TW200950077A - Optical communication integration - Google Patents

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Perry H Pelley
Dennis C Hartman
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Description

200950077 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 一般而言，本發明係關於積體電路，且更特定而古，係 關於藉由積體電路之光學通訊。 本申請案已於2008年4月18曰在美國作為專利申請案第 12/105,456號提出申請。 , 【先前技術】 在資訊系統中，資訊係在裝置之間傳遞。—種傳遞資訊 之方式係透過-光學通訊系，统。對於光學通訊系統之某些 實例，調變-雷射束以編碼資訊從而將該 : 統之其他裝置。在一項實施例中，一個積體電 送至該系統之另一積體電路之資訊。 用於產生雷射束之雷射二極體通常由與產生資訊之電路 不同之材料及製程製成。舉例而言，一處理器核心或產生 資訊之其他類型之邏輯電路可由_c聰製程製成，其中 該雷射二極體係由磷化銦或其他材料製成。因此，此等裝 置位於不同之積體電路晶粒中，其中電連接器在晶粒之間 載送信號。製作兩個裝置之不同製程及材料使得在一實務 位階上整合該等裝置極其困難。 【實施方式】 下文提供對本發明實施方式之詳細闡述。本闡述意欲圖 解Μ釋本發明且不應視為具有限定性。 如本文中所揭示，圖1-22係顯示在一用於形成一包含一 雷射發射器及產生欲由該雷射發射器傳輸之資訊之電晶體 138602.doc 200950077 電路兩者之積體電路晶粒之製程中各個階段之部分切除側 視圖。 圖1係—載體晶圓100之一部分切除側視圖。在一項實施 例中，晶圓100包含一單晶矽體矽基板101，但在其他實施 例中可由其他材料製成。在基板101上形成一磷化銦層 103。在一項實施例中，藉由一沈積製程（例如，舉例而 s，一磊晶沈積製程、一化學汽相沈積（CVD)製程或一物 理汽相沈積（PVD)製程）形成層103。在一項實施例中，用 一p類型摻雜劑（舉例而言，鋅）摻雜層103，可在層1〇3形 成之後藉由3疋塗玻璃摻雜或藉由離子植入原位摻雜該摻雜 劑在其他實施例中，基板101可由其他材料製成及/或藉 由其他方法形成。在一項實施例中，層J 〇3具有一 〇 5至4 微米之厚度，但在其他實施例中可具有其他厚度。 圖2係在層1〇3中形成N類型區2〇3之後的晶圓1〇〇之一切 除側視圖。在一項實施例中，藉由用—N類型摻雜劑（舉例 而吕’硫續）摻雜區203來形成N類型區203。 圖3顯示在晶圓1〇〇上形成一介電層3〇3(舉例而言， 及氮化石夕層305之後的晶圓100。在一項實施例中，藉由 一 CVD或PVD製程沈積層303。在一項實施例中，層3〇3具 有一經碑定大小以提供介於N類型區2〇3與一隨後形成之雷 射腔之間的一預定厚度之厚度。在一項實施例中，層3〇3 之厚度係18 A，但在其他實施例中可具有其他厚度。在一 項實施例中，使用層305作為後續製程中一平坦化止擋。 在一項實施例中，層305係由氮化矽製成，但在其他實施 I38602.doc 200950077 例中可由其他材料製成。在一項實施例中，層3〇5具有— 500人或更小之厚度，但在其他實施例中可具有其他厚 度°在某些實施例中，層3〇5較佳係盡可能地薄。 圖4係已圖案化層1〇3、3〇3及3〇5以形成一雷射二極體島 結構401之後的晶圓1〇〇之一侧視圖。結構4〇1包含一 p類型 區（層103之剩餘部分）及一 N類型區2〇3。當以不同電壓使 此等接面受到偏壓時，產生一特定波長之光子。 圖5顯示圍繞結構4〇1形成介電層5〇1以橫向隔離結構4〇1 之後的晶圓100之一側視圖。在一項實施例中，層5〇1係一 層一氧化矽層《在一項實施例中，在晶圓1〇〇上沈積（舉例 而言，CVD或其他沈積製程）一層二氧化矽層，隨後利用 層305作為一平坦化止擋來平坦化（舉例而言，化學機械研 磨（CMP))晶圓100。在某些實施例中，較佳可在形成層5〇ι 時取小化製程溫度（舉例而言，低於35〇t)以保護結構4〇1 中雷射二極體之完整性。 圖6係已移除（舉例而言，藉由一熱磷酸）層3〇5之後的晶 圓100之一切除側視圖。在所示之實施例中，層3〇5在平坦 化之後具有-最小厚度(舉例而言，10 A或更小)以使其的 移除不在晶圓100之表面中形成一極深凹陷。 儘管圖6中僅顯示一個雷射二極體結構4〇1 ’但晶圓1〇〇 可包含由層501彼此隔離的若干個層二極體結構。 圖7係-施體晶圓700之一切除侧視圖。晶圓—包含一 基板層7〇1，在所示實施例中，該基板層係由單晶體石夕製 成。已在-駭深度處將氫離子離子植人至基板層7〇1中 138602.doc 200950077 以為後續分離形成一分割線。在一項實施例中，在一 9300 A之深度處形成分割線703，但在其他實施例中可在其他深 度處形成該分割線。在一項實施例中，將分割線703之深 度設定為一隨後形成之波導結構之厚度。在其他實施例 中，基板層701可由其他材料製成。 晶圓700包含一可沈積或熱生長之氧化石夕層705。在一項 實施例中，層705具有大致為一雷射二極體與一雷射腔波 導之間間隔一半之一厚度。在所示之實施例中，層705係 18 A厚。在層705上形成一平坦化止擋層707。在一項實施 例中，由氮化矽製成層707且藉由一沈積製程（舉例而言， CVD或PVD)沈積該層。在一項實施例中，較佳使層707盡 可能地薄且在平坦化之後仍留有一最小量。在一項實施例 中，層707係500 A或更薄，但在其他實施例中可具有其他 厚度。 圖8顯示已移除基板層701之一部分以在晶圓700之電晶 體電路區段804中形成凹陷803之後的晶圓700之一切除側 視圖。在一項實施例中，凹陷803係一在其中凹陷803之底 部距分割線703大約800 A之深度處。在一項實施例中，藉 由形成一（舉例而言）光阻劑或其他遮罩材料遮罩（未顯示） 且圖案化該材料來形成凹陷803以保護光學區段805且曝露 區段804。藉由以適當之蝕刻化學品蝕刻而自區段804移除 層707及705之材料。 在一項實施例中，藉由一各向異性定時蝕刻將區段804 之材料移除至一特定深度，該蝕刻相對於遮罩材料具有選 138602.doc 200950077 擇性。在—項實施例中，可使用—含氣蝕刻化學品或（更 般而=)3鹵素蝕刻化學品，但可使用其他用於蝕刻 矽（或層701之其他材料）之蝕刻化學品。在一項實施例中， 凹陷803之底部較佳係盡可能地均勻。 凹陷803之形成允許將較薄作用區用於隨後形成之電晶 體。在某些實施例中，此等較薄區提供經改良之電晶體效 能。形成凹陷803允許以與隨後在區段8〇5中形成之波導結 構相同之材料形成電晶體，且卻在—較薄作關巾形成該 電晶體。然而’在其他實施例中，將不在區段8〇4中形成 凹陷803。 圖9顯示在凹陷8〇3中形成一層二氧化矽層9〇3之後的晶 圓7〇〇之一切除側視圖。藉由在晶圓7〇〇上沈積一層二氧化 矽且然後隨後使用層707作為一平坦化止擋來平坦化晶圓 7〇〇而形成層903。在一項實施例中，平坦化層7〇7以使一 最小厚度得以保留（舉例而言，1 〇人或更小）。 圖10顯示已移除層707之後的晶圓700之一切除側視圖。 在該實施例中，層707在平坦化之後具有一最小厚度（1〇人 或更小）以使其的移除不在晶圓7〇〇之表面中形成一極深凹 陷。 圖11顯示已將晶圓700倒轉且接合至晶圓1〇〇以形成一複 合晶圓1100之後的一切除側視圖。在一項實施例中，藉由 將該等晶圓放置於一彼此對準之位置中且在一高溫下向該 等晶圓施加壓力將二氧化矽層7〇5、9〇3、5〇1及3〇3接合在 一起來使晶圓700接合至晶圓1〇〇。在一項實施例中，藉由 138602.doc 200950077 一由法國格勒諾布爾之S0ITEC用以產生絕緣體上覆半導 體（SOI)晶圓之製程來將該等晶圓接合在一起。在一項實 加例中，藉助使用對準標記（未顯示）使該等晶圓對準，但 在其他實施例中可藉由其他製程使該等晶圓對準。在某些 實施例中，可使晶圓100及700之可接合表面在接合之前經 歷一清理製程及一研磨製程。 圖12係在分割線7〇3處移除基板層7〇1之一部分之後的晶 圓1100之一切除側視圖。
圖13顯示在電晶體區段8〇4中形成渠溝隔離結構及 1303隨後在晶圓11QG上形成平坦化層㈣之後的晶圓 之一切除側視圖◊在一項實施例中，藉由在區段8〇4中之 層7〇1中形成開口隨後沈積一介電材料（舉例而言，si〇2)及 隨後之平坦化來形成渠溝隔離結構13〇1及13〇3。圖Η中未 顯示在形成結構1301及13〇3之平坦化製程期間用作―研磨 止擋層的氧化>5夕及氮化；g夕雙層。
在-項實施例中’層1307具有一在5〇〇 A或更小範圍内 之厚度，但在其他實施例中可具有其他厚度。在_項實施 例Ί 1307可包含一薄氧化石夕層（舉例而言，1〇入）及形 成於該氧化矽層上的一較厚氮化矽層。 V 圖14顯示形成開口 14〇1及14〇3以分別用於形成" 103及N類型區2G3之觸點之後的日日日圓副之—切除 圖。在-項實施例中’藉由在層13〇7中圖案化開口 (舉例 而言，藉由使用-光微影製程)及以用於蝕刻二氧化矽， 適當之各向異性蝕刻化學品（舉例而言，cHF 之 或 138602.doc 200950077 qF8及氬氣）钱刻氧化物結構13〇3、903及層3〇3來形成開 口 1401及1403。可使用其他類似之氟碳混合物（具有或不 具有氫）來蝕刻二氧化矽。 圖15係在晶圓11〇〇中形成開口 15〇3及15〇1以供形成鏡結 構之後的晶圓1100之一切除侧視圖。在所示之實施例中， 藉由在層1307中形成開口（舉例而言，藉由一光微影製程） 及使用蚀刻層701之矽且對遮罩結構及層705具蝕刻選擇性 的一各向異性蝕刻化學品來形成開口丨503及1501。開口 1501及1503延伸至層705。當正在形成開口 1501及1503 時，用一遮罩材料填充開口 14〇3及1405。在一項實施例 中，鏡結構開口 1501之寬度大於開口 1503之寬度，此乃因 開口 1501係用於形成一全反射鏡（fuii mirror)結構，而開口 1503係用於形成一半反射鏡（half mirror)結構。 圖16係形成二極體觸點1605與1607及鏡結構1601與1603 之後的晶圓1100之一切除側視圖。在一項實施例中，此等 結構係藉由以下步驟來形成：沈積一材料（舉例而言，鎮） 層’隨後平坦化晶圓1100以移除開口外之材料以完成鑲後 製程。在一項實施例中，形成此等結構可包含形成一阻障 層材料（舉例而言’鈦、钽或其氮化物）及隨後沈積鎢層。 全反射鏡結構1603及半反射鏡結構1601之寬度相依於雷射 束之波長及鏡材料。 在所示之實施例中’由既可導電亦反射之相同材料（舉 例而言，鎢）形成該等鏡結構及觸點。在其他實施例中， 可由與全反射鏡結構1603及半反射鏡結構1601之材料不同 138602.doc -10- 200950077 之一材料形成觸點1605及1607。舉例而言，該等鏡結構可 由鉻、錄、鈦及/或组形成◊然而，利用與觸點1605及 1607之材料相同之材料與其中其係由不同材料製成之實施 例相比可節省製程步驟。 在某些實施例中，在鏡結構1603延伸至區203以充當區 203之一觸點及一全反射鏡結構處可省略觸點丨6〇5。一半 反射鏡結構係一允許一部分光被反射且一部分光穿透（至 圖16中之波導結構ι611)之鏡結構。 在一項實施例中，鏡結構1601及1603之開口係跨越雷射 腔1613之寬度（進入及離開圖16紙面之尺寸）之槽。雷射腔 1613係層701中其長度由鏡結構1603及16〇1界定之彼部 分。在一項實施例中，該長度係大約9〇微米，但在其他實 施例中可具有其他長度。在其他實施例中，可針對不同模 式或雷射波長而使用其他尺寸。 在所示之實施例中’藉由一鑲嵌製程形成鏡結構16〇1及 1603。在一鑲嵌製程中’在一結構中形成開口且在該開口 中形成材料’隨後移除任何多餘之材料。利用一用於形成 鏡結構1601及1603之鑲嵌製程（材料填滿一開口）有利地達 成一用於形成一雷射腔之一鏡結構之有效製程，該有效製 程亦可與一電晶體形成製程相容。此外，其允許使用與用 於形成隨後形成之電晶體之通道及電流端子區相同之用於 形成波導及雷射腔材料之基層（舉例而言，7〇1)。 圖Π係已移除層1307且在晶圓11〇〇上形成一閘極介電材 料層1701及一閘極材料層17〇3之後的晶圓11〇〇之一部分切 138602.doc 11 200950077 除視圖纟$實施例中，以一適當之姓刻化學品 1307。 由一諸如二氧化石夕或—高κ電介質（舉例而言，氧化給） 之介電材料製成閘極介電層17〇1。在一項實施例中，層 1701係2G埃厚，但在其他實施例中可具有其他適合之厚 度。 可由任一適合之閘極材料（包含（舉例而言）多晶矽、金屬 碎化物及/或金屬）製成閘極層Π03。在-項實施例中，層 1703係2GGG Α厚’但在其他實施例中可具有其他厚度。 圖18顯示在區段804中形成一電晶體1809且在區段805中 形成一調變器電容器1810之後的晶圓u〇〇之一部分切除視 圖。電晶體1809包含一閘極18〇3、間隔件18〇7、源極區 1808、汲極區1811及一位於閘極18〇3下方源極區18〇8與汲 極區1811之間的層701中之通道區183〇。在所示之實施例 中，電晶體1809係一在層701中形成有其電流端子區（源極 區1808及汲極區1811)及通道區之場效電晶體。電容器 1810包含一電容器電極18〇1及間隔件18〇5。在運作期間， 由波導中之電荷執行第二電極之功能。藉由圖案化閘極材 料層1703以形成閘極1 803及電極1801來形成此等結構。形 成閘極1803及電極1801之後，植入摻雜劑至區18〇8及1811 以形成源極區1808及汲極區1811之延伸部。然後，形成間 隔件1805及1807。在間隔件形成之後，然後以比用於延伸 部高的能量及劑量植入源極區1808及汲極區1811之離子。 在其他實施例中，電晶體1809可具有其他組態。舉例而 138602.doc 12 200950077 言，將電晶體1809顯示為一全空乏絕緣體上覆半導體 (SOI)電晶體。然而，在其他實施例中，可不全空乏電晶 體1809。此外，在其他實施例中，在未形成凹陷803之情 形下，區段804中層701之矽將不會延伸至圖18之視圖中至 少層705頂部之深度。亦在其他實施例中，可於電晶體電 路區段804中之層701上形成另一半導體層（未顯示）。電晶 體1809之通道區1830之一部分將定位於此額外層中。 參 圖19顯示在晶圓11〇〇上形成一初始介電層1921且形成觸 點以電觸點傳導結構之後的晶圓1100之一部分切除側視 圖。在所示之實施例中，由一沈積於晶圓11〇〇上之介電材 料（舉例而言’原矽酸四乙脂（TE〇S)、磷化硼掺雜TE0S或 氧化矽）形成層1921。然後形成開口以曝露電極18〇 1、觸 點丨6〇5、觸點1607、源極區18〇8、汲極區1811及閘極 1803 °在某些實施例中，在沈積層192丨之前石夕化電極 1801、閘極1803、源極區1808及汲極區1811。在一項實施 例中，觸點1901、1903、1905、1907及1911係由一適合之 材料（舉例而言，鎢）形成且可包含一阻障層（舉例而言， 欽、叙或其氮化物）。 J後，在晶圓11〇〇上形成包含傳導互連及層間電介質之 他互連層。此等互連將層1921中之觸點電耦合至晶圓 八他裝置（未顯示）。舉例而言，可將電晶體1809之 署耦σ至其他電晶體之電極且耦合至晶圓Η 〇〇中其他位 用於2容器電極。錢’可在形成該等互連層之後形成 、部連接之外部晶粒連接器（舉例而言，接合墊、凸 138602.doc 200950077 塊）。可將晶圓1100單分為多個積體電路晶粒，其中每一 晶粒包含多個與電晶體18〇9類似之電晶體、一與結構4〇1 類似之雷射二極體結構、若干與結構丨6丨丨類似之波導結 構、一與空腔1613類似之雷射腔及一與電容器181〇類似之 調變電容器。 在圖19中，以不同電壓使p類型區1〇3及n類型區203偏 壓以產生透過氧化物層303及705發射進入雷射腔1613之光 子。在一項實施例中’層303與7〇5之組合厚度係大約35 Λ，但在其他實施例中可具有其他厚度。此等光子由全反 射鏡結構160 3及層1921完全反射且由一半反射鏡結構“οι 部分反射。未由半反射鏡結構1601反射之光子部分穿透至 波導結構1611以產生一雷射束，該雷射束係由調變電容器 1810調變且透射至晶粒邊緣以供透射至其他積體電路。對 鏡結構1603及半反射鏡結構1601之利用提供對光子之放大 以在波導結構1611中產生一雷射束。 圖20-22係在一欲分離兩個部分以在單分期間形成兩個 積體電路晶粒之位置處之晶圓11〇〇之部分側視圖。在所示 之實施例中’圖20係在剛剛形成渠溝隔離結構（舉例而 吕，圖13中之1301及1303)之後的製造階段。路徑2〇〇1係 一鋸條為單分晶圓1100以形成單獨之晶粒而將採用之路 徑。在形成隔離結構1301及1303期間於層701中形成—渠 溝隔離結構2003。渠溝結構2003將層701分離為將係每— 晶粒之波導結構之兩個單獨波導部分2007及2009。 圖21係形成介電層1921及互連層2021之後在圖2〇中同— 138602.doc -14- 200950077 位置處之晶圓1100之另一側視圖。互連層2〇21包含用於位 於晶圓1100之電晶體電路區段（舉例而言，8〇4)及光學區 (舉例而言，805)中之層2021上方一或多個互連層之層階間 介電材料。由於晶圓1100之視圖係位於兩個晶粒之邊緣 處，因此圖21中未顯示電晶體。 • 圖22係在層2021 ' 1921 '結構2003、層7〇5及層5〇1中形 成一開口 2208以曝露波導結構22丨丨及22〇9之側之後的晶圓 1100之一部分切除側視圖。藉由遮罩開口 2208位置外之區 域及以適於移除彼等材料且對遮罩材料（未顯示）及層7 〇 i及 基板101之矽具有選擇性之蝕刻化學品蝕刻彼等層來形成 開口 2208。在所示之實施例中’以一各向異性蝕刻化學品 執行蝕刻之至少一部分，此在層7〇丨下方凹割。蝕刻結構 2003以曝露自每一晶粒22〇3及22〇1之側壁延伸出之波導結 構2211及2209之末端。 形成開口 2208之後，用一鑛沿鑛路徑2〇〇i單分晶圓丨丨〇〇 φ 以形成積體電路晶粒22〇3及2201。在鑛切晶圓11 〇〇期間， 该鋸（未顯示）不觸及層7〇1，由此留下波導結構2211及22〇9 之側壁表面不被觸及。因此，此等側壁具有一未被一鋸條 - 損壞之較平滑表面。 在某些實施例中’鑛路徑2〇〇 1之僅一個側將包含一波導 結構。舉例而言，在圖22中，晶粒22〇1將包含一波導結構 2209，但晶粒2203在圖22中所示位置處將不含一波導結 構。其波導結構將位於晶粒2203之對置側處。 圖23顯示自晶圓11 〇〇單分之後一積體電路晶粒22〇丨之邊 138602.doc •15- 200950077 緣之一側視圖。晶粒2201包含主側2324及2326以及非主側 2328及2330。晶粒2201包含曝露於晶粒2201之側壁231 5處 之若干個波導結構2301、2305、2307、2209及2309。每一 波導結構皆係用於傳輸一由位於晶粒2201中之相同或不同 雷射發射器（圖23中未顯示）產生且由一不同調變電容器調 變之雷射束。每一波導結構皆係用於提供資訊以供一不同 通訊鏈路傳輸由晶粒2201之電路產生之資訊。在所示之實
施例中，一雷射束沿一與主側2324及2326平行之方向自每 一波導結構發散。 在所示之實施例中，將每一波導結構與另一波導結構間 隔開。核心區域（舉例而言，2311及2313)位於每一波導結 構之間的晶粒2301之區域中。每一核心區域包含用於產生 欲由每一波導傳送之資訊之一或多個處理器核心。
可將經單分之1C晶粒封裝至積體電路封裝中^ 施例中，一晶粒將定位於一引線框或其他封裝基板上， 位至該等波導將與該封裝之另一積體電路之一接收器對 處。—光學傳導路徑將形成在兩個晶 鍵路之光子在該等積體電路晶粒之間穿過:在=實： 中’晶粒之間的間隔將係氣腔。在另—實施例中， 學傳導材料將位於該等晶粒之間。在此等實施例中，节 積體電路晶粒將藉由-光學鏈路在彼此之㈣遞資訊/ 在另—實施例中，每-晶粒將經封裝以使得在該晶粒: =處自-波導結構（舉例而言，22G9m射之—雷射束將 過该封裝之邊緣到達一系統之其他積體電路封裝。舉例 138602.doc -16- 200950077 言，在一電腦系統中，榦/m 離開一個封裝之光子將經由自由空 間透射至另-封裝。參見標題為「Free-Space 0ptic:
^㈣咖」、發明者為perry H. pelley及 —SS〇、具有一共同受讓人且在同一曰期申請之專利 申請案’其全文以引用方式倂人供參考。在此一實施例之 情形下，晶粒讓將經封h使晶粒邊緣波導結構（舉例 而5，22G9、2301、2305)將自該封裝之邊緣曝露。在其 他實施例中’光學傳導材料將位於該晶粒邊緣波導結構與 該封裝邊緣之間以使—雷射束能夠自該晶粒邊緣波導結構 行進至該封裝邊緣。 在所不之實施例中，一雷射束沿大體平行於晶粒22〇1之 一主側（2324及2326)之一方向自該晶粒邊緣波導結構（舉例 而言，2209)透射出來。因此，此可允許其主側係大體平 行地女裝於一板（舉例而言，一 ^板）上之兩個晶粒之間的 通訊。在一項實施例中，此可透射至自由空間或其他光學 透明媒介（例如，舉例而言，冷卻液或波導）中。 圖24係利用一雷射發射器2411之一系統24〇1之一方塊 圖’ s玄雷射發射器包含一與結構4〇1之雷射二極體類似之 雷射二極體及一與空腔1613類似之雷射腔。系統2401包含 兩個處理器核心2403及2405、一通訊切換器電路2407、一 多工器2409、一調變器2413。在一項實施例中，調變器 2413包含一與電容器1810類似之調變電容器。該系統亦包 含一波導2412，該波導包含波導段2415、2417、2418及 2419。段2419朝向一晶粒之末端延伸出來。在一項實施例 138602.doc •17- 200950077 中，處理器核心2403、處理器核心2405、多工器2409及切 換器2407包含一與電晶體1809類似之電晶體。多工器2409 具有一耦合至一時鐘2420之輸入。在一項實施例中，時鐘 2420具有大於20千兆赫之一時鐘速度。 在系統2401運作期間，處理器核心2403及2405執行資訊 處置作業，此產生欲由光學電路2422(雷射發射器2411、 多工器2409、調變電容器及波導241 2)傳輸出系統2401之 資訊。在一項實施例中，處理器核心2403及處理器核心 2405中之每一者（經由所示實施例中之一平行匯流排）提供 資訊至切換器2407。切換器2407確定在一特定時間時光學 電路2422將傳輸哪一資訊且在其輸出上提供彼資訊至多工 器2409。在資訊傳輸期間，以不同電壓使雷射發射器2411 之一雷射二極體之P類型及N類型區偏壓以產生光子，該等 光子形成一在段241 5處穿入波導2412中之雷射束。圖24中 所示之波導具有一分裂式組態，其中該雷射束之一部分透 過圓形段241 8穿至段241 9且該雷射束之一部分透過圓形段 2417穿透至段2419。在某些實施例中，段2417及241 8可具 有不同長度。 在一項實施例中，多工器2409以一高頻率對輸入線中之 每一者進行採樣且以輸入時鐘之頻率（20千兆赫或更大）驅 動調變器2413以將資訊編碼至欲透過波導2412透射至晶粒 邊緣之雷射束上。 在一項實施例中，由多工器2409根據多工器2409所採樣 之資訊對調變器2413之調變電容器實施電壓切換以相移段 138602.doc •18- 200950077 2417中雷射束之波長。將經相移之雷射束與段Μ”之未經 相移之雷射束組合’其中其級合以該調變器之頻率產生具 有一指示欲傳輸之資訊之時序之資訊脈衝。 在其他實施例中，該等光學裳置可以其他方式組態及/ 或以不同彳式運作以編碼欲由—雷射束傳達之資訊。雷射 二極體可由其他材料（舉例而言，InGap、GaAs等）製成以 產生-不同波長之雷射束。在其他實施例中，可略微改變 雷射腔之尺寸以產生不同波長。 在所示之實施例中，系統24〇1位於一單個晶粒上。在一 單個晶粒上定位該系統允許在光學鏈路上更有效地傳送資 訊’由此提供-更大之資料輪出。在先前技術系統之情形 下，光學電路2422將位於一與處理器核心不同之晶粒上。 此一系統效率較低，此乃因在—雷射發射器可傳輸資訊之 前必須於晶粒之間電傳輸該資訊。此外，此處所示之系統 更加緊緻，此乃因該等裝置係整合於一個晶粒上，由此減 少尺寸及製造成本。 此外，本文所闡述之製程允許製造一具有電晶體電路及 光學電路（其利用某些相同層及製程製作兩個區段之結構） 之晶粒，由此減少複雜性及製造作業。 在一項實施例中，一設備包含一用於實施資訊處置作業 之電晶體電路區段。該電晶體電路區段位於一單個半導體 晶粒内。該設備亦包含位於該單個半導體晶粒内且包括一 雷射發射器之光學電路。該電晶體電路區段係用於產生資 訊且該光學電路係用於透過大體平行於該單個半導體晶粒 138602.doc -19- 200950077 之一主側之一平面以光學方式傳輸該資訊。 在另一實施例中’一種方法包含在一第一晶圓中提供具 有一雷射之一雷射二極體且提供一第二晶圓。該第二晶圓 包含一半導體層部分。該方法包含在一界面處將該第一晶 圓與該第二晶圓接合在一起以形成一包含該半導體層部分 及該雷射二極體之複合晶圓。該方法亦包含自該半導體層 部分形成一波導。該波導係用於載送由該雷射二極體產生 之光子。該方法亦包含在該複合晶圓上形成一電晶體。該 電晶體包含一至少部分地位於該半導體層部分中之通道 區。 在另一實施例中’一種方法包含在一單個半導體晶粒内 提供一電晶體電路區段❶該電晶體電路區段包含在一半導 體材料層中具有一通道區之至少一部分之電晶體。該電晶 體電路區段包含用於實施資訊處置作業之電路。該方法包 含在該單個半導體晶粒内提供一光學區段。該光學區段包 括：一雷射二極體；一雷射腔，其鄰近該雷射二極體以自 该雷射二極體接收光子；及一波導，其自該雷射腔橫向延 伸以用於以光學方式傳輸一資訊信號。該波導係自該半導 體材料層形成。 儘管上文已顯示並闡述本發明之特定實施例，但熟習此 項技術者將根據本文之教示内容認識到：可作出進一步之 改變及修改，此並不背離本發明及其更廣泛態樣，且因 此，隨附申請專利範圍欲將所有此等歸屬於本發明之真實 精神及範疇内之改變及修改皆囊括於其範缚内。 138602.doc -20- 200950077 【圖式簡單說明】 熟％此項技術者藉由參照附圖可更好地理解本發明並易 知本發明之眾多目的、特徵及優點。 圖1 22係產生-根據本發明—項實施例之含有一雷射發 射器及電晶體電路兩者之積體電路晶粒中各個階段之部分 切除侧視圖； 圖23係-根據本發明—項實施例之—積體電路晶粒之側 視圖；及
圖24係一根據本發明一項實施例之電路圖。 除非另有說明，否則不同圖式中所使用之相同參考符號 皆指示相同物項。該等圖不一定按比例繪製。 【主要元件符號說明】 100 晶圓 101 基板 103 層 203 N類型區 303 介電層 305 層 401 雷射二極體島結構 501 介電層 700 晶圓 701 基板層 705 層 707 平坦化止擋層 138602.doc 200950077 803 凹陷 804 電晶體電路區段 805 光學區段 903 二氧化矽層 1100 晶圓 1301 渠溝隔離結構 1303 渠溝隔離結構 1307 平坦化層 1401 開口 1403 開口 1501 開口 1503 開口 1601 半反射鏡結構 1603 全反射鏡結構 1605 觸點 1607 觸點 1611 波導結構 1613 雷射腔 1701 閘極介電材料層 1703 閘極材料層 1801 電極 1803 閘極 1805 間隔件 1807 間隔件 138602.doc -22· 200950077
1808 源極區 1809 電晶體 1810 電容器 1811 及極區 1830 通道區 1901 觸點 1903 觸點 1905 觸點 1907 觸點 1911 觸點 1921 層 2003 渠溝隔離結構 2021 互連層 2201 積體電路晶粒 2208 開口 2209 波導結構 2211 波導結構 2301 波導結構 2305 波導結構 2307 波導結構 2309 波導結構 2315 側壁 2324 主側 2326 主側 138602.doc •23- 200950077 2328 非主側 2330 非主側 2401 系統 2403 處理器核心 2405 處理益核心 2407 通訊切換器電路 2409 多工器 2411 雷射發射器 2412 波導 2413 調變器 2415 波導段 2417 波導段 2418 波導段 2419 波導段 2420 時鐘 2422 光學電路 138602.doc 24-

Claims (1)

  1. 200950077 七、申請專利範圍： 1. 一種設備，其包括： -電晶體電路區段，其用於實施資訊處置作業，該電 晶體電路區段位於一單個半導體晶粒内；及 光予電路，其在该單個半導體晶粒内且包括一雷射發 射器，該電晶體電路區段係用於產生資訊，且該光學電 路係用於透過大體平行於該單料導體晶粒之—主側之 一平面以光學方式傳輸該資訊。
    2.如請求行！之設備，其中該光學電路進—步包括一雷射 腔’該雷射腔具有由第—鑲錢及第二鑲錢界定之一 長度。 3.如請求項！之設備，其中該雷射發射器進一步包括： 田射一極體，其形成於該單個半導體晶粒中用於產 生用於一雷射束之光子； -調變器，其具有一用於接收一含有該資訊之信號之 輸入且具有1於調變該雷射束以將該資訊編碼於該雷 射束中之輸出；及 波導，其延伸至該單個積體電路晶粒之一邊緣，用 於為具有該經編碼資訊之該雷射束提供到達該單個積體 电路晶粒之該邊緣之一光學路徑。 4.如清求項3之設備，其中該調變器進一步包括用於調變 。亥波導中之該雷射束之—調變電容器其中該電晶體電 路區段内一電晶體之一控制電極及該調變電容器之一電 極匕括相同材料且每一者皆包含位於大體平行於該單 138602.doc 200950077 個積體電路晶粒之一主側之一相同 τ <右干部分。 5. 如請求項3之設備，其進一步包括： 多工器，其具有一用於接收資訊 收一鈐入吐拉 和入―用於接 輸人時知之時鐘輸人及，合至該調變器之 2於以-20千死赫或更大之資料速率驅動該調變器^輪 6. 如請求項5之設備，其進一步包括： 兩個或兩個以上資料處理器核心，其實施於該單 導體晶粒之該電晶體電路區段内； 切換器’其耦合至該兩個或兩個以上資料處理器核 心且在其一輸出處選擇性地提供來自該兩個或兩個二： 資料處理核心中之每一者的資訊； 其中该多工器之該輸入係耦合至該切換器之該輪出 7. 如請求項3之設備’其中該波導具有一分裂式波導电 悲，該分裂式波導組態包含m切分及—第二 分裂式部分，其中該調變器相移該第一分裂式部分中： 該雷射束且不相移該第二分裂式部分中之該雷射束。 8·:請求項!之設備’其中該光學電路進一步包括定位於 -半導體層下之-雷射二極體，其中該半導體層包含在 一電晶體電路區段中之電晶體之通道區之至少若干部 分0 9.如請求項！之設備，其中雷射發射器包含形成於—半導 體層中之一雷射腔，其中該電晶體電路區段中 电曰曰 骽之—通道區之至少一部分位於該半導體層中。 I38602.doc -2 - 200950077 ίο.如請求項1之設備，其中雷射發射器包含形成於—半導 體層中之一波導，其中該電晶體電路區段中之—電晶體 之一通道區之至少一部分位於該半導體層中。 11. 一種方法，其包括： 在—第一晶圓中提供一雷射之一雷射二極體； 提供一第二晶圓，該第二晶圓包含一半導體層部分； 在—界面處將該第一晶圓與該第二晶圓接合在一起以 形成包含該半導體層部分及該雷射二極體之一複合晶 ® 圓； 自該半導體層部分形成一波導’該波導用於載送由該 雷射二極體產生之光子； 在該複合晶圓上形成一電晶體，該電晶體包含至少部 分地位於該半導體層部分中之一通道區。 12. 如請求項η之方法，其進一步包括： 形成一半反射鑲嵌鏡及一全反射鑲嵌鏡以在該半導體 φ 層部分中界定一雷射腔，該雷射腔經定位以接收由該雷 射二極體產生之光子。 13. 如請求項11之方法，其進一步包括： . 在將該第一晶圓與該第二晶圓接合在一起之前钱刻該 半導體層部分之一選定區域，以確定該半導體層部分中 該電晶體之電流端子區之一深度。 14. 如請求項11之方法’其中該波導包含藉由蝕刻該半導體 層部分而形成之一波導端，該方法包括： 鋸切該複合晶圓以形成複數個積體電路晶粒，其中該 138602.doc 200950077 波導端位於該複數個積體電路晶粒之一第一晶粒中，其 中該鋸切不接觸該波導端，其中該鋸切使該波導端曝 露’其中該波導端位於該第一晶粒之一非主側上。 15. 如請求項11之方法，其進一步包括： 在該複合晶圓中形成一調變器，其中將該波導耦合至 一調變器之一輸出以用於調變一由該波導載送之雷射 束’該調變器進一步包括一輸入； 在該複合晶圓中形成一多工器，該多工器具有一耦合 至該調變器之該輸入之輸出； 在該複合晶圓中形成一處理器核心’該電晶體位於該 處理器核心中’將該調變器以運作方式耦合至由該處理 器核心產生之所接收資訊。 16. —種方法，其包括： 在一單個半導體晶粒内提供—電晶體電路區段，該電 晶體電路區段包含若干電晶體，該等電晶體具有在—半 導體材料層中的一通道區之至少—部分，該電晶體電路 區段包含用於實施資訊處置作業之電路；及 在忒單個半導體晶粒内提供—光學區段，該光學區段 包括：一雷射二極體；一雷射腔，其鄰近該雷射二極體 以自該雷射二極體接收光子；及一波導，其自該雷射腔 橫向延伸以用於以光學方式傳輸—資訊信號；其中自該 半導體材料層形成該波導。 X 1 7.如請求項16之方法，其進一步包括： 在為單個半導體晶粒内提供一調變器，其中將該波導 138602.doc 200950077 耦合至一調變器之一輸出以用於相移該波 束。 18. 如請求項17之方法，其進一步包括： 其中該調變器包含一調變電容器，其中自 層形成該電晶體電路區段内的一電晶體之一 該調變電容器之一電極。 19. 如請求項16之方法，其進一步包括： 藉由在該半導體材料層中鑲嵌第一鏡及第 該雷射腔之一長度。 20. 如請求項19之方法，其進一步包括： 形成該第一鏡作為一半反射鏡；及 形成該第二鏡作為一全反射鏡。 21. 如請求項16之方法，其進一步包括： 在該電晶體電路區段中形成一或多個全空 覆半導體（SOI)電晶體。 導中一雷射 一第一材料 控制電極及 —鏡來界定 乏絕緣體上
    138602.doc
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