JPH05218384A - 光導波路付き半導体集積回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】半導体集積回路の高集積化に伴い、同一半導体
基板上の論理演算回路間における高速でかつ長い距離の
信号伝送を容易にする半導体集積回路を提供する。 【構成】半導体集積回路に電気信号と光信号とを相互に
変換する変換素子（例えば５および１０）と光導波路
（７）とを集積し、かつ上記変換素子と光導波路を介し
て集積回路の信号伝送を行う手段を備える。 【効果】半導体集積回路において、長い距離の信号伝送
を行う場合の伝送遅延を、光信号伝送により低減でき、
また短い距離の信号伝送用金属配線を微細化できるの
で、集積回路の高速化と高集積化が同時に図れる効果が
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高速、高集積半導体集積
回路に係り、特に論理演算回路間の長い距離の信号伝送
を、光を媒体として高速に行うのに好適な半導体集積回
路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体集積回路においては、半導
体チップ上で回路間の長い距離の信号伝送と短い距離の
信号伝送のいずれも、金属配線を用い電気を媒体にして
行っていた。例として、国際学会１９９１ ＳＹＭＰＯ
ＳＩＵＭ ＯＮ ＶＬＳＩＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹの予稿
集の１ページから４ページに記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記半導体集積回路で
は、加工寸法の微細化と回路の集積度の向上に伴い、金
属配線の断面積減少と配線長増加が起こり、そのため配
線抵抗と配線容量が増加する。従って、長い距離の信号
伝送における遅延時間が増加し、集積回路の高速化が困
難となる問題があった。本発明の目的は、半導体集積回
路の高集積化に伴い、同一半導体基板上の論理演算回路
間における高速でかつ長い距離の信号伝送を容易にする
半導体集積回路を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明では、例えば図１または図２に示すように、
半導体集積回路に電気信号と光信号とを相互に変換する
変換素子（例えば図１の５および１０）と光導波路（図
１の７）とを集積し、かつ上記変換素子と光導波路を介
して集積回路の信号伝送を行う手段を備えることとす
る。ここで、上記光導波路は、例えば図３のように、集
積回路の素子間分離用絶縁溝（２５）の絶縁体内部また
は例えば図１のように、素子と半導体基板間分離用の絶
縁層（２）の内部に誘電率の異なる誘電体を用いて（図
１の７または図３の２７のように）形成すればよい。こ
の場合に、信号伝送のためには、上記光導波路から成る
信号伝送線と、集積回路上に設けた金属配線から成る信
号伝送線を備えることとする。あるいはこの場合に、上
記光導波路から成る信号伝送線は、集積回路における長
い距離の信号伝送に用いるものとし、上記集積回路上に
設けた金属配線から成る信号伝送線は、集積回路におけ
る短い距離の信号伝送に用いるものとすれば信号伝送を
高速化するのに好ましい。

【０００５】

【作用】半導体集積回路において、演算回路からの出力
電気信号を光信号に変換し、光導波路を用いて光を媒体
として信号伝送し、また伝送された光信号を電気信号に
再変換し伝送すべき集積回路に入力するような手段を備
えることにより、高密度実装による金属配線の微細化に
伴う配線抵抗の増加や配線容量の増加等のための遅延時
間の増加やあるいはクロストークの増加等を回避でき、
信号伝送の高速化および集積回路の一層の高密度化が可
能になる。このような光導波路は、半導体集積回路の素
子間分離用の絶縁体内部や、素子と半導体基板間の絶縁
層内部に容易に形成できる。また光導波路を設けて、集
積回路上の金属配線の信号伝送線と光導波路の信号伝送
線との両方を備えることにより、集積回路における近い
距離の信号伝送には金属配線を用い、長い距離の信号伝
送には光導波路の信号伝送線を用いるというように、両
者を使い分けることが可能になる。そしてこれにより高
密度の半導体集積回路において高速でかつ長い距離の信
号伝送が容易に行えるようになる。

【０００６】

【実施例】本発明をシリコン半導体集積回路に適用した
実施例１を、図１の断面図と図２の平面図により説明す
る。図１の断面図は、図２の平面図の断面の一部をみた
ものである。本実施例では、論理演算回路が集積された
シリコン半導体集積回路４が、一辺の長さが約１０ｍｍ
から２０ｍｍ以上のシリコン基板１に形成されており、
この集積回路とシリコン基板１が、厚さ約２０μｍ前後
ののシリコン酸化膜基板２により分離されている。また
該集積回路は、論理演算回路間の信号入出力の頻度が比
較的高い回路どうしを集積した複数のブロック８に分割
した。なお分割するブロック数は本実施例に限ったもの
ではない。またブロックの面積やブロック内部の論理演
算回路数は、同一である必要はない。集積回路の上に
は、幅が約１μｍ前後あるいはそれ以上、間隔が約０．
５μｍ前後の高密度金属配線層６を３層設け、同一ブロ
ック内部の論理演算回路間の比較的短距離の信号伝送
に、該金属配線層６を用いた。なお、該金属配線の層数
は、本実施例のように３層に限ったものではなく、必要
に応じて増加することが可能である。上記酸化膜２の内
部には、例えばシリコン窒化膜のような酸化膜より誘電
率の高い絶縁体で、一辺の長さが約５μｍ前後の長方形
断面を有する光導波路７を２層設け、該光導波路７を、
ブロック８間の比較的長距離の信号伝送に用いた。つま
り、論理演算回路から出力された電気信号を、隣設する
発光素子５により、波長が真空中で約１．５μｍ前後の
光信号に変換してから光導波路７に入射し、異なるブロ
ックの論理演算回路に信号を伝送した。この時該光信号
の入射角度は、例えば回折格子９を用いて所望の角度に
傾けた。また発光素子５としては、例えば化合物半導体
やシリコンからなる発光ダイオードやレーザダイオード
が可能である。次に信号を受け取る場合は、異なるブロ
ックの論理演算回路から光導波路７を通して送られてき
た光信号を、論理演算回路に隣接した、化合物半導体や
シリコン半導体からなる受光素子１０に、回折格子９を
用いて所望の入射角度にして入力し、該光信号を電気信
号に再変換してから論理演算回路に入力した。ここで光
信号の入射角度を傾ける他の方法や走行中の光信号を傾
ける方法としては、光導波路７の端面を光信号の進行方
向に対して所望の角度に傾け、光信号を該端面に反射さ
せても可能である。このように、信号伝送の媒体に光を
用いることにより、電気信号では困難であった高速でク
ロストークの少ない長い距離の信号伝送が可能となっ
た。なお本実施例１に記載されている波長や導波路の寸
法は、これらの値に限ったものではない。例えば波長が
真空中で約０．５μｍ以下の短波長光信号を媒体として
信号伝送を行なうことにより、光導波路７の寸法を約１
μｍ前後に、また酸化膜２の厚さを約５μｍ前後に減ら
すことが可能である。また光導波路の密度をあげるた
め、酸化膜２の内部に３層以上の多層光導波路を形成す
ることも可能である。光導波路７の断面形状も、例えば
円形や、光導波路を金属により囲んだ金属クラッド導波
路でも可能である。さらに、光導波路を形成する誘電体
としては、本実施例に記載されているシリコン窒化膜以
外に、例えばアルミナや酸化タンタルや多結晶シリコン
やチタン酸ジルコン酸鉛（いわゆるＰＺＴ）など、誘電
率がシリコン酸化膜よりも高い誘電体でも可能である
し、さらには酸化膜基板２の代わりに他の誘電体基板を
使用することも可能である。

【０００７】本実施例１では、論理演算回路を複数のブ
ロック８に分割しているが、ブロック分割を行わない集
積回路にも、本発明を実施できることはいうまでもな
い。例えば隣あう論理演算回路間のような、比較的短距
離の信号伝送に金属配線層６を用い、シリコン基板１の
端にある回路からもう一方の端にある回路まで信号が走
るような、比較的長距離の信号伝送に光導波路７を用い
ることも可能である。また酸化膜基板２内に設けた光導
波路を、本実施例のようにシリコン基板１上の回路間の
信号伝送に利用すると同時に、シリコン基板１外の回路
間の光信号伝送の中継導波路として兼用することも可能
である。

【０００８】本発明を記憶装置付きシリコン半導体集積
回路に適用した別の実施例２を、図３の断面図と、図４
の平面図により説明する。本実施例では、シリコン半導
体記憶装置２３と論理演算回路が集積されたシリコン半
導体集積回路２４が、一辺の長さが約１０ｍｍから２０
ｍｍ以上のシリコン基板２１に形成されており、該記憶
装置と集積回路が実施例１と同様に、ブロック分割され
ている。記憶装置や論理演算回路に用いられているトラ
ンジスタは、シリコン基板２１の内部に形成した素子分
離溝２２により分離されている。該素子分離溝２２は、
幅約０．５μｍ、深さ約２μｍであり、溝の内部にはシ
リコン酸化物が充填されている。上記ブロックの分離
も、シリコン基板２１の内部に形成した分離溝２５によ
り分離したが、溝幅約５μｍ、溝深さ約１０μｍとし、
内部にシリコン酸化物を充填した。さらに該分離溝２５
の内部には、例えば酸化膜より誘電率の高いアルミナの
ような誘電体で、例えば一辺の長さが約２μｍ前後の長
方形断面や、直径が約２μｍ前後の円形断面を有する光
導波路２７を２本設けた。該光導波路は図３では断面の
みが示されている。該光導波路付き分離溝２５は、必要
に応じてブロック内部に設けて素子分離溝と兼用した
り、ブロック間に設ける溝本数を１本ではなく２本以上
に増加したりした。また半導体集積回路の上には、幅が
約０．５μｍ前後あるいはそれ以上、間隔が約０．３μ
ｍ前後の高密度金属配線層２６を３層設けた。なお、該
金属配線の層数は、本実施例のように３層に限ったもの
ではなく、必要に応じて増加することが可能である。該
金属配線層は、記憶装置や集積回路の同一ブロック内部
の、比較的短距離の電気を媒体とした信号伝送に用い
た。また光導波路２７は、ブロック間の比較的長距離の
信号伝送に用いた。つまり、記憶回路や論理演算回路か
ら出力された電気信号を、隣設する発光素子２８によ
り、波長が真空中で約１．０μｍ前後の光信号に変換し
てから、光導波路２７に入射し、異なるブロックの記憶
回路や論理演算回路へ伝送した。この時該光信号の入射
角度は、例えば回折格子２９を用いて所望の角度に傾け
た。また発光素子２８としては、例えば化合物半導体や
シリコン半導体からなる発光ダイオードやレーザダイオ
ードなどが可能である。次に信号を受け取る場合は、異
なるブロックの回路から光導波路２７を通して送られて
きた光信号を、記憶回路や論理演算回路に隣接した、化
合物半導体やシリコン半導体よりなる受光素子３１に、
回折格子２９を用いて所望の入射角度にして入力し、該
光信号を電気信号に再変換してから回路に入力した。こ
こで光信号の入射角度を傾ける他の方法としては、光導
波路２７の端面を光信号の進行方向に対して所望の角度
に傾け、光信号を該端面に反射させても可能である。ま
た走行中の光信号の進行方向を傾ける方法としては、例
えば分離溝２５と光導波路２７の形状を、図４の光導波
路付き分離溝の平面図に示すような形状にし、光信号を
該光導波路の傾斜側面３２に反射させるか、あるいは傾
斜側面３２と３３に交互に複数回反射させて、進行方向
を傾ける方法をとった。この光導波路の側面の形状は、
例えば円形や楕円形や放物線などの曲線形状でも良い。
このように、信号伝送の媒体に光を用いることにより、
電気信号では困難であった高速でクロストークの少ない
長い距離の信号伝送が可能となった。なお本実施例２に
記載されている波長や導波路の寸法は、これらの値に限
ったものではない。例えば波長が真空中で０．５μｍ以
下の短波長光信号を媒体として信号伝送を行なうことに
より、光導波路２７の寸法を約１μｍ前後に減らした
り、分離溝２５の幅を約２μｍ前後に減らしたり、素子
分離溝２２の内部に光導波路を設けることが可能であ
る。また分離溝２５の深さを増加することにより、溝内
部に３本以上の光導波路を形成することも可能である。
さらに、光導波路を形成する誘電体としては、本実施例
に記載されているシリコン酸化膜とアルミナ以外に、例
えばシリコン窒化膜や酸化タンタルや多結晶シリコンや
チタン酸ジルコン酸鉛（いわゆるＰＺＴ）などの誘電体
でも可能である。

【０００９】本実施例では、記憶装置や集積回路を複数
のブロックに分割しているが、ブロック分割を行わない
集積回路にも本発明を実施できることはいうまでもな
い。例えば記憶装置２３内部や隣あう論理演算回路間の
ような、比較的短距離の信号伝送に金属配線層２６を用
い、シリコン基板２１の端にある回路からもう一方の端
にある回路まで信号が走るような、比較的長距離の信号
伝送に光導波路２７を用いることも可能である。また本
実施例２と先の実施例１を組み合わせて、光導波路を酸
化膜基板内部と分離溝内部の両方に設けて、光信号の伝
送に利用することも可能である。

【００１０】次に、実施例３を図５の計算機構成図で説
明する。本実施例３は、本発明を実施したシリコン半導
体集積回路や記憶装置付きシリコン半導体集積回路を、
命令や演算を処理するプロセッサ５００が、複数個並列
に接続された高速大型計算機に適用した例である。本実
施例では、本発明を実施した高速シリコン半導体集積回
路の集積度が高いため、命令や演算を処理するプロセッ
サ５００や、システム制御装置５０１や、主記憶装置５
０２などを、１辺が約１０〜２０ｍｍ以上のシリコン半
導体チップで構成出来た。これら命令や演算を処理する
プロセッサ５００と、システム制御装置５０１と、化合
物半導体集積回路からなるデータ通信インタフェース５
０３を、同一セラミック基板５０６に実装した。また、
データ通信インタフェース５０３と、データ通信制御装
置５０４を、同一セラミック基板５０７に実装した。こ
れらセラミック基板５０６並びに５０７と、主記憶装置
５０２を実装したセラミック基板を、大きさが１辺約５
０ｃｍ前後の基板に実装し、大型計算機の中央処理ユニ
ット５０８を形成した。この中央処理ユニット５０８内
データ通信や、複数の中央処理ユニット間データ通信、
あるいはデータ通信インタフェース５０３と入出力プロ
セッサ５０５を実装した基板５０９との間のデータの通
信は、図中の両端矢印線で示される光ファイバ５１０を
介して行なわれた。従って、例えばプロセッサ５００内
部の論理回路や記憶回路から送り出された光信号は、半
導体チップ内部に設けた光導波路と光ファイバ５１０を
経由して、システム制御装置５０１内部の論理回路や記
憶回路、あるいは主記憶装置５０２などへ、光信号のま
ま伝送された。この計算機では、命令や演算を処理する
プロセッサ５００や、システム制御装置５０１や、主記
憶装置５０２などのシリコン半導体集積回路が、並列に
高速で動作し、またシリコン半導体チップ上や、プロセ
ッサと装置間などのデータ通信を、光を媒体に行なった
ため、１秒間当りの命令処理回数を大幅に増加すること
ができた。

【００１１】

【発明の効果】本発明によれば、半導体集積回路におい
て、回路間の長い距離の信号伝送に半導体チップ内部に
設けた光導波路を用いることにより、離れた回路間の信
号伝送が高速に行われ、従ってこの半導体集積回路の高
速化が容易になる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１を説明する断面図。

【図２】本発明の実施例１を説明する平面図。

【図３】本発明の実施例２を説明する断面図。

【図４】本発明の実施例２を説明する平面図。

【図５】本発明の実施例３を説明する計算機構成図。

【符号の説明】

１…シリコン半導体基板、 ２…シリコン
酸化膜基板、４…シリコン半導体論理演算集積回路、
５…発光素子、６…金属配線層、 ７…光導波路、 ８
…論理演算回路を集積したブロック、 ９…回折格子、
１０…受光素子、１１…金属配線層間絶縁膜、２１
…シリコン半導体基板、 ２２…素子分離
溝、２３…シリコン半導体記憶装置、 ２４…シリコン
半導体論理演算集積回路、２５…光導波路を設けた分離
溝、 ２６…金属配線層、２７…光導波路、 ２
８…発光素子、 ２９…回折格子、３０…金属配線層
間絶縁膜、 ３１…受光素子、３２…光導波
路側面、 ３３…光導波路側面、５０
０…シリコン半導体集積回路よりなる命令や演算を処理
するプロセッサ、５０１…シリコン半導体集積回路より
なるシステム制御装置、５０２…シリコン半導体集積回
路よりなる主記憶装置、５０３…化合物半導体集積回路
よりなるデータ通信インタフェース、５０４…データ通
信制御装置、 ５０５…入出力プロセッサ、５
０６…セラミック基板、 ５０７…セラミ
ック基板、５０８…中央処理ユニット、 ５
０９…入出力プロセッサ実装基板、５１０…データ通信
用光ファイバ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 27/14 31/02 (72)発明者 近藤 将夫 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体集積回路に電気信号と光信号とを相
   互に変換する変換素子と光導波路とを集積し、かつ上記
   変換素子と光導波路を介して集積回路の信号伝送を行う
   手段を備えることを特徴とする光導波路付き半導体集積
   回路。
2. 【請求項２】請求項１記載の光導波路付き半導体集積回
   路において、上記光導波路は、集積回路の素子間分離用
   絶縁溝の絶縁体内部または素子と半導体基板間分離用の
   絶縁層内部に誘電率の異なる誘電体を用いて形成したも
   のであることを特徴とする光導波路付き半導体集積回
   路。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２記載の光導波路付
   き半導体集積回路において、上記光導波路から成る信号
   伝送線と、集積回路上に設けた金属配線から成る信号伝
   送線を備えることを特徴とする光導波路付き半導体集積
   回路。
4. 【請求項４】請求項３記載の光導波路付き半導体集積回
   路において、上記光導波路から成る信号伝送線は、集積
   回路における長い距離の信号伝送用であり、上記集積回
   路上に設けた金属配線から成る信号伝送線は、集積回路
   における短い距離の信号伝送用であることを特徴とする
   光導波路付き半導体集積回路。