JP5370365B2

JP5370365B2 - 光配線構造

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Publication number: JP5370365B2
Application number: JP2010519711A
Authority: JP
Inventors: 隆徳清水
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2008-07-07
Filing date: 2009-06-19
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2029-06-19
Also published as: WO2010004850A1; JPWO2010004850A1

Description

本発明は、チップ上やチップ間での光配線を有するＬＳＩの光配線構造に関し、特に光と電気の変換素子を有する光配線構造に関する。

トランジスターの小型化に伴い、半導体集積回路の集積度は向上し、電気信号の処理速度も向上し続けている。この中で、半導体集積回路における電気配線での信号伝送においては、特にチップ内においても比較的長距離な配線であるグローバル配線では、配線遅延や信号のスキューおよびジッターなどの問題が発生しつつある。また、隣り合う電気配線間のクロストークによる信号劣化や、半導体集積回路の周辺からのノイズによる影響も受ける問題がある。

これらの課題の解決方法の１つとして、半導体集積回路の電気配線の一部を光による配線構造（光配線構造）に置き換える技術が開発されている。光配線構造の一例として、電気配線層の上に、半導体集積回路とは別の基板上に形成した光配線層を貼り合わせて作製したものが提案されている（例えば、文献１：西研一、大橋啓之、「［招待講演］ＬＳＩオンチップ光配線技術」、信学技法、第１０７巻、第３７２号、ＬＱＥ２００７−１１８、２７〜３２頁、２００７年、の図３）。この技術において、光配線層においては、光信号を導波させる光導波路、半導体集積回路からの電気信号を光信号へ変換させる光変調素子、および、伝搬してきた光信号を電気信号へと変換させる受光素子などが用いられている。光変調素子への信号は、半導体集積回路を含む半導体層から電気的に伝搬され、また受光素子からの電気信号は、半導体層へと電気的な接続を通して伝搬される。

しかしながら、上述したようなＬＳＩ光配線構造は、外部との光結合で発生する迷光、光変調器のドライバで発生する電磁ノイズ、および外界の電磁ノイズなどの影響を、受光器側で受けてしまうという問題があった。光配線構造における迷光や電磁ノイズなどに対する対策として、個別の素子をコバールなどのパッケージに収容する技術があるが、同様の構成を集積チップの中に適用することは容易ではない。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、光配線構造における迷光や電磁ノイズが抑制できるようにすることを目的とする。

本発明に係る光配線構造は、光素子およびこの光素子に接続する光回路を備える光配線層と、光素子の入出力電気回路を有する電気回路層および入出力電気回路に接続する配線を有する電気配線層を備える半導体集積回路層と、光素子および入出力電気回路を接続する電気配線と、光配線層の平面方向において光素子を囲って光素子の周囲に配置された導電性材料よりなる遮蔽構造体とを少なくとも備え、遮蔽構造体は、光配線層の平面の法線方向に延在し、電気配線とは絶縁分離され、光回路を伝搬する光を吸収または散乱しない範囲で光素子に近設されているようにしたものである。

以上説明したように、本発明によれば、光配線層の平面方向において光素子を囲って光素子の周囲に配置された導電性材料よりなる遮蔽構造体を備えるようにしたので、光配線構造における迷光や電磁ノイズが抑制できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１における光配線構造の構成例を模式的に示す断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ’面の断面を模式的に示す断面図である。図３は、導電性ビア８１の寸法および配置について説明する説明図である。図４は、本発明の実施の形態１における光配線構造の動作を示す説明図である。図５は、本実施の形態２における光配線構造の構成を模式的に示す断面である。図６は、本実施の形態３における光配線構造の概略的な構成を模式的に示す断面図である。図７は、図６のＢ−Ｂ’面の断面を模式的に示す断面図である。図８は、本実施の形態４における光配線構造の概略的な構成を模式的に示す断面図である。図９は、図８のＣ−Ｃ’面の断面を模式的に示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について図１，図２，図３，および図４を用いて説明する。なお、図１は、本発明の実施の形態１における光配線構造の構成例を模式的に示す断面図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ’面の断面を模式的に示す断面図である。

本実施の形態における光配線構造は、半導体集積回路層(以下ＬＳＩ層と示す)４の上に接合層３および光配線層２を備える。ＬＳＩ層４と光配線層２とは、接合層３を介して貼り合わされている。

光配線層２は、光配線層基板２１と、この上に複数の受光器（光素子）５１および受光器５１に近設して配置された光導波路コア２２を備えている。光導波路コア２２により、光回路が構成されている。これらは、絶縁層２３内に配置され、例えば、光導波路コア２２に対して絶縁層２３がクラッドとして機能し、これらで光導波路が構成されている。また、受光器５１から電気信号を取り出すための配線ビア５３が、形成されている。配線ビア５３は、絶縁層２３の内部を、受光器５１から表層（ＬＳＩ層４の側）に向かって延在している。また、受光器５１の周囲には、複数の導電性ビア８１が配置されている。

光導波路コア２２は、外部からの光入力２４を接続する部分から、適宜分岐し、各々の受光器５１に接続されている。また、光配線層基板２１の上には内層グランド電極７１が形成され、絶縁層２３の表面（ＬＳＩ層４の側）には、表層グランド電極７２が形成されている。内層グランド電極７１および表層グランド電極７２は、各板状に形成され、内層グランド電極７１および表層グランド電極７２により、受光器５１および光導波路コア２２などの光回路を備える層が挟まれている。

ＬＳＩ層４は、ＬＳＩ基板４１の上に、電気回路層４２と電気配線層４３を積層して備える。電気回路層４２には、受光器５１の電気信号を増幅する電気アンプ５２が配置されている。また、電気配線層４３には、電気信号を電気アンプ５２へ送るための配線ビア５５が配置されている。配線ビア５５は、電気アンプ５２から表層（光配線層２の側）に向かって延在している。

接合層３は、光配線層２およびＬＳＩ層４の表層に形成された配線バンプ５４，導電性バンプ８２から主に構成されている。配線バンプ５４は、光配線層２の配線ビア５３とＬＳＩ層４の配線ビア５５とを接続し、導電性バンプ８２は、導電性ビア８１に接続している。

本実施の形態では、上述したように構成した光配線構造において、図２に示すように、光入力２４が入力される部分および配線ビア５３が形成されている部分（受光器５１の領域）に、複数の導電性ビア（遮蔽構造体）８１を配置したところに特徴がある。複数の導電性ビア８１は、光導波路コア２２を伝搬してくる信号光を吸収または散乱しない範囲で、受光器５１に近設する。導波路コア２２を挟む導電性ビア８１の間隔は、信号光のフィールド分布の幅（ピーク強度の1/e²の全幅）以上必要で、２倍程度あればよい。なお、光導波路コア２２を伝搬する光のフィールド分布はＢＰＭ（ビーム伝搬法；Beam Propagation Method）などにより求めることができる。

また、例えば、受光器５１の周囲においては、導電性ビア８１を、平面視でジグザグ状態となるように配置し、複数の導電性ビア８１により受光器５１が取り囲まれた状態とする。導電性ビア８１の寸法および配置は、例えば、図３に示すように、迷光９１の到達を抑制したい受光器５１を囲む面の法線Ｌから受光器５１をみたときに、導電性ビア８１が隙間なく埋まっていることでより効果を高めることができる。上記の関係を満たすには、導電性ビア８１の半径をｒ、導電性ビア８１の中心間の距離をａ、前記法線Ｌと導電性ビア８１の中心間を結ぶ線となす角をθとすると、ａ・ｓｉｎθ−２ｒ≦０を満たすようにすればよい。導電性ビア８１の配置は、上記のような２段だけでなく、３段以上で構成してもよいことは明白である。

また、導電性ビア８１は、内層グランド電極７１と表層グランド電極７２とに電気的に接続している。従って、複数の導電性ビア８１に周囲を囲われている受光器５１は、周囲に等電位面あるいはグランド面が形成されている状態となる。なお、配線ビア５３は、導電性ビア８１などとは絶縁分離されている。

また、光配線層２と同様に、電気アンプ５２を取り囲むように、内層グランド電極および表層グランド電極を形成してもよく、また、導電性ビアなどを形成してもよい。また、導電性バンプ８２は、ＬＳＩ層４側は電極パッドなどに接続するが、ＬＳＩ層４に内層グランド電極や、表層グランド電極、導電性ビアなどを構成した場合はそれらと接続してもよい。

配線ビア５３、配線ビア５５、配線バンプ５４、導電性ビア８１、および導電性バンプ８２は、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕなどの金属材料から構成することができる。これらは、めっき法などにより形成することができる。また、内層グランド電極７１および表層グランド電極７２は、ＣｕやＡｕなどを含む材料から構成することができる。これらは、例えば、スパッタ成膜やめっきなどの成膜方法により形成することができる。なお、配線ビアおよび導電性ビアの形成では、例えば、絶縁層２３に開口部を形成することになるが、これは、公知のリソグラフィー技術により形成したマスクパターンを用いたエッチングにより形成できる。また、このエッチングは、反応性イオンエッチング，ウェットエッチングなどである。また、上記開口部は、レーザ加工により形成してもよい。

なお、ＬＳＩ層４と光配線層２とは、配線バンプ５４および導電性バンプ８２の光配線層２あるいはＬＳＩ層４の一方の側に、ＡｕＳｎなどの半田材を設置して溶融接合することで、接続および貼り合わせをすることができる。また、各バンプの表面をプラズマ処理などにより活性化して直接接合してもよい。なお、半田材の形成方法については前述のビアおよびバンプの金属材料の作製方法と同様である。

次に、本実施の形態における光配線構造の動作について図２および図４を用いて説明する。外部光源などから入力される光入力２４は、光導波路コア２２に結合して光伝搬する。ここで、光導波路コア２２に結合されない成分が、迷光９１となる。この中で、光配線層２内を伝播する光配線層内迷光９１２は、光配線層内電磁波ノイズ９２２とともに、導電性ビア８１で散乱される。従って、例えば迷光の受光器５１に対する結合が、抑制されるようになる。

また、接合層３内を伝播する接合層内迷光９１３は、接合層内電磁波ノイズ９２３とともに表層グランド電極７２または導電性バンプ８２で反射される。また、光配線層基板２１内を伝播してきた基板伝播電磁波ノイズ９２１は、内層グランド電極７１で反射され、例えばＳｉより形成されている光配線層基板２１では、基板伝播迷光９１１は主に光配線層基板２１に吸収され、残りの部分は内層グランド電極７１で反射される。このため、迷光は、受光器５１に結合されず、受信信号光のみが受光器５１に結合する。

以上に説明したように、本実施の形態における光配線構造によれば、光配線層２内に遮光と電磁遮蔽をするための導電性ビアを配置した。この結果、本実施の形態によれば、外部光源などからの光入力を光配線層へ結合する際に発生する迷光や、光配線層や接合層の周囲から侵入してくる電磁波ノイズなどが遮断されるようになり、光配線構造における迷光や電磁ノイズが抑制できるようになる。また、導電性ビアに電気的に接続するグランド電極を備えることで、上述した効果をより向上させることができる。なお、グランド電極は、迷光や電磁波ノイズなどから遮断したい対象の領域に渡って形成されていればよい。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図５を参照して説明する。図５は、本実施の形態２における光配線構造の構成を模式的に示す断面である。図５は、基板平面に平行な平面における光配線層２の断面を示しており、前述した実施の形態１の説明における図２と同様である。

本実施の形態における光配線構造では、光入力２４が入力される部分および配線ビア５３が形成されている部分（受光器５１の領域）に、一体に形成された壁状の構造体である導電性壁（遮蔽構造体）８１１を配置したところに特徴がある。例えば、配線ビア５３の領域では、光導波路コア２２には掛からないように、配線ビア５３を囲うように導電性壁８１１を形成する。導電性壁８１１は、前述した実施の形態１における導電性ビア８１を隙間なく配置した構造に対応し、より高い遮光の効果および電磁波遮断効果が得られる構成としている。なお、他の構成は、実施の形態１と同様であり、説明は省略する。

導電性壁８１１は、実施の形態１における導電性ビア８１と同様にすることで形成することができる。従って、導波路コア２２を挟む導電性壁８１１の隙間の幅も実施の形態１における導波路コア２２を挟む導電性ビア８１の間隔と等しくすればよい。また、導電性壁８１１は、例えば、光配線層２の全体の周囲を覆う廓状に形成してもよい。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について図６および図７を用いて説明する。図６は、本実施の形態３における光配線構造の概略的な構成を模式的に示す断面図である。また、図７は、図６のＢ−Ｂ’面の断面を模式的に示す断面図である。

本実施形態３における光配線構造は、光配線層２に光変調器（光素子）６１を備える。光変調器６１において、光変調器コア６１１は、光導波路コア２２に光接続されている。また、光変調器６１には、配線ビア６３が接続され、光変調器６１へ電気信号を送り込むことを可能にしている。配線ビア６３は、絶縁層２３の内部を、光変調器６１から表層（ＬＳＩ層４の側）に向かって延在している。

本実施の形態において、図７の平面図に示すように、光導波路コア２２は、外部からの光入力２４を接続する部分から、適宜分岐し、一方は受光器５１に接続し、他方は光変調器コア６１１に接続している。なお、本実施の形態では、光変調器６１を直線状のファブリペロー共振器型としたが、これに限るものではなく、マッハツェンダー型光変調器や、リング共振器型光変調器であってもよい。

また、ＬＳＩ層４では、電気回路層４２の光変調器６１に対応する部分では、光変調器６１に電気信号を送る変調器ドライバ６２を備え、電気配線層４３には、電気信号を光変調器６１へ送るための配線ビア６５が形成されている。配線ビア６５は、変調器ドライバ６２から光配線層２の側に向かって延在している。また、接合層３では、配線バンプ６４が、光配線層２の配線ビア６３とＬＳＩ層４の配線ビア６５とを接続している。なお、他の構成は、前述した実施の形態１と同様であり、説明は省略する。

本実施の形態３における光配線構造では、光変調器６１の動作において、変調器ドライバ６２で電磁波ノイズ９２（図７）が発生しても、表層グランド電極７２，導電性ビア８１，および導電性バンプ８２によって遮断されるため、絶縁層２３内で電磁波ノイズが伝播するのが防がれる。また、受光器５１の動作においては、例えば、変調器ドライバ６２で発生した電磁波ノイズが受光器５１の方に伝播してきても、接合層内電磁波ノイズとみなして遮断することが可能である。

［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４について図８，図９を参照して説明する。図８は、本実施の形態４における光配線構造の概略的な構成を模式的に示す断面図である。また、図９は、図８のＣ−Ｃ’面の断面を模式的に示す断面図である。

本実施の形態４では、光配線層２に放熱ビア８３を備え、接合層３に放熱ビア８３に接続する放熱バンプ８４を備え、加えて、強度保持バンプ８５を備えるようにした。放熱ビア８３および放熱バンプ８４は、ＬＳＩで発生する熱を逃がすためのものである。また、チップサイズが大きくなった場合など、受光器５１付近のバンプだけでは光配線層２とＬＳＩ層４の平行度や強度が十分保てない場合が発生するが、このような場合の強度を補強するために、強度保持バンプ８５を設ける。なお、強度保持バンプ８５に加え、強度保持のために、接合層３内にいわゆるアンダーフィルなどの充填材（接着剤）を配置して固定してもよい。

本発明は、例えば、ＬＳＩチップ上あるいはＬＳＩチップ間の光インターコネクションに好適である。
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、２００８年７月７日に出願された日本出願特願２００８−１７６６４１号を基礎とする優先権を主張し、その開示のすべてをここに取り込む。

Claims

光素子およびこの光素子に接続する光回路を備える光配線層と、
前記光素子の入出力電気回路を有する電気回路層および前記入出力電気回路に接続する配線を有する電気配線層を備える半導体集積回路層と、
前記光素子および前記入出力電気回路を接続する電気配線と、
前記光配線層の平面方向において前記光素子を囲って前記光素子の周囲に配置された導電性材料よりなる遮蔽構造体と
を少なくとも備え、
前記遮蔽構造体は、前記光配線層の平面の法線方向に延在し、前記電気配線とは絶縁分離され、前記光回路を伝搬する光を吸収または散乱しない範囲で前記光素子に近設されている
ことを特徴とする光配線構造。
請求項１記載の光配線構造において、
前記遮蔽構造体は、複数のビアから構成されていることを特徴とする光配線構造。
請求項１記載の光配線構造において、
前記遮蔽構造体は、一体に形成された壁状の構造体であることを特徴とする光配線構造。
請求項１記載の光配線構造において、
前記光配線層に設けられ、前記光素子および前記光回路が配置された領域を挟む２つのグランド電極を備え、これらグランド電極は前記遮蔽構造体に接続されていることを特徴とする光配線構造。
請求項１記載の光配線構造において、
前記光配線層の前記遮蔽構造体の周囲に配置された放熱ビアを備えることを特徴とする光配線構造。
請求項１記載の光配線構造において、
前記光配線層および前記半導体集積回路層の間に配置されて強度を補強するための強度保持バンプを備えることを特徴とする光配線構造。