[发明专利]三维垂直互连硅基光电同传器件及其制作方法

说明书

技术领域

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

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一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。

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

本发明解决的技术问题是提供一种三维集成中基于硅基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。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

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。

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。

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，在硅基板正面刻蚀若干垂直于硅基板的盲孔，盲孔包括成品的垂直硅通孔和垂直光通孔；

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3~10μm；

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；