台积电 | 硅基光电子半导体器件先进封装技术

hdy

引言

光学器件与电子器件的集成代表着现代计算技术最重要的进展之一。光电子半导体器件将基于光的通信速度与电子线路的处理能力相结合，创造出能够以极高效率处理海量数据的系统。本文基于台积电的专利技术，探讨这些器件的构造、组件和应用[1]。

1

光电子器件架构基础

光电子半导体器件始于专门的衬底结构，该结构同时支持光学和电气功能。基础部分由埋氧化层(BOX)衬底构成，包含多个协同工作的层来支持光电子操作。

图1：初始BOX衬底结构，硅层102A位于氧化层102B和衬底102C之上，形成光电子器件构造的基础。

衬底构造从基础衬底102C开始，通常由硅或其他半导体材料制成。在此之上是氧化层102B，通常为二氧化硅，厚度范围为0.5至4微米。顶部硅层102A厚度在0.1至1.5微米之间，作为形成光学器件的有源区域。这种分层结构提供必要的折射率差异，将光限制在光电子器件内部。

硅层经过精密图案化处理，创建波导和光电子器件。先进的光刻和蚀刻技术将硅塑造成能够以最小损耗引导光信号的结构。波导充当光学通道，通过全内反射在整个器件中引导光信号，同时保持信号完整性。

图2：图案化硅层形成波导104和光电子器件106，包括光栅耦合器、光探测器和调制器。

2

至为重要的光电子器件

光电子层包含几个关键器件，这些器件实现光信号处理和转换功能。光栅耦合器作为集成波导与外部光纤之间的接口，使光能够高效地进入和离开芯片。这些结构由精确蚀刻的周期性图案组成，以特定角度衍射光，实现与安装在器件上方的光纤的垂直耦合。

光探测器将光信号转换回电子线路可以处理的电信号。这些器件通常使用锗或其他对工作波长具有适当吸收特性的材料。当光照射到光探测器上时，会产生电子-空穴对，产生与光信号强度成正比的可测量电流。

调制器执行相反的功能，通过操纵波导材料的光学特性将电信号转换为光信号。这些器件通常依赖电光效应，施加的电压改变材料的折射率，从而调制通过波导的光的相位或幅度。

图3：在波导和光电子器件上形成介电层108，提供保护并支持后续处理步骤。

3

先进互连结构

光电子器件中的电气连接需要复杂的互连结构，将光电子器件连接到电子控制线路。这些结构由多个被介电材料分离的金属层组成，形成复杂的3D布线网络。

图4：通孔112和接触点113的形成，通过介电层创建垂直电连接，实现不同器件层之间的通信。

互连形成从创建称为通孔的垂直连接开始，这些通孔延伸穿过介电层。通孔提供从光电子器件到上层金属层的电气路径。接触点专门连接到光电子器件，实现对调制器的电气控制和从光探测器收集信号。

图5：完整的互连结构120，包含多个介电层115、导电特征114和导电焊盘116，形成电气布线基础设施。

互连结构包含多层金属布线，每层由介电层分离。这些层内的导电特征创建水平电气路径，而通孔提供层之间的垂直连接。这种3D网络实现复杂的电信号布线，同时保持不同信号路径之间的隔离。

4

通过混合键合集成电子芯片

光电子器件制造最关键的方面之一涉及集成控制光电子器件的电子芯片。这些电子芯片包含专门线路，包括跨阻放大器、驱动器和SerDes(串行器/解串器)功能。

图6：使用混合键合技术将电子芯片122键合到互连结构120上，创建紧密的电气和机械连接。

混合键合代表一种先进封装技术，同时创建电气和机械连接。该过程涉及在互连结构和电子芯片的氧化层之间形成共价键，同时在相应的导电焊盘之间创建金属对金属键合。结果是极其坚固的连接，具有优异的电气性能和最小厚度。

电子芯片厚度通常在10至35微米之间，包含专门为光电子应用设计的集成线路。这些线路处理高频电信号，通过连接的光电子器件在光域和电域之间进行转换。

图7：用介电材料126围绕电子芯片和互连结构的封装过程，提供机械保护和环境密封。

5

系统级集成和封装

完整的光电子器件需要额外的封装步骤来创建功能系统。介电封装材料围绕电子芯片和互连结构，提供机械保护和环境隔离。该材料通常进行平坦化处理，为后续处理步骤创建平滑表面。

图8：带有导电连接器134的完成光电子封装100，准备与光纤150集成和系统级安装。

最终器件结构在背面包含导电连接器，使安装到系统衬底成为可能。这些连接器可能是焊球、金属柱或其他连接类型，为更大系统提供电气连接和机械连接。

6

光计算系统和应用

这些光电子器件使构建复杂的计算系统成为现实，这些系统利用光通信进行高速数据传输。多个光电子封装可以集成在通用衬底上，创建具有卓越性能能力的光计算系统。

图9：光电子系统300，在互连衬底302上集成了多个光电子封装100和计算封装200，演示了系统级光互连。

在这些系统中，光纤在不同处理元件之间提供高带宽通信通道。光电子封装充当光输入/输出模块，将来自处理器的电信号转换为用于传输的光信号，并将接收的光信号转换回电信号以供处理。

图10：光计算系统(PCS) 400，具有通过光网络604连接的多个站点410，支持高性能计算应用。

先进的光计算系统包含光路由结构，创建连接多个计算站点的光网络。这些网络在处理器、存储器和其他系统器件之间实现极高速通信，显著改善需要大量数据吞吐量的应用的整体系统性能。

光电子器件和电子器件在这些先进封装中的集成代表了计算架构的转变，使系统能够以接近电气和光学技术基本极限的速度处理和通信信息。这些发展将为人工智能、高性能计算和电信领域提供新的应用类别。