半导体结构及其制造方法与流程

本发明涉及半导体，更为具体而言，涉及一种半导体结构及其制造方法。

背景技术：

1、超大规模集成电路(very large scale integration circuit，vlsi)技术已成为支撑信息社会发展和演进的支柱。信息系统中广泛使用的各类电子集成电路芯片通常依靠采用先进的工艺来实现性能提升和功耗优化。然而，随着电子集成电路芯片技术逐渐接近物理极限，摩尔定律的进展正在放缓，进一步的发展需要创新。

2、增加芯片整体性能可以通过将多个电子集成电路芯片集成到现有的封装类型中，例如2.5d/3d、扇出或多芯片模块。然而，芯片互连架构的可行性通常受到芯片间互连的性能、可用性和功耗的限制。传统的信息互连主要是通过铜介质进行电子传导来实现的，而电子信息的传输速度和距离受到rc时间常数和电损耗的限制，导致所需的铜线直径随着传输速度和传输距离的增加而增加。加上电子信息通道之间的信号串扰，限制了互连的能耗和带宽密度。

3、由上述可知，芯片之间电互连的功耗和带宽密度问题限制了更高性能芯片系统的开发，并且传统的电互连接口对互连距离敏感，限制了数字电芯片之间的互连架构。

技术实现思路

1、为了克服上述电互连技术的缺陷，本发明提供了一种采用光互连的半导体结构及其制造方法。

2、一方面，本发明实施方式提供了一种半导体结构，其包括：

3、光子晶圆，所述光子晶圆上设置有多个光子集成电路芯片，每一个光子集成电路芯片具有第一波导；

4、光中介层，所述光中介层上设置所述光子晶圆，所述光中介层具有第二波导；

5、多个模拟电芯片，其中，每一个光子集成电路芯片连接至少一个所述模拟电芯片，以使所述多个模拟电芯片之间能够通过所述光子集成电路芯片和/或所述光中介层实现光通信；

6、多个数字电芯片，每一个数字电芯片与相应的所述模拟电芯片电连接，以使所述多个数字电芯片之间能够经由所述模拟电芯片通过所述光子集成电路芯片和/或所述光中介层进行通信；

7、其中，在所述光中介层上，位于第一方向上的多个光子集成电路芯片通过所述第一波导光学连接，位于第二方向上的多个光子集成电路芯片通过所述光中介层的第二波导光学连接，所述第一方向与所述第二方向不相同。

8、在本发明的一些实施方式中，所述光子集成电路芯片采用全光罩掩模版进行曝光制成。

9、在本发明的一些实施方式中，所述光子集成电路芯片上形成有朝向第一方向的拼接耦合器。在所述第一方向上，相邻的两个光子集成电路芯片的第一波导通过拼接耦合器对准。在本发明的一些实施方式中，所述光子集成电路芯片上的拼接耦合器的拼接耦合端形成朝向该光子集成电路芯片的边缘即该拼接耦合端的边缘逐渐变大的结构。

10、在本发明的一些实施方式中，所述光中介层包括多个光中介层模块，其中，所述光中介层模块采用全光罩掩模版进行曝光制成。在本发明的一些实施方式中，所述光中介层模块上形成有朝向第二方向的拼接耦合器。在所述第二方向上，相邻的两个光中介层模块的第二波导通过拼接耦合器对准。在本发明的一些实施方式中，所述光中介层模块上的拼接耦合器的拼接耦合端形成朝向该模块的边缘即该拼接耦合端的边缘逐渐变大的结构。

11、在本发明的一些实施方式中，每一个光子集成电路芯片上设置有与相应的模拟电芯片通信的通信节点，所述通信节点包括电光转换模块和光电转换模块。在本发明的一些实施方式中，所述电光转换模块包括调制器或调制器阵列，用于将来自所述模拟电芯片的电信号所承载的信息调制到经由所述光子集成电路芯片传输的光信号中；所述光电转换模块包括探测器或探测器阵列，用于将来自所述光子集成电路芯片的光信号转换为将发送至所述模拟电芯片的电信号。

12、在本发明的一些实施方式中，所述光子集成电路芯片上形成有光栅耦合器或端面耦合器。所述光栅耦合器或端面耦合器经由所述第一波导与位于所述第一方向上的多个所述光子集成电路芯片的调制器或调制器阵列光学连接，以将外部激光模块产生的光信号耦合进多个所述光子集成电路芯片中。

13、在本发明的一些实施方式中，每一个光子集成电路芯片上形成有用于光通信的第三波导，所述第三波导将所述电光转换模块和光电转换模块与所述第一波导、第二波导光学连接。在本发明的一些实施方式中，所述第三波导与所述第一波导、第二波导分别通过倏逝波耦合器光学连接。

14、在本发明的一些实施方式中，每一个光子集成电路芯片上设置两个所述模拟电芯片和一个所述数字电芯片，所述数字电芯片与该两个模拟电芯片电连接。

15、在本发明的一些实施方式中，所述半导体结构还包括基板，所述光中介层安装在该基板上。

16、在本发明的一些实施方式中，所述半导体结构还包括印刷电路板和多个垂直供电装置。其中，所述印刷电路板具有第一表面和相对的第二表面，在所述第一表面上安装所述基板，在所述第二表面上安装所述多个垂直供电装置。其中，所述多个垂直供电装置分别位于所述第二表面上与所述模拟电芯片或数字电芯片垂直对应的位置，并且所述垂直供电装置经由所述印刷电路板的金属走线、位于所述光中介层和光子集成电路芯片中孔中导电结构与相应的模拟电芯片或数字电芯片电连接。

17、在本发明的一些实施方式中，所述半导体结构还包括垂直冷却装置，所述垂直冷却装置设置在所述多个模拟电芯片和多个数字电芯片的上方。在本发明的一些实施方式中，所述垂直冷却装置包括与所述模拟电芯片和所述数字电芯片的表面接触的液体冷却板，所述液体冷却板具有多个垂直于所述模拟电芯片和所述数字电芯片的表面的冷却管道和容纳于所述冷却管道中的冷却液。

18、另一方面，本发明实施方式提供了一种半导体结构的制造方法，其包括：

19、提供光子晶圆，在所述光子晶圆上设置有多个光子集成电路芯片，每一个光子集成电路芯片具有第一波导；

20、提供光中介层，并将所述光子晶圆设置在该光中介层上，所述光中介层具有第二波导；

21、提供多个模拟电芯片，其中，每一个光子集成电路芯片连接至少一个所述模拟电芯片，以使所述多个模拟电芯片之间能够通过所述光子集成电路芯片和/或所述光中介层实现光通信；

22、提供多个数字电芯片，每一个数字电芯片与相应的所述模拟电芯片电连接，以使所述多个数字电芯片之间能够经由所述模拟电芯片通过所述光子集成电路芯片和/或所述光中介层进行通信；

23、其中，在所述光中介层上，位于第一方向上的多个光子集成电路芯片通过所述第一波导光学连接，位于第二方向上的多个光子集成电路芯片通过所述第二波导光学连接，所述第一方向与所述第二方向不相同。

24、在本发明的一些实施方式中，所述光子集成电路芯片采用全光罩掩模版进行曝光制成。

25、在本发明的一些实施方式中，所述光子集成电路芯片上形成有朝向第一方向的拼接耦合器。在所述第一方向上，相邻的两个光子集成电路芯片的第一波导通过拼接耦合器对准。在本发明的一些实施方式中，所述光子集成电路芯片上的拼接耦合器的拼接耦合端形成朝向其边缘逐渐变大的结构。

26、在本发明的一些实施方式中，所述光中介层包括多个光中介层模块，其中，所述光中介层模块采用全光罩掩模版进行曝光制成。在本发明的一些实施方式中，所述光中介层模块上形成有朝向第二方向的拼接耦合器。在所述第二方向上，相邻的两个光中介层模块的第二波导通过拼接耦合器对准。在本发明的一些实施方式中，所述光中介层模块上的拼接耦合器的拼接耦合端形成朝向其边缘逐渐变大的结构。

27、在本发明的一些实施方式中，每一个光子集成电路芯片上设置有与相应的模拟电芯片通信的通信节点，所述通信节点包括电光转换模块和光电转换模块。

28、在本发明的一些实施方式中，每一个光子集成电路芯片上形成有用于光通信的第三波导，所述第三波导将所述电光转换模块和光电转换模块与所述第一波导、第二波导光学连接。在本发明的一些实施方式中，所述第三波导与所述第一波导、第二波导分别通过倏逝波耦合器光学连接。

29、在本发明的一些实施方式中，每一个光子集成电路芯片上设置两个所述模拟电芯片和一个所述数字电芯片，所述数字电芯片与该两个模拟电芯片电连接。

30、在本发明的一些实施方式中，所述制造方法还包括提供基板，将所述光中介层安装在该基板上。

31、在本发明的一些实施方式中，所述制造方法还包括提供印刷电路板和多个垂直供电装置。其中，所述印刷电路板具有第一表面和相对的第二表面，在所述第一表面上安装所述基板，在所述第二表面上安装所述多个垂直供电装置。其中，所述多个垂直供电装置分别位于所述第二表面上与所述模拟电芯片或数字电芯片垂直对应的位置，并且所述垂直供电装置经由所述印刷电路板的金属走线、位于所述光中介层和光子集成电路芯片中孔中导电结构与相应的模拟电芯片或数字电芯片电连接。

32、在本发明的一些实施方式中，所述制造方法还包括提供垂直冷却装置，将所述垂直冷却装置设置在所述多个模拟电芯片和多个数字电芯片的上方。在本发明的一些实施方式中，所述垂直冷却装置包括与所述模拟电芯片和所述数字电芯片的表面接触的液体冷却板，所述液体冷却板具有多个垂直于所述模拟电芯片和所述数字电芯片的表面的冷却管道和容纳于所述冷却管道中的冷却液。

33、根据本发明的各个实施方式，通过包括多个光子集成电路芯片的光子晶圆和光中介层作为中介连接电芯片，可以解决数字电芯片间互连的功耗和带宽密度瓶颈。当将本发明封装结构应用于人工智能芯片，可以实现更高的系统能效比。本发明实施方式将模拟电芯片和数字电芯片分开设置在两块不同的电芯片上，不仅可以在不同工艺制程优化各自电芯片性能，也解决了模拟电芯片产品迭代周期慢的问题，而且还能更进一步提高整体系统的良率。

34、在本发明的实施方式中，通过包括多个光子集成电路芯片的光子晶圆和光中介层作为中介连接电芯片，分别在光子集成电路芯片和光中介层上设置第一方向和第二方向的互连波导，大大减小了在同一层上的波导交叉节点，进而减小了由于同层波导交叉导致的光功率的损耗。同时，因为分别在光子集成电路芯片和光中介层上设置第一方向和第二方向的互连波导，使得光子集成电路芯片上的第一波导和在光中介层中的第二波导能够分别形成，大大简化了掩模板的使用数量，使得超大规模方向全连接的光电计算系统的制备得以实现。

35、在本发明的实施方式中，多个模拟电芯片和多个数字电芯片通过包括多个全光罩尺寸的光子集成电路芯片的光子晶圆互连，在提高系统能效比的同时突破了芯片光罩尺寸的限制，有效增加了数字电芯片的总体面积，提升了采用本发明封装结构的光电计算系统的总计算通量。

36、本发明实施方式利用一系列相同的模拟电芯片，数字电芯片在光子集成电路芯片和光中介层上可以实现横向和纵向上的点对点全连接，可以让一系列数字电芯片同时对信息进行并行处理，并且芯片间具有紧密地信息互连，能够更好地满足人工智能算法对计算能力和带宽的要求。与现有的人工智能计算系统相比，采用本发明的半导体结构的光电计算系统能够集成更多的计算单元和存储单元，而且利用光互连能保证它们之间有机的信息互连，从而提供更高的系统能效比。

37、总而言之，与电互连相比，光互连具有带宽大、延迟低、功耗低、集成密度高、抗电磁干扰等优点。此外，光互连对距离不敏感，可以在更远的距离上传输更多的数据，使计算机架构的设计更加灵活。

38、本发明实施方式的各个方面、特征、优点等将在下文结合附图进行具体描述。根据以下结合附图的具体描述，本发明的上述方面、特征、优点等将会变得更加清楚。