三维集成光互连芯片中光耦合端面的制造方法
阅读说明：本技术 三维集成光互连芯片中光耦合端面的制造方法 (Method for manufacturing optical coupling end face in three-dimensional integrated optical interconnection chip ) 是由 涂芝娟 方青 汪巍 蔡艳 曾友宏 余明斌 于 2018-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供的三维集成光互连芯片中光耦合端面的制造方法,包括如下步骤：提供一器件晶圆,所述器件晶圆包括具有器件结构的正面以及与所述正面相对的背面,且所述器件晶圆具有自所述正面向所述背面方向延伸的硅通孔；将所述正面与一载体晶圆键合；形成球形焊点于所述背面；自所述背面刻蚀所述器件晶圆,形成贯穿所述器件晶圆的光耦合端面。本发明在简化三维集成光互连芯片中光耦合端面的制造工艺的同时,改善了光耦合端面的质量,降低了三维集成光互连芯片的制造成本。(The invention provides a method for manufacturing an optical coupling end face in a three-dimensional integrated optical interconnection chip, which comprises the following steps: providing a device wafer, wherein the device wafer comprises a front side with a device structure and a back side opposite to the front side, and the device wafer is provided with a through silicon via extending from the front side to the back side; bonding the front surface with a carrier wafer; forming spherical welding points on the back surface; and etching the device wafer from the back surface to form an optical coupling end surface penetrating through the device wafer. The invention simplifies the manufacturing process of the optical coupling end face in the three-dimensional integrated optical interconnection chip, improves the quality of the optical coupling end face and reduces the manufacturing cost of the three-dimensional integrated optical interconnection chip.)
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种三维集成光互连芯片中光耦合端面的制造方法。
背景技术
随着科学技术的持续发展，半导体器件的特征尺寸不断缩小，摩尔定律越来越接近物理极限，因此，仅仅通过减小器件尺寸的方式来提高芯片集成度变得越来越困难。为了解决这一问题，三维(Three Dimensional，3D)集成封装应运而生。三维集成封装技术是未来关键发展技术之一，是实现芯片小型化、克服信号延迟以及突破摩尔定律瓶颈的关键解决方案。三维集成封装的核心思想是将芯片在垂直于衬底的方向上进行堆叠和集成，并通过引线、硅通孔(Through Silicon Via，TSV)等方式实现垂直方向上的互连，以进一步提升单位面积内的集成密度，从而缩小封装尺寸。同时，三维集成封装还可以实现异质集成，使得光电子产品朝着更高集成密度和多功能的方向发展。
现阶段片上光互连最为可行的方案是基于3D集成硅光子互连，即将电芯片和集成的硅光芯片分别制备在不同的芯片上，利用硅光转接板实现3D光电集成，这一技术的突破在高速芯片领域将有巨大的市场空间。
现有硅光芯片的光耦合端面是通过深刻蚀结合传统解理的工艺而制作的，较容易获得高质量的光耦合端面，且不影响光纤到硅光芯片的耦合对准过程。但是，在3D集成封装的实现过程中，由于TSV的制作工艺以及后续球形焊点等工艺的引入，如果仍然采用上述深刻蚀工艺来进行光耦合端面的制作，深刻蚀沟槽的存在将会对后续的晶圆减薄和球形焊点工艺实现造成较大的影响。同时，仅采用传统的解理方法则很难保证硅光芯片中光耦合端面的质量，影响光纤到硅光芯片的光耦合效率。
因此，如何确保三维集成光互连芯片中光耦合端面的质量，降低工艺复杂度，是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种三维集成光互连芯片中光耦合端面的制造方法，用以解决现有的三维集成光互连芯片中光耦合端面制造工艺复杂的问题，同时改善光耦合端面的质量。
为了解决上述问题，本发明提供了一种三维集成光互连芯片中光耦合端面的制造方法，包括如下步骤：
提供一器件晶圆，所述器件晶圆包括具有器件结构的正面以及与所述正面相对的背面，且所述器件晶圆具有自所述正面向所述背面方向延伸的硅通孔；
将所述正面与一载体晶圆键合；
形成球形焊点于所述背面；
自所述背面刻蚀所述器件晶圆，形成贯穿所述器件晶圆的光耦合端面。
优选的，将所述正面与一载体晶圆键合之前还包括如下步骤：
填充导电材料于所述硅通孔内。
优选的，所述导电材料为铂、金、铜、钛和钨中的一种或多种。
优选的，所述器件晶圆包括SOI衬底；将所述正面与一载体晶圆键合的具体步骤包括：
刻蚀所述SOI衬底中的顶层硅和埋氧化层，形成暴露所述SOI衬底中底层硅的开口区域；
沉积键合材料层于所述开口区域内及所述顶层硅表面，以键合所述器件晶圆与所述载体晶圆。
优选的，所述键合材料层的材质为高分子临时键合材料。
优选的，形成球形焊点于所述背面的具体步骤包括：
自所述背面减薄所述器件晶圆，暴露所述硅通孔；
形成球形焊点于已暴露的所述硅通孔端部。
优选的，自所述背面刻蚀所述器件晶圆，形成贯穿所述器件晶圆的光耦合端面的具体步骤包括：
自所述背面朝向所述正面方向刻蚀所述器件晶圆，暴露所述开口区域，形成所述光耦合端面。
优选的，自所述背面刻蚀所述晶圆，形成贯穿所述器件晶圆的光耦合端面之后还包括如下步骤：
解键合以分离所述载体晶圆与所述器件晶圆。
本发明提供的三维集成光互连芯片中光耦合端面的制造方法，在通过深刻蚀形成光耦合端面之前，先将器件晶圆中形成有器件结构的正面与载体晶圆键合，且在器件晶圆的背面完成球形焊点的制备工艺之后，再从背部刻蚀器件晶圆，以形成贯穿所述器件晶圆的光耦合端面。因此，本发明在简化三维集成光互连芯片中光耦合端面的制造工艺的同时，改善了光耦合端面的质量，降低了三维集成光互连芯片的制造成本。
附图说明
附图1是本发明
具体实施方式
中三维集成光互连芯片中光耦合端面的制造方法流程图；
附图2A-图2H是本发明具体实施方式中三维集成光互连芯片中光耦合端面制造过程中的主要工艺截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的三维集成光互连芯片中光耦合端面的制造方法的具体实施方式做详细说明。
本具体实施方式提供了一种三维集成光互连芯片中光耦合端面的制造方法，附图1是本发明具体实施方式中三维集成光互连芯片中光耦合端面的制造方法流程图，附图2A-图2H是本发明具体实施方式中三维集成光互连芯片中光耦合端面制造过程中的主要工艺截面示意图。如图1、图2A-图2H所示，本具体实施方式提供的三维集成光互连芯片中光耦合端面的制造方法，包括如下步骤：
步骤S11，提供一器件晶圆，所述器件晶圆包括具有器件结构的正面201以及与所述正面201相对的背面202，且所述器件晶圆具有自所述正面201向所述背面202方向延伸的硅通孔21，如图2A所示。其中，所述器件晶圆包括衬底，所述衬底可以为硅衬底、SOI(Silicon On Insulator，绝缘体上硅)衬底或GOI(Germanium On Insulator，绝缘体上锗)衬底等。本具体实施方式中，自所述器件晶圆形成有器件结构的所述正面201进行刻蚀，形成所述硅通孔21。在本步骤中，优选所述硅通孔21未贯穿至所述器件晶圆的所述背面202。
步骤S12，将所述正面201与一载体晶圆24键合，如图2D所示。所述载体晶圆24用于对所述器件晶圆起支撑作用，便于后续对所述器件晶圆的所述背面202进行操作。其中，所述载体晶圆24的具体类型，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如可以为硅晶圆，本具体实施方式对此不作限定。
优选的，将所述正面201与一载体晶圆24键合之前还包括如下步骤：填充导电材料于所述硅通孔21内，如图2B所示。通过所述硅通孔21内填充的导电材料实现所述三维集成光互连芯片在垂直于所述器件晶圆的衬底方向上的互连。更优选的，所述导电材料为铂、金、铜、钛和钨中的一种或多种。
为了便于后续确定光耦合端面的位置，简化从背面到正面方向的刻蚀工艺，以进一步提高所述三维集成光互连芯片光耦合端面的性能，优选的，所述器件晶圆包括SOI衬底；将所述正面201与一载体晶圆24键合的具体步骤包括：
(S12-1)刻蚀所述SOI衬底中的顶层硅23和埋氧化层22，形成暴露所述SOI衬底中底层硅20的开口区域203，如图2C所示；
(S12-2)沉积键合材料层25于所述开口区域202内及所述顶层硅23表面，以键合所述器件晶圆与所述载体晶圆24。为了便于后续分离所述器件晶圆与所述载体晶圆，更优选的，所述键合材料层25的材质为高分子临时键合材料。其中，采用粘胶型的高分子临时键合材料键合所述器件晶圆的所述正面201与所述载体晶圆之后，在解键合的过程中，只需要采用相应的化学溶剂溶解所述高分子临时键合材料即可，操作简单、便捷，且能够避免对位于所述器件晶圆的所述正面201上器件结构的损坏。所述高分子临时键合材料的具体类型和对应解键合的方法，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如1-十二碳烯或者D-苧烯等。
步骤S13，形成球形焊点于所述背面202，如图2F所示。具体来说，形成球形焊点于所述背面的具体步骤包括：
(S13-1)自所述背面202减薄所述器件晶圆，暴露所述硅通孔21，如图2E所示。在图2E中，经减薄处理后，在所述器件晶圆中与所述正面201相对的背面为预形成球形焊点的刻蚀面2021。其中，减薄所述底层硅20的具体方法，可以是但不限于机械研磨(Grinding)、干法刻蚀、湿法刻蚀或者等离子刻蚀、化学机械抛光(CMP)，一种或者几种的结合。由于在实施减薄工艺之前，已经对所述硅通孔21进行了填充，通过减薄工艺可以露出硅通孔21的位置，同时保证硅通孔21的表面质量。
(S13-2)形成球形焊点27于已暴露的所述硅通孔21端部。所述球形焊点27作为后续封装工艺的引脚。所述球形焊点27的材质可以但不限于锡，以在提高所述三维集成光互连芯片焊点的键合和导电性能。
步骤S14，自所述背面202刻蚀所述器件晶圆，形成贯穿所述器件晶圆的光耦合端面28，如图2H所示。
优选的，自所述背面202刻蚀所述器件晶圆，形成贯穿所述器件晶圆的光耦合端面的具体步骤包括：
自所述背面202朝向所述正面201方向刻蚀所述器件晶圆，暴露所述开口区域203，形成所述光耦合端面28。
具体来说，首先，于形成有所述球形焊点的所述刻蚀面2021涂布一层光刻胶层26；然后，对所述光刻胶层26进行光刻，去除与所述开口区域203对应的光刻胶，以在所述刻蚀面2021定义出刻蚀窗口；接着，自所述刻蚀面2021(即减薄后的器件晶圆背面)，采用深刻蚀工艺在所述刻蚀窗口内自所述刻蚀面2021开始对所述底层硅20进行刻蚀，形成贯穿所述底层硅20的光耦合端面28，如图2G所示；最后，去除所述光刻胶层26。其中，在形成有所述球形焊点的器件晶圆背面定义出刻蚀窗口的过程中，为了提高所述刻蚀窗口与所述开口区域203的对准精度，可以在所述正面201上设置对准标记。
优选的，自所述背面202刻蚀所述器件晶圆，形成贯穿所述器件晶圆的光耦合端面28之后还包括如下步骤：解键合以分离所述载体晶圆24与所述器件晶圆。
本具体实施方式提供的三维集成光互连芯片中光耦合端面的制造方法，在通过深刻蚀形成光耦合端面之前，先将器件晶圆中形成有器件结构的正面与载体晶圆键合，且在器件晶圆的背面完成球形焊点的制备工艺之后，再刻蚀减薄后的器件晶圆，以形成所述器件晶圆的光耦合端面。因此，本发明在简化三维集成光互连芯片中光耦合端面的制造工艺的同时，改善了光耦合端面的质量，降低了三维集成光互连芯片的制造成本。
不仅如此，本具体实施方式还提供了一种三维集成光互连芯片，所述三维集成光互连芯片的结构参见图2H。如图2H所示，本具体实施方式提供的三维集成光互连芯片，包括：器件晶圆，所述器件晶圆包括具有器件结构的正面以及与所述正面相对的背面，且所述器件晶圆具有自所述正面向所述背面方向延伸的硅通孔21；载体晶圆24，与所述器件晶圆的正面键合；所述器件晶圆的背面具有球形焊点27以及自所述背面向所述正面延伸的光耦合端面28。所述载体晶圆24用于对所述器件晶圆起支撑作用，便于后续对所述器件晶圆的所述背面进行操作。其中，所述载体晶圆24的具体类型，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如可以为硅晶圆，本具体实施方式对此不作限定。
本具体实施方式中，硅通孔的延伸方向与光耦合端面的延伸方向相反，即光耦合端面是自形成有球形焊点的器件晶圆背面向正面延伸，与现有技术中自器件晶圆正面向背面延伸的光耦合端面相比，本具体实施方式有效改善了光耦合端面的质量，降低了三维集成光互连芯片的制造成本。
在本具体实施方式中，所述器件晶圆包括衬底，所述衬底可以为硅衬底、SOI(Silicon On Insulator，绝缘体上硅)衬底或GOI(Germanium On Insulator，绝缘体上锗)衬底等。本具体实施方式中，所述硅通孔21是自所述器件晶圆形成有器件结构的所述正面201刻蚀形成的。
优选的，所述硅通孔21内填充有导电材料。更优选的，所述导电材料为铂、金、铜、钛和钨中的一种或多种。本具体实施方式中，通过所述硅通孔21内填充的导电材料实现所述三维集成光互连芯片在垂直于所述器件晶圆的衬底方向上的互连。
优选的，所述器件晶圆包括SOI衬底；所述器件晶圆的正面具有贯穿所述SOI衬底中顶层硅23和埋氧化层22的开口；键合材料层25填充于所述开口内及所述顶层硅23表面，所述载体晶圆24通过所述键合材料层25与所述器件晶圆的正面键合。
为了便于后续分离所述器件晶圆与所述载体晶圆24，优选的，所述键合材料层25的材质为高分子临时键合材料。其中，采用粘胶型的高分子临时键合材料键合所述器件晶圆的所述正面与所述载体晶圆之后，在解键合的过程中，只需要采用相应的化学溶剂溶解所述高分子临时键合材料即可，操作简单、便捷，且能够避免对位于所述器件晶圆的所述正面上器件结构的损坏。所述高分子临时键合材料的具体类型和对应解键合的方法，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如1-十二碳烯或者D-苧烯等。
优选的，所述球形焊点27位于所述硅通孔21暴露于所述器件晶圆背面的端部。所述球形焊点27作为后续封装工艺的引脚。所述球形焊点27的材质可以但不限于锡，以在提高所述三维集成光互连芯片焊点的键合和导电性能。
优选的，所述光耦合端面28贯穿所述器件晶圆，并与所述开口对应设置。
本具体实施方式提供的三维集成光互连芯片，光耦合端面是自具有球形焊点的器件晶圆背面向具有器件结构的正面延伸形成的，因此，在有效改善光耦合端面的质量的同时，也降低了三维集成光互连芯片的制造成本。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。