TWI585477B - 倒轉、無基板式晶片上之光學裝置 - Google Patents

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Description

倒轉、無基板式晶片上之光學裝置
本發明係有關包含機械地耦合至積體裝置的半導體晶粒之混合積體模組，其中，基板已被移除，且其中，光學裝置係配置在積體裝置的背部表面上。
絕緣體上的矽(SOI)技術常常被用來實施集成的光學組件。特別是，在藉由二氧化矽層(有時稱為「埋入氧化物」或是BOX層)而與矽基板分離之SOI晶圓的矽層中製造例如光波導等光學組件。為了降低矽基板中的光損失，典型上，將BOX層的厚度選擇成光訊號完全被侷限在矽層中的光學組件中(亦即，與光訊號相關連的光學模組並未延伸經過BOX層)。
基本上，SOI晶圓也允許電子電路能夠與共同晶片上的光學組件被整合在一起。實際上，用於電子電路的設計參數常常不同於用於光學組件的設計參數。舉例而言，在光子應用中，矽層通常具有0.2-0.3μm的厚度，並且，BOX層通常具有大於0.5μm的厚度。相反地，在許多電子應用中(例如，處理器、數位邏輯、射頻電路、記憶體、等等)，BOX層具有低至0.1μm的厚度。此厚度造成光訊號對矽基板顯著的衰減耦合，且由於矽基板中的吸收及散射，光損失相對增加。
因此，在集成模組中需要的是能夠容納光學組件及電 路而無上述問題之積體模組。
本揭示的一個實施例提供混合積體模組。此混合積體模組可包含半導體晶粒，半導體晶粒藉由黏著劑而被機械地面對面耦合至其中之基板已被移除的積體裝置。舉例而言，積體電路可包含載送光訊號的光波導，而光波導被製造於絕緣體上的矽(SOI)晶圓上，其中，背側矽基板或操作器(handler)已被完全移除。此外，光學裝置可被配置在積體裝置中的氧化物層(例如，埋入氧化物或BOX層)的底表面上，並且，積體裝置中氧化物層的厚度及半導體層(例如，矽)的厚度可被界定成光訊號衰減耦合於光波導與光學裝置之間。
注意，半導體晶粒可以為超大型積體電路(VLSI)晶片，其提供功率、且作為機械操作器及/或電驅動器。更一般而言，半導體晶粒可包含電路。
在某些實施例中，光學裝置靜態地或動態地調變光訊號。舉例而言，光學裝置可包含光學調變器。替代地或額外地，光學裝置可包含：電光材料、液晶及/或鐵電材料。此材料可以比熱調諧相關的功率耗損更低的功率耗損(舉例而言，功率耗損是小於量值的等級)，靜態地調諧包含在半導體層中的環型共振器。因此，光學裝置可以修正環型共振器的真正共振波長與目標共振波長的差異。
此外，光學裝置可包含切換光訊號的開關。
再者，光學裝置可包含另一光波導，其載送光訊號通過積體裝置中的標線(reticle)邊界。在這些實施例中，積體裝置可用作為橋接晶片。
此外，光學裝置可包含：提供光訊號的光源、波長選取元件或濾波器、及/或光偵測元件。由於光學裝置係在氧化物層的背面上，所以，在製造混合積體模組的其餘部份之後，界定或沈積光學裝置。結果，混合積體模組可允許例如III-V半導體等材料與以標準的CMOS製程所製造的電子電路相整合。
注意，半導體層的厚度可以在0.1與4μm之間，並且，氧化物層的厚度可以小於0.5μm。因此，藉由使用薄的氧化物層，可以取得衰減耦合。
在某些實施例中，銲球電耦合半導體晶粒的上表面上的墊與半導體層的上表面上的墊，其中，黏著劑至少部份地填充半導體晶粒的上表面與半導體層的上表面之間的空間。替代地或額外地，使用覆晶技術，積體裝置可被機械地耦合至半導體晶粒。
另一實施例提供包含混合模組的一或更多個實例的多晶片模組(MCM)。
另一實施例提供包含混合積體模組及/或MCM的系統。
另一實施例提供混合積體模組的製造方法。在此方法的期間，黏著劑被施加至半導體晶粒的上表面。然後，積體裝置係置於黏著劑上。此外，積體裝置包含：具有上表 面、底表面及厚度的半導體層，其中，半導體層的上表面係機械地耦合至黏著劑，並且，其中，半導體層包含：配置成載送光訊號的光波導；氧化物層，具有上表面、底表面及厚度，係配置在半導層的底表面上；以及，光學裝置，係配置在氧化物層的底表面上。注意，半導層的厚度及氧化物層的厚度係界定成光訊號衰減地耦合於光波導與光學裝置之間。
圖1代表混合積體模組100的方塊圖。此混合積體模組可包含：半導體晶粒110具有上表面112，上表面112可包含介電質堆疊中的電子電路；黏著劑114(例如，環氧樹脂)，係機械地耦合至半導體晶粒110的上表面112；以及，積體裝置116。此外，積體裝置116包含：半導體層118，具有上表面120、底表面122及厚度124，其中，上表面120係機械地耦合至黏著劑114，使得半導體層118及半導體晶粒110係面對面地安裝；氧化物層126，具有上表面128(為了清楚起見，稍微偏移底表面122)、底表面130及厚度132，其中，上表面128係配置於底表面122上；以及，光學裝置134，係配置在底表面130上。
此外，半導體層118可包含載送光訊號(例如，波長分割多工訊號)的光波導136-1，並且，積體裝置116的材料及/或幾何形狀(例如，厚度124和132)可被選擇及 /或界定成使得光訊號係衰減地耦合於光波導136-1與光學裝置134之間(亦即，與光訊號相關連的光學模式的空間延伸可以延伸經過厚度132至底表面130)。舉例而言，半導體層118的厚度124係在0.1與4μm之間，並且，氧化物層126的厚度132係小於0.5μm(例如，01μm)。因此，藉由使用設有厚矽層或薄矽層(下限約為光訊號的繞射極限的一半)之薄氧化物層，可取得衰減耦合。注意，由於混合積體模組100中的電功能與光學功能實體上分離，所以，這些功能可被獨立地最佳化。這便於光子電路與電子電路的單石集成，而不會有光子電路對厚度124和132施加限制。此外，由於厚度132能夠被再現地控制在比1%準確度更好，所以，以最小光損失之非常受控及準確的方式，實施衰減耦合。
藉由經過氧化物層126而衰減地耦合光訊號並且將光學裝置134配置在底表面130上，混合積體模組100提供增加的設計自由度。特別是，如同參考圖2-4之下述進一步說明般，各式各樣的光學裝置可以被配置在底表面130上。舉例而言，光學裝置134可包含：光調變器、光開關、光源、光波導、波長選取元件或濾波器、光偵測元件、等等。此外，光學裝置134包含與標準的CMOS製程不相容的材料，例如III-V半導體(例如，矽鍺合金)、電光材料、液晶及/或鐵電材料。雖然使用CMOS相容處理來製造及組裝混合積體模組100中的大部份的組件(使得製造成本低)，但是，可以在晶片或晶圓等級的積體裝 置116的後置製程期間，界定或沈積底表面130上的材料(舉例而言，在後段共容製程中完成前段製程處理之後，光學裝置134可被沈積至或接合於氧化物層126上)。
注意，由黏著劑114所提供的機械耦合可包含例如銲球138(例如，接合線微凸塊或是微銲材)等銲球、在上表面112上的電耦合墊140-1、以及在上表面120上的墊140-2，其中，黏著劑114至少部份地填充上表面112與上表面120之間的空間(亦即，可能有填充不足)。在某些實施例中，使用覆晶技術，將積體裝置116機械地耦合至半導體晶粒110。
在舉例說明的實施例中，半導體層118可包含矽，且氧化物層126可包含介電質或氧化物，例如二氧化矽。因此，半導體層118及氧化物層126可包括絕緣體上的矽(SOI)技術，其中，舉例而言，藉由機械拋光及/或蝕刻，在氧化物層126之頂部上的半導體晶粒(例如，矽操作器基板)已被移除。依此方式，可以消除與經由氧化物層126進入矽操作器基板的光訊號的衰減耦合相關的光學損失。結果，相對於使用SOI技術實施之現有的光學組件，光學裝置134可以是更快、更小而且在功率上更有效率的。
此製造技術可能要求薄的半導體層118以機械方式而被適當地固定住。在圖1中，藉由將此層接合至半導體晶粒110上而完成上述固定。注意，可以晶片對晶片為基礎、以晶片對晶圓為基礎或是以晶圓對晶圓為基礎來執行 此接合。如同先前所述般，半導體晶粒110可包含以矽來予以實施的電子電路，例如：VLSI晶片，其提供功率且用作為機械操作器及/或電驅動器；處理器；射頻電路；記憶體；混合訊號電路；及/或數位電路。
如同先前所討論般，光學裝置134可包含廣泛之各式各樣的光學組件及/或材料。在某些實施例中，光學裝置134靜態地或動態地調變光訊號。舉例而言，光學裝置134可包含光調變器。由於製程變化性和製造公差、以及厚度124的變動，此光調變器可修正環型共振器的真正共振波長與目標共振波長的差異。
這被顯示於圖2A及2B中，它們分別代表混合積體模組100(圖1)中的環型共振器210和260的方塊圖。這些環型共振器可被製作於正好在光波導136-1的上方之底表面130。此外，環型共振器210及260可被用來修改光波導136-1之包層的折射率，因而改變光波導136-1的光波導環型傳播常數。舉例而言，電壓可被施加至電極212或262以產生電場於光學裝置134(圖1)中的電光材料(諸如，鐵電材料，例如鈦酸鋇鍶、鈦酸鉛鋯或液晶)或電吸收材料(諸如，鍺)之水平(圖2A)或垂直方向(圖2B)上。依此方式，光學裝置134(圖1)可以電方式來修整經過衰減尾部之光訊號的光學模式。
由於沒有電流流經這些用於共振波長調諧的結構，所以，即使當光學裝置被調諧於環型共振器210或260的整個自由頻譜範圍上時，光學裝置仍可具有遠低於熱調諧的 功率需求。特別是，功率耗損可以是較小的量值等級(例如，微瓦特而非毫瓦特)。
注意，為了能夠調諧控制，環型共振器210及260中的電極212和262可被電耦合至圖1中的半導體層118及/或半導體晶粒110(例如，使用矽穿孔)。
在某些實施例中，光學裝置包含另一光波導，此另一光波導載送光訊號遍及於積體裝置中的標線邊界。這被顯示於圖3中，其顯示混合積體模組300的方塊圖。因此，使用光波導136-2，積體裝置116可以用作為「橋接晶片」，其將光訊號310光學地耦合至共同晶圓上的多個晶片。
此外，光學裝置134(圖1)可包含提供光訊號的光源。這被顯示於圖4中，其顯示混合積體模組400的方塊圖。在此混合積體模組中，III-V族半導體雷射器410可被接合至底表面130的頂部上。此雷射器可以與光波導136-1的頂部對齊且位於光波導136-1的頂部上。在操作期間，由此雷射器輸出的光訊號412可經由氧化物層126(圖1)而被衰減地耦合至光波導136-1。
注意，雷射器410及/或光波導136-1可終止以適當地調整尺寸的錐形物，以鬆緩x-及y-對齊公差，並且，收容光學裝置134中的光波導(圖1)與光波導136-1之間的光學模式失配(mismatch)。此外，二個相鄰的光波導之間的衰減耦合之效率係取決於它們之間的間隔之準確度。在這些實施例中，此間隔係由圖1中的厚度132來予 以設定(在典型的SOI晶圓中，一般係指定在1%以下)。此嚴格的厚度公差能夠有助於以低光損失從雷射器410光耦合至光波導136-1。
由於此集成係至積體裝置116的背側，所以，在雷射器410的集成之前，可以完成光子(photonic)電路連同必需的介電質及金屬互連層化(layering)，而且甚至可與電子電路單塊地集成在一起。除了熱生長氧化物層相對於前端氧化矽層而具有更準確的厚度控制之外，期望氧化物層126一旦曝露出時是平坦的(例如，在移除矽基板操作器之後)且不需平坦化的拋光。注意，假使需要時，矽穿孔可被設於氧化物層126中以使前側電路連接至雷射器410的電接觸，而使得光學裝置134(圖1)可使用前側電路來予以電子式地控制及激勵。
再參考回圖1，由於光學裝置134係配置在底表面130上，並因而可從積體裝置116的背側被存取，所以，混合積體模組可有助於額外的積體裝置及/或額外的混合積體模組的三維集成，藉以增加組件密度規模及有助於各式各樣的架構及應用。舉例而言，一或更多個額外的積體裝置可以被堆疊於積體裝置116的頂部上，使得在額外的積體裝置其中之一中的半導體層的上表面面對積體裝置116中的氧化物層126的底表面130。替代地或額外地，一或更多個額外的混合積體模組可被設置成複數個光學裝置(例如，光學裝置134)在多晶片模組(MCM)中彼此面對。此方式能夠允許大的、二維陣列的積體裝置被光學 地耦合。注意，光學耦合器(例如，繞射光柵耦合器或是鏡子)可以被界定於半導體層118中及/或底表面130上，以提供光耦合給額外的積體裝置及/或額外的混合積體模組。如同先前所述般，假使積體裝置的實例包含一個以上的晶片(亦即，有標線)時，則光學裝置134可被用來透過標線而載送光訊號(亦即，光學裝置134可用作為「橋接晶片」)。
混合積體模組及/或MCM的一或更多個之前的實施例可被包含在系統及/或電子裝置中。這被顯示於圖5中，其顯示包含混合積體模組510的系統之方塊圖。
混合的積體模組及/或MCM可被使用於各式各樣的應用中，包含：VLSI電路、通訊系統(例如，WDM)、儲存區域網路、資料中心、網路(例如，區域網路)、及/或電腦系統(例如，多核心處理器電腦系統)。注意，系統500可包含但不限於：伺服器、膝上型電腦、通訊裝置或系統、個人電腦、平板電腦、工作站、大型電腦、刀峰電腦、企業電腦、資料中心、可攜式計算中心、超級電腦、網路附加儲存(NAS)系統、儲存區域網路(SAN)系統、及/或其它電子計算裝置。此外，注意，給定的電腦系統可以是在一個位置或是分散於多個地理上散佈的位置。
混合積體模組、MCM、及/或系統500的先前實施例可包含較少的組件或增加的組件。舉例而言，圖1中的半導體層118可包含多晶矽或是非晶矽。替代地或額外地， 配合周圍的空氣，在底表面130上有抗反射塗層，但是在接近光學裝置134的附近除外(亦即，在需要衰減耦合之處)。此外，如同習於此技藝者所已知般，廣泛的多式多樣之製造技術可被用來製造先前之實施例中的混合積體模組。此外，廣泛的多式多樣的光學組件可以被使用於混合積體模組中，或配合混合積體模組使用。
注意，在某些實施例中，圖1中的光學裝置134被用熱方式或電方式來予以調諧。此外，雖然已經使用在積體裝置116中包含有光學裝置134作為說明的實例，但是，在其它實施例中，混合積體模組並不包含光學裝置。
雖然這些實施例被顯示為具有許多分開的項目，但是，該等實施例是要作為此處所述的實施例的結構概圖以外所呈現的各種特徵之功能說明。結果，在這些實施例中，二或更多個組件可以被結合成單一組件，及/或改變一或更多個組件的位置。
我們現在說明方法的實施例。圖6呈現流程圖，說明混合積體模組的製造方法600。在此方法期間，黏著劑被施加至半導體晶粒的上表面(操作610)。然後，積體裝置係置於黏著劑上(操作612)。此外，積體裝置包含：具有上表面、底表面及厚度的半導體層，其中，半導體層的上表面係機械地耦合至黏著劑，並且，其中，半導體層包含組構成載送光訊號的光波導；具有上表面、底表面及厚度的氧化物層，係配置在半導體層的底表面上；以及，光學裝置，係配置在氧化物層的底表面上。注意，半導體 層的厚度及/或氧化物層的厚度可被界定成使得光訊號係衰減地耦合於光波導與光學裝置之間。
在方法600的某些實施例中，可以有增加的或較少的操作。此外，可以改變操作的次序，及/或二或更多個操作可以被合併成單一操作。
上述說明是要使習於此技藝者能夠製作及使用本揭示，且以特定應用及其需求的脈絡來提供上述說明。此外，僅為了顯示及說明而呈現本揭示的實施例之前述說明。它們不是毫無遺漏的或是要限定本揭示於揭示的形式。因此，習於此技藝的實施者將清楚很多修改及替代，且在不悖離本揭示的精神及範圍之下，此處所界定的一般原理可以應用至其它實施例及應用。此外，之前的實施例的說明不是要限定本揭示。因此，本揭示並非要侷限於所述的實施例，而是要依符合此處揭示的原理及特點之最廣範圍來解釋。
100‧‧‧混合積體模組
110‧‧‧半導體晶粒
112‧‧‧上表面
114‧‧‧黏著劑
116‧‧‧積體裝置
118‧‧‧半導體層
120‧‧‧上表面
122‧‧‧底表面
124‧‧‧厚度
126‧‧‧氧化物層
128‧‧‧上表面
130‧‧‧底表面
132‧‧‧厚度
134‧‧‧光學裝置
136-1‧‧‧光波導
136-2‧‧‧光波導
136-3‧‧‧光波導
138‧‧‧銲球
140-1‧‧‧墊
140-2‧‧‧墊
210‧‧‧環型共振器
212‧‧‧電極
260‧‧‧環型共振器
262‧‧‧電極
300‧‧‧混合積體模組
310‧‧‧光訊號
400‧‧‧混合積體模組
412‧‧‧光訊號
500‧‧‧系統
510‧‧‧混合積體模組
圖1是依據本揭示的實施例之混合積體模組的方塊圖。
圖2A是依據本揭示的實施例之圖1的混合積體模組的環型共振器的方塊圖。
圖2B是依據本揭示的實施例之圖1的混合積體模組的環型共振器的方塊圖。
圖3是依據本揭示的實施例之混合積體模組的方塊 圖。
圖4是依據本揭示的實施例之混合積體模組的方塊圖。
圖5是依據本揭示的實施例之圖1、3或4的混合積體模組的系統的方塊圖。
圖6是流程圖，顯示依據本揭示的實施例的混合積體模組的製造方法。
注意，在圖式中，類似的符號代表對應的部份。此外，相同部份的多個實例由以破折號與代號分開之共同字首表示。
100‧‧‧混合積體模組
110‧‧‧半導體晶粒
112‧‧‧上表面
114‧‧‧黏著劑
116‧‧‧積體裝置
118‧‧‧半導體層
120‧‧‧上表面
122‧‧‧底表面
124‧‧‧厚度
126‧‧‧氧化物層
128‧‧‧上表面
130‧‧‧底表面
132‧‧‧厚度
134‧‧‧光學裝置
136-1‧‧‧光波導
138‧‧‧銲球
140-1‧‧‧墊
140-2‧‧‧墊

Claims (19)

  1. 一種混合積體模組，包括：半導體晶粒，具有上表面；黏著劑，係機械地耦合至該半導體晶粒的該上表面；積體裝置，其中，該積體裝置包含：具有上表面、底表面及厚度的半導體層，其中，該半導體層的該上表面係機械地耦合至該黏著劑，且其中，該半導體層包含組構成載送光訊號的光波導；氧化物層，具有上表面、底表面及厚度，其中，該氧化物層的該上表面係配置在該半導層的該底表面上；以及光學裝置，係配置在該氧化物層的該底表面上，其中，該半導層的該厚度及該氧化物層的該厚度被界定成使得該光訊號係衰減地耦合於該光波導與該光學裝置之間；以及銲球，該銲球使該半導體晶粒的該上表面上的墊與該半導體層的該上表面上的墊電耦合，其中，該黏著劑至少部份地填充該半導體晶粒的該上表面與該半導體層的該上表面之間的空間。
  2. 如申請專利範圍第1項之混合積體模組，其中，該光學裝置係組構成調變該光訊號。
  3. 如申請專利範圍第2項之混合積體模組，其中，該光學裝置係組構成動態地調變該光訊號。
  4. 如申請專利範圍第1項之混合積體模組，其中， 該光學裝置包含電光材料、液晶及鐵電材料的其中之一。
  5. 如申請專利範圍第1項之混合積體模組，其中，該半導體層包含環型共振器，並且該光學裝置有助於以比與熱調諧有關的功率耗損更低的功率耗損來調諧該環型共振器。
  6. 如申請專利範圍第5項之混合積體模組，其中，該光學裝置係組構成修正該環型共振器的真正共振波長與目標共振波長的差異。
  7. 如申請專利範圍第1項之混合積體模組，其中，該光學裝置係組構成切換該光訊號。
  8. 如申請專利範圍第1項之混合積體模組，其中，該光學裝置包含配置在該氧化層的該底表面上的其它光波導；並且其中，該其它光波導係組構成載送該光訊號遍佈於該積體裝置中的標線邊界。
  9. 如申請專利範圍第1項之混合積體模組，其中，該光學裝置包含配置在該氧化物層的該底表面上的光源；並且其中，該光源係組構成提供該光訊號。
  10. 如申請專利範圍第1項之混合積體模組，其中，該半導體層的該厚度係在0.1與4μm之間。
  11. 如申請專利範圍第1項之混合積體模組，其中，該氧化物層的該厚度係小於0.5μm。
  12. 如申請專利範圍第1項之混合積體模組，其中， 該積體裝置使用覆晶技術而被機械地耦合至該半導體晶粒。
  13. 如申請專利範圍第1項之混合積體模組，其中，該半導體層包含矽並且該氧化物層包含二氧化矽。
  14. 如申請專利範圍第1項之混合積體模組，其中，該半導體層及該氧化物層包括絕緣體上的矽技術，其中，在該氧化物層的頂部上的第二半導體晶粒已被移除。
  15. 一種計算系統，包括混合積體模組，其中，該混合積體模組包含：半導體晶粒，具有上表面；黏著劑，係機械地耦合至該半導體晶粒的該上表面；積體裝置，其中，該積體裝置包含：具有上表面、底表面及厚度的半導體層，其中，該半導體層的該上表面係機械地耦合至該黏著劑，且其中，該半導體層包含組構成載送具有光學模式的光訊號的光波導；氧化物層，具有上表面、底表面及厚度，其中，該氧化物層的該上表面係配置在該半導層的該底表面上；以及光學裝置，係配置在該氧化物層的該底表面上，其中，該半導層的該厚度及該氧化物層的該厚度被界定成使得該光訊號係衰減地耦合於該光波導與該光學裝置之間；處理器，係併入於該半導體晶粒與該積體裝置的其中 之一內；記憶體，係併入於該半導體晶粒與該積體裝置的其中之一內；以及銲球，該銲球使該半導體晶粒的該上表面上的墊與該半導體層的該上表面上的墊電耦合，其中，該黏著劑至少部份地填充該半導體晶粒的該上表面與該半導體層的該上表面之間的空間。
  16. 如申請專利範圍第15項之系統，其中，該半導體層包含環型共振器，並且該光學裝置有助於以比與熱調諧有關的功率耗損更低的功率耗損來調諧該環型共振器。
  17. 如申請專利範圍第16項之系統，其中，該光學裝置係組構成校正該環型共振器的真正共振波長與目標共振波長的差異。
  18. 如申請專利範圍第15項之系統，其中，該光學裝置包含配置在該氧化層的該底表面上的光源；並且其中，該光源係組構成提供該光訊號。
  19. 一種混合積體模組的製造方法，該方法包括：施加黏著劑至半導體晶粒的上表面上；以及將該積體裝置置於該黏著劑上，其中，該積體裝置包含：具有上表面、底表面及厚度的半導體層，其中，該半導體層的該上表面係機械地耦合至該黏著劑，且其中，該半導體層包含組構成載送光訊號的光波導；氧化物層，具有上表面、底表面及厚度，其中， 該氧化物層的該上表面係配置在該半導層的該底表面上；以及，光學裝置，係配置在該氧化物層的該底表面上，其中，該半導層的該厚度及該氧化物層的該厚度被界定成使得該光訊號係衰減地耦合於該光波導與該光學裝置之間。
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