CN103975262A - 倒置的无衬底芯片上的光学器件 - Google Patents

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Abstract

一种混合集成模块(100)包括面对面地机械耦合到其中衬底已被除去的集成器件(116)的半导体裸片(110)。例如，集成电路可以包括传送光信号的光波导(136)，该光波导在其中背侧的硅衬底或分选机(handler)已被完全除去的绝缘体上硅(SOI)晶片上制造。而且，光学器件(134)可以位于集成器件中氧化物层(126)(诸如掩埋的氧化物层)的底表面(130)上，并且集成器件(116)中的几何形状和材料可以选择和/或被限定成使得光信号渐逝地耦合在光波导(136)和光学器件(134)之间。

Description

倒置的无衬底芯片上的光学器件
发明人：Ivan Shubin,John E.Cunningham和Ashok V.Krishnamoorthy
政府许可权
本发明是依照由DARPA授予的协议No.HR0011-08-9-0001在政府支持下进行的。支付拥有本发明中的某些权利。
技术领域
本公开内容涉及混合集成模块，该模块包括机械耦合到集成器件的半导体裸片，其中，该集成器件中衬底已被除去，并且其中，光学器件位于集成器件的背表面上。
背景技术
绝缘体上硅(SOI)技术常常用于实现集成的光学部件。特别地，诸如光波导的光学部件可以在SOI晶片的硅层中制造，其中该硅层被二氧化硅层(有时候被称为“掩埋氧化物”或BOX层)与硅衬底隔开。为了减小硅衬底中的光损失，通常BOX层的厚度选择成使得光信号完全局限在硅层中的光学部件中(即，与光信号关联的光模式不延伸通过BOX层)。
在原理上，SOI晶片还允许电子电路在公共芯片上与光学部件集成。在实践中，用于电子电路的设计参数常常与用于光学部件的设计参数不同。例如，在光子应用中，硅层通常具有0.2-0.3μm的厚度，而BOX层通常具有大约0.5μm的厚度。相反，在许多电子应用中(诸如处理器、数字逻辑、射频电路、存储器，等等)，BOX层具有小至0.1μm的厚度。这种厚度导致光信号到硅衬底的显著渐逝耦合(evanescent coupling)，由于硅衬底中的吸收和散射，具有相应的光损耗增加。
由此，所需要的是可以容纳光学部件和电子电路而没有上述问题的集成模块。
发明内容
本公开内容的一种实施例提供了混合集成模块。这种混合集成模块可以包括通过粘合剂面对面地机械耦合到其中衬底已被除去的集成器件的半导体裸片。例如，集成电路可以包括传送光信号的光波导，该光波导在其中背侧的硅衬底或分选机(handler)已被完全除去的绝缘体上硅(SOI)晶片上制造。而且，光学器件可以位于集成器件中氧化物层(诸如掩埋氧化物或BOX层)的底表面上，并且集成器件中半导体层(诸如硅)的厚度和氧化物层的厚度可以被限定为使得光信号渐逝地耦合在光波导和光学器件之间。
应当指出，半导体裸片可以是提供电力并且充当机械分选机和/或电驱动器的VLSI芯片。更一般地说，半导体裸片可以包括电路。
在有些实施例中，光学器件静态地或动态地调制光信号。例如，光学器件可以包括光调制器。作为替代或附加地，光学器件可以包括：电光材料、液晶和/或铁电材料。这种材料可以利用小于与热调谐关联的功耗(例如，功率可以小一个数量级)静态地调谐半导体层中所包括的环形共振器。因而，光学器件可以校正环形共振器的实际共振波长相比目标共振波长的变化。
而且，光学器件可以包括切换光信号的开关。
此外，光学器件可以包括跨集成器件中的刻线(reticle)边界传送光信号的另一个光波导。在这些实施例中，集成器件可以充当桥接芯片。
此外，光学器件可以包括：提供光信号的光源、波长选择元件或滤波器，和/或光检测元件。因为光学器件在氧化物层的背表面上，所以它可以在混合集成模块的其余部分制造好之后被限定或沉积。因此，混合集成模块可以允许诸如III-V半导体的材料与在标准CMOS过程中制造的电子电路集成。
应当指出，半导体层的厚度可以在0.1和4μm之间并且氧化物层的厚度可以小于0.5μm。因而，渐逝耦合可以通过使用薄氧化物层来实现。
在有些实施例中，焊料球电耦合半导体裸片的顶表面上的衬垫和半导体层的顶表面上的衬垫，其中粘合剂至少部分地填充半导体裸片的顶表面和半导体层的顶表面之间的空间。作为替代或者附加地，集成器件可以利用倒装芯片(flip-chip)技术机械耦合到半导体裸片。
另一种实施例提供了包括混合模块的一个或多个实例的多芯片模块(MCM)。
另一种实施例提供了包括混合集成模块和/或MCM的系统。
另一种实施例提供了用于制造混合集成模块的方法。在这种方法当中，粘合剂涂到半导体裸片的顶表面。然后，集成器件放到粘合剂上。而且，集成器件包括：具有顶表面、底表面和厚度的半导体层，其中半导体层的顶表面机械耦合到粘合剂，并且其中半导体层包括配置为传送光信号的光波导；具有顶表面、底表面和厚度的氧化物层，该氧化物层位于半导体层的底表面上；以及位于氧化物层的底表面上的光学器件。应当指出，半导体层的厚度和氧化物层的厚度可以被限定成使得光信号渐逝地耦合在光波导和光学器件之间。
附图说明
图1是根据本发明实施例的混合集成模块的框图。
图2A是根据本发明实施例的图1混合集成模块中环形共振器的框图。
图2B是根据本发明实施例的图1混合集成模块中环形共振器的框图。
图3是根据本发明实施例的混合集成模块的框图。
图4是根据本发明实施例的混合集成模块的框图。
图5是说明根据本发明实施例、说明包括图1、3或4混合集成模块的系统的框图。
图6是根据本发明实施例、说明用于制造混合集成模块的方法的流程图。
应当指出，相同的标号贯穿所有附图都指对应的部分。而且，相同部分的多个实例是通过由虚线与实例号分开的共同前缀指定的。
具体实施方式
图1给出了混合集成模块100的框图。这种混合集成模块包括：具有顶表面112的半导体裸片110，它可以包括介电堆叠中的电子电路；机械耦合到半导体裸片110的顶表面112的粘合剂114(诸如环氧树脂)；以及集成器件116。而且，集成器件116包括：具有顶表面120、底表面122和厚度124的半导体层118，其中顶表面120机械耦合到粘合剂114，使得半导体层118和半导体裸片110安装成面对面；具有顶表面128(为了清晰，与底表面122稍有偏移)、底表面130和厚度132的氧化物层126，其中顶表面128位于底表面122上；及位于底表面130上的光学器件134。
此外，半导体层118可以包括传送光信号(诸如波分多路复用信号)的光波导136-1，并且集成器件116的材料和/或几何形状(诸如厚度124和132)可以选择和/或被限定成使得光信号渐逝地耦合在光波导136-1和光学器件134之间(即，与光信号关联的光模式的空间范围可以延伸通过厚度132至底表面130)。例如，半导体层118的厚度124可以在0.1和4μm之间并且氧化物层126的厚度132可以小于0.5μm(诸如0.1μm)。因而，渐逝耦合可以通过使用薄氧化物层连同厚硅层或薄硅层来实现(下限近似地为光信号的衍射极限的一半)。应当指出，因为混合集成模块100中的电气功能已经与光学功能物理地隔开，所以这些功能可以独立地进行优化。这可以方便光子电路和电子电路的单片式集成，而没有光子电路对厚度124和132强加约束。此外，因为厚度132可以可重复地控制到优于1％准确度，所以渐逝耦合可以在最小光损耗的情况下以严格受控且准确的方式实现。
通过经氧化物层126渐逝地耦合光信号并且把光学器件134布置在底表面130上，混合集成模块100可以提供附加的设计自由度。特别地，如以下参考图2-4进一步描述的，各种光学器件可以位于底表面130上。例如，光学器件134可以包括：光调制器、光学开关、光源、光波导、波长选择元件或滤波器、光检测元件，等等。而且，光学器件134可以包括不与标准CMOS处理兼容的材料，诸如：III-V半导体(例如，硅-锗合金)、电光材料、液晶和/或铁电材料。虽然混合集成模块100中的大部分部件可以利用与CMOS兼容的处理制造并组装(使得制造成本低)，但是底表面130上的材料可以在集成器件116的后处理期间在芯片或晶片级被限定或沉积(例如，在前段工艺处理完成之后，光学器件134可以在符合后段工艺的过程中被沉积或键合到氧化物层126上)。
应当指出，由粘合剂114提供的机械耦合可以包括电耦合顶表面112上的衬垫140-1和顶表面120上的衬垫140-2的焊料球，诸如焊料球138(例如，胶层微凸起或微焊料)，其中粘合剂114至少部分地填充顶表面112和顶表面120之间的空间(即，有可能填充不足)。在有些实施例中，集成器件116可以利用倒装芯片技术机械耦合到半导体裸片110。
在一个示例性实施例中，半导体层118可以包括硅，而氧化物层126可以包括电介质或氧化物，诸如二氧化硅。因而，半导体层118和氧化物层126可以包括绝缘体上硅(SOI)技术，其中氧化物层126(诸如硅-分选机衬底)顶上的半导体裸片已经例如通过机械抛光和/或蚀刻被除去。以这种方式，可以消除与光信号通过氧化物层126到硅-分选机衬底中的渐逝耦合相关联的光损耗。因此，与利用SOI技术实现的现有光学部件相比，光学器件134可以更快更小并且更省电。
这种制造技术可能需要薄半导体层118正确地机械固定。在图1中，这是通过把这个层结合到半导体裸片110上来实现的。应当指出，这种结合可以按芯片到芯片、芯片到晶片或者晶片到晶片来执行。如前面所指出的，半导体裸片110可以包括在硅中实现的电子电路，诸如：提供电力并且充当机械分选机和/或电驱动器的VLSI芯片；处理器；射频电路；存储器；混合信号电路；和/或数字电路。
如前面所讨论的，光学器件134可以包括各种各样的光学部件和/或材料。在有些实施例中，光学器件134静态地或动态地调制光信号。例如，光学器件134可以包括光调制器。这种光调制器可以校正由于过程变化性和制造容限以及厚度124的变化所造成的环形共振器的实际共振波长相比目标共振波长的变化。
这在图2A和2B中示出，这两个图分别给出了混合集成模块100(图1)中环形共振器210和260的框图。这些环形共振器可以紧接着光波导136-1上方在底表面130上制造。而且，环形共振器210和260可以用于修改光波导136-1的包层的折射率并且，因此，改变光波导136-1的光波导环形传播常数。例如，电压可以施加到电极212或262，以便在光学器件134(图1)中的电光材料(诸如铁电材料，像钛酸钡锶、锆钛酸铅或液晶)或电吸收材料(诸如锗)中在水平(图2A)或垂直方向(图2B)中生成电场。以这种方式，光学器件134(图1)可以以电的方式经渐逝尾部裁剪光信号的光模式。
因为没有电流流经这些结构进行共振波长调谐，所以，即使在光学器件跨环形共振器210或260的自由频谱范围被调谐的时候，它也可以具有比热调谐低得多的电力需求。特别地，功耗可以小一个数量级(例如，微瓦，而不是毫瓦)。
应当指出，为了启用调谐控制，环形共振器210或260中的电极212和262可以(例如，利用硅通孔)电耦合到图1中的半导体层118和/或半导体裸片110。
在有些实施例中，光学器件包括跨集成器件中的刻线边界传送光信号的另一个光波导。这在图3中示出，该图给出了混合集成器件300的框图。因而，利用光波导136-2，集成器件116可以充当把光信号310光耦合到公共晶片上的多个芯片的“桥接芯片”。
此外，光学器件134(图1)可以包括提供光信号的光源。这在图4中示出，该图给出了混合集成模块400的框图。在这种混合集成模块中，III-V半导体激光器410可以结合到底表面130的顶上。这种激光器可以与光波导136-1对准并位于其顶上。在操作期间，由这种激光器输出的光信号可以通过氧化物层126(图1)渐逝地耦合到光波导136-1。
应当指出，激光器410和/或光波导136-1可以用适当形状的锥形终止，以放宽x-和y-对准容限，并容许光学器件134(图1)中的光波导和光波导136-1之间的光模式失配。此外，两个相邻的光波导之间的渐逝耦合的效率依赖于它们之间间距的准确度。在这些实施例中，这种间距是由图1中的厚度132设定的(这在典型的SOI晶片中例行规定为低于1％)。这种严格的厚度容限可以方便从激光器410到光波导136-1具有低光损耗的光耦合。
因为这种集成是在集成器件116的背侧，所以，在激光器410的集成之前，光子电路可以连同必要的介电和金属互连分层一起完成，并且甚至可以与电子电路单片集成。除了相对于前端氧化硅层来说具有更准确的热生长氧化物层厚度控制，预期氧化物层126一旦暴露就是扁平的(例如，在除去硅衬底-分选机之后)并且可能不需要为了平面化而抛光。应当指出，如果需要，则硅通孔可以放在氧化物层126中，以便把前侧电路连接到激光器410的电触点，使得光学器件134(图1)可以利用前侧电路被电控制并刺激。
回过头开来参考图1，因为光学器件134位于底表面130上，并且因此可以从集成器件116的背侧访问，所以混合集成模块可以方便附加集成器件和/或附加混合集成模块的3维集成，由此扩大部件密度并方便各种体系架构和应用。例如，一个或多个附加的集成器件可以堆叠到集成器件116的顶上，使得一个附加的集成器件中的半导体层的顶表面面向集成器件116中氧化物层126的底表面130。作为替代或附加地，一个或多个附加的混合集成模块可以定位成使得光学器件(诸如光学器件134)在多芯片模块(MCM)中面向彼此。这种方法可以允许集成器件的大的2维阵列光耦合。应当指出，光耦合器(诸如衍射光栅耦合器或者反射镜)可以在半导体层118中和/或底表面130上被限定，以提供到附加集成器件和/或附加混合集成模块的光耦合。如前面所指出的，如果集成器件的一个实例包含了多于一个芯片(即，存在刻线)，则光学器件134可以用于跨刻线传送光信号(即，光学器件134可以充当“桥接芯片”)。
前面所述混合集成模块和/或MCM的一种或多种实施例可以包括在系统和/或电子设备中。这在图5中说明，图5给出了说明包括混合集成模块510的系统500的框图。
混合集成模块和/或MCM可以用于各种应用中，包括：VLSI电路、通信系统(诸如WDM)、存储区域网络、数据中心、网络(诸如局域网)，和/或计算机系统(诸如多核处理器计算机系统)。应当指出，系统500可以包括，但不限于：服务器、膝上型计算机、通信设备或系统、个人计算机、平板计算机、工作站、大型计算机、刀片式计算机、企业计算机、数据中心、便携式计算设备、超级计算机、网络附连存储(NAS)系统、存储区域网络(SAN)系统，和/或其它电子计算设备。而且，应当指出，给定的计算机系统可以在一个位置或者可以在多个地理上分散的位置分布。
前面所述混合集成模块、MCM和/或系统500的实施例可以包括更少的部件或者附加的部件。例如，图1中的半导体层118可以包括多晶或非晶硅。作为替代或者附加地，结合周围的空气，在底表面130上除光学器件134附近(即，期望渐逝耦合的地方)可以有抗反射涂层。此外，如本领域技术人员已知的，各种各样的制造技术可以用于制造前面所述实施例中的混合集成模块。此外，各种各样的光学部件可以在混合集成模块中或者与之结合使用。
应当指出，在有些实施例中，图1中的光学器件134以热和/或电的方式被调谐。此外，虽然集成器件116中光学器件134的包括用作一个说明性例子，但是在其它实施例中，混合集成模块不包括光学器件。
虽然这些实施例说明为具有多个分立的项，但是实施例是要作为可能存在的各种特征的功能性描述而不是作为本文所述实施例的结构性示意图。因此，在这些实施例中，两个或多个部件可以结合到单个部件中，和/或一个或多个部件的位置可以改变。
我们现在描述该方法的实施例。图6给出了说明用于制造混合集成模块的方法600的流程图。在这个方法当中，粘合剂涂到半导体裸片的顶表面(操作610)。然后，集成器件放到粘合剂上(操作612)。而且，集成器件包括：具有顶表面、底表面和厚度的半导体层，其中半导体层的顶表面机械耦合到粘合剂，并且其中半导体层包括配置为传送光信号的光波导；具有顶表面、底表面和厚度的氧化物层，该层位于半导体层的底表面上；以及位于氧化物层的底表面上的光学器件。应当指出，半导体层的厚度和氧化物层的厚度可以被限定成使得光信号渐逝地耦合在光波导和光学器件之间。
在方法600的有些实施例中，可以有附加的或者更少的操作。而且，操作的次序可以改变，和/或两个或更多个操作可以组合到单个操作中。
以上所述是要使本领域技术人员能够获得并使用本公开内容，并且是在特定应用及其需求的背景下提供的。而且，以上对本公开内容实施例的描述的给出仅仅是为了说明和描述。它们不是详尽的或者要把本公开内容限定到所公开的形式。因此，许多修改和变化都将对本领域技术人员显而易见，并且，在不背离本公开内容主旨与范围的情况下，本文所定义的一般性原理可以应用到其它实施例和应用。此外，前面对实施例的讨论不是要限定本公开内容。因而，本公开内容不是要限定到所示出的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特征一致的最广泛范围。

Claims (20)

1.一种混合集成模块，包括：
具有顶表面的半导体裸片；
机械耦合到所述半导体裸片的顶表面的粘合剂；及
集成器件，其中该集成器件包括：
具有顶表面、底表面和厚度的半导体层，其中所述半导体层的顶表面机械地耦合到所述粘合剂，并且其中所述半导体层包括配置为传送光信号的光波导；
具有顶表面、底表面和厚度的氧化物层，其中所述氧化物层的顶表面位于所述半导体层的底表面上；及
位于所述氧化物层的底表面上的光学器件，其中所述半导体层的厚度和所述氧化物层的厚度被限定成使得所述光信号渐逝地耦合在所述光波导和光学器件之间。
2.如权利要求1所述的混合集成模块，其中所述光学器件配置为调制所述光信号。
3.如权利要求2所述的混合集成模块，其中所述光学器件配置为动态地调制所述光信号。
4.如权利要求1所述的混合集成模块，其中所述光学器件包括电光材料、液晶和铁电材料之一。
5.如权利要求1所述的混合集成模块，其中所述半导体层包括环形共振器，并且所述光学器件方便利用比与热调谐关联的功耗小的功耗调谐所述环形共振器。
6.如权利要求5所述的混合集成模块，其中所述光学器件配置为校正所述环形共振器的实际共振波长相比目标共振波长的变化。
7.如权利要求1所述的混合集成模块，其中所述光学器件配置为切换光信号。
8.如权利要求1所述的混合集成模块，其中所述光学器件包括位于氧化物层的底表面上的另一个光波导；及
其中这另一个光波导配置为跨所述集成器件中的刻线边界传送光信号。
9.如权利要求1所述的混合集成模块，其中所述光学器件包括位于所述氧化物层的底表面上的光源；及
其中所述光源配置为提供所述光信号。
10.如权利要求1所述的混合集成模块，其中所述半导体层的厚度在0.1和4μm之间。
11.如权利要求1所述的混合集成模块，其中所述氧化物层的厚度小于0.5μm。
12.如权利要求1所述的混合集成模块，还包括电耦合所述半导体裸片的顶表面上的衬垫和半导体层的顶表面上的衬垫的焊料球，其中所述粘合剂至少部分地填充所述半导体裸片的顶表面和半导体层的顶表面之间的空间。
13.如权利要求1所述的混合集成模块，其中所述集成器件利用倒装芯片技术机械耦合到所述半导体裸片。
14.如权利要求1所述的混合集成模块，其中所述半导体层包括硅，并且所述氧化物层包括二氧化硅。
15.如权利要求1所述的混合集成模块，其中所述半导体层和氧化物层包括绝缘体上硅技术，其中所述氧化物层顶上的第二半导体裸片已经被除去。
16.一种系统，包括混合集成模块，其中所述混合集成模块包括：
具有顶表面的半导体裸片；
机械耦合到所述半导体裸片的顶表面的粘合剂；及
集成器件，其中所述集成器件包括：
具有顶表面、底表面和厚度的半导体层，其中所述半导体层的顶表面机械耦合到所述粘合剂，并且其中所述半导体层包括配置为传送具有光模式的光信号的光波导；
具有顶表面、底表面和厚度的氧化物层，其中所述氧化物层的顶表面位于所述半导体层的底表面上；及
位于所述氧化物层的底表面上的光学器件，其中所述半导体层的厚度和氧化物层的厚度被限定成使得所述光信号渐逝地
耦合在所述光波导和光学器件之间；
结合到所述半导体裸片和集成器件之一当中的处理器；及
结合到所述半导体裸片和集成器件之一当中的存储器。
17.如权利要求16所述的系统，其中所述半导体层包括环形共振器，并且所述光学器件方便利用比与热调谐相关联的功耗小的功耗调谐所述环形共振器。
18.如权利要求17所述的系统，其中所述光学器件配置为校正所述环形共振器的实际共振波长相比目标共振波长的变化。
19.如权利要求16所述的系统，其中所述光学器件包括位于所述氧化物层的底表面上的光源；及
其中所述光源配置为提供光信号。
20.一种用于制造混合集成模块的方法，所述方法包括：
把粘合剂涂到半导体裸片的顶表面；及
把集成器件放到所述粘合剂上，其中所述集成器件包括：
具有顶表面、底表面和厚度的半导体层，其中所述半导体层的顶表面机械耦合到所述粘合剂，并且其中所述半导体层包括配置为传送光信号的光波导；
具有顶表面、底表面和厚度的氧化物层，其中所述氧化物层的顶表面位于所述半导体层的底表面上；及
位于所述氧化物层的底表面上的光学器件，其中所述半导体层的厚度和氧化物层的厚度被限定成使得所述光信号渐逝地耦合在所述光波导和光学器件之间。
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