电子/光子集成电路架构及其制造方法与流程

本申请案一般来说涉及一种集成电路(IC)且，更具体来说，涉及电子/光子IC架构及其制造方法。

背景技术：
此章节介绍可有助于促进对本发明的较好理解的方面。因此，应照此来阅读此章节的陈述，且不应将此章节的陈述理解为承认含于现有技术中的内容或未含于现有技术中的内容。光学组件及电子装置有时集成在单个装置中。此类集成装置通常限于例如波导及电-光调制器等光学组件，且经配置以光学地耦合到与所述装置分离定位的激光。

技术实现要素：
一个方面提供一种装置，其包含无源光子层，所述无源光子层位于衬底上方且包含至少一个无源光子元件，所述至少一个无源光子元件经配置以在其中传播光学信号。位于所述衬底与所述无源光子层之间的电子层包含至少一个电子装置，所述至少一个电子装置经配置以在其中传播电信号。位于所述无源光子层上方的有源光子层包含有源光子装置，所述有源光子装置光学地耦合到所述无源光子元件且经配置以在所述电信号与所述光学信号之间转换。另一方面提供一种方法，所述方法包含在装置衬底上方形成无源光子层。所述无源光子层包含至少一个无源光子元件，所述至少一个无源光子元件经配置以在其中传播光学信号。形成位于所述装置衬底与所述无源光子层之间的电子层，其中所述电子层包含至少一个电子装置，所述至少一个电子装置经配置以在其中传播电信号。形成位于所述无源光子层上方的有源光子层。所述有源光子层包含有源光子装置，所述有源光子装置光学地耦合到所述无源光子元件且经配置以在所述电信号与所述光学信号之间转换。附图说明现在参考结合随附图式进行的以下描述，其中：图1示意性地说明根据一个实施例的集成光子-电子装置100的剖面图，所述集成光子-电子装置100包含有源光子装置160、无源光学元件150、光学过渡元件180、电子装置层120及光子装置层130；图2A到2I说明根据一个实施例的形成装置100中的步骤；图3说明根据一个实施例的在处置晶片上的包含有源光子装置层的子组合件的形成，所述有源光子装置层稍后接合到部分形成的光子-电子装置100；图4A和4B说明一实施例，其中省略了图1的光子装置中的过渡元件180且有源光子装置160经配置以增加到无源光学元件150的直接光学耦合；图5A到5G示意性地说明通过形成包含过渡元件180及无源光学元件150的子组合件500且将子组合件500接合到部分形成的装置100进行的光子-电子装置100的形成；以及图6A到6F示意性地说明通过形成包含具有位于介电层上方的结晶半导体层的SOI衬底的子组合件600进行的光子-电子装置100的形成。具体实施方式越来越需要将电子(例如，CMOS)与有源(例如，供电的)光子电路集成在单个集成光子-电子电路上。此集成可通过(例如)减少与常规系统解决方案的封装相关联的许多寄生效应来进行光子-电子系统的可能的显著性能改进，且还可减小装置占据面积、功率消耗及制造成本。本发明提供及描述用以将以半导体(例如，硅)为基础的电子装置、无源光子装置及以III-V为基础的有源光子元件聚集在单个衬底上方从而允许在晶片尺度上单片集成这些组件的集成方案。此集成允许在半导体制造工具箱上制造集成光子-电子装置，从而提供规模经济及高产量以显著地减小成本且增大此类装置的市场渗透。虽然在过去已探索光子-电子集成的一些方面，但每一做法已遭受致使所述做法不适于大尺度集成及/或实际装置的缺陷。举例来说，将非晶硅波导与集成电子装置集成的尝试已遭受光学波导中的过度损失，从而限制装置的大小及/或需要光学中继器放大经衰减的光学信号。此外，在形成集成电子装置之后对热预算的限制会约束光学波导材料的形成，光学波导材料的形成可能需要高处理温度以实现较好光学性质，例如较低损失。本发明的实施例通过使电子与光子装置的处理解耦、使用结构特征以改进光学特征之间的耦合或前述两者来实现光子与电子电路的集成。在一些实施例中，特征的新颖布置提供充分光学耦合及低损失以实现实际光子-电子电路。本文所描述的实施例可包含以硅为基础的CMOS电子装置、无源光子电路(例如，互连光学波导、分裂器、滤波器及多路复用器/多路分用器)，及有源光子元件(例如，激光、光学放大器、调制器及检测器)。有源光学元件可包括以III-V化合物半导体为基础的材料。这些装置可包含在共同半导体衬底上与以硅为基础的电子装置集成的激光、放大器、调制器等等。转向图1，以剖面图示意性地说明装置100，例如集成光子-电子装置。装置100包含衬底110，下文所描述的各种结构位于衬底110上。在一些实施例中，衬底110为例如硅、锗或GaAs等半导体衬底。除非本文另有陈述，否则当描述半导体材料时，所述材料可包含半导体的经掺杂或本征形式。在一些其它实施例中，衬底110为例如石英或蓝宝石等介电材料。在一些实施例中，衬底为绝缘体上半导体衬底，例如绝缘体上硅(SOI)。无关于材料类型，在各种实施例中，优选地，衬底110为适于在半导体制造工具中大量生产的较大衬底的部分。此形式可为(例如)150毫米、200毫米或300毫米直径的晶片。电子装置层120位于衬底110上方。电子装置层120包含可用于常规集成电子电路中的各种元件，例如，例如晶体管122等有源电子装置；例如接点、导通孔及互连件124等无源电子元件；及各种扩散势垒及介电层126。可通过电子装置层120(例如，驱动器、电放大器及数字信号处理)来提供各种电功能。所属领域的技术人员熟悉制造此类装置的方法。集成光子装置层130在电子装置层120上方。光子装置层130包含包层140、无源光子层130p及有源光子层130a。包层140包括具有适于支持波导及与包层140接触的其它光子元件中的光学信号传播模式的折射率的介电介质，例如氧化硅(硅石)。无源光子层130p及有源光子层130a各自包含包覆介质及光学导引介质，如下文所描述。包层140以及光子层130a及130p还可包含与其光学作用不相关的层，例如势垒层、终止蚀刻层及其类似者。无源光子层130p包含无源光学元件150。元件150在本文被称作“无源的”，这是因为其不会在电域与光学域之间转换。元件150可包含各种特征，例如(例如)用以控制(例如)在热-光学移相器或热-光学开关中的光学路径长度且仍被视为被动的电极。无源光学元件150表示任何数目个波导结构或形成于光子装置层130的相同层的其它无源光子元件。举例来说，光子装置层130可包含(但不限于)波导150、分裂器、滤波器及多路复用器/多路分用器的多个实例。为了此描述的简单起见，无源光学元件在本文中可被称作(但不限于)介电波导150。介电波导150及任何此类其它无源光子元件具有比包层140的折射率大的折射率，使得光学信号被限制在介电波导150周围且在其中传播。举例来说，介电波导150可由氮化硅、氮氧化硅或经掺杂以具有比未经掺杂硅石的折射率大的折射率的硅石形成。包层155位于邻近于介电波导150处。包层155可为折射率小于介电波导150的折射率的介电材料。下文更详细地论述此方面。有源光子层130a位于无源光子层130p上方。层130a包含有源光子装置160。有源光子装置160可(例如)产生、放大、调制或检测光学信号。导通孔结构170将有源光子装置160导电地耦合到电子装置层120内的未引用的电装置。有源光子装置160可被视为经配置以将从电装置接收的电信号转换成光学信号或将从介电波导150接收的光学信号转换成电信号的电光转换器。在非限制性实例中，在一些实施例中，有源光子装置160可为经配置以响应于借助于导通孔结构170接收的电信号而产生窄光谱光学信号且将所述信号耦合到介电波导150的激光。本文中，术语“电信号”包含可造成有源光子装置160发射连续波(CW)光信号的未经调制电流，或可造成有源光子装置160发射经调制光信号的经调制电流。在其它非限制性实施例中，有源光子装置160可为经配置以将从介电波导150接收的经调制或CW光学信号转换成相应经调制或未经调制电信号的二极管，例如光电二极管。在各种实施例中，有源光子装置160包括基于例如GaAs、InP、GaAsxP1-x、InxGa1-xAsyP1-y及其类似者等III-V化合物的半导体。在各种实施例中，有源光子装置160包含若干经掺杂区，在所述经掺杂区之间有一相关联耗尽区。在一些情况下，有源光子装置160还可包含一或多个本征半导体区。在一些实施例中，有源光子装置160包含夹层结构，所述夹层结构包含具有交替化学计量的多个InxGa1-xAsyP1-y层。在所说明实施例中，无源光子层130p还包含光学过渡元件180。过渡元件180经配置以促进介电波导150与有源光子装置160之间的耦合。介电波导150可包含光学模式耦合器，或具有相比于不存在过渡元件180的情况来说在介电波导150与有源光子装置160之间更有效地耦合光的效应的其它结构特征。在一些实施例中，过渡元件180包括半导体。在一些实施例中，半导体为经掺杂或未经掺杂硅，其可另外为单晶的或多晶的。“单晶”意味供形成过渡元件180的半导体层的原子实质上位于单个晶格的晶格部位处。导通孔结构190可将过渡元件180导电地耦合到电子装置层120内的偏压电压源。偏压电压可(例如)例如通过耗尽过渡元件180的大部分电荷载流子(例如，电子)来修改过渡元件180的光学特性。图1的实施例说明有源光子装置160位于过渡元件180上方，且过渡元件180与介电波导150重叠。在不存在过渡元件180的实施例中，有源光子装置160可至少部分地位于介电波导150上方。现在转向图2A到2I，在不限于特定方法的情况下描述形成装置100的方法。在以下描述的上下文中描述装置100的额外方面。图2A到2I中的相似参考数字是指图1的相似特征。在图2A中，所述方法以提供衬底110开始。在本文中及权利要求书中，“提供”及类似术语意味装置、衬底、结构元件等可由个人或商业实体执行所揭示方法来制造或借此从除了个人或实体以外的来源(包含另一个人或商业实体)获得。衬底110可为先前所描述的材料中的任一者中的一者，且可优选为晶片。图2A展示在于衬底110上方形成电子装置层120之后的装置100。所属相关技术领域的技术人员应了解，介电层126及互连件124的形成可包含通常在清洁室环境中进行的众多工艺步骤。电子装置层120的形成可包含任何常规或新颖工艺和/或工艺序列。当电子装置层120完成时，电子装置层120通常包含如部分地通过晶体管122及互连件124的配置确定的功能电子装置。互连件124可包含(例如)钨插塞、铜或铝导通孔及铜或铝迹线，以及势垒层及终止层。可通过(例如)化学机械抛光(CMP)来使电子装置层120平坦化。在电子装置层120上方形成包层140。包覆介质部分地操作以提供待形成上覆有源光子层130a及无源光子层130p的基底。可通过任何常规或新颖工艺来形成包层140，例如，等离子沉积工艺，例如等离子增强型化学气相沉积(PE-CVD)。在非限制性实例中，包层140包括氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。在一些实施例中，在沉积期间对包层140进行掺杂，(例如)以降低折射率ncladding。举例来说，可用(例如)碳或氟来掺杂包层140。在非限制性实例中，包覆介质为掺碳或掺氟氧化硅型材料。在一些情况下，包覆介质为低k介电材料，例如氟化氧化硅或BlackDiamondTM。在一些情况下，包覆介质为有机材料，例如BCB。图2B展示在于包层140上方形成介电波导150之后的装置100。在此形成阶段的装置100被指定为子组合件200以供稍后参考。通过任何常规或新颖工艺来形成介电波导150，其中毯覆式介电层首先形成于包层140上方，且接着经图案化以界定介电波导150的横向范围。当光子装置层130经配置以用近红外线光(例如，波长在约1200纳米到约2000纳米的范围内)操作时，毯覆层可具有(例如)在约200纳米到约2000纳米的范围内的厚度。介电波导150由具有折射率ncore>ncladding的材料形成。当包层140经掺杂以具有小于氧化硅的折射率的折射率时，介电波导150层可(例如)由未经掺杂氧化硅形成。在一些实施例中，介电波导150层由氮氧化硅形成。在一些实施例中，包层140及介电波导150层两者为氮氧化硅，其中包层140相比于介电波导150来说具有较低氮浓度。在一些实施例中，介电波导150由氮化硅形成。在介电波导150上方且围绕介电波导150形成包层155。包层155可为关于包层140所描述的材料中的任一者。在一些实施例中，包层140及155由相同材料类型形成，例如，两者包括氧化硅且具有相同折射率。然而，装置100不限于此类实施例。可在于包层155上方形成额外材料层之前(例如)通过CMP使包层155平坦化。在图2C中，可选半导体层210已形成于包层155上方。半导体层210可为(例如)非晶形或多晶硅层。当光子装置层130经配置以用近红外线光操作时，半导体层210可具有(例如)在约200纳米到约500纳米的范围内的厚度。优选通过不会超过电子装置层120的热预算的工艺来形成半导体层210。如所属电子技术领域的技术人员应了解，电子装置层120通常包含经谨慎地定制以产生位于其中的电子装置的所要电子性能的掺杂剂剖面，以及具有各种导通孔及迹线的金属化物。如果电子装置层120曝露于过高温度或曝露于高温过长时间，那么电子装置层120内的掺杂剂剖面及金属化物可改变，借此变更电子装置的性能。因此，可使用(例如)不超过450℃的相对低温工艺来形成半导体层210。在非限制性实施例中，使用PECVD工艺在约400℃或低于约400℃的温度下形成半导体层210。所属相关技术领域的技术人员熟悉此类工艺。在图2D中，已使用(例如)常规工艺来图案化半导体层210，以形成过渡元件180。过渡元件180定位成光学地耦合到介电波导150，且因此与介电波导150重叠达长度L1。当过渡元件180包括非晶硅(ni≈3.5)且介电波导150包括氮化硅(其中ni≈2.0)时，重叠长度L1可为(例如)约50微米。此外，可将过渡元件180限制于长度L2，所述长度将过渡元件180内的光学损失限制于最大值。举例来说，在一些情况下，非晶硅可对在其中传播的光学信号强加10分贝/厘米到20分贝/厘米的损失。在一些实施例中，限制长度L2以将光学损失限制于约0.5分贝或小于0.5分贝。因此，长度L2可优选小于约250微米，且更优选小于约200微米。图2E说明在于过渡元件180上方形成包层185之后的装置。包层185可包括折射率小于过渡元件180的折射率及介电波导150的折射率的材料。包层185可选自包含二氧化硅、氮氧化硅或具有适当折射率的另一介电材料的材料。还可使包层185平坦化，如所说明。图2E还展示将过渡元件180连接到电子装置层120的导通孔结构190。导通孔结构190提供导电路径以在需要时将偏压施加到过渡元件180。可使用偏压(例如)来修改过渡元件180的光学透射特性。此修改可为静态的(例如，DC偏压)；或可为动态的(例如，切换的)。在一些实施例中，加热器元件(图中未展示)可由半导体层210形成。加热器元件可经定位以加热无源光子元件的一部分，借此(例如)在所述元件为热-光学移相器时修改所述元件的光学透射特性。加热器元件可由电子装置层120内的电子装置经由类似于导通孔结构190的两个或两个以上导通孔结构来供电。图2F说明在将子组合件300接合到包层185之后的装置100。子组合件300包含处置晶片310及附着到处置晶片310的有源光子层320。为清晰起见，图3隔离地说明子组合件300。处置晶片310可为其上可形成有源光子层320的任何衬底。在说明性而非限制性实例中，处置晶片310包括InP。可使用(例如)外延工艺在处置晶片上方形成有源光子层320，以形成适于既定用于有源光子装置160的光学功能的层。举例来说，当有源光子装置160为激光时，有源光子层320可包含多个InxGa1-xAsyP1-y层，其中交替层具有交替化学计量。所属相关技术领域的技术人员熟悉此类分层结构。或者，有源光子层320可适于形成用于有源光子装置160的二极管。在此情况下，有源光子层320可包括InGaAs。有源光子层320还可包含用于不同装置的单独层，例如，用于相位调制、电吸收调制及增益/吸收的层。介电层330(例如，氧化硅)可视情况形成于有源光子层320上以辅助进行将子组合件300接合到包层185的工艺。返回到图2F，将子组合件300放置成与包层185接触且通过直接晶片结合而接合。接着通过例如背面研磨及/或湿式化学蚀刻等常规方法来去除处置晶片310。图2G说明所得组合件。介电层330在使用的情况下在功能上变成包层185的一部分。图2H说明在(例如)以常规方式图案化有源光子层320以产生有源光子装置160之后的装置100。在一些实施例中，可按导致有源光子装置160与过渡元件180之间的所要光学耦合的方式将有源光子装置160至少部分地定位于过渡元件180上方。在一些实施例中，有源光子装置160可完全地位于过渡元件180上方，使得过渡元件180为有源光子装置160中的波导结构的部分。有源光子装置160的尺寸可根据需要为任何值以产生所要光学功能。在说明性而非限制性实例中，有源光子装置160在配置为激光时可具有约2微米的厚度T1、约200微米的长度L3及垂直于T1及L3的约5微米的宽度W。当有源光子装置160配置为二极管时，T1、L3及W可分别为约2微米、约20微米及约5微米。有源光子装置160与过渡元件180重叠，其中重叠长度为L4。可选择长度L4以允许缓慢且绝热光学模式演变，以实现最大化的耦合效率。在如所说明的一些实施例中，当使用过渡元件180来避免光学信号绕过过渡元件180时，有源光子装置160与介电波导150不重叠。在图2I中，已通过常规处理形成导通孔结构170，以提供电子装置层120与有源光子装置160之间的导电路径。当有源光子装置160为例如光电二极管的接收元件时，导通孔结构170可将由有源光子装置160产生的电信号传导到电子装置层120以用于进行电处理。另一方面，当有源光子装置160为例如激光等发射元件时，导通孔结构170可将经调制信号或CW信号从电子装置层120传导到有源光子装置160。图4A和4B分别说明从装置100省略过渡元件180以使得有源光子装置410与介电波导150直接光学地耦合的实施例的剖面图及平面图。在此实施例中，有源光子装置410的半导体材料与介电波导150的介电材料之间的折射率对比度可导致显著耦合损失。为了减少此类损失，可将有源光子装置410的剖面形成为包含所说明的阶梯高度过渡。有源光子装置410可包含任何数目个阶梯，例如，在所说明实例中为四个。有源光子装置410的厚度在从有源光子装置410到介电波导150的信号传播方向上减小，且在从介电波导150到有源光子装置410的信号传播方向上增大。有源光子装置410的最薄部分可为最厚部分的厚度的十分之一。因此，例如，有源光子装置410的部分420的厚度可为约2微米，且部分430的厚度可为约0.2微米。据信，厚度减小可将有源光子装置410的模式折射率充分地减小到与介电波导150的模式折射率相当，因此改进有源光子装置410与介电波导150之间的光学耦合。在通过图5A到5L举例说明的另一实施例中，可分离地形成无源光子层130p与支撑电子装置层120的衬底110。此类实施例确保电子装置层120不会曝露于与形成介电波导150、有源光子层320、半导体层210或各种包层相关联的高温。在图5A到5L中，相似参考数字是指图1、图2A到2I及3中的相似特征。图5A说明子组合件500，其包含处置晶片310与位于其上方的有源光子层320及介电层330。半导体层510形成于介电层330上方。由于不存在电子装置层120，因此可使用温度比用以形成半导体层210的工艺的温度高的工艺来形成半导体层510。在需要时，可使用退火工艺来使半导体层510再结晶。退火工艺可包含将子组合件500加热到在约400℃到约600℃的范围内的温度。此类温度通常在已完成集成电路(例如，电子装置层120)的可允许温度范围之外。当过渡元件180由层510形成时，预期过渡元件的光学单位损失将减小达至少约50％，例如减小到5分贝/厘米或小于5分贝/厘米。图5B说明在图案化半导体层510以形成过渡元件180之后的子组合件500。此外，图案化工艺可为常规的。包层185已形成于过渡元件180上方且经抛光以形成平坦表面。图5C说明在形成介电波导150及包层155之后的子组合件。如前所述，可通过图案化毯覆介电层而形成介电波导150。用以形成毯覆介电层的工艺温度可高于用以形成图2B中的介电层的工艺温度，从而提供在形成介电波导150的介电材料中的较大自由度。包层155已形成于介电波导150上方且经抛光以形成平坦表面。在图5D中，子组合件500已(例如)通过直接晶片结合而接合到子组合件200(图2B)，其中包层155结合到包层140。可处理所述组合式组合件(如先前所描述)以去除处置晶片310(图5E)、形成有源光子装置160(图5F)及形成导通孔结构170(图5G)。说明图5G中的装置100，其中省略了导通孔结构190。在此情况下，可在不对过渡元件180加偏压的情况下操作装置100。图6A到6G说明用于形成装置100的方法的另一实施例，其中使用SOI晶片来提供供形成过渡元件180的结晶半导体层。图6A说明在形成的早期阶段的组合件600，其包括绝缘体上硅(SOI)衬底605。SOI衬底包含例如硅晶片的硅衬底610(第一处置晶片)、位于硅衬底610上方的结晶硅层620，及位于硅衬底610与结晶硅层620之间的例如氧化硅的介电(绝缘体)层630。图6B说明在已图案化结晶半导体层620以形成光学过渡元件180之后的组合件600。还如先前所描述而形成无源光学元件150以及包层155及185。此实施例中的过渡元件180由于由结晶半导体层620形成而为单晶的。在图6C中，组合件600已(例如)通过直接晶片结合而接合到组合件200。此配置类似于图5D中所说明的配置，但图6C的实施例不存在有源光子层。可通过背面研磨及/或湿式化学蚀刻来去除半导体衬底610，而终止于介电层630上，如图6D所说明。在图6E中，组合件640已通过直接晶片结合而接合到介电层630。组合件640包含半导体衬底650(第二处置晶片)、有源光子层660及用以促进晶片结合工艺的可选介电层670。在图6F中，再次通过背面研磨及/或湿式化学蚀刻去除半导体衬底650，以曝露有源光子层660。处理可接着继续(如所描述)以图5F开始以完成形成装置100。因为半导体层620为结晶的，所以预期由以结晶半导体层620形成的光学过渡元件180强加的光学损失将显著地低于由(例如)非晶形或多晶硅强加的损失。举例来说，相比于非晶形或多晶硅的约10分贝/厘米到20分贝/厘米的光学损失来说，预期来自以此方式形成的光学过渡元件180的光学损失小于约2分贝/厘米。而且，因为在无源光学元件的处理期间不存在III-V有源光子层及电子层，所以可使用显著较高的温度(例如，高达1200℃)，以进一步减少无源元件中的损失。预期，较低损失将允许(例如)光子-电子装置设计需要较少增益级，且提供显著改进的性能。所属本申请案相关技术领域的技术人员应了解，可对所描述实施例进行其它及进一步添加、删除、取代及修改。