JP4243456B2

JP4243456B2 - Semiconductor device

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Publication number: JP4243456B2
Application number: JP2002173055A
Authority: JP
Inventors: 勝弘金子; 成夫棚橋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-06-13
Filing date: 2002-06-13
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2022-06-13
Also published as: JP2004022666A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光送受信を利用した情報処理システムに使用される、支持基板上に複数個配置された電子集積回路装置と、その支持基板上に設けられた、これら電子集積回路装置間で信号伝達を行なうための受光素子・発光素子・光導波路とから成り、電子集積回路装置間で光を利用した信号授受を行なう半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子集積回路素子に関する技術であるＩＣ（集積回路）技術やＬＳＩ（大規模集積回路）技術の進歩により、これらの動作速度や集積規模が向上し、ＭＰＵ（Micro-Processing Unit；マイクロプロセッサ）の高性能化やメモリチップの高速大容量化が急速に進展している。このような状況下では、特に高速デジタル信号伝送およびＭＰＵとメモリチップ間の高速バス等を必要とする場合においては、信号配線の高速・高密度化による電気信号の遅延やクロストーク悪化が高性能化等に対する障害となっている。この問題を解消し得る技術として、光配線（光インターコネクション）を利用することが注目されている。この光配線は、機器装置間・機器装置内ボード間・ボード内チップ間等の様々なレベルで適用可能と考えられており、例えばボード内チップ間のように比較的短距離の信号伝送には、光導波路を光信号の伝送路とした光送受信システムが有効である。
【０００３】
このような光配線を利用した光送受信システムに用いられる半導体装置に関して、例えば特開平５−48073号公報には、電子素子集積回路と光素子とが同一基板上に設けられた光電子集積回路のチップの複数個が配置され、かつ光導波路が設けられた支持基板を有し、このチップは、光素子と光導波路とが光学的に接続する位置に配置されたことを特徴とする半導体装置が開示されている。
【０００４】
この半導体装置は、図５および図６に断面図で、また図７に一部破断斜視図で示すように、Ｓｉ基板28上に、光導波路25および金属配線26が形成されており、フォトダイオード20・レーザダイオード21と電子集積回路を同じチップ上に配置した光電子集積回路のチップ23がこのＳｉ基板28に貼り付けられ、かつ、チップ23は、フォトダイオード20・レーザダイオード21と光導波路25とが光学的に接続するように、またＳｉ基板28上の金属配線26とチップ23上のボンディングパッドとが電気的に接続するように位置合わせされている構成のものである。
【０００５】
この構成によれば、電子素子が集積された電子集積回路の半導体基板上にレーザダイオード21・フォトダイオード20等の光素子を配置した光電子集積回路のチップ23を用い、チップ23間の信号伝送を電気配線で行なう代りに光信号を光導波路25に通して行なうため、チップ23間配線の抵抗・容量・インダクタンスに起因する遅延がなくなるというものである。また、光信号を伝送する光導波路25は従来の電気配線と同様にフォトリソグラフィによってパターニングされるため、製造歩留まりおよび信頼度に優れているというものである。さらに、マルチチップ方式の半導体装置のチップ23間の電気配線の抵抗・容量・インダクタンスによる遅れがなくなるため、パッケージ内のシステムの演算処理速度が約50パーセント向上し、また、光信号を伝送する光導波路25は従来の電気配線と同様にフォトリソグラフィによってパターニングされるため、電気配線と同等の製造歩留まりおよび信頼度が得られたというものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５〜図７に示す半導体装置を開示した特開平５−48073号公報には、発光素子と受光素子の配置方向に関する詳細な記述がなく、図５〜図７に示したような配置では、受光素子であるフォトダイオード20・発光素子であるレーザダイオード21および光導波路25を隣接して複数配置させると、隣接する光導波路25中の光の伝搬方向が同じであるため、隣接する光導波路25に結合された受光素子20への光の漏れ（クロストーク）を避けるために光導波路25間の間隔を広く配置する必要があり、高集積化を妨げているという問題点があった。
【０００７】
その一例として、光導波路のコア部およびクラッド部の屈折率差（Δｎ）が0.3％で光導波路長が20ｍｍの場合の、隣接する光導波路に結合された受光素子へのクロストーク量の計算値を、図８に線図で示す。図８において、横軸は隣接する光導波路の間隔（単位：μｍ）を、縦軸はその光導波路間のクロストーク量（単位：ｄＢ）を表し、黒四角のプロットおよび特性曲線はクロストーク量の変化を示している。この図８に示す結果は、隣接する光導波路に結合された受光素子へのクロストーク量を、例として20ｄＢ以下に抑制しようとする場合には、隣接する光導波路の間隔を22μｍ以上にする必要があることを示している。
【０００８】
また、前述のような従来の半導体装置では、受光素子・発光素子および光導波路を隣接して複数配置させると、受光素子および発光素子に接続される図示しない電気配線間において電気的クロストークが発生してしまう等の問題点があった。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みて本発明者が鋭意研究に努めた結果完成されたものであり、その目的は、高密度配置された隣接する光導波路に結合された受光素子へのクロストークを低減した、光送受信を利用した情報処理システムに好適な半導体装置を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、高密度配置された隣接する光導波路に結合された受光素子へのクロストークを低減するとともに、電気配線間の電気的クロストークも低減した、光送受信を利用した情報処理システムに好適な半導体装置を提供することにある。
【００１１】
また、本発明のさらに他の目的は、低コストで、およびより小さな損失で製造することができる半導体装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、支持基板と、
前記支持基板上に導体バンプにより接続固定された、第１の電子集積回路装置および第２の電子集積回路装置を含む複数個の電子集積回路装置と、
前記支持基板上で且つ前記第１の電子集積回路装置の下に位置し、前記第１の電子集積回路装置から出力される電気信号を光信号に変換する第１の発光素子と、
前記支持基板上で且つ前記第１の電子集積回路装置の下に位置し、光信号を電気信号に変換して前記第１の電子集積回路装置に入力する第１の受光素子と、
前記支持基板上で且つ前記第２の電子集積回路装置の下に位置し、前記第２の電子集積回路装置から出力される電気信号を光信号に変換する第２の発光素子と、
前記支持基板上で且つ前記第２の電子集積回路装置の下に位置し、前記第１の発光素子の光信号を電気信号に変換して前記第２の電子集積回路装置に入力する第２の受光素子と、
前記第１の発光素子と前記第２の受光素子とを接続する第１の光導波路と、前記第２の発光素子と前記第１の受光素子とを接続し、前記第１の光導波路に沿って配置された部位を有する第２の光導波路と、を含み、前記支持基板上に位置する複数本の光導波路と、
が設けられて成り、
前記第１の光導波路における光の伝搬方向と前記部位における光の伝搬方向とが逆方向とされていることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の半導体装置は、上記構成において、前記第１の発光素子および前記第１の受光素子が交互に位置をずらせて配置され、前記第２の発光素子および前記第２の受光素子が交互に位置をずらせて配置されていることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の半導体装置は、上記構成において、前記第１の電子集積回路装置の下において、前記第１の発光素子が複数個一体的にアレイ状に設けられ、前記第１の受光素子が複数個一体的にアレイ状に設けられていることを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置によれば、支持基板上に、電子集積回路装置が複数個配置されるとともに、前記電子集積回路装置の下に位置し、その電子集積回路装置から出力される電気信号を光信号に変換する発光素子および光信号を電気信号に変換してその電子集積回路基板に入力する受光素子と、前記電子集積回路装置間で前記発光素子と前記受光素子とを接続する複数本の光導波路とが設けられて成り、隣接するこれら光導波路における光の伝搬方向が逆方向とされていることから、隣接する光導波路中の光の伝搬方向が逆方向であるため隣接する光導波路に光信号が漏れたとしても、その光導波路に結合された受光素子はその漏れてきた光信号の伝搬方向の反対側に配置されているので、隣接する光導波路に結合された受光素子へのクロストークを低減することができる。また、隣接する光導波路間でのクロストークを低減することができるため、それら隣接する光導波路間の間隔をより狭くすることができるので、より高密度の光配線を実現することができる。
【００１６】
また本発明の半導体装置によれば、隣接する光導波路により接続された同じ電子集積回路装置の下に位置する発光素子および受光素子が、その電子集積回路装置の下において隣接する光導波路について交互に位置をずらせて配置されているときには、光導波路の間隔を広げることなく、発光素子および受光素子間、ならびにそれら発光素子および受光素子が接続される電気配線の位置もそれに対応してずらせて配置することによりそれら電気配線間の距離を長くして配置することができ、受発光素子間の電気的なクロストークを小さくすることができ、より高密度の光配線を実現することができる。
【００１７】
また、本発明の半導体装置によれば、交互に位置をずらせて配置された発光素子および受光素子が、同じ電子集積回路装置の下においてそれぞれ複数個が一体的にアレイ状に設けられているときには、発光素子および受光素子のアレイを支持基板上にそれぞれ配置するのみでこの半導体装置を製造できるため、複数の発光素子および受光素子をそれぞれ個別に基板上に配置する必要が無く、この半導体装置を製造する際の発光素子および受光素子を支持基板上に配置する工数およびコストを低減することができ、複数の発光素子および受光素子の位置ずれが小さくなるので、光信号伝搬の損失を小さくすることができる。
【００１８】
以下、本発明の半導体装置について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１９】
図１（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す上面図および断面図である。図１（ａ）は、発光素子４・受光素子５および光導波路６が形成された支持基板１の上面図であり、（ｂ）は上に、電子集積回路素子９が設置されている電子集積回路装置２が、導体バンプ３により支持基板１上に接続固定されている様子を示す本発明の半導体装置の断面図である。図１（ｂ）の半導体装置の断面図に示すように、発光素子４および受光素子５は、これらと同じく支持基板１上に形成された光導波路６により光学的に接続されている。また、電子集積回路装置２の電気信号の入出力は、導体バンプ３により発光素子４・受光素子５と電気的に接続され、これら素子４・５との間で電気信号が授受されることによって行なわれる。なお、電子集積回路装置２は、この例のように基板に電子集積回路素子９が設置されて構成されたものであってもよいし、電子集積回路素子９いわゆるＩＣチップ自体であってもよい。そして、本発明の半導体装置は、図１（ａ）に示す複数の隣接する光導波路６において、光の伝搬方向が逆方向とされていることを特徴とする。
【００２０】
ここで、本発明の半導体装置の支持基板１上に設けられた発光素子４および受光素子５について説明する。これら発光素子４および受光素子５は、それぞれ光信号を発光および受光するものであり、光通信等に用いられる光素子が用いられる。より具体的には、発光素子４については発光ダイオード（ＬＥＤ）・半導体レーザ（ＬＤ）等が該当する。また、受光素子５については、ｐｉｎ型フォトダイオード・アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）・ＭＳＭ型フォトダイオード等が該当する。そして、これら発光素子４および受光素子５は、同じ電子集積回路装置２の下においては隣接する光導波路６について交互に配置されており、これにより隣接する光導波路６における光の伝搬方向が逆方向とされている。
【００２１】
また、図１（ｂ）においては、面発光型の発光素子４および面受光型の受光素子５がそれぞれ動作面を上向きにして支持基板１上に配置されており、それぞれの動作面の上に光導波路６の端部が配置されている。これら光導波路６の端部には斜め面からなる反射面が形成されており、発光素子４からの光は発光素子４上の反射面で反射されて光導波路６を伝搬し、また、光導波路６を伝搬する光は受光素子５上の反射面で反射されて受光素子５に入射するものである。
【００２２】
なお、発光素子４および受光素子５は面動作型ではなく、端面発光型や端面受光型でもよい。また、発光素子４および受光素子５と光導波路６との接続は、反射面を介した結合の他、グレーティングを介した結合でもよく、発光素子４および受光素子５の素子端面での直接の結合や、方向性結合器構造による結合でもよい。また、発光素子４および受光素子５は、支持基板１上で光導波路６の上部に配置してもよい。
【００２３】
次に、図２は、隣接する光導波路６により接続された発光素子４および受光素子５が、図示していない電子集積回路装置２の下において隣接する光導波路６について交互に位置をずらせて、いわゆるジグザグ状に位置するように配置されている、本発明の半導体装置の実施の形態の他の例を示す図１（ａ）と同様の上面図である。図２において、図１と同様の箇所には同じ符号を付してある。この例においては、支持基板１に設けられた発光素子４（図において右上がりの斜線を施した）および受光素子５（図において左上がりの斜線を施した）は、電子集積回路装置２の下において隣接する光導波路６について交互に位置をずらせてジグザグ状に配置されている。そして、図示していない電子集積回路基板２間でそれら電子集積回路装置２と電気的にそれぞれ接続される発光素子４および受光素子５間は、それぞれの電子集積回路装置２間で発光素子４と受光素子５とが光接続されるように光導波路６により接続されており、電子集積回路装置２の下において隣接する光導波路６における光の伝搬方向が逆方向とされている。
【００２４】
これらの発光素子４および受光素子５が隣接する光導波路６について交互に位置をずらせてジグザグ状に配置された支持基板１には、図示していない２つの電子集積回路基板２が、図１（ｂ）に示す例と同様に、同じく図２には図示していない導体バンプ３により配置され、導体バンプ３により発光素子４・受光素子５とそれぞれ電気的に接続されて電気信号の授受を行なう。
【００２５】
なお、本発明の半導体装置のこのような例において、発光素子４および受光素子５を交互に位置をずらせてジグザグ状に配置する場合の、発光素子４の並びと受光素子５の並びとの間の長さは、発光素子４および受光素子５がそれぞれ接続される電気配線（図示せず）間のクロストークが発生することによって信号の誤伝達を引き起こすことから、発光素子４および受光素子５に接続される電気配線（図示せず）間のクロストークが発生しない長さ以上としておくことが望ましい。このような長さは、例えば10μｍから20μｍ以上とすることである。
【００２６】
次に、図３は、支持基板１において図示しない電子集積回路装置２の下において隣接する光導波路６について交互に位置をずらせてジグザグ状に配置された発光素子４および受光素子５が、それぞれ複数個が一体的にアレイ状に設けられて、受光素子アレイ化および発光素子アレイ化されている、本発明の半導体装置の実施の形態のさらに他の例を示す図１（ａ）および図２と同様の上面図である。図３においても、図１および図２と同様の箇所には同じ符号を付してある。この例においては、電子集積回路装置２の下において支持基板１に設けられた発光素子４および受光素子５は、隣接する光導波路６について交互に位置をずらせてジグザグ状に配置されており、これらの発光素子４および受光素子５は、それぞれ複数個が発光素子アレイ７および受光素子アレイ８として一体的にアレイ状に設けられている。
【００２７】
ここで、複数個の発光素子４および受光素子５が一体的にアレイ状に設けられているとは、発光素子４および受光素子５がそれぞれ一つの基板上にモノリシックに形成され、あるいはハイブリッド的に実装されて配列されることにより、図３に例を示すような発光素子アレイ７および受光素子アレイ８となっていることをいう。
【００２８】
隣接して配置された図示していない電子集積回路基板２と電気的にそれぞれ接続されるこれらの発光素子アレイ７および受光素子アレイ８中の発光素子４および受光素子５の電子集積回路装置２間は、それぞれの発光素子４と受光素子５とが光接続されるように光導波路６により接続されており、隣接する光導波路６における光の伝搬方向が逆方向とされている。
【００２９】
これらの発光素子４および受光素子５が発光素子アレイ７および受光素子アレイ８として設けられて発光素子４および受光素子５が図示しない電子集積回路装置２の下において隣接する光導波路６について交互に位置をずらせてジグザグ状に配置された支持基板１には、図示していない２つの電子集積回路装置２が、図１（ｂ）に示す例と同様に、同じく図３には図示していない導体バンプ３により支持基板１上に配置され、導体バンプ３により発光素子４・受光素子５とそれぞれ電気的に接続されて電気信号の授受を行なう。
【００３０】
このような本発明の半導体装置について、その製造方法の工程例を説明する。
【００３１】
まず、支持基板１の表面に複数本の光導波路６を形成する。支持基板１は、発光素子４・受光素子５・光導波路６および電子集積回路装置２の支持基板となるとともに、電気配線等が形成されることにより各種光素子・光部品および半導体素子等の高周波電子部品が実装されるものである。この支持基板１には、例えばガラス基板の他にシリコン基板・アルミナ基板・ガラスセラミックス基板・ムライト基板・窒化アルミニウム基板・ポリイミド基板・エポキシ基板等が用いられる。
【００３２】
光導波路６は、発光素子４および受光素子５間における光信号の接続を行なうものであり、コア部およびクラッド部からなる。コア部およびクラッド部からなる光導波路６を形成する材料には、光導波路として通常用いられる材料を使用することができ、特に制限はされない。具体的には、石英・ガラス等の無機系光学材料や、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレート）・ポリカーボネート・アクリレート・フッ素化アクリレート・ポリエーテルイミド・ポリイミド・ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）・フッ素化ポリイミド・フッ素樹脂・重水素化ＰＭＭＡ・重水素化シリコーン・シロキサンポリマ・ポリスチレン・ポリシラン等の一般的な有機系光学材料を使用することができる。
【００３３】
これらの材料により光導波路６を形成する方法は、一般的な光導波路を形成する方法を使用することができ、特に制限はされない。具体的には、支持基板１上に例えば熱蒸着法・スパッタリング法・ＣＶＤ法・重合法・熱拡散法・イオン交換法・イオン注入法・エピタキシャル成長法・スピンコート法や印刷法等によってこれらの材料を成膜し、周知のフォトリソグラフィにより導波路形状にパターニングし、ウエットまたはドライエッチング法等により所望の導波路形状に加工することにより形成すればよい。
【００３４】
次いで、前述の支持基板１の表面に光導波路６を形成する工程とは別に、支持基板１上に発光素子４および受光素子５を設置する。発光素子４および受光素子５はそれぞれ光信号を発光および受光するものである。
【００３５】
支持基板１上に発光素子４および受光素子５を設置する方法としては、支持基板１の基板とは別途に発光素子４および受光素子５を作製し、その後、それらを支持基板１上に配置してもよく、また、発光素子４および受光素子５を直接、支持基板１の基板に形成することによって設置してもよい。なお、このとき、隣接する光導波路６における光の伝搬方向が逆方向になるように、発光素子４および受光素子５を配置する。
【００３６】
また、電子集積回路装置２は、チップサイズパッケージ基板・マルチチップモジュール基板・インターポーザ等のいわゆる電子集積回路素子実装用基板に電子集積回路素子９が設置されたものである場合には、シリコン基板・アルミナ基板・ガラスセラミックス基板・ムライト基板・窒化アルミニウム基板・ポリイミド基板・エポキシ基板等などからなる回路基板に、半導体記録装置やマイクロプロセッサ等の電気信号の処理を行なう複数あるいは単一の電子集積回路素子９が設置されるものである。また、電子集積回路素子９すなわちいわゆるＩＣチップ自体を電子集積回路装置として用いても構わない。
【００３７】
最後に、発光素子４および受光素子５が設置され、これらが光導波路６で接続された支持基板１上に導体バンプ３を介して電子集積回路装置２を配置することで、本発明の半導体装置となる。
【００３８】
このようにして本発明の半導体装置を製造する際に、支持基板１において隣接する光導波路６により接続された発光素子４および受光素子５を、交互に位置をずらせて配置し、最後に、発光素子４および受光素子５が設置され、これらが光導波路６で接続された支持基板１上に、導体バンプ３を介して電子集積回路装置２を配置することで、電子集積回路装置２の下において隣接する光導波路６により接続された発光素子４および受光素子５が隣接する光導波路６について交互に位置をずらせて配置されている本発明の半導体装置となる。
【００３９】
また、支持基板１において隣接する光導波路６により接続された発光素子４および受光素子５を設置する際に、電子集積回路装置２の下において交互に位置をずらせてジグザグ状に配置された発光素子４および受光素子５を、複数個が一体的にアレイ状に設けられた発光素子アレイ７および受光素子アレイ８として設置し、このように発光素子４および受光素子５が設置された支持基板１上に導体バンプ３を介して電子集積回路装置２を配置することで、電子集積回路装置２の下において隣接する光導波路６により接続された受光素子５および発光素子４が、それぞれ複数個が一体的にアレイ状に設けられている本発明の半導体装置となる。
【００４０】
【実施例】
次に、本発明の半導体装置の実施例を示す。
【００４１】
［実施例１］
まず、支持基板となるアルミナ電気回路基板上に、受光素子としてＭＳＭ型フォトダイオードを、発光素子として面発光型半導体レーザを、それらの並びが交互になるように配置した。
【００４２】
次いで、その支持基板の表面に、シロキサンポリマの有機溶媒溶液をスピンコート法によって塗布し、85℃／30分および270℃／30分の熱処理を行ない、厚さ８μｍの下部クラッド層（屈折率1.4405，λ＝1.3μｍ）を形成した。
【００４３】
次に、シロキサンポリマとテトラ−ｎ−ブトキシチタンとの混合液をスピンコート法によって下部クラッド層の上に塗布し、85℃／30分および150℃／30分の熱処理を行ない、厚さ７μｍのコア層（屈折率1.4450，λ＝1.3μｍ）を形成した。
【００４４】
次いで、スパッタリング法により、コア層の上にアルミニウム膜を0.5μｍの厚さで成膜した。
【００４５】
次いで、このアルミニウム膜の上にフォトレジスト層をスピンコート法により１μｍの厚さで成膜した。
【００４６】
次いで、フォトマスクを用いて露光をし、現像をした後、酢酸・硝酸・燐酸の混合液によってアルミニウム膜をエッチング加工することで、アルミニウム膜に、光導波路のコア部となるパターンを転写した。
【００４７】
次いで、このアルミニウム膜のパターンをマスクとしてＣＦ₄ガスおよびＯ₂ガスを用いたＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によってコア層をエッチングして、光導波路のコア部を形成した。
【００４８】
次いで、アルミニウム膜のパターンを除去した後に、コア部および下部クラッド層の上にシロキサンポリマの有機溶媒溶液をスピンコート法によって塗布し、85℃／30分および270℃／30分の熱処理を行ない、厚さ８μｍの上部クラッド層（屈折率1.4405，λ＝1.3μｍ）を形成した。
【００４９】
これにより、発光素子と受光素子とを配置した支持基板上に、複数個の電子集積回路装置間で発光素子と受光素子とを接続する光導波路を形成した。
【００５０】
その後、この発光素子および受光素子が配置された支持基板上に、電子集積回路装置間で互いの発光素子と受光素子とが接続されるようにして、導体バンプを介して電子集積回路装置を配置した。
【００５１】
これにより、支持基板上に、電子集積回路装置が複数個配置されるとともに、電子集積回路装置の下に位置するように発光素子と受光素子とが交互に設けられ、さらに、電子集積回路装置間で発光素子と受光素子とを接続する複数本の光導波路が設けられて成り、隣接するこれら光導波路における光の伝搬方向が逆方向とされている本発明の半導体装置を作製した。
【００５２】
以上のようにして得られた本発明の半導体装置と、従来の半導体装置とを用いて、隣接する２本の光導波路に結合された受光素子へのクロストーク量を測定した。この測定においては、まず１つの発光素子から出力された光が、この発光素子に接続された光導波路を伝搬し、この光導波路に接続された受光素子で受光された出力を測定し、これを出力Ａとした。また、隣接する光導波路に接続された受光素子で受光された出力を測定した。ここで、従来の半導体装置において、隣接した光導波路に接続された受光素子が出力Ａの受光素子と同じ列に有る場合の結果を出力Ｂとした。また、本発明の半導体装置において、隣接した光導波路に接続された受光素子が出力Ａの発光素子と同じ列に有る場合の結果を出力Ｃとした。
【００５３】
この結果、従来の半導体装置におけるクロストーク量、すなわち出力Ｂが、出力Ａの約0.1％〜１％であったのに対し、本発明の半導体装置におけるクロストーク量、すなわち出力Ｃは、出力Ａの約0.0001％以下であり、本発明の半導体装置によるクロストーク低減の効果を確認することができた。
【００５４】
［実施例２］
［実施例１］と同様にして本発明の半導体装置を作製するのに際して、受光素子としてＭＳＭ型フォトダイオードを、発光素子として面発光型半導体レーザを、支持基板にその並びが交互に、また発光素子と受光素子との位置を20μｍずらせたものとなるようにジグザグに配置した。
【００５５】
これにより、支持基板上に、電子集積回路装置が複数個配置されるとともに、発光素子および受光素子が交互にジグザグに設けられ、さらに、電子集積回路装置間で発光素子と受光素子とを接続する複数本の光導波路が設けられて成り、隣接するこれら光導波路における光の伝搬方向が逆方向とされている本発明の半導体装置を作製した。
【００５６】
以上のようにして得られた本発明の半導体装置と、［実施例１］で比較した従来の半導体装置とを用いて、２本の光導波路に結合された受光素子へのクロストーク量を測定した。この測定においては、まず１つの発光素子から出力された光が、この発光素子に接続された光導波路を伝搬し、この光導波路に接続された受光素子で受光された出力を測定し、これを出力Ａとした。次に、隣接する光導波路に接続された受光素子で受光された出力を測定した。ここで、従来の半導体装置において、隣接された光導波路に接続された受光素子が出力Ａの受光素子と同じ列に有る場合の結果を出力Ｂとした。また、本発明の半導体装置において、隣接された光導波路に接続された受光素子が出力Ａの発光素子と同じ列に有る場合の結果を出力Ｃとした。この結果、従来の半導体装置におけるクロストーク量、すなわち出力Ｂが、出力Ａの約0.1％〜１％であったのに対し、本発明の半導体装置におけるクロストーク量、すなわち出力Ｃは、出力Ａの約0.0001％以下であり、本発明の半導体装置によるクロストーク低減の効果を確認することができた。
【００５７】
またさらに、電子集積回路装置において発光素子および受光素子が接続される電気配線間の電気的なクロストークを比較したところ、従来の半導体装置におけるクロストークが約0.1％であったのに対し、本発明の半導体装置におけるクロストークは約0.001％以下であり、本発明の半導体装置による電気的なクロストーク低減の効果を確認することができた。
【００５８】
［実施例３］
［実施例１］と同様にして本発明の半導体装置を作製するのに際して、受光素子としてＭＳＭ型フォトダイオードを、発光素子として面発光型半導体レーザを、受光素子および発光素子がそれぞれ40μｍ間隔で一体的にアレイ状に設けられて、その並びが交互に、また発光素子と受光素子との位置を20μｍずらせたものとなるように配置した。
【００５９】
これにより、支持基板上に、電子集積回路装置が複数個配置されるとともに、発光素子および受光素子が交互に位置をずらせて、それぞれ複数個が一体的に形成されたアレイが配置され、さらに、電子集積回路装置間で発光素子と受光素子とを接続する複数本の光導波路が設けられて成り、隣接するこれら光導波路における光の伝搬方向が逆方向とされている本発明の半導体装置を作製した。
【００６０】
以上のようにして得られた本発明の半導体装置と、［実施例１］で比較した従来の半導体装置とを用いて、２本の光導波路に結合された受光素子へのクロストーク量を測定した。この測定においては、まず１つの発光素子から出力された光が、この発光素子に接続された光導波路を伝搬し、この光導波路に接続された受光素子で受光された出力を測定し、これを出力Ａとした。次に、隣接する光導波路に接続された受光素子で受光された出力を測定した。ここで、従来の半導体装置において、隣接された光導波路に接続された受光素子が出力Ａの受光素子と同じ列に有る場合の結果を出力Ｂとした。また、本発明の半導体装置において、隣接された光導波路に接続された受光素子が出力Ａの発光素子と同じ列に有る場合の結果を出力Ｃとした。この結果、従来の半導体装置におけるクロストーク量、すなわち出力Ｂが、出力Ａの約0.1％〜１％であったのに対し、本発明の半導体装置におけるクロストーク量、すなわち出力Ｃは、出力Ａの約0.0001％以下であり、本発明の半導体装置によるクロストーク低減の効果を確認することができた。
【００６１】
またさらに、電子集積回路装置において発光素子および受光素子が接続される電気配線間の電気的なクロストークを比較したところ、従来の半導体装置におけるクロストークが約0.1％であったのに対し、本発明の半導体装置におけるクロストークは約0.001％以下であり、本発明の半導体装置による電気的なクロストーク低減の効果を確認することができた。
【００６２】
またさらに、光導波路とそれぞれアレイ化された発光素子および受光素子との配置プロセスにおける各発光素子および各受光素子とそれらに接続された光導波路との接続位置のずれ量も、従来の半導体装置におけるずれ量が約0.5μｍであったのに対し、本発明の半導体素子におけるずれ量は約0.1μｍ以下あり、本発明の半導体装置によれば、従来の半導体装置に比べて発光素子および受光素子と光導波路との位置合わせ精度の向上について効果があることを確認した。
【００６３】
なお、本発明は以上の実施の形態の例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることは何ら差し支えない。
【００６４】
例えば、光導波路は、支持基板上に形成された光導波路のみではなく、別途基板上に形成した光導波路を剥がして形成した、フィルム状の光導波路でもよい。また、光導波路は１個の発光素子と複数個の受光素子とを接続するために、または１個の受光素子と複数個の発光素子とを接続するために、複数に分岐してもよい。
【００６５】
また、１個の電子集積回路装置２からの他の電子集積回路装置２への光導波路６の接続の方向は、図１〜３に示すような一方向に限定されるわけではなく、例として図４に支持基板１の上面図（一部のみ図示）で示すように、複数の方向（図４に示す例では４方向）に、交互に配置された発光素子４および受光素子５からの光導波路６が接続されてもよい。
【００６６】
【発明の効果】
本発明の半導体装置によれば、支持基板上に、電子集積回路装置が複数個配置されるとともに、前記電子集積回路装置の下に位置し、その電子集積回路装置から出力される電気信号を光信号に変換する発光素子および光信号を電気信号に変換してその電子集積回路装置に入力する受光素子と、前記電子集積回路装置間で前記発光素子と前記受光素子とを接続する複数本の光導波路とが設けられて成り、隣接するこれら光導波路における光の伝搬方向が逆方向とされていることから、隣接する光導波路中の光の伝搬方向が逆方向であるため隣接する光導波路に光信号が漏れたとしても、その光導波路に結合された受光素子はその漏れてきた光信号の伝搬方向の反対側に配置されているので、隣接する光導波路に結合された受光素子へのクロストークを低減することができる。また、隣接する光導波路間でのクロストークを低減することができるため、それら隣接する光導波路間の間隔をより狭くすることができるので、より高密度の光配線を実現することができる。
【００６７】
また本発明の半導体装置によれば、隣接する光導波路により接続された同じ電子集積回路装置の下に位置する発光素子および受光素子が、その電子集積回路装置の下において隣接する光導波路について交互に位置をずらせて配置されているときには、光導波路の間隔を広げることなく、発光素子および受光素子間、ならびにそれら発光素子および受光素子が接続される電気配線の位置もそれに対応してずらせて配置することによりそれら電気配線間の距離を長くして配置することができ、受発光素子間の電気的なクロストークを小さくすることができ、より高密度の光配線を実現することができる。
【００６８】
また、本発明の半導体装置によれば、交互に位置をずらせて配置された発光素子および受光素子が、同じ電子集積回路装置の下においてそれぞれ複数個が一体的にアレイ状に設けられているときには、発光素子および受光素子のアレイを支持基板上にそれぞれ配置するのみでこの半導体装置を製造できるため、複数の発光素子および受光素子をそれぞれ個別に基板上に配置する必要が無く、この半導体装置を製造する際の発光素子および受光素子を支持基板上に配置する工数およびコストを低減することができ、複数の発光素子および受光素子の位置ずれが小さくなるので、光信号伝搬の損失を小さくすることができる。
【００６９】
以上により、本発明によれば、高密度配置された隣接する光導波路に結合された受光素子へのクロストークを低減するとともに、電気配線間の電気的クロストークも低減した、光送受信システムに好適な半導体装置を提供することができ、低コストで、およびより小さな損失で製造することができる半導体装置を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す上面図および断面図である。
【図２】本発明の半導体装置の実施の形態の他の例を示す上面図である。
【図３】本発明の半導体装置の実施の形態のさらに他の例を示す上面図である。
【図４】本発明の半導体装置の実施の形態のさらに他の例を示す上面図である。
【図５】従来の半導体装置の例を示す断面図である。
【図６】従来の半導体装置の例を示す断面図である。
【図７】従来の半導体装置の例を示す一部破断斜視図である。
【図８】隣接する光導波路に結合された受光素子へのクロストーク量の計算値結果を示す線図である。
【符号の説明】
１・・・・支持基板
２・・・・電子集積回路装置
３・・・・導体バンプ
４・・・・発光素子
５・・・・受光素子
６・・・・光導波路
７・・・・発光素子アレイ
８・・・・受光素子アレイ
９・・・・電子集積回路素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is used in an information processing system using optical transmission / reception, and a plurality of electronic integrated circuit devices arranged on a support substrate and signal transmission between these electronic integrated circuit devices provided on the support substrate. The present invention relates to a semiconductor device including a light receiving element, a light emitting element, and an optical waveguide for performing signal exchange using light between electronic integrated circuit devices.
[0002]
[Prior art]
Advances in IC (integrated circuit) technology and LSI (large-scale integrated circuit) technology, which are technologies related to electronic integrated circuit elements, have improved their operating speed and integration scale, resulting in high MPU (Micro-Processing Unit). Improvements in performance and high speed and large capacity of memory chips are progressing rapidly. Under these circumstances, especially when high-speed digital signal transmission and a high-speed bus between the MPU and the memory chip are required, electrical signal delay and crosstalk deterioration due to high-speed and high-density signal wiring are high performance. It has become an obstacle to conversion. The use of optical wiring (optical interconnection) has attracted attention as a technology that can solve this problem. This optical wiring is considered to be applicable at various levels such as between equipment devices, between boards in equipment equipment, between chips in board, etc. For example, for signal transmission over a relatively short distance, such as between chips on a board. An optical transmission / reception system using an optical waveguide as an optical signal transmission path is effective.
[0003]
Regarding a semiconductor device used in an optical transmission / reception system using such an optical wiring, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 5-48073 discloses an optoelectronic integrated circuit chip in which an electronic element integrated circuit and an optical element are provided on the same substrate. There is disclosed a semiconductor device having a support substrate on which a plurality of optical waveguides are disposed and an optical waveguide is provided, and the chip is disposed at a position where the optical element and the optical waveguide are optically connected. Has been.
[0004]
As shown in the cross-sectional views of FIGS. 5 and 6 and the partially broken perspective view of FIG. 7, this semiconductor device has an optical waveguide 25 and a metal wiring 26 formed on a Si substrate 28. 20. A chip 23 of an optoelectronic integrated circuit in which a laser diode 21 and an electronic integrated circuit are arranged on the same chip is attached to the Si substrate 28, and the chip 23 includes a photodiode 20, a laser diode 21, and an optical waveguide 25. Are aligned so that the metal wiring 26 on the Si substrate 28 and the bonding pad on the chip 23 are electrically connected.
[0005]
According to this configuration, the chip 23 of the optoelectronic integrated circuit in which the optical elements such as the laser diode 21 and the photodiode 20 are arranged on the semiconductor substrate of the electronic integrated circuit in which the electronic elements are integrated is used, and signal transmission between the chips 23 is performed. Since the optical signal is transmitted through the optical waveguide 25 instead of the electrical wiring, the delay due to the resistance, capacitance, and inductance of the wiring between the chips 23 is eliminated. Further, since the optical waveguide 25 for transmitting an optical signal is patterned by photolithography in the same manner as the conventional electric wiring, it is excellent in manufacturing yield and reliability. Furthermore, the delay due to the resistance, capacitance, and inductance of the electrical wiring between the chips 23 of the multi-chip semiconductor device is eliminated, so that the processing speed of the system in the package is improved by about 50%, and the optical signal transmitting the optical signal is increased. Since the waveguide 25 is patterned by photolithography in the same manner as the conventional electric wiring, the manufacturing yield and reliability equivalent to those of the electric wiring are obtained.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, Japanese Patent Laid-Open No. 5-48073 which discloses the semiconductor device shown in FIGS. 5 to 7 does not have a detailed description regarding the arrangement direction of the light emitting element and the light receiving element, and the arrangement as shown in FIGS. Then, when a plurality of photodiodes 20 that are light receiving elements, laser diodes 21 that are light emitting elements, and optical waveguides 25 are arranged adjacent to each other, the propagation directions of the light in the adjacent optical waveguides 25 are the same. In order to avoid light leakage (crosstalk) to the light receiving element 20 coupled to the waveguide 25, it is necessary to widen the interval between the optical waveguides 25, which hinders high integration.
[0007]
As an example, when the refractive index difference (Δn) between the core portion and the cladding portion of the optical waveguide is 0.3% and the optical waveguide length is 20 mm, the calculated value of the crosstalk amount to the light receiving element coupled to the adjacent optical waveguide Is shown diagrammatically in FIG. In FIG. 8, the horizontal axis represents the interval between adjacent optical waveguides (unit: μm), the vertical axis represents the amount of crosstalk between the optical waveguides (unit: dB), and the black square plot and characteristic curve are the amount of crosstalk. Shows changes. The result shown in FIG. 8 shows that when the amount of crosstalk to a light receiving element coupled to an adjacent optical waveguide is to be suppressed to 20 dB or less as an example, the interval between adjacent optical waveguides needs to be 22 μm or more. It shows that there is.
[0008]
Further, in the conventional semiconductor device as described above, when a plurality of light receiving elements / light emitting elements and optical waveguides are arranged adjacent to each other, electrical crosstalk occurs between electrical wirings (not shown) connected to the light receiving elements and the light emitting elements. There was a problem such as.
[0009]
The present invention has been completed as a result of diligent research by the inventor in view of the above circumstances, and its purpose is to reduce crosstalk to light receiving elements coupled to adjacent optical waveguides arranged at high density. Another object of the present invention is to provide a semiconductor device suitable for an information processing system using optical transmission / reception.
[0010]
Another object of the present invention is to use optical transmission / reception that reduces crosstalk to light receiving elements coupled to adjacent optical waveguides arranged at high density and also reduces electrical crosstalk between electrical wirings. Another object of the present invention is to provide a semiconductor device suitable for the information processing system.
[0011]
Still another object of the present invention is to provide a semiconductor device that can be manufactured at low cost and with less loss.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
  The semiconductor device of the present invention comprises a support substrate.When,
The support substrateaboveFirst connected and fixed by a conductor bumpElectronic integrated circuit deviceAnd a second electronic integrated circuit deviceMultipleAn electronic integrated circuit device of
  On the support substrate andSaidFirstLocated under the electronic integrated circuit device,The firstConverts electrical signals output from electronic integrated circuit devices into optical signalsFirstLight emitting elementWhen,
Located on the support substrate and below the first electronic integrated circuit device;Convert optical signals into electrical signalsThe firstInput to electronic integrated circuit deviceFirstA light receiving element;
  A second light emitting element that is located on the support substrate and below the second electronic integrated circuit device, and that converts an electrical signal output from the second electronic integrated circuit device into an optical signal;
A second signal located on the support substrate and below the second electronic integrated circuit device, which converts an optical signal of the first light emitting element into an electric signal and inputs the electric signal to the second electronic integrated circuit device. A light receiving element;
  The firstWith light emitting elementsThe secondConnecting the light receiving elementA first optical waveguide; and a second optical waveguide connecting the second light emitting element and the first light receiving element and having a portion disposed along the first optical waveguide; Located on the support substrateA plurality of optical waveguides;
Is provided,
  Light propagation direction and the portion in the first optical waveguideLight propagation directionWhenIs the reverse direction.
[0013]
  Further, the semiconductor device of the present invention has the above structure,The first light-emitting element and the first light-receiving element are alternately shifted in position, and the second light-emitting element and the second light-receiving element areIt is characterized in that the positions are alternately shifted.
[0014]
  Further, the semiconductor device of the present invention has the above structure,Under the first electronic integrated circuit device, the firstLight emitting elementAre integrally provided in an array, and the firstA plurality of light receiving elements are integrally provided in an array.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
According to the semiconductor device of the present invention, a plurality of electronic integrated circuit devices are arranged on a support substrate, and an electrical signal output from the electronic integrated circuit device is optically positioned under the electronic integrated circuit device. A light-emitting element that converts the light into a signal, a light-receiving element that converts the optical signal into an electric signal and inputs the electric signal to the electronic integrated circuit board, and a plurality of light beams that connect the light-emitting element and the light-receiving element between the electronic integrated circuit devices Since the light propagation direction in the adjacent optical waveguides is the reverse direction, the light propagation direction in the adjacent optical waveguides is the reverse direction. Even if the signal leaks, the light receiving element coupled to the optical waveguide is arranged on the opposite side of the direction of propagation of the leaked optical signal, so that the cross-over to the light receiving element coupled to the adjacent optical waveguide is performed. It is possible to reduce the click. In addition, since crosstalk between adjacent optical waveguides can be reduced, the interval between the adjacent optical waveguides can be narrowed, so that a higher-density optical wiring can be realized.
[0016]
Further, according to the semiconductor device of the present invention, the light emitting element and the light receiving element located under the same electronic integrated circuit device connected by the adjacent optical waveguide are alternately arranged with respect to the adjacent optical waveguide under the electronic integrated circuit device. When the positions are shifted, the distance between the light-emitting elements and the light-receiving elements and the position of the electrical wiring to which the light-emitting elements and the light-receiving elements are connected are shifted correspondingly without increasing the distance between the optical waveguides. Accordingly, the distance between the electric wirings can be increased, the electrical crosstalk between the light receiving and emitting elements can be reduced, and a higher density optical wiring can be realized.
[0017]
Further, according to the semiconductor device of the present invention, when a plurality of light emitting elements and light receiving elements, which are alternately shifted in position, are provided integrally in an array under the same electronic integrated circuit device. Since this semiconductor device can be manufactured only by arranging the array of light emitting elements and light receiving elements on the support substrate, there is no need to individually arrange the plurality of light emitting elements and light receiving elements on the substrate. The man-hours and cost of arranging the light emitting element and the light receiving element on the support substrate during manufacturing can be reduced, and the positional deviation of the plurality of light emitting elements and the light receiving elements is reduced, so that the loss of optical signal propagation is reduced. Can do.
[0018]
Hereinafter, a semiconductor device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0019]
1A and 1B are a top view and a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a semiconductor device of the present invention, respectively. FIG. 1A is a top view of the support substrate 1 on which the light emitting element 4, the light receiving element 5, and the optical waveguide 6 are formed, and FIG. 1B is an electronic integrated circuit on which an electronic integrated circuit element 9 is installed. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device of the present invention showing a state in which a circuit device 2 is connected and fixed on a support substrate 1 by conductor bumps 3. As shown in the cross-sectional view of the semiconductor device in FIG. 1B, the light emitting element 4 and the light receiving element 5 are optically connected by an optical waveguide 6 formed on the support substrate 1 in the same manner as these. In addition, the input / output of electric signals of the electronic integrated circuit device 2 is electrically connected to the light emitting element 4 and the light receiving element 5 by the conductor bump 3, and the electric signal is exchanged between these elements 4 and 5. Done. The electronic integrated circuit device 2 may be configured with the electronic integrated circuit element 9 installed on the substrate as in this example, or may be a so-called IC chip itself. . The semiconductor device of the present invention is characterized in that the light propagation direction is opposite in the plurality of adjacent optical waveguides 6 shown in FIG.
[0020]
Here, the light emitting element 4 and the light receiving element 5 provided on the support substrate 1 of the semiconductor device of the present invention will be described. The light emitting element 4 and the light receiving element 5 emit and receive optical signals, respectively, and optical elements used for optical communication or the like are used. More specifically, the light emitting element 4 corresponds to a light emitting diode (LED), a semiconductor laser (LD), or the like. The light receiving element 5 includes a pin type photodiode, an avalanche photodiode (APD), an MSM type photodiode, and the like. The light-emitting elements 4 and the light-receiving elements 5 are alternately arranged with respect to the adjacent optical waveguides 6 under the same electronic integrated circuit device 2, whereby the light propagation direction in the adjacent optical waveguides 6 is reverse. It is said that.
[0021]
In FIG. 1B, the surface-emitting light-emitting element 4 and the surface-receiving light-receiving element 5 are arranged on the support substrate 1 with their operation surfaces facing upward, and on the respective operation surfaces. The end of the optical waveguide 6 is disposed. Reflective surfaces made of slant surfaces are formed at the end portions of these optical waveguides 6, and light from the light emitting element 4 is reflected by the reflective surface on the light emitting element 4 and propagates through the optical waveguide 6. The light propagating through the light 6 is reflected by the reflecting surface on the light receiving element 5 and enters the light receiving element 5.
[0022]
Note that the light emitting element 4 and the light receiving element 5 are not limited to the surface operation type but may be an end surface light emitting type or an end surface light receiving type. In addition, the connection between the light emitting element 4 and the light receiving element 5 and the optical waveguide 6 may be a coupling through a grating in addition to a coupling through a reflecting surface, and a direct coupling at the element end faces of the light emitting element 4 and the light receiving element 5. Alternatively, a directional coupler structure may be used. Further, the light emitting element 4 and the light receiving element 5 may be disposed on the support substrate 1 above the optical waveguide 6.
[0023]
Next, FIG. 2 shows that the light emitting elements 4 and the light receiving elements 5 connected by the adjacent optical waveguides 6 are alternately shifted with respect to the adjacent optical waveguides 6 under the electronic integrated circuit device 2 (not shown). It is the same top view as FIG. 1A which shows the other example of embodiment of the semiconductor device of this invention arrange | positioned so that it may be located in what is called a zigzag shape. In FIG. 2, the same reference numerals are given to the same parts as in FIG. In this example, the light emitting element 4 (indicated by a diagonal line rising to the right in the drawing) and the light receiving element 5 (indicated by a diagonal line in the upward direction to the left) provided on the support substrate 1 are disposed below the electronic integrated circuit device 2. In FIG. 5, the adjacent optical waveguides 6 are arranged in a zigzag shape with their positions alternately shifted. The light emitting element 4 and the light receiving element 5 electrically connected to the electronic integrated circuit device 2 between the electronic integrated circuit substrates 2 (not shown) are connected to the light emitting element 4 between the respective electronic integrated circuit devices 2. The light receiving element 5 is connected by an optical waveguide 6 so as to be optically connected, and the light propagation direction in the adjacent optical waveguide 6 under the electronic integrated circuit device 2 is reversed.
[0024]
On the support substrate 1 in which the light-emitting elements 4 and the light-receiving elements 5 are alternately shifted with respect to the adjacent optical waveguides 6 and arranged in a zigzag shape, two electronic integrated circuit substrates 2 not shown in FIG. Similarly to the example shown in FIG. 2B, the conductor bumps 3 are not shown in FIG. 2 and are electrically connected to the light emitting element 4 and the light receiving element 5 by the conductor bumps 3 to exchange electric signals. .
[0025]
In such an example of the semiconductor device of the present invention, when the light-emitting elements 4 and the light-receiving elements 5 are arranged in a zigzag pattern with the positions being shifted alternately, the interval between the light-emitting elements 4 and the light-receiving elements 5 is arranged. Is caused to cause erroneous signal transmission due to crosstalk between electrical wirings (not shown) to which the light emitting element 4 and the light receiving element 5 are connected, respectively. It is desirable that the length be longer than the length at which crosstalk between connected electrical wirings (not shown) does not occur. Such a length is, for example, 10 μm to 20 μm or more.
[0026]
Next, FIG. 3 shows a plurality of light-emitting elements 4 and light-receiving elements 5 that are arranged in a zigzag manner with the optical waveguides 6 adjacent to each other below the electronic integrated circuit device 2 (not shown) on the support substrate 1. FIG. 1A and FIG. 2 showing still another example of the embodiment of the semiconductor device according to the present invention, in which the elements are integrally provided in an array to form a light receiving element array and a light emitting element array. It is the same top view. In FIG. 3 as well, the same parts as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals. In this example, the light-emitting elements 4 and the light-receiving elements 5 provided on the support substrate 1 under the electronic integrated circuit device 2 are arranged in a zigzag pattern with their positions shifted with respect to the adjacent optical waveguides 6. A plurality of the light emitting elements 4 and the light receiving elements 5 are integrally provided as a light emitting element array 7 and a light receiving element array 8 in an array.
[0027]
Here, the plurality of light-emitting elements 4 and light-receiving elements 5 are integrally provided in an array form that the light-emitting elements 4 and the light-receiving elements 5 are each formed monolithically on a single substrate, or hybridized. By being mounted and arranged, it means that the light emitting element array 7 and the light receiving element array 8 are as shown in FIG.
[0028]
Between the electronic integrated circuit device 2 of the light emitting element 4 and the light receiving element 5 in the light emitting element array 7 and the light receiving element array 8 electrically connected to the electronic integrated circuit substrate 2 (not shown) arranged adjacent to each other. Are connected by an optical waveguide 6 so that the respective light-emitting elements 4 and light-receiving elements 5 are optically connected, and the light propagation direction in the adjacent optical waveguides 6 is reversed.
[0029]
The light emitting element 4 and the light receiving element 5 are provided as the light emitting element array 7 and the light receiving element array 8, and the light emitting element 4 and the light receiving element 5 are alternately positioned with respect to the adjacent optical waveguide 6 under the electronic integrated circuit device 2 (not shown). As shown in FIG. 1B, two electronic integrated circuit devices 2 (not shown) are provided on the support substrate 1 arranged in a zigzag pattern with the conductors not shown in FIG. The bumps 3 are arranged on the support substrate 1 and are electrically connected to the light emitting element 4 and the light receiving element 5 by the conductor bumps 3 to exchange electric signals.
[0030]
A process example of the manufacturing method of such a semiconductor device of the present invention will be described.
[0031]
First, a plurality of optical waveguides 6 are formed on the surface of the support substrate 1. The support substrate 1 serves as a support substrate for the light emitting element 4, the light receiving element 5, the optical waveguide 6, and the electronic integrated circuit device 2, and the high frequency of various optical elements, optical components, semiconductor elements, and the like by forming electrical wirings and the like. Electronic components are mounted. As the support substrate 1, for example, a silicon substrate, an alumina substrate, a glass ceramic substrate, a mullite substrate, an aluminum nitride substrate, a polyimide substrate, an epoxy substrate and the like are used in addition to a glass substrate.
[0032]
The optical waveguide 6 is for connecting an optical signal between the light emitting element 4 and the light receiving element 5 and includes a core part and a clad part. As a material for forming the optical waveguide 6 composed of the core portion and the clad portion, a material usually used as an optical waveguide can be used, and there is no particular limitation. Specifically, inorganic optical materials such as quartz and glass, PMMA (polymethyl methacrylate), polycarbonate, acrylate, fluorinated acrylate, polyetherimide, polyimide, BCB (benzocyclobutene), fluorinated polyimide, fluorine Common organic optical materials such as resin, deuterated PMMA, deuterated silicone, siloxane polymer, polystyrene, and polysilane can be used.
[0033]
As a method of forming the optical waveguide 6 using these materials, a general method of forming an optical waveguide can be used, and there is no particular limitation. Specifically, these materials are formed on the support substrate 1 by, for example, thermal evaporation, sputtering, CVD, polymerization, thermal diffusion, ion exchange, ion implantation, epitaxial growth, spin coating, or printing. Is formed, patterned into a waveguide shape by well-known photolithography, and processed into a desired waveguide shape by a wet or dry etching method or the like.
[0034]
Next, separately from the step of forming the optical waveguide 6 on the surface of the support substrate 1 described above, the light emitting element 4 and the light receiving element 5 are installed on the support substrate 1. The light emitting element 4 and the light receiving element 5 emit and receive optical signals, respectively.
[0035]
As a method of installing the light emitting element 4 and the light receiving element 5 on the support substrate 1, the light emitting element 4 and the light receiving element 5 are prepared separately from the substrate of the support substrate 1, and then they are arranged on the support substrate 1. Alternatively, the light emitting element 4 and the light receiving element 5 may be installed directly on the support substrate 1. At this time, the light emitting element 4 and the light receiving element 5 are arranged so that the light propagation direction in the adjacent optical waveguides 6 is opposite.
[0036]
When the electronic integrated circuit device 9 is installed on a so-called electronic integrated circuit device mounting substrate such as a chip size package substrate, a multi-chip module substrate, or an interposer, the electronic integrated circuit device 2 is a silicon substrate, Multiple or single electronic integrated circuit elements that process electrical signals such as semiconductor recording devices and microprocessors on circuit boards made of alumina substrates, glass ceramic substrates, mullite substrates, aluminum nitride substrates, polyimide substrates, epoxy substrates, etc. 9 is installed. Further, the electronic integrated circuit element 9, that is, a so-called IC chip itself may be used as an electronic integrated circuit device.
[0037]
Finally, the light emitting element 4 and the light receiving element 5 are installed, and the electronic integrated circuit device 2 is disposed on the support substrate 1 connected by the optical waveguide 6 via the conductor bumps 3, so that the semiconductor device of the present invention is provided. It becomes.
[0038]
When manufacturing the semiconductor device of the present invention in this way, the light emitting elements 4 and the light receiving elements 5 connected by the adjacent optical waveguides 6 in the support substrate 1 are arranged so as to be alternately shifted, and finally light emission is performed. By disposing the electronic integrated circuit device 2 via the conductor bump 3 on the support substrate 1 in which the element 4 and the light receiving element 5 are installed and connected by the optical waveguide 6, In the semiconductor device of the present invention, the light emitting element 4 and the light receiving element 5 connected by the adjacent optical waveguides 6 are alternately arranged with respect to the adjacent optical waveguides 6.
[0039]
Further, when the light emitting element 4 and the light receiving element 5 connected by the adjacent optical waveguide 6 are installed on the support substrate 1, the light emitting elements arranged in a zigzag pattern alternately shifted under the electronic integrated circuit device 2. 4 and the light receiving element 5 are installed as a light emitting element array 7 and a light receiving element array 8 in which a plurality of light receiving elements 5 are integrally provided in an array, and on the support substrate 1 on which the light emitting element 4 and the light receiving element 5 are thus installed. By disposing the electronic integrated circuit device 2 via the conductor bumps 3, a plurality of light receiving elements 5 and light emitting elements 4 connected by the optical waveguide 6 adjacent below the electronic integrated circuit device 2 are integrated. The semiconductor device of the present invention is provided in an array.
[0040]
【Example】
Next, examples of the semiconductor device of the present invention will be described.
[0041]
[Example 1]
First, an MSM type photodiode as a light receiving element and a surface emitting semiconductor laser as a light emitting element were arranged on an alumina electric circuit substrate serving as a support substrate so that their arrangement was alternated.
[0042]
Next, an organic solvent solution of siloxane polymer was applied to the surface of the support substrate by spin coating, and heat treatment was performed at 85 ° C./30 minutes and 270 ° C./30 minutes to form a lower cladding layer (refractive index of 1.4405) having a thickness of 8 μm. , Λ = 1.3 μm).
[0043]
Next, a mixed solution of siloxane polymer and tetra-n-butoxytitanium is applied onto the lower cladding layer by spin coating, and heat treatment is performed at 85 ° C./30 minutes and 150 ° C./30 minutes, and the thickness is 7 μm. A core layer (refractive index: 1.4450, λ = 1.3 μm) was formed.
[0044]
Next, an aluminum film having a thickness of 0.5 μm was formed on the core layer by sputtering.
[0045]
Next, a photoresist layer having a thickness of 1 μm was formed on the aluminum film by spin coating.
[0046]
Next, after exposure and development using a photomask, the aluminum film was etched with a mixed solution of acetic acid, nitric acid, and phosphoric acid, thereby transferring the pattern to be the core portion of the optical waveguide to the aluminum film.
[0047]
Next, using this aluminum film pattern as a mask, CF_FourGas and O₂The core layer was etched by RIE (reactive ion etching) using gas to form the core portion of the optical waveguide.
[0048]
Next, after removing the pattern of the aluminum film, an organic solvent solution of siloxane polymer is applied onto the core portion and the lower cladding layer by a spin coating method, and heat treatment is performed at 85 ° C./30 minutes and 270 ° C./30 minutes, An upper cladding layer (refractive index: 1.4405, λ = 1.3 μm) having a thickness of 8 μm was formed.
[0049]
Thus, an optical waveguide for connecting the light emitting element and the light receiving element between the plurality of electronic integrated circuit devices was formed on the support substrate on which the light emitting element and the light receiving element were arranged.
[0050]
Thereafter, on the support substrate on which the light emitting element and the light receiving element are disposed, the electronic integrated circuit device is disposed through the conductor bump so that the light emitting element and the light receiving element are connected to each other between the electronic integrated circuit devices. did.
[0051]
Accordingly, a plurality of electronic integrated circuit devices are arranged on the support substrate, and the light emitting elements and the light receiving elements are alternately provided so as to be positioned under the electronic integrated circuit devices. Thus, a semiconductor device according to the present invention was produced in which a plurality of optical waveguides connecting the light emitting element and the light receiving element were provided, and the light propagation direction in these adjacent optical waveguides was reversed.
[0052]
Using the semiconductor device of the present invention obtained as described above and a conventional semiconductor device, the amount of crosstalk to the light receiving element coupled to two adjacent optical waveguides was measured. In this measurement, first, the light output from one light emitting element propagates through the optical waveguide connected to the light emitting element, and the output received by the light receiving element connected to the optical waveguide is measured. Output A. Further, the output received by the light receiving element connected to the adjacent optical waveguide was measured. Here, in the conventional semiconductor device, the result when the light receiving elements connected to the adjacent optical waveguides are in the same column as the light receiving elements of output A is defined as output B. Further, in the semiconductor device of the present invention, the output C was the result when the light receiving elements connected to the adjacent optical waveguides were in the same column as the light emitting elements of output A.
[0053]
As a result, the crosstalk amount in the conventional semiconductor device, that is, the output B is about 0.1% to 1% of the output A, whereas the crosstalk amount in the semiconductor device of the present invention, that is, the output C is equal to the output A. Thus, the effect of reducing crosstalk by the semiconductor device of the present invention was confirmed.
[0054]
[Example 2]
When manufacturing the semiconductor device of the present invention in the same manner as in [Embodiment 1], an MSM photodiode is used as a light receiving element, a surface emitting semiconductor laser is used as a light emitting element, and the arrangement is alternately arranged on the support substrate. The element and the light receiving element were arranged in a zigzag so as to be shifted by 20 μm.
[0055]
Thus, a plurality of electronic integrated circuit devices are arranged on the support substrate, and the light emitting elements and the light receiving elements are alternately provided in a zigzag manner, and the light emitting elements and the light receiving elements are connected between the electronic integrated circuit devices. A semiconductor device according to the present invention was fabricated in which a plurality of optical waveguides were provided, and the light propagation direction in the adjacent optical waveguides was reversed.
[0056]
Using the semiconductor device of the present invention obtained as described above and the conventional semiconductor device compared in Example 1, the amount of crosstalk to the light receiving element coupled to the two optical waveguides is measured. did. In this measurement, first, the light output from one light emitting element propagates through the optical waveguide connected to the light emitting element, and the output received by the light receiving element connected to the optical waveguide is measured. Output A. Next, the output received by the light receiving element connected to the adjacent optical waveguide was measured. Here, in the conventional semiconductor device, the result when the light receiving elements connected to the adjacent optical waveguides are in the same column as the light receiving elements of output A is defined as output B. In the semiconductor device of the present invention, the output C is the result when the light receiving elements connected to the adjacent optical waveguides are in the same column as the light emitting elements of the output A. As a result, the crosstalk amount in the conventional semiconductor device, that is, the output B is about 0.1% to 1% of the output A, whereas the crosstalk amount in the semiconductor device of the present invention, that is, the output C is equal to the output A. The effect of reducing crosstalk by the semiconductor device of the present invention was confirmed.
[0057]
Furthermore, when comparing the electrical crosstalk between the electrical wiring to which the light emitting element and the light receiving element are connected in the electronic integrated circuit device, the crosstalk in the conventional semiconductor device was about 0.1%. The crosstalk in the semiconductor device of the invention is about 0.001% or less, and the effect of electrical crosstalk reduction by the semiconductor device of the invention could be confirmed.
[0058]
[Example 3]
When manufacturing the semiconductor device of the present invention in the same manner as in [Example 1], an MSM type photodiode as a light receiving element, a surface emitting semiconductor laser as a light emitting element, and the light receiving element and the light emitting element are each integrated at intervals of 40 μm. The light emitting element and the light receiving element are arranged so that the arrangement is alternately arranged and the positions of the light emitting element and the light receiving element are shifted by 20 μm.
[0059]
As a result, a plurality of electronic integrated circuit devices are arranged on the support substrate, and an array in which a plurality of light emitting elements and light receiving elements are alternately shifted to form a plurality of pieces is arranged. A semiconductor device of the present invention in which a plurality of optical waveguides for connecting a light emitting element and a light receiving element are provided between electronic integrated circuit devices and the light propagation direction in the adjacent optical waveguides is reversed is manufactured. did.
[0060]
Using the semiconductor device of the present invention obtained as described above and the conventional semiconductor device compared in Example 1, the amount of crosstalk to the light receiving element coupled to the two optical waveguides is measured. did. In this measurement, first, the light output from one light emitting element propagates through the optical waveguide connected to the light emitting element, and the output received by the light receiving element connected to the optical waveguide is measured. Output A. Next, the output received by the light receiving element connected to the adjacent optical waveguide was measured. Here, in the conventional semiconductor device, the result when the light receiving elements connected to the adjacent optical waveguides are in the same column as the light receiving elements of output A is defined as output B. In the semiconductor device of the present invention, the output C is the result when the light receiving elements connected to the adjacent optical waveguides are in the same column as the light emitting elements of the output A. As a result, the crosstalk amount in the conventional semiconductor device, that is, the output B is about 0.1% to 1% of the output A, whereas the crosstalk amount in the semiconductor device of the present invention, that is, the output C is equal to the output A. The effect of reducing crosstalk by the semiconductor device of the present invention was confirmed.
[0061]
Furthermore, when comparing the electrical crosstalk between the electrical wiring to which the light emitting element and the light receiving element are connected in the electronic integrated circuit device, the crosstalk in the conventional semiconductor device was about 0.1%. The crosstalk in the semiconductor device of the invention is about 0.001% or less, and the effect of electrical crosstalk reduction by the semiconductor device of the invention could be confirmed.
[0062]
Furthermore, the displacement amount of the connection position between each light emitting element and each light receiving element and the optical waveguide connected thereto in the arrangement process of the light emitting element and the light receiving element respectively arrayed with the optical waveguide is also different in the conventional semiconductor device. The deviation amount is about 0.5 μm, whereas the deviation amount in the semiconductor element of the present invention is about 0.1 μm or less. According to the semiconductor device of the present invention, the light emitting element and the light receiving element are compared with the conventional semiconductor device. It has been confirmed that there is an effect in improving the alignment accuracy with the optical waveguide.
[0063]
In addition, this invention is not limited to the example of the above embodiment at all, and various changes may be added without departing from the gist of the present invention.
[0064]
For example, the optical waveguide is not limited to the optical waveguide formed on the support substrate, but may be a film-shaped optical waveguide formed by peeling off the optical waveguide separately formed on the substrate. Further, the optical waveguide may be branched into a plurality of parts in order to connect one light emitting element and a plurality of light receiving elements, or in order to connect one light receiving element and a plurality of light emitting elements.
[0065]
The direction of connection of the optical waveguide 6 from one electronic integrated circuit device 2 to another electronic integrated circuit device 2 is not limited to one direction as shown in FIGS. As shown in a top view (only a part is shown) of the support substrate 1 in FIG. 4, light from the light emitting elements 4 and the light receiving elements 5 arranged alternately in a plurality of directions (four directions in the example shown in FIG. 4). The waveguide 6 may be connected.
[0066]
【The invention's effect】
According to the semiconductor device of the present invention, a plurality of electronic integrated circuit devices are arranged on a support substrate, and an electrical signal output from the electronic integrated circuit device is optically located under the electronic integrated circuit device. A light-emitting element that converts the light signal into a signal, a light-receiving element that converts the optical signal into an electrical signal and inputs the signal to the electronic integrated circuit device, and a plurality of light beams that connect the light-emitting element and the light-receiving element between the electronic integrated circuit devices Since the light propagation direction in the adjacent optical waveguides is the reverse direction, the light propagation direction in the adjacent optical waveguides is the reverse direction. Even if the signal leaks, the light receiving element coupled to the optical waveguide is arranged on the opposite side of the direction of propagation of the leaked optical signal, so that the cross-over to the light receiving element coupled to the adjacent optical waveguide is performed. It is possible to reduce the click. In addition, since crosstalk between adjacent optical waveguides can be reduced, the interval between the adjacent optical waveguides can be narrowed, so that a higher-density optical wiring can be realized.
[0067]
Further, according to the semiconductor device of the present invention, the light emitting element and the light receiving element located under the same electronic integrated circuit device connected by the adjacent optical waveguide are alternately arranged with respect to the adjacent optical waveguide under the electronic integrated circuit device. When the positions are shifted, the distance between the light-emitting elements and the light-receiving elements and the position of the electrical wiring to which the light-emitting elements and the light-receiving elements are connected are shifted correspondingly without increasing the distance between the optical waveguides. Accordingly, the distance between the electric wirings can be increased, the electrical crosstalk between the light receiving and emitting elements can be reduced, and a higher density optical wiring can be realized.
[0068]
Further, according to the semiconductor device of the present invention, when a plurality of light emitting elements and light receiving elements, which are alternately shifted in position, are provided integrally in an array under the same electronic integrated circuit device. Since this semiconductor device can be manufactured only by arranging the array of light emitting elements and light receiving elements on the support substrate, there is no need to individually arrange the plurality of light emitting elements and light receiving elements on the substrate. The man-hours and cost of arranging the light emitting element and the light receiving element on the support substrate during manufacturing can be reduced, and the positional deviation of the plurality of light emitting elements and the light receiving elements is reduced, so that the loss of optical signal propagation is reduced. Can do.
[0069]
As described above, according to the present invention, it is suitable for an optical transmission / reception system that reduces crosstalk to light receiving elements coupled to adjacent optical waveguides arranged at high density, and also reduces electrical crosstalk between electrical wirings. A semiconductor device that can be manufactured at a low cost and with a smaller loss can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are a top view and a cross-sectional view, respectively, showing an example of an embodiment of a semiconductor device of the present invention.
FIG. 2 is a top view showing another example of the embodiment of the semiconductor device of the present invention.
FIG. 3 is a top view showing still another example of the embodiment of the semiconductor device of the present invention.
FIG. 4 is a top view showing still another example of the embodiment of the semiconductor device of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of a conventional semiconductor device.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an example of a conventional semiconductor device.
FIG. 7 is a partially broken perspective view showing an example of a conventional semiconductor device.
FIG. 8 is a diagram showing a calculated value result of a crosstalk amount to a light receiving element coupled to an adjacent optical waveguide.
[Explanation of symbols]
1 ... Support substrate
2 ... Electronic integrated circuit device
3 ... Conductor bump
4. Light emitting element
5... Light receiving element
6. Optical waveguide
7. Light emitting element array
8 ... light receiving element array
9 ... Electronic integrated circuit elements

Claims

A support substrate ;
A plurality of electronic integrated circuit devices including a first electronic integrated circuit device and a second electronic integrated circuit device connected and fixed on the support substrate by conductor bumps ;
A first light emitting element for converting located below said and said first electronic integrated circuit device on a supporting substrate, an electric signal output from said first electronic integrated circuit device the optical signal,
A first light receiving element located on the support substrate and under the first electronic integrated circuit device, for converting an optical signal into an electric signal and inputting the electric signal to the first electronic integrated circuit device;
A second light emitting element that is located on the support substrate and below the second electronic integrated circuit device, and that converts an electrical signal output from the second electronic integrated circuit device into an optical signal;
A second signal located on the support substrate and below the second electronic integrated circuit device, which converts an optical signal of the first light emitting element into an electric signal and inputs the electric signal to the second electronic integrated circuit device. A light receiving element;
A first optical waveguide connecting the first light emitting element and the second light receiving element, and connecting the second light emitting element and the first light receiving element, along the first optical waveguide. A plurality of optical waveguides located on the support substrate, and a second optical waveguide having a portion disposed in a row ,
Is provided,
The semiconductor device characterized by the propagation direction of light is the reverse of the site and the propagation direction of the light in the first optical waveguide.

The first light-emitting element and the first light-receiving element are alternately arranged in a shifted position, and the second light-emitting element and the second light-receiving element are alternately arranged in a shifted position. The semiconductor device according to claim 1.

Under the first electronic integrated circuit device,
3. The semiconductor device according to claim 2 , wherein a plurality of the first light emitting elements are integrally provided in an array, and the plurality of the first light receiving elements are integrally provided in an array.