CN112769031A - 一种背向集成有源器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种背向集成有源器件及其制备方法，属于半导体器件技术领域，包括硅衬底层、硅波导结构和有源器件层；还包括热分流器层和包层材料层；所述热分流器层位于所述硅衬底层和有源器件层之间，且位于包层材料层外侧与包层材料层接触，形成热流通道。本发明在背向式工艺的基础上，在硅波导正面填充具有导热性能的包层材料，在硅衬底层与有源器件层之间设置热分流器层结构，大幅提升了背向集成有源器件的散热效果，有效解决了现有集成有源器件中热阻较大、热分流器导热效果不佳的技术缺陷。

Description

一种背向集成有源器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种背向集成有源器件及其制备方法。

背景技术

硅作为间接带隙材料，发光效率较低，目前国内外主流的做法是通过异质键合或片外封装的方法来实现Ⅲ-Ⅴ激光器与硅片的集成。片外封装虽然具有良好的导热性能，但对准精度要求较高，无法实现批量生产且封装成本较高；而异质键合集成能有效降低封装成本，提高良率和可靠性，是近年来各公司研发的重点方向。

由于硅波导需要一层较厚的SiO₂层（1~2μm）包层材料以限制光场分布，使得集成有源器件（如激光器、调制器等）散热性能非常差。目前，可通过在SiO₂层挖槽并填充高导热系数的材料以形成热分流器来提高集成激光器散热性能，进而降低器件的热阻。

现有背向集成有源器件集成过程中，由于受后续异质键合工艺的影响，热分流器中的填充材料为多晶硅，其导热系数受晶粒尺寸影响较大，为15-60 W/m/K，远远小于金属材料的导热系数，导热效果受限；同样的，在直接异质键合方式中，硅层与有源器件层的键合界面应尽可能大以增强键合强度，但现有的异质键合工艺限制了热分流器的尺寸，宽度仅为几微米到十几微米，从而限制了其散热的能力。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的集成有源器件散热不佳的缺陷，从而提供一种能有效降低集成器件热阻的背向集成有源器件及其制备方法。

本发明提供一种背向集成有源器件，包括硅衬底层、硅波导结构和有源器件层；还包括热分流器层和包层材料层；所述热分流器层位于所述硅衬底层和有源器件层之间，且位于包层材料层外侧与包层材料层接触，形成热流通道。在硅波导结构正面填充具有导热性能的包层材料，在硅衬底层与有源器件层之间设置热分流器层结构，大幅提升了背向集成有源器件的散热效果，有效解决了现有集成有源器件中热阻较大、热分流器导热效果不佳的技术缺陷。

所述热分流器层由硅层和导热材料层制成；所述热分流器层中的导热材料层为金属导热材料或非金属导热材料。所述金属导热材料例如为铜或金。由于金属材料的导热性能远大于多晶硅材料（铜的热导系数为401 W/m/K，金的热导系数为317 W/m/K，多晶硅的热导系数为15-60 W/m/K），采用金属材料作为热分流器层的导热材料层，可大幅提升热分流器层的导热性能。所述非金属导热材料例如为氮化铝、三氧化二铝、氟化镁、多晶硅和单晶硅中的一种或多种组合。

所述包层材料层直接与硅衬底层相邻。

优选的，所述包层材料的折射率低于硅材料；更优选的，所述包层材料为导热介质材料，例如为二氧化硅、氮化硅、氮化铝、三氧化二铝中的一种或多种组合。包层材料层采用导热介质材料制成，可以进一步提高背向集成有源器件的散热效果。

优选的，所述有源器件层为激光器、调制器和探测器的一种。

本发明的另一方面，本发明提供一种背向集成有源器件的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，根据预设的图案在SOI基片第一面硅层上刻蚀出硅波导结构，在刻蚀后的硅层上沉积包层材料形成包层材料层；

步骤二，刻蚀包层材料形成填充结构，在填充结构内沉积导热材料形成导热材料层，所述导热材料层与所述硅层形成热分流器层；

步骤三，于热分流器层表面键合载体晶圆，所述载体晶圆成为硅衬底层，与包层材料层相接触；去除SOI基片第二面的硅层和二氧化硅层；

步骤四，将有源器件层键合至所述SOI基片第二面硅层上。

优选的，于热分流器层表面键合载体晶圆步骤后，还包括，将所述载体晶圆翻转步骤。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的背向集成有源器件及其制备方法，在背向式工艺的基础上，在硅波导正面填充具有导热性能的包层材料和采用金属或非金属热分流器结构，大幅提升了背向集成有源器件的散热效果。

2.本发明提供的背向集成有源器件及其制备方法，热分流器层尺寸可以不受限制，可大幅提升热分流器层在硅层和载体晶圆之间的横向宽度，大幅提升了热分流器层的导热效果。

3.本发明提供的背向集成器件及其制备方法，具有与CMOS后道工序兼容的特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为现有技术中正向集成有源器件的截面示意图；

图2为现有技术中正向集成有源器件截面示意图；

图3为实施例1中背向集成有源器件的截面示意图；

图4为图3中背向集成有源器件制备过程的截面示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

图1示出了现有技术中采用异质键合工艺制备的正向集成器件的截面示意图；图1中，有源器件20直接与硅层21键合，热分流器30部分接触有源器件20，从而将有源器件20产生的热通过多晶硅制成的热分流器30导向硅衬底层23，从而实现有源器件20热量的散发。但现有异质键合工艺制备的热分流器30尺寸受到限制，尺寸相对较小，只有几微米到几十微米，限制了其散热能力，导热效果相对较差。

图2示出了图1中的正向集成器件采用异质键合工艺制备过程的截面示意图，在图2中包括了步骤（a）至步骤（d），首先选取一片SOI基片，包括硅层21、硅衬底层23和夹在硅层21和硅衬底层23的二氧化硅层22；然后对硅层21进行刻蚀得到硅波导形状，如图2中的步骤（b）所示；然后距离硅波导至少5微米的距离处挖槽并填充多晶硅材料以形成热分流器30，如图2中的步骤（c）所示，但多晶硅导热系数受晶粒尺寸影响较大，一般为15-60W/m/K，导热系数远小于金属材料；然后将有源器件层20键合，完成正向集成器件的制作。

实施例1

参考图3，实施例1提供一种背向集成有源器件，包括硅衬底层1、硅波导结构、有源器件层10、热分流器层和包层材料层12；所述热分流器层位于所述硅衬底层1和有源器件层10之间，且位于包层材料层12外侧，并与包层材料层12接触，形成热流通道。

本发明在背向式工艺的基础上，在硅波导结构正面填充具有导热性能的包层材料，在硅衬底层与有源器件层之间设置热分流器层结构，大幅提升了背向集成有源器件的散热效果，有效解决了现有集成有源器件中热阻较大、热分流器导热效果不佳的技术缺陷。

其中，所述有源器件层10可以为激光器、调制器和探测器的一种，本实施例采用激光器作为有源器件层。

其中，所述热分流器层由硅层11和导热材料层40制成，所述热分流器层中的导热材料层40位于所述包层材料层12的两侧，为非槽状结构，导热材料层40由非金属导热材料或金属导热材料制成，其中，金属导热材料可以为铜或金，本实施例优选为金属材料铜；在其他一些实施例中，也可以采用氮化铝、三氧化二铝、氟化镁、多晶硅和单晶硅等导热材料。

由于金属材料的导热性能远大于多晶硅材料（铜的热导系数为401 W/m/K，金的热导系数为317 W/m/K，多晶硅的热导系数为15-60 W/m/K），采用金属材料作为热分流器层的导热材料层40，可大幅提升热分流器层的导热性能。所述导热材料层40和硅层11形成热流通道，由于硅层11和导热材料层40的导热性能要远高于二氧化硅的导热性能；因此，散热效果大大增强。同时，这种结构下，形成的导热通道为非槽状结构，与现有技术的槽状散热通道相比，进一步增大散热效果。

包层材料层12设置于硅层11和硅衬底层1之间，所述包层材料12的折射率低于硅材料，且所述包层材料层12直接与硅衬底层1相邻，中间没有二氧化硅层。所述包层材料为导热介质材料，导热介质材料可以为二氧化硅、氮化硅、氮化铝、三氧化二铝中的至少一种或任意组合，本实施例优选采用三氧化二铝材料。包层材料层12采用导热介质材料制成，可以进一步提高背向集成有源器件的散热效果。

实施例2

实施例2提供一种背向集成有源器件的制备方法，参考图4中的（a）至（g），该制备方法具体包括以下步骤：

步骤一：如图4中的（a）所示，根据预设的图案在SOI基片的第一面，也即硅层11上刻蚀出硅波导结构，如图4中的（b）所示。

步骤二：参考图4中的（c）所示，在刻蚀后的所述硅层11上沉积包层材料以形成包层材料层12，所述包层材料为导热介质材料，其可以为二氧化硅、氮化硅、氮化铝、三氧化二铝中的至少一种或任意组合，本实施例中优选为三氧化二铝。

步骤三：刻蚀包层材料形成填充结构，填充结构内沉积导热材料形成导热材料层40，如图4中的（d）所示；导热材料可以选用金属导热材料或非金属导热材料，金属材料优选例如铜或金；非金属导热材料优选为氮化铝、三氧化二铝、氟化镁、多晶硅和单晶硅中的至少一种；本实施例中的导热材料优选采用金属材料如铜。

由于金属材料的导热性能远大于多晶硅材料（铜的热导系数为401 W/m/K，金的热导系数为317 W/m/K，多晶硅的热导系数为15-60 W/m/K），采用金属材料作为热分流器的导热材料层40，可大幅提升热分流器层的导热性能。

步骤四：于导热材料层40和包层材料层12表面键合载体晶圆1，如图4中的（d）所示，所述载体晶圆1即为硅衬底层1，与包层材料层12相接触。

步骤五：去除SOI基片第二面的硅层13和二氧化硅层14，参考图4中的（e）所示。

步骤六：参考图4中的（f）所示，进行载体晶圆1的翻转；载体晶圆1翻转操作，方便后续有源器件层10键合工艺的实施，降低有源器件层10键合的工艺难度。

步骤七：将有源器件层10键合至硅层11上，完成背向集成有源器件的制作，如图4中的（g）所示。所述有源器件层10可以为激光器或调制器或探测器，本实施例采用激光器。

此时，由硅层11和导热材料层40构成热分流器层形成热流通道，由于硅层11和导热材料层40的导热性能要远高于二氧化硅的导热性能，因此，散热效果大大增强。同时，这种结构下，形成的导热通道为非槽状结构，与现有技术的槽状散热通道相比，进一步增大散热效果。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种背向集成有源器件，包括硅衬底层、硅波导结构和有源器件层；其特征在于，还包括热分流器层和包层材料层；所述热分流器层位于所述硅衬底层和有源器件层之间，且位于包层材料层外侧并与包层材料层接触，形成热流通道。

2.根据权利要求1所述的背向集成有源器件，其特征在于，所述热分流器层由硅层和导热材料层制成；所述热分流器层中的导热材料层为金属导热材料或非金属导热材料。

3.根据权利要求2所述的背向集成有源器件，其特征在于，所述金属导热材料为铜或金。

4.根据权利要求2所述的背向集成有源器件，其特征在于，所述非金属导热材料为氮化铝、三氧化二铝、氟化镁、多晶硅和单晶硅中的一种或多种组合。

5.根据权利要求1所述的背向集成有源器件，其特征在于，所述包层材料层直接与硅衬底层相邻。

6.根据权利要求5所述的背向集成有源器件，其特征在于，所述包层材料层的折射率低于硅材料。

7.根据权利要求6所述的背向集成有源器件，其特征在于，所述包层材料为导热介质材料。

8.根据权利要求7所述的背向集成有源器件，其特征在于，所述导热介质材料为二氧化硅、氮化硅、氮化铝、三氧化二铝中的一种或多种组合。

9.一种背向集成有源器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，根据预设的图案在SOI基片第一面硅层上刻蚀出硅波导结构，在刻蚀后的硅层上沉积包层材料；

步骤二，刻蚀包层材料形成填充结构，填充结构内沉积导热材料形成导热材料层；所述导热材料层和所述硅层形成热分流器层；

步骤三，于热分流器层表面键合载体晶圆，所述载体晶圆成为硅衬底层，与包层材料层相接触；去除SOI基片第二面的硅层和二氧化硅层；

步骤四，将有源器件层键合至所述SOI基片第二面硅层上。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，于热分流器层表面键合载体晶圆步骤后还包括将所述载体晶圆翻转步骤。

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