(57)【要約】【課題】積層体において配線リソースを増やすことである。【解決手段】積層体は、電子回路及びそれに接続される電気配線を備えた層101を積層した複数層と、電子回路間の信号の授受を光を用いて行うために電気信号と光信号とを変換するための変換手段103と、変換手段103により変換された光信号を伝播させるための光導波路層104とを備える。光導波路層104は複数層の積層方向に配置されている。こうした構成では、電気配線に加えて、積層体の側面などに光配線層としての光導波路層が施されているので、配線リソースを増やすことが可能となる。【選択図】    図１
2005109103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子回路及びそれに接続される電気配線を備えた層を積層した複数層と、前記電子回路間の信号の授受を光を用いて行うために電気信号と光信号とを変換するための変換手段と、前記変換手段により変換された光信号を伝播させるための光導波路層と、を備える積層体であって、前記光導波路層は前記複数層の積層方向に配置されていることを特徴とする積層体。
【請求項２】
前記光導波路層はフィルム状光導波路層である請求項1記載の積層体。
【請求項３】
前記光導波路層の配置方向は少なくとも前記複数層の積層方向の成分を有する請求項1記載の積層体。
【請求項４】
前記変換手段は、発光素子または光電変換素子から選択される請求項1記載の積層体。
【請求項５】
更に2次元光導波路層を積層してなる請求項1記載の積層体。
【請求項６】
前記光導波路層に光路変換体を備えた請求項1記載の積層体。
【請求項７】
前記側面の光導波路層の一部が折り曲げられ、折り曲げ部分に前記光路変換体が配された請求項6記載の積層体。
【請求項８】
前記光路変換体は光散乱体で構成された請求項6又は請求項7に記載の積層体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を利用した信号伝送が可能な積層体に関する。
【背景技術】
【０００２】
LSIの高密度化に伴い配線のリソースをいかに確保するかが大きな問題となっている。特に複数のシステムLSIを積層してチップで構成し、1パッケージに収めるいわゆるシステム・イン・パッケージでは、配線リソースの不足が大きな問題になっている。これを解決する一例（チップ積層型半導体装置）として、図9の模式図に示す様なものがある（特許文献1参照）。ここで、スタックドパッケージ101は、積層封止されたICデバイス111、112を備え、1チップデバイス111と複数の外部ピン141は複数のワイヤ121〜124によって接続されている。1チップデバイス112と複数の外部ピン141は複数のワイヤ125、126で接続されている。また、ICデバイス111、112はワイヤ127、128によって接続されている。
【０００３】
また、電子回路、特にシステムLSIは集積規模が急速に上がり、高速動作と配線リソースの不足が問題になっている。すなわち、高速に動作させるためには配線距離を短くする必要があり、これは配線リソースの枯渇を生じさせている。これを回避する方法としては、3次元実装がある（非特許文献1参照）。この実装方法は、従来の様に1チップにすべてを集積するのではなく、高さ方向に複数のチップを積層・実装し、その内部をビアで貫き、チップ間を最短距離で接続しようとするものである。また、この方法は、それぞれのチップをインターポーザを介して接続することで端子の不足を緩和できるというメリットもある。
【特許文献１】特開2002-057270号公報
【非特許文献１】NIKKEI ELECTRONICS 2002.4.8 第30頁-31頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献1の技術では、チップを2個積層したあとに上下のチップを接続するのにワイヤボンドを用いているので、上に重ねるチップは必然的に小さくする必要があり、デバイス構成上大きな制約となっている。また、ワイヤボンドの数には制限があり、効果的な解決策とはいえない。また、上記非特許文献1の技術では、ビアは自由に打てるわけではなく、インターポーザで結合できる端子の数にも制限があるので、必ずしも解決策になっていない。また、むやみにビアを打ったり、配線を引き回すとEMI（電磁誘導ノイズ）の原因となり、シグナルインテグリティの観点からも望ましくない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題に鑑み、本発明の積層体は、電子回路及びそれに接続される電気配線を備えた層を積層した複数層と、前記電子回路間の信号の授受を光を用いて行うために電気信号と光信号とを変換するための変換手段と、前記変換手段により変換された光信号を伝播させるための光導波路層と、を備える積層体であって、前記光導波路層は前記複数層の積層方向に配置されていることを特徴とする。より具体的には、LSI、RAMなどの電子回路ないし電子デバイスと電気配線を有する電子回路構造体層を含んで複数層が積層されてなる光電融合構造体であって、該電子回路ないし電子デバイスに電気接続されて電気信号の光信号への変換と光信号の電気信号への変換の少なくとも一方を行う複数の光IO（IN/OUT）素子が配置され、該光電融合構造体の積層方向に伸びる側面の少なくとも一部が光導波路層で覆われ、光IO素子間で該側面の光導波路層を介して光信号を授受できる様に構成されたことを特徴とする。こうした構成では、電気配線に加えて、積層構造体である光電融合構造体の側面などに光配線層としての光導波路層が施されているので、配線リソースを増やすことが可能となる。
【０００６】
上記基本構成に基づいて、以下の様な態様の光電融合構造体が可能である。
尚、本願発明において、光導波路層は複数層の積層方向に配置されるが、ここでいう積層方向とは、少なくとも積層方向の成分を有する方向をいう。
【０００７】
前記光導波路層は典型的にはフィルム状光導波路層である。また、前記変換手段は、発光素子または光電変換素子から選択されうる。また、積層体は、更に2次元光導波路層を積層してなる。また、前記光導波路層に光路変換体を備えうる。
【０００８】
さらに、光電融合構造体などの積層体は、複数の平面状の電子回路構造体層のみを積層してなったり（後述の実施例参照）、電子回路構造体層と2次元光導波路層を含んで積層してなったりする。前者の場合、光IO素子は光電融合実装構造体の側面に配置されて光信号を発信したり受信したりする。前者の場合は、光IO素子は、電子回路構造体層と2次元光導波路層の界面付近や光電融合実装構造体の側面に配置されて光信号を発信したり受信したりする。
【０００９】
また、光IO素子は、例えば、半導体レーザと光路変換構造体、或いは光路変換構造体とフォトディテクタとの組み合わせである。光路変換構造体としては、光散乱体、円錐状や角錐状などのミラー構造体などがある。さらに、前記側面の光導波路層の一部は、折り曲げられ、折り曲げ部分にミラーあるいは散乱体等の光部品である光路変換構造体が配置されて光路変換を行う形態も可能である。
【発明の効果】
【００１０】
以上に説明した様に、本発明によれば、光導波路層が前記複数層の積層方向に配置されているので、配線リソースを増やすことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、添付図面を参照し、実施例を挙げて本発明の実施の形態を具体的に説明する。
（第1の実施例）
図1は本発明の第1の実施例の光電融合構造体の断面模式図である。図1において、101a〜101cは、LSI等が実装された電子回路モジュールであり、Siを薄片化したものであったり、複数のチップが同一基板上に実装されたマルチチップモジュールであったりする。この電子回路モジュール101がインターポーザ102a〜102cを介して他の電子回路モジュール101と積層した構造になっている。インターポーザ102は、内部配線を含み、組み合わせる電子回路モジュール101の端子と結合しているものであり、ビルトアップ電気配線基板などである。そして、電子回路モジュール101などを積層した光電融合構造体の側面において、発光素子（EOデバイス）ないし受光素子（OEデバイス）やその駆動回路などを含む光IOデバイス103がインターポーザ102の端面に内蔵され、光導波路層として光フィルム104が設置されている。
【００１２】
次に、この光電融合構造体の作製工程例を図2に沿って述べる。
（1）まず、複数の電子回路モジュール101をインターポーザ102を介して電気接続した状態で積層する。この際、インターポーザ102のエッジには他のモジュールに接続したい端子を配置しておく（図2(a)参照）。
(2)積層したモジュール101の各インターポーザ102のエッジ（前記端子）に、光IOデバイス（EOデバイスないしOEデバイス）103を配置する。各光IOデバイス103は前記インターポーザ102に電気接続されている。1つの光IOデバイスに複数の電気配線106が接続されていてもよい。本実施例では、光IOデバイス103は、エミッタとして発振波長0.8μｍのVCSEL（面発光レーザ）を用い、ディテクタとしてトランスインピーダンスアンプ付きpin型ダイオード（Si）を用いた（図2(b)および(e)参照）。
(3)積層したモジュール101の側面に、フィルム状の光導波路層104をCVD等で形成する。ここでは、厚さ50μｍのSiN膜を使用した。側面は1面だけでも良いし、複数の面でも良い（図2(c)参照）。
(4)そして、前記光IOデバイス103に対向して、光散乱体105をフィルム状光導波路層104に配置する。本実施例では直径100μｍのボール半田を用いた（図2(d)参照）。こうして、図2
(e)に示すような構造が完成する。
【００１３】
ここでは、光IOデバイス103と光散乱体105をそれぞれ別々に実装したが、これらが集積されたものを用いて、一括して実装できる様にしても良い。
【００１４】
以下、本実施例の動作例を図3を用いて説明する。図3(a)は光電融合構造体の断面拡大図、図3(b)は光電融合構造体をフィルム状光導波路層104の面から見た正面図である。簡単のため、電子回路モジュール101a中のLSI107aの端子108aを電子回路モジュール101b中のLSI107bの端子108bに接続する場合を考える。
【００１５】
(1)LSI端子108aからの電気信号は、インターポーザ102a中の内部電気配線106aを介して端面に配置された光IOデバイス103aに接続される。
(2)光IOデバイス103aは、電気信号を光信号に変換し、端面から光を光導波路層104内に出射する。
(3)出射された光は、対向して配置された光散乱体105aにより散乱され、フィルム状の光導波路104中を光信号（光配線）109として伝播する。本実施例では、フィルム状導波路104を考えているので、フィルム内を2次元的に拡散伝播することになる（図3(b)参照）
(4)光散乱体105b付近に到達した光信号は、ここで再び光散乱体105bにより散乱され、他の光IOデバイス103b（この場合はOEデバイス）で電気信号に再変換される。
(5)再変換された電気信号は、インターポーザ102b中の内部配線106bを介して電子回路モジュール101b中のLSI端子108bに接続される。
【００１６】
このように、フィルム状光導波路層中では2次元的に光信号を拡散できるため、光IOデバイス間に１対1の光導波路（1次元光導波路）を準備する必要がない。この際、伝送距離は数mmと短いために、減衰はあまり問題にならない、
【００１７】
上記動作例では、或る電子回路モジュールから他の電子回路モジュールへデータ転送する場合を説明したが、同じモジュールに転送してももちろん良い（図3(b)での光散乱体105aから光散乱体205aへの伝送参照）。特にモジュール内でEMI等の影響で電気的伝送が不能になった場合には、その電気信号を光信号で伝送することは効果がある。
【００１８】
また、別の側面に形成したフィルム状光導波路を用いることで、同時に、データ信号の送り先などを制御する為の制御信号などを送ることも可能である。
【００１９】
本実施例によれば次の様な効果が得られる。
(1)配線リソースを大幅に拡充できる。
(2)積層された電子回路モジュール間でも高速かつEMIフリーで接続できる。
(3)光電融合構造体の側面にフィルム状の光導波路を用いるため、積層方向の任意の位置から任意の位置にでも光送受信できて、配線の自由度が飛躍的に向上する。
(4)従来の実装プロセスに影響を与えずに、光電融合構造体の側面にフィルム状の光導波路を付加することで、上記効果を獲得できる。
【００２０】
（第2の実施例）
図4は本発明の第2の実施例を説明する模式上面図である。図4において、101は、第1の実施例と同じく、積層体の一部を成す電子回路モジュールである。104は、複数の層が積層された光電融合構造体の側面に設けられたフィルム状光導波路である。2つの側面上のフィルム状光導波路層104が交差する部分にコーナーミラー201が形成されている点が第1の実施例と異なっている。1つの側面で出射された光信号109は、コーナーエッジに達すると、このミラー201により次の側面のフィルム状光導波路層104内に導かれてここを導波することができる。したがって、側面上のフィルム状光導波路層を介して全デバイスと光結合することができる。これにより10mm程度以下の高速光配線が全デバイス間で確立できて、グローバル配線の問題点（距離が長くなると正しいデータを送れなくなる）が有効に解決できる。
【００２１】
本実施例の製造方法を簡単に説明する。
(1)電子回路モジュールをインターポーザを介して積層、実装し、第1の実施例と同じように積層体の側面エッジまで電気配線する。
(2)インターポーザのエッジに光IOデバイスを配置する。本実施例では、VCSELではなくファブリペロ型半導体レーザを用いた。
(3)CVD等で4つの側面に厚さ50μｍ程度の薄膜を形成する。特にコーナー部分は、このあとミラーを作製するため、密着性が高いことが重要である。この薄膜は、光信号に対して減衰が小さくかつ加工の容易なものあれば何でもよい。本実施例ではPMMAを用いた。密着性を確保できるならばフィルム状の有機薄膜等を転写してもよい。
（4）隣接する側面のコーナー部分に対して、積層方向に伸びる稜線に沿って45度ミラー201を研磨等で形成する。できれば、全反射する角度であることが望ましいが、ミラー部に高反射膜202を形成してもよい。
【００２２】
次に、図4に沿って動作について説明する。
ここでは、簡単のため、同じ電子回路モジュール101の端子同士を接続する場合を考える。
(1)或るLSI端子からの電気信号は、インターポーザ中の内部電気配線を介して、端面に配置された光IOデバイス103aに接続される。
(2)光IOデバイス103aは、電気信号を光信号に変換し、端面から光を出射する。
(3)出射された光は、フィルム状の光導波路104中を光信号（光配線）109として伝播する。本実施例ではファブリペロ型半導体レーザを用いているので、フィルム状光導波路104内をビーム状に伝播する。
(4)コーナーミラー201付近に到達した光信号109はここで反射され、光路を変更され、他の光IOデバイス（この場合はOEデバイス）103bで電気信号に再変換される。本実施例では、OEデバイスとしてpin型フォトディテクタを用いた。
(5)再変換された電気信号は、インターポーザ中の内部配線を介して、同じ電子回路モジュール101中のLSI端子に接続される。
【００２３】
このようにフィルム状光導波路104のコーナー部にミラー201を設けておくことで、複数の側面での光接続が可能になる。また、フィルム状光導波路全体の拡散伝播ではなく、ビーム状伝播を用いることで、光信号の伝送距離や伝送速度の制限を緩和することができる。
【００２４】
（第3の実施例）
図5は本発明の第3の実施例を説明する模式上面図である。図5において、101は第1の実施例と同じく積層体中の電子回路モジュールであり、104は複数の側面に設けられたフィルム状光導波路である。側面のフィルム状光導波路104の交差部に光散乱体105を配置している点が第2の実施例と異なっている。側面のフィルム状光導波路104に出射された光信号109は、エッジ交差部に達すると、この散乱体105により散乱されて次の側面のフィルム状光導波路104内に拡散伝播される。したがって、側面を介して全デバイスと光結合することができる。このことは、第2の実施例の所で上述した様にグローバル配線の問題点（距離が長くなると正しいデータを送れなくなる）の解決に有効である。
【００２５】
本実施例の製造方法は第2の実施例とほぼ同じである。異なる点は、側面のコーナー部分に対して、稜線に沿って45度ミラー201を研磨等で形成してから、光散乱体105を配置する点である。本実施例ではボール半田（直径100μｍ）を用いた。
【００２６】
次に動作について説明する。
(1)或るLSI端子からの電気信号は、インターポーザ中の内部電気配線を介して、積層体の端面に配置された光IOデバイス103aに接続される。
(2)ファブリぺロ型半導体レーザである光IOデバイス103aは、電気信号を光信号に変換し、その端面から光を出射する。
(3)出射された光は、フィルム状の光導波路104中を光信号（光配線）109として伝播する。本実施例ではファブリペロ型半導体レーザを用いているので、光導波路104内をビーム状に伝播する。
(4)コーナー部に付近に到達した光信号109は、図6に示す様に、ここで散乱体105により散乱され、隣のフィルム状光導波路104に拡散伝播する。拡散した光信号109は他の光IOデバイス（この場合はOEデバイス）103bで電気信号に再変換される。本実施例でもpin型フォトディテクタを用いた。
(5)再変換された電気信号は、インターポーザ中の内部配線を介して、他の電子回路モジュール中のLSI端子に接続される。
【００２７】
このようにフィルム状光導波路のコーナー部に散乱体105を設けておくことで、複数の側面での光接続が可能になる。また、フィルム状光導波路全体のビーム状伝播と拡散伝播を組み合わせることで、配線リソースを制限することなく、伝送距離や伝送速度の制限を緩和することができる。
【００２８】
ところで、電子回路構造体層と2次元光導波路層を含んで積層し、電子回路構造体層と2次元光導波路層の界面付近に上記実施例の如き光IO素子或いは光IO素子と光路変換構造体の組み合わせを設け、この積層体の側面にフィルム状光導波路層を設ける構成も可能である。この構成では、積層体中の2次元光導波路層と交差する側面のフィルム状光導波路層の外側の部分に上記実施例の散乱体の如き光路変換構造体を設けて、これら2次元光導波路層と側面のフィルム状光導波路層を光学的に結合する。例えば、上記界面の光IO素子から出た光は、2次元光導波路層、側面の光導波路層に設けられた光路変換構造体、側面の光導波路層を経て、上記実施例の如き側面に設けられた光IO素子で受光される。また、上記実施例の如き側面に設けられた光IO素子から出た光は、この逆の経路を経て上記界面付近の光IO素子で受光される。さらには、光信号の減衰が問題にならなければ、上記界面付近の光IO素子から出された光が、2次元光導波路層、側面の光導波路層に設けられた光路変換構造体、側面の光導波路層、側面の光導波路層に設けられた別の光路変換構造体、別の2次元光導波路層を経て、別の界面付近の光IO素子で受光される様にすることも可能である。
【００２９】
（第4の実施例）
図7は第4の実施例の光電融合構造体で用いられる光IO素子を説明する模式図である。この光IO素子はフォトニックボールIC（Photonic  Ball  IC）である。フォトニックボールICは、直径1mmφ程度の半導体球表面にCMOS回路のほかに発光素子や受光素子を集積できるため、光ICとして機能するだけでなく、球面形状を有することから、2次元平面内の任意の方向に光拡散させたり、任意の方向あるいは特定の方向に光ビームを出射できたり、または任意の方向あるいは特定の方向からの光を受光できる機能を持つ。
【００３０】
図7において、301はアンドープ球状Si基板（例えば1mmφ）であり、302はその半球表面（ここでは北半球表面）に形成されたICである。さらに、303は、南半球部表面に形成された発光素子あるいは受光素子等の光デバイスであり（ここでは、4つの(111)相当面に形成されたGaInNAs/AlGaAs系の面発光レーザや面型フォトダイオードを想定しているが、これに限るものではない）、304は電気配線である。IC302は、発光素子303と集積する場合は、駆動ICであったり、パラレル・シリアル変換回路であったりする。受光素子303と集積する場合には、バイアス回路、プリアンプ、波形調整回路、あるいはシリアル・パラレル変換回路であったりする。もちろん両方の機能を兼ねる場合は、それに応じた電子回路を付加する。これらの回路は通常のCMOSプロセスで作製可能で、そのロジック電圧は3.3V、あるいはそれ以外の電圧でもよい。
【００３１】
図8はフォトニックボールICの別の形態を示している。図8において、電子回路部401、電気配線402、電子回路用電極パッド部403は上記と変わらないが、光デバイス部分が大きく異なっている。ここで、407は、コンタクト層406上に形成された光デバイス用電極パッドであり、405は、クラッド層404に挟まれた半球状に形成された活性層であり、発光デバイスの場合、光デバイス用電極パッド407から注入されたキャリアがここで再結合して発光する。受光デバイスの場合、活性層405には逆バイアスがかけられ、受光した光がここで電子-ホール対を形成する。どちらの場合も球形状をしていることから、光放出あるいは光吸収ともに特別な光学系を用意することなく、高効率でEOあるいはOE変換することができる。第1の実施例のように拡散伝播でデータ伝送する場合は、例えば、図７のフォトニックボールICが光IO素子として用いられ、第2の実施例のように、ビーム伝播モードで伝送する場合には、図8のフォトニックボールICを光IO素子として用いることができる。フォトニックボールICは、本発明の光電融合構造体で用いられる光IO素子において、好適な構造と機能を有するデバイスである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は本発明の第1の実施例を説明する模式断面図。
【図２】図２は本発明の第1の実施例の作製方法を説明する作製工程断面図。
【図３】図３は本発明の第1の実施例の機能を説明する模式図。
【図４】図４は本発明の第2の実施例を説明する模式上面図。
【図５】図５は本発明の第3の実施例を説明する模式上面図。
【図６】図６は本発明の第3の実施例の機能を説明する模式図。
【図７】図７は本発明の光電融合構造体に好適に用いられるフォトニックボールICの模式図。
【図８】図８は別の形態のフォトニックボールICの模式図。
【図９】図９は従来例を説明する為の図である。
【符号の説明】
【００３３】
101    電子回路モジュール（平面状の電子回路構造体層）
102    内部配線を含むインターポーザ
103    光IOデバイス
104    光導波路層（フィルム状光導波路）
105、205    光散乱体（光路変換構造体）
106    内部電気配線
107    LSI（電子回路、電子デバイス）
108    端子
109    光信号（光配線）
201    ミラー（コーナー部）
202    高反射膜
301    球状半導体基板
302    IC
303    光デバイス
304、402    電気配線
401    電子回路
403    電子回路用電極パッド
404    クラッド層
405    活性層
406    コンタクト層
407    光デバイス用電極パッド
【図１】
2005109103.tif 000003
【図２】
2005109103.tif 000004
【図３】
2005109103.tif 000005
【図４】
2005109103.tif 000006
【図５】
2005109103.tif 000007
【図６】
2005109103.tif 000008
【図７】
2005109103.tif 000009
【図８】
2005109103.tif 000010
【図９】
2005109103.tif 000011