三维垂直互连硅基光电同传器件及其制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种三维垂直互连硅基光电同传器件及其制作方法，其中光电同传器件包括硅基板，硅基板上设置有铜层、水平波导层以及上包层；所述硅基板上设置有垂直硅通孔和垂直光通孔，铜层上布设有布线图案，水平波导层上设置有光电互连孔和倒三角形反射镜，上包层上设置有与光电互连孔连通的开口，光电互连孔和开口电镀有互连金属。制作方法包括光刻垂直光通孔、垂直硅通孔，制作介质层，制作垂直波导芯层和水平波导层，形成金属RDL层的互连等步骤。本发明能够在硅基板上完成水平光波导和垂直光波导的同时制造，在同一封装体内实现了光波导的水平光互连和垂直互连、垂直方向和水平方向的电互连以及光电之间相互传导的目的，制作工艺简单，成本低廉。
【专利说明】三维垂直互连硅基光电同传器件及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及集成电子【技术领域】，特别是一种三维光电同传器件及其制作方法。
【背景技术】
[0002]现有的集成电路多为二维集成电路，二位集成电路是指将集成电路的各种元器件一个挨一个的分布在一个平面上。随着集成度不断提高，每片上的器件单元数量急剧增加，芯片面积增大，单元间连线的增长既影响电路工作速度又占用很多面积，严重影响集成电路进一步提高集成度和工作速度。于是产生三维集成的新技术思路。三维集成电路多层器件重叠结构可成倍提高芯片集成度，重叠结构使单元连线缩短，并使并行信号处理成为可能，从而实现电路的高速操作，具有诸多优点；然而由于多层电路的设计，存在较复杂的电互连传导，必然会在带宽限制、电磁干扰、延迟、能耗方面出现难以克服的技术难题，使得信息输入输出的增长速度无法匹配信息的处理速度。光互连技术具有极大的带宽资源和可以轻易实现信息交叉及复用优势，可使单个传输通道实现海量数据的传输，并且不同信道光信号之间彼此独立，不会出现交叉和串扰现象，因此是替代电互连的理想技术。目前在光互连技术的应用，多是体现在基于硅基interposer的通过水平光波导实现光学信号的二维互连以及通过垂直光波导和TSV—体化制造的光电垂直互连的研究，而对于垂直光波导和水平光波导一体化制造和传输以及使用和interposer工艺兼容的光波导制造方法的研究还处于空白。
[0003]另外，即使采用光互连技术，由于线路板的表面需要焊接电子元器件，因此线路板在设计过程中也需要考虑光信号转换电信号以及电信号转换光信号的因素。目前对于光电互传技术在三维集成中应用仅仅是基于光interposer和电interposer分开集成的方式，无法实现三维集成中光电互传的真正融合。
【发明内容】
[0004]本发明解决的技术问题是提供一种三维集成中基于娃基interposer的光电互传器件及其制作方法，以在同一封装体内实现光波导的水平光互连和垂直互连、垂直方向和水平方向的电互连以及光电之间相互传导的目的。
[0005]为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
[0006]三维垂直互连硅基光电同传器件，包括硅基板，所述硅基板上依次设置有绝缘层、介质层、铜层、水平波导层以及上包层；所述硅基板上垂直设置有与铜层连通的垂直硅通孔和垂直光通孔，所述相邻垂直硅通孔之间的铜层上布设有与水平波导层连通的布线图案，所述垂直光通孔中的芯层与水平波导层连为一体，所述水平波导层上设置有与布线图案错位布置的光电互连孔以及对应垂直光通孔外侧壁的倒三角形反射镜，所述上包层上设置有与光电互连孔连通的开口 ；所述光电互连孔和开口电镀有互连金属。
[0007]三维垂直互连硅基光电同传器件的制作方法，主要包括以下步骤:首先在硅基板上通过光刻、蚀刻或溅射工艺制造垂直光通孔和垂直硅通孔；其次在硅基板上方蒸镀铜层；然后采用光敏性的PI材料通过甩胶和曝光工艺完成垂直光通孔芯层和水平波导层的制作；最后在水平波导层上方形成金属RDL层的互连。
[0008]三维垂直互连硅基光电同传器件制作方法具体包括以下步骤:
第一步，在娃基板正面刻蚀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，在硅基板和盲孔侧壁上沉积绝缘层；
第三步，涂敷干膜作为光刻胶，在对应垂直光通孔的盲孔上方的干膜处进行光刻形成通孔；
第四步，干膜光刻显影后，向裸露的垂直光通孔中填充外包层材料；
第五步，剥离干膜，同时去掉干膜上残留的外包层材料；
第六步，采用PVD技术沉积介质层；
第七步，向垂直硅通孔中电镀铜填充，并退火；
第八步，蒸镀一层底层金属，然后在底层金属上溅射铜形成铜层；
第九步，在相邻垂直硅通孔之间的硅基板上方掩膜、光刻、蚀刻正面铜层，形成布线图案；并蚀刻位于垂直光通孔上方的铜层；
第十步，刻蚀垂直光通孔中的外包层材料，形成一圈环形外包层，环形外包层的厚度在3 ?10 μ m ；
第十一步，向布线图案和垂直光通孔中填充波导材料，并在铜层上表面填充波导材料形成水平波导层；
第十二步，在水平波导层刻蚀形成水平波导、光电互连孔，并在对应垂直光通孔外侧壁上方的水平波导层上刻蚀倒三角形反射镜；
第十三步，向光电互连孔电镀铜；
第十四步，在水平波导层上方旋涂光敏PI材料制作上包层，并在上包层上光刻、显影、固化并开设开口；
第十五步，向上包层的开口中电镀铜形成UBM ；
第十六步，减薄硅基板背面；
第十七步，在硅基板背面重复第一步至第十五步，完成底层的波导或者在分布层的制作。
[0009]制作方法第六步的改进在于:所述介质层包括自绝缘层向上依次设置的扩散阻挡层、粘附层和种子层，扩散阻挡层、粘附层和种子层优选TiN/Ti/Cu组合，厚度取200nm/200nm/lOOOnm。
[0010]制作方法第十步的改进在于:第十步中所述刻蚀选用干法刻蚀或者激光刻蚀。
[0011]制作方法第十二步的改进:第十二步中所述倒三角形反射镜通过曝光、显影、坚膜得到需要的倒三角形波导形状，倒三角形反射镜的形状为倒立的等边三角形。
[0012]由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。
[0013]本发明能够在硅基interposer中完成水平光波导和垂直光波导的同时制造，在同一封装体内实现了光波导的水平光互连和垂直互连、垂直方向和水平方向的电互连以及光电之间相互传导的目的，制作工艺简单，成本低廉。
[0014]采用本发明制作的光电同传器件，具有以下优点:其一，减少了封装层次，大量在传统集成方式下只能以片间通信方式实现的逻辑互连能够变成片内互连，显著缩减管脚尺寸，提高集成度；其二，三维光电集成允许以立体方式对电路、光路模块进行空间布线，从而大幅度缩短片上连线长度，改善传输速度并减少功耗；其三，三维光电集成将最初由非CMOS实现的技术和基于CMOS技术集成在一起，允许不同工艺的芯片以自然的方式集成，形成准SOC系统。因此光电子三维集成，将有源、无源以及光子、电子芯片直接集成在光电混合系统内，同时可以实现电信号和光信号的垂直互连，可以使相互结合的3D电子集成电路和光子互连发挥各自优势，实现高密度、高性能、低功耗的片间集成系统和片上集成系统，为解决多个IO互连、管脚小型化、高速互连、新应用的需求提了供更加优越的系统集成解决方案。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明所述光电同传器件的结构示意图。
[0016]图2为本发明制作光电同传器件的工艺流程图。
[0017]其中:1.硅基板，2.绝缘层，3.介质层，4.铜层，5.水平波导层，6.上包层，7.垂直娃通孔,8.环形外包层,9.垂直光通孔，10.布线图案，11.光电互连孔，12.开口，13.反射镜，14.干膜。
【具体实施方式】
[0018]下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
[0019]—种三维垂直互连娃基光电同传器件,其结构如图1所不，包括娃基板1，所述娃基板I上依次设置有绝缘层2、介质层3、铜层4、水平波导层5以及上包层6 ;所述硅基板I上垂直设置有与铜层4连通的垂直硅通孔7和垂直光通孔9，所述相邻垂直硅通孔之间的铜层上布设有与水平波导层5连通的布线图案10，所述垂直光通孔中的芯层与水平波导层连为一体，所述水平波导层5上设置有与布线图案错位布置的光电互连孔11以及对应垂直光通孔9外侧壁的倒三角形反射镜13，所述上包层上设置有与光电互连孔11连通的开口 12 ；所述光电互连孔11和开口 12电镀有金属。
[0020]上述三维垂直互连硅基光电同传器件的制作方法，主要包括在硅基板上制作垂直硅通孔、垂直光通孔、蒸镀铜层、旋涂水平波导层、制作光电互连孔及反射镜、制作上包层的步骤。首先在硅基板上通过光刻、蚀刻或者溅射等工艺制造垂直光通孔和垂直硅通孔结构，垂直光通孔在制作垂直硅通孔之后，采用光敏性的PI材料通过甩胶和曝光工艺一步完成垂直波导芯层和水平波导层的制作成型；后续依次形成金属RDL层的互连。
[0021]由于娃基interposer存在双面的互连工艺,本发明仅针对单面工艺进行阐述,另一面的工艺有相同的结构和制备方法，不再赘述。单面工艺流程图如图2所示，具体包括以下步骤:
第一步，在娃基板I上通过光刻和蚀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]盲孔的孔径和硅基板的厚度相关。一般情况下，垂直硅通孔刻蚀的孔径深宽比为10:1或者5:1，垂直光通孔的直径和垂直硅通孔直径可以不同，取决于光通孔传输的光学模式设计。以150 μ m厚的娃基interposer、垂直娃通孔的孔径深宽比5:1为例,垂直娃通孔的孔径大小为30 μ m。
[0023]在本实施例中并排设置四个盲孔，其中左边三个为垂直硅通孔，最右侧为垂直光通孔。盲孔的蚀刻可以采用干法蚀刻，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，使用四乙基正矽酸盐(TEOS)或者热氧化沉积绝缘层2，硅基板上表面的绝缘层厚度为I μ m，盲孔孔壁的绝缘层厚度为几百个nm。绝缘层用于实现信号和硅基板沉底的隔离，保证良好的电学传输特性。当然，也可以使用热氧化形成孔壁和硅基板上表面的绝缘层。TEOS是一种低温工艺，优选TEOS工艺。
[0025]第三步，涂敷干膜14作为光刻胶，在对应垂直光通孔的盲孔上方的干膜处进行光刻形成通孔。干膜是一种光敏的PI材料，作为临时的掩膜。干膜的厚度可以分为四类:
0.8mil、l.2mil、l.5mil、2.0miI,干膜越薄,制作的线路越精细。
[0026]本实施例中，在娃基板的最右侧盲孔对应的干膜上光刻出与垂直光通孔对应的通孔。
[0027]第四步，干膜光刻(紫外曝光)显影后，向裸露的垂直光通孔中填充外包层材料，填充后进行烘烤使外包层材料固化成型，烘烤温度为50-80°。外包层材料优选PMMA材料，填充的方法可以是旋涂或者喷涂。
[0028]第五步，剥离干膜，同时去掉干膜上残留的外包层材料，然后将外包层材料所在的垂直光通孔磨平。
[0029]第六步，采用PVD技术沉积介质层3。介质层包括自绝缘层向上依次设置的扩散阻挡层、粘附层和种子层，扩散阻挡层、粘附层和种子层优选TiN/Ti/Cu组合，厚度取200nm/200nm/lOOOnm。
[0030]第七步，向垂直硅通孔中电镀铜填充，并退火。优化铜镀液成份配比，优化电流控制波形，实现高深宽比优异填充，控制overburden在3μηι以下。
[0031]使用化学机械抛光(CMP)或者刻蚀的方法去除表面多余金属层，即去除表面的铜和介质层。优选CMP工艺，因为铜刻蚀的成本比CMP高。
[0032]第八步，使用PVD技术蒸镀一层底层金属，比如TiW，厚度几百个nm ;然后在底层金属上溅射铜形成铜层4，铜层厚度为几个微米，也可以采用电镀铜。
[0033]第九步，在相邻垂直硅通孔之间的硅基板上方掩膜、光刻、蚀刻正面铜层4，形成布线图案10，使用减成法，保留布线，去除多余的金属；并蚀刻位于垂直光通孔上方的铜层。本步骤中优选湿法刻蚀。
[0034]第十步，刻蚀垂直光通孔中的外包层材料，形成一圈环形外包层8，环形外包层的厚度在3~10μπι。可以使用激光或者干法进行外包层的刻蚀，优选干法刻蚀，可使刻蚀的侧壁更加光滑，提高光波导性能，减小损耗。
[0035]第十一步，向布线图案10和垂直光通孔9中填充波导材料，并在铜层4上表面填充波导材料形成水平波导层5，水平波导层的厚度在几个微米到十几个微米。水平波导层5与布线图案10和垂直光通孔9中的波导材料连为一体，填充的方法可以是旋涂或者喷涂。波导材料优选BCB材料。
[0036]第十二步，在水平波导层5刻蚀形成水平波导、光电互连孔11，并在对应垂直光通孔9外侧壁上方的水平波导层5上刻蚀倒三角形反射镜13。采用光敏材料，通过曝光、显影、坚膜即可以得到需要的倒三角形反射镜13波导形状，倒三角形反射镜的形状优选倒立的等边三角形。
[0037]倒三角形波导形状还可使用激光切割形成，波导也可以通过压印的方式形成。
[0038]第十三步，向光电互连孔11电镀铜，实现电学的跨层连接，铜作为反射镜13的反射面提高反射率。采用光刻、蚀刻工艺制作第二层的RDL。
[0039]第十四步，在水平波导层5上方旋涂光敏PI材料制作上包层6，实现表面的钝化；并在上包层6上光刻、显影、固化并开设开口 12，最小开口为ΙΟμπι。光敏的PI材料种类很多，折射率比BCB低。
[0040]第十五步，向上包层6的开口 12中电镀铜形成UBM，UBM厚度在几个微米。
[0041]第十六步，减薄硅基板背面，以露出垂直硅通孔和垂直光通孔为宜。
[0042]第十七步，在硅基板背面重复第一步至第十五步，完成底层的波导或者在分布层的制作。
【权利要求】
1.三维垂直互连娃基光电同传器件,包括娃基板(I),其特征在于:所述娃基板(I)上依次设置有绝缘层(2)、介质层(3)、铜层(4)、水平波导层(5)以及上包层(6);所述硅基板(I)上垂直设置有与铜层(4)连通的垂直硅通孔(7)和垂直光通孔(9)，所述相邻垂直硅通孔之间的铜层上布设有与水平波导层(5)连通的布线图案(10)，所述垂直光通孔中的芯层与水平波导层连为一体，所述水平波导层(5)上设置有与布线图案错位布置的光电互连孔(II)以及对应垂直光通孔(9)外侧壁的倒三角形反射镜(13)，所述上包层上设置有与光电互连孔(11)连通的开口( 12);所述光电互连孔(11)和开口( 12)电镀有互连金属。
2.三维垂直互连硅基光电同传器件的制作方法，其特征在于主要包括以下步骤:首先在硅基板上通过光刻、蚀刻或溅射工艺制造垂直光通孔和垂直硅通孔；其次在硅基板上方蒸镀铜层；然后采用光敏性的PI材料通过甩胶和曝光工艺完成垂直光通孔芯层和水平波导层的制作；最后在水平波导层上方形成金属RDL层的互连。
3.根据权利要求2所述的三维垂直互连硅基光电同传器件的制作方法，其特征在于具体包括以下步骤: 第一步，在娃基板(I)正面刻蚀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)和盲孔侧壁上沉积绝缘层(2 ); 第三步，涂敷干膜(14)作为光刻胶，在对应垂直光通孔的盲孔上方的干膜处进行光刻形成通孔； 第四步，干膜光刻显影后，向裸露的垂直光通孔中填充外包层材料； 第五步，剥离干膜，同时去掉干膜上残留的外包层材料； 第六步，采用PVD技术沉积介质层(3)； 第七步，向垂直硅通孔中电镀铜填充，并退火； 第八步，蒸镀一层底层金属，然后在底层金属上溅射铜形成铜层(4); 第九步，在相邻垂直硅通孔之间的硅基板上方掩膜、光刻、蚀刻正面铜层(4)，形成布线图案(10);并蚀刻位于垂直光通孔上方的铜层； 第十步，刻蚀垂直光通孔中的外包层材料，形成一圈环形外包层(8)，环形外包层的厚度在3~10um ; 第十一步，向布线图案(10)和垂直光通孔(9)中填充波导材料，并在铜层(4)上表面填充波导材料形成水平波导层(5)； 第十二步，在水平波导层(5)刻蚀形成水平波导、光电互连孔(11)，并在对应垂直光通孔(9)外侧壁上方的水平波导层(5)上刻蚀倒三角形反射镜(13)； 第十三步，向光电互连孔(11)电镀铜； 第十四步，在水平波导层(5)上方旋涂光敏PI材料制作上包层(6)，并在上包层(6)上光刻、显影、固化并开设开口(12)； 第十五步，向上包层(6)的开口( 12)中电镀铜形成UBM ； 第十六步，减薄硅基板背面； 第十七步，在硅基板背面重复第一步至第十五步，完成底层的波导或者在分布层的制作。
4.根据权利要求3所述的三维垂直互连硅基光电同传器件的制作方法，其特征在于:第六步所述介质层包括自绝缘层向上依次设置的扩散阻挡层、粘附层和种子层，扩散阻挡层、粘附层和种子层优选TiN/Ti/Cu组合，厚度取200nm/200nm/1000nm。
5.根据权利要求3所述的三维垂直互连娃基光电同传器件的制作方法,其特征在于:第十步中所述刻蚀选用干法刻蚀或者激光刻蚀。
6.根据权利要求3所述的三维 垂直互连娃基光电同传器件的制作方法,其特征在于:第十二步中所述倒三角形反射镜(13)通过曝光、显影、坚膜得到需要的倒三角形波导形状，倒三角形反射镜的形状为倒立的等边三角形。
【文档编号】B81B7/00GK103754817SQ201410042670
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月28日 优先权日:2014年1月28日
【发明者】刘丰满, 戴风伟, 于大全, 曹立强 申请人:华进半导体封装先导技术研发中心有限公司