JP3244205B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP3244205B2 JP17115093A JP17115093A JP3244205B2 JP 3244205 B2 JP3244205 B2 JP 3244205B2 JP 17115093 A JP17115093 A JP 17115093A JP 17115093 A JP17115093 A JP 17115093A JP 3244205 B2 JP3244205 B2 JP 3244205B2
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    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/43—Arrangements comprising a plurality of opto-electronic elements and associated optical interconnections
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置に関し、さら
に詳しくは配線の一部区間を光導波路に置き換えて光に
よる信号伝送を行う半導体装置に関する。
【０００２】
【発明の背景技術】近年、大規模集積回路（ＬＳＩ）は
年々高集積化が進み、回路の要素素子同士を電気的に接
続する配線（メタリゼーション）も高密度化している。
しかし、高集積化が進むに伴い、各配線を交差せずに二
次元的に配置するのが困難となり、配線が高集積化の障
害の一つとなりつつある。そこで、三次元的に配線を行
う多層配線が行われるようになった。
【０００３】しかし、多層配線に関しては、上下の配
線間のコンタクト抵抗の問題、配線材料の問題、上
下配線間を絶縁する絶縁材料の問題及び平坦化（プラ
ナリゼーション）等の形状制御の問題等があり、全て困
難な課題である。
【０００４】そこで、ＬＳＩの配線の一部区間を外部に
設けられた光学基板（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｌａｔｅ）の
光導波路に置き換え、光学的な信号の伝送を行う技術が
提案されている（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖ
ｏｌ．３２（１９９３），２７０頁）。この方法では、
図６に示すように、半導体単結晶基板１１上に集積回路
１２が形成されてなる２枚の集積回路基板１０、１０の
間に光導波路が形成された石英ガラス等からなる光学基
板２０を挟み、各集積回路基板１０に設けたレーザ（Ｌ
Ｄ）１３とフォトダイオード（ＰＤ）１４との間で前記
光学基板２０を介して光信号を伝送する。
【０００５】上記方法は、従来アルミニウム等による金
属配線のみに頼っていた配線の一部を光学的な信号の伝
送に置き換えるという画期的な方法であり、その実用化
が注目されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前述したＬＳ
Ｉの高集積化に伴う問題は、配線の困難性の問題の他に
集積回路基板の構造に起因する問題もあった。すなわ
ち、従来のバルク結晶である半導体単結晶基板に集積回
路を形成してなる集積回路基板の構成では、バルク結晶
上に素子が形成されるので、寄生容量やサイリスタ構造
の生成によるラッチアップ等の寄生効果が現れ、素子の
特性に悪影響を与えていた。高集積化が進むと益々この
ような問題が顕在化し、前述した配線の問題とともに両
者を同時に解決する手段の開発が望まれていた。
【０００７】本発明は、上記のようなＬＳＩの高集積化
に伴う種々の問題に鑑みてなされ、配線の困難性の問題
及び寄生効果等の問題を同時に解決し、効率的で高密度
の配線が可能であり、且つ寄生効果の影響を減じること
ができる半導体装置を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
光導波路が形成された透明絶縁基板と、該透明絶縁基板
上に貼り付けられた半導体薄膜と、該半導体薄膜に形成
された集積回路と、該集積回路の配線と接続された発光
素子と、該発光素子と前記光導波路を介して光学的に接
続された受光素子とを有し、前記集積回路の配線の一部
の区間を前記光導波路に置き換えて光による信号伝送を
行う。
【０００９】透明絶縁基板は、例えば石英ガラス、サフ
ァイア又は窒化アルミニウムからなる。また、前記透明
絶縁基板の前記光導波路上には前記発光素子からの光の
方向を変更する光路変更手段が設けられている。光路変
更手段としては、前記透明絶縁基板中に所定方向を向く
ように形成された斜面を反射性被膜で被覆したものが挙
げられ、反射性被膜は例えば銀等の金属蒸着膜が採用で
きる。
【００１０】発光素子としてはレーザが好適であり、ポ
ーラスＳｉあるいは化合物半導体を用いて作製できる。
また、受光素子としてはフォトダイオードが好適であ
る。なお、発光素子の発光面及び／又は受光素子の受光
面に対応する透明絶縁基板表面にレンズが設けられ、そ
のレンズは透明絶縁基板の表面領域に高屈折率領域を形
成したものである。
【００１１】次に、本発明の積層半導体装置は、特許請
求の範囲の請求項１ないし請求項９に記載の上記半導体
装置を複数枚積層し、一の半導体装置と他の一の半導体
装置との配線を光信号の伝送により行うようにした。ま
た、本発明の半導体装置の製造方法は、透明絶縁基板の
表面、内部及び裏面に光導波路を形成し、該透明絶縁基
板とシリコンウェーハとを貼り合わせた後、該シリコン
ウェーハを薄膜化処理してシリコン薄膜層を形成し、該
シリコン薄膜層に集積回路を形成した後、前記光導波路
に合致するように発光素子及び受光素子を前記シリコン
薄膜層上に形成することを特徴とする。
【００１２】
【作用】本発明の半導体装置は、デバイスにとって理想
構造である。すなわち、従来より採用されているバルク
結晶基板上に集積回路部を形成する構成の代りに、絶縁
基板上に半導体単薄膜を形成してその半導体薄膜上に集
積回路を形成した構造（ＳＯＩ構造：Ｓｉｌｉｃｏｎ
ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）を採用したものである。こ
の構造は、バルク結晶上に集積回路部を形成する場合に
問題となる寄生容量の生成やラッチアップ等の寄生効果
の問題が起こらず、デバイスの特性上極めて優れた効果
をもたらす。
【００１３】しかも、本発明の半導体装置は、上記絶縁
基板として透明絶縁基板を用い、光導波路を構成する該
透明絶縁基板を介して光信号を伝送することが可能とな
るので、前述のような従来の配線に伴う問題をも同時に
解決することができる。また、本発明の半導体装置は基
板に電荷を持たないため、高周波の信号に遅れが発生し
ない点でも重要な効果がある。
【００１４】本発明の基本構成を得るには、合成石英ガ
ラス、サファイア或いは窒化アルミ等の透明絶縁基板
（低温プロセスの場合はコーニンググラスでもよい。）
の表面、内部及び裏面に光導波路を形成した後、この透
明絶縁基板とシリコンウエーハとを貼り合わせた後、シ
リコンウエーハを薄膜化処理してシリコン薄膜層を形成
する。透明絶縁基板とシリコンウエーハとの貼り付け方
法は、結合熱処理を行う方法や、熱処理せずにシリコン
樹脂等の接着剤を用いる方法がある。このシリコン薄膜
層に集積回路部を形成し、同時に光導波路に合致するよ
うにレーザやフォトダイオードを組み合せて作ることに
よって本発明の半導体装置が得られる。
【００１５】本発明は、従来技術の延長ではない全く新
しい光技術の応用である。しかも、絶縁基板にシリコン
ウエーハを貼り合わせる技術を採用することにより、前
述した提案のような集積回路基板と光学基板（オプティ
カルプレート）を別個に設けるのではなく、これらを一
体化して製作するものであり、製作が極めて容易にな
る。また、本発明の半導体装置は、従来の多層配線に見
られるようなコンタクトが存在しないので、コンタクト
抵抗の問題も生じない。しかも、高速動作且つ低消費電
力を実現できる。
【００１６】なお、ニューロンシステムのような多数の
マイクロプロセッサを積層する場合には、前述した構成
の半導体装置を複数枚積層し、水平面内と垂直方向を光
導波路で結合するようにする。この場合、特別な光のバ
スラインが必要ないので、配線効率はさらに向上する。
【００１７】
【実施例】以下、本発明について図を参照して説明す
る。図１は本発明の半導体装置の一実施例を示す部分概
略断面図である。本実施例の半導体装置３０は、合成石
英ガラス等からなる透明絶縁基板３１上にシリコンウエ
ーハを貼り付け、該シリコンウエーハを薄膜化処理して
シリコン薄膜３２とし、該シリコン薄膜３２に集積回路
３３を形成した構成を有する。透明絶縁基板３１とシリ
コンウエーハとの貼り付け方法は、前述したように結合
熱処理してもよいし、シリコン樹脂等の接着剤を用いて
貼り付けてもよい。
【００１８】透明絶縁基板３１表面には、集積回路３３
の電気信号を光信号に変換するレーザ３４と、光信号を
電気信号に変換するフォトダイオード３６が設けられ、
透明絶縁基板３１内の光導波路３７にはリフレクター３
５が設けられている。このリフレクター３５を適宜設け
ることにより光信号の方向を変え、これによってレーザ
３４から所望位置のフォトダイオード３６への光信号の
伝送が可能となる。
【００１９】リフレクター３５は、図２に示すように、
透明絶縁基板３１の裏面を部分的に削って斜面３５ａを
形成し、この斜面３５ａに例えば銀蒸着膜３５ｂを形成
した構造となっている。また、図３に示すように、透明
絶縁基板３１の裏面にリフレクター３５を形成した後、
該透明絶縁基板３１の裏面上にさらにＳｉＯ2膜３８を
スパッタにより形成してリフレクター３５を形成するこ
とにより、水平位置の異なるリフレクター３５、３５を
形成することができる。
【００２０】なお、光信号の伝送をより効率的に行うた
めに、レーザ３４及びフォトダイオード３６の発光面及
び受光面直下の透明絶縁基板３１表面にマイクロレンズ
３９を設けてもよい。その構造は、図４に示すように、
例えばＴｌ+を導入して高屈折率部を形成してマイクロ
レンズ３９を構成する。この場合、透明絶縁基板３１は
Ｎａ又はＫを含む多成分石英ガラスが好ましい。このマ
イクロレンズ３９により高い集光効果が得られ、伝送効
率がさらに向上する。
【００２１】このような構成の半導体装置３０は、アル
ミニウム等による金属配線と透明絶縁基板３１の光導波
路３７を用いた光による配線を組み合わせた配線構造を
有するので、従来の多層配線における問題を解決した理
想的な構造である。特に、複数の異なる波長の光を用い
る等により光の多重通信が可能となるので、同一光導波
路を用いて複数の異なる信号を伝送することができる。
従って、極めて高い配線密度を達成できる。
【００２２】図５は、上述した半導体装置３０を複数枚
重ねた構成を有する積層半導体装置４０を示す。この積
層半導体装置４０の構成は、ニューロンシステムのよう
な多数のマイクロプロセッサを積層する場合に応用でき
る。この構成例においても従来のように層間のコンタク
ト抵抗が問題となることなく、極めて効率的な配線が可
能となる。
【００２３】上記実施例では本発明のより具体化された
構成を示したが、本発明は上記実施例に限定されること
なく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で上記実施例の条
件や構成を変更することが可能であることは言うまでも
ない。例えば上記実施例では光路の変更手段として斜面
に金属蒸着したリフレクターを用いたが、その他の適当
な手段に置き換えることができる。また、発光素子や受
光素子についても光信号の伝送が行える限りあらゆるも
のが使用できる。
【００２４】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、Ｌ
ＳＩの高集積化に伴う配線の困難性の問題及び寄生効果
等の問題を同時に解決し、効率的で高密度の配線が可能
となり、且つデバイスに悪影響を与える寄生効果を減じ
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の一実施例を示す部分概略
断面図である。
【図２】リフレクター３５の構成例を示す概略断面図で
ある。
【図３】リフレクター３５の構成例を示す概略断面図で
ある。
【図４】マイクロレンズ３９の構成例を示す概略断面図
である。
【図５】積層構造の半導体装置の一例を示す概略断面図
である。
【図６】光学基板を用いた配線構造例を示す概略断面図
である。
【符号の説明】
３０ 半導体装置 ３１ 透明絶縁基板 ３２ シリコン薄膜 ３３ 集積回路 ３４ レーザ ３５ リフレクター ３５ａ 斜面 ３５ｂ 金属蒸着膜 ３６ フォトダイオード ３７ 光導波路 ３８ ＳｉＯ2膜 ３９ マイクロレンズ ４０ 積層半導体装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 31/12 H01L 33/00

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光導波路が形成された透明絶縁基板と、
    該透明絶縁基板上に貼り付けられた半導体薄膜と、該半
    導体薄膜に形成された集積回路と、該集積回路の配線と
    接続された発光素子と、該発光素子と前記光導波路を介
    して光学的に接続された受光素子とを有し、前記集積回
    路の配線の一部の区間を前記光導波路に置き換えて光に
    よる信号伝送を行うとともに、 前記発光素子の発光面及び／又は前記受光素子の受光面
    に対応する前記透明絶縁基板の表面にレンズが設けられ
    てなり、前記レンズは前記透明絶縁基板の表面領域に形
    成された高屈折率領域からなる ことを特徴とする半導体
    装置。
  2. 【請求項２】 前記透明絶縁基板は石英ガラス、サファ
    イア又は窒化アルミニウムのいずれかからなる請求項１
    に記載の半導体装置。
  3. 【請求項３】 前記透明絶縁基板の前記光導波路上に前
    記発光素子からの光の方向を変更する光路変更手段が設
    けられている、請求項１又は請求項２に記載の半導体装
    置。
  4. 【請求項４】 前記光路変更手段は、前記透明絶縁基板
    中に所定方向を向くように形成された斜面を反射性被膜
    で被覆してなるものである、請求項３に記載の半導体装
    置。
  5. 【請求項５】 前記反射性被膜は金属蒸着膜である請求
    項４に記載の半導体装置。
  6. 【請求項６】 前記発光素子はレーザである請求項１な
    いし請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 【請求項７】 前記受光素子はフォトダイオードである
    請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の半導体
    装置。
  8. 【請求項８】 請求項１ないし請求項７に記載の半導体
    装置を複数枚積層し、前記複数枚の半導体装置の一の半
    導体装置と他の一の半導体装置との配線を光信号の伝送
    による行うことを特徴とする積層半導体装置。
  9. 【請求項９】 透明絶縁性基板の表面、内部及び裏面に
    光導波路を形成し、該透明絶縁基板とシリコンウェーハ
    とを貼り合せた後、該シリコンウェーハを薄膜化処理し
    てシリコン薄膜層を形成し、該シリコン薄膜層に集積回
    路を形成した 後、前記光導波路に合致するように発光素
    子及び受光素子を前記シリコン薄膜層上に形成すること
    により、 導波路が形成された透明絶縁基板と、該透明絶縁基板上
    に貼り付けられた半導体薄膜と、該半導体薄膜に形成さ
    れた集積回路と、該集積回路の配線と接続された発光素
    子と、該発光素子と前記光導波路を介して光学的に接続
    された受光素子とを有し、前記集積回路の配線の一部の
    区間を前記光導波路に置き換えて光による信号伝送を行
    う半導体装置を得ることを特徴とする半導体装置の製造
    方法。
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