[发明专利]CMOS电子器件与光子器件的垂直集成

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年1月18日提交的题为“Vertical Integration of CMOS Electronics with Photonic Devices”的美国临时专利申请第61/588080号的优先权，将其全部公开内容通过引用并入本文用于所有目的。

背景技术

通常在硅集成电路上部署先进的电子功能例如光子器件偏置控制、调制、放大、数据序列化或反序列化、成帧、路由及其他功能。其关键原因是存在用于硅集成电路的设计和制造的全球基础设施，该全球基础设施能够以市场可接受的成本制造具有非常先进的功能和性能的器件。硅由于其间接能带隙而尚未用于光发射或光放大。该缺点妨碍了在硅上制造单片集成的光电子集成电路。

化合物半导体例如磷化铟、砷化镓以及相关的三元和四元材料由于其直接能带隙而对光通信、特别是发光器件和光电二极管极为重要。同时，由于在这些材料中制造器件和电路的成本高得多，所以在这些材料上集成先进的电功能限于小生境(niche)、高性能应用。

因而，本领域中存在改进涉及复合集成硅器件和化合物半导体器件的方法和系统的需要。

发明内容

本发明的实施方案涉及用于半导体晶片(也称为衬底)的模板辅助接合的方法和系统。更具体地，本发明的实施方案涉及用于将光子器件在晶片尺度上接合到包括CMOS器件的SOI晶片的方法和设备。本发明的实施方案与该实施例相比具有更广的适用性并且还包括在硅上异质生长半导体材料或集成用于高速器件的第III-V族材料的应用。

根据本发明的一个实施方案，提供了能够在硅光子器件中进行晶片尺度上的处理的方法。作为实施例，根据本发明的实施方案，提供了一种制造复合半导体结构的方法。该方法包括：提供包括多个硅基器件的SOI衬底；提供包括多个光子器件或其他器件例如高速晶体管的化合物半导体衬底；以及切割或以另外方式形成化合物半导体衬底以提供多个光子管芯。每个管芯均包括多个光子器件或电子器件中的一个或更多个。该方法还包括：提供可以已经包括多个硅基器件例如CMOS器件的组装衬底；将多个化合物半导体管芯安装在组装衬底的预定部分上；将SOI衬底与组装衬底对齐；将SOI衬底与组装衬底结合以形成复合衬底结构；以及从复合衬底结构去除组装衬底的至少一部分。

使硅基器件包括在组装晶片内提供了若干个优点。例如，在SOI衬底上制造与使用组装晶片集成的化合物半导体兼容的硅基器件所需的处理可以不与集成工艺所需的其他硅基器件例如CMOS器件兼容。在组装晶片中包括硅基器件使得能够将需要不兼容处理技术的大范围的硅器件技术进行集成。作为实施例，在具体实施方案中，SOI晶片可以包括要求130纳米CMOS工艺的硅器件，同时组装晶片包括要求65纳米CMOS工艺的硅器件。因为这两个工艺通常不能在相同晶片上执行，所以模板辅助接合使得以65纳米工艺制造的更小、更快的器件能够与除化合物半导体器件之外的较大的130纳米器件集成。

根据本发明的另一实施方案，提供了一种在硅基衬底上生长化合物半导体结构的方法。该方法包括：提供具有接合表面的SOI基底晶片；提供籽晶晶片；以及切割籽晶晶片以提供多个籽晶管芯。该方法还包括：提供模板晶片；将多个籽晶管芯安装在模板晶片上；以及将模板晶片接合到SOI基底晶片。多个籽晶管芯结合到SOI基底晶片的接合表面。该方法还包括：去除模板晶片的至少一部分；露出多个籽晶管芯的表面的至少一部分；以及在露出的籽晶管芯上生长化合物半导体结构。

根据本发明的一个实施方案，提供了一种制造复合半导体结构的方法。该方法包括：提供包括多个硅基器件的SOI衬底；提供包括多个光子器件的化合物半导体衬底；以及切割化合物半导体衬底以提供多个光子管芯。每个管芯均包括多个光子器件中的一个或更多个。该方法还包括：提供具有基层的组装衬底和包括多个CMOS器件的器件层；将多个光子管芯安装在组装衬底的预定部分上；以及将SOI衬底与组装衬底对齐。该方法还包括将SOI衬底与组装衬底结合以形成复合衬底结构以及从复合衬底结构至少去除组装衬底的基层。