三維垂直互連硅基光電同傳器件及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三維垂直互連硅基光電同傳器件及其制作方法，其中光電同傳器件包括硅基板，硅基板上設(shè)置有銅層、水平波導(dǎo)層以及上包層；所述硅基板上設(shè)置有垂直硅通孔和垂直光通孔，銅層上布設(shè)有布線圖案，水平波導(dǎo)層上設(shè)置有光電互連孔和倒三角形反射鏡，上包層上設(shè)置有與光電互連孔連通的開口，光電互連孔和開口電鍍有互連金屬。制作方法包括光刻垂直光通孔、垂直硅通孔，制作介質(zhì)層，制作垂直波導(dǎo)芯層和水平波導(dǎo)層，形成金屬RDL層的互連等步驟。本發(fā)明能夠在硅基板上完成水平光波導(dǎo)和垂直光波導(dǎo)的同時(shí)制造，在同一封裝體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了光波導(dǎo)的水平光互連和垂直互連、垂直方向和水平方向的電互連以及光電之間相互傳導(dǎo)的目的，制作工藝簡單，成本低廉。
【專利說明】三維垂直互連硅基光電同傳器件及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及集成電子【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種三維光電同傳器件及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的集成電路多為二維集成電路，二位集成電路是指將集成電路的各種元器件一個(gè)挨一個(gè)的分布在一個(gè)平面上。隨著集成度不斷提高，每片上的器件單元數(shù)量急劇增加，芯片面積增大，單元間連線的增長既影響電路工作速度又占用很多面積，嚴(yán)重影響集成電路進(jìn)一步提高集成度和工作速度。于是產(chǎn)生三維集成的新技術(shù)思路。三維集成電路多層器件重疊結(jié)構(gòu)可成倍提高芯片集成度，重疊結(jié)構(gòu)使單元連線縮短，并使并行信號處理成為可能，從而實(shí)現(xiàn)電路的高速操作，具有諸多優(yōu)點(diǎn)；然而由于多層電路的設(shè)計(jì)，存在較復(fù)雜的電互連傳導(dǎo)，必然會在帶寬限制、電磁干擾、延遲、能耗方面出現(xiàn)難以克服的技術(shù)難題，使得信息輸入輸出的增長速度無法匹配信息的處理速度。光互連技術(shù)具有極大的帶寬資源和可以輕易實(shí)現(xiàn)信息交叉及復(fù)用優(yōu)勢，可使單個(gè)傳輸通道實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的傳輸，并且不同信道光信號之間彼此獨(dú)立，不會出現(xiàn)交叉和串?dāng)_現(xiàn)象，因此是替代電互連的理想技術(shù)。目前在光互連技術(shù)的應(yīng)用，多是體現(xiàn)在基于硅基interposer的通過水平光波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)光學(xué)信號的二維互連以及通過垂直光波導(dǎo)和TSV—體化制造的光電垂直互連的研究，而對于垂直光波導(dǎo)和水平光波導(dǎo)一體化制造和傳輸以及使用和interposer工藝兼容的光波導(dǎo)制造方法的研究還處于空白。
[0003]另外，即使采用光互連技術(shù)，由于線路板的表面需要焊接電子元器件，因此線路板在設(shè)計(jì)過程中也需要考慮光信號轉(zhuǎn)換電信號以及電信號轉(zhuǎn)換光信號的因素。目前對于光電互傳技術(shù)在三維集成中應(yīng)用僅僅是基于光interposer和電interposer分開集成的方式，無法實(shí)現(xiàn)三維集成中光電互傳的真正融合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供一種三維集成中基于娃基interposer的光電互傳器件及其制作方法，以在同一封裝體內(nèi)實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)的水平光互連和垂直互連、垂直方向和水平方向的電互連以及光電之間相互傳導(dǎo)的目的。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下。
[0006]三維垂直互連硅基光電同傳器件，包括硅基板，所述硅基板上依次設(shè)置有絕緣層、介質(zhì)層、銅層、水平波導(dǎo)層以及上包層；所述硅基板上垂直設(shè)置有與銅層連通的垂直硅通孔和垂直光通孔，所述相鄰垂直硅通孔之間的銅層上布設(shè)有與水平波導(dǎo)層連通的布線圖案，所述垂直光通孔中的芯層與水平波導(dǎo)層連為一體，所述水平波導(dǎo)層上設(shè)置有與布線圖案錯位布置的光電互連孔以及對應(yīng)垂直光通孔外側(cè)壁的倒三角形反射鏡，所述上包層上設(shè)置有與光電互連孔連通的開口 ；所述光電互連孔和開口電鍍有互連金屬。
[0007]三維垂直互連硅基光電同傳器件的制作方法，主要包括以下步驟:首先在硅基板上通過光刻、蝕刻或?yàn)R射工藝制造垂直光通孔和垂直硅通孔；其次在硅基板上方蒸鍍銅層；然后采用光敏性的PI材料通過甩膠和曝光工藝完成垂直光通孔芯層和水平波導(dǎo)層的制作；最后在水平波導(dǎo)層上方形成金屬RDL層的互連。
[0008]三維垂直互連硅基光電同傳器件制作方法具體包括以下步驟:
第一步，在娃基板正面刻蝕若干垂直于娃基板的盲孔，盲孔包括成品的垂直娃通孔和垂直光通孔；
第二步，在硅基板和盲孔側(cè)壁上沉積絕緣層；
第三步，涂敷干膜作為光刻膠，在對應(yīng)垂直光通孔的盲孔上方的干膜處進(jìn)行光刻形成通孔；
第四步，干膜光刻顯影后，向裸露的垂直光通孔中填充外包層材料；
第五步，剝離干膜，同時(shí)去掉干膜上殘留的外包層材料；
第六步，采用PVD技術(shù)沉積介質(zhì)層；
第七步，向垂直硅通孔中電鍍銅填充，并退火；
第八步，蒸鍍一層底層金屬，然后在底層金屬上濺射銅形成銅層；
第九步，在相鄰垂直硅通孔之間的硅基板上方掩膜、光刻、蝕刻正面銅層，形成布線圖案；并蝕刻位于垂直光通孔上方的銅層；
第十步，刻蝕垂直光通孔中的外包層材料，形成一圈環(huán)形外包層，環(huán)形外包層的厚度在3 ?10 μ m ；
第十一步，向布線圖案和垂直光通孔中填充波導(dǎo)材料，并在銅層上表面填充波導(dǎo)材料形成水平波導(dǎo)層；
第十二步，在水平波導(dǎo)層刻蝕形成水平波導(dǎo)、光電互連孔，并在對應(yīng)垂直光通孔外側(cè)壁上方的水平波導(dǎo)層上刻蝕倒三角形反射鏡；
第十三步，向光電互連孔電鍍銅；
第十四步，在水平波導(dǎo)層上方旋涂光敏PI材料制作上包層，并在上包層上光刻、顯影、固化并開設(shè)開口；
第十五步，向上包層的開口中電鍍銅形成UBM ；
第十六步，減薄硅基板背面；
第十七步，在硅基板背面重復(fù)第一步至第十五步，完成底層的波導(dǎo)或者在分布層的制作。
[0009]制作方法第六步的改進(jìn)在于:所述介質(zhì)層包括自絕緣層向上依次設(shè)置的擴(kuò)散阻擋層、粘附層和種子層，擴(kuò)散阻擋層、粘附層和種子層優(yōu)選TiN/Ti/Cu組合，厚度取200nm/200nm/lOOOnm。
[0010]制作方法第十步的改進(jìn)在于:第十步中所述刻蝕選用干法刻蝕或者激光刻蝕。
[0011]制作方法第十二步的改進(jìn):第十二步中所述倒三角形反射鏡通過曝光、顯影、堅(jiān)膜得到需要的倒三角形波導(dǎo)形狀，倒三角形反射鏡的形狀為倒立的等邊三角形。
[0012]由于采用了以上技術(shù)方案，本發(fā)明所取得技術(shù)進(jìn)步如下。
[0013]本發(fā)明能夠在硅基interposer中完成水平光波導(dǎo)和垂直光波導(dǎo)的同時(shí)制造，在同一封裝體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了光波導(dǎo)的水平光互連和垂直互連、垂直方向和水平方向的電互連以及光電之間相互傳導(dǎo)的目的，制作工藝簡單，成本低廉。
[0014]采用本發(fā)明制作的光電同傳器件，具有以下優(yōu)點(diǎn):其一，減少了封裝層次，大量在傳統(tǒng)集成方式下只能以片間通信方式實(shí)現(xiàn)的邏輯互連能夠變成片內(nèi)互連，顯著縮減管腳尺寸，提高集成度；其二，三維光電集成允許以立體方式對電路、光路模塊進(jìn)行空間布線，從而大幅度縮短片上連線長度，改善傳輸速度并減少功耗；其三，三維光電集成將最初由非CMOS實(shí)現(xiàn)的技術(shù)和基于CMOS技術(shù)集成在一起，允許不同工藝的芯片以自然的方式集成，形成準(zhǔn)SOC系統(tǒng)。因此光電子三維集成，將有源、無源以及光子、電子芯片直接集成在光電混合系統(tǒng)內(nèi)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)電信號和光信號的垂直互連，可以使相互結(jié)合的3D電子集成電路和光子互連發(fā)揮各自優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)高密度、高性能、低功耗的片間集成系統(tǒng)和片上集成系統(tǒng)，為解決多個(gè)IO互連、管腳小型化、高速互連、新應(yīng)用的需求提了供更加優(yōu)越的系統(tǒng)集成解決方案。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明所述光電同傳器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2為本發(fā)明制作光電同傳器件的工藝流程圖。
[0017]其中:1.硅基板，2.絕緣層，3.介質(zhì)層，4.銅層，5.水平波導(dǎo)層，6.上包層，7.垂直娃通孔,8.環(huán)形外包層,9.垂直光通孔，10.布線圖案，11.光電互連孔，12.開口，13.反射鏡，14.干膜。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0019]—種三維垂直互連娃基光電同傳器件,其結(jié)構(gòu)如圖1所不，包括娃基板1，所述娃基板I上依次設(shè)置有絕緣層2、介質(zhì)層3、銅層4、水平波導(dǎo)層5以及上包層6 ;所述硅基板I上垂直設(shè)置有與銅層4連通的垂直硅通孔7和垂直光通孔9，所述相鄰垂直硅通孔之間的銅層上布設(shè)有與水平波導(dǎo)層5連通的布線圖案10，所述垂直光通孔中的芯層與水平波導(dǎo)層連為一體，所述水平波導(dǎo)層5上設(shè)置有與布線圖案錯位布置的光電互連孔11以及對應(yīng)垂直光通孔9外側(cè)壁的倒三角形反射鏡13，所述上包層上設(shè)置有與光電互連孔11連通的開口 12 ；所述光電互連孔11和開口 12電鍍有金屬。
[0020]上述三維垂直互連硅基光電同傳器件的制作方法，主要包括在硅基板上制作垂直硅通孔、垂直光通孔、蒸鍍銅層、旋涂水平波導(dǎo)層、制作光電互連孔及反射鏡、制作上包層的步驟。首先在硅基板上通過光刻、蝕刻或者濺射等工藝制造垂直光通孔和垂直硅通孔結(jié)構(gòu)，垂直光通孔在制作垂直硅通孔之后，采用光敏性的PI材料通過甩膠和曝光工藝一步完成垂直波導(dǎo)芯層和水平波導(dǎo)層的制作成型；后續(xù)依次形成金屬RDL層的互連。
[0021]由于娃基interposer存在雙面的互連工藝,本發(fā)明僅針對單面工藝進(jìn)行闡述,另一面的工藝有相同的結(jié)構(gòu)和制備方法，不再贅述。單面工藝流程圖如圖2所示，具體包括以下步驟:
第一步，在娃基板I上通過光刻和蝕刻形成若干垂直于娃基板的盲孔，盲孔包括成品的垂直硅通孔7和垂直光通孔9。
[0022]盲孔的孔徑和硅基板的厚度相關(guān)。一般情況下，垂直硅通孔刻蝕的孔徑深寬比為10:1或者5:1，垂直光通孔的直徑和垂直硅通孔直徑可以不同，取決于光通孔傳輸?shù)墓鈱W(xué)模式設(shè)計(jì)。以150 μ m厚的娃基interposer、垂直娃通孔的孔徑深寬比5:1為例,垂直娃通孔的孔徑大小為30 μ m。
[0023]在本實(shí)施例中并排設(shè)置四個(gè)盲孔，其中左邊三個(gè)為垂直硅通孔，最右側(cè)為垂直光通孔。盲孔的蝕刻可以采用干法蝕刻，比如DRIE等。硅基板可以是低阻硅、高阻硅或者SOI材料。
[0024]第二步，使用四乙基正矽酸鹽(TEOS)或者熱氧化沉積絕緣層2，硅基板上表面的絕緣層厚度為I μ m，盲孔孔壁的絕緣層厚度為幾百個(gè)nm。絕緣層用于實(shí)現(xiàn)信號和硅基板沉底的隔離，保證良好的電學(xué)傳輸特性。當(dāng)然，也可以使用熱氧化形成孔壁和硅基板上表面的絕緣層。TEOS是一種低溫工藝，優(yōu)選TEOS工藝。
[0025]第三步，涂敷干膜14作為光刻膠，在對應(yīng)垂直光通孔的盲孔上方的干膜處進(jìn)行光刻形成通孔。干膜是一種光敏的PI材料，作為臨時(shí)的掩膜。干膜的厚度可以分為四類:
0.8mil、l.2mil、l.5mil、2.0miI,干膜越薄,制作的線路越精細(xì)。
[0026]本實(shí)施例中，在娃基板的最右側(cè)盲孔對應(yīng)的干膜上光刻出與垂直光通孔對應(yīng)的通孔。
[0027]第四步，干膜光刻(紫外曝光)顯影后，向裸露的垂直光通孔中填充外包層材料，填充后進(jìn)行烘烤使外包層材料固化成型，烘烤溫度為50-80°。外包層材料優(yōu)選PMMA材料，填充的方法可以是旋涂或者噴涂。
[0028]第五步，剝離干膜，同時(shí)去掉干膜上殘留的外包層材料，然后將外包層材料所在的垂直光通孔磨平。
[0029]第六步，采用PVD技術(shù)沉積介質(zhì)層3。介質(zhì)層包括自絕緣層向上依次設(shè)置的擴(kuò)散阻擋層、粘附層和種子層，擴(kuò)散阻擋層、粘附層和種子層優(yōu)選TiN/Ti/Cu組合，厚度取200nm/200nm/lOOOnm。
[0030]第七步，向垂直硅通孔中電鍍銅填充，并退火。優(yōu)化銅鍍液成份配比，優(yōu)化電流控制波形，實(shí)現(xiàn)高深寬比優(yōu)異填充，控制overburden在3μηι以下。
[0031]使用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)或者刻蝕的方法去除表面多余金屬層，即去除表面的銅和介質(zhì)層。優(yōu)選CMP工藝，因?yàn)殂~刻蝕的成本比CMP高。
[0032]第八步，使用PVD技術(shù)蒸鍍一層底層金屬，比如TiW，厚度幾百個(gè)nm ;然后在底層金屬上濺射銅形成銅層4，銅層厚度為幾個(gè)微米，也可以采用電鍍銅。
[0033]第九步，在相鄰垂直硅通孔之間的硅基板上方掩膜、光刻、蝕刻正面銅層4，形成布線圖案10，使用減成法，保留布線，去除多余的金屬；并蝕刻位于垂直光通孔上方的銅層。本步驟中優(yōu)選濕法刻蝕。
[0034]第十步，刻蝕垂直光通孔中的外包層材料，形成一圈環(huán)形外包層8，環(huán)形外包層的厚度在3~10μπι?？梢允褂眉す饣蛘吒煞ㄟM(jìn)行外包層的刻蝕，優(yōu)選干法刻蝕，可使刻蝕的側(cè)壁更加光滑，提高光波導(dǎo)性能，減小損耗。
[0035]第十一步，向布線圖案10和垂直光通孔9中填充波導(dǎo)材料，并在銅層4上表面填充波導(dǎo)材料形成水平波導(dǎo)層5，水平波導(dǎo)層的厚度在幾個(gè)微米到十幾個(gè)微米。水平波導(dǎo)層5與布線圖案10和垂直光通孔9中的波導(dǎo)材料連為一體，填充的方法可以是旋涂或者噴涂。波導(dǎo)材料優(yōu)選BCB材料。
[0036]第十二步，在水平波導(dǎo)層5刻蝕形成水平波導(dǎo)、光電互連孔11，并在對應(yīng)垂直光通孔9外側(cè)壁上方的水平波導(dǎo)層5上刻蝕倒三角形反射鏡13。采用光敏材料，通過曝光、顯影、堅(jiān)膜即可以得到需要的倒三角形反射鏡13波導(dǎo)形狀，倒三角形反射鏡的形狀優(yōu)選倒立的等邊三角形。
[0037]倒三角形波導(dǎo)形狀還可使用激光切割形成，波導(dǎo)也可以通過壓印的方式形成。
[0038]第十三步，向光電互連孔11電鍍銅，實(shí)現(xiàn)電學(xué)的跨層連接，銅作為反射鏡13的反射面提高反射率。采用光刻、蝕刻工藝制作第二層的RDL。
[0039]第十四步，在水平波導(dǎo)層5上方旋涂光敏PI材料制作上包層6，實(shí)現(xiàn)表面的鈍化；并在上包層6上光刻、顯影、固化并開設(shè)開口 12，最小開口為ΙΟμπι。光敏的PI材料種類很多，折射率比BCB低。
[0040]第十五步，向上包層6的開口 12中電鍍銅形成UBM，UBM厚度在幾個(gè)微米。
[0041]第十六步，減薄硅基板背面，以露出垂直硅通孔和垂直光通孔為宜。
[0042]第十七步，在硅基板背面重復(fù)第一步至第十五步，完成底層的波導(dǎo)或者在分布層的制作。
【權(quán)利要求】
1.三維垂直互連娃基光電同傳器件,包括娃基板(I),其特征在于:所述娃基板(I)上依次設(shè)置有絕緣層(2)、介質(zhì)層(3)、銅層(4)、水平波導(dǎo)層(5)以及上包層(6);所述硅基板(I)上垂直設(shè)置有與銅層(4)連通的垂直硅通孔(7)和垂直光通孔(9)，所述相鄰垂直硅通孔之間的銅層上布設(shè)有與水平波導(dǎo)層(5)連通的布線圖案(10)，所述垂直光通孔中的芯層與水平波導(dǎo)層連為一體，所述水平波導(dǎo)層(5)上設(shè)置有與布線圖案錯位布置的光電互連孔(II)以及對應(yīng)垂直光通孔(9)外側(cè)壁的倒三角形反射鏡(13)，所述上包層上設(shè)置有與光電互連孔(11)連通的開口( 12);所述光電互連孔(11)和開口( 12)電鍍有互連金屬。
2.三維垂直互連硅基光電同傳器件的制作方法，其特征在于主要包括以下步驟:首先在硅基板上通過光刻、蝕刻或?yàn)R射工藝制造垂直光通孔和垂直硅通孔；其次在硅基板上方蒸鍍銅層；然后采用光敏性的PI材料通過甩膠和曝光工藝完成垂直光通孔芯層和水平波導(dǎo)層的制作；最后在水平波導(dǎo)層上方形成金屬RDL層的互連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維垂直互連硅基光電同傳器件的制作方法，其特征在于具體包括以下步驟: 第一步，在娃基板(I)正面刻蝕若干垂直于娃基板的盲孔，盲孔包括成品的垂直娃通孔(7)和垂直光通孔(9)； 第二步，在硅基板(I)和盲孔側(cè)壁上沉積絕緣層(2 ); 第三步，涂敷干膜(14)作為光刻膠，在對應(yīng)垂直光通孔的盲孔上方的干膜處進(jìn)行光刻形成通孔； 第四步，干膜光刻顯影后，向裸露的垂直光通孔中填充外包層材料； 第五步，剝離干膜，同時(shí)去掉干膜上殘留的外包層材料； 第六步，采用PVD技術(shù)沉積介質(zhì)層(3)； 第七步，向垂直硅通孔中電鍍銅填充，并退火； 第八步，蒸鍍一層底層金屬，然后在底層金屬上濺射銅形成銅層(4); 第九步，在相鄰垂直硅通孔之間的硅基板上方掩膜、光刻、蝕刻正面銅層(4)，形成布線圖案(10);并蝕刻位于垂直光通孔上方的銅層； 第十步，刻蝕垂直光通孔中的外包層材料，形成一圈環(huán)形外包層(8)，環(huán)形外包層的厚度在3~10um ; 第十一步，向布線圖案(10)和垂直光通孔(9)中填充波導(dǎo)材料，并在銅層(4)上表面填充波導(dǎo)材料形成水平波導(dǎo)層(5)； 第十二步，在水平波導(dǎo)層(5)刻蝕形成水平波導(dǎo)、光電互連孔(11)，并在對應(yīng)垂直光通孔(9)外側(cè)壁上方的水平波導(dǎo)層(5)上刻蝕倒三角形反射鏡(13)； 第十三步，向光電互連孔(11)電鍍銅； 第十四步，在水平波導(dǎo)層(5)上方旋涂光敏PI材料制作上包層(6)，并在上包層(6)上光刻、顯影、固化并開設(shè)開口(12)； 第十五步，向上包層(6)的開口( 12)中電鍍銅形成UBM ； 第十六步，減薄硅基板背面； 第十七步，在硅基板背面重復(fù)第一步至第十五步，完成底層的波導(dǎo)或者在分布層的制作。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維垂直互連硅基光電同傳器件的制作方法，其特征在于:第六步所述介質(zhì)層包括自絕緣層向上依次設(shè)置的擴(kuò)散阻擋層、粘附層和種子層，擴(kuò)散阻擋層、粘附層和種子層優(yōu)選TiN/Ti/Cu組合，厚度取200nm/200nm/1000nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維垂直互連娃基光電同傳器件的制作方法,其特征在于:第十步中所述刻蝕選用干法刻蝕或者激光刻蝕。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維 垂直互連娃基光電同傳器件的制作方法,其特征在于:第十二步中所述倒三角形反射鏡(13)通過曝光、顯影、堅(jiān)膜得到需要的倒三角形波導(dǎo)形狀，倒三角形反射鏡的形狀為倒立的等邊三角形。
【文檔編號】B81B7/00GK103754817SQ201410042670
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月28日
【發(fā)明者】劉豐滿, 戴風(fēng)偉, 于大全, 曹立強(qiáng) 申請人:華進(jìn)半導(dǎo)體封裝先導(dǎo)技術(shù)研發(fā)中心有限公司