JP2008090075A - 半導体集積回路 - Google Patents

Abstract

【課題】光信号のチップ上の各所でのスキューを大幅に減らす。
【解決手段】本発明の例に関わる半導体集積回路は、チップ基板２０１と、チップ基板２０１の上方に交互にスタックされる複数の光導波層２０３，２０５及び複数の光遮蔽層２０２，２０４，２０６と、複数の光導波層２０３，２０５内に配置され、光信号の進行方向を変えるための複数の反射板２０９ａ，２０９ｂ，２１１ａ，２１１ｂと、複数の光導波層２０３，２０５を接続する複数の縦穴２１０とを備え、複数の光遮蔽層２０２，２０４，２０６は、光信号を反射し、複数の光導波層２０３，２０５は、光信号を放射状に伝送し、光信号は、複数の縦穴２１０を介して異なる光導波層に移動する。
【選択図】図３

Description

本発明は、光導波層を有する半導体集積回路に関する。

近年の半導体集積回路は、多機能を実現するために、チップに搭載される回路規模が一段と大きくなる傾向にあり、その結果、チップ面積が増大の一途をたどっている。それに伴い、例えば、チップ上の各所で、クロックの到達時間、即ち、位相を揃えることが難しくなっている。

そこで、クロックやデータなどの信号を光で伝送するというアイデアが出され、検討が進められている。

光により信号を伝送する技術の一つに、ライン状の光導波路を用いるものがある。しかし、この場合、光導波路の幅を光の波長より小さくできないため、素子の微細化に合わせて光導波路を微細に形成することが難しいという問題がある。

また、光により信号を伝送する技術の他の一つに、光導波面を用いて信号を伝送するというものがある（例えば、特許文献１参照）。

光導波面を用いれば、光導波路で生じる問題を解決できるが、光の速度は無限ではないため、光源からチップ上の各所までの距離が異なれば、電気信号の場合と同様に、チップ上の各所での信号の到達時間を一致させることが難しくなる。

また、光により信号を伝送しても、その信号を受ける素子は、電気により動作するため、光電変換素子、さらには、光から電気に変換された信号を素子に導くローカル導電線が必要となる。これらのために、チップレイアウトが複雑化し、チップ面積が増大する。

従って、光導波面により信号を伝送する技術をさらに実現に近づけるためには、その信号のチップ上の各所でのタイミングスキューを大幅に減らすための新たな技術開発が不可欠である。
特開２００１−２３７４１１号公報

本発明の例では、光導波面を用いて伝送された信号のチップ上の各所でのスキューを大幅に減らす技術について提案する。

本発明の例に関わる半導体集積回路は、チップ基板と、チップ基板の上方に交互にスタックされる複数の光導波層及び複数の光遮蔽層と、複数の光導波層内に配置され、光信号の進行方向を変えるための複数の反射板と、複数の光導波層を接続する複数の縦穴とを備え、複数の光遮蔽層は、光信号を反射し、複数の光導波層は、光信号を放射状に伝送し、光信号は、複数の縦穴を介して異なる光導波層に移動する。

本発明の例によれば、光導波面を用いて伝送された信号のチップ上の各所でのスキューを大幅に減らすことができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の例を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

１． 概要
本発明の例では、まず、複数の光導波面（光導波層）をスタックし、各光導波面は、縦穴で接続し、光は、縦穴を介してのみ異なる光導波面に移動できる、という構成を採用する。これにより、三次元低スキューツリー構造を作り、チップ上の各所での信号のタイミングスキューを大幅に減らす。

また、本発明の例では、光信号により電気信号経路のオン／オフを直接制御できるスイッチ素子を用いて、フリップフロップなどのロジック回路を構成する。これにより、光電変換素子、さらには、ローカル導電線を不要にし、チップレイアウトの簡略化とチップ面積の縮小を図る。

２． 実施の形態
最良と思われるいくつかの実施の形態について説明する。

(1) 第１実施の形態
A. 参考例
まず、光導波面（光導波層）用いて信号を伝送する半導体集積回路の例について説明する。

図１は、光クロック半導体集積回路を示している。図２は、図１の半導体集積回路を光源側から見た平面図である。

チップ基板１０１の最上層としてのメタル層上には、光を遮断する機能を有する光遮蔽層１０２が配置される。光遮蔽層１０２上には、光クロックを面内で放射状に伝える光導波層１０３が配置される。光導波層１０３上には、さらに、光を遮断する機能を有する光遮蔽層１０４が配置される。

光遮蔽層１０４のほぼ中央には、光射入孔１０６が開けられている。光射入孔１０６の上方には、光源１０５が配置される。光源１０５は、明滅することでクロックの“Ｈ”／“Ｌ”を表現する。

光射入孔１０６から入射された光クロックは、進行方向を直角に曲げられ、そこからチップ基板１０１の縁に向かって光導波層１０３内を放射状に進んでいく。

光遮蔽層１０２には、多数の光射出孔１０７が開けられ、その真下には、光電変換素子（光→電気）・ローカルクロックドライバー１０８が配置される。光クロックは、そこで光電変換され、電気信号としてのクロックになる。

電気信号としてのクロックは、例えば、金属層から構成されるローカルクロック線１０９を経由して、フリップフロップなどのロジック回路に伝送される。

ローカルクロック線１０９は、チップ上の各所におけるクロックスキューを少なくするために、例えば、Ｈツリー構造を有する。

このような半導体集積回路の特徴は、光クロックを、光導波層（光導波面）１０３を用いて伝送する点にある。

しかし、光の速度は、超高速とはいえ、有限であるため、光射入孔１０７に近い光射出孔１０７には、光射入孔１０７から遠い光射出孔１０７よりも先に光クロックが到達する。

従って、光射出孔１０７直下の光電変換素子・ローカルクロックドライバー１０８から延びるローカルクロック線１０９をＨツリー構造にしたとしても、光電変換素子・ローカルクロックドライバー１０８に光クロックが到達した時点で、既にスキューが発生しているため、チップ上の各所でのクロックスキューを解消することはできない。

また、光導波層（光導波面）１０３を用いず、Ｈツリー構造の光導波路を形成することもできるが、この場合、光導波路の幅を光の波長よりも小さくできないため、素子の微細化に対応することができない。

B. 基本構造
第１実施の形態では、複数の光導波面（光導波層）をスタックし、各光導波面は、縦穴で接続し、光は、縦穴を介してのみ異なる光導波面に移動できる、という三次元低スキューツリー構造を提案する。

ここで、低スキューツリー構造とは、従来のＨツリー構造に対応し、スキューを発生させないための信号経路を意味する。この言葉を採用したのは、第１実施の形態では、光は、光導波面を放射状に伝送するため、信号経路としては、Ｈツリー構造にならないからである。

図３は、第１実施の形態の半導体集積回路を示している。図４は、図３の半導体集積回路を光源側から見た平面図である。

チップ基板２０１の最上層としてのメタル層上には、光を遮断する機能を有する光遮蔽層２０２が配置される。

光遮蔽層２０２上には、光クロックを面内で放射状に伝える第１光導波層２０３が配置される。第１光導波層２０３内には、光クロックを反射する反射板２１１ａ，２１１ｂが配置される。第１光導波層２０３上には、さらに、光を遮断する機能を有する光遮蔽層２０４が配置される。

光遮蔽層２０４上には、光クロックを面内で放射状に伝える第２光導波層２０５が配置される。第２光導波層２０５内には、光クロックを反射する反射板２０９ａ，２０９ｂが配置される。第２光導波層２０５上には、さらに、光を遮断する機能を有する光遮蔽層２０６が配置される。

光遮蔽層２０２，２０４，２０６は、第１及び第２光導波層２０３，２０５を構成する材料よりも低い屈折率を有する材料、光クロックを反射する金属などの材料、又は、反射板２０９ａ，２０９ｂ，２１１ａ，２１１ｂと同じ材料から構成される。

光遮蔽層２０６のほぼ中央には、光射入孔２０８が開けられている。光射入孔２０８の上方には、光源２０７が配置される。光源２０７は、明滅することでクロックの“Ｈ”／“Ｌ”を表現する。

光射入孔２０８から第２光導波層２０５内に入射された光クロックは、反射板２０９ａにより、進行方向を直角に曲げられ、そこからチップ基板２０１の縁に向かって第２光導波層２０５内を放射状に進んでいく。

光遮蔽層２０４には、光射入孔２０８から一定距離に、複数の光射出孔２１０が開けられている。光射出孔２１０の上部には、反射板２０９ｂが配置される。

第２光導波層２０５の内部を伝送してきた光は、反射板２０９ｂにより、進行方向を直角に曲げられ、第２光導波層２０５内から光射出孔２１０を経由して第１光導波層２０３内に移動する。

光射出孔２１０から第１光導波層２０３内に入射された光クロックは、反射板２１１ａにより、進行方向を直角に曲げられ、そこから第１光導波層２０３内を放射状に進んでいく。

光遮蔽層２０２には、光射出孔２１０から一定距離に、複数の光射出孔２１２が開けられている。光射出孔２１２の上部には、反射板２１１ｂが配置される。

第１光導波層２０３の内部を伝送してきた光は、反射板２１１ｂにより、進行方向を直角に曲げられ、第１光導波層２０３内から光射出孔２１２を経由して、その直下の光電変換素子（光→電気）・ローカルクロックドライバー２１３に入力される。光クロックは、そこで光電変換され、電気信号としてのクロックになる。

電気信号としてのクロックは、例えば、金属層から構成されるローカルクロック線２１４を経由して、フリップフロップなどのロジック回路に伝送される。

第１実施の形態の半導体集積回路によれば、第１及び第２光導波層（光導波面）２０３，２０５及びこれを繋ぐ光射出孔２１０，２１２により、光クロックの伝送路としての三次元低スキューツリー構造が実現される。

従って、光源２０７から光電変換素子・ローカルクロックドライバー２１３までの光信号経路が全て等しくなるため、光導波面を用いても、クロックスキューが発生することはない。

また、光電変換素子・ローカルクロックドライバー２１３から延びるローカルクロック線２１４をＨツリー構造にすれば、チップ上の各所におけるクロックスキューを大幅に減らすことができる。

第１実施の形態では、光導波層（光導波面）の数を２つとしているが、三次元低スキューツリー構造によれば、光導波層の数が増えるに従い、チップ上の各所におけるクロックスキューの低減効果も向上する。つまり、光導波層の数は、２つに限られず、３つ以上であってもよい。

また、反射板は、鏡のような光を反射する金属材料を想定しているが、光の進行方向を、屈折、反射などの方法により、直角に曲げられるものであれば、何でも構わない。

第１実施の形態では、光導波層（光導波面）を用いてクロックを伝送したが、本発明の例は、クロック以外の信号（データなど）にも適用可能である。

C. 第１変形例
図５は、第１変形例の半導体集積回路を示している。図６は、図５の半導体集積回路の平面図である。

第１変形例も、基本構造と同様に、第１及び第２光導波層（光導波面）２０３，２０５及びこれを繋ぐ光射出孔２１０，２１２により、光クロックの伝送路としての三次元低スキューツリー構造が実現される。

第１変形例が基本構造と異なる点は、光源の位置にある。第１変形例では、チップ基板２０１上に光源としての光電変換素子（電気→光）２１５が配置される。また、チップ基板２０１上には、クロックを発生するＰＬＬ回路２１６（図６）が配置される。

ＰＬＬ回路２１６で生成された電気信号としてのクロックは、光電変換素子２１５により、光クロックに光電変換される。光電変換素子２１５は、電気信号としてのクロックに基づき、明滅することで、クロックの“Ｈ”／“Ｌ”を表現する。

光電変換素子２１５からチップ基板２０１の上方に向かって放出された光クロックは、反射板２０９ａにより、進行方向を直角に曲げられ、そこからさらにチップ基板２０１の縁に向かって第２光導波層２０５内を放射状に進んでいく。

光遮蔽層２０４には、光射入孔２０８から一定距離に、複数の光射出孔２１０が開けられている。光射出孔２１０の上部には、反射板２０９ｂが配置される。

第２光導波層２０５の内部を伝送してきた光は、反射板２０９ｂにより、進行方向を直角に曲げられ、第２光導波層２０５内から光射出孔２１０を経由して第１光導波層２０３内に移動する。

光射出孔２１０から第１光導波層２０３内に入射された光クロックは、反射板２１１ａにより、進行方向を直角に曲げられ、そこから第１光導波層２０３内を放射状に進んでいく。

光遮蔽層２０２には、光射出孔２１０から一定距離に、複数の光射出孔２１２が開けられている。光射出孔２１２の上部には、反射板２１１ｂが配置される。

第１光導波層２０３の内部を伝送してきた光は、反射板２１１ｂにより、進行方向を直角に曲げられ、第１光導波層２０３内から光射出孔２１２を経由して、その直下の光電変換素子（光→電気）・ローカルクロックドライバー２１３に入力される。光クロックは、そこで光電変換され、電気信号としてのクロックになる。

電気信号としてのクロックは、例えば、金属層から構成されるローカルクロック線２１４を経由して、フリップフロップなどのロジック回路に伝送される。

第１変形例の半導体集積回路においても、基本構造で説明した第１実施の形態の効果を得ることができる。

D. 第２変形例
図７は、第２変形例の半導体集積回路を示している。図８は、図７の半導体集積回路の平面図である。

第２変形例も、基本構造と同様に、第１及び第２光導波層（光導波面）２０３，２０５及びこれを繋ぐ光射出孔２１０，２１２により、光クロックの伝送路としての三次元低スキューツリー構造が実現される。

第２変形例が基本構造と異なる点は、光源の位置にある。第２変形例では、チップ基板２０１が搭載されるプリント回路基板２１９上に光源２２０が配置される。

光源２２０は、基本構造のような光源であってもよいし、第１変形例のような光電変換素子（電気→光）であってもよい。

光源２２０が第１変形例のような光電変換素子である場合には、光電変換素子の他に、電気信号としてのクロックを発生するＰＬＬ回路をプリント回路基板２１９上に搭載する。

この場合、光電変換素子とＰＬＬ回路を１チップ内に形成し、これをプリント回路基板２１９に搭載するのが好ましい。

光源２２０は、明滅によりクロックの“Ｈ”／“Ｌ”を表現する。

チップ基板２０１の裏面には、チップ基板２０１をプリント回路基板２１９に搭載するための複数のバンプ（半田ボール）２１８が配置される。また、チップ基板２０１のほぼ中央には、光射入孔２１７が開けられている。

光源２２０から光射入孔２１７を介してチップ基板２０１の上方に向かって放出された光クロックは、反射板２０９ａにより、進行方向を直角に曲げられ、そこからさらにチップ基板２０１の縁に向かって第２光導波層２０５内を放射状に進んでいく。

光遮蔽層２０４には、光射入孔２０８から一定距離に、複数の光射出孔２１０が開けられている。光射出孔２１０の上部には、反射板２０９ｂが配置される。

第２光導波層２０５の内部を伝送してきた光は、反射板２０９ｂにより、進行方向を直角に曲げられ、第２光導波層２０５内から光射出孔２１０を経由して第１光導波層２０３内に移動する。

光射出孔２１０から第１光導波層２０３内に入射された光クロックは、反射板２１１ａにより、進行方向を直角に曲げられ、そこから第１光導波層２０３内を放射状に進んでいく。

光遮蔽層２０２には、光射出孔２１０から一定距離に、複数の光射出孔２１２が開けられている。光射出孔２１２の上部には、反射板２１１ｂが配置される。

第１光導波層２０３の内部を伝送してきた光は、反射板２１１ｂにより、進行方向を直角に曲げられ、第１光導波層２０３内から光射出孔２１２を経由して、その直下の光電変換素子（光→電気）・ローカルクロックドライバー２１３に入力される。光クロックは、そこで光電変換され、電気信号としてのクロックになる。

電気信号としてのクロックは、例えば、金属層から構成されるローカルクロック線２１４を経由して、フリップフロップなどのロジック回路に伝送される。

第２変形例の半導体集積回路においても、基本構造で説明した第１実施の形態の効果を得ることができる。

E. まとめ
第１実施の形態によれば、複数の光導波面を用いた三次元低スキューツリー構造により、信号のチップ上の各所でのタイミングスキューを大幅に減らすことができる。従って、同一プロセスで作成されるならば、従来品に比べて、より高い周波数で半導体集積回路を動作させることができる。

(2) 第２実施の形態
A. 参考例
図９は、光クロック半導体集積回路を示している。図１０は、図９の半導体集積回路を光源側から見た平面図である。

この半導体集積回路は、図１及び図２の参考例と比べると、Ｈツリー構造のローカルクロック線１０９の先端にフリップフロップ１１０が接続されている点が異なる。

光導波層（光導波面）１０３を伝送してきた光クロックは、光射出孔１０７を介して、光電変換素子・ローカルクロックドライバー１０８に入力される。

光電変換素子・ローカルクロックドライバー１０８は、光クロックを電気クロックに変換し、かつ、波形整形及び駆動力増強を行った後に、ローカルクロック線１０９を介して、その電気クロックをフリップフロップ１１０に供給する。

図１１は、図９の光クロック半導体集積回路の回路図を示している。

ここで分かることは、この半導体集積回路は、光電変換素子１０８ａ及びローカルクロックドライバー１０８ｂを除き、電気クロックのみを用いた半導体集積回路と同じであるということである。

つまり、ローカルクロック線１０９によるＨツリー構造とフリップフロップ１１０については、光クロック半導体集積回路と電気クロックのみを用いた半導体集積回路とで何ら変わるところはない。

図１２は、図１１のフリップフロップの回路図を示している。

フリップフロップ１１０は、ＣＭＯＳインバータとＣＭＯＳトランスファーゲートとから構成される。クロックＣＫは、フリップフロップ１１０のクロック端子に入力される。そして、クロックＣＫから、さらに、２つのクロックＣＫＢ，ＣＫＤが生成される。

クロックＣＫＢは、クロックＣＫに対して位相が逆(inverted)のクロックであり、クロックＣＫＤは、クロックＣＫの位相が複写(duplicate)されたクロックである。

そして、クロックＣＫが“Ｌ”のとき、Ｄ入力端子からフリップフロップ１１０内にデータが取り込まれ、クロックＣＫが“Ｌ”から“Ｈ”になる瞬間のＤ入力端子の値をフリップフロップ１１０内で保持し、その値をＱ出力端子から出力する。

Ｑ出力端子の値は、この後、クロックＣＫが、再び、“Ｌ”から“Ｈ”に変化するまで保持される。

このような半導体集積回路では、光クロックを電気クロックに変換した後に、その電気クロックをローカルクロック線１０９によりフリップフロップ１１０に伝送しなければならない。

このため、光電変換素子１０８ａの直前において光クロックの位相が揃っていたとしても、例えば、光電変換素子の特性のばらつきなどに起因して、フリップフロップ１１０に入力される電気クロックの位相がずれることがある。

また、光クロックを用いても、最終的には、それを電気クロックに変換してからフリップフロップ１１０に供給しなければならないため、光電変換素子１０８ａ、ローカルクロックドライバー１０８ｂ及びローカルクロック線１０９により、チップレイアウトの複雑化、さらには、チップ面積及び消費電力が増大する。

B. 基本構造
第２実施の形態では、光信号により電気信号経路のオン／オフを直接制御できるスイッチ素子を用いて、フリップフロップなどのロジック回路を実現する技術を提案する。

図１３は、第２実施の形態の半導体集積回路を示している。図１４は、図１３の半導体集積回路を光源側から見た平面図である。

チップ基板３０１上の表面領域には、光信号により電気信号経路のオン／オフを直接制御できるスイッチ素子３０２，３０３が配置される。

例えば、光強度を、強と弱の２種類用意した場合に、スイッチ素子３０２は、光強度＝強でオン、光強度＝弱でオフとなる素子であり、スイッチ素子３０３は、光強度＝弱でオン、光強度＝強でオフとなる素子である。

スイッチ素子３０２，３０３により、例えば、フリップフロップ３１２が構成される。

スイッチ素子３０２，３０３の構造については、特に、制限されることはなく、光信号により電気信号経路のオン／オフを制御できれば、どのような構造を有していてもよい。

チップ基板３０１上には、メタル配線領域３０４が配置される。メタル配線領域３０４は、スタックされた複数のメタル層から構成される。メタル配線領域３０４上には、光を遮蔽する機能を有する光遮蔽層３０５が配置される。

光遮蔽層３０５上には、光クロックを面内で放射状に伝える光導波層（光導波面）３０６が配置される。光導波層３０６内には、光クロックを反射する反射板３１３が配置される。反射板３１３は、鏡のような光を反射する金属材料、その他、屈折、反射などの方法により、光の進行方向を直角に曲げられるものであれば、何でもよい。

光導波層３０６上には、さらに、光を遮蔽する機能を有する光遮蔽層３０７が配置される。

スイッチ素子３０２，３０３と光導波層３０６との間には、光射出孔３０８が配置される。光射出孔３０８内には、光導波層３０６と同じ材料が満たされ、かつ、その周囲は、光遮蔽層３０９により取り囲まれる。

光遮蔽層３０５，３０７，３０９は、光導波層３０６を構成する材料よりも低い屈折率を有する材料、光クロックを反射する金属などの材料、又は、反射板３１３と同じ材料から構成される。

光遮蔽層３０７のほぼ中央には、光射入孔３１０が開けられている。光射入孔３１０の上方には、光源３１１が配置される。光源３１１は、明滅することでクロックの“Ｈ”／“Ｌ”を表現する。

光射入孔３１０から光導波層３０６内に入射された光クロックは、反射板３１３により、進行方向を直角に曲げられ、そこからチップ基板３０１の縁に向かって光導波層３０６内を放射状に進んでいく。

光クロックは、光遮蔽層３０５に設けられた光射出孔３０８を介してスイッチ素子３０２，３０３に供給される。

スイッチ素子３０２，３０３は、光クロックの光強度（強／弱）に基づいて、直接、オン／オフとなるため、光クロックにより、フリップフロップ３１２の動作が直接制御される。

第２実施の形態の半導体集積回路によれば、例えば、図１５に示すように、光クロックを、直接、フリップフロップ３１２に与えて、その動作を制御することができる。つまり、光クロックを電気クロックに変換する必要がないため、光電変換素子、ローカルクロックドライバー、Ｈツリー構造のローカルクロック線などが不要である。

従って、光クロックの超高速という特長を十分に発揮させ、チップ上の各所でのクロックスキューを大幅に減らすことができる。

また、光電変換素子、ローカルクロックドライバー、ローカルクロック線などが不要であるため、チップレイアウトの簡単化、さらには、チップ面積の縮小及び消費電力の低減を実現できる。

図１６は、フリップフロップの回路図を示している。

フリップフロップ３１２は、ＣＭＯＳインバータと光スイッチ素子とから構成される。このようなフリップフロップを光ゲーテッドフリップフロップと称する。

光クロックＣＫは、フリップフロップ３１２のクロック端子に直接入力される。

光クロックＣＫの光強度（光クロック強度）が“弱”のとき、Ｄ入力端子からフリップフロップ３１２内にデータが取り込まれ、光クロックＣＫの光強度が“弱”から“強”になる瞬間のＤ入力端子の値をフリップフロップ３１２内で保持し、その値をＱ出力端子から出力する。

Ｑ出力端子の値は、この後、光クロックＣＫが、再び、“弱”から“強”に変化するまで保持される。

このように、光クロックにより直接制御されるスイッチ素子３０２，３０３を用いると、図１２と図１６とを比較すれば明らかなように、素子数が著しく減るという付随的効果が得られる。

即ち、図１６のフリップフロップによれば、２種類のクロックとトランスファーゲートが不要となる。

尚、第２実施の形態では、光導波層（光導波面）の数が１つであるが、第１実施の形態のように、複数の光導波層を利用することもできる。

即ち、第２実施の形態において、複数の光導波層をスタックして、三次元低スキューツリー構造を完成させれば、チップ上の各所におけるクロックスキューの低減効果がさらに向上する。

第２実施の形態では、光導波層（光導波面）を用いてクロックを伝送しているが、本発明の例は、クロック以外の信号（データなど）にも適用可能である。

C. 第１変形例
図１７は、第１変形例の半導体集積回路を示している。図１８は、図１７の半導体集積回路の平面図である。

第１変形例が基本構造と異なる点は、光源の位置にある。第１変形例では、チップ基板３０１上に光源としての光電変換素子（電気→光）３１４が配置される。また、チップ基板３０１上には、クロックを発生するＰＬＬ回路３１５（図１８）が配置される。

ＰＬＬ回路３１５で生成された電気クロックは、光電変換素子３１４により、光クロックに変換される。光クロックは、反射板３１３により、進行方向を直角に曲げられ、そこからさらにチップ基板３０１の縁に向かって光導波層３０６内を放射状に進んでいく。

光クロックは、光射出孔３０８を経由して、その直下のスイッチ素子３０２，３０３に供給される。スイッチ素子３０２，３０３は、フリップフロップなどのロジック回路を構成しており、そのオン／オフは、光クロックにより直接制御される。

第１変形例の半導体集積回路においても、基本構造で説明した第２実施の形態の効果を得ることができる。

D. 第２変形例
図１９は、第２変形例の半導体集積回路を示している。図２０は、図１９の半導体集積回路の平面図である。

第２変形例が基本構造と異なる点も、光源の位置にある。第２変形例では、チップ基板３０１が搭載されるプリント回路基板３１８上に光源３１９が配置される。

光源３１９は、基本構造のような光源であってもよいし、第１変形例のような光電変換素子（電気→光）であってもよい。

光源３１９が第１変形例のような光電変換素子である場合には、光電変換素子の他に、電気クロックを発生するＰＬＬ回路をプリント回路基板３１８上に搭載する。

この場合、光電変換素子とＰＬＬ回路を１チップ内に形成し、これをプリント回路基板３１８に搭載するのが好ましい。

チップ基板３０１の裏面には、チップ基板３０１をプリント回路基板３１８に搭載するための複数のバンプ（半田ボール）３１７が配置される。また、チップ基板３０１のほぼ中央には、光射入孔３１６が開けられている。

光源３１９により生成された光クロックは、反射板３１３により、進行方向を直角に曲げられ、そこからさらにチップ基板３０１の縁に向かって光導波層３０６内を放射状に進んでいく。

光クロックは、光射出孔３０８を経由して、その直下のスイッチ素子３０２，３０３に供給される。スイッチ素子３０２，３０３は、フリップフロップなどのロジック回路を構成しており、そのオン／オフは、光クロックにより直接制御される。

第２変形例の半導体集積回路においても、基本構造で説明した第２実施の形態の効果を得ることができる。

E. 第３変形例
図２１は、第３変形例の半導体集積回路を示している。

第３変形例の特徴は、ＳＯＩ(silicon on insulator)チップ基板４０１を使用した点にある。即ち、ＳＯＩチップ基板４０１の絶縁層４０３を利用して光導波層（光導波面）４０５を形成する。

ＳＯＩチップ基板４０１は、半導体基板４０２と、シリコン層４０７と、これらの間の絶縁層４０３とから構成される。

絶縁層４０２は、光遮蔽層４０４，４０６と、これらの間の光導波層（光導波面）４０５とから構成される。光遮蔽層４０４，４０６は、光を遮蔽する機能を有し、光導波層４０５は、光クロックを面内で放射状に伝える機能を有する。

光導波層４０５内には、光クロックを反射する反射板４１５が配置される。反射板４１５は、鏡のような光を反射する金属材料、その他、屈折、反射などの方法により、光の進行方向を直角に曲げられるものであれば、何でもよい。

シリコン層４０７内には、光信号により電気信号経路のオン／オフを直接制御できるスイッチ素子４０８，４０９が配置される。

例えば、光強度を、強と弱の２種類用意した場合に、スイッチ素子４０８は、光強度＝強でオン、光強度＝弱でオフとなる素子であり、スイッチ素子４０９は、光強度＝弱でオン、光強度＝強でオフとなる素子である。

スイッチ素子４０８，４０９により、例えば、フリップフロップなどのロジック回路が構成される。

スイッチ素子４０８，４０９の構造については、特に、制限されることはなく、光信号により電気信号経路のオン／オフを制御できれば、どのような構造を有していてもよい。

シリコン層４０７上には、メタル配線領域４１１が配置される。メタル配線領域４１１は、スタックされた複数のメタル層から構成される。

光導波層４０５とスイッチ素子４０８，４０９との間には、光射出孔４１０が配置される。光射出孔４１０内には、光導波層４０５と同じ材料が満たされる。

また、半導体基板４０２には、光導波層４０５まで達する光射入孔４１２が開けられている。光射入孔４１２内には、光導波層４０５と同じ材料が満たされ、かつ、その周囲は、光遮蔽層４１３により取り囲まれる。

光遮蔽層４０４，４０６，４１３は、光導波層４０５を構成する材料よりも低い屈折率を有する材料、光クロックを反射する金属などの材料、又は、反射板４１５と同じ材料から構成される。

光射入孔４１２の下方には、光源４１４が配置される。光源４１４は、明滅することでクロックの“Ｈ”／“Ｌ”を表現する。

光射入孔４１２から入射された光クロックは、反射板４１５により、進行方向を直角に曲げられ、そこからＳＯＩチップ基板４０１の縁に向かって光導波層４０５内を放射状に進んでいく。

光クロックは、光遮蔽層４０６に設けられた光射出孔４１０を介してスイッチ素子４０８，４０９に供給される。

スイッチ素子４０８，４０９は、光クロックの光強度（強／弱）に基づいて、直接、オン／オフとなるため、光クロックにより、フリップフロップなどのロジック回路の動作が直接制御される。

第３変形例の半導体集積回路においても、基本構造で説明した第２実施の形態の効果を得ることができる。

F. 第４変形例
図２２は、第４変形例の半導体集積回路を示している。

第４変形例の特徴は、２つの光源を用意し、この２つの光源により、位相が１８０°異なる２種類の光クロックを生成し、さらに、チップ基板の両面に、それぞれ、２種類の光クロックを別々に伝送するための２つの光導波層（光導波面）を設けた点にある。

チップ基板３０１の表面領域には、光信号により電気信号経路のオン／オフを直接制御できるスイッチ素子３０２，３０３が配置される。

スイッチ素子３０２，３０３は、例えば、共に、閾値以上の光強度の光でオンとなり、光無し、又は、閾値未満の光強度の光でオフとなる素子である。スイッチ素子３０２，３０３により、例えば、フリップフロップなどのロジック回路が構成される。

スイッチ素子３０２，３０３の構造については、特に、制限されることはなく、光信号により電気信号経路のオン／オフを制御できれば、どのような構造を有していてもよい。

チップ基板３０１上面上には、メタル配線領域３０４が配置される。メタル配線領域３０４は、スタックされた複数のメタル層から構成される。

メタル配線領域３０４上には、光を遮蔽する機能を有する光遮蔽層３０５が配置される。光遮蔽層３０５上には、光クロックを面内で放射状に伝える機能を有する光導波層（光導波面）３０６が配置される。

光導波層３０６内には、光クロックを反射する反射板３１３が配置される。反射板３１３は、鏡のような光を反射する金属材料、その他、屈折、反射などの方法により、光の進行方向を直角に曲げられるものであれば、何でもよい。

光導波層３０６上には、さらに、光を遮蔽する機能を有する光遮蔽層３０７が配置される。

光導波層３０６とスイッチ素子３０２との間には、光射出孔３０８が配置される。光射出孔３０８内には、光導波層３０６と同じ材料が満たされ、かつ、その周囲は、光遮蔽層３０９により取り囲まれる。

光遮蔽層３０７のほぼ中央には、光射入孔３１０が開けられている。光射入孔３１０の上方には、光源３１１が配置される。光源３１１は、明滅することで光クロックＡを生成する。

チップ基板３０１下面下には、光を遮蔽する機能を有する光遮蔽層３２０が配置される。光遮蔽層３２０下には、光クロックを面内で放射状に伝える機能を有する光導波層（光導波面）３２１が配置される。

光導波層３２１内には、光クロックを反射する反射板３２７が配置される。反射板３２７は、鏡のような光を反射する金属材料、その他、屈折、反射などの方法により、光の進行方向を直角に曲げられるものであれば、何でもよい。

光導波層３２１下には、さらに、光を遮蔽する機能を有する光遮蔽層３２２が配置される。

光導波層３２１とスイッチ素子３０３との間には、光射出孔３２３が配置される。光射出孔３２３内には、光導波層３２１と同じ材料が満たされ、かつ、その周囲は、光遮蔽層３２４により取り囲まれる。

光遮蔽層３２２のほぼ中央には、光射入孔３２５が開けられている。光射入孔３２５の下方には、光源３２６が配置される。光源３２６は、明滅することで光クロックＢを生成する。

光クロックＡ，Ｂは、相補の関係を有し、位相が１８０°ずれている。

光源３１１により生成された光クロックＡは、反射板３１３により、進行方向を直角に曲げられ、そこからチップ基板３０１の縁に向かって光導波層３０６内を放射状に進んでいく。光クロックは、光射出孔３０８を介してスイッチ素子３０２に供給される。

また、光源３２６により生成された光クロックＢは、反射板３２７により、進行方向を直角に曲げられ、そこからチップ基板３０１の縁に向かって光導波層３２１内を放射状に進んでいく。光クロックは、光射出孔３２３を介してスイッチ素子３０３に供給される。

図２３は、フリップフロップの回路図を示している。

光ゲーテッドフリップフロップ３１２は、ＣＭＯＳインバータと光スイッチ素子とから構成される。光クロックＡ，Ｂは、フリップフロップ３１２のクロック端子に直接入力される。

そして、光クロックＢ（ｂＣＫ）の光強度（光クロック強度）が閾値を超える値（＝強）のとき、Ｄ入力端子からフリップフロップ３１２内にデータが取り込まれ、光クロックＡ（ＣＫ）の光強度が閾値を超える値（＝強）になる瞬間のＤ入力端子の値をフリップフロップ３１２内で保持し、その値をＱ出力端子から出力する。

Ｑ出力端子の値は、この後、光クロックＡ（ＣＫ）の光強度が、再び、閾値を超える値（＝強）に変化するまで保持される。

このように、光クロックにより直接制御されるスイッチ素子３０２，３０３を用いると、図１６の場合と同様に、素子数が著しく減るという付随的効果が得られる。

第４変形例の半導体集積回路においても、基本構造で説明した第２実施の形態の効果を得ることができる。

G. 第５変形例
図２４は、第５変形例の半導体集積回路を示している。

第５変形例が基本構造と異なる点は、光導波層（光導波面）３０６内の光クロックをスイッチ素子３０２，３０３に導く構造にある。

基本構造では、光射出孔により、光導波層内の光クロックを光スイッチ素子に導いたが、第５変形例では、光遮蔽層３０５Ｘの厚さを制御し、光が光遮蔽層３０５Ｘを通してその外に漏れ出す現象を利用して、光クロックを光スイッチ素子３０２，３０３に導く。

このような光は、「近接場光（エバネッセント光）」と呼ばれる。

チップ基板３０１には、スイッチ素子３０２，３０３が配置される。チップ基板３０１の一面（本例では、下面）側には、メタル配線領域３０４が配置され、他面（本例では、上面）側には、光遮蔽層３０５Ｘが配置される。

チップ基板３０１の他面は、メタル配線領域３０４が形成されない裏面であり、この裏面を、研削又は研磨し、この後、十分薄い光遮蔽層３０５Ｘを形成する。

光遮蔽層３０５Ｘ上には、光導波層３０６が配置される。光導波層３０６内には、反射板３１３が配置される。また、光導波層３０６上には、さらに、光遮蔽層３０７が配置される。

光遮蔽層３０７のほぼ中央には、光射入孔３１０が開けられている。光射入孔３１０の上方には、光源３１１が配置される。

光源３１１から発生した光クロックは、反射板３１３により、進行方向を直角に曲げられ、そこからさらにチップ基板３０１の縁に向かって光導波層３０６内を放射状に進んでいく。

光クロックは、光導波層３０６内を放射状に進むと共に、光遮蔽層３０５Ｘから漏れ出し、スイッチ素子３０２，３０３に供給される。スイッチ素子３０２，３０３は、フリップフロップなどのロジック回路を構成しており、そのオン／オフは、光クロックにより直接制御される。

第５変形例によれば、光遮蔽層３０５Ｘの厚さを制御し、近接場光を利用することで、わざわざ光射出孔を開けなくても、スイッチ素子に光クロックを直接導くことが可能になる。

従って、デバイス構造及びプロセスが簡略化され、製造コストを低減することができる。

第５変形例の半導体集積回路においても、基本構造で説明した第２実施の形態の効果を得ることができる。

H. 第６変形例
図２５は、第６変形例の半導体集積回路を示している。

第６変形例が基本構造と異なる点は、第一に、ＳＯＩチップを使用した点、第二に、近接場光を利用した点にある。即ち、第６変形例は、第３変形例と第５変形例との組み合わせということができる。

ＳＯＩチップ基板４０１は、半導体基板４０２と、シリコン層４０７と、これらの間の絶縁層４０３とから構成される。

絶縁層４０２は、光遮蔽層４０４，４０６Ｘと、これらの間の光導波層（光導波面）４０５とから構成される。光遮蔽層４０４は、光をほぼ完全に遮蔽する機能を有するが、光遮蔽層４０６Ｘは、光の一部が漏れ出す程度に十分に薄く形成される。光導波層４０５は、光クロックを面内で放射状に伝える機能を有する。

光導波層４０５内には、光クロックを反射する反射板４１５が配置される。反射板４１５は、鏡のような光を反射する金属材料、その他、屈折、反射などの方法により、光の進行方向を直角に曲げられるものであれば、何でもよい。

シリコン層４０７内には、光信号により電気信号経路のオン／オフを直接制御できるスイッチ素子４０８，４０９が配置される。

例えば、光強度を、強と弱の２種類用意した場合に、スイッチ素子４０８は、光強度＝強でオン、光強度＝弱でオフとなる素子であり、スイッチ素子４０９は、光強度＝弱でオン、光強度＝強でオフとなる素子である。

スイッチ素子４０８，４０９により、例えば、フリップフロップなどのロジック回路が構成される。

スイッチ素子４０８，４０９の構造については、特に、制限されることはなく、光信号により電気信号経路のオン／オフを制御できれば、どのような構造を有していてもよい。

シリコン層４０７上には、メタル配線領域４１１が配置される。メタル配線領域４１１は、スタックされた複数のメタル層から構成される。

半導体基板４０２には、光導波層４０５まで達する光射入孔４１２が開けられている。光射入孔４１２内には、光導波層４０５と同じ材料が満たされ、かつ、その周囲は、光遮蔽層４１３により取り囲まれる。

光遮蔽層４０４，４０６Ｘ，４１３は、光導波層４０５を構成する材料よりも低い屈折率を有する材料、光クロックを反射する金属などの材料、又は、反射板４１５と同じ材料から構成される。

光射入孔４１２の下方には、光源４１４が配置される。光源４１４は、明滅することでクロックの“Ｈ”／“Ｌ”を表現する。

光射入孔４１２から入射された光クロックは、反射板４１５により、進行方向を直角に曲げられ、そこからＳＯＩチップ基板４０１の縁に向かって光導波層４０５内を放射状に進んでいく。

光クロックは、光導波層４０５内を放射状に進んでいくと共に、光遮蔽層４０６Ｘから漏れ出すため、スイッチ素子４０８，４０９に直接供給されることになる。

スイッチ素子４０８，４０９は、光クロックの光強度（強／弱）に基づいて、直接、オン／オフとなるため、光クロックにより、フリップフロップなどのロジック回路の動作が直接制御される。

第６変形例の半導体集積回路においても、基本構造で説明した第２実施の形態の効果を得ることができる。

I. まとめ
第２実施の形態によれば、光信号により電気信号経路のオン／オフを直接制御できるスイッチ素子を用いることにより、光の超高速性という特長を最大限に生かし、信号のチップ上の各所でのタイミングスキューを大幅に減らすことができる。

従って、同一プロセスで作成されるならば、従来品に比べて、より高い周波数で半導体集積回路を動作させることができる。

また、光電変換素子、さらには、電気クロックをロジック回路に導くローカル導電線が不要になるため、チップレイアウトの簡略化、チップ面積の縮小、消費電力の削減などの効果を得ることができる。

３． その他
本発明の例によれば、光導波面を用いて伝送された信号のチップ上の各所でのタイミングスキューを大幅に減らすことができ、さらに、光により伝送された信号を直接的に素子に導くことができる。

本発明の例は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、各構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の実施の形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施の形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。

参考例としての半導体集積回路を示す立体図。 図１の半導体集積回路の平面図。 第１実施の形態の基本構造を示す断面図。 図３の半導体集積回路の平面図。 第１実施の形態の第１変形例を示す断面図。 図５の半導体集積回路の平面図。 第１実施の形態の第２変形例を示す断面図。 図７の半導体集積回路の平面図。 参考例としての半導体集積回路を示す立体図。 図９の半導体集積回路の平面図。 光電変換素子からフリップフロップまでの接続関係を示す回路図。 フリップフロップを示す回路図。 第２実施の形態の基本構造を示す断面図。 図１３の半導体集積回路の平面図。 光クロックを直接フリップフロップに与える様子を示す回路図。 光ゲーティングフリップフロップを示す回路図。 第２実施の形態の第１変形例を示す断面図。 図１７の半導体集積回路の平面図。 第２実施の形態の第２変形例を示す断面図。 図１９の半導体集積回路の平面図。 第２実施の形態の第３変形例を示す断面図。 第２実施の形態の第４変形例を示す断面図。 光ゲーティングフリップフロップを示す回路図。 第２実施の形態の第５変形例を示す断面図。 第２実施の形態の第６変形例を示す断面図。

符号の説明

１０１，２０１，３０１，４０１： チップ基板、 １０２，１０４，２０２，２０４，２０６，３０５，３０７，３０９，３２０，３２２，３２４，４０４，４０６，４１３： 光遮蔽層、 １０３，２０３，２０５，３０６，３２１，３２３，４０５： 光導波層、 １０５，２０７，２２０，３１１，３１９，４１４： 光源、 １０６，２０８，２１７，３１０，４１２： 光射入孔、 １０７，２１０，２１２，３０８，３１６，４１０： 光射出孔、 １０８，２１３，３１４： 光電変換素子・ローカルクロックドライバー、 １０９，２１４： ローカルクロック線、 １１０，３１２： フリップフロップ、 ２０９ａ，２０９ｂ，２１１ａ，２１１ｂ，３１３，４１５： 反射板、 ２１５： 光電変換素子、 ２１６，３１５： ＰＬＬ回路、 ２１８，３１７： バンプ、 ２１９，３１８： プリント回路基板、 ３０２，３０３，４０８，４０９： 光スイッチ素子、 ３０４，４１１： メタル配線領域、 ４０２： 半導体基板、 ４０３： 絶縁層、 ４０７： シリコン層。

Claims (7)

1. チップ基板と、前記チップ基板の上方に交互にスタックされる複数の光導波層及び複数の光遮蔽層と、前記複数の光導波層内に配置され、光信号の進行方向を変えるための複数の反射板と、前記複数の光導波層を接続する複数の縦穴とを具備し、前記複数の光遮蔽層は、前記光信号を反射し、前記複数の光導波層は、前記光信号を放射状に伝送し、前記光信号は、前記複数の縦穴を介して異なる光導波層に移動することを特徴とする半導体集積回路。
2. 前記複数の光遮蔽層のうち前記チップ基板から最も遠い光遮蔽層に前記光信号を取り込む光射入孔が設けられ、前記複数の光遮蔽層のうち前記チップ基板に最も近い光遮蔽層に前記光信号を取り出す光射出孔が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体集積回路。
3. 前記光信号は、前記チップ基板上の素子から前記チップ基板に最も遠い光導波層に向かって発せられ、前記複数の光遮蔽層のうち前記チップ基板に最も近い光遮蔽層に前記光信号を取り出す光射出孔が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体集積回路。
4. 前記チップ基板に前記光信号を取り込む光射入孔が設けられ、前記複数の光遮蔽層のうち前記チップ基板に最も近い光遮蔽層に前記光信号を取り出す光射出孔が設けられ、前記光信号は、前記光射入孔の外から前記チップ基板に最も遠い光導波層に向かって発せられることを特徴とする請求項１に記載の半導体集積回路。
5. 前記複数の光遮蔽層は、前記複数の光導波層よりも低い屈折率を有する材料、前記光信号を反射する金属、又は、前記複数の反射板と同じ材料から構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体集積回路。
6. 前記チップ基板上に形成され、前記光射出孔から放出される前記光信号を電気信号に変換する光電変換素子を具備することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体集積回路。
7. 前記光信号は、光の明滅により表現されるクロックであり、前記光信号の信号経路は、三次元低スキューツリー構造を構成していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体集積回路。

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