用于改进BEOL器件集成的具有光学互连结构的集成光电器件的制作方法

本发明属于光子学领域，涉及集成光电器件和制造光电器件的方法。

背景技术：

1、1.3和1.55μm的光辐射波长通常用于光纤电信系统中的光信号传输。1.55μm的红外波长特别适合于硅基光子学和光电器件，它们使用硅作为光学介质。然而，硅基光电器件也适用于从可见光到中红外的其它光谱范围，特别是0.4到1.8μm之间的其它应用。

2、zhu等人在journal of lightwave technology,vol.34,no.2,january 15,2016,pp.386-392中描述了使用互补金属氧化物半导体(mos)后段制程(beol)兼容技术在体硅上制造的垂直叠层的氢化非晶硅(a-si：h)和氮化铝(aln)光子电路。为了链接具有2μm垂直间隙的a-si：h波导和aln波导，提出了使用两个级联的定向0.4μm厚aln耦合器。为了桥接更大的垂直间隙，提出了一种层间光栅耦合器，以便于制造和小尺寸。

3、us 9,941,664b1描述了一种激光器件，其包括具有iii-v族半导体增益材料的叠层的层结构、硅波导芯和包层结构。包层结构在波导芯和叠层之间延伸。器件还包括在层结构中形成的光学耦合结构。该耦合结构被设计成允许iii-v族半导体增益材料的叠层和波导芯之间的辐射的光学耦合，并且有利于辐射的基本横向光学模式的耦合超过所述辐射的一个或多个更高阶横向光学模式从叠层到波导芯的耦合。

4、us2018/0240820描述了另一种光电器件。它包括具有绝缘体上硅(soi)衬底的层结构，衬底包括硅衬底、硅衬底上的掩埋氧化物层和掩埋氧化物层上的渐窄硅波导芯。硅波导芯由第一包层结构覆盖，其后是第一包层结构上的结合层。iii-v族半导体增益材料的叠层布置在结合层上。iii-v族半导体增益材料的叠层由第二包层结构覆盖。层结构被配置为光学耦合iii-v族半导体增益材料的叠层和渐窄硅波导芯之间的辐射。

5、这种器件的优点是在单片硅基cmos器件中使用iii-v半导体材料作为有源光子部件的可能性。这是通过执行作为后段制程(beol)工艺的一部分的iii-v半导体材料的制造来实现的，从而避免了工艺复杂化以及在敏感的cmos前段制程(feol)工艺中引入不期望的缺陷。

6、作为这个概念的缺点，这种已知的beol兼容集成方法要求器件厚度限制在几百纳米。作为比较，优化的、商业上可获得的光电器件的典型厚度在几微米的数量级。已知的较薄器件遭受高串联电阻、模式损耗，并且通常需要增加外延努力。这些缺点的存在与beol工艺中用于光子部件的特定材料类型无关。

7、希望避免或减少集成光电器件中的这些缺点。

技术实现思路

1、本发明包括两个方面，即分别由独立权利要求1和15所表达的器件方面和方法方面。下面的描述将首先转向第一方面。

2、根据本发明的第一方面，公开了根据权利要求1的集成光电器件。

3、本文公开的集成光电器件的实施例包括

4、-衬底，具有包括一个或多个电子部件的硅层；

5、-光波导，下文称为衬底上的feol波导，feol波导具有光学feol耦合部分；

6、-互连叠层，布置在衬底上并且包括多个金属层，金属层包含结构化金属连接迹线并且通过层间电介质材料彼此分离，金属层由顺序号命名，顺序号随着距衬底的垂直距离的增加而递增计数，并且从最靠近衬底的硅层的第一金属层开始，直到距衬底的最高垂直距离处的顶部金属层；

7、-光子部件，布置在互连叠层中，光子部件与衬底的垂直距离大于第二金属层与衬底的垂直距离；

8、-光波导，在互连叠层中，以下称为beol波导，光学耦合到光子部件并具有光学beol耦合部分；和

9、-光学耦合区域，在beol耦合部分和feol耦合部分之间延伸，并且包括光学互连结构，光学互连结构被布置和配置用于将来自beol耦合部分的辐射光学耦合到feol耦合部分中，反之亦然；其中

10、-光学互连结构包括由第一电介质材料制成的至少两个光学耦合波导元件的垂直叠层，每个光学耦合波导元件嵌入第二电介质材料中，并且在期望的波长范围内具有比嵌入的第二电介质材料更高的折射率值。

11、在特别有利的实施例中，光学耦合波导元件被布置和配置用于

12、-通过将光辐射耦合到至少一个波导元件中，从beol耦合部分或feol耦合部分接收期望波长范围中的光辐射，

13、-使用耦合的光辐射配合地形成和维持光辐射的一个或多个超模，一个或多个超模中的每个是所有至少两个光学耦合波导元件的模式的叠加，以及

14、-将一个或多个超模的光辐射分别耦合到feol耦合部分或beol耦合部分。

15、本发明提供了一种包括光子部件和光学互连结构的光电器件，光学互连结构通过实现与feol波导的高效耦合来提高光子部件在beol工艺中的集成度。在特定的实施例中，可以使用光学互连结构桥接的beol波导和feol波导之间的垂直距离达到10μm或甚至更大。相比之下，所提及的已知beol兼容集成方法依赖于光子部件和soi波导之间的直接耦合，因此必然将光子部件集成在互连叠层的位于光电器件的feol部分正上方的区域中。在互连叠层的这个区域中，金属层之间的垂直间距受到beol工艺的工业标准的限制，并且通常小于1μm。相比之下，本发明的光电器件的设计提供了集成具有大得多的厚度的光子部件的可能性，例如具有大约3μm厚度的iii-v半导体激光器。因此，与已知的解决方案相比，光子部件的设计选择大幅扩展。

16、光子部件之间的光学连接通过集成光学耦合区域来实现，光学耦合区域在beol耦合部分和feol耦合部分之间延伸，并且包括光学互连结构。光学互连结构被布置和配置用于将来自beol耦合部分的辐射光学耦合到feol耦合部分，或者取决于光传播的期望方向，反之亦然。

17、在有利的实施例中，光学互连结构包括由第一电介质材料制成的至少两个、优选至少三个、甚至更优选至少四个光学耦合波导元件的垂直叠层，每个光学耦合波导元件嵌入在第二电介质材料中。在期望的波长范围内，波导元件具有比嵌入其中的第二电介质材料更高的折射率值。适当地，光学耦合波导元件被布置和配置用于通过将光辐射耦合到至少一个波导元件中，从beol耦合部分(或者在光传播方向相反的情况下从feol耦合部分)接收期望波长范围中的光辐射。

18、此外，光学耦合波导元件被布置和配置用于使用光辐射耦合来配合地形成和维持一个或多个光辐射超模。模场垂直延伸穿过耦合的至少两个光学耦合波导元件的垂直叠层。特别地，一个或多个超模中的每个是至少两个光学耦合波导元件中的所有的模式的叠加。因此，互连结构的所有波导元件涉及形成一个或多个超模中的每个。因此，本发明的结构不同于由zhu等人公开的为经由厚aln波导的成对耦合而设计的实施方式，本发明实现跨所有波导元件具有垂直重叠的光的同时分布。相比之下，zhu等人采用的是光沿着aln波导级联传播的逐步方法。

19、超模本身是已知的。超模可以描述为单个波导元件模式的线性组合。通过提供具有适当几何延伸的至少两个波导元件的垂直叠层，并布置它们以允许来自所有至少两个波导元件的具有非零模式贡献的模式的光学耦合，从而所有至少两个不同的波导元件在每个超模的形成中配合地作用，并因此促进光穿过垂直叠层的传播，可以获得超模。

20、此外，光学耦合波导元件被布置和配置用于将一个或多个超模的光辐射分别耦合到feol耦合部分或beol耦合部分。

21、光学互连结构提供了beol耦合部分和feol耦合部分之间的连接，这允许光的有效耦合，甚至在大的垂直距离上，在一些实施例中甚至延伸到10微米以上的范围。

22、本发明的光电器件的另一个优点是，通过在beol工艺中集成有源或无源光子部件，它为包括有源或无源光子部件提供了广泛的设计选择。下面将简要解释这个优点所基于的技术背景。如在半导体加工领域中本身已知的，前段制程(feol)是集成电子和光电器件制造的一部分，其中器件的单个电子或光电部件(例如晶体管、二极管、电阻器、电容器等)在半导体衬底中图案化，半导体衬底在本领域中特别地是衬底。这样，制造的feol部分覆盖了在互连叠层沉积之前执行的那些处理步骤。因此，在feol工艺结束时，存在具有未通过布线连接的部件的晶片。后段制程(beol)是制造的后续部分，其中制造在晶片上的单个部件之间具有互连的互连叠层，包括互连叠层的金属平面中的期望布线和连接不同金属平面上的布线的通孔。因此，在feol工艺之后，beol工艺通常从在衬底上第一金属平面的沉积开始。beol工艺还包括触点、电介质层和芯片到封装连接的结合点的制造。由于feol和beol工艺是在不同的工艺设备中执行的，所以适用于feol工艺设备的关于避免被处理晶片污染的严格要求并不同样适用于beol工艺，因此提供了更大的自由度来包括在beol工艺中不允许在feol cmos处理设备中处理的材料。这特别地适用于iii-v半导体材料的使用，因为iii族金属如ga、al和in以及v族元素如n、p和as在硅基cmos工艺中是不希望的污染物。用于有源光子部件(如变频器等)的其他材料包括在feol工艺设备中被认为是不期望的其它物质种类。

23、以下部分旨在指导本说明书中使用的术语的解释。

24、本文使用的术语波导元件指的是由作为传播介质的第一电介质材料制成并嵌入到第二电介质材料中的垂直且特别是横向受限的平板或立方体。波导元件通常以与光纤相同的原理操作，但是由于其有限的横向延伸，与其说是设计用于光的横向传播，不如说是设计用于(与其它波导元件)配合形成和维持超模，以实现光在相应的beol和feol波导的beol和feol耦合部分之间的垂直传播。为了清楚地区别于层间光栅耦合器结构，互连叠层的给定垂直层上的波导元件是单个横向受限的连续材料平板。在本文中注意到，由于大的光学损耗，层间光栅耦合器结构在实践中不适于桥接更大的垂直距离。

25、术语“光子部件”在本领域中是众所周知的，并且在本文中以已知的方式使用。光子部件包括有源和无源光子部件。本文使用有源光子部件覆盖了一系列可电驱动的器件，特别是

26、-产生光，

27、-修改光的属性，例如光强度、光频率、相位或偏振，特别是通过开关

28、-以可控的时间特性对入射光的强度、频率、相位或偏振特性进行调制，或

29、-检测光，特别是光强度或它的其他提到的属性之一。

30、可以单片集成到互连叠层中的有源光子部件的示例特别是发光二极管、激光器、调制器、光探测器、可调光学延迟元件、频率转换器和偏振转换器。这种有源光子部件通常使用特定的材料，这些材料被认为与feol工艺中使用的当前先进的cmos处理方案不兼容。因此，将这些部件集成到beol工艺中避免了有源光子部件与先进cmos技术单片集成的工艺限制，从而大幅改善了si光子学的应用前景。相比之下，无源光子部件通常不是电驱动的，并且对入射光具有特定的期望响应。无源部件例如是滤波器、分路器、合路器、耦合器、复用器、衰减器、隔离器和循环器。

31、还应注意，本说明书没有区分术语光电的和电光的。因此，根据本发明的器件也可以被认为是并称为电光器件。

32、此外，本文使用的术语“集成光电器件”是指单片形式的集成，适当地通过基于本身已知的工艺技术的组合feol和beol工艺，但是根据本发明的方法进行了修改，这将在下面进一步公开。

33、最后，关于本说明书中的方向指示，“垂直”方向垂直于衬底的表面平面，并且从表面平面指向互连叠层，或者相反。横向平行于衬底表面。

34、在下文中，将描述本发明的光电器件的其他实施例。

35、从以下实施例的描述中将会清楚，垂直叠层中的波导元件的数量可以根据应用情况而变化，这特别地涉及对由光学互连结构桥接的垂直距离的要求。在一些特别适用于较小垂直距离的实施例中，互连叠层中配合地形成一个或多个超模的波导元件的数量至少为两个。在设计用于桥接较大垂直厚度的实施例中，该数量至少为三个，优选地甚至至少为四个，在其它实施例中至少为五个，并且在一些实施例中设计用于特别大的垂直距离至少为六个。可以使用的波导元件的上限由发明人的认识决定，即feol耦合部分和beol耦合部分之间的垂直距离不应该超过15-20微米，该垂直距离通常由所使用的金属层的数量决定。

36、以下一组实施例在光学互连结构中具有有利的特征。本征模的最小空间延伸是空间波导延伸的函数。通常，单个波导元件的本征模的空间延伸随着波导元件的垂直和横向延伸的减小而增加。特别地，如果波导尺寸低于与最小模式尺寸相关联的尺寸，本征模的空间扩展如所述增加。因此，通过调整互连结构的单个波导元件的延伸，可以实现给定应用情况的合适设计。在集成光电器件的有利实施例中，单个光波导元件彼此横向重叠，并且具有10和300纳米之间的相应垂直延伸(厚度)，并且彼此以0.5和2微米之间的垂直距离布置。这样，在一个或多个超模的形成中，单个波导元件的模式在横向和垂直方向上的延伸以及不同波导元件之间不同模式的耦合特别适合于实现相应beol和feol波导的beol和feol耦合部分之间的有效耦合。

37、对于1.55微米范围内的si光子学，波导元件的合适但示例性的垂直延伸在30和80纳米之间，特别是50纳米。波导元件之间的示例性合适的垂直距离在1.5微米和2微米之间。在光学互连结构的具体设计中，取决于给定应用情况的要求，光学互连结构的不同对垂直相邻波导元件之间的垂直距离是不同的。

38、类似的设计考虑适用于beol耦合部分和光学互连结构之间的耦合，以及光学互连结构和feol耦合部分之间的耦合。优选地，feol耦合部分和beol耦合部分距离互连结构的它们各自最近的波导元件的垂直距离在0.1和2微米之间，并且横向重叠它们各自最近的波导元件。在特别有利的实施例中，光学互连结构的最低(就离衬底的垂直距离而言)波导元件和feol波导之间的垂直距离，该垂直距离小于光学互连结构的最高波导元件和beol波导之间的垂直距离。

39、波导元件可以呈现非常大范围的可能横向延伸。暂时地，合适地，单个光波导元件在第一横向方向(z)上具有在10和1000微米之间(在一些实施例中在50和150微米之间)的相应第一横向延伸，以及在垂直于第一横向方向的第二横向方向(x)上具有在1和20微米之间(在一些实施例中在2微米和10微米之间)的第二横向延伸。

40、特别是在si光子学的应用情况下，已证明80和120微米之间的第一横向延伸的示例值是合适的，在一个实施例中为100微米。示例性合适的第二横向延伸在3和7微米之间，在一些实施例中为5微米。

41、至于光学互连结构的波导元件之间的横向重叠，为了实现更高的耦合效率，大的横向重叠通常是优选的。因此，相邻的波导元件适当地表现出完全的横向重叠，除非其它设计要求适用。这种其他设计要求涉及例如对超模有贡献的模式的横向延伸，从而涉及光学互连结构在一个或多个横向方向上所需的传播属性。特别地，最上面和最下面的波导元件可以具有更大的第一横向延伸(在z方向上)，更接近beol和feol耦合部分，以提高耦合效率。

42、下面转向具有不同合适材料的波导元件的不同实施例。嵌入(即第二)电介质材料，也可以称为包层材料，优选为二氧化硅。这样，集成到标准beol工艺的过程特别地容易。然而，可以使用另一种包层材料，特别是如果通过提高耦合效率或降低材料成本来证明较高的加工成本是合理的。

43、给定二氧化硅作为包层材料的选择，波导元件的第一电介质材料存在不同的材料选择。合适的材料在所需波长范围内的折射率高于包层材料的折射率。在这种情况下，折射率的合适值范围是1.5至2.8。合适材料的示例包括氮化铝、氧化铝、氮氧化铝、氧化铪、氧化钽、氧化钛、氮化硅、氮氧化硅或氧化锆。在给定的应用情况下，这些化合物材料的化学计量可以适合于电介质性质的优化。允许特别容易地集成到beol工艺中的材料是sin，因为这种材料在beol工艺中从其它器件应用中是众所周知的。

44、此外，为了工艺方便，光学耦合区中的层间电介质层、顶部层间电介质层和第二电介质材料的材料优选相同。

45、下面转向在互连叠层中使用附加特征的实施例。互连叠层的最小厚度是1.5微米。然而，本发明极大地扩展了可以使用的金属层的数量。因此，feol耦合部分和beol耦合部分之间的垂直距离(通常由所使用的金属层的数量决定)可以优选达到但不应超过15-20微米，甚至更优选不应超过12微米。

46、本发明的光电器件的实施例实现了优于现有技术的特定优点，在现有技术中，互连叠层包括至少两个金属层。在一些实施例中，除了金属层之外，还提供顶部金属层。适当地，互连叠层中的多个金属层包括至少三个金属层，在至少三个金属层之上的第一顶部金属层和第二顶部金属层，第二顶部金属层是距衬底最高垂直距离处的顶部金属层。源于与标准beol设计的工艺兼容性的特别有用的特性是，两个顶部金属层之间的顶部层间电介质层通常具有比金属层之间的层间电介质层更大的垂直延伸。换句话说，在这样的实施例类型中，第一和第二顶部金属层之间的相互垂直距离大于第一顶部金属层下方的金属层之间的相互垂直距离。光子部件和beol波导因此被布置在第一和第二顶部金属层之间的垂直层。这允许光子部件与两个顶部金属层之间的更大垂直延伸容易地集成。在替代的实施例中，光子部件和beol波导被布置在最顶层的金属层上。取决于互连叠层的特定结构，这可以是唯一的顶层金属层，或者是两个或更多顶层金属层中的最高层。在需要的情况下，这些实施例可以适当地利用互连叠层外部的附加布线或者互连叠层的金属层上的金属互连，这些金属互连不同于最上面的金属层，以电连接光子部件。

47、为了进一步提高耦合效率，在光电器件的一些实施例中，beol光波导的beol耦合部分和feol光波导的feol耦合部分具有渐窄形状。

48、以下描述转向具有光子部件的特定特征的实施例。本发明的光电器件的实施例通常在互连叠层中包括不止一个有源光子部件或无源光子部件，或者至少一个有源和至少一个无源光子部件的组合。在光电器件的优选实施例中，有源光子部件是可电驱动的部件，并且可经由顶部金属层电连接。光子部件的光学输出经由beol光波导的第二beol耦合部分光学耦合到beol光波导。因此，集成光电器件可以包括一个或多个有源和/或无源光子部件，具体包括激光器、光探测器、用于调制光的强度、相位或偏振的光调制器、光开关、光延迟元件、光放大器或光频率转换器。无源部件特别地是滤波器、分路器、合路器和隔离器。

49、如上所述，光电器件的一些实施例具有有源光子部件，有源光子部件具有包括iii-v族半导体材料或者完全由iii-v族半导体材料制成的有源区域。可电驱动的有源光子部件的特别有用的示例是半导体激光器，其包括激光谐振器，激光谐振器包括由iii-v族半导体材料制成的可电驱动的增益区，用于提供光学增益。

50、该实施例的一个变型另外包括beol输入波导和由beol波导形成的beol输出波导，用于经由光学互连结构向feol波导提供激光辐射。此外，在beol输入和输出波导中布置了相应的输入和输出布拉格光栅，布拉格光栅形成了用于激光辐射的期望波谱的激光谐振器的相应末端反射器。该实施例的另一个变型利用了具有电驱动增益区的分布反馈(dfb)激光器，增益区包含周期性结构的散射元件或衍射光栅，每个散射元件或衍射光栅构建用于提供所需光学反馈的干涉光栅。因此，在dfb激光器中，光栅和反射通常沿着激光腔是连续的，而不是布置在纵向末端。

51、可电驱动的有源光子部件的另一个特别有用的示例是光学放大器，其包括由iii-v族半导体材料制成的可电驱动的增益区，用于提供光学增益。这种光学放大器不包括谐振器。

52、另一个有用的示例是电控iii-v半导体材料，或电光材料，例如铌酸锂(lnb)、钛酸钡(bto)或锆钛酸铅(pzt)，或用于改变光学相位和/或强度以实现光学开关或调制的电光聚合物。这种器件的子集是等离子体移相器、调制器和开关。

53、另一个有用的示例是用于吸收光并因此进行光电转换(检测)的电读出iii-v半导体材料。这种器件的子集是等离子体探测器。

54、本发明特别适用于硅光子学的应用。光电器件的不同实施例利用不同的衬底，这取决于在硅光子学的框架内使用什么特定的材料平台。为集成光电器件选择的特定材料平台又受到所需操作波长范围的影响。

55、在许多应用情况下，最合适的衬底是绝缘体上硅衬底，本文的soi衬底。绝缘体上硅是一种半导体技术，其中部件被制造在掩埋绝缘体层顶部的硅层中。soi衬底特别适用于1.2μm和3μm波长之间的近红外和中红外区域，包括用于经由玻璃纤维进行数据通信的波长。在光电器件的这些实施例中，包括一个或多个电子部件的硅层布置在soi衬底的掩埋氧化物层之上。此外，在这种应用情况下，具有光学feol耦合部分的feol波导也适当地形成在soi衬底的顶部硅层中。soi技术的优点是它与成熟的cmos制造工艺和微电子学中使用的相关联的基础设施兼容，因此在兼容性、可再现性和成本方面提供了优势。

56、然而，例如，如果使用氮化硅材料平台，则不需要soi衬底。该技术基于作为波导层的氮化硅(例如si3n4)的组合，由作为硅晶片上的包覆层的二氧化硅(sio2)填充或封装。二氧化硅和氮化硅层可以使用cmos兼容技术制造，因此具有成本有效的批量生产的优势。这种技术适用于0.4μm的可见光波长到4μm左右的近红外波长上限的应用。氮化硅光子学特别适用于从可见光通过近红外到中红外波长的生物光子学、数据通信、光学信号处理和感测。

57、代替soi衬底，iii-v半导体衬底可以用于操作波长在近红外范围内的应用情况，直到波长约为4μm的近红外的上部。

58、本发明的第二方面涉及光电器件的制造。根据第二方面，根据权利要求14提供了一种用于制造光电器件的方法。具体地，该方法的实施例实现了根据本文描述的其实施例之一的第一方面的光电器件的实施例的制造。

59、根据本发明的第二方面，用于制造光电器件的方法包括：

60、-执行前段制程(以下称为feol)工艺，以提供具有包括一个或多个电子部件的硅层和形成在硅层中的feol光波导的衬底，其中feol耦合部分在feol光波导中制造；

61、-执行后段制程(以下称为beol)工艺，以在衬底上制造互连叠层，beol工艺包括

62、-制造互连叠层的多个金属层，这些金属层包含结构化的金属连接迹线，并且通过层间电介质材料彼此分离，这些金属层通过顺序号来命名，顺序号随着距衬底的垂直距离的增加而递增计数，并且从最靠近衬底的硅层的第一金属层开始，直到距衬底的最高垂直距离处的顶部金属层；和

63、-制造布置在互连叠层中的光子部件，光子部件与衬底的垂直距离大于第二金属层与衬底的垂直距离；和

64、-制造光学耦合区域，光学耦合区域在beol耦合部分和feol耦合部分之间延伸，并且包括光学互连结构，光学互连结构被布置和配置用于将来自beol耦合部分的辐射光学耦合到feol耦合部分中，反之亦然；

65、其中制造光学互连结构包括

66、-制造由第一电介质材料制成的至少两个光学耦合波导元件的垂直叠层，每个光学耦合波导元件嵌入在第二电介质材料中，并且在期望的波长范围内具有比嵌入的第二电介质材料更高的折射率值。

67、该方法的实施例包括布置和配置光学耦合波导元件，用于

68、-通过将光辐射耦合到至少一个波导元件中，从beol耦合部分或feol耦合部分接收期望波长范围内的光辐射，

69、-使用耦合的光辐射配合地形成和维持光辐射的一个或多个超模，一个或多个超模中的每个是所有至少两个光学耦合波导元件的模式的叠加，以及

70、-将一个或多个超模分别耦合到feol耦合部分或beol耦合部分。