二硅晶圆10在结构上相似，但是其BOX层厚度小于100nm，顶硅层厚度为400~700nm，该厚度比传统硅光晶圆顶硅厚，主要用于与III-V激光器件的倏逝波耦合。
如图14所示，通过多步刻蚀，通过多次不同深度的Si刻蚀形成硅波导、光栅等无源光子器件，其中在第二硅晶圆20上形成III-V激光器件耦合区24。
S22，在第二硅晶圆上设置III-V族半导体外延材料；
通过晶圆对晶圆或芯片对晶圆方法实现III-V族半导体外延材料的异质键合，III-V族半导体外延材料包括InP、GaAs等，其中，III-V族半导体外延材料包括上包层31、有源层32（即量子阱或者量子点）和下包层33，如图15所示。
S23，在III-V族半导体外延材料上刻蚀形成III-V激光器件；
通过对上包层、有源层（即量子阱或者量子点）和下包层分步刻蚀形成III-V激光器件34，如图16所示。
S24，在III-V激光器件上制作多层金属和过孔，形成金属电极。
通过沉积SiO2，开孔刻蚀厚填充金属（Au或者Ti等）形成上包层31和下包层33的金属电极35，如图17所示。
S3. 将第一硅晶圆和第二硅晶圆进行晶圆级键合。
将上述制备好的第二硅晶圆20通过绝缘键合胶键合至载体晶圆上，然后将第二硅晶圆20和第一硅晶圆10对准进行晶圆级键合，如图18所示。
至此就完成了表中集成架构6的集成。
为了便于封装，该集成方法在上述基础上还包括：
S4，减薄第一硅晶圆10上的衬底；
具体的，通过研磨和刻蚀减薄CMOS晶圆侧的衬底至10μm左右。
S5，将包含集成电路模块的第三硅晶圆和第一硅晶圆的键合界面处的重布线层电极引出，形成TSV-1（硅通孔，Through Silicon Via），
具体的，结合图19所示，通孔刻蚀穿透晶圆，以RDL作为停止层，填充金属Cu形成TSV-1，将光电RDL引出；
S6，将III-V激光器件的金属电极连出，形成TSV-2；
具体的，通孔刻蚀穿透晶圆，以Au作为停止层，填充金属Cu形成TSV-2，将III-V激光器件的电极引出；以Si作为停止层，填充金属Cu形成热分流器(thermal shunt)，如图20所示；
S7，在TSV-1和TSV-2上制备用于与PCB封装的微凸点50，如图21所示，即为制备完成后的整体架构。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种模块化的硅基异质光电集成方法，用于集成一种模块化的硅基异质光电集成架构，其包括如下步骤：
S1，在第一硅晶圆上集成超低损耗材料模块、高频材料模块和集成电路模块；
S2，在第二硅晶圆上制备激光材料模块；将第一硅晶圆和第二硅晶圆进行晶圆级键合;
S3，减薄第一硅晶圆上的衬底；
S4，将包含集成电路模块的第三硅晶圆和第一硅晶圆的键合界面处的重布线层电极引出，形成TSV-1，
S5，将III-V激光器件的金属电极连出，形成TSV-2；
S6，在TSV-1和TSV-2上制备用于与PCB封装的微凸点；
其中，步骤S1包括：
S11，选取第一硅晶圆，在第一硅晶圆的顶层硅上制作无源光器件和锗器件；
S12，在第一硅晶圆上设置超低损耗材料模块，所述超低损耗材料模块包括通过沉积SiN后刻蚀形成于所述第一硅晶圆的SiN器件；
S13，在第一硅晶圆上异质键合TFLN，刻蚀TFLN形成TFLN器件；
S14，在所述锗器件和所述TFLN器件上设置多层金属和过孔，形成金属电极；
S15，将包含集成电路模块的第三硅晶圆和第一硅晶圆进行晶圆级混合键合，并去除第一硅晶圆的衬底；
其中，步骤S2包括：
S21，在第二硅晶圆上制作无源光子器件；
S22，在第二硅晶圆上设置III-V族半导体外延材料；
S23，在III-V族半导体外延材料上刻蚀形成III-V激光器件；
S24，在III-V激光器件上制作多层金属和过孔，形成金属电极；
其中，步骤S22包括：通过晶圆对晶圆或芯片对晶圆的方法将III-V族半导体外延材料异质键合于第二硅晶圆；其中，所述III-V族半导体外延材料包括上包层、有源层和下包层。
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