本發(fā)明涉及半導(dǎo)體，更為具體而言，涉及一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制造方法。

背景技術(shù)：

1、超大規(guī)模集成電路(very?large?scale?integration?circuit，vlsi)技術(shù)已成為支撐信息社會(huì)發(fā)展和演進(jìn)的支柱。信息系統(tǒng)中廣泛使用的各類電子集成電路芯片通常依靠采用先進(jìn)的工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)性能提升和功耗優(yōu)化。然而，隨著電子集成電路芯片技術(shù)逐漸接近物理極限，摩爾定律的進(jìn)展正在放緩，進(jìn)一步的發(fā)展需要?jiǎng)?chuàng)新。

2、增加芯片整體性能可以通過(guò)將多個(gè)電子集成電路芯片集成到現(xiàn)有的封裝類型中，例如2.5d/3d、扇出或多芯片模塊。然而，芯片互連架構(gòu)的可行性通常受到芯片間互連的性能、可用性和功耗的限制。傳統(tǒng)的信息互連主要是通過(guò)銅介質(zhì)進(jìn)行電子傳導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而電子信息的傳輸速度和距離受到rc時(shí)間常數(shù)和電損耗的限制，導(dǎo)致所需的銅線直徑隨著傳輸速度和傳輸距離的增加而增加。加上電子信息通道之間的信號(hào)串?dāng)_，限制了互連的能耗和帶寬密度。

3、由上述可知，芯片之間電互連的功耗和帶寬密度問(wèn)題限制了更高性能芯片系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，并且傳統(tǒng)的電互連接口對(duì)互連距離敏感，限制了數(shù)字電芯片之間的互連架構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服上述電互連技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種采用光互連的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制造方法。

2、一方面，本發(fā)明實(shí)施方式提供了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其包括：

3、光子晶圓，所述光子晶圓上設(shè)置有多個(gè)光子集成電路芯片，每一個(gè)光子集成電路芯片具有第一波導(dǎo)；

4、光中介層，所述光中介層上設(shè)置所述光子晶圓，所述光中介層具有第二波導(dǎo)；

5、多個(gè)模擬電芯片，其中，每一個(gè)光子集成電路芯片連接至少一個(gè)所述模擬電芯片，以使所述多個(gè)模擬電芯片之間能夠通過(guò)所述光子集成電路芯片和/或所述光中介層實(shí)現(xiàn)光通信；

6、多個(gè)數(shù)字電芯片，每一個(gè)數(shù)字電芯片與相應(yīng)的所述模擬電芯片電連接，以使所述多個(gè)數(shù)字電芯片之間能夠經(jīng)由所述模擬電芯片通過(guò)所述光子集成電路芯片和/或所述光中介層進(jìn)行通信；

7、其中，在所述光中介層上，位于第一方向上的多個(gè)光子集成電路芯片通過(guò)所述第一波導(dǎo)光學(xué)連接，位于第二方向上的多個(gè)光子集成電路芯片通過(guò)所述光中介層的第二波導(dǎo)光學(xué)連接，所述第一方向與所述第二方向不相同。

8、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述光子集成電路芯片采用全光罩掩模版進(jìn)行曝光制成。

9、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述光子集成電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，相鄰的兩個(gè)光子集成電路芯片的第一波導(dǎo)通過(guò)拼接耦合器對(duì)準(zhǔn)。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述光子集成電路芯片上的拼接耦合器的拼接耦合端形成朝向該光子集成電路芯片的邊緣即該拼接耦合端的邊緣逐漸變大的結(jié)構(gòu)。

10、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述光中介層包括多個(gè)光中介層模塊，其中，所述光中介層模塊采用全光罩掩模版進(jìn)行曝光制成。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述光中介層模塊上形成有朝向第二方向的拼接耦合器。在所述第二方向上，相鄰的兩個(gè)光中介層模塊的第二波導(dǎo)通過(guò)拼接耦合器對(duì)準(zhǔn)。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述光中介層模塊上的拼接耦合器的拼接耦合端形成朝向該模塊的邊緣即該拼接耦合端的邊緣逐漸變大的結(jié)構(gòu)。

11、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，每一個(gè)光子集成電路芯片上設(shè)置有與相應(yīng)的模擬電芯片通信的通信節(jié)點(diǎn)，所述通信節(jié)點(diǎn)包括電光轉(zhuǎn)換模塊和光電轉(zhuǎn)換模塊。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述電光轉(zhuǎn)換模塊包括調(diào)制器或調(diào)制器陣列，用于將來(lái)自所述模擬電芯片的電信號(hào)所承載的信息調(diào)制到經(jīng)由所述光子集成電路芯片傳輸?shù)墓庑盘?hào)中；所述光電轉(zhuǎn)換模塊包括探測(cè)器或探測(cè)器陣列，用于將來(lái)自所述光子集成電路芯片的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為將發(fā)送至所述模擬電芯片的電信號(hào)。

12、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述光子集成電路芯片上形成有光柵耦合器或端面耦合器。所述光柵耦合器或端面耦合器經(jīng)由所述第一波導(dǎo)與位于所述第一方向上的多個(gè)所述光子集成電路芯片的調(diào)制器或調(diào)制器陣列光學(xué)連接，以將外部激光模塊產(chǎn)生的光信號(hào)耦合進(jìn)多個(gè)所述光子集成電路芯片中。

13、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，每一個(gè)光子集成電路芯片上形成有用于光通信的第三波導(dǎo)，所述第三波導(dǎo)將所述電光轉(zhuǎn)換模塊和光電轉(zhuǎn)換模塊與所述第一波導(dǎo)、第二波導(dǎo)光學(xué)連接。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述第三波導(dǎo)與所述第一波導(dǎo)、第二波導(dǎo)分別通過(guò)倏逝波耦合器光學(xué)連接。

14、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，每一個(gè)光子集成電路芯片上設(shè)置兩個(gè)所述模擬電芯片和一個(gè)所述數(shù)字電芯片，所述數(shù)字電芯片與該兩個(gè)模擬電芯片電連接。

15、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包括基板，所述光中介層安裝在該基板上。

16、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包括印刷電路板和多個(gè)垂直供電裝置。其中，所述印刷電路板具有第一表面和相對(duì)的第二表面，在所述第一表面上安裝所述基板，在所述第二表面上安裝所述多個(gè)垂直供電裝置。其中，所述多個(gè)垂直供電裝置分別位于所述第二表面上與所述模擬電芯片或數(shù)字電芯片垂直對(duì)應(yīng)的位置，并且所述垂直供電裝置經(jīng)由所述印刷電路板的金屬走線、位于所述光中介層和光子集成電路芯片中孔中導(dǎo)電結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的模擬電芯片或數(shù)字電芯片電連接。

17、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包括垂直冷卻裝置，所述垂直冷卻裝置設(shè)置在所述多個(gè)模擬電芯片和多個(gè)數(shù)字電芯片的上方。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述垂直冷卻裝置包括與所述模擬電芯片和所述數(shù)字電芯片的表面接觸的液體冷卻板，所述液體冷卻板具有多個(gè)垂直于所述模擬電芯片和所述數(shù)字電芯片的表面的冷卻管道和容納于所述冷卻管道中的冷卻液。

18、另一方面，本發(fā)明實(shí)施方式提供了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制造方法，其包括：

19、提供光子晶圓，在所述光子晶圓上設(shè)置有多個(gè)光子集成電路芯片，每一個(gè)光子集成電路芯片具有第一波導(dǎo)；

20、提供光中介層，并將所述光子晶圓設(shè)置在該光中介層上，所述光中介層具有第二波導(dǎo)；

21、提供多個(gè)模擬電芯片，其中，每一個(gè)光子集成電路芯片連接至少一個(gè)所述模擬電芯片，以使所述多個(gè)模擬電芯片之間能夠通過(guò)所述光子集成電路芯片和/或所述光中介層實(shí)現(xiàn)光通信；

22、提供多個(gè)數(shù)字電芯片，每一個(gè)數(shù)字電芯片與相應(yīng)的所述模擬電芯片電連接，以使所述多個(gè)數(shù)字電芯片之間能夠經(jīng)由所述模擬電芯片通過(guò)所述光子集成電路芯片和/或所述光中介層進(jìn)行通信；

23、其中，在所述光中介層上，位于第一方向上的多個(gè)光子集成電路芯片通過(guò)所述第一波導(dǎo)光學(xué)連接，位于第二方向上的多個(gè)光子集成電路芯片通過(guò)所述第二波導(dǎo)光學(xué)連接，所述第一方向與所述第二方向不相同。

24、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述光子集成電路芯片采用全光罩掩模版進(jìn)行曝光制成。

25、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述光子集成電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，相鄰的兩個(gè)光子集成電路芯片的第一波導(dǎo)通過(guò)拼接耦合器對(duì)準(zhǔn)。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述光子集成電路芯片上的拼接耦合器的拼接耦合端形成朝向其邊緣逐漸變大的結(jié)構(gòu)。

26、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述光中介層包括多個(gè)光中介層模塊，其中，所述光中介層模塊采用全光罩掩模版進(jìn)行曝光制成。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述光中介層模塊上形成有朝向第二方向的拼接耦合器。在所述第二方向上，相鄰的兩個(gè)光中介層模塊的第二波導(dǎo)通過(guò)拼接耦合器對(duì)準(zhǔn)。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述光中介層模塊上的拼接耦合器的拼接耦合端形成朝向其邊緣逐漸變大的結(jié)構(gòu)。

27、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，每一個(gè)光子集成電路芯片上設(shè)置有與相應(yīng)的模擬電芯片通信的通信節(jié)點(diǎn)，所述通信節(jié)點(diǎn)包括電光轉(zhuǎn)換模塊和光電轉(zhuǎn)換模塊。

28、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，每一個(gè)光子集成電路芯片上形成有用于光通信的第三波導(dǎo)，所述第三波導(dǎo)將所述電光轉(zhuǎn)換模塊和光電轉(zhuǎn)換模塊與所述第一波導(dǎo)、第二波導(dǎo)光學(xué)連接。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述第三波導(dǎo)與所述第一波導(dǎo)、第二波導(dǎo)分別通過(guò)倏逝波耦合器光學(xué)連接。

29、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，每一個(gè)光子集成電路芯片上設(shè)置兩個(gè)所述模擬電芯片和一個(gè)所述數(shù)字電芯片，所述數(shù)字電芯片與該兩個(gè)模擬電芯片電連接。

30、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述制造方法還包括提供基板，將所述光中介層安裝在該基板上。

31、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述制造方法還包括提供印刷電路板和多個(gè)垂直供電裝置。其中，所述印刷電路板具有第一表面和相對(duì)的第二表面，在所述第一表面上安裝所述基板，在所述第二表面上安裝所述多個(gè)垂直供電裝置。其中，所述多個(gè)垂直供電裝置分別位于所述第二表面上與所述模擬電芯片或數(shù)字電芯片垂直對(duì)應(yīng)的位置，并且所述垂直供電裝置經(jīng)由所述印刷電路板的金屬走線、位于所述光中介層和光子集成電路芯片中孔中導(dǎo)電結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的模擬電芯片或數(shù)字電芯片電連接。

32、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述制造方法還包括提供垂直冷卻裝置，將所述垂直冷卻裝置設(shè)置在所述多個(gè)模擬電芯片和多個(gè)數(shù)字電芯片的上方。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述垂直冷卻裝置包括與所述模擬電芯片和所述數(shù)字電芯片的表面接觸的液體冷卻板，所述液體冷卻板具有多個(gè)垂直于所述模擬電芯片和所述數(shù)字電芯片的表面的冷卻管道和容納于所述冷卻管道中的冷卻液。

33、根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施方式，通過(guò)包括多個(gè)光子集成電路芯片的光子晶圓和光中介層作為中介連接電芯片，可以解決數(shù)字電芯片間互連的功耗和帶寬密度瓶頸。當(dāng)將本發(fā)明封裝結(jié)構(gòu)應(yīng)用于人工智能芯片，可以實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)能效比。本發(fā)明實(shí)施方式將模擬電芯片和數(shù)字電芯片分開(kāi)設(shè)置在兩塊不同的電芯片上，不僅可以在不同工藝制程優(yōu)化各自電芯片性能，也解決了模擬電芯片產(chǎn)品迭代周期慢的問(wèn)題，而且還能更進(jìn)一步提高整體系統(tǒng)的良率。

34、在本發(fā)明的實(shí)施方式中，通過(guò)包括多個(gè)光子集成電路芯片的光子晶圓和光中介層作為中介連接電芯片，分別在光子集成電路芯片和光中介層上設(shè)置第一方向和第二方向的互連波導(dǎo)，大大減小了在同一層上的波導(dǎo)交叉節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而減小了由于同層波導(dǎo)交叉導(dǎo)致的光功率的損耗。同時(shí)，因?yàn)榉謩e在光子集成電路芯片和光中介層上設(shè)置第一方向和第二方向的互連波導(dǎo)，使得光子集成電路芯片上的第一波導(dǎo)和在光中介層中的第二波導(dǎo)能夠分別形成，大大簡(jiǎn)化了掩模板的使用數(shù)量，使得超大規(guī)模方向全連接的光電計(jì)算系統(tǒng)的制備得以實(shí)現(xiàn)。

35、在本發(fā)明的實(shí)施方式中，多個(gè)模擬電芯片和多個(gè)數(shù)字電芯片通過(guò)包括多個(gè)全光罩尺寸的光子集成電路芯片的光子晶圓互連，在提高系統(tǒng)能效比的同時(shí)突破了芯片光罩尺寸的限制，有效增加了數(shù)字電芯片的總體面積，提升了采用本發(fā)明封裝結(jié)構(gòu)的光電計(jì)算系統(tǒng)的總計(jì)算通量。

36、本發(fā)明實(shí)施方式利用一系列相同的模擬電芯片，數(shù)字電芯片在光子集成電路芯片和光中介層上可以實(shí)現(xiàn)橫向和縱向上的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)全連接，可以讓一系列數(shù)字電芯片同時(shí)對(duì)信息進(jìn)行并行處理，并且芯片間具有緊密地信息互連，能夠更好地滿足人工智能算法對(duì)計(jì)算能力和帶寬的要求。與現(xiàn)有的人工智能計(jì)算系統(tǒng)相比，采用本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的光電計(jì)算系統(tǒng)能夠集成更多的計(jì)算單元和存儲(chǔ)單元，而且利用光互連能保證它們之間有機(jī)的信息互連，從而提供更高的系統(tǒng)能效比。

37、總而言之，與電互連相比，光互連具有帶寬大、延遲低、功耗低、集成密度高、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。此外，光互連對(duì)距離不敏感，可以在更遠(yuǎn)的距離上傳輸更多的數(shù)據(jù)，使計(jì)算機(jī)架構(gòu)的設(shè)計(jì)更加靈活。

38、本發(fā)明實(shí)施方式的各個(gè)方面、特征、優(yōu)點(diǎn)等將在下文結(jié)合附圖進(jìn)行具體描述。根據(jù)以下結(jié)合附圖的具體描述，本發(fā)明的上述方面、特征、優(yōu)點(diǎn)等將會(huì)變得更加清楚。