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

技术领域

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

1.3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。

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。

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。

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。

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。

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。

希望避免或减少集成光电器件中的这些缺点。

发明内容

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。

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。

本文公开的集成光电器件的实施例包括

-衬底，具有包括一个或多个电子部件的硅层；

-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；

-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；

-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；

-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

-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

-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。

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

-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，

-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

-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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

以下部分旨在指导本说明书中使用的术语的解释。

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。

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

-产生光，

-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

-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

-检测光，特别是光强度或它的其他提到的属性之一。

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。

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。

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。

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。

在下文中，将描述本发明的光电器件的其他实施例。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Si

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。

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。

根据本发明的第二方面，用于制造光电器件的方法包括：

-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；

-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

-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

-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

-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；

其中制造光学互连结构包括

-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。

该方法的实施例包括布置和配置光学耦合波导元件，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FEOL耦合部分接收期望波长范围内的光辐射，

-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

-将一个或多个超模分别耦合到FEOL耦合部分或BEOL耦合部分。

附图说明

在下文中，将另外参照附图描述进一步的实施例。在附图中：

图1是根据本发明的实施例的光电器件的示意性截面图；

图2A至2C是用于光电器件的光学耦合区域中的光学互连结构的实施例的不同视图；

图3A至3C是用于光电器件的光学耦合区域中的光学互连结构的实施例的不同视图；

图4A和4B是用于光电器件的光学耦合区域中的光学互连结构的实施例的不同视图；

图5A至5C是用于光电器件的光学耦合区域中的光学互连结构的不同实施例的示意图；

图6A是示出了在两个正交方向x和y上模场直径与波导元件厚度减小的相关性的曲线图；

图6B和6C是示出不同厚度的波导元件中模式的等比例二维视图的模拟结果；和

图7至12是具有不同光子部件的光电器件的不同实施例的示意性俯视图。

具体实施方式

图1是根据本发明的实施例的集成光电器件100的示意性截面图。

集成光电器件100包括衬底102，其在本例中是绝缘体上硅(SOI)衬底，在掩埋氧化物(BOX)层106上具有硅层104。BOX层106布置在衬底102的体底部硅层(未示出)上。

硅层104包括电子部件。出于说明的目的，仅示出了三个电子部件108、100、112，并且仅由相应的矩形示意性地表示。电子部件是用于处理电子信号的部件，例如可以是场效应晶体管(FET)、双极晶体管、二极管或任何其他种类的电子部件，它们可以使用给定的工艺技术(例如MOS技术，特别是NMOS、PMOS、CMOS或BiCMOS技术)布置在SOI衬底102的硅层中。在集成光电器件100中，所有的电子部件放置在硅层104的一个或多个专用“电子区域”ER中，这些区域不包括用于引导或处理光学信号的光学部件，而仅包括电子部件。

互连叠层114布置在衬底102上。它包括多个金属层。在本示例性实施例中，提供了三个金属层M1至M3，随后是两个顶部金属层TM1和TM2。为了图形表示的清晰，金属层由各自的水平实线表示。金属层通过随着距衬底垂直距离的增加而递增计数的顺序号来命名，从最靠近衬底硅层的第一金属层M1开始，直到距衬底102最高垂直距离处的第二顶部金属层TM2。金属和顶部金属层包含结构化的金属连接迹线，例如金属连接迹线116，其在图1中全部由粗斜线阴影表示。不同的金属层各自嵌入在层间电介质材料118(例如SiO

除了这样的电子部件和它们的互连结构之外，光电器件100包括一个或多个光子部件122、光波导和光学互连结构，它们都将在下面描述。

值得注意的是，光子部件122被布置在距衬底102大于从金属层M1到M3中的最高金属层距衬底的距离的垂直距离处，即，在当前情况下高于第三金属层。具体地，在本示例性实施例中，光子部件122布置在顶部金属层TM1和TM2之间的互连叠层114中。光子部件122在图1中仅由交叉阴影线框示意性地表示。在图7至图12中将更详细地示出可以集成为光电器件100中的光子部件122的示例性部件。光子部件122通过设置在第二顶部金属层TM2上的接触迹线124和126电连接。

光子部件122还与光学的第一光波导128连接，第一光波导128布置在互连叠层114中的第一顶部金属层TM1上，并且光学耦合到光子部件122。第一光波导128在本文被称为BEOL波导128，用于在制造光电器件100的后段制程(BEOL)工艺阶段中制造。在本示例性实施例中，BEOL波导128具有第一BEOL波导部分128.1和光学BEOL耦合部分128.2，第一波导部分128.1可以例如用于向光子部件122提供光学输入信号，光学耦合部分128.2用于向光学互连结构132提供由光子部件122处理的光学输出信号。图1所示的BEOL波导128的特定结构是示例性的，并且可以根据特定应用情况的要求而变化。这将从其他实施例的描述中变得清楚，特别是结合图2至5。

光电器件100还具有第二光波导管130，其布置在衬底102的硅层104中。第二光波导130在本文被称为FEOL波导130，用于在制造光电器件100的前段制程(FEOL)工艺阶段中制造。FEOL波导130具有光学FEOL耦合部分130.1。同样，图1中所示的FEOL波导130的特定结构是示例性的，并且可以根据给定应用情况的要求而变化。

所提到的光学互连结构132在BEOL耦合部分128.2和FEOL耦合部分130.1之间的光学耦合区域OCR中横向延伸。为了定义的目的，光学耦合区域OCR的横向延伸包括互连叠层的横向重叠部分，其表现出BEOL耦合部分128.2或FEOL耦合部分130.1与互连结构132的横向重叠。在图1中，这种重叠部分的延伸由附图标记OL1和OL2表示。

光学互连结构132被布置和配置用于将来自BEOL耦合部分128.2的辐射光学耦合到FEOL耦合部分130.1中，反之亦然。为此，图1所示实施例的光学互连结构132包括由第一电介质材料制成的四个光学耦合波导元件132.1至132.4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。在光电器件100的期望操作波长范围内，第一电介质材料具有比嵌入的第二电介质材料更高的折射率值。在本实施例中，光学耦合波导元件的第一电介质材料是氮化硅Si

光学耦合的波导元件132.1至132.4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来从BEOL耦合部分128.2接收期望波长范围内的光辐射。此外，四个耦合的波导元件132.1至132.4被布置和配置用于使用耦合的光辐射来配合地形成和维持光辐射的一个或多个超模。每个超模是来自所有四个耦合的波导元件132.1至132.4的模式贡献的叠加，因此由每个单个的波导元件132.1至132.4贡献的模式的线性组合形成。因此，超模垂直延伸穿过耦合的光学耦合波导元件的垂直叠层。通过波导元件132.1至132.4之间的适当光学耦合可以实现超模。通过制造具有适当厚度和横向延伸的单个波导元件，将波导元件132.1至132.4以横向重叠的方式布置在适当的垂直距离上实现耦合，垂直距离特别地取决于波导元件的厚度。借助于器件模拟，可以在设计阶段确定波导元件的适当数量、各个波导元件的适当横向和垂直延伸参数、波导元件和电介质材料的适当材料选择以及波导元件的适当垂直和横向布置。将在图6A至图6C的上下文中给出对某些设计考虑的理解。作为特定布置的结果，波导元件132.1至132.4在光传播中配合作用。耦合波导元件132.1至132.4的布置还提供了一个或多个超模到FEOL耦合部分130.1的耦合。

BEOL波导128的BEOL耦合部分128.2和FEOL波导130的FEOL耦合部分130.1的横向延伸对应于与互连结构130的下一个相邻波导元件的各自横向重叠。然而，这只是近似的描述，并不意味着FEOL和BEOL波导的其他部分对光学耦合没有贡献。如将在以下附图的上下文中通过不同示例示出的，横向重叠OL1和OL2的延伸可以从包括完全横向重叠的范围中选择。

互连结构132的结构参数将通过适当的设计来选择，这取决于器件的期望总厚度、操作的期望波长和操作中要形成的合适的超模的边界条件。设计是灵活的，因为它可以适应给定BEOL工艺的设计约束。例如，由于与互连叠层114中的电子互连结构相关联的制造要求，光学互连结构132的成对的最近波导元件之间的垂直距离可以在互连叠层内变化。作为可以用来补偿互连叠层中相邻金属层之间的这种变化距离的示例性设计措施，可以调整单个波导元件的厚度。尽管如此，以下段落描述了光电器件100的不同变型的结构参数的典型合适值范围，其也适用于具有布置在顶部金属层上的光子部件的类似器件结构。

单个光波导元件132.1至132.4是长方体，并且分别具有在50和150微米之间的第一横向方向(z)上的第一横向延伸，以及在2微米和10微米之间的垂直于第一横向方向的第二横向方向(x)上的第二横向延伸。单个波导元件132.1至132.4的适当垂直延伸在10和300纳米之间。

FEOL耦合部分130.1和BEOL耦合部分128.1与光学互连结构132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，并且与它们各自最近的波导元件横向重叠。合适的是，波导元件132.1至132.4彼此之间的垂直距离在0.5和2微米之间。

在光电器件100的操作中，由光子部件122产生、调制或以其他方式处理的期望波长范围内的光辐射被提供给BEOL耦合部分128.1，并耦合到至少波导元件132.1中。波导元件的光模场实现了相互重叠耦合，这形成了光学信号在较长垂直距离上垂直传输的基础。使用耦合的光辐射，波导元件132.1至132.4因此配合地形成和维持一个或多个光辐射超模，该超模垂直延伸穿过由互连结构132形成的耦合的光学耦合波导元件的垂直叠层，并且将一个或多个超模耦合到FEOL耦合部分130.1中。

虽然上面的描述涉及光学信号在从BEOL波导128到FEOL波导130的方向上的传播，但是很清楚，光电器件100也可以用于处理在相反方向上传播的光学信号，而不改变结构。

如图1中光电器件100左侧所示的垂直厚度刻度所示，光学互连结构132在垂直距离上实现了高效的光学连接，在本示例中，垂直距离在BEOL波导128和FEOL波导130之间达到几乎9μm(微米)。对于适当调整的光学互连结构，10μm甚至更大的垂直距离同样是可能的。具有集成光子部件122的光电器件100的总器件厚度大约为16μm。

相比之下，具有由除Si之外的材料系统制成的光子部件的商业上可获得的光电器件的总厚度仅为几百纳米到几微米的数量级。这种现有技术的器件具有在FEOL正上方的光子部件和BEOL波导，因此在金属平面间距低于1μm的垂直区域中。

相比之下，通过使用光学互连结构132，集成光电器件100实现了克服现有技术关于器件厚度以及光子部件和BEOL波导的布置的限制的优点。通过在更高的金属层上，特别是在以相邻顶部金属层之间的更大垂直间距为特征的顶部金属层上，使用诸如光源和调制器的有源光子部件或诸如复用器、耦合器或衰减器的无源光子部件，可以实现优化的功能。在衬底102中的FEOL波导130上方约10μm处的互连叠层114中的有源光子部件122的集成区域的布置允许集成具有更大典型厚度(例如3μm)的光子部件，例如激光器。由于它们是在BEOL工艺阶段制造的，来自III-V或II-VI半导体化合物材料或来自其它非硅材料系统的光子部件可以被集成。

光电器件100还克服了与厚度限制相关的其他缺点，特别是高串联电阻、模式损耗或增加的外延努力。

下面的描述一起转向图2A至2C。图2A至2C是用于光电器件的光学耦合区域中的光学互连结构200的实施例的不同视图。特别地，图2A是光学互连结构200的示意性平面图，图2B是图2A的光学互连结构200的示意性截面图，图2C是示出了在图2B所示的截面平面的区域中波长为1550纳米的光的强度分布的模拟结果。在使用灰度的黑白表示中，灰色调越浅，强度越高。

出于图形简化的原因，仅示出了互连结构200，而没有示出其中可以使用互连结构的光电器件的其他结构元件。然而，图2的互连结构200类似于图1的互连结构132，这因此为互连结构200在任何类似类型的光电器件中的集成提供了足够的背景。

光学互连结构200具有嵌入在具有较低折射率的层间电介质材料202中的四个电介质波导元件200.1至200.4，在本例中，层间电介质材料202是SiO

因此，与两个级联的厚AlN波导的已知耦合结构(Zhu等人)相比，其中使用不支持超模形成的厚AlN波导来执行从一个定向AlN波导到下一个的简单成对耦合，光学互连结构200实现了从所有四个波导元件200.1至200.4的模式叠加的超模的配合形成。这样，光辐射可以在比Zhu等人已知的结构大得多的垂直距离上有效地在BEOL波导和FEOL波导之间耦合。虽然Zhu等人桥接2微米的垂直距离，但是图2A至2C的本实施例中的垂直距离达到7.5微米，并且甚至可以通过如上所述的适当设计变化进一步增加。

下面的描述一起转向图3A至3C。图3A至3C是用于光电器件的光学耦合区域中的光学互连结构300的实施例的不同视图。图3A是光学互连结构300的示意性平面图，图3B是图3A的光学互连结构300的示意性截面图，图3C是示出了在图3B所示的截面平面的区域中波长为1550纳米的光的强度分布的模拟结果。出于图形简化的原因，仅示出了互连结构300以及BEOL硅波导302和FEOL硅波导304的耦合部分，而没有示出可以使用互连结构的光电器件的其他结构元件。然而，图3的互连结构300类似于图1的互连结构132，这因此为互连结构300在任何类似类型的光电器件中的集成提供了足够的背景。

光学互连结构300具有嵌入在具有较低折射率的层间电介质材料301中的四个电介质波导元件300.1至300.4，在本例中，层间电介质材料301是SiO

各自相邻波导元件300.1至300.4之间的垂直距离是1.5μm。因此，波导元件300.1至300.4是等距垂直布置的。最上面的波导元件300.1和BEOL硅波导302之间的垂直距离是1.0μm。相比之下，最下面的波导元件300.4和FEOL硅波导304之间的垂直距离仅为1.0μm。因此，BEOL和FEOL硅波导302和304被布置成彼此相距大约6.5μm的垂直距离。从图3C中的模拟结果可以看出，在不同的波导元件300.1至300.4之间实现了从BEOL硅波导302耦合到最上面的波导元件300.1中的辐射的转移，使得辐射然后可以耦合到FEOL硅波导(未示出)中。

从图2C和3C之间的比较可以推断，不同的光学互连结构200和300产生不同的超模场。由互连结构200形成的超模具有更简单的几何形状，而由互连结构300形成的超模在几何上更复杂，并且形成许多不同的节点和波腹。

下面的描述一起转向图4A和4B，其示出了互连结构的结构元件的等距布置不是实现有效耦合的要求。图4A是光学互连结构400的示意性平面图，图4B是图4A的光学互连结构400的示意性截面图。同样，出于图形简化的原因，仅示出了互连结构400以及BEOL硅波导402和FEOL硅波导404的耦合部分，而没有示出可以使用互连结构400的光电器件的其他结构元件。然而，图4的互连结构400类似于图1的互连结构132，这因此为互连结构400在任何类似类型的光电器件中的集成提供了足够的背景。

光学互连结构400具有嵌入在具有较低折射率的层间电介质材料中的四个电介质波导元件400.1至400.4，在本例中，层间电介质材料是SiO

在本实施例中，各自相邻波导元件400.1至400.4之间的垂直距离不同。波导元件400.2和400.3之间以及波导元件400.3和400.4之间的垂直距离是1.5μm。然而，波导元件400.1和400.2之间的垂直距离大于1.5μm。因此，波导元件400.1至400.4不是等距垂直布置的。最上面的波导元件400.1和BEOL硅波导402之间的垂直距离大于1.0μm。相比之下，最下面的波导元件400.4和FEOL硅波导404之间的垂直距离仅为1.0μm。总的来说，BEOL和FEOL硅波导402和404彼此之间的垂直距离大于6.5μm。

图5A至5C是用于光电器件的光学耦合区域中的光学互连结构500、510、520的不同实施例的示意图。这些实施例通常类似于前面所示的那些。具体地，参考图1至4关于材料选择、横向和厚度延伸以及相互垂直距离的描述。所有三个光学互连结构500、510和520布置在BEOL波导502、512、522和FEOL波导504、514、524的绝热渐窄耦合部分502.1、512.1、522.1和504.1、514.1、524.1之间。互连结构500具有四个波导元件500.1至500.4，并且在其几何形状上对应于图2A和2B的互连结构200，因此将不进一步描述。图5B的互连结构510与图5A的互连结构的不同之处在于，它具有更多数量的波导元件510.1、510.2、…、510.n和510.n+1，这对于例如桥接BEOL和FEOL波导512、514之间的更大垂直距离是有用的。可以用于实现具有足够强度的光学互连的波导元件的数量n+1取决于几个因素，包括应用情况的要求，包括入射和出射光强度、待桥接的距离、波导元件的横向几何形状、所使用的材料以及用于形成超模的期望模式集。波导元件的数量还提供了额外的光学设计自由度(折射率超模，BEOL中的模式限制)。此外，波导元件的数量与BEOL叠层及其工艺相关。更多的互连级将需要更多的波导元件。波导元件的数量将根据BEOL互连叠层的设计来选择。另一方面，可以选择波导元件的数量以适合任何BEOL互连叠层。这强调了(Si)技术的广泛适用性。

图5C的互连结构520与图5A和5B的互连结构的不同之处在于，所有波导元件520.1至520.4具有相同的横向延伸。

用于实现有效光学互连的其他变型是可能的。特别是，不要求使用渐窄的BEOL和FEOL波导。在一种变型中，BEOL和FEOL波导中只有一个是渐窄的。在另一变型中，BEOL和FEOL波导不是渐窄的。在另一变型中，波导元件的数量高于四个，并且所有波导元件具有相同的横向延伸。

图6A是示出了从300nm的标准厚度开始，横向电(TE)模场的模场直径在两个正交方向x(虚线)和y(实线)上与波导元件的厚度减小的相关性的曲线图。波导的厚度从标准厚度减小，减小量沿着图6A的横坐标增加。可以看出，x和y方向上的模场直径随着波导元件厚度的减小而非线性增加，从而为光学互连结构的设计提供了有用的设计参数。为了这种效果的可视化，图6B和6C是模拟结果，示出了两种不同厚度的两个波导元件中TE模式的强度分布的等比例的二维视图(x，y)。用于图6B的模拟结果的波导元件具有300nm的厚度，并且用于图6C的模拟结果的波导元件具有50nm的厚度。在图6A的模场计算中和在图6B和6C的图像中使用的波导元件的横向延伸在x和y方向上都是3μm。在所有情况下，波长是1550nm。

图7至12是具有用于连接到光学互连结构的不同集成光子部件的光电器件的不同实施例的示意性俯视图。参考图1，图7至图12的实施例中所示的光子部件因此可以用于替代光子部件122。

图7示出了半导体激光器700形式的集成有源光子部件，其具有由III-V族半导体材料如GaAs或来自InGaAlAs材料族的另一种材料制成的有源激光器区域702。众所周知，有源激光器区域包括用于产生放大光的合适结构，并且通常包括多量子阱结构或类似的量子结构，其在一个或多个维度上实现电荷载流子限制。有源激光器区域702在其纵向末端光学耦合到渐窄Si波导704、706，每个波导具有光栅708、710，光栅708、710用作向有源激光器区域702提供反馈以形成激光谐振器的端镜。在本示例中，光栅710具有比光栅708更高的反射率，并且较低反射率的光栅708用于经由Si波导704的渐窄耦合部分704.1将谐振器中的光的一部分耦合到光学互连结构712中。光学互连结构712如在图1至图5的实施例的上下文中所描述的，并且在图7中没有示出结构细节。

图8示出了集成有源光子部件800，其包括在渐窄BEOL硅波导804和光学互连结构806之间的沙漏形状的非线性无源波导部件802。合适的非线性光学材料的非线性无源波导部件802可以例如用于实现入射光的相位调制，以实现期望的非线性效果，例如相位匹配或频率转换。光学互连结构806如在图1至图5的实施例的上下文中所描述的，并且在图8中没有示出结构细节。

图9示出了调制器900形式的集成有源光子部件，包括由III-V族半导体材料制成的有源调制器区域902。有源调制器区域902在其纵向末端光学耦合到渐窄BEOL Si波导904、906。Si波导906用于经由Si波导906的渐窄耦合部分906.1将光耦合到第一光学互连结构908中。第一光学互连结构908如在图1至图5的实施例的上下文中所描述的，并且在图9中没有示出结构细节。此外，要馈送到有源调制器区域902的光经由衬底层上的FEOL波导(未示出)提供，并且经由第二光学互连结构910进入BEOL Si波导904。第二光学互连结构910如在图1至图5的实施例的上下文中所描述的，并且在图9中没有示出结构细节。

图10示出了调制器1000形式的集成有源光子部件，其包括由铌酸锂(LNB)、钛酸钡(BTO)或锆钛酸铅(PZT)制成的有源调制器区域1002，可以通过向电极1004和1006施加电压来对调制器区域1002施加横向电场，以利用普克尔斯效应(Pockels effect)实现调制。BEOL波导1008在电极1004和1006之间延伸，并连接到光学互连结构(未示出)，如在图1至5的实施例的上下文中所述。

图11示出了耦合到BEOL SiN波导1102的光电二极管1100形式的集成有源光子部件。入射光从FEOL波导(未示出)经由光学互连结构(未示出)被提供给BEOL SiN波导1102，如在图1至5的实施例的上下文中所描述的。

图12示出了耦合到BEOL Si波导1202的光电探测器1200形式的集成有源光子部件。如在图1至5的实施例的上下文中所描述的，经由光学互连结构1204将入射光提供给BEOL Si波导1202。

总之，本发明提供了包括具有硅层的衬底的集成光电器件，硅层包括一个或多个电子部件。互连叠层布置在衬底上，并且包括多个金属层。衬底上的光波导(本文的FEOL波导)具有光学FEOL耦合部分。光子部件布置在互连叠层中，与衬底相距垂直距离。互连叠层中的光波导(本文的BEOL波导)光学耦合到光子部件，并且具有光学BEOL耦合部分。光学互连结构被布置和配置用于将辐射从BEOL耦合部分光学耦合到FEOL耦合部分，反之亦然。光学互连结构包括由第一电介质材料制成的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。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FEOL耦合部分接收期望波长范围内的光辐射，并且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，并且用于将一个或多个超模分别耦合到FEOL耦合部分或BEOL耦合部分中。