OE装置与IC的集成的制作方法

oe装置与ic的集成


背景技术：

1.对高性能计算及网络的期望无处不在且在不断增长。突出的应用包含数据中心服务器、高性能计算集群、人工神经网络及网络交换机。
2.几十年来，晶体管尺寸的缩小与裸片大小的增加组合驱动了集成电路性能及成本的显著改进，在著名的摩尔定律(moore’s law)中概述。数以十亿计的晶体管允许将先前分散在多个集成电路中的功能性合并到单个片上系统上。
3.然而，随着边际性能益处的降低结合良率的降低及每个晶体管成本的增加，进一步缩小晶体管的益处显著下降。独立于这些限制，单个集成电路仅可含有这么多功能性，且所述功能性受到约束，这是因为集成电路的工艺无法同时针对不同功能性(例如，逻辑、dram及i/o)进行优化。
4.事实上，将soc“去集成”为更小的“小芯片”有显著益处，包含：每一小芯片的工艺都针对其功能(例如，逻辑、dram、高速i/o等)进行优化，小芯片非常适合在多种设计中重复使用，小芯片的设计更便宜且小芯片具有更高良率，这是因为它们更小，使用更少装置。
5.然而，与soc相比，小芯片的主要缺点是：小芯片需要远更多的芯片间连接。与soc中的功能块之间的片上连接相比，芯片间连接通常密度低得多，且需要远更多的功率(正规化为每位能量)。
6.最先进的芯片间互连件利用中介层及桥接器，其中芯片是倒装芯片接合到含有芯片间电迹线的衬底。虽然此类互连件比经由印刷电路板的封装芯片的互连件提供远更高的密度及远更低的功率，但它们仍然远远达不到所期望的：接近芯片内互连件的密度及功率耗散的芯片间互连件。
7.电互连件的功率及最大距离根本上受电容及导体电阻的限制。互连密度受导体宽度及层计数的限制。短电互连件的电容c与互连件长度成比例，且与导体宽度w大致无关(假定电介质厚度大致按比例调整。电连接的电阻r，且因此最大长度(受rc限制)与导体横截面积成反比，其按比例调整为w2。电连接的密度与w成反比。因此，在互连密度、长度及功率方面存在权衡，且这些权衡是相当根本的，基于电介质介电常数及导体(例如，铜)电阻。
8.只要我们限于电互连件，这些根本的互连限制就将约束系统性能，并限制所谓的“超越摩尔”2.5d及3d先进封装可实现的性能。然而，光学互连件不遭受这些限制。
9.实施密集并行光学芯片间互连件的重大挑战是将光学收发器与标准技术集成。


技术实现要素：

10.一些方面提供一种具有用于光学互连件的光学组件的集成电路(ic)芯片，其包括：半导体衬底，其含有晶体管；互连层堆叠，其在所述半导体衬底的顶部上，所述互连层包含交替的金属及电介质层；微型led，其在所述互连层堆叠的衬垫上，具有耦合所述衬垫与所述半导体衬底的至少一个晶体管的至少一个电连接；及光电检测器，其集成在所述半导体衬底中，具有通过所述互连层堆叠到所述光电检测器的光通道。
11.在一些方面，所述光通道由在所述光电检测器上方的区域中不具有金属层的所述
互连层堆叠提供。在一些方面，所述光通道由穿过所述光电检测器上方的区域中的所述互连层堆叠的间隙提供。一些方面进一步包括在所述间隙的边缘上的反射器。一些方面进一步包括在所述互连层堆叠上的第一波导，所述第一波导在所述光通道上方穿过所述互连层堆叠延伸到所述光电检测器。一些方面进一步包括在所述第一波导的末端处的倾斜反射器，所述倾斜反射器经定位以通过所述互连层堆叠将来自所述波导的光反射到所述光电检测器。一些方面进一步包括在所述互连层堆叠上的第二波导，所述微型led嵌入所述第二波导中。一些方面进一步包括：另外的衬底，所述另外的衬底定位于所述微型led上方；及波导，其在所述另外的衬底上，所述波导经定位以接收来自所述微型led的光。一些方面进一步包括反射器，所述反射器经定位以通过所述波导引导来自所述微型led的光。
12.一些方面提供一种用于集成电路(ic)芯片的光学互连件，其包括：第一半导体衬底，其含有晶体管；第一互连层堆叠，其在所述第一半导体衬底的顶部上，所述互连层包含交替的金属及电介质层；微型led，其在所述第一互连层堆叠的衬垫上，具有耦合所述衬垫与所述半导体衬底的至少一个晶体管的至少一个电连接；第二半导体衬底，其含有晶体管；第二互连层堆叠，其在所述第二半导体衬底的顶部上，所述互连层包含交替的金属及电介质层；光电检测器，其集成在所述第二半导体衬底中，具有通过所述第二互连层堆叠到所述光电检测器的光通道；及波导，其经配置以将来自所述微型led的光耦合到所述光通道，通过所述第二互连层堆叠到所述光电检测器。
13.在一些方面，所述光通道由在所述光电检测器上方的区域中不具有金属层的所述第二互连层堆叠提供。在一些方面，所述光通道由穿过所述光电检测器上方的区域中的所述互连层堆叠的间隙提供。一些方面进一步包括在所述间隙的边缘上的反射器。一些方面进一步包括：另外的衬底，所述另外的衬底定位于所述微型led上方；且其中所述波导在所述另外的衬底上，所述波导经定位以接收来自所述微型led的光。
14.一些方面提供一种光学互连件，其包括：第一波导及第二波导，两者在集成电路(ic)芯片的互连层的顶部上，所述ic芯片包含半导体衬底及在所述半导体衬底的顶部上的互连层；光学传输器，其嵌入所述第一波导中，所述光学传输器包括具有连接到衬垫的底部的微型led，所述衬垫耦合到所述互连层中的第一电信号路径，所述微型led的顶部触点耦合到所述互连层中的第二电信号路径；及光电检测器，其在所述ic芯片的所述半导体衬底中在所述互连层的层级下方，光学接收器光学地耦合到所述第二波导；且其中在所述光电检测器上方的所述互连层的区域不具有金属层。一些方面进一步包括第一反射器及第二反射器，其中所述第一反射器定位于最接近所述微型led的所述第一波导的第一端附近，且所述第二反射器经定位以将所述光电检测器与所述第二波导光学地耦合。在一些方面，所述光电检测器上方的所述互连层的所述区域不具有电介质层。
15.在回顾本公开时更完全理解本发明的这些及其它方面。
附图说明
16.图1是根据本发明的方面的实例光学互连件的框图。
17.图2是根据本发明的方面的具有芯片内光学互连件、芯片间模块内光学互连件及模块间光学互连件的一对多芯片模块的部分框图。
18.图3a及3b说明根据本发明的方面的实例芯片间光学互连件。
19.图4是根据本发明的方面的具有微型led的集成电路芯片的部分的简化横截面视图。
20.图5a到c展示根据本发明的方面的微型led光学组合件的实例。
21.图6a到b说明根据本发明的方面的包含单独波导组合件的实例光学互连件的部分。
22.图7a到b说明根据本发明的方面的来自微型led的光相对于波导的传播。
23.图8是根据本发明的方面的具有光电检测器的实例集成电路芯片的部分的简化横截面视图。
24.图9是根据本发明的方面的具有光电检测器的进一步实例集成电路芯片的部分的简化横截面视图。
25.图10a到b展示根据本发明的方面的光电检测器光学组合件的实例。
26.图11是根据本发明的方面的具有光电检测器及波导的实例集成电路芯片的部分的简化横截面视图。
27.图12是根据本发明的方面的具有光电检测器及波导的进一步实例集成电路芯片的部分的简化横截面视图。
28.图13a到b分别展示根据本发明的方面的实例横向光电检测器的俯视图及横截面侧视图。
29.图14a到d展示根据本发明的方面的用于形成实例多层波导阵列的处理的实例。
30.图15a展示根据本发明的方面的具有安装到较大光电检测器的微型led的双工收发器实施例。
31.图15b展示根据本发明的方面的具有紧挨着较大光电检测器安装到衬底的微型led的双工收发器实施例。
32.图15c展示根据本发明的方面的具有在环形光电检测器的中心内安装到衬底的微型led的双工收发器实施例的侧及俯视图。
具体实施方式
33.一些实施例提供在与当前集成电路制造技术兼容的工艺中制造的高速光源、光电检测器、光学波导及光学耦合结构。在一些实施例中使用微型led，且在一些实施例中可解决长期阻碍实际的短距离光学互连件的问题：具有用于短距离互连件的大小及驱动功率特性的光源。
34.图1展示实例光学互连件的框图。输入电信号连接到传输器电路111的输入。传输器电路的电输出驱动光源113的输入。来自光源的光输出的光入射于传输器光收集光学器件115上，这有助于收集光以使到光学波导117的耦合效率最大化。来自波导的另一端的光入射于接收器光收集光学器件119上，这增加或最大化到光电检测器121的光学耦合效率。光电检测器的电输出连接到接收器电路123的输入。接收器电路的电输出是光学互连件的输出。
35.在一些实施例中，一或多个光学互连件用于将信号从半导体集成电路芯片的一个区域输送到半导体集成电路芯片的另一区域。在一些实施例中，一或多个光学互连件用于将信号从多芯片模块的一个半导体集成电路芯片输送到多芯片模块的另一半导体集成电
路芯片。多芯片模块可例如在共同半导体集成封装内含有多个半导体集成电路芯片。在一些实施例中，微型led及/或光电检测器可安装在半导体集成电路芯片上或内。在一些实施例中，微型led及/或光电检测器可安装在另一芯片(例如包含微型led驱动电路及/或信号恢复电路的芯片)上或内。
36.图2以部分框图的形式说明具有芯片内光学互连件、芯片间模块内光学互连件及模块间光学互连件的一对多芯片模块。光学互连件通常包含耦合到ic芯片的微型led、传送由微型led产生的光的光学传输介质，及耦合到相同或不同ic芯片以接收来自光传输介质的光的光电检测器。例如，光学互连件可如本文中讨论的那样。因此，光学互连件可用于各种互连层级。
37.在图2的实例中，第一对集成电路芯片211a、b在第一多芯片模块213a中，且第二对集成电路芯片211c、d在第二多芯片模块213b中。集成电路芯片对例如可在复杂数字逻辑电路的一些实施例中及在不那么复杂的数字逻辑电路的一些实施例中实施处理器或其它数字逻辑电路。在一些实施例中，集成电路中的一者可为处理器集成电路，而另一集成电路可为存储器集成电路或包括其顶部上堆叠多个存储器集成电路的存储器控制器集成电路的3d集成电路堆叠(例如，高带宽存储器堆叠)。在一些实施例中，光学互连件连接在同一集成电路上的不同区域之间，例如，“集成电路内互连件”，例如如由集成电路芯片211b上的光学互连件215所说明。此类互连件可用作“快速通道”，从而与可需要数十个电再生器(例如触发器)(及因此数十个时钟循环的延时)以遍历大型集成电路的片上电子互连件相比大大减少延时。在一些实施例中，可在单个集成电路上使用数千个这些芯片内光学互连件。
38.在一些实施例中，一或多个光学互连件连接在同一多芯片模块内的两个集成电路之间，例如，“集成电路间互连件”。这例如由连接集成电路芯片211a、b的一或多个光学互连件217说明。在图2中，一或多个光学互连件被展示为在中介层219上，集成电路芯片211a、b位于中介层219上。在一些实施例中，多芯片模块213a可能不包含中介层；集成电路芯片211a、b可在封装衬底220上。在此类实施例中，一或多个光学互连件可在封装衬底上或中。虽然在图2中仅明确展示单个集成电路间光学互连件，但在各种实施例中，每对集成电路芯片可由数千个光学互连件连接。
39.在一些实施例中，一或多个光学互连件通过连接多芯片模块213a、b的一或多个光学互连件221连接在两个不同模块之间，例如“模块间互连件”。在一些实施例中，一或多个光学互连件位于其上安装多芯片模块的板或其它衬底上。
40.在一些实施例中，在一或多个光学互连件的两端处的传输器及接收器电路制造在单个半导体衬底(例如硅、gaas、gan或inp衬底)上的单个光学互连集成电路中。图3a说明具有具备在单个半导体衬底中或上的组件的光学互连件的实例芯片间光学互连件。在一些实施例中，例如如图3a中说明，用于那些光学互连件的光学波导被制造在同一光学互连集成电路上。在一些集成电路内互连件中，光学互连集成电路还可包括用于实施处理器或其它复杂功能性，或在一些实施例中，不那么复杂的功能性的数字逻辑电路。
41.参考图3a，在集成电路间光学互连件的一些实施例中，被互连的集成电路311a、b例如通过焊料凸块、微凸块或直接衬垫间接合而电附接到光学互连集成电路313、315。在图3a中，来自第一集成电路311a的数据可通过光学互连集成电路的集成电路互连层315传送并提供给光学互连集成电路的半导体衬底313中的传输电路317。在一些实施例中，数据可
在到传输电路的途中由半导体衬底的电路处理及/或再生。传输电路驱动安装到光学互连集成电路的集成电路互连层中的一者的光源(例如，微型led 319)。来自光源的光行进穿过光学波导325，在一些实施例中由传输器光收集光学器件辅助。例如，在图3a中，光收集光学器件可包括在光学波导的一个端处的倾斜反射器。波导中的光由接收器光收集光学器件329引导到光学互连集成电路的半导体衬底中的光电检测器321。光电检测器耦合到同样在半导体衬底中的接收电路323，其中接收电路执行用于恢复来自第一集成电路的数据的至少一些处理。来自接收电路的信号(要么是来自第一集成电路的数据要么指示来自第一集成电路的数据)通过光学互连集成电路(且在一些实施例中，光学互连集成电路的半导体衬底)的互连层传送到第二集成电路311b。
42.在一些实施例中，用于一或多个集成电路间互连件的传输器电路353被集成到第一集成电路351a中，对于每一互连件，光源367被附接到第一集成电路351a，例如如图3b中说明。用于每一集成电路间互连件的光电检测器368及接收器电路355被集成到第二集成电路351b中。两个集成电路可例如通过焊料凸块371附接到包括一或多个波导357的衬底363。每一波导的传输器端可包括传输器光收集光学器件359，且每一波导的接收器端可包括接收器光收集光学器件361。衬底还可包括集成电路之间的电连接365，且可包括贯穿衬底通孔(tsv)，例如为了制造从集成电路到衬底的相对侧上的封装的电连接的目的。衬底可由例如硅、有机(聚合物)材料、玻璃或陶瓷的材料制成。
43.在一些实施例中，光学传输器使用微型led作为光源，光源(light source)在本文中有时被称为光源(optical source)。在一些实施例中，光学接收器使用光电检测器以将由微型led产生的光学信号转换为电信号。
44.在一些实施例中，微型led由直接带隙半导体材料的p-n结制成。在一些实施例中，微型led与半导体激光器(sl)的区别如下：(1)微型led不具有光学谐振器结构；(2)来自微型led的光学输出几乎完全是自发发射，而来自sl的输出主要是受激发射；(3)来自微型led的光学输出在时间上及空间上是不相干的，而来自sl的输出具有显著的时间及空间相干性；(4)微型led被设计为向下驱动到零最小电流，而sl被设计为向下驱动到最小阈值电流(通常至少为1ma)。
45.在一些实施例中，微型led与标准led的区别在于(1)具有小于10μm x 10μm的发射区域；(2)经常在顶及底表面处具有阴极及阳极触点，而标准led通常在单个表面上具有正及负触点两者；(3)通常用于显示器及互连应用的大型阵列中。
46.在一些实施例中，光源接合到集成电路的表面上的接合垫，其部分横截面在图4中展示。在一些实施例中，图4的光源及集成电路是图3a的光源、集成电路互连层及半导体衬底。在一些实施例中，图4的光源及集成电路是图3b的光源及第一集成电路。集成电路包括含有各种装置(例如晶体管及/或二极管)的半导体衬底411。集成电路还包括在衬底的顶部上的通常包括交替的金属及电介质层的互连层堆叠413。在一些实施例中，互连层包含用于较高层的铝互连件419及在较低层处的铜互连件415。在一些实施例中，微型led 423p侧向下接合到衬垫425，衬垫425是集成电路中的金属层中的一者的部分。在一些实施例中，微型led n侧向下接合到衬垫，所述衬垫是集成电路中的金属层中的一者的部分。在进一步实施例中，微型led到其的衬垫通过一或多个通孔4117连接到底部金属层，所述一或多个通孔4117填充有金属使得微型led与衬底之间的热阻是低的。在一些实施例中，归因于可在其下
驱动一些微型led的高电流密度(在一些情况中，》1000a/cm2)，存在从微型led到衬底的低热阻路径可为优选的。
47.在一些实施例中，制造从微型led的顶部触点到集成电路上的另一衬垫的金属连接427，从而允许微型led由跨其p触点及n触点的电压驱动。微型led的除顶部触点之外的部分可通过电介质429与金属连接427绝缘。
48.图5a到c展示微型led光学组合件实施例。存在经优化以垂直于微型led表面发出光的微型led光学组合件的许多可能实施例。在一些实施例中，微型led 515安装到ic芯片的互连层513，其中互连层在其中可能已制造晶体管的硅衬底511上。在一些实施例中，传输器光收集光学器件收集来自微型led的光，使得显著减小光的角扩展。在一些实施例中，传输器光收集光学器件优选地使光在垂直于微型led的顶表面的方向上传播。在一些实施例中，如图5a中所见，传输器光收集光学器件包括由密封微型led 515的光学透明密封剂517形成的透镜519。将微型led包装在透明密封剂中可通过减少微型led内的全内反射(tir)的量而增加来自微型led的光提取效率(lee)。
49.在一些实施例中，反射器结构被制造在ic芯片的顶表面上。在一些实施例中，反射器结构包括具有倾斜表面的结构，所述倾斜表面例如通过沉积高反射性金属(例如铝)而制成为高反射性的。在一些实施例中，如图5b中所见，微型led 515在衬底511上的互连层513上，如关于图5a所讨论。反射表面525、537随着距互连层及衬底的距离增加而远离微型led倾斜。在图5b中，微型led被展示为在衬底上的互连层上的电介质层523的间隙中，其中间隙的宽度随着距衬底的距离而增加。反射表面在电介质层上且间隙可填充有密封剂521以密封微型led。
50.反射器结构在收集相对于微型led表面法线以大角度传播的光方面是有效的。在一些实施例中，反射器表面是回转锥面的部分，使得2d投影是一条线。在一些实施例中，反射器表面是回转抛物面的部分，使得2d投影是抛物线。在一些实施例中，通过在互连层上沉积电介质材料层，且接着选择性地蚀除电介质以界定反射器的表面来制造反射器结构。
51.在一些实施例中，界定反射器结构的腔被覆盖微型led的密封剂填充。在进一步实施例中，透镜形成于填充反射器腔的密封剂层的顶部处，使得收集光学器件包括反射器及透镜两者。例如，图5c的实施例包含图5b的实施例的结构，具有ic芯片衬底511及互连层513，以及微型led、电介质523及反射器525、537。另外，图5c的实施例包含形成于密封剂层的顶部处的透镜539。
52.在一些实施例中，具有相关联的垂直传输器光收集光学器件的微型led耦合到包括衬底及平面波导的一或多个层的单独波导组合件，例如如关于图3b所讨论。在一些实施例中，单独波导组合件包括与每一通道相关联的透镜及/或转向镜。例如，图6a展示在衬底613(其可为ic芯片的硅衬底)上的互连层615上的微型led，例如微型led 611。微型led在密封剂层617内，密封剂层617包含在微型led上方(本文中使用例如“上方”的术语指示成一个定向的物品之间的相对关系，应理解，物品之间的实际关系可以是相反的，例如，如果ic芯片被倒装那么使得互连层实际上在半导体衬底“下方”)的透镜，例如透镜619a。透镜将来自微型led的光聚焦或准直到单独波导组合件的透镜(例如透镜619b)上。单独波导组合件的透镜将光聚焦到反射器(例如图6b的放大视图中的反射器653)上。反射器将来自微型led的光反射到波导芯623及(如图6b的放大视图中展示)624中。波导芯可由波导包层621、651单
独地或与单独波导组合件的衬底625组合地轴向包围。
53.在一些实施例中，传输器光收集光学器件优选地使光在平行于微型led的顶表面的方向上传播。在一些实施例中，微型led 711嵌入波导715中(其中两者均被展示为在衬底713上)，且微型led优选地在波导的平面中发射光，例如如图7a中展示。后反射器717可帮助在朝向接收器的前向上引导光。在一些实施例中，微型led 751优选地在垂直于微型led的顶表面的方向上发射光，例如如图7b中说明，图7b展示在衬底753上的互连层755上的微型led。在波导757的后端处的倾斜反射器759将来自微型led的光沿波导向下朝向接收器引导。在一些实施例中，波导包含改进沿波导向下朝向检测器的光学耦合效率的反射器元件。
54.在一些实施例中，含有一或多个光电检测器的ic在含有光电检测器的区域上方的互连层中不具有金属。这允许光从互连层的顶表面向下传播到在ic衬底中的光电检测器。例如，图8展示在半导体衬底813的顶表面中的呈光电二极管811的形式的光电检测器。互连层(例如铜互连件815及铝互连件817)通常位于半导体衬底上方。然而，在光电检测器上方的区域819中，不存在金属互连件。
55.在一些实施例中，ic含有一或多个光电检测器且每一光电检测器上方的互连层经蚀除以暴露光电检测器。这允许光到达光电检测器而无由中介互连层引起的吸收或散射。例如，图9展示在半导体衬底913的顶表面中的呈光电二极管911的形式的光电检测器。互连层(例如铜互连件915及铝互连件917)通常在半导体衬底上方。然而，例如归因于蚀刻，在光电检测器上方的区域中，不存在互连层。在一些进一步实施例中，此经蚀刻区域填充有透明密封剂且透镜形成于密封剂的顶表面上。透镜及密封剂有助于引导光法向地入射于ic的表面上以改进光电检测器的收集效率。
56.在一些实施例中，在蚀刻到互连层中的倾斜表面上制造反射器结构，其中例如通过沉积高反射性金属(例如铝)而将表面制成高反射性的。图10a及10b展示具有反射器结构的光电检测器光学组合件实施例。反射器结构在收集相对于光电检测器表面法线以大角度传播的光方面是有效的。在一些实施例中，反射器表面是回转锥面的部分，使得2d投影是一条线。在一些实施例中，反射器表面是回转抛物面的部分，使得2d投影是抛物线。在图10a中，光电检测器1011b被展示为在半导体衬底1013中。电介质层1021b在衬底上方，而不是在光电检测器上方的圆锥体积中，圆锥体积具有随着高度增加的宽度。圆锥体积填充有密封剂1015b。邻接密封剂的电介质层的边缘具有反射表面1019b。在一些实施例中，通过沉积电介质材料层且接着选择性地蚀除电介质以界定反射器的表面来制造反射器结构。在一些实施例中，界定反射器结构的腔被覆盖光电检测器的密封剂填满。在进一步实施例中，透镜形成于填充反射器腔的密封剂层的顶部处，使得收集光学器件包括反射器及透镜两者。例如，图10b的实施例包含图10a的实施例的结构，但另外包含形成于密封剂层的顶部处及光电检测器上方的透镜1017c。
57.在一些实施例中，例如如图11中说明，ic在其顶表面上具有一或多个波导1119，且每一波导包含使波导中的光向下传播朝向集成到半导体衬底1113中的光电二极管1111的转向反射器1123。在一些实施例中，ic在含有光电检测器的区域上方的互连层中不具有金属1115、1117。这允许光从ic的顶表面向下传播到ic衬底中的每一光电检测器。
58.在一些实施例中，例如如图12中说明，集成电路含有一或多个光电检测器1211，且在每一光电检测器上方包含金属层1215、1217的互连层经蚀除以暴露光电检测器。这允许
来自波导1219且由反射器1223反射的光到达光电检测器而无由中介互连层引起的吸收或散射。在一些进一步实施例中，此经蚀刻区域填充有透明密封剂。在一些进一步实施例中，反射器1221a、b形成于经蚀刻互连层的侧壁上。密封剂及反射侧壁两者均有助于改进到光电检测器上的光收集效率。
59.在一些实施例中，光电检测器与硅ic上的其它电路单片集成。在一些实施例中，其它电路包括模拟及/或数字cmos电路。在一些实施例中，在用于制造其它电路的相同工艺期间制造光电检测器结构。在一些实施例中，通过在制造电路之后对晶片进行后处理来制造光电检测器结构。
60.在一些实施例中，光电检测器如在2020年7月2日提交的标题为cmos兼容的短波长光电检测器(cmos-compatible short wavelength photodetectors)的第63/047,694号美国临时专利申请案中所讨论，所述申请案的公开内容出于全部目的以引用的方式并入本文中。在一些实施例中，光电检测器是横向p-i-n结构，其中p-i-n二极管平行于衬底表面。在进一步实施例中，横向p-i-n结构包括叉指指状物(interdigitated fingers)，其中n阱及p阱1330在用于制造衬底中的晶体管的相同植入/扩散工艺期间被界定。这分别产生p+及n+的叉指触点，其中轻度掺杂半导体1327介于其间，且栅极氧化物位于上方。图13a展示俯视图，且图13b展示具有横向结构的此光电检测器的横截面侧视图。在图13a、b中，p触点1353连接到p指状物1323，p指状物1323与连接到n触点1351的n指状物1321叉指。指状物周围的区域由屏蔽件1355屏蔽。在一些实施例中，随后使用金属(例如铜、金或铝)对叉指触点进行金属化1325。在一些实施例中，指状物之间的距离小于3um。在一些实施例中，每一指状物的宽度小于1um。
61.在一些实施例中，硅晶片含有在顶部硅表面下方的通常小于3um的掩埋氧化物层1313。这可增加光电检测器的速度，这是因为在晶片内深处产生的任何载子不被收集。此类深载子倾向于减慢光电检测器的响应，这是因为扫除载子的经施加电场在硅中深处较弱。
62.在一些实施例中，光电检测器是垂直p-i-n结构。在一些实施例中，光电检测器是雪崩光电二极管，其中电流增益由其中初级电子在雪崩过程中产生额外电子的过程产生。
63.图14a到d展示根据本发明的方面的用于形成实例多层波导阵列的处理的实例。在一些实施例中，在ic的互连件堆叠的顶表面上制造平面波导，使得波导密封已接合到ic的微型led。在一些实施例中，在ic互连层的顶表面上制造波导芯，其中ic互连件电介质用作底部包层。
64.在一些实施例中，如图14a中所见，在互连层堆叠1411的顶部上沉积底部包层1413，随后沉积芯层1415，芯层1415经图案化且经处理以留下在肋部之间具有空间1421的肋形波导阵列，如图14b中所见。在一些实施例中，如图14c中所见，接着沉积用作波导的侧面及顶部的包层的填充包层1417。
65.在一些进一步实施例中，可例如通过抛光或蚀刻工艺对第一波导层的填充包层进行后续平坦化工艺以产生平面表面。在一些进一步实施例中，如图14d中所见，在第一波导层1419a的填充包层的顶部上沉积并图案化第二芯层1419n。在一些进一步实施例中，接着沉积用作波导的侧面及顶部的包层的填充包层。在一些进一步实施例中，重复先前的平坦化/芯层/顶部包层步骤以制造层2到n。在一些实施例中，波导如在2020年10月1日提交的标题为多层平面波导互连件(multi-layer planar waveguide interconnects)的第63/086,
365号美国临时专利申请案中所讨论，所述申请案的公开内容出于全部目的以引用的方式并入本文中。
66.在后续讨论中，术语“波导”有时可与“芯”或“波导芯”互换地使用。
67.在一些实施例中，平面波导被制造在ic的互连件堆叠的顶表面上，使得波导填充暴露光电检测器的阱；波导的末端包括倾斜反射器，所述倾斜反射器将在波导中传播的光向下反射到阱中，使得光照明光电检测器。
68.在一些实施例中，平面波导被制造在ic的互连件堆叠的顶表面上，使得波导末端定位于光电检测器上方，其中在光电检测器上方的互连层中不存在金属；波导的末端包括倾斜反射器，所述倾斜反射器将在波导中传播的光向下反射到阱中，使得光照明光电检测器。
69.双工光学波导链路利用通过波导在两个方向上传播的光来使用单个波导实施双向链路。单模波导中的双工连接必须利用精心设计的措施，例如必须采用不同波长或循环器来实现低损耗、高保真度连接。相比之下，多模双工连接可利用基于微型led的传输器与接收器处的光展量之间的光展量增加来实施简单实用的双工链路。
70.在双工收发器的一组实施例中，微型led安装到光电检测器制造在其中的衬底。在双工收发器的一些实施例中，如图15a中所见，微型led 1511a放置于安装到衬底1513a的较大光电检测器1515a的顶部上，其中微型led完全在光电检测器上方。然而，光电检测器包含具有比微型led的面积更大的面积的检测表面，使得微型led仅覆盖光电检测器检测区域的部分且光电检测器可在未由微型led覆盖的表面的部分上接收光。然而，在一些实施例中，微型led可部分覆盖光电检测器且部分覆盖衬底。在一些实施例中，如图15c中所见，可在光电检测器的顶表面上制造从收发器电路到微型led的电连接1517c。在一些实施例中，在同样含有传输器及接收器电路的硅衬底中制造光电检测器。
71.来自微型led的光可经由各种光学耦合方案(例如上文讨论的用于微型led光学组合件的方案，包括透镜及/或反射光学收集器)高效地耦合到波导中。在波导中朝向双工收发器传播的光可高效地耦合到较大光电检测器。照射在微型led上的经接收光不会被光电检测器接收，且因此促成链路损耗。然而，如果与光电检测器区域相比，led区域较小，且光跨光电检测器良好分布，那么此损耗贡献将是小的。例如，如果微型led是2um x 2um且光电检测器是6um x 6um，其中光跨光电检测器均匀地分布，那么这将引起-10*log10((6x6-2x2)/(6x6))＝0.51db的损耗。
72.在双工收发器的一些实施例中，如图15b中所见，微型led 1511b紧挨着较大光电检测器1515b安装。在双工收发器的一些实施例中，如图15c中所见，微型led 1511c安装到衬底1513c，其中其由光电检测器1515c包围；例如，光电检测器的形状可为环形的。
73.在一组实施例中，双工微型led/光电检测器实施例可取代仅微型led或仅光电检测器的实施例，反之亦然。
74.尽管本发明已关于各项实施例进行讨论，但应认识到，本发明包括由本公开支持的新颖且非显而易见的权利要求。

技术特征：
1.一种具有用于光学互连件的光学组件的集成电路(ic)芯片，其包括：半导体衬底，其含有晶体管；互连层堆叠，其在所述半导体衬底的顶部上，所述互连层包含交替的金属及电介质层；微型led，其在所述互连层堆叠的衬垫上，具有耦合所述衬垫与所述半导体衬底的至少一个晶体管的至少一个电连接；及光电检测器，其集成在所述半导体衬底中，具有通过所述互连层堆叠到所述光电检测器的光通道。2.根据权利要求1所述的具有光学组件的ic芯片，其中所述光通道由在所述光电检测器上方的区域中不具有金属层的所述互连层堆叠提供。3.根据权利要求1所述的具有光学组件的ic芯片，其中所述光通道由穿过所述光电检测器上方的区域中的所述互连层堆叠的间隙提供。4.根据权利要求3所述的具有光学组件的ic芯片，其进一步包括在所述间隙的边缘上的反射器。5.根据权利要求1所述的具有光学组件的ic芯片，其进一步包括在所述互连层堆叠上的第一波导，所述第一波导在所述光通道上方穿过所述互连层堆叠延伸到所述光电检测器。6.根据权利要求5所述的具有光学组件的ic芯片，其进一步包括在所述第一波导的末端处的倾斜反射器，所述倾斜反射器经定位以通过所述互连层堆叠将来自所述波导的光反射到所述光电检测器。7.根据权利要求1所述的具有光学组件的ic芯片，其进一步包括在所述互连层堆叠上的第二波导，所述微型led嵌入所述第二波导中。8.根据权利要求1所述的具有光学组件的ic芯片，其进一步包括：另外的衬底，所述另外的衬底定位于所述微型led上方；及波导，其在所述另外的衬底上，所述波导经定位以接收来自所述微型led的光。9.根据权利要求8所述的具有光学组件的ic芯片，其进一步包括反射器，所述反射器经定位以通过所述波导引导来自所述微型led的光。10.一种用于集成电路(ic)芯片的光学互连件，其包括：第一半导体衬底，其含有晶体管；第一互连层堆叠，其在所述第一半导体衬底的顶部上，所述互连层包含交替的金属及电介质层；微型led，其在所述第一互连层堆叠的衬垫上，具有耦合所述衬垫与所述半导体衬底的至少一个晶体管的至少一个电连接；第二半导体衬底，其含有晶体管；第二互连层堆叠，其在所述第二半导体衬底的顶部上，所述互连层包含交替的金属及电介质层；光电检测器，其集成在所述第二半导体衬底中，具有通过所述第二互连层堆叠到所述光电检测器的光通道；及波导，其经配置以将来自所述微型led的光耦合到所述光通道，通过所述第二互连层堆叠到所述光电检测器。
11.根据权利要求10所述的光学互连件，其中所述光通道由在所述光电检测器上方的区域中不具有金属层的所述第二互连层堆叠提供。12.根据权利要求10所述的光学互连件，其中所述光通道由穿过所述光电检测器上方的区域中的所述互连层堆叠的间隙提供。13.根据权利要求12所述的光学互连件，其进一步包括在所述间隙的边缘上的反射器。14.根据权利要求10所述的光学互连件，其进一步包括：另外的衬底，所述另外的衬底定位于所述微型led上方；其中所述波导在所述另外的衬底上，所述波导经定位以接收来自所述微型led的光。15.一种光学互连件，其包括：第一波导及第二波导，两者在集成电路(ic)芯片的互连层的顶部上，所述ic芯片包含半导体衬底及在所述半导体衬底的顶部上的互连层；光学传输器，其嵌入所述第一波导中，所述光学传输器包括具有连接到衬垫的底部的微型led，所述衬垫耦合到所述互连层中的第一电信号路径，所述微型led的顶部触点耦合到所述互连层中的第二电信号路径；及光电检测器，其在所述ic芯片的所述半导体衬底中，在所述互连层的层级下方，所述光学接收器光学地耦合到所述第二波导；及其中在所述光电检测器上方的所述互连层的区域不具有金属层。16.根据权利要求15所述的光学互连件，其进一步包括第一反射器及第二反射器，其中所述第一反射器定位于最接近所述微型led的所述第一波导的第一端附近，且所述第二反射器经定位以将所述光电检测器与所述第二波导光学地耦合。17.根据权利要求15所述的光学互连件，其中所述光电检测器上方的所述互连层的所述区域不具有电介质层。

技术总结
用于IC芯片的光学互连件可包含与所述IC芯片集成的光源及接收器。微型LED可安装在所述IC芯片的互连层上，且嵌入波导内。用于接收来自所述波导的光的光电检测器可制造在半导体衬底的顶表面中，在所述互连层的层级下方，但具有供光通过所述互连层的通道。但具有供光通过所述互连层的通道。但具有供光通过所述互连层的通道。


技术研发人员：R
受保护的技术使用者：艾维森纳科技有限公司
技术研发日：2021.10.08
技术公布日：2023/7/22