郭進(jìn)　馮俊波　曹?chē)?guó)威

摘要：針對(duì)硅光子器件的特殊性提出了與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝兼容的硅光工藝開(kāi)發(fā)的基本原則和關(guān)鍵問(wèn)題。相比于工藝，硅光在芯片設(shè)計(jì)的方法和流程方面面臨更多的挑戰(zhàn)，例如硅光子技術(shù)與CMOS工藝兼容性，可重復(fù)IP制定及復(fù)雜芯片的快速設(shè)計(jì)等。故充分利用先進(jìn)的半導(dǎo)體設(shè)備和工藝、個(gè)別工藝的特殊控制、多層次光電聯(lián)合仿真是硅光子芯片從小規(guī)模設(shè)計(jì)走向大規(guī)模集成應(yīng)用的關(guān)鍵。光子鏈路的仿真、器件行為級(jí)模型、版圖的布局布線及驗(yàn)證等是硅光芯片走向成熟的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞： 硅基光子學(xué)；設(shè)計(jì)方法；設(shè)計(jì)流程；大規(guī)模集成

Abstract： In this paper， the fundamental principles and key issues of the silicon optical process compatible with complementary metal oxide semiconductor（CMOS） are described. Silicon optics faces many challenges in terms of chip design methods and processes， including the process compatibility of CMOS and silicon photonics， the design of repeatable IP and the quick design of complicate chips. To achieve the change from small scale design to the large scale integrated application， some issues should be emphasized， including the full use of the advanced semi-conductor equipment and process， the control of some special processes and the simulation and design of opto-electronics devices. And the optical link simulation， behavior level model， floor planning， placement and routing， and the layout verification are the key factors to the maturity of silicon optical chip.

Key words： silicon photonics； design methodology； design flow； large scale integration

硅光子集成技術(shù)，是以硅和硅基襯底材料（如SiGe/Si、SOI等）作為光學(xué)介質(zhì)，通過(guò)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）兼容的集成電路工藝制造相應(yīng)的光子器件和光電器件（包括硅基發(fā)光器件、調(diào)制器、探測(cè)器、光波導(dǎo)器件等），并利用這些器件對(duì)光子進(jìn)行發(fā)射、傳輸、檢測(cè)和處理，以實(shí)現(xiàn)其在光通信、光互連、光計(jì)算等領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用。硅光子技術(shù)結(jié)合了以微電子為代表的集成電路技術(shù)的超大規(guī)模、超高精度的特性和光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢(shì)。在過(guò)去幾十年里，作為現(xiàn)代集成電路產(chǎn)業(yè)基石的CMOS工藝取得了令人矚目的發(fā)展。

而硅光子集成技術(shù)作為依存在CMOS工藝之上的一個(gè)新興技術(shù)方向，從設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)工具和流程、基于工藝平臺(tái)的協(xié)同設(shè)計(jì)等方面很大程度上參考和借鑒了微電子對(duì)應(yīng)的內(nèi)容。特別是最近幾年，硅光子單芯片集成也像集成電路領(lǐng)域經(jīng)典的摩爾定律描述的那樣，每隔一段時(shí)間集成的器件數(shù)量翻番，從而能在相同面積的芯片上實(shí)現(xiàn)更多的功能[1]。很多CMOS晶圓廠及中試平臺(tái)不斷采用更先進(jìn)的工藝進(jìn)行硅光芯片及硅光芯片與電芯片的集成研究[2-3]，這為硅光芯片打開(kāi)了大規(guī)模集成應(yīng)用的大門(mén)。硅光芯片的設(shè)計(jì)者能比較便利地享受晶圓廠成熟工藝的流片服務(wù)，這是硅光芯片能實(shí)現(xiàn)廣泛商業(yè)化的前提之一。另外一個(gè)前提是：類(lèi)比集成電路領(lǐng)域，需要有一套固化的設(shè)計(jì)流程，以得到更加完善的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）工具的支持和基于單元器件庫(kù)的設(shè)計(jì)方法。

1 硅光工藝的開(kāi)發(fā)

1.1 硅光子的特殊性

硅光子和微電子都是基于硅材料的半導(dǎo)體工藝，因此將集成光子工業(yè)基于微電子工業(yè)之上，使用硅晶作為集成光學(xué)的制造平臺(tái)將是硅光子工藝平臺(tái)的最佳選擇。這將使全球歷時(shí)50年、投入數(shù)千億美元打造的微電子芯片制造基礎(chǔ)設(shè)施可以順利地進(jìn)入集成光器件市場(chǎng)，將成熟、發(fā)達(dá)的半導(dǎo)體集成電路工藝應(yīng)用到集成光器件上來(lái)，集成光學(xué)的工業(yè)水平會(huì)得到極大提高，這正是目前發(fā)展良好的硅光子技術(shù)的發(fā)展思路。

然而，硅光子相對(duì)于微電子工藝有其特殊性，不作修改的微電子工藝平臺(tái)無(wú)法制備出高性能的硅光子器件。因此CMOS只能提供硅基光電子加工設(shè)備，具體的工藝制備流程仍需開(kāi)發(fā)。相對(duì)于微電子工藝，硅光子特殊性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）總體路徑。硅光子當(dāng)前的發(fā)展水平相當(dāng)于20世紀(jì)80年代初微電子的水平，自動(dòng)化、系統(tǒng)化和規(guī)模化都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。硅光子的發(fā)展也不是像微電子一樣延續(xù)尺寸和節(jié)點(diǎn)減小的發(fā)展路徑。目前硅光子的特征尺寸約為500 nm，最小尺寸在100 nm左右，相對(duì)于微電子大得多，更小的工藝節(jié)點(diǎn)對(duì)硅光子器件本身沒(méi)有像集成電路等比縮小這樣有特別大的意義，當(dāng)然更小工藝節(jié)點(diǎn)的半導(dǎo)體設(shè)備對(duì)工藝控制得更好，能在一致性、重復(fù)性和成品率等方面體現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。

（2）版圖特點(diǎn)。硅光子器件尺寸差別大，尤其存在許多不規(guī)則結(jié)構(gòu)，如圖1所示，這在微電子版圖里是基本沒(méi)有的。另一方面，硅光子器件的特征尺寸（～500 nm）并不是最小尺寸（～100 nm），這和集成電路是不同的。工藝過(guò)程中往往既需要對(duì)最小尺寸進(jìn)行控制，又更需要對(duì)特征尺寸進(jìn)行控制，也對(duì)工藝監(jiān)測(cè)和優(yōu)化提出了更高的要求。endprint

（3）工藝特殊性。硅光子材料相對(duì)于可編程邏輯控制器（PLC）和銦磷（InP）等材料體系具有更大的折射率差，因此波導(dǎo)尺寸可以非常小，如圖2所示。

然而，其帶來(lái)的缺點(diǎn)是硅光子器件對(duì)尺寸和工藝誤差非常敏感，1 nm的工藝誤差足以對(duì)硅光子器件性能帶來(lái)明顯的影響，因此硅光子工藝需要嚴(yán)格的尺寸精度控制。除了尺寸精度控制，硅光子器件側(cè)壁粗糙度也對(duì)波導(dǎo)損耗帶來(lái)巨大影響，必須對(duì)制備工藝進(jìn)行優(yōu)化。理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：2 nm的側(cè)壁粗糙度將可以帶來(lái)2～3 dB/cm的波導(dǎo)傳輸損耗[4]。

（4）材料特殊性。從光電子材料本身的特性來(lái)看，硅材料并不是最好的選擇。由于不是直接間隙半導(dǎo)體材料，硅基發(fā)光一直是一個(gè)巨大的難題。硅沒(méi)有一階線性電光效應(yīng)，因此也不是最佳的調(diào)制器材料。而且，硅對(duì)1.1 μm以上波長(zhǎng)透明，無(wú)法作為通信波段光探測(cè)器材料。為了實(shí)現(xiàn)硅基器件性能的突破，以硅材料為基底引入多材料是硅光子的必然選擇。如硅基引入Ge材料制作GeSi探測(cè)器已成為一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)工藝，需要解決外延生長(zhǎng)過(guò)程中大的晶格失配，Kimerling教授研究小組通過(guò)高低溫兩步生長(zhǎng)工藝較好地解決了該問(wèn)題[5]。

1.2 基于CMOS的硅光子工藝的開(kāi)發(fā)

硅光子典型器件如圖3所示。

硅光子器件尺寸跨度從幾十微米到約100 nm，特征波導(dǎo)的尺寸為500 nm左右，合適的工藝節(jié)點(diǎn)大概為0.13 μm及以下。比利時(shí)IMEC、新加坡IME、美國(guó)AIM Photonics都是采用200 mm、0.13 μm來(lái)加工硅基光電子器件。

微電子工藝已經(jīng)有超過(guò)50年的發(fā)展和積累，基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝開(kāi)發(fā)硅光子工藝將是一種最優(yōu)選和最經(jīng)濟(jì)的方法。在工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程中需遵循以下基本原則：

（1）溫度預(yù)算。新增或修改的工藝溫度一定要符合整個(gè)工藝流程，如：超過(guò)400℃的工藝不能放在后端工藝。

（2）污染控制?？赡芤虢徊嫖廴镜墓に嚤仨毞旁谖廴久舾械墓に嚭竺妗?/p>

（3）關(guān)鍵工藝。保證關(guān)鍵工藝性能，如：最關(guān)鍵的硅波導(dǎo)光刻工藝盡量在平整表面進(jìn)行。

（4）減少修改。盡量減少對(duì)標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的修改也是工藝流程優(yōu)化需要考慮的一個(gè)重要方面。

圖4顯示了從標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝到硅光子工藝流程的過(guò)程，至少需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝增加3個(gè)工藝模塊：部分刻蝕、Ge外延生長(zhǎng)和光窗成型，同時(shí)需要針對(duì)硅光子器件進(jìn)行大量的工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，如：第6步的硅摻雜對(duì)調(diào)制器的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，摻雜濃度、形貌需要針對(duì)硅光子器件進(jìn)行優(yōu)化。

2 硅光芯片設(shè)計(jì)流程及挑戰(zhàn)

硅基光電子作為基于CMOS工藝的新興方向，直接受益于微電子行業(yè)幾十年發(fā)展的積淀。CMOS平臺(tái)所能提供的強(qiáng)大工藝能力，使大規(guī)模集成硅光子器件成為可能[6-7]，這是其他光子集成方向所無(wú)法比擬的。如何利用現(xiàn)有成熟工藝，也是硅基光電子設(shè)計(jì)工程師所面臨的巨大挑戰(zhàn)。目前，硅光子的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)工具，多效仿或來(lái)自于微電子領(lǐng)域的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）。EDA對(duì)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)多通過(guò)已驗(yàn)證元件的組合，這些元件一般包含于工藝廠提供的工藝設(shè)計(jì)包（PDK）。目前在一些硅光子多項(xiàng)目晶圓（MPW）流片中，工藝廠已經(jīng)開(kāi)始提供PDK用于硅光子領(lǐng)域的設(shè)計(jì)[7]，但是功能仍十分有限。另一方面，硅光子設(shè)計(jì)有其獨(dú)特的需求，EDA工具無(wú)法滿(mǎn)足其自動(dòng)化設(shè)計(jì)需求，亟需針對(duì)硅光子設(shè)計(jì)的硅光子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（PDA）工具[8]。

圖5展示了現(xiàn)階段的硅光子設(shè)計(jì)流程[6]，類(lèi)似于EDA的流程，硅光子設(shè)計(jì)也是從系統(tǒng)功能需求出發(fā)?；诠δ芊治龊头纸猓O(shè)計(jì)出光子鏈路，并仿真獲得其可實(shí)現(xiàn)的功能性參數(shù)；進(jìn)一步地，通過(guò)物理仿真與優(yōu)化，獲得組成光子鏈路的器件結(jié)構(gòu)及布圖設(shè)計(jì)；然后基于器件的物理模型，分析鏈路集成中的寄生效應(yīng)并驗(yàn)證鏈路功能性，修正設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)。

在整個(gè)硅光子設(shè)計(jì)流程中，目前仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。光子鏈路的仿真便是其中之一。相比于其他的光子仿真工具，鏈路的仿真工具出現(xiàn)較晚[9]，仿真方法一般是利用散射矩陣的形式來(lái)描述鏈路中光子器件及其之間的連接；但是由于光子器件本身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，很難使用單一的散射矩陣來(lái)描述其屬性。另一方面，現(xiàn)在的工藝已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)單片數(shù)以千計(jì)的無(wú)源有源器件混合集成，相互之間帶來(lái)的寄生效應(yīng)更難以用單一矩陣形式描述，更不用說(shuō)光電集成時(shí)的所面臨的光電混合仿真。

要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的光子鏈路仿真，其根本在于構(gòu)建精確的基礎(chǔ)光子器件的行為模型，這也是硅基光電子設(shè)計(jì)目前面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)。在硅基光電子發(fā)展的前10年里，大量的工作集中于光子器件的物理仿真，以構(gòu)建用于光子鏈路的器件模型；但是受制于光子器件模型的復(fù)雜性，以及其功能特性對(duì)模型結(jié)構(gòu)精確度的敏感性，很難從物理模型中提取器件的行為模型，這也導(dǎo)致了光子鏈路仿真的不確定性，使得設(shè)計(jì)流程經(jīng)常需要在鏈路仿真與器件優(yōu)化之間做更多次的設(shè)計(jì)迭代。另一方面，大多數(shù)的硅基光電子器件均是波長(zhǎng)依賴(lài)型的，并且嚴(yán)重依賴(lài)于材料的溫度特性及其他物理效應(yīng)，這使得器件模型中所描述的功能特性?xún)H在特定環(huán)境條件下才是可信的，一旦環(huán)境條件改變，額外的仿真與優(yōu)化就必不可少。當(dāng)然，進(jìn)一步完備器件模型，是解決該問(wèn)題的一個(gè)方法，另外還可以根據(jù)工作條件，由設(shè)計(jì)工具自動(dòng)地完成環(huán)境設(shè)置及器件的額外仿真優(yōu)化，這是設(shè)計(jì)工具的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，不過(guò)目前僅有少數(shù)工具可以有限地實(shí)現(xiàn)該功能[10-11]。

硅光子鏈路與器件設(shè)計(jì)完成后需要生成掩模版圖，用于提交給工藝廠進(jìn)行制備。布圖的生成一般仍獨(dú)立于鏈路設(shè)計(jì)，而且多沿用EDA中使用的工具。與電路布圖多是橫平豎直的矩形結(jié)構(gòu)不同，硅光子鏈路及器件的結(jié)構(gòu)需要考慮導(dǎo)波的需求，尤其在轉(zhuǎn)彎連接處大多需要采用曲線構(gòu)型，從而使硅光子的布圖更加復(fù)雜。另外，由于硅光子波導(dǎo)的制備一般僅使用一層硅材料，這樣復(fù)雜結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)就需要采用不同深度的刻蝕工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，考慮波導(dǎo)器件性能對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的敏感性，實(shí)際制備時(shí)需要非常精準(zhǔn)的套刻工藝。而對(duì)于單次刻蝕工藝來(lái)講，由于硅光子器件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在同一掩模中，會(huì)出現(xiàn)尺寸跨度較大的不同結(jié)構(gòu)，使得單步工藝中需要兼顧各異的刻蝕結(jié)構(gòu)，這幾乎是不可能通過(guò)工藝調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)的，只能利用布圖的優(yōu)化與修正來(lái)實(shí)現(xiàn)。endprint

布圖中另一個(gè)難點(diǎn)是布局與布線（P&R）。對(duì)硅光子器件來(lái)講，要面臨比電子器件布局中更多的限制，比如轉(zhuǎn)彎半徑、波導(dǎo)間距等，以避免不必要的損耗和耦合。而器件的連接則要考慮器件端口結(jié)構(gòu)與連接波導(dǎo)類(lèi)型、角度的匹配，對(duì)于相位敏感的鏈路結(jié)構(gòu)，還需要精確控制不同鏈路中的連接波導(dǎo)長(zhǎng)度。

在送交布圖到工藝廠加工之前，驗(yàn)證工作也是必不可少的。目前用于硅光子的驗(yàn)證工具多直接來(lái)源于EDA工具的定制，僅能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC）。由于光電器件之間的諸多差異，DRC的實(shí)現(xiàn)也是十分有限的，例如版圖中常出現(xiàn)的曲線結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的DRC工具幾乎無(wú)能為力。另一項(xiàng)更大的挑戰(zhàn)來(lái)自于版圖和電路圖的對(duì)比驗(yàn)證（LVS），由于從硅光子版圖中提取鏈路模型非常困難，目前仍沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的工具來(lái)實(shí)現(xiàn)。不過(guò)，將硅光子設(shè)計(jì)流程集成于統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)該功能的可行途徑。

3 結(jié)束語(yǔ)

硅光子集成的工藝開(kāi)發(fā)路線和目標(biāo)比較明確，困難之處在于如何做到與CMOS工藝的最大限度的兼容，從而充分利用先進(jìn)的半導(dǎo)體設(shè)備和工藝，同時(shí)需要關(guān)注個(gè)別工藝的特殊控制。硅光子芯片的設(shè)計(jì)目前還未形成有效的系統(tǒng)性的方法，設(shè)計(jì)流程沒(méi)有固化，輔助設(shè)計(jì)工具不完善，但基于PDK標(biāo)準(zhǔn)器件庫(kù)的設(shè)計(jì)方法正在逐步形成。如何進(jìn)行多層次光電聯(lián)合仿真，如何與集成電路設(shè)計(jì)一樣基于可重復(fù)IP進(jìn)行復(fù)雜芯片的快速設(shè)計(jì)等問(wèn)題是硅光子芯片從小規(guī)模設(shè)計(jì)走向大規(guī)模集成應(yīng)用的關(guān)鍵。

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