JPH07191224A - 高集積光導波路 - Google Patents

高集積光導波路

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JPH07191224A
JPH07191224A JP5330503A JP33050393A JPH07191224A JP H07191224 A JPH07191224 A JP H07191224A JP 5330503 A JP5330503 A JP 5330503A JP 33050393 A JP33050393 A JP 33050393A JP H07191224 A JPH07191224 A JP H07191224A
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 第１領域（２）と第２領域（３）とで構成さ
れた光導波路が基板表面形成された凹部或いは凸部の側
壁に接した構造とする。 【効果】 本構造により光の速度で伝達する配線と高集
積性が同時に達成させるため、これを用いた高性能な計
算機システム、通信システムが提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体集積回路（アイシ
ー：ＩＣ）及び光電子集積回路装置（オーイーアイシ
ー：ＯＥ−ＩＣ内部及びその間の情報伝達に好適な光導
波路に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体集積回路及び光電子集積回路装置
は、一般に半導体素子及び光素子を半導体基板上に集積
しそれらの素子間を金属の薄膜で配線したものである。
この中で、半導体素子及び光素子は信号の増幅や発光、
受光などの機能を有し、配線はこれら素子から出力され
た信号を他の素子に接続、伝達させるために用いられて
いる。
【０００３】現在の先端技術で製造された集積回路にお
ける信号伝達の速度成分を分析すると、半導体素子及び
光素子中で処理される信号速度（スイッチング速度とも
呼ぶ）よりもそれらを接続している配線領域を伝幡する
速度の方が著しく遅くなっいる。例えば、０．８ミクロ
ンの加工技術で製造された高速バイポーラ型ＬＳＩ（Ｌ
ＳＩ：ラージスケールインテグレーション（大規模集積
回路））では、典型的な論理回路で分析するとおよそ７
０％が金属配線による速度遅延となっている。そのため
この金属配線での信号遅延を小さくすることが高速なＬ
ＳＩを製造するためのキーテクノロジーとなる。
【０００４】一方、信号伝幡に光を応用し光の速度で高
速な配線を行う例がいわゆるＯＥーＩＣである。従来の
ＯＥ−ＩＣ等で用いられている光導波路を第２図に示
す。半導体等の基板１の上に光を用いたの配線部分であ
る領域３を堆積して形成されている。領域３の構造は、
厚さ数ミクロン、幅数十ミクロンの断面となっており、
厚さよりも横寸法が大きくなっている。この構造におい
て、集積度を向上させるために導波路の幅を細くし光の
波長に近い寸法となると、光信号の入射が不可能とな
り、また導波路中を伝幡する間に周辺に光が拡散し信号
伝幡線路とならなくなる。また、厚さよりも横寸法が小
さくなっている導波路の例としては例えば特開昭６２−
１４３００４、或いは特開平３−１４４５５１４に示さ
れている。これらの例においては導波路の横方向の寸法
が溝の加工寸法で決まるため、集積度を向上させるため
に導波路の幅を細くし光の波長に近い寸法となると、わ
ずかの加工寸法のバラツキによって光信号の入射が不可
能となったり、導波路中を伝幡する間に周辺に光が拡散
し信号伝幡線路とならなくなる。
【０００５】現在、ＬＳＩは高機能化のために年々高集
積化が要求されており、それにつれられて金属配線幅と
間隔を微細化させなければならない。金属配線幅と間隔
を微細化させると金属配線の単位長あたりの抵抗値と容
量値が増加し、信号伝達速度は反って増加するという欠
点がある。そのため、上記のような信号伝幡線路に光導
波路を用いることが提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来型の
第１図の構造においては、高速化するために光信号を集
積回路に用いても導波路幅が広く集積度が高くならな
い。また、特開昭６２−１４３００４、或いは特開平３
−１４４５５１４に示されている例においては導波路の
横方向の寸法が溝の加工寸法で決まるため、集積度を向
上させるために導波路の幅を細くし光の波長に近い寸法
にすると、わずかの加工寸法のバラツキによって光信号
の入射が不可能となったり、導波路中を伝幡する間に周
辺に光が拡散し信号伝幡線路とならなくなる。さらに、
導波路幅を細くしたときに導波路の厚さ（基板の主たる
面に垂直な方向を厚さとする）を十分に大きく取らない
と導波路中の光の伝搬速度が小さくなり高速化の妨げと
なる。上記の例では溝の幅によって導波路幅が、溝の深
さによって導波路厚さが決まるため、高集積で高速な導
波路、即ち幅が細く且つ厚い導波路を形成するために
は、溝幅にたいして溝深さの大きい困難な溝加工を必要
とした。そのため、高集積化と高速化とを両立すること
が困難であった。また、上記と同様の理由により電気回
路においてしばしば用いられる差動信号伝搬を光導波路
で行う際に導波路加工寸法のバラツキによって導波路中
の光信号の群速度の変動が大きく、差動の信号間のタイ
ミングがずれるという問題があった。
【０００７】本発明の目的は、光導波路を用いて高速信
号伝幡する機能を有し、さらに伝搬遅延時間のそろった
１対の導波路を提供することを可能とし、かつ金属配線
よりもさらに高密度な信号配線領域を可能とする構造を
提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の目的は、基板状の
突起或いは溝の両側面に対称な形で光導波路を設けるこ
とによって達成される。
【０００９】
【作用】上記の手段によれば、まず第一に導波路の両側
面と溝の側壁との距離を任意にとることができる。すな
わち、導波路の幅、即ち横方向の寸法と溝の加工寸法と
を独立に決定できる。従って、集積度を向上させるため
に導波路の幅を細くし光の波長に近い寸法とした場合で
も溝加工幅のバラツキと無関係に均一な幅の導波路を形
成することが容易である。そのため、溝加工幅のわずか
のバラツキによって光信号の入射が不可能となったり、
導波路中を伝幡する間に周辺に光が拡散することによる
信号伝幡の損失を容易に防ぐことができる。また、光の
伝搬速度が導波路寸法に依存して変化することに起因す
る配線遅延時間のばらつきも減少させることができる。
第２に、上記と同様の理由により、高集積で高速な導波
路、即ち幅が細く且つ厚い導波路を形成する際にも溝幅
を大きくすることが可能であり、溝幅にたいして溝深さ
の大きい困難な溝加工は不用である。そのため、高集積
化と高速化とを両立することが容易である。さらに、上
記の手段によれば、１本の溝、或いは突起の両側に導波
路を設けることにより１本の溝、或いは突起あたり２本
の光導波路を形成できるため、容易に高密度化を達成で
き、また、１対の対称な導波路を容易に形成できる。こ
の対称な１対の導波路を用いることにより差動のタイミ
ングのそろった信号を伝搬させることができる。これら
の点を総合すれば、この領域を集積回路の配線領域とし
て使用することによって、従来不可能であった高速性と
高集積性を同時に達成でき、特にその信号伝達速度は金
属配線の約１０倍以上に改善できる。
【００１０】
【実施例】
（実施例１）本発明の第１の実施例を図１に示す。本実
施例では、半導体基板１としてシリコン基板を用いた。
シリコン基板内に細いみぞを形成した。本実施例では溝
の幅を５ミクロンとした。その溝のなかに屈折率１.４
５のシリコン酸化膜２を埋め込み、さらにそのなかにシ
リコン酸化膜２よりも屈折率の大きな屈折率２.０のシ
リコン窒素化膜３を埋め込んだ。シリコン酸化膜の厚さ
を０.６ミクロン、シリコン窒素化膜の厚さを０.３ミク
ロンとした。また溝の深さを５ミクロンとした。この様
な構造にすることにより、溝の両側にシリコン酸化膜と
シリコン窒化膜の積層構造からなる側壁が形成される。
この側壁はシリコン窒化膜を光導波（コア）層、シリコ
ン酸化膜及び溝内の空間をクラッドとする光導波路をな
し、つねに一対の導波路が向き合った形でシリコン窒素
化膜をコアとする光導波路を形成した。光導波路のコア
の最小幅は、コアの屈折率とコアを取り巻くクラッドの
屈折率で決定される。化合物半導体ＧａＡｓで作ったレ
ーザの波長を０.８３ミクロンとするとコアの最小幅は
約０.１５ミクロンとなり光の周囲への染みだし長を含
めた全導波路最小幅は約０.４ミクロンとなる。そのた
め、本実施例で示した様なコアの幅０.３ミクロンで
は、減衰が無く充分に光を伝達が可能となっている。ま
た、波長を短くするとコアの幅も薄く出来るため、高集
積性を向上するためには短い波長を用いればコアの厚さ
を０.１ミクロン以下にすることが出来る。金属配線で
は配線材料幅を０.１ミクロンにすると抵抗の増加と隣
接配線容量が増加するためこの様な細い配線を高速動作
の集積回路で用いることは出来ない。単純な計算及び実
験結果から、０.１ミクロンの金属配線に比べ同一寸法
の光導波路を用いた配線では約１０倍以上高速性能が得
られた。本実施例で述べた光導波路を用いればこの様に
高速性と高集積性を同時に達成できる。また、このよう
に形成することにより溝幅に関係なくコア層の厚さを一
定に形成できた。しかも、１本の溝につき２本の光導波
路を形成できるので、容易に高密度な光導波路を形成で
きる。
【００１１】実施例１の製造方法を図３図〜図９に示
す。シリコン基板１上を酸素雰囲気中で１０００度に熱
し、酸化膜４を形成した。その上にホトレジスト膜５を
全面に塗布し、周知のホトリソグラフィー技術を用いて
所望の位置に穴をあけた。ホトレジスト膜をマスクにし
て、その下の酸化膜４、シリコン基板１をドライエッチ
ング法により加工し、細溝を形成した。図３では、右側
にはやや幅広い溝、左側には細い溝を記述してある。そ
の後、ホトレジストを除去し、ドライエッチングの加工
時の表面の凹凸を除去するためフッ化水素酸と硝酸の混
合液で０.１ミクロンだけシリコンをエッチングした
（図４）。次に、再び１０００度に基板を加熱し、酸化
膜４を基板全面に形成した。酸化膜４の厚さは０.１ミ
クロンとした（図５）。次に、図６に示すように、減圧
状態でモノシラン（ＳｉＨ４）ガスと酸素ガスとの混合
ガス中で基板を加熱し、基板全面にシリコン酸化膜を
０.４ミクロン堆積した。本実施例では、基板に発生す
る結晶欠陥防止のため、最初の酸化膜の厚さを０.１ミ
クロン、次の堆積酸化膜を０.４ミクロンと２回で酸化
膜を形成したが、熱酸化法のみで０.６ミクロンの酸化
膜を形成してもかまわない。その後、図７に示すように
基板全面にシリコン窒素化膜を０.３ミクロン化学気相
堆積法で形成した。次に、異方性イオンスパッタリング
法を用いてシリコン窒素化膜をエッチングし溝の側面の
みにシリコン窒素化膜を残した（図８）。その後、上記
と同じ堆積法によりシリコン酸化膜６を全面に堆積した
（図９）。この様にして、第１図と同様な構造（第９
図）が完成した。
【００１２】（実施例２）実施例１において図１１に平
面図で示すように一部分の溝の幅を徐々に狭め、最も狭
い場所で１．５ミクロンとなるようにした。このことに
より、溝の両側に対で形成された導波路の間隔が徐々に
小さくなり１本の光導波路となる構造が形成できた。こ
のことにより、溝内は完全に埋まり、図１０に示すよう
にシリコン窒化膜を光導波（コア）層、シリコン酸化膜
をクラッドとする光導波路が形成される。この構造は図
１０上方より光を入射させることにより２種類の光の合
波器として機能し、反対から光を入射させることにより
分波器として機能する。構造が対称であるため、分波器
の出力の偏りは非常に小さく、入射光強度に対する分波
出力は５０％±３％であった。
【００１３】（実施例３）本発明の第３の実施例を図１
２に示す。本実施例では基板１の上に本発明の光導波路
を形成し、発光及び受光素子７の直接上面に光導波路が
接続されている。この様な構造にすることにより、集積
回路基板１を形成した後に導波路を製造できるので集積
密度を向上させることが出来る。
【００１４】図１３は、発光及び受光素子７内に少なく
とも２つの光導波路を形成した例である。この様にする
ことにより、一方を発光部分に、一方を受光部分に接続
でき、効率良く信号伝達が可能となる。
【００１５】図１４〜図１５は本発明の第３の実施例を
製造する１つの方法を示したものである。発光及び受光
素子７がすでに形成された基板１上に酸化膜を形成し、
周知のホトリソグラフィー法およびドライエッチング法
により図１４のように酸化膜２を残す。次に、全面にシ
リコン窒素化膜を堆積し、全面を異方性ドライエッチン
グ法を用いてエッチングし酸化膜２の側面のみにシリコ
ン窒素化膜３を残す。その後、全面に酸化膜を堆積し、
実施例２の構造（図１３）を製造した。
【００１６】（実施例４）図１６は本発明の第４の実施
例を示す。本実施例では集積回路８と集積回路８の間に
光導波路を形成したものである。この様な構造を例えば
計算機システムに応用することにより、計算速度の向上
と集積密度の向上が達成された。また、集積回路８に通
信システムを搭載すれば超高速のインテリジェント通信
システムが製造可能となる。
【００１７】（実施例５）図１７は本発明の第５の実施
例を示す。本実施例ではトランジスタ１０１とトランジ
スタ１０１の間の素子間分離溝内に光導波路を形成した
ものである。この様な構造においてもトランジスタ特性
並びに光導波路特性は各々を独立に形成したときと全く
変化せず、電子集積回路内に光導波路を混在させ、光に
より信号伝送することが可能となった。
【００１８】（実施例６）図１８は本発明の第６の実施
例を示す。本実施例では側面発光型の発光素子１０２
と、側面受光型の受光素子１０３の間の素子間分離溝内
に光導波路を形成したものである。この様な構造におい
ては発光素子と光導波路、受光素子と光導波路の結合効
率を容易にたかめることが可能である。
【００１９】（実施例７）本実施例では実施例２の光導
波路及び光分波器を実施例４の形で集積回路８と集積回
路８の間に形成し、各集積回路のクロックの伝達に使用
した。集積回路の各部分の同期を取るためのクロック信
号の分配を電気配線で行うと、配線抵抗と容量による遅
延を揃える為に配線の設計が複雑になるが、光導波路で
は光の速度で遅延が決まるため、単純に長さを揃えれば
良い。また、大規模な回路ではクロック配線の容量が非
常に大きくなるため、クロック駆動回路の消費電力が膨
大なものになるが、光配線にすればそれを削減できる。
この様な構造を例えば計算機システムに応用することに
より、計算速度の向上と集積密度の向上が達成された。
また、集積回路８に通信システムを搭載すれば超高速の
インテリジェント通信システムが製造可能となる。
【００２０】（実施例８）本実施例では実施例２の光導
波路を集積回路のクロックの伝達に使用した。その際
に、図１９に示すように２本の光導波路のそれぞれをク
ロックの立上りと立ち下がり信号の伝送に使用し、光信
号の発生を立上りと立ち下がりタイミングでのみパルス
的に行った。このようにすることで光信号を発生させて
いる時間を短縮し、消費電力の低減が図れる。また、２
本の導波路で立上り、立ち下がりの信号を独立に伝送す
ることでパルスのカウントミスによる誤動作を完全に亡
くすことが可能になる。実施例２の光導波路を用いるこ
とにより、特性のそろった対の信号伝送路を容易に形成
できるため、立上り、立ち下がりパルスの間のジッタを
低減できる。また、実施例８と同様に光によりクロック
信号を伝達することにより配線の設計が容易になる、消
費電力を削減できる等の利点がある。従って、この様な
構造を例えば計算機システムに応用することにより、計
算速度の向上と集積密度の向上が達成された。
【００２１】（実施例９）次に、実施例９を図２０の計
算機構成図で説明する。本実施例９は、本発明を実施し
た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。本発明の光導波路を集積回路
内及び集積回路間の接続に用いている。光導波路への入
出力部には、シリコンの発光受光素子、および化合物半
導体の発光受光素子を用いている。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５０２などを、１
辺が約１０〜３０ｍｍ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
よりなるデータ通信インタフェース５０３を、同一基板
５０６に実装した。また、データ通信インタフェース５
０３と、データ通信制御装置５０４を、同一基板５０７
に実装した。これら基板５０６並びに５０７と、主記憶
装置５０２を実装した基板を、大きさが１辺約５０ｃｍ
程度、あるいはそれ以下の基板に実装し、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。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、データの通信を
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。
【００２２】
【発明の効果】以上述べたように本発明により、高集積
性と高速化が同時に達成できる集積回路が製造可能とな
り、これを用いた高性能な計算機システム、通信システ
ムが提供できる。
【００２３】なお、本実施例ではコア材料としてシリコ
ン窒素化膜、コアを囲むクラッド材料としてシリコン酸
化膜をとりあげたが、これらの材料の組み合わせとし
て、コア材料の方がクラッド材料よりも屈折率が大きけ
ればどの様なものでも構わない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施例の光導波路の断面図
である。
【図２】従来の光導波路の斜視図である。
【図３】本発明に係る第１の実施例の光導波路の製造工
程を示す断面図である。
【図４】本発明に係る第１の実施例の光導波路の製造工
程を示す断面図である。
【図５】本発明に係る第１の実施例の光導波路の製造工
程を示す断面図である。
【図６】本発明に係る第１の実施例の光導波路の製造工
程を示す断面図である。
【図７】本発明に係る第１の実施例の光導波路の製造工
程を示す断面図である。
【図８】本発明に係る第１の実施例の光導波路の製造工
程を示す断面図である。
【図９】本発明に係る第１の実施例の光導波路の製造工
程を示す断面図である。
【図１０】本発明に係わる第２の実施例を説明するため
の光導波路の断面図である。
【図１１】本発明に係る第２の実施例の光導波路の平面
図である。
【図１２】本発明に係る第３の実施例の光導波路の断面
図である。
【図１３】本発明に係る第３の実施例の光導波路の応用
例の断面図である。
【図１４】本発明に係る第３の実施例の光導波路の製造
工程を示す断面図である。
【図１５】本発明に係る第３の実施例の光導波路の製造
工程を示す断面図である。
【図１６】本発明に係る第４の実施例の光導波路の断面
図である。
【図１７】本発明に係る第５の実施例の光導波路の断面
図である。
【図１８】本発明に係る第６の実施例の光導波路の断面
図である。
【図１９】本発明に係る第８の実施例を説明するための
説明図である。
【図２０】本発明に係る第９の実施例の計算機の構成図
である。
【符号の説明】
１…半導体基板、２…クラッド材料、３…コア材料、４
…酸化膜、５…ホトレジスト材料、６…酸化膜、７…発
光受光素子、８…集積回路、１０１…シリコン半導体よ
りなるトランジスタ、１０２…側面発光型の発光素子、
１０３…側面受光型の受光素子、５００…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、５０
５…入出力プロセッサ、５０６…セラミック基板、５０
７…セラミック基板、５０８…中央処理ユニット、５０
９…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 (72)発明者 武田 光夫 東京都調布市調布ケ丘窪一丁目５番１号

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第１領域で囲まれた第２領域の屈折率が第
    １領域よりも大きな光導波路において、導波路構造が基
    板の表面の突起、或いは基板内に設けられた溝の側面に
    形成されていることを特徴とする光導波路。
  2. 【請求項２】請求項１記載の導波路において、導波路構
    造が基板の表面の突起、或いは基板内に設けられた溝の
    両側の側面に対をなして形成されていることを特徴とす
    る光導波路。
  3. 【請求項３】請求項１、もしくは２記載の導波路におい
    て、屈折率の大きい第２領域の基板表面に垂直方向の寸
    法が基板表面に平行な方向の寸法よりも大きいことを特
    徴とする光導波路。
  4. 【請求項４】請求項１記載の導波路において、基板の表
    面の突起、或いは基板内に設けられた溝の両側の側面に
    対をなして形成された一対の導波路と、それと接続され
    る単一の導波路を有することを特徴とする導波路。
  5. 【請求項５】請求項４記載の導波路において、基板の表
    面の突起、或いは基板内に設けられた溝の両側の側面に
    対をなして形成された一対の導波路の間隔が徐々に変化
    し、その間隔が０になることによってそれと接続される
    単一の導波路となる構造を有することを特徴とする光導
    波路。
  6. 【請求項６】上記導波路が半導体発光受光素子に接続さ
    れ半導体基板よりも上面に位置していることを特徴とす
    る集積回路装置。
  7. 【請求項７】上記導波路が半導体基板内に形成された溝
    内に形成され、半導体発光受光素子に接続されことを特
    徴とする集積回路装置。
  8. 【請求項８】上記導波路が形成する溝が半導体基板内に
    形成され、且つ、その溝が同一基板上に形成された半導
    体素子の電気的かつ光学的分離溝であることを特徴とす
    る集積回路装置。
  9. 【請求項９】請求項１記載の装置を具備してなることを
    特徴とする計算機装置。
  10. 【請求項１０】請求項１記載の装置を具備してなること
    を特徴とする通信システム。
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