基于电光调制器及驱动电路的三维集成器件及方法
阅读说明：本技术 基于电光调制器及驱动电路的三维集成器件及方法 (Three-dimensional integrated device and method based on electro-optical modulator and driving circuit ) 是由 黄北举 张赞允 陈弘达 于 2021-09-13 设计创作，主要内容包括：本发明揭示了一种基于电光调制器及驱动电路的三维集成器件及方法,所述器件包括驱动电路结构、及集成于驱动电路结构上的电光调制器,所述电光调制器包括层叠设置于驱动电路结构上的隔离层、倒脊型波导结构、包层、及行波电极,所述倒脊型波导结构包括氮化硅层及位于氮化硅层上方的铌酸锂单晶薄膜,氮化硅层中形成有若干刻蚀区域,所述行波电极与驱动电路结构电气连接。本发明中驱动电路与电光调制器通过垂直三维集成和通孔的方式进行电气连接,可将驱动电路中的高频电信号传输到电光调制器的行波电极中,通过电光效应将高频信号加载到氮化硅/铌酸锂光波导的光波中,从而实现电信号到光信号的转换。(The invention discloses a three-dimensional integrated device and a method based on an electro-optical modulator and a driving circuit, wherein the device comprises a driving circuit structure and the electro-optical modulator integrated on the driving circuit structure, the electro-optical modulator comprises an isolation layer, an inverted ridge waveguide structure, a cladding and a traveling wave electrode which are stacked on the driving circuit structure, the inverted ridge waveguide structure comprises a silicon nitride layer and a lithium niobate single crystal film positioned above the silicon nitride layer, a plurality of etching areas are formed in the silicon nitride layer, and the traveling wave electrode is electrically connected with the driving circuit structure. The driving circuit and the electro-optical modulator are electrically connected in a vertical three-dimensional integration and through hole mode, a high-frequency electric signal in the driving circuit can be transmitted to a traveling wave electrode of the electro-optical modulator, and the high-frequency signal is loaded to an optical wave of the silicon nitride/lithium niobate optical waveguide through an electro-optical effect, so that the conversion from the electric signal to the optical signal is realized.)
技术领域
本发明属于集成电路及光通信技术领域，具体涉及一种基于电光调制器及驱动电路的三维集成器件及方法。
背景技术
近半个多世纪以来，随着集成电路的发展，微电子工艺已经惊人的成熟，而且随着工艺特征尺寸不断缩小，集成电路的集成度也一直按照摩尔定律飞速向前发展。芯片更高的集成度带来的不仅仅是晶体管数目的增加，更是芯片功能与处理速度的提升。然而，随着特征尺寸的不断缩小和集成度不断增加，微电子工艺的局限性也日趋明显。一方面是由于器件线宽的不断减小，传统的光刻加工手段已经接近极限，此外，当器件尺寸接近纳米尺度时，将会引入不可期望的量子物理效应，从而导致器件失效。另一方面是由于随着晶体管尺寸和互连线尺寸同步缩小，单个晶体管的延时和功耗越来越小，而互连线的延时和功耗却越来越大并逐渐占据主导。在当今的处理器中，电互连引起的功耗占了整个芯片总功耗的80％以上。因此，可以看到深亚微米特征尺寸下电互连延迟和功耗的瓶颈，已经严重制约了芯片性能的进一步提高。片上互连迫切需要一种比电互连更高速更宽带的互连方式。
相比微电子技术，光纤通信技术虽然起步较晚，但是发展速度惊人。光纤通信具有光纤尺寸小、寿命长、传输损耗低、信号干扰小、抗电磁干扰强等优点，因此备受瞩目。毫无疑问，在长距离通信中光互联的优势是明显的，也取得了广泛的应用和成功，于是研究人员们设想能否将光互连引入到芯片级尺寸来代替电互连，近十几年来随着人们的研究，通信方式已经从传统的电互连到光互连逐步的过渡，尤其是中短距离的通信，目前虽然还是电互连为主，但是光互连也占有了一部分市场。目前光互连尚未涉足的领域就是片间以及片内的通信。从两种互连方式比较而言，光互连有明显的优势，高带宽、抗电磁干扰、延迟小等优点是芯片内电互连线所无法比拟的。因此，芯片级的光子技术的研究是当前研究热点之一。
近年来，SOI材料由于具有强的光限制能力以及硅在光通信波段透明的特性，成为一个极具吸引力的硅光子技术平台，并且发展十分迅速。光栅耦合器，电光调制器，光电探测器，波分复用/解复用器件等的问世预示着芯片级光互连技术成为现实的可能。但是对于电光调制器而言，硅材料的Pockels效应和Kerr效应都很弱，现有的硅基电光调制器主要是基于SOI光波导结构并且利用等离子体色散效应实现硅基电光调制功能。等离子体色散效应是一种基于自由载流子散射吸收的物理效应，通过特定的电学结构注入或者抽取出掺杂区域内的自由载流子从而引起光波导区域折射率的改变。为了实现超高速的光学调制，主流的硅基光调制器通常采用基于载流子耗尽的PN结相移器结构，同时采用微环谐振腔结构或者马赫-曾德干涉仪结构实现光强度调制。经过近些年的研究开发，硅基电光调制器在通信速度、插入损耗、功耗等方面取得了重大进步。然而由于等离子体色散效应天然的光吸收特性以及对外加电压时会导致信号畸变。此外，由于基于载流子耗尽机制的硅的等离子体色散效应较弱，硅基马赫-曾德电光调制器通常需要较大的相移臂长度才能实现足够的调制深度，而较大的相移长度又意味着较长的共面波导行波电极，这使得以电极微波损耗为主要带宽限制的调制器有源传输线结构面临着约为60GHz的传输带宽极限。虽然采用掺杂优化降低PN结串联电阻、单驱动推挽式结构降低驱动电容、采用铜电极以及Ti/TiN/AlCu电极材料降低电极损耗、通过衬底去除技术减小衬底微波损耗等技术方案已经被证明可以有效改善高频下行波电极的微波损耗，但是这些技术也难以根本上解决现有硅基电光调制器的带宽瓶颈和面临的性能折衷问题。
为了解决上述问题，人们对现有材料进行了梳理，发现铌酸锂体材料具有良好的线性Pockels效应，良好的光折变性能，是当前较好的相移器材料，但是由于铌酸锂体材料相对于光波导结构来说体积较大，于是人们将铌酸锂体材料进行处理，通过离子注入与直接键合的方式制备出的铌酸锂单晶薄膜材料，而由于其具有较好的化学稳定性以及较低的韧性，导致了铌酸锂波导很难进行刻蚀。所以通常将铌酸锂单晶薄膜材料与其他光学波导材料进行配合来实现调制的目的。相比硅波导，氮化硅波导不仅同样具有超低损耗、超紧凑、CMOS工艺兼容等特点，还拥有较好的热稳定性，折射率和铌酸锂单晶薄膜材料相近等硅波导不具有的优点。因此，氮化硅波导被认为非常适合与铌酸锂单晶薄膜材料实现混合电光调制器。此外，氮化硅材料虽然是无源光器件的绝佳选择，但由于无法实现掺杂，在有源器件领域仍然处于空白。采用氮化硅波导和铌酸锂单晶薄膜材料实现混合电光调制对于氮化硅基光电集成方案意义重大，同时由于氮化硅波导的CMOS后工艺兼容特点，开展氮化硅铌酸锂薄膜材料的光电集成可以为氮化硅光电子三维集成提供一个绝佳的技术方案。
传统的混合集成方式是通过引线键合和倒装芯片的方法来实现，引线键合会造成不必要的电信号损耗以及信号延时；而倒装芯片需要较高的对准精度，以及热量的高度集中，对散热要求很高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种带宽高、寄生效应小以及易于封装的基于电光调制器及驱动电路的三维集成器件及方法。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种基于电光调制器及驱动电路的三维集成器件，所述器件包括驱动电路结构、及集成于驱动电路结构上的电光调制器，所述电光调制器包括层叠设置于驱动电路结构上的隔离层、倒脊型波导结构、包层、及行波电极，所述倒脊型波导结构包括氮化硅层及位于氮化硅层上方的铌酸锂单晶薄膜，氮化硅层中形成有若干刻蚀区域，所述行波电极与驱动电路结构电气连接。
一实施例中，所述刻蚀区域中填充有介质层，所述介质层为空气介质层或苯丙环丁烯介质层。
一实施例中，所述驱动电路结构包括若干驱动电极，所述电光调制器中的行波电极与驱动电路结构中的驱动电极电气连接。
一实施例中，所述驱动电极位于驱动电路结构的上表面，行波电极位于电光调制器的上表面，所述电光调制器还包括贯穿隔离层、倒脊型波导结构及包层的通孔，以及位于通孔内的导电柱，所述行波电极通过导电柱与驱动电极电气连接。
一实施例中，所述隔离层为二氧化硅隔离层；和/或，所述包层为二氧化硅包层；和/或，所述驱动电路结构为CMOS驱动电路结构。
本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种基于电光调制器及驱动电路的三维集成方法，所述方法包括：
制备第一外延结构，提供驱动电路结构，在驱动电路结构上依次外延生长隔离层及氮化硅层，并刻蚀部分区域的氮化硅层，形成贯穿氮化硅层的刻蚀区域；
制备第二外延结构，提供衬底，在衬底上依次外延生长包层及铌酸锂单晶薄膜；
基于晶圆键合工艺，将第二外延结构倒置键合于第一外延结构上；
去除第二外延结构中的衬底；
在包层上形成与驱动电路结构电气连接的行波电极。
一实施例中，所述方法还包括：
在刻蚀区域中填充介质层，所述介质层为空气介质层或苯丙环丁烯介质层。
一实施例中，所述驱动电路结构包括若干驱动电极，所述电光调制器中的行波电极与驱动电路结构中的驱动电极电气连接。
一实施例中，“在包层上形成与驱动电路结构电气连接的行波电极”具体为：
刻蚀隔离层、倒脊型波导结构及包层，形成与驱动电极相连通的通孔；
在通孔内形成与驱动电极电气连接的导电柱；
在包层上形成与导电柱电气连接的行波电极；
或，“在包层上形成与驱动电路结构电气连接的行波电极”具体为：
刻蚀隔离层、倒脊型波导结构及包层，形成与驱动电极相连通的通孔；
刻蚀包层形成电极区域；
在通孔内形成与驱动电极电气连接的导电柱；
在包层的电极区域形成与导电柱电气连接的行波电极。
一实施例中，所述隔离层为二氧化硅隔离层；和/或，所述包层为二氧化硅包层；和/或，所述驱动电路结构为CMOS驱动电路结构。
本发明具有以下有益效果：
本发明中驱动电路与电光调制器通过垂直三维集成和通孔的方式进行电气连接，可将驱动电路中的高频电信号传输到电光调制器的行波电极中，通过电光效应将高频信号加载到氮化硅/铌酸锂光波导的光波中，从而实现电信号到光信号的转换；
本发明利于集成，隔离层可以控制电路与光路部分的高度差，减少电路热源到光路部分的扩散，从而控制光路部分的温度变化幅度，提高了通信质量。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一具体实施例中三维集成器件的结构示意图；
图2为本发明一具体实施例中氮化硅/铌酸锂光波导的结构示意图；
图3为本发明一具体实施例中三维集成方法的流程示意图；
图4a～4i为本发明一具体实施例中三维集成方法的工艺流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种基于电光调制器及驱动电路的三维集成器件，包括驱动电路结构、及集成于驱动电路结构上的电光调制器，电光调制器包括层叠设置于驱动电路结构上的隔离层、倒脊型波导结构、包层、及行波电极，倒脊型波导结构包括氮化硅层及位于氮化硅层上方的铌酸锂单晶薄膜，氮化硅层中形成有若干刻蚀区域，行波电极与驱动电路结构电气连接。
本发明还公开了一种基于电光调制器及驱动电路的三维集成方法，包括：
制备第一外延结构，提供驱动电路结构，在驱动电路结构上依次外延生长隔离层及氮化硅层，并刻蚀部分区域的氮化硅层，形成贯穿氮化硅层的刻蚀区域；
制备第二外延结构，提供衬底，在衬底上依次外延生长包层及铌酸锂单晶薄膜；
基于晶圆键合工艺，将第二外延结构倒置键合于第一外延结构上；
去除第二外延结构中的衬底；
在包层上形成与驱动电路结构电气连接的行波电极。
以下结合具体实施例对本发明的三维集成器件及方法作进一步说明。
参图1、图2所示，本发明一具体实施例中的三维集成器件，包括驱动电路结构100、及集成于驱动电路结构上的电光调制器200。
驱动电路结构100为CMOS驱动电路结构，CMOS驱动电路结构采用硅衬底，且上表面上设有若干驱动电极101。
电光调制器200包括层叠设置于驱动电路结构上的隔离层201、倒脊型波导结构、包层204、及行波电极205，倒脊型波导结构包括氮化硅层202及位于氮化硅层上方的铌酸锂单晶薄膜203，氮化硅层202中形成有若干刻蚀区域2021，行波电极205与驱动电路结构中的驱动电极101电气连接。
本实施例中的刻蚀区域中填充有介质层，优选地，本实施例中的介质层为空气介质层，在其他实施例中也可以为苯丙环丁烯介质层。
优选地，本实施例中的隔离层为二氧化硅隔离层，包层为二氧化硅包层。
进一步地，电光调制器200还包括贯穿隔离层、倒脊型波导结构及包层的通孔，以及位于通孔内的导电柱206，包层上刻蚀形成有电极区域，行波电极205形成于电极区域中，且行波电极205通过导电柱206与驱动电极101电气连接。
由于铌酸锂单晶薄膜具有良好的线性Pockels效应，较低的损耗而且与氮化硅材料折射率相近，所以本发明设计了一种氮化硅在下方铌酸锂单晶薄膜在上方的倒脊型波导结构，以实现对光相位调制的功能，该波导结构具有低损耗，高模场限制因子的优势。
参图3所示，本实施例中基于电光调制器及驱动电路的三维集成方法包括：
制备第一外延结构，提供驱动电路结构，在驱动电路结构上依次外延生长隔离层及氮化硅层，并刻蚀部分区域的氮化硅层，形成贯穿氮化硅层的刻蚀区域；
制备第二外延结构，提供衬底，在衬底上依次外延生长包层及铌酸锂单晶薄膜；
基于晶圆键合工艺，将第二外延结构倒置键合于第一外延结构上；
去除第二外延结构中的衬底；
在包层上形成与驱动电路结构电气连接的行波电极。
具体地，本实施例中三维集成方法具体包括以下步骤：
1、首先制备第一外延结构。
参图4a所示，首先提供一个匹配的驱动电路结构100，本实施例中的驱动电路结构100为CMOS驱动电路结构，CMOS驱动电路结构采用硅衬底，且上表面上设有若干驱动电极101。
参图4b所示，在CMOS驱动电路结构100上外延生长隔离层201，本实施例中的隔离层201为二氧化硅隔离层。隔离层用于实现光电分层以及电路产生的热量与光路产生的热量隔离，减少温度对光的相位造成影响。
参图4c、4d所示，在隔离层201上外延生长氮化硅层202，并刻蚀部分区域的氮化硅层，形成贯穿氮化硅层的刻蚀区域2021。氮化硅层202能够形成光传递所需的光波导。
进一步地，本实施例中刻蚀区域中填充空气介质层，在其他实施例中也可以填充其他介质层。
2、而后制备第二外延结构。
参图4e所示，提供衬底207，在衬底207上依次外延生长包层204及铌酸锂单晶薄膜203。本实施例中包层204为二氧化硅包层，铌酸锂单晶薄膜的制备属于现有技术，此处不再进行赘述。
3、将第一外延结构和第二外延结构进行键合。
参图4f所示，基于晶圆键合工艺，将第二外延结构倒置键合于第一外延结构上，形成铌酸锂单晶薄膜在上、二氧化硅包层在下的倒脊型波导结构，光信号将在这种混合波导中进行传输。
4、参图4g所示，去除第二外延结构中的衬底，方便后续工艺的进行。
5、最后，在包层上形成与驱动电路结构电气连接的行波电极。
首先，参图4h所示，刻蚀隔离层、倒脊型波导结构及包层，直到底层的CMOS驱动电路结构，形成与驱动电极相连通的通孔2061；再刻蚀包层形成电极区域2051；
而后，参图4i所示，在通孔2061内沉积金属，形成与驱动电极电气连接的导电柱206；并在包层的电极区域2051内沉积金属，形成与导电柱206电气连接的行波电极205，行波电极205通过导电柱206与驱动电极101电气连接。
通过导电柱206和行波电极205的设置，能够实现将底层CMOS驱动电路结构的高频电信号传输到上层行波电极205中。
当然，在其他实施例中也可以仅刻蚀形成通孔，而不刻蚀形成电极区域，此时行波电极205直接形成于包层上方。
本实施例中通过CMOS驱动电路结构将高频电信号以通孔电极的方式传输到上层的行波电极中，由于铌酸锂单晶薄膜具有良好的线性Pockels效应，通过高频电信号电场的变化，使得氮化硅/铌酸锂光波导内光的相位发生了变化，从而实现到电信号到光信号的转换，完成电光调制。
由以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明中驱动电路与电光调制器通过垂直三维集成和通孔的方式进行电气连接，可将驱动电路中的高频电信号传输到电光调制器的行波电极中，通过电光效应将高频信号加载到氮化硅/铌酸锂光波导的光波中，从而实现电信号到光信号的转换；
本发明利于集成，隔离层可以控制电路与光路部分的高度差，减少电路热源到光路部分的扩散，从而控制光路部分的温度变化幅度，提高了通信质量。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
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