CN107817562A - 在光波导之间用于光信号传输的具有垂直对准光栅耦合器的多芯片模块 - Google Patents

在光波导之间用于光信号传输的具有垂直对准光栅耦合器的多芯片模块 Download PDF

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Abstract

本发明涉及在光波导之间用于光信号传输的具有垂直对准光栅耦合器的多芯片模块，所揭示的是容许芯片间光信号传输的多芯片模块(MCM)。MCM可合并至少两个附接(例如通过互连件)的组件。举例而言，在本文中所揭示的一个MCM中，这两个组件可以是集成电路芯片以及附接至该集成电路芯片的中介层，并且一或多个附加集成电路芯片是通过互连件来附接。在本文中所揭示的另一MCM中，这两个组件可以是堆叠并通过互连件彼此附接的两个集成电路芯片。在任一例中，这两个组件各可具有波导以及耦合至该波导一端的光栅耦合器。不同组件上的光栅耦合器可大约垂直对准，从而容许在那些不同组件上的该等波导之间传送光信号。本文中还揭示形成此类MCM的方法。

Description

在光波导之间用于光信号传输的具有垂直对准光栅耦合器的 多芯片模块
技术领域
本发明关于光电器件，并且更具体地说，关于合并光学装置的多芯片模块。
背景技术
光电集成电路芯片典型为合并有各种光学装置。举例而言，光栅耦合器可自芯片外光纤接收光信号，或光源(例如：发光二极管(LED)或激光二极管)可从电子信号产生光信号。在任一例中，可将光信号传送至光波导，其进而传送光信号至光侦测器(本文中亦称为光感测器或光学接收器)。光侦测器可将光信号转换成电子信号以供进一步处理。此类晶载光学装置(例如：光栅耦合器、光源、光波导及光侦测器)及芯片外光学装置(例如：光纤)容许进行光信号传输(与电子信号截然不同)，从而以吸引人的价位实现高频宽通讯。不幸的是，多芯片模块(MCM)中诸集成电路芯片之间目前可用的电子连接无法支援一样的高频宽通讯。
发明内容
鉴于前述，本文中揭示容许芯片间光信号传输的多芯片模块(MCM)。具体而言，所揭示的MCM可合并至少两个附接(例如通过互连件)的组件。举例而言，在本文中所揭示的一个MCM中，这两个组件可以是集成电路芯片以及附接至该集成电路芯片的中介层，并且一或多个附加集成电路芯片是通过互连件来附接。在本文中所揭示的另一MCM中，这两个组件可以是堆叠并通过互连件彼此附接的两个集成电路芯片。在任一例中，这两个组件各可具有光波导以及耦合至该光波导一端的光栅耦合器。不同组件上的光栅耦合器可大约垂直对准，从而容许在那些不同组件上的该等光波导之间传送光信号。本文中还揭示形成此类MCM的方法。
大体上，本文中所揭示的是多芯片模块(MCM)的各项具体实施例。各MCM可合并包含第一光波导以及在一端耦合至该第一光波导的第一光栅耦合器的第一组件。各MCM亦可合并包含第二光波导以及在一端耦合至该第二光波导的第二光栅耦合器的第二组件。该第一组件可相对于该第二组件予以安置，并且通过互连件附接至该第二组件，使得该第一光栅耦合器与该第二光栅耦合器大约垂直对准。在这种组态中，第一组件的第一光栅耦合器与第二组件的第二光栅耦合器的垂直对准容许在第一光波导与第二光波导之间进行光信号传输。
更具体地说，本文中所揭示的是MCM的多个替代具体实施例，其中多个集成电路芯片是通过中介层彼此电连接，并且电连接至封装衬底。在这种情况下，第一组件可以是该等集成电路芯片其中一者。集成电路芯片可具有第一光波导以及在一端耦合至该第一光波导的第一光栅耦合器。第二组件可以是中介层，并且该中介层可具有第二光波导以及在一端耦合至该第二光波导的第二光栅耦合器。集成电路芯片可相对于中介层予以安置，并且通过互连件附接至该中介层，使得该第一光栅耦合器与该第二光栅耦合器大约垂直对准。在这种组态中，集成电路芯片的第一光栅耦合器与中介层的第二光栅耦合器的垂直对准容许在第一光波导与第二光波导之间进行光信号传输。
本文中还揭示MCM的各项具体实施例，其中多个集成电路芯片是彼此堆叠并且电连接。在这种情况下，第一组件可以是第一集成电路芯片，其具有第一光波导以及在一端耦合至该第一光波导的第一光栅耦合器。第二组件可以是第二集成电路芯片，其具有第二光波导以及在一端耦合至该第二光波导的第二光栅耦合器。第一集成电路芯片可相对于第二集成电路芯片予以安置，并且通过互连件附接至该第二集成电路芯片，使得该第一光栅耦合器与该第二光栅耦合器大约垂直对准。在这种组态中，第一集成电路芯片的第一光栅耦合器与第二集成电路芯片的第二光栅耦合器的垂直对准容许在第一光波导与第二光波导之间进行光信号传输。
本文中还揭示形成上述MCM的方法。在该方法中，可形成第一组件，使得其具有第一光波导以及在一端耦合至该第一光波导的第一光栅耦合器。另外，可形成第二组件，使得其具有第二光波导以及在一端耦合至该第二光波导的第二光栅耦合器。应注意的是，所形成的MCM若具有通过中介层彼此电连接且电连接至封装衬底的多个集成电路芯片，则第一组件可以是集成电路芯片，并且第二组件可以是中介层。然而，所形成的MCM若具有垂直堆叠且彼此电连接的多个集成电路芯片，则所形成的第一组件可以是第一集成电路芯片，并且所形成的第二组件可以是第二集成电路芯片。在任一例中，该第一组件可相对于该第二组件予以安置，并且通过互连件附接至该第二组件，使得该第一光栅耦合器与该第二光栅耦合器大约垂直对准。按照这种方式形成当中第一组件的第一光栅耦合器与第二组件的第二光栅耦合器大约垂直对准的MCM，容许在第一光波导与第二光波导之间进行光信号传输。
附图说明
本发明将会参照附图经由以下详细说明而更加让人了解，此等附图不必然按照比例绘制，其中：
图1A至1D是截面图，绘示在中介层上嵌装有多个集成电路芯片的多芯片模块的一具体实施例；
图2A至2D是截面图，绘示堆叠有多个集成电路芯片的多芯片模块的一具体实施例；
图3A是俯视图，绘示光栅耦合器的例示性线性鳍片形状；
图3B是俯视图，绘示光栅耦合器的例示性曲形鳍片形状；以及
图4是流程图，绘示形成上述多芯片模块的方法。
具体实施方式
如上所述，光电集成电路芯片典型为合并有各种光学装置。举例而言，光栅耦合器可自芯片外光纤接收光信号，或光源(例如：发光二极管(LED)或激光二极管)可从电子信号产生光信号。在任一例中，可将光信号传送至光波导，其进而传送光信号至光侦测器(本文中亦称为光感测器或光学接收器)。光侦测器可将光信号转换成电子信号以供进一步处理。此类晶载光学装置(例如：光栅耦合器、光源、光波导及光侦测器)及芯片外光学装置(例如：光纤)容许进行光信号传输(与电子信号截然不同)，从而以吸引人的价位实现高频宽通讯。不幸的是，多芯片模块(MCM)中诸集成电路芯片之间目前可用的电子连接无法支援一样的高频宽通讯。
鉴于前述，本文中揭示容许芯片间光信号传输的多芯片模块(MCM)。具体而言，所揭示的MCM可合并至少两个附接(例如通过互连件)的组件。举例而言，在本文中所揭示的一个MCM中，这两个组件可以是集成电路芯片以及附接至该集成电路芯片的中介层，并且一或多个附加集成电路芯片是通过互连件来附接。在本文中所揭示的另一MCM中，这两个组件可以是堆叠并通过互连件彼此附接的两个集成电路芯片。在任一例中，这两个组件各可具有光波导以及耦合至该光波导一端的光栅耦合器。不同组件上的光栅耦合器可大约垂直对准，从而容许在那些不同组件上的该光波导之间传送光信号。本文中还揭示形成此类MCM的方法。
大体上，本文中所揭示的是多芯片模块(MCM)的各项具体实施例(举例来说，请参阅图1A至1D的MCM 100A至100D以及图2A至2D的MCM 200A至200D)。图1A至1D绘示MCM 100A至100D，其具有多个组件，包括但不限于集成电路芯片110与130以及上有嵌装集成电路芯片110与130的中介层120；而图2A至2D绘示MCM 200A至200D，其具有多个组件，包括但不限于垂直堆叠的集成电路芯片210与220。在任一例中，这些MCM 100A至100D及MCM 200A至200D各合并具有第一光波导112、212以及在一端耦合至第一光波导112、212的第一光栅耦合器113、213的第一组件110、210。这些MCM 100A至100D及MCM 200A至200D亦各合并具有第二光波导122、222以及在一端耦合至第二光波导122、222的第二光栅耦合器123、223的第二组件120、220。第一组件110、210可相对于第二组件120、220予以安置，并且通过互连件170、270附接至该第二组件，使得第一光栅耦合器113、213与第二光栅耦合器123、223大约垂直对准。通过此一组态，第一组件110、210的第一光栅耦合器113、213与第二组件120、220的第二光栅耦合器123、223的垂直对准容许在第一光波导112、212与第二光波导122、222之间进行光信号传输。
更具体地说，请参阅图1A至1D，本文中所揭示的是各种MCM 100A至100D，其中多个集成电路芯片(举例来说，请参阅集成电路芯片110，其等同于上述第一组件，并请参阅(多个)附加集成电路芯片130)是使用互连件170电气及实体连接至中介层120，其等同于上述第二组件。集成电路芯片110与任何(多个)附加集成电路芯片130可通过中介层120，尤其是通过贯穿衬底通孔(TSV)及中介层120中的接线(图未示)的组合彼此电连接，并且电连接至封装衬底101。将中介层内的TSV及接线用于在诸整合芯片之间及与封装衬底提供电连接在所属技术领域中属于众所周知，本说明书因而省略详细内容，以便容许读者聚焦于所揭示结构的突出态样。
集成电路芯片110、任何附加集成电路芯片130及中介层120各可以是绝缘体上半导体(SOI)结构，如图所示。具体而言，这些组件各可具有半导体衬底(例如：硅衬底或其它合适的半导体衬底)、位在该半导体衬底上的绝缘体层119、129、139(例如：埋置型氧化物(BOX)层)、位在绝缘体层119、129、139及层间介电材料111、121、131上的装置层114、124、134(例如：半导体层，诸如硅层、III-V族半导体层或II-VI族半导体层)，尤其还具有位在装置层114、124、134上的后段(BEOL)层间介电材料(包括其内嵌埋的BEOL金属阶(图未示))。各组件110、120及上的层间介电材料111、121、131分别可以是相同材料或不同材料，下文有更详细的论述。
集成电路芯片110可进一步具有第一光波导112。如图所示，第一光波导112的光学核心举例而言，可通过浅沟槽隔离(STI)区在装置层114内界定。因此，取决于装置层114的半导体材料，第一光波导112可以是硅光波导、III-V族半导体光波导或II-VI族半导体光波导。在这种情况下，围绕该光学核心的绝缘体层119、STI区及层间介电材料111可作用为用于第一光波导112的包覆材料。应了解的是，任何其它合适的光学核心/包覆组态都可替代地用于第一光波导。举例而言，虽然图中未展示，仍可在集成电路芯片110上的介电层内(例如：氮化物层内)界定第一光波导的光学核心，并且具有更小折射率的其它介电材料(例如：氧化物层)可作用为包覆材料。
集成电路芯片110可进一步具有在一端耦合至第一光波导112的表面的第一光栅耦合器113。第一光栅耦合器113可合并多个实质平行鳍形结构(即实质平行狭长体)。为了说明，仅展示四个鳍形结构。然而，应了解的是此等附图用意不在于限制，并且鳍形结构的数目范围可自3至20以上。图3A及3B是俯视图，绘示例示性光栅耦合器组态，并且具体而言，绘示相对于光波导的例示性鳍形结构形状。具体而言，如图3A所示，光栅耦合器的鳍形结构可实质呈线性，并且相对于光波导垂直，而且供选择地，鳍形结构的长度可随着离光波导的距离增加而增加。替代地，如图3B所示，鳍形结构可相对于光波导的端部弯曲及内凹，并且再次地，鳍形结构的长度供选择地，可随着离光波导的距离增加而增加。
应注意的是，第一光栅耦合器113的鳍形结构可由一或多种半导体材料(例如：硅、多晶硅或其它合适的半导体材料)、一或多种介电材料(例如：氮化硅、氮氧化硅或其它合适的介电材料)或以上的组合所制成。最后，应注意的是，为了说明，第一光栅耦合器113是展示为相邻于层间介电材料111而置于第一光波导112的表面上(亦即，介于集成电路芯片110的第一光波导112与后段(BEOL)金属阶之间)。然而，应了解的是，替代地，第一光栅耦合器113可相邻于绝缘体层119置于第一光波导112的对立表面上。在任一例中，为了引导光信号进到或远离第一光波导112的目的，可预定第一光栅耦合器113的鳍形结构的组态、用于那些鳍形结构的(多种)材料以及第一光栅耦合器113相对于第一光波导112的安置(例如：第一光波导112相邻于层间介电材料111的表面(图未示)上，或第一光波导相邻于绝缘层的表面(图未示)上)。
中介层120可具有第二光波导122。如图所示，第二光波导122的光学核心举例而言，可通过浅沟槽隔离(STI)区在装置层124内界定。因此，取决于装置层124的半导体材料，第二光波导122可以是硅波导、III-V族半导体波导或II-VI族半导体波导，并且与集成电路芯片110的第一光波导112可以是相同或不同的材料。在这种情况下，围绕该光学核心的绝缘体层129、STI区及层间介电材料121可作用为用于第二光波导122的包覆材料。应了解的是，任何其它合适的光学核心/包覆组态都可替代地用于第二光波导。举例而言，虽然图中未展示，仍可在中介层120上的介电层内(例如：氮化物层内)界定第二光波导的光学核心，并且具有更小折射率的其它介电材料(例如：氧化物层)可作用为包覆材料。
中介层120可进一步具有在一端耦合至第二光波导122的表面的第二光栅耦合器123。集成电路芯片110相对于中介层120的安置可使得第一光栅耦合器113与第二光栅耦合器123大约垂直对准(请进一步详阅下文有关光栅耦合器对准的论述)。具体而言，第二光栅耦合器123可合并多个实质平行鳍形结构(即实质平行狭长体)。第二光栅耦合器123中鳍形结构的数目以及第二光栅耦合器123中鳍形结构的组态应等同于第一光栅耦合器113中鳍形结构的数目以及鳍形结构的组态，第二光栅耦合器123的各鳍形结构与第一光栅耦合器113的对应鳍形结构垂直对准。应注意的是，若鳍形结构的长度改变，如图3A及3B所示，第一光栅耦合器113的最长鳍形结构将会与第二光栅耦合器123的最短鳍形结构大约对准，反之亦然。
应注意的是，虽然将光栅耦合器称为大约垂直对准，垂直对准仍可有稍微偏移，而且此稍微偏移的量可取决于光射线将行进至芯片的角度。具体而言，当X为介于该等光栅耦合器之间的垂直距离且Y为光将行进至芯片的角度时，光接收光栅耦合器可离光传送光栅耦合器直接对准偏移X*sin(Y°)予以最佳置放。因此，举例而言，在光栅耦合器为10μm至30μm大小的设计中，若该传送光栅耦合器离垂直以20°的角度发送光，且光栅耦合器间的距离较小(例如：6μm)，则该偏移会是6μm*sin(20)＝2μm，远小于10μm至30μm光栅大小。
应注意的是，第二光栅耦合器123的鳍形结构可由一或多种半导体材料(例如：硅、多晶硅或其它合适的半导体材料)、一或多种介电材料(例如：氮化硅、氮氧化硅或其它合适的介电材料)或以上的组合所制成。较佳地，第一光栅耦合器113的鳍形结构的材料与第二光栅耦合器123的鳍形结构的材料或至少光学等效材料相同。最后，应注意的是，为了说明，第二光栅耦合器123是展示为相邻于层间介电材料121而置于第二光波导122的表面上(亦即，介于中介层120的第二光波导122与后段(BEOL)金属阶之间)。然而，应了解的是，替代地，第二光栅耦合器123可相邻于绝缘体层129置于第二光波导122的对立表面上。在任一例中，为了引导光信号进到或远离第二光波导122的目的，可预定第二光栅耦合器123的鳍形结构的组态、用于那些鳍形结构的(多种)材料以及第二光栅耦合器123相对于第二光波导122的安置(例如：第二光波导122相邻于层间介电材料121的表面(图未示)上，或第二光波导相邻于绝缘层的表面(图未示)上)。
互连件(例如：焊块)可在集成电路芯片110的层间介电材料111的最外层表面与中介层120的层间介电材料121的最外层表面之间延展，从而将集成电路芯片110实体且电连接至中介层120。再次地，如上所述，应相对于中介层120安置集成电路芯片110，使得第一光栅耦合器113与第二光栅耦合器123大约垂直对准。
在具有一种组态的MCM 100A至100D中，如以上所述，集成电路芯片110的第一光栅耦合器113与中介层120的第二光栅耦合器123的垂直对准容许传输光信号，尤其是介于集成电路芯片110上的第一光波导112与中介层120上的第二光波导122之间任意数不同频率的光信号。举例而言，中介层120上的第二光波导122可在与第二光栅耦合器123对立的一端接收来自芯片外光纤190的光信号。可沿着第二光波导122并穿过第二光栅耦合器123传播此光信号。第二光栅耦合器123可接着引导光信号远离第二光波导122，而且尤其是远离中介层120至集成电路芯片110上的第一光栅耦合器113。第一光栅耦合器113可接着引导光信号进到第一光波导112，并且第一光波导112可将光信号传播至晶载光学装置115，诸如光侦测器，其可将光信号转换成电子信号，以供集成电路芯片110上的电子装置(图未示)进一步处理。
应注意的是，集成电路芯片110、中介层120及任何附加集成电路芯片130上的附加光学装置(例如：附加光源及/或光感测器)、附加光波导及附加光栅耦合器可容许嵌装于中介层上的各个集成电路芯片之间进一步进行光传输(亦即可容许光信号的芯片间传输)。举例而言，中介层120可进一步具有光波导127以及耦合至光波导127的对立端的光栅耦合器128、128’；集成电路芯片110可进一步具有光波导117以及分别耦合至光波导117的对立端的光栅耦合器118与光学装置116(例如：光源)；以及附加集成电路芯片130可进一步具有光波导132以及耦合至光波导132的对立端的光栅耦合器133与光学装置135(例如：光侦测器)。中介层120的光波导127上的光栅耦合器128可与集成电路芯片110的光波导117上的光栅耦合器118大约垂直对准，而且类似的是，中介层120的光波导上127的光栅耦合器128’可与附加集成电路芯片130的光波导132上的光栅耦合器133大约垂直对准。因此，集成电路芯片110上光源116处产生的光信号可穿过光波导117、光栅耦合器118、光栅耦合器128、光波导127、光栅耦合器128’、光栅耦合器133及光波导132传播，并且由光侦测器135接收。
MCM 100A至100D可进一步在集成电路芯片110、130与中介层120之间具有填充材料180。此填充材料举例而言，可以是热化合物(例如：导热膏、胶或脂)以供热移除之用。填充材料180可以是光学透明填充材料(亦即，已知在所欲频率对光信号实质透明的填充材料)(例如：请参阅图1A的MCM 100A及图1B的MCM 100B)。替代地，填充材料180可以是光学不透明填充材料(例如：请参阅图1C的MCM 100C及图1D的MCM 100D)。应注意的是，若填充材料具有光学不透明性(亦即，不具有光学透明性)，则至少一个阻障物181(例如：介电质间隔物)可自中介层120的层间介电材料121的最外层表面延展至各该集成电路芯片的层间介电材料的最外层表面。各阻障物181可合围介于诸垂直对准光栅耦合器之间(例如：介于集成电路芯片110的第一光栅耦合器113与中介层120的第二光栅耦合器123之间等)的传输区，以防止填充材料在沉积于集成电路芯片110、130与中介层120之间时进入该传输区。因此，沉积填充材料180之后，填充材料180在诸垂直对准光栅耦合器之间(例如：介于集成电路芯片110的第一光栅耦合器113与中介层120的第二光栅耦合器123之间等)具有开口186，从而防止阻碍到介于该等垂直对准光栅耦合器之间的光信号传输(例如：请参阅图1C的MCM100C及图1D的MCM 100D)。
另外，在MCM 100A至100D中，集成电路芯片110、130的层间介电材料111、131可与中介层120的层间介电材料121相同或光学均等，并且可在所欲频率对光信号呈透明(例如：请参阅图1A的MCM 100A及图1C的MCM 100C)。替代地，层间介电材料111、121、131可以不同，而且尤其是呈现不同的光学性质，或可具有光学不透明性(例如：请参阅图1B的MCM 100B及图1D的MCM 100D)。应注意的是，若集成电路芯片110、130上的层间介电材料111、131与中介层120的层间介电材料121既不相同也非光学均等，或若层间介电材料111、121、131具有光学不透明性，则集成电路芯片110、130上及中介层120上的层间介电材料111、121、131可具有开口185，其垂直延展至光栅耦合器，并且防止阻碍到介于诸垂直对准光栅耦合器之间的光信号传输，诸如集成电路芯片110的第一光栅耦合器113与中介层120的第二光栅耦合器123等(例如：请参阅图1B的MCM 100B及图1D的MCM 100D)。
请参阅图2A至2D，本文中亦揭示MCM 200A至200D，其中多个集成电路芯片(举例来说，等同于上述第一组件的第一集成电路芯片210以及等同于上述第二组件的第二集成电路芯片220)是使用互连件270来垂直堆叠并且电气及实体连接。可在衬底201上(例如：封装衬底上，或替代地，嵌装于封装衬底上的中介层上)嵌装集成电路芯片210、220的堆叠。
第一集成电路芯片210以及第二集成电路芯片220各可以是绝缘体上半导体(SOI)结构，如图所示。具体而言，这些集成电路芯片各可具有半导体衬底(例如：硅衬底或其它合适的半导体衬底)、位在该半导体衬底上的绝缘体层219、229(例如：埋置型氧化物(BOX)层)、位在绝缘体层219、229及层间介电材料211、221上的装置层214、224(例如：半导体层，诸如硅层、III-V族半导体层或II-VI族半导体层)，尤其还具有位在装置层214、224上的后段(BEOL)层间介电材料(包括其内嵌埋的BEOL金属阶(图未示))。
第一集成电路芯片210可进一步具有第一光波导212。如图所示，第一光波导212的光学核心举例而言，可通过浅沟槽隔离(STI)区在装置层214内界定。因此，取决于装置层214的半导体材料，第一光波导212可以是硅光波导、III-V族半导体光波导或II-VI族半导体光波导。在这种情况下，围绕该光学核心的绝缘体层219、STI区及层间介电材料211可作用为用于第一光波导212的包覆材料。应了解的是，可使用任何其它合适的光学核心/包覆组态。举例而言，虽然图中未展示，仍可在集成电路芯片210上的介电层内(例如：氮化物层内)界定第一光波导212的光学核心，并且具有更小折射率的其它介电材料(例如：氧化物层)可作用为包覆材料。
第一集成电路芯片210可进一步具有在一端耦合至第一光波导212的表面的第一光栅耦合器213。第一光栅耦合器213可合并多个实质平行鳍形结构(即实质平行狭长体)。为了说明，仅展示四个鳍形结构。然而，应了解的是此等附图用意不在于限制，并且鳍形结构的数目范围可自3至20以上。图3A及3B是俯视图，绘示例示性光栅耦合器组态，并且具体而言，绘示相对于光波导的例示性鳍形结构形状。具体而言，如图3A所示，鳍形结构可实质呈线性，并且相对于光波导垂直，而且供选择地，鳍形结构的长度可随着离光波导的距离增加而增加。替代地，如图3B所示，鳍形结构可相对于光波导的端部弯曲及内凹，并且再次地，鳍形结构的长度供选择地，可随着离光波导的距离增加而增加。
应注意的是，第一光栅耦合器213的鳍形结构可由一或多种半导体材料(例如：硅、多晶硅或其它合适的半导体材料)、一或多种介电材料(例如：氮化硅、氮氧化硅或其它合适的介电材料)或以上的组合所制成。最后，应注意的是，为了说明，第一光栅耦合器213是展示为相邻于层间介电材料211而置于第一光波导212的表面上(亦即，介于第一集成电路芯片210的第一光波导212与后段(BEOL)金属阶之间)。然而，应了解的是，替代地，第一光栅耦合器213可相邻于绝缘体层219置于第一光波导212的对立表面上。在任一例中，为了引导光信号进到或远离第一光波导212的目的，可预定第一光栅耦合器213的鳍形结构的组态、用于那些鳍形结构的(多种)材料以及第一光栅耦合器213相对于第一光波导212的安置(例如：第一光波导112相邻于层间介电材料211的表面(图未示)上，或第一光波导相邻于绝缘层的表面(图未示)上)。
第二集成电路芯片220可具有第二光波导222。如图所示，第二光波导222的光学核心举例而言，可通过浅沟槽隔离(STI)区在装置层224内界定。因此，取决于装置层224的半导体材料，第二光波导222可以是硅波导、III-V族半导体波导或II-VI族半导体波导，并且与集成电路芯片210的第一光波导212可以是相同或不同的材料。在这种情况下，围绕该光学核心的绝缘体层229、STI区及层间介电材料221可作用为用于第二光波导222的包覆材料。应了解的是，任何其它合适的光学核心/包覆组态都可替代地用于第二光波导。举例而言，虽然图中未展示，仍可在第二集成电路芯片220上的介电层内(例如：氮化物层内)界定第二光波导的光学核心，并且具有更小折射率的其它介电材料(例如：氧化物层)可作用为包覆材料。
第二集成电路芯片220可进一步具有在一端耦合至第二光波导222的表面的第二光栅耦合器223。第一集成电路芯片210相对于第二集成电路芯片220的安置可使得第一光栅耦合器213与第二光栅耦合器223大约垂直对准(请进一步详阅下文有关光栅耦合器对准的论述)。具体而言，第二光栅耦合器223可合并多个实质平行鳍形结构(即实质平行狭长体)。第二光栅耦合器223中鳍形结构的数目以及第二光栅耦合器223中鳍形结构的组态应等同于第一光栅耦合器213中鳍形结构的数目以及鳍形结构的组态，第二光栅耦合器223的各鳍形结构与第一光栅耦合器213的对应鳍形结构垂直对准。应注意的是，若鳍形结构的长度改变，如图3A及3B所示，第一光栅耦合器213的最长鳍形结构将会与第二光栅耦合器223的最短鳍形结构大约对准，反之亦然。
再次地，应注意的是，虽然将光栅耦合器称为大约垂直对准，最佳的是，垂直对准仍可有稍微偏移，而且此偏移的量将取决于光射线将行进至芯片的角度。亦即，当X为介于该等光栅耦合器之间的垂直距离且Y为光将行进至芯片的角度时，光接收光栅耦合器将会离光传送光栅耦合器直接对准偏移X*sin(Y°)予以最佳置放。因此，举例而言，在光栅耦合器为10μm至30μm大小的设计中，若该传送光栅耦合器离垂直以20°的角度发送光，且光栅耦合器间的距离较小(例如：6μm)，则该偏移会是6μm*sin(20)＝2μm，远小于10μm至30μm光栅大小。
应注意的是，第二光栅耦合器223的鳍形结构可由一或多种半导体材料(例如：硅、多晶硅或其它合适的半导体材料)、一或多种介电材料(例如：氮化硅、氮氧化硅或其它合适的介电材料)或以上的组合所制成。较佳地，第一光栅耦合器213的鳍形结构的材料与第二光栅耦合器223的鳍形结构的材料或至少光学等效材料相同。最后，应注意的是，为了说明，第二光栅耦合器213是展示为相邻于层间介电材料221而置于第二光波导222的表面上(亦即，介于第二集成电路芯片220的第二光波导222与后段(BEOL)金属阶之间)。然而，应了解的是，替代地，第二光栅耦合器223可相邻于绝缘体层229置于第二光波导222的对立表面上。在任一例中，为了引导光信号进到或远离第二光波导222的目的，可预定第二光栅耦合器223的鳍形结构的组态、用于那些鳍形结构的(多种)材料以及第二光栅耦合器223相对于第二光波导222的安置(例如：第二光波导222相邻于层间介电材料221的表面(图未示)上，或第二光波导相邻于绝缘层的表面(图未示)上)。
互连件(例如：焊块)可在第一集成电路芯片210的层间介电材料211的最外层表面与第二集成电路芯片220的层间介电材料221的最外层表面之间延展，从而将第一集成电路芯片210实体且电连接至第二集成电路芯片220。再次地，如上所述，应相对于第二集成电路芯片220安置第一集成电路芯片210，使得第一光栅耦合器213与第二光栅耦合器223大约垂直对准。
在MCM 200A至200D的各者中，如以上所述，第一集成电路芯片210的第一光栅耦合器213与第二集成电路芯片220的第二光栅耦合器223的垂直对准容许传输光信号，尤其是介于第一集成电路芯片210上的第一光波导212与第二集成电路芯片220上的第二光波导222之间任意数不同频率的光信号。举例而言，第二集成电路芯片220上的第二光波导222可在与第二光栅耦合器223对立的一端接收来自晶载光学装置225(例如：可产生光信号的光源)的光信号。可沿着第二光波导222并穿过第二光栅耦合器223传播此光信号。第二光栅耦合器223可接着引导光信号远离第二光波导222，而且尤其是远离第二集成电路芯片220至第一集成电路芯片210上的第一光栅耦合器213。第一光栅耦合器213可接着引导光信号进到第一光波导212，并且第一光波导212可将光信号传播至晶载光学装置215(例如：光侦测器，其可将光信号转换成电子信号，以供第一集成电路芯片210上的电子装置(图未示)进一步处理)。
MCM 200A至200D可进一步在第一集成电路芯片210与第二集成电路芯片220之间具有填充材料280。此填充材料举例而言，可以是热化合物(例如：导热膏、胶或脂)以供热移除之用。填充材料280可以是光学透明填充材料(亦即，已知在所欲频率对光信号实质透明的填充材料)(例如：请参阅图2A的MCM 200A及图2B的MCM 200B)。替代地，填充材料280可以是光学不透明(例如：请参阅图2C的MCM 200C及图2D的MCM 200D)。应注意的是，若填充材料具有光学不透明性(亦即，不具有光学透明性)，则至少一个阻障物281(例如：介电质间隔物)可自第二集成电路芯片220的层间介电材料221的最外层表面延展至第一集成电路芯片210的层间介电材料211的最外层表面。各阻障物281可合围介于诸垂直对准光栅耦合器之间(例如：介于第一集成电路芯片210的第一光栅耦合器213与第二集成电路芯片220的第二光栅耦合器223之间等)的传输区，以防止填充材料在沉积于第一集成电路芯片210与第二集成电路220之间时进入该传输区。因此，沉积填充材料280之后，填充材料280在诸垂直对准光栅耦合器之间(例如：介于第一集成电路芯片210的第一光栅耦合器213与第二集成电路芯片220的第二光栅耦合器223之间等)具有开口286，从而防止阻碍到介于该等垂直对准光栅耦合器之间的光信号传输(例如：请参阅图2C的MCM 200C及图2D的MCM 200D)。
另外，在MCM 200A至200D中，第一集成电路芯片210的层间介电材料211可与第二集成电路芯片220的层间介电材料221相同或光学均等，并且可在所欲频率对光信号呈透明(例如：请参阅图2A的MCM200A及图2C的MCM 200C)。替代地，集成电路芯片210、220上的层间介电材料211、221可以不同，而且尤其是呈现不同的光学性质，或可具有光学不透明性(例如：请参阅图2B的MCM 200B及图2D的MCM200D)。应注意的是，若第一集成电路芯片210上的层间介电材料211与第二集成电路芯片220的层间介电材料221既不相同也非光学均等，或若层间介电材料211、221具有光学不透明性，则层间介电材料211、221可具有开口282，其垂直延展至光栅耦合器，并且防止阻碍到介于诸垂直对准光栅耦合器之间的光信号传输，诸如第一集成电路芯片210的第一光栅耦合器213与第二集成电路芯片220的第二光栅耦合器223等(例如：请参阅图2B的MCM 200B及图2D的MCM 200D)。
请参阅图4的流程图，本文中还揭示上述图1A至1D的MCM 100A至100D以及图2A至2D的MCM 200A至200D的形成方法。在该方法中，可形成第一组件(402)。具体而言，可将第一组件形成为绝缘体上半导体(SOI)结构。可提供绝缘体上半导体(SOI)晶圆。此晶圆各可具有半导体衬底(例如：硅衬底或其它合适的半导体衬底)、位在该半导体衬底上的绝缘体层(例如：埋置型氧化物(BOX)层)以及位在该绝缘体层上的装置层(例如：半导体层，诸如硅层、III-V族半导体层或II-VI族半导体层)。可在第一组件上形成第一光波导。举例而言，可通过浅沟槽隔离区在装置层中界定第一光波导的光学核心。在这种情况下，围绕该光学核心的绝缘体层、STI区及层间介电材料可作用为用于第一光波导的包覆材料。应了解的是，可交替地形成任何其它合适的光学核心/包覆组态。举例而言，虽然图中未展示，仍可在第一组件上的介电层内(例如：氮化物层内)界定第一光波导的光学核心，并且具有更小折射率的其它介电材料(例如：氧化物层)可作用为包覆材料。另外，可形成第一光栅耦合器以使得其在一端耦合至第一光波导。第一光栅耦合器可合并多个实质平行鳍形结构(即实质平行狭长体)。可形成光学装置(例如：光侦测器)，使得其在对立端耦合至光波导。可相邻第一光波导而形成层间介电材料，而且尤其是后段(BEOL)层间介电材料，并且可在BEOL层间介电材料中嵌埋金属阶(图未示)。
另外，可形成第二组件(403)。具体而言，可将第二组件形成为绝缘体上半导体(SOI)结构。可提供绝缘体上半导体(SOI)晶圆。此晶圆各可具有半导体衬底(例如：硅衬底或其它合适的半导体衬底)、位在该半导体衬底上的绝缘体层(例如：埋置型氧化物(BOX)层)以及位在该绝缘体层上的装置层(例如：半导体层，诸如硅层、III-V族半导体层或II-VI族半导体层)。可在第二组件上形成第二光波导。举例而言，可通过浅沟槽隔离区在装置层中界定第二光波导的光学核心。在这种情况下，围绕该光学核心的绝缘体层、STI区及层间介电材料可作用为用于第一光波导的包覆材料。应了解的是，可交替地形成任何其它合适的光学核心/包覆组态。举例而言，虽然图中未展示，仍可在第二组件上的介电层内(例如：氮化物层内)界定第二光波导的光学核心，并且具有更小折射率的其它介电材料(例如：氧化物层)可作用为包覆材料。另外，可形成第二光栅耦合器以使得其在一端耦合至第二光波导。第二光栅耦合器可合并多个实质平行鳍形结构(即实质平行狭长体)。第二光栅耦合器中鳍形结构的数目以及第二光栅耦合器中鳍形结构的组态应等同于第一光栅耦合器中鳍形结构的数目以及鳍形结构的组态，第一光栅耦合器具有第二光栅耦合器的各鳍形结构。
可相邻第二光波导而形成层间介电材料，而且尤其是后段(BEOL)层间介电材料，并且可在BEOL层间介电材料中嵌埋金属阶(图未示)。
用于形成光波导、形成耦合至光波导的光栅耦合器以及形成耦合至光波导的光学装置(例如：光侦测器或光源)的各种技巧在所属技术领域中属于众所周知。因此，本说明书省略此类技巧的详细内容，以便容许读者聚焦于所揭示方法的突出态样。应注意的是，光栅耦合器的鳍形结构可由一或多种半导体材料(例如：硅、多晶硅或其它合适的半导体材料)、一或多种介电材料(例如：氮化硅、氮氧化硅或其它合适的介电材料)或以上的组合所制成。较佳地，第一组件上的第一光栅耦合器的鳍形结构的材料与第二组件上的第二光栅耦合器的鳍形结构的材料或至少光学等效材料相同。另外，程序402与404可分别在第一与第二组件上形成第一与第二光栅耦合器，使得其是介于那些组件的光波导与后段(BEOL)金属阶之间(如图所示)。替代地，程序402至404可分别在第一与第二组件上形成第一与第二光栅耦合器，使得其是介于那些组件的光波导与绝缘体层之间(图未示)。
应注意的是，若根据图4的方法所形成的MCM是具有通过中介层彼此电连接且电连接至封装衬底的多个集成电路芯片的MCM，则程序402形成的第一组件可以是集成电路芯片110，并且程序404形成的第二组件可以是中介层120，如以上关于图1A至1D的MCM 100A至100D所详述。替代地，若根据图4的方法所形成的MCM是具有垂直堆叠并且彼此电连接的多个集成电路芯片的MCM，则程序402形成的第一组件可以是第一集成电路芯片210，而程序404形成的第二组件可以是第二集成电路芯片220，如以上根据图2A至2D的方法MCM 200A至200D所详述。在任一例中，程序402至404形成第一与第二组件之后，第一组件可相对于第二组件而置并与其附接，而且更具体地说，是通过互连件(例如：焊块)与其实质电连接，使得第一光栅耦合器与第二光栅耦合器大约垂直对准(406)。应注意的是，虽然将光栅耦合器称为大约垂直对准，最佳的是，可进行该等组件的安置而使得光栅耦合器的垂直对准有稍微偏移，而且此稍微偏移的量将取决于光射线将行进至芯片的角度。具体而言，当X为介于该等光栅耦合器之间的垂直距离且Y为光将行进至芯片的角度时，光接收光栅耦合器将会离光传送光栅耦合器直接对准偏移X*sin(Y°)予以最佳置放。因此，举例而言，在光栅耦合器为10μm至30μm大小的设计中，若该传送光栅耦合器离垂直以20°的角度发送光，且光栅耦合器间的距离较小(例如：6μm)，则该偏移会是6μm*sin(20)＝2μm，远小于10μm至30μm光栅大小。使用互连件(例如：焊块)用于将诸组件附接的技巧在所属技术领域中属于众所周知，因此，为了让读者聚焦于所揭示方法的突出态样，本说明书省略这些技巧的细节。
另外，可沉积填充材料而使得在产生的MCM中，填充材料是介于第一组件与第二组件之间(408)。此填充材料举例而言，可以是热化合物(例如：导热膏、胶或脂)以供热移除之用。在以互连件将第一组件附接至第二组件前，可先在一个组件或另一组件上沉积此填充材料。替代地，在以互连件将第一组件附接至第二组件之后，可在第一组件与第二组件之间注入填充材料。
在任一例中，程序408在第一组件与第二组件之间沉积的填充材料可以是光学透明填充材料(亦即，已知在所欲频率对光信号实质透明的填充材料)(例如：请参阅图1A的MCM 100A、图1B的MCM 100B、图2A的MCM 200A及图1B的MCM 200B)。替代地，程序408在第一组件与第二组件之间沉积的填充材料可以是光学不透明填充材料(例如：请参阅图1C的MCM100C、图1D的MCM 100D、图2C的MCM 200C及图2D的MCM 200D)。应注意的是，若填充材料具有光学不透明性(亦即，不具有光学透明性)，则至少一个阻障物(例如：介电质间隔物)可在程序402形成于第一组件的层间介电材料的最外层表面上或在程序404形成于第二组件的层间介电材料的最外层表面上。可形成各阻障物而使得一旦在程序406将第一组件附接至第二组件，并且在程序408沉积填充材料，阻障物合围介于诸垂直对准光栅耦合器之间(例如：介于第一组件的第一光栅耦合器与第二组件的第二光栅耦合器之间等)的传输区，用以防止填充材料进入该传输区。因此，在程序406至408之后，填充材料将会在各组垂直对准光栅耦合器之间(例如：第一组件的第一光栅耦合器与第二组件的第二光栅耦合器之间等)具有开口，从而防止阻碍到介于该等垂直对准光栅耦合器之间的光信号传输(例如：请参阅图1C的MCM 100C、图1D的MCM 100D、图2C的MCM 200C及图1D的MCM 200D)。
另外，程序402至404可形成第一组件与第二组件而使得第一组件的层间介电材料与第二组件的层间介电材料相同或光学均等，并且进一步使得其在所欲频率对光信号呈透明(例如：请参阅图1A的MCM100A、图1C的MCM 100C、图2A的MCM 200A及图2C的MCM 200C)。替代地，程序402至404可形成第一组件与第二组件而使得位在该两个组件上的层间介电材料不同，而且尤其是，在光学方面呈现不同性质或具有光学不透明性(例如：请参阅图1B的MCM100B、图1D的MCM100D、图2B的MCM 200B及图2D的MCM 200D)。应注意的是，若位在第一组件与第二组件上的层间介电材料不同(亦即在光学方面呈现不同性质)，或若两者具有光学不透明性，则程序402至404可形成第一组件与第二组件而使得该等层间介电材料可具有垂直延展至光栅耦合器的开口。此类开口可防止程序406将第一组件附接至第二组件后阻碍到介于诸垂直对准光栅耦合器之间的光信号传输，诸如第一集成电路芯片210的第一光栅耦合器213与第二集成电路芯片220的第二光栅耦合器223之间等(例如：请参阅图2B的MCM200B及图1D的MCM200D)。
根据图4的方法形成图1A至1D的MCM 100A至100B以及图2A至2D的MCM 200A至200D而使得第一组件的第一光栅耦合器与第二组件的第二光栅耦合器垂直对准容许传输光信号，而且尤其是，介于第一组件上的第一光波导与第二组件上的第二光波导之间各种不同频率的光信号。
应了解的是本文中使用的术语是为了说明所揭示的结构及方法，并且用意不在于限制。举例而言，单数形的“一”(及其变形)及“该”于本文中使用时，用意在于同样包括复数形，除非内容另有清楚指示。另外，“包含”及/或“包括”(及其变形)等词于本文中使用时，指明所述特征、整体、步骤、操作、元件及/或组件的存在，但并未排除一或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件及/或其群组的存在或新增。再者，如本文中所使用的诸如“右”、“左”、“垂直”、“水平”、“顶端”、“底端”、“上”、“下”、“底下”、“下面”、“下层”、“上方”、“上层”、“平行”、“垂直”等用语，用意在于说明此等用语在附图中取向及绘示时的相对位置(除非另有所指)，而“触及”、“上”、“直接接触”、“毗连”、“直接相邻于”等用语用意在于指出至少一个元件实体接触另一元件(此等所述元件之间没有用其它元件来分隔)。权利要求书中所有手段或步骤加上功能元件的对应结构、材料、动作及等同物用意在于包括结合如具体主张的其它主张专利权的元件进行执行该功能的任何结构、材料或动作。
本发明的各项具体实施例的描述已为了说明目的而介绍，但用意不在于穷举或受限于所揭示的具体实施例。许多修改及变例对于本领域技术人员将会显而易知，但不会脱离所述具体实施例的范畴及精神。本文中使用的术语是为了最佳阐释具体实施例的原理、对市场出现的技术所作的实务应用或技术改良，或让本领域技术人员能够理解本文中所揭示的具体实施例而选择。
以上所揭示的是容许芯片间光信号传输的多芯片模块(MCM)。具体而言，所揭示的MCM可合并至少两个附接(例如通过互连件)的组件。举例而言，在本文中所揭示的一个MCM中，这两个组件可以是集成电路芯片以及附接至该集成电路芯片的中介层，并且一或多个附加集成电路芯片是通过互连件来附接。在本文中所揭示的另一MCM中，这两个组件可以是堆叠并通过互连件彼此附接的两个集成电路芯片。在任一例中，这两个组件各可具有波导以及耦合至该波导一端的光栅耦合器。不同组件上的光栅耦合器可大约垂直对准，从而容许在那些不同组件上的该等波导之间传送光信号。本文中还揭示形成此类MCM的方法。

Claims (20)

1.一种多芯片模块，包含：
包含第一波导以及耦合至该第一波导的第一光栅耦合器的第一组件；
包含第二波导以及耦合至该第二波导的第二光栅耦合器的第二组件；以及
将该第一组件附接至该第二组件而使得该第一光栅耦合器与该第二光栅耦合器大约垂直对准的互连件，
该第一光栅耦合器与该第二光栅耦合器容许在该第一波导与该第二波导之间进行光信号传输。
2.如权利要求1所述的多芯片模块，该第一组件包含第一集成电路芯片，并且该第二组件包含中介层及第二集成电路芯片中任一者。
3.如权利要求1所述的多芯片模块，更包含介于该第一组件与该第二组件之间的填充材料。
4.如权利要求3所述的多芯片模块，该填充材料为光学透明。
5.如权利要求3所述的多芯片模块，该填充材料具有自该第一组件延展至该第二组件的开口，该开口与该第一光栅耦合器及该第二光栅耦合器垂直对准。
6.如权利要求1所述的多芯片模块，该互连件在该第一组件的第一层间介电材料与该第二组件的第二层间介电材料之间延展，该第一层间介电材料与该第二层间介电材料具有实质等同的光学性质。
7.如权利要求1所述的多芯片模块，该互连件在该第一组件的第一层间介电材料与该第二组件的第二层间介电材料之间延展，该第一层间介电材料及该第二层间介电材料分别具有与该第一光栅耦合器及该第二光栅耦合器垂直对准的开口。
8.一种多芯片模块，包含：
包含第一波导以及耦合至该第一波导的第一光栅耦合器的集成电路芯片；
包含第二波导以及耦合至该第二波导的第二光栅耦合器的中介层；以及
将该集成电路芯片附接至该中介层而使得该第一光栅耦合器与该第二光栅耦合器大约垂直对准的互连件，
该第一光栅耦合器与该第二光栅耦合器容许在该第一波导与该第二波导之间进行光信号传输。
9.如权利要求8所述的多芯片模块，更包含介于该集成电路芯片与该中介层之间的填充材料。
10.如权利要求9所述的多芯片模块，该填充材料为光学透明。
11.如权利要求9所述的多芯片模块，该填充材料具有自该集成电路芯片延展至该中介层的开口，该开口与该第一光栅耦合器及该第二光栅耦合器垂直对准。
12.如权利要求8所述的多芯片模块，该互连件在该集成电路芯片的第一层间介电材料与该中介层的第二层间介电材料之间延展，该第一层间介电材料与该第二层间介电材料具有实质等同的光学性质。
13.如权利要求8所述的多芯片模块，该互连件在该集成电路芯片的第一层间介电材料与该中介层的第二层间介电材料之间延展，该第一层间介电材料及该第二层间介电材料分别具有与该第一光栅耦合器及该第二光栅耦合器垂直对准的开口。
14.如权利要求8所述的多芯片模块，更包含：
至少一个附加集成电路芯片；
将该附加集成电路芯片附加至该中介层的附加互连件；以及
容许通过该中介层在该集成电路芯片与该至少一个附加集成电路芯片之间进行光信号传输的附加波导与附加光栅耦合器。
15.如权利要求8所述的多芯片模块，该第二波导自芯片外光纤接收光信号，并且该光信号是沿着该第二波导穿过该第二光栅耦合器、穿过该第一光栅耦合器并穿过该第一波导而传播。
16.一种形成多芯片模块的方法，该方法包含：
形成包含第一波导以及耦合至该第一波导的第一光栅耦合器的第一组件；
形成包含第二波导以及耦合至该第二波导的第二光栅耦合器的第二组件；以及
相对于该第二组件安置该第一组件，并且以互连件将该第一组件附接至该第二组件，使得该第一光栅耦合器与该第二光栅耦合器大约垂直对准，
该第一光栅耦合器与该第二光栅耦合器容许在该第一波导与该第二波导之间进行光信号传输。
17.如权利要求16所述的方法，该第一组件包含第一集成电路芯片，并且该第二组件包含中介层及第二集成电路芯片中任一者。
18.如权利要求16所述的方法，更包含形成介于该第一组件与该第二组件之间的填充材料。
19.如权利要求18所述的方法，该填充材料为光学透明。
20.如权利要求18所述的方法，更包含在该填充材料的该形成期间，确保该填充材料具有开口，该开口自该第一组件延展至该第二组件，并且与该第一光栅耦合器及该第二光栅耦合器垂直对准。
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