JP5914559B2 - Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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本発明は、半導体チップ上に変調器やレーザ等の機能を有する機能部品を搭載した半導体デバイス、およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device in which functional parts having functions such as a modulator and a laser are mounted on a semiconductor chip, and a manufacturing method thereof.

近年の超高速光ファイバ伝送の進展に伴い、高密度な光集積回路を実現する技術が求められており、InPをはじめとする半導体をベースにした光半導体チップ、およびそれらをモジュールにした光半導体モジュールが実現されている。   With the progress of ultra-high-speed optical fiber transmission in recent years, there is a need for a technology that realizes a high-density optical integrated circuit, an optical semiconductor chip based on a semiconductor such as InP, and an optical semiconductor using these as a module Module is realized.

光半導体チップの小型化を実現する上で、低損失かつ小さい曲げ半径を実現することが重要である。小さい曲げ半径を実現する導波路構造として、図1に示すようなハイメサ構造が知られている(非特許文献1参照)。図1では、下部クラッド層102はInP基板、コア層103はInGaAsP、上部クラッド層104はInPにより構成されている。このハイメサ構造の導波路は、導波路の両側がコア層103より深くエッチングされたもので、基板面内方向の光閉じ込めは、前述の下部クラッド層102、コア層103、および上部クラッド層104を構成する媒質と、空気との屈折率差により行われている。図1で示した導波路幅wは、1.0〜3.0μm程度がシングルモード条件となるため、それらの値が一般的によく用いられる。   In order to reduce the size of the optical semiconductor chip, it is important to realize a low loss and a small bending radius. As a waveguide structure that realizes a small bending radius, a high mesa structure as shown in FIG. 1 is known (see Non-Patent Document 1). In FIG. 1, the lower cladding layer 102 is made of an InP substrate, the core layer 103 is made of InGaAsP, and the upper cladding layer 104 is made of InP. This high-mesa waveguide is obtained by etching both sides of the waveguide deeper than the core layer 103, and the optical confinement in the in-plane direction of the substrate includes the lower clad layer 102, the core layer 103, and the upper clad layer 104 described above. This is done by the difference in refractive index between the constituent medium and air. Since the waveguide width w shown in FIG. 1 is a single mode condition of about 1.0 to 3.0 μm, those values are generally used.

非特許文献2はInP基板を用いたハイメサ構造で光半導体チップを実現した例である(先行文献)。図1は導波路に電圧を印加しないパッシブ領域の導波路断面を示している。その層構造は以下の通りである。半絶縁性(semi−Insulating:SI)−InP基板101を用い、その基板上に基板面から順に、n型下部クラッド層(n−InP)102、ノンドープの多重量子井戸(i−MQW)コア層103、上部クラッド層104を成長させた層構造となっている。上部クラッド層104はノンドープのInP(i−InP)層であってもいいし、i−InP層の上にp−InP層を積層したものでも、i−InP層の上にn−InP層を積層したものでも、i−InP層の上に薄いp−InP層を積層したうえにさらn−InP層を積層したものでも構わない。   Non-Patent Document 2 is an example in which an optical semiconductor chip is realized with a high mesa structure using an InP substrate (prior art document). FIG. 1 shows a waveguide cross section in a passive region where no voltage is applied to the waveguide. The layer structure is as follows. A semi-insulating (SI) -InP substrate 101 is used, and an n-type lower cladding layer (n-InP) 102 and an undoped multiple quantum well (i-MQW) core layer are sequentially formed on the substrate from the substrate surface. 103, the upper cladding layer 104 is grown. The upper cladding layer 104 may be a non-doped InP (i-InP) layer, a p-InP layer laminated on an i-InP layer, or an n-InP layer on an i-InP layer. A stacked layer or a stacked layer of a thin p-InP layer on an i-InP layer and a stacked layer of an n-InP layer may also be used.

それらを、フォトリソグラフィを使った微細加工技術により図1のようなハイメサ構造としている。このハイメサ構造を絶縁性のポリマー105などを利用して、ハイメサ構造の左右を埋め込む形で保護する。このときポリマー105は最低限、導波路の左右を覆うことが必要であるが、導波路に上に薄く堆積していても構わない。   These have a high mesa structure as shown in FIG. 1 by a fine processing technique using photolithography. This high mesa structure is protected by embedding the left and right sides of the high mesa structure using an insulating polymer 105 or the like. At this time, the polymer 105 is required to cover at least the left and right sides of the waveguide, but may be thinly deposited on the waveguide.

図2は導波路に電圧を印加するアクティブ領域の導波路構造の断面図を示すものである。ここで用いるポリマー105は絶縁性であるので、導波路の直上のポリマーを除去したうえで、電極106を設ける。接地電極107、108は下部クラッド層102上に設ける。この場合でも、導波路はポリマー105によって保護される。   FIG. 2 shows a cross-sectional view of an active region waveguide structure for applying a voltage to the waveguide. Since the polymer 105 used here is insulating, the electrode 106 is provided after removing the polymer immediately above the waveguide. The ground electrodes 107 and 108 are provided on the lower cladding layer 102. Even in this case, the waveguide is protected by the polymer 105.

図3は光半導体チップを上からみた図である。同図は半導体マッハ・ツェンダ変調器の例を示した図であって、入力ハイメサ導波路111、出力ハイメサ導波路112、1入力2出力の分波器113、2入力1出力の合波器114、ハイメサ導波路115、116を備えている。ハイメサ導波路115、116は、ハイメサ導波路115、116上の電極(シグナル電極S)117、接地電極(グランド電極G)119、120、121が設けられており、これらの電極を用いて電圧を印加できる。同図から明らかなように、光集積回路には通常、電圧(もしくは電流)を印加する領域(アクティブ領域R2)と印加しない領域(パッシブ領域R1)の両方があるのが普通であり、パッシブ領域R1は図1に示す導波路断面の構成とすることができ、アクティブ領域R2は図2に示す導波路断面の構成とすることができる。なお、光集積回路によっては波長フィルタやアレイ導波路格子等、すべてがパッシブ領域からなるものも存在する。   FIG. 3 is a top view of the optical semiconductor chip. The figure shows an example of a semiconductor Mach-Zehnder modulator, which is an input high-mesa waveguide 111, an output high-mesa waveguide 112, a 1-input 2-output duplexer 113, and a 2-input 1-output multiplexer 114. , High mesa waveguides 115 and 116 are provided. The high mesa waveguides 115 and 116 are provided with electrodes (signal electrodes S) 117 and ground electrodes (ground electrodes G) 119, 120, and 121 on the high mesa waveguides 115 and 116, and voltage is applied using these electrodes. Can be applied. As is apparent from the figure, an optical integrated circuit usually has both a region (active region R2) where a voltage (or current) is applied and a region (passive region R1) where no voltage is applied (passive region R1). R1 can have the configuration of the waveguide cross section shown in FIG. 1, and the active region R2 can have the configuration of the waveguide cross section shown in FIG. Some optical integrated circuits, such as wavelength filters and arrayed waveguide gratings, are all composed of a passive region.

上記のように、ポリマーなどでハイメサ構造を埋め込み、保護をすることにより、コア層壁面への異物の付着による光学特性劣化やハイメサ構造の破壊を抑制することができる。ポリマーとしては、例えばベンゾシクロブテン(BCB)樹脂を用いる。BCB樹脂は、低誘電率、高耐熱性といった良好な特性を有するので、半導体チップの静電容量(寄生容量)を低減することができる。その結果、半導体光チップの高速動作が可能となる。BCB樹脂としては、例えば、Si原子が20〜30原子%化合したジビニルテトラメチルシロキサン−ビスベンゾシクロブテン(DVS−bisBCB)が望ましい。また、BCB樹脂としては、Siを含有するカルボシラン化合物、シロキサン化合物でもよい。BCB樹脂領域の厚さは、例えば2μm以上6μm以下である。   As described above, by embedding and protecting the high mesa structure with a polymer or the like, it is possible to suppress the deterioration of the optical characteristics and the destruction of the high mesa structure due to the adhesion of foreign matter to the core layer wall surface. As the polymer, for example, benzocyclobutene (BCB) resin is used. Since the BCB resin has good characteristics such as a low dielectric constant and high heat resistance, the capacitance (parasitic capacitance) of the semiconductor chip can be reduced. As a result, the semiconductor optical chip can be operated at high speed. As the BCB resin, for example, divinyltetramethylsiloxane-bisbenzocyclobutene (DVS-bisBCB) in which 20 to 30 atomic percent of Si atoms are combined is desirable. Moreover, as a BCB resin, the carbosilane compound and siloxane compound containing Si may be sufficient. The thickness of the BCB resin region is, for example, 2 μm or more and 6 μm or less.

Y. Shibata et al., “Reflection characteristics and cascadability of a multi-mode interference 3 dB coupler”, Optoelectronics IEE Proceedings, Vol. 149, No. 5-6, Oct-Dec 2002, pp. 217-221.Y. Shibata et al., “Reflection characteristics and cascadability of a multi-mode interference 3 dB coupler”, Optoelectronics IEE Proceedings, Vol. 149, No. 5-6, Oct-Dec 2002, pp. 217-221. H. Yagi et al., “Low driving voltage InP-based Mach-Zehnder modulators for compact 128 Gb/s DP-QPSK module”, 2013 Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim (CLEO-PR) WK2-2H. Yagi et al., “Low driving voltage InP-based Mach-Zehnder modulators for compact 128 Gb / s DP-QPSK module”, 2013 Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim (CLEO-PR) WK2-2 八木英樹他「BCB平坦化プロセスによる1.3 μm波長帯AlGaInAs/InPリッジ導波路型レーザ」、2009年7月SEIテクニカルレビュー第175号、pp. 120-123.Hideki Yagi et al. “1.3 Gam AlGaInAs / InP Ridge Waveguide Laser Using BCB Planarization Process”, July 2009 SEI Technical Review No. 175, pp. 120-123.

図4に半導体素子(半導体チップ)1の実装について示す。半導体チップ1をモジュールとして実装するにあたり、キャリア4と呼ばれる台座上に高周波配線基板や(レンズ等の)光学結合部品と併せて実装されるため、高い位置精度の実装が要求される。高い位置精度の実装を行なうために、吸着する領域の周りに凸に形成された押し込む領域31を有するチャック冶具3を用いる(図4(a))。まず、半導体チップ1を治具3によって吸着支持する(図4(b))。このとき、押し込む領域31が半導体チップ1上の機能素子2がない領域に位置するように調整されている。半導体チップ1とキャリア4の間にハンダ5を挟み、ハンダ5を加熱後、半導体チップ1表面上の機能素子2が無い領域を冶具3の押し込む領域31によりキャリア4側へ押し込むことで接合される(図4(c))。なお、半導体チップ1のキャリア4への固定にはAuSn(金すず)ハンダ5等を使用している。   FIG. 4 shows how the semiconductor element (semiconductor chip) 1 is mounted. When mounting the semiconductor chip 1 as a module, it is mounted on a pedestal called a carrier 4 together with a high-frequency wiring board and an optical coupling component (such as a lens), so that mounting with high positional accuracy is required. In order to perform mounting with high positional accuracy, the chuck jig 3 having the pushing-in area 31 formed convexly around the adsorbing area is used (FIG. 4A). First, the semiconductor chip 1 is sucked and supported by the jig 3 (FIG. 4B). At this time, the region 31 to be pushed in is adjusted so as to be located in a region where the functional element 2 on the semiconductor chip 1 is not present. The solder 5 is sandwiched between the semiconductor chip 1 and the carrier 4, and after the solder 5 is heated, the region without the functional element 2 on the surface of the semiconductor chip 1 is pushed into the carrier 4 side by the pushing region 31 of the jig 3. (FIG. 4 (c)). For fixing the semiconductor chip 1 to the carrier 4, AuSn (gold tin) solder 5 or the like is used.

しかしながら更なる高密度集積化を実現するためには、半導体チップ1表面上にある押し込む領域も小さくすることが期待されるが、小さくしすぎると押し込むための冶具3と機能素子2とのクリアランスが取れなくなり接触して、機能素子2が破損する可能性があった。   However, in order to realize further high-density integration, it is expected that the area to be pushed in on the surface of the semiconductor chip 1 is also reduced. However, if the area is too small, the clearance between the jig 3 and the functional element 2 to be pushed in is reduced. There was a possibility that the functional element 2 could be damaged due to contact with it.

本発明は、このような問題を鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高密度集積化を実現しながら、実装の確実性を確保することができる半導体デバイス、および半導体デバイスの製造方法を提供することである。   The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of ensuring mounting reliability while realizing high-density integration, and manufacture of the semiconductor device Is to provide a method.

上記の課題を解決するため本発明は、導体チップと、半導体チップ面上に搭載された機能素子回路と、記機能素子回路が搭載された面と同じ半導体チップ面上で、かつ当該機能素子回路以外の位置に設けられた複数の支柱とを備え、前記半導体チップは、前記機能素子回路を搭載した状態で、治具により前記複数の支柱を介してキャリア側へ押し込まれて当該キャリアと接合するように構成されており、前記複数の支柱は、前記半導体チップが押し込まれるときに、前記機能素子回路が破損しないよう前記機能素子回路の高さよりも高く形成され、前記支柱は2層構造であり、前記半導体チップ側の下層の支柱の縦弾性係数が、上層の支柱の縦弾性係数より小さいThe above object the present invention for solving the includes a semi-conductor chip, a functional element circuit mounted on the semiconductor chip surface, in the same semiconductor chip surface on the front Symbol functional element circuit is mounted face, and the Bei example a plurality of struts provided at a position other than the functional element circuit, wherein the semiconductor chip is in a state of mounting the functional element circuit, pushed to the carrier side via a plurality of struts by jig the is configured to interface with the carrier, said plurality of struts, the when the semiconductor chip is pushed, the functional element circuit formed higher than the height of the functional element circuit so as not to damage the posts 2 The longitudinal elastic modulus of the lower strut on the semiconductor chip side is smaller than the longitudinal elastic modulus of the upper strut .

また、上記の課題を解決するための本発明は、半導体デバイスを作成する工程と、作成した半導体デバイスをキャリアに設置する工程とを含む半導体デバイスの製造方法であって、前記半導体デバイスの作成する工程は、半絶縁の基板上に、下部クラッド層と、コア層と、上部クラッド層とを順次に結晶成長する工程と、前記下部クラッド層と、コア層と、上部クラッド層をエッチングしてハイメサ導波路を形成する工程と、前記上部クラッド層の上面およびエッチングした領域に前記支柱の下層の構成材料を塗布する工程であって、前記支柱は2層構造であり、前記半導体チップ側の下層の支柱の縦弾性係数が、上層の支柱の縦弾性係数より小さい、塗布する工程と、前記支柱の部分を残して、前記塗布した層の厚みを薄くする工程と、前記支柱の部分に支柱の上層の構成材料を形成する工程と、を含み、前記作成した半導体デバイスをキャリアに設置する工程において、前記半導体デバイスを治具によって吸着支持して、前記半導体デバイスの半導体チップがキャリア側に押し込まれる際に、前記半導体デバイスの半導体チップは半導体表面の機能素子回路を搭載した状態で、治具により前記支柱を介してキャリア側へ当該キャリアと接合するように押し込まれ、前記半導体チップは前記機能素子回路部分に接触せず、支柱にのみ接触する。 Moreover, this invention for solving said subject is a manufacturing method of a semiconductor device including the process of producing a semiconductor device, and the process of installing the produced semiconductor device in a carrier, Comprising: Production of the said semiconductor device The process includes a step of sequentially growing a lower clad layer, a core layer, and an upper clad layer on a semi-insulating substrate, and etching the lower clad layer, the core layer, and the upper clad layer to form a high mesa. A step of forming a waveguide, and a step of applying a constituent material of a lower layer of the support column to the upper surface and the etched region of the upper clad layer, wherein the support column has a two-layer structure, and the lower layer on the semiconductor chip side longitudinal elastic modulus of the struts is, a step is less than the longitudinal elastic coefficient of the upper strut, a step of applying, to leave a portion of the strut, to reduce the thickness of the coated layer, before And forming a constituent material of the upper strut portion of the strut, and in the step of placing the semiconductor device described above created in the carrier, to adsorb supporting the semiconductor device by a jig, the semiconductor chip of the semiconductor device When the semiconductor chip is pushed into the carrier side, the semiconductor chip of the semiconductor device is pushed to join the carrier to the carrier side through the support with the jig in a state where the functional element circuit on the semiconductor surface is mounted , the semiconductor chip is not in contact with the functional element circuit portions, only contact posts.

ハイメサ構造の導波路(パッシブ部分)を示す図である。It is a figure which shows the waveguide (passive part) of a high mesa structure. ハイメサ構造の導波路(アクティブ部分)を示す図である。It is a figure which shows the waveguide (active part) of a high mesa structure. 光集積回路を上からみた図である。It is the figure which looked at the optical integrated circuit from the top. 従来の半導体デバイスの実装工程を説明する図である。It is a figure explaining the mounting process of the conventional semiconductor device. 本実施形態の半導体デバイスの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the semiconductor device of this embodiment. 本実施形態の半導体チップの実装方法を示す図である。It is a figure which shows the mounting method of the semiconductor chip of this embodiment. 本実施形態の具体的な構造例を示す図である。It is a figure which shows the specific structural example of this embodiment. 光導波路-支柱間の最短距離に対する光導波路起因による位相変化量を説明する図である。It is a figure explaining the phase change amount by the optical waveguide with respect to the shortest distance between an optical waveguide and a support | pillar. 支柱上面の面積/高さに対する押し込み時の支柱の故障率を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the failure rate of the support | pillar at the time of pushing in with respect to the area / height of a support | pillar upper surface. 誘電体層厚に対する押し込み時の支柱の故障率を示す図である。It is a figure which shows the failure rate of the support | pillar at the time of pushing in with respect to dielectric material layer thickness. 本実施形態の半導体デバイスの製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the semiconductor device of this embodiment.

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

図5は、本実施形態の支柱構造を備える半導体デバイスの基本構成を示す図である。本実施の形態の半導体デバイスは、InP基板、ベンゾシクロブテン(BCB)もしくはポリイミド等の誘電体層、高速電気配線や直流電気配線として使用される金属層(例えばAu)を備えて構成される。図5に示すように、変調器やレーザ等の機能素子部22は半導体チップ2の中央に設置され、支柱21は半導体チップ2の四隅に設置されている。なお、図5(a)では支柱21が4隅に設置されているが、必ずしも4隅、4個である必要はない。支柱21は機能素子部22と同時に作製可能であり、図5(b)に示すような2層(BCB、Au)構造とすることができる。   FIG. 5 is a diagram showing a basic configuration of a semiconductor device having the support structure of this embodiment. The semiconductor device according to the present embodiment includes an InP substrate, a dielectric layer such as benzocyclobutene (BCB) or polyimide, and a metal layer (for example, Au) used as high-speed electrical wiring or DC electrical wiring. As shown in FIG. 5, the functional element unit 22 such as a modulator or a laser is installed at the center of the semiconductor chip 2, and the columns 21 are installed at the four corners of the semiconductor chip 2. In FIG. 5A, the columns 21 are installed at the four corners, but the four columns are not necessarily four. The support column 21 can be manufactured at the same time as the functional element portion 22 and can have a two-layer (BCB, Au) structure as shown in FIG.

図6に半導体デバイスのキャリアへの設置プロセスを示す。最初に、機能素子部22を搭載した半導体チップ2がチャック用冶具32によって真空チャックされる。半導体チップ2は四隅の支柱21のみが冶具に接触し、固定される。その後、金錫等のハンダ5を載せたキャリア4をハンダ5の融点付近まで加熱してハンダ5を融解させてから、半導体チップ2を押し当て、半導体チップ2をキャリア4に固定する。   FIG. 6 shows a process for installing a semiconductor device on a carrier. First, the semiconductor chip 2 on which the functional element unit 22 is mounted is vacuum chucked by the chuck jig 32. Only the pillars 21 at the four corners contact the jig, and the semiconductor chip 2 is fixed. Thereafter, the carrier 4 on which the solder 5 such as gold tin is placed is heated to near the melting point of the solder 5 to melt the solder 5, and then the semiconductor chip 2 is pressed to fix the semiconductor chip 2 to the carrier 4.

図7(a)に機能素子部がIQ変調器の場合の半導体チップ2の構成例(支柱4個)を示す。同図はマッハ・ツェンダ型の光変調器を4つ並列に並べた構成になっており、機能素子部に導波路23や電極24を有する。同図には一部の配線25も示されている。この構成例では、半導体チップ2は機能素子部を構成する導波路23、電極24、配線25等の周囲に4本の支柱21が設けられている。   FIG. 7A shows a configuration example (four support columns) of the semiconductor chip 2 when the functional element unit is an IQ modulator. The figure shows a configuration in which four Mach-Zehnder type optical modulators are arranged in parallel, and a waveguide 23 and an electrode 24 are provided in the functional element portion. A part of the wiring 25 is also shown in FIG. In this configuration example, the semiconductor chip 2 is provided with four support columns 21 around the waveguide 23, the electrode 24, the wiring 25, and the like constituting the functional element unit.

支柱21の形状は100(W)×100(D)×6(H)μmで、Au厚:3μm、誘電体層厚:3μmであった。半導体チップ2は、InPプラットフォームで15(W)×3(D)×0.45(H)mmであった。キャリアへ固定時の故障率は、本発明の半導体チップは0.01%、従来の半導体チップは5%であり大幅な歩留り改善に成功した。
また図7(b)に半導体DFBレーザアレイ(6ch)の半導体チップ2の構成例(支柱6個)を示す。同図はDFB(分布帰還型:distributed feedback)レーザを6個、並列に並べた上で6入力1出力の光合波器で結合させた構成になっており、機能素子部に導波路や電極を有する。この構成例では、半導体チップ2は機能素子部を構成する導波路や電極、レーザアレイ26等の周囲に6本の支柱21が設けられている。
支柱21の形状は80(W)×90(D)×4(H)μmで、Au厚:2μm、誘電体層厚:2μmであった。半導体チップ2は、InPプラットフォームで4(W)×1(D)×0.30(H)mmであった。キャリアへ固定時の故障率は、本発明の半導体チップは0.01%、従来の半導体チップは6%であり大幅な歩留り改善に成功した。
なお、上記では機能素子としてIQ変調器の例、DFBレーザアレイの例を説明したが、機能素子はこれらに限定されるものではない。電界変調器集積半導体レーザアレイ、半導体光増幅器アレイや波長変換素子アレイ、または受光素子のアレイ等、電極や導波路を有するものであればなんでもよい。またアレイ導波路格子のようなパッシブデバイスで、電極を有さずに導波路のみのものでも構わない。
The shape of the column 21 was 100 (W) × 100 (D) × 6 (H) μm, Au thickness: 3 μm, and dielectric layer thickness: 3 μm. The semiconductor chip 2 was 15 (W) × 3 (D) × 0.45 (H) mm on an InP platform. The failure rate at the time of fixing to the carrier was 0.01% for the semiconductor chip of the present invention and 5% for the conventional semiconductor chip, and the yield was successfully improved.
FIG. 7B shows a configuration example (six columns) of the semiconductor chip 2 of the semiconductor DFB laser array (6ch). The figure shows a configuration in which six DFB (distributed feedback) lasers are arranged in parallel and coupled by a 6-input 1-output optical multiplexer, and a waveguide or electrode is connected to the functional element section. Have. In this configuration example, the semiconductor chip 2 is provided with six struts 21 around a waveguide, an electrode, a laser array 26, and the like that constitute a functional element unit.
The shape of the column 21 was 80 (W) × 90 (D) × 4 (H) μm, Au thickness: 2 μm, and dielectric layer thickness: 2 μm. The semiconductor chip 2 was 4 (W) × 1 (D) × 0.30 (H) mm on the InP platform. The failure rate at the time of fixing to the carrier was 0.01% for the semiconductor chip of the present invention and 6% for the conventional semiconductor chip, so that the yield was significantly improved.
In the above description, an example of an IQ modulator and an example of a DFB laser array have been described as functional elements, but the functional elements are not limited to these. Any device having an electrode or a waveguide, such as an electric field modulator integrated semiconductor laser array, a semiconductor optical amplifier array, a wavelength conversion element array, or an array of light receiving elements, may be used. Further, it may be a passive device such as an arrayed waveguide grating, and it may have only a waveguide without an electrode.

また支柱設置時において、光導波路の近傍に支柱を設置した場合の応力による影響も懸念される。図8は、光導波路の近傍に支柱を設置した場合の応力による影響について示しており、図8において(a)は光導波路−支柱間の最短距離(D)を図示し、(b)は光導波路−支柱間の最短距離(D)に対する各位相変化量および支柱の設置によって設置できない面積/チップ面積(R)を示している。R(支柱の設置によって設置できない面積/チップ面積)は、小さいほど集積化が可能であることが示されており、光導波路起因による位相変化量は、大きいほど集積化が可能であることが示されている。図8(b)より、位相変化の要求条件を3°以下、Rの要求条件を3%とすると、D=50〜200μmとするのが望ましいことが判る。   In addition, there is a concern about the influence of stress when the support is installed in the vicinity of the optical waveguide when the support is installed. FIG. 8 shows the influence of stress when a support is installed in the vicinity of the optical waveguide. FIG. 8A shows the shortest distance (D) between the optical waveguide and the support, and FIG. Each phase change amount with respect to the shortest distance (D) between the waveguide and the support and the area / chip area (R) that cannot be installed by the installation of the support are shown. It is shown that the smaller the R (area that cannot be installed by the installation of the support column / chip area) is, the more integration is possible, and the larger the phase change amount due to the optical waveguide is, the more integration is possible. Has been. FIG. 8B shows that D = 50 to 200 μm is desirable when the phase change requirement is 3 ° or less and the R requirement is 3%.

また支柱上面の面積と高さの比により、強度的な理由から押し込み時の支柱の故障率が変化する。図9は支柱上面の面積/高さ(μm)に対する押し込み時の支柱の故障率の関係を示す。3本の線はそれぞれ、3角形(A)、4角形(B)、円(C)の場合の故障率をそれぞれ表す。図から分かるように支柱上面の面積/高さが小さくなる従い、故障率が増加している。故障率の許容値を0.01%以下とすると、支柱上面の面積/高さを400μm以下が望ましい。また10000μm以上では故障率がほとんど変化しないことから、集積化という観点で考えればこの値以下にするのが望ましい。また形状については、矩形型の回路や角型のチップでは四角形の方が効率的に面積を取ることができる。   Also, depending on the ratio of the area and height of the upper surface of the column, the failure rate of the column during push-in changes for reasons of strength. FIG. 9 shows the relationship of the failure rate of the support column during pressing with respect to the area / height (μm) of the upper surface of the support column. Each of the three lines represents a failure rate in the case of a triangle (A), a rectangle (B), and a circle (C). As can be seen from the figure, the failure rate increases as the area / height of the upper surface of the column decreases. When the allowable value of the failure rate is 0.01% or less, the area / height of the upper surface of the support is desirably 400 μm or less. In addition, since the failure rate hardly changes at 10000 μm or more, it is desirable to make this value or less from the viewpoint of integration. As for the shape of the rectangular circuit or the square chip, the square can efficiently take up an area.

また、2層構造とした支柱の下の層の縦弾性係数が、上の層の縦弾性係数より小さくなるように構成することが好ましい。金属の縦弾性係数(ヤング率)は数十〜数百GPaと非常に高く、脆性材料である半導体の上に直接堆積すると、押し込み時の衝撃で半導体チップが破損する懸念がある。そこで、数GPa程度の低縦弾性係数である樹脂系の誘電体材料をInP基板と金属層の間に挿入することで、衝撃を低減できる。なお2層構造の支柱は機能素子部と同時に作製され、工程数は増えないメリットを有する。例えば機能素子回路が光を伝搬する光導波路を有する場合、支柱の2層構造のうちの下の層が、光導波路の側面を埋め込む層と同じ構成材料から構成され、支柱の2層構造のうち上の層が、電極を有する機能素子回路の電極と同じ構成材料で構成されている。   Further, it is preferable that the longitudinal elastic modulus of the lower layer of the strut having the two-layer structure is smaller than the longitudinal elastic modulus of the upper layer. Metals have a very high longitudinal elastic modulus (Young's modulus) of several tens to several hundreds of GPa, and when deposited directly on a semiconductor that is a brittle material, there is a concern that the semiconductor chip may be damaged by impact during pressing. Therefore, the impact can be reduced by inserting a resin-based dielectric material having a low longitudinal elastic modulus of about several GPa between the InP substrate and the metal layer. Note that the two-layer strut is manufactured at the same time as the functional element portion, and has the advantage that the number of steps does not increase. For example, when the functional element circuit has an optical waveguide for propagating light, the lower layer of the two-layer structure of the support is made of the same constituent material as the layer that embeds the side surface of the optical waveguide. The upper layer is made of the same constituent material as the electrode of the functional element circuit having the electrode.

図10は、誘電体層厚に対する押し込み時の故障率を示した図である。誘電体層厚が無いもしくは薄いと故障率が高い。また誘電体層厚が大き過ぎると誘電体層の強度の低さが影響し、逆に故障率が増加する。従って要求故障率を0.01%とすると誘電体層厚を2〜10μmにするのが望ましい。   FIG. 10 is a diagram showing a failure rate at the time of indentation with respect to the dielectric layer thickness. The failure rate is high when the dielectric layer is not thick or thin. On the other hand, if the thickness of the dielectric layer is too large, the low strength of the dielectric layer affects, and conversely the failure rate increases. Therefore, when the required failure rate is 0.01%, the dielectric layer thickness is desirably 2 to 10 μm.

また支柱構成材料に磁性体(酸化鉄・酸化クロム・コバルト・フェライト等)を含有させることで、磁力によって半導体チップを持ち上げキャリアへ実装精度を向上させることができる。真空チャックを使用する場合と比較し、半導体チップにかかる応力も低減し、反りを低減させる効果も有する。実装の位置精度は真空中チャックと比較し1桁(位置精度0.2μm以下)以上の向上が可能である。   In addition, by including a magnetic material (iron oxide, chromium oxide, cobalt, ferrite, etc.) in the pillar constituent material, it is possible to lift the semiconductor chip by magnetic force and improve the mounting accuracy on the carrier. Compared with the case of using a vacuum chuck, the stress applied to the semiconductor chip is also reduced, and there is an effect of reducing warpage. The mounting position accuracy can be improved by one digit (position accuracy 0.2 μm or less) or more compared to the chuck in vacuum.

次に、上記構成の半導体デバイスを作成する方法について説明する。この方法は、半導体デバイスを作成する工程と、作成した半導体デバイスをキャリアに設置する工程とを含む半導体デバイスの製造方法であって、前記半導体デバイスの作成する工程は、半絶縁の基板上に、下部クラッド層と、コア層と、上部クラッド層とを順次に結晶成長する工程と、前記下部クラッド層と、コア層と、上部クラッド層をエッチングしてハイメサ導波路を形成する工程と、前記上部クラッド層の上面およびエッチングした領域に前記支柱の下層の構成材料を塗布する工程と、前記支柱の部分を残して、前記塗布した層の厚みを薄くする工程と、前記支柱の部分に支柱の上層の構成材料を形成する工程と、を含み、前記作成した半導体デバイスをキャリアに設置する工程において、前記半導体デバイスを治具によって吸着支持して、キャリアに押し付ける際に、治具が半導体表面の機能素子回路部分に接触せず、支柱にのみ接触することを特徴とする。   Next, a method for producing a semiconductor device having the above configuration will be described. This method is a manufacturing method of a semiconductor device including a step of creating a semiconductor device and a step of installing the created semiconductor device on a carrier, and the step of creating the semiconductor device is performed on a semi-insulating substrate, A step of sequentially growing a crystal of a lower clad layer, a core layer, and an upper clad layer; a step of etching the lower clad layer, the core layer, and the upper clad layer to form a high mesa waveguide; A step of applying a constituent material of the lower layer of the pillar to the upper surface and the etched region of the cladding layer, a step of reducing the thickness of the applied layer while leaving the portion of the pillar, and an upper layer of the pillar in the portion of the pillar Forming the component material, and mounting the prepared semiconductor device on a carrier. And, when pressed against the carrier, the jig does not contact the functional element circuit portion of the semiconductor surface, characterized in that it only contacts the post.

図11は支柱を作成するためのプロセスを示す図である。一例として変調器を作成する場合を説明する。図11(a)はエピタキシャル成長を示しており、半絶縁(SI)のInP基板101上に、下部クラッド層102、コア層103、上部クラッド層104を結晶成長している。図11(b)ではフォトリソグラフィ技術とエッチング技術により、ハイメサ導波路Hを形成する。図11(c)に示すように、BCB105をスピナーによって塗布し、ハイメサ導波路を保護する。つづいて図11(d)に示すようにBCB105の加工を行う。(非特許参考文献3参照)。BCB105の加工としては、感光性BCBを塗布し、フォトリソグラフィとCF/O反応性イオンエッチング(RIE)によって、支柱部のみBCBをそのまま残し、残りの部分ではBCB105を薄くするように加工する。さらに同様の技術を用いて、光機能素子のアクティブ領域では、図11(f)に示すように、電極106を設ける部分から(絶縁体である)BCB105を除去する穴あけ加工を行ったのち、電極106・接地電極108を形成する。このとき、支柱の上層(Au)121も同時に形成される。同時に、電極を形成しない光機能素子のパッシブ領域でも図11(e)に示すように、支柱の上層(Au)121が形成できる。 FIG. 11 is a diagram illustrating a process for creating a support column. As an example, a case where a modulator is created will be described. FIG. 11A shows epitaxial growth, in which a lower cladding layer 102, a core layer 103, and an upper cladding layer 104 are grown on a semi-insulating (SI) InP substrate 101. In FIG. 11B, the high mesa waveguide H is formed by the photolithography technique and the etching technique. As shown in FIG. 11C, the BCB 105 is applied by a spinner to protect the high mesa waveguide. Subsequently, the BCB 105 is processed as shown in FIG. (See Non-Patent Reference 3). As the processing of the BCB 105, a photosensitive BCB is applied, and the BCB is left as it is only in the column portion by photolithography and CF 4 / O 2 reactive ion etching (RIE), and the BCB 105 is thinned in the remaining portion. . Further, using the same technique, in the active region of the optical functional element, as shown in FIG. 11 (f), after performing drilling to remove the BCB 105 (which is an insulator) from the portion where the electrode 106 is provided, the electrode 106. A ground electrode 108 is formed. At this time, the upper layer (Au) 121 of the support is also formed at the same time. At the same time, as shown in FIG. 11E, the upper layer (Au) 121 of the support can be formed even in the passive region of the optical functional element in which no electrode is formed.

なお、ここではアクティブ領域にも、パッシブ領域にも支柱を形成するものとして説明したが、両方に支柱が必要なわけではない。例えば図7(a)の例では、支柱は電極がないパッシブ領域にのみ存在する。   Here, the description has been given on the assumption that the pillars are formed in both the active region and the passive region, but the pillars are not necessarily required in both. For example, in the example of FIG. 7A, the support column exists only in the passive region where there is no electrode.

本実施形態の半導体デバイスによれば、半導体チップ表面の機能回路が無い領域に支柱構造を形成することで、押し込む冶具と回路部分の接触を回避し、安定した実装を行うことが可能である。さらに縦弾性係数が低い材料を支柱の一部に使用することで、押し込み時の衝撃を吸収し、半導体チップの破損を防ぐことが可能である。また磁性体を含有した支柱を使用し磁石材料の押し込み冶具を使用することで、容易かつ高精度に半導体チップを持ち上げ、高精度にチップ固定することが可能となる。   According to the semiconductor device of this embodiment, it is possible to avoid the contact between the jig to be pushed in and the circuit portion by forming the support structure in the area where the functional circuit on the surface of the semiconductor chip is not present, and to perform stable mounting. Furthermore, by using a material having a low longitudinal elastic modulus for a part of the support column, it is possible to absorb the impact during pressing and prevent the semiconductor chip from being damaged. Further, by using a magnetic material-containing support and a magnet material pushing jig, the semiconductor chip can be lifted easily and with high precision, and the chip can be fixed with high precision.

2 半導体チップ
21 支柱
22 機能素子部
23 導波路
24 電極
25 配線
26 レーザアレイ
3、32 チャック用冶具
4 キャリア
5 ハンダ
101 半絶縁(SI)のInP基板
102 下部クラッド層
103 コア層
104 上部クラッド層
105 BCB
106 電極
107、108 接地電極
121 支柱の上層(Au)
2 Semiconductor chip 21 Support 22 Functional element 23 Waveguide 24 Electrode 25 Wiring 26 Laser array 3, 32 Jig for chuck 4 Carrier 5 Solder 101 Semi-insulating (SI) InP substrate 102 Lower cladding layer 103 Core layer 104 Upper cladding layer 105 BCB
106 Electrode 107, 108 Ground electrode 121 Upper layer of support (Au)

Claims (7)

導体チップと、
半導体チップ面上に搭載された機能素子回路と、
記機能素子回路が搭載された面と同じ半導体チップ面上で、かつ当該機能素子回路以外の位置に設けられた複数の支柱と
を備え、
前記半導体チップは、前記機能素子回路を搭載した状態で、治具により前記複数の支柱を介してキャリア側へ押し込まれて当該キャリアと接合するように構成されており、
前記複数の支柱は、前記半導体チップが押し込まれるときに、前記機能素子回路が破損しないよう前記機能素子回路の高さよりも高く形成され
前記支柱は2層構造であり、前記半導体チップ側の下層の支柱の縦弾性係数が、上層の支柱の縦弾性係数より小さいことを特徴とする半導体デバイス。
A semi-conductor chip,
A functional element circuit mounted on the semiconductor chip surface;
E Bei a plurality of struts disposed in the same semiconductor chip surface on the front Symbol functional element circuit is mounted face and at a position other than the functional element circuit,
The semiconductor chip is configured to be joined to the carrier by being pushed to the carrier side through the plurality of pillars by a jig in a state where the functional element circuit is mounted,
The plurality of pillars are formed higher than the height of the functional element circuit so that the functional element circuit is not damaged when the semiconductor chip is pushed in ,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the strut has a two-layer structure, and a longitudinal elastic modulus of a lower strut on the semiconductor chip side is smaller than a longitudinal elastic modulus of an upper strut .
前記支柱の上面の面積と前記支柱の高さとの比率(面積/高さ)が400〜10,000μmであることを特徴とする請求項1に記載の半導体デバイス。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a ratio (area / height) between an area of an upper surface of the support column and a height of the support column is 400 to 10,000 μm. 前記機能素子回路は光を伝搬する光導波路を有し、前記支柱と前記光導波路との間の最短距離が50〜200μmであることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体デバイス。 Having an optical waveguide wherein the functional element circuit that propagates light, the semiconductor device according to claim 1 or 2 shortest distance between said optical waveguide and said post is characterized in that it is a 50 to 200 [mu] m. 前記支柱の2層構造のうちの下の層が、前記光導波路の側面を埋め込む層と同じ構成材料で構成されていることを特徴とする請求項に記載の半導体デバイス。 4. The semiconductor device according to claim 3 , wherein a lower layer of the two-layer structure of the support is made of the same constituent material as a layer embedded in a side surface of the optical waveguide. 前記機能素子回路は電極を有し、前記支柱の2層構造のうち上の層が、電極と同じ構成材料で構成されていることを特徴とする請求項2からのいずれかに記載の半導体デバイス。 The functional element circuit has an electrode layer on the ones of the two-layer structure of the strut, a semiconductor according be composed of the same constituent material as the electrode of claims 2, wherein the one of the four device. 前記支柱の構成材料に磁性体が含まれていることを特徴とする請求項1からのいずれかに記載の半導体デバイス。 The semiconductor device according to any of claims 1 5, characterized in that it contains the magnetic material constituting the strut. 請求項1からに記載の半導体デバイスを作成する工程と、作成した半導体デバイスをキャリアに設置する工程とを含む半導体デバイスの製造方法であって、
前記半導体デバイスの作成する工程は、
半絶縁の基板上に、下部クラッド層と、コア層と、上部クラッド層とを順次に結晶成長する工程と、
前記下部クラッド層と、コア層と、上部クラッド層をエッチングしてハイメサ導波路を形成する工程と、
前記上部クラッド層の上面およびエッチングした領域に前記支柱の下層の構成材料を塗布する工程であって、前記支柱は2層構造であり、前記半導体チップ側の下層の支柱の縦弾性係数が、上層の支柱の縦弾性係数より小さい、塗布する工程と、
前記支柱の部分を残して、前記塗布した層の厚みを薄くする工程と、
前記支柱の部分に支柱の上層の構成材料を形成する工程と、を含み、
前記作成した半導体デバイスをキャリアに設置する工程において、前記半導体デバイスを治具によって吸着支持して、前記半導体デバイスの半導体チップがキャリア側に押し込まれる際に、前記半導体デバイスの半導体チップは半導体表面の機能素子回路を搭載した状態で、治具により前記支柱を介してキャリア側へ当該キャリアと接合するように押し込まれ、前記半導体チップは前記機能素子回路部分に接触せず、支柱にのみ接触することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
A step of creating a semiconductor device according to claims 1 6, a method of manufacturing a semiconductor device including the step of placing the semiconductor device created in the carrier,
The step of creating the semiconductor device includes:
A step of sequentially growing a lower clad layer, a core layer, and an upper clad layer on a semi-insulating substrate;
Etching the lower cladding layer, the core layer, and the upper cladding layer to form a high mesa waveguide;
A step of applying a constituent material of a lower layer of the pillar to the upper surface and etched region of the upper cladding layer, wherein the pillar has a two-layer structure, and the longitudinal elastic modulus of the lower pillar on the semiconductor chip side is an upper layer Applying step smaller than the longitudinal elastic modulus of the support of
Leaving the portion of the column and reducing the thickness of the applied layer;
Forming a constituent material of the upper layer of the pillar in the portion of the pillar, and
In the step of placing the created semiconductor device on a carrier, the semiconductor device is sucked and supported by a jig, and when the semiconductor chip of the semiconductor device is pushed into the carrier side, the semiconductor chip of the semiconductor device In a state where the functional element circuit is mounted, the jig is pushed by the jig so as to join the carrier to the carrier side through the support, and the semiconductor chip does not contact the functional element circuit part, but only contacts the support. A method for manufacturing a semiconductor device.
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