JP2016009151A - 光結合構造、半導体デバイス、マルチ・チップ・モジュールのための光インターコネクト構造、および光結合構造のための製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光結合構造、半導体デバイスおよび半導体構造体の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体デバイスは、光信号を伝播するための回折格子結合素子を有するシリコン系導波路を含むシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）チップ１０３と、ＳＯＩチップ１０３との間で光信号を伝送するポリマー導波路２０２であって、光信号の伝播方向に対して傾斜し、伝播方向を横切って延びるように位置するＴＩＲミラー２０４を中に有するポリマー導波路２０２と、ポリマー導波路２０２内部を伝播する光と光学的に結合する光配線とを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、光インターコネクトを利用した半導体に関し、より詳細には、光結合構造、半導体デバイス、マルチ・チップ・モジュールのための光インターコネクト構造、および、光結合構造のための製造方法に関する。

半導体デバイスに対し要求される通信速度は、半導体デバイスによって処理すべき情報量の増加とともにますます高くなっている。上述した要求に対応するため、シリコンチップ間の光通信を利用するシリコンフォトニクス（Ｓｉ−Ｐｈ）がますます発展している。

実装においては、半導体デバイスは、決まって、半導体チップの間でおよび回路基板の外部に置かれた他の半導体デバイスとの間で電気的通信を可能とする電気的相互接続が埋め込まれた回路基板上に配置される。

半導体デバイスがシリコンフォトニクス・チップとして実装される場合、平面導波路と、シリコン・オン・インシュレータ（Silicon on Insulator，ＳＯＩ）デバイスおよび平面導波路上に形成された回折格子結合素子（Diffractive Grating Coupler，ＤＧＣ）とによる光学的な結合がよく構成される。このような導波路は、マルチモード導波路として使用することができる。しかしながら、導波路は、通信の品質および導波路内での光伝播の減衰の理由から、好ましくは、シングルモード導波路である。

導波路とシングルモード・ファイバ（Single Mode Fiber，ＳＭＦ）との間の光結合のため数多くの研究がなされている。しかしながら、導波路およびＳＭＦ間において角度および相対位置の両方で厳格な精度が要求される。例えば、米国特許出願公開第２０１３／０１８２９９８号公報（特許文献１）は、シリコン・デバイスおよび光ファイバ間で回折格子結合素子を通して光を導入するための結合構造を開示する。米国特許出願公開第２００９／０２９０８７３号公報（特許文献２）は、光学ファイバとＰＷＧとをインターコネクトするための光結合構造を開示する。米国特許出願公開第２０１０／０３２２５５５号公報（特許文献３）は、また、ＰＷＧおよび光ファイバ間の光結合構造を開示する。これらの従来技術は、光ファイバとＤＧＣ間の結合を用いており、そして、２つの装置間の厳格な位置合わせが必要である。従来技術は、Ｓｉ−ＰｈからＳＭＦへの直接の光伝送を示しているが、これらは、実用のＳｉ−Ｐｈチップパッケージングに対してはロバストではない。

また、米国特許出願公開第２０１３／０２０９０２６号公報（特許文献４）は、ＤＧＣとしてはたらく導波路回折と光ファイバまたは導波路との間の光結合構造を開示する。この光結合構造は、Ｓｉ基板上に形成され、光結合構造は、Ｓｉ基板を通して光を送出することを狙っている。

米国特許出願公開第２０１１／０１８８８０８号公報（特許文献５）は、回折格子に面し、異なる長さを有する平行散乱要素を含む光結合構造を開示する。

米国特許出願公開第２０１３／０１８２９９８号公報 米国特許出願公開第２００９／０２９０８７３号公報 米国特許出願公開第２０１０／０３２２５５５号公報 米国特許出願公開第２０１３／０２０９０２６号公報 米国特許出願公開第２０１１／０１８８８０８号公報

上述したように、回折格子への種々の光結合構造が開示されている。しかしながら、従来技術は、シリコンフォトニクス内の光伝播に関係するものである。複数のシリコンフォトニクスがマルチ・チップ・モジュールとして実装される場合、シリコンフォトニクスと回路基板のような有機構造体との境界において新規な結合構造が光結合を提供することを可能とする。

本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、シリコンフォトニクスおよび有機構造体間の光結合のため光結合構造を提供することである。

さらに、本発明の他の目的は、シリコンフォトニクスおよび有機構造体の間の境界で動作する光結合構造を含む半導体デバイスを提供することである。

本発明のさらに他の目的は、シリコンフォトニクスおよび有機構造体の間の境界で動作する光結合構造を含む半導体構造体を形成するための方法を提供することである。

上述した本発明の目的は、新規な光結合構造によって対応することができる。本光結合構造は、光信号を伝播するための回折格子結合素子を含んだシリコン系導波路と；シリコン系導波路との間で光信号を伝送するためのポリマー導波路であって、光信号の伝播方向に対して傾斜し、伝播方向を横切って延びるように位置する内部全反射（ＴＩＲ）ミラーを中に有するポリマー導波路と；ポリマー導波路内部を伝播する光のためのポリマー導波路と光学的に結合する光配線とを含むことができる。

本発明の第２の態様によれば、新規な半導体デバイスが提供される。本半導体デバイスは、ＳＯＩ構造によって形成され、光信号を伝播するためのＳＯＩ構造の埋め込み酸化物（Buried Oxide，ＢＯＸ）層上の回折格子結合素子を有するシリコン系導波路を含むシリコンフォトニクス・チップと；シリコンフォトニクス・チップとの間で光信号を伝送するポリマー導波路であって、光信号の伝播方向に対して傾斜し、伝播方向を横切って延びるように位置するＴＩＲミラーを中に有するポリマー導波路とを含む。

本発明の第３の態様によれば、光結合構造を形成するための新規な方法を提供することができる。本方法は、
有機基板上にポリマー導波路を形成する工程と、
ポリマー導波路の一部を除去し、ポリマー導波路の厚み方向に対して傾斜角を有するＴＩＲミラーのための互いに向き合ったポリマー表面を画定する工程と、
ポリマー導波路内に導電材料で充填されたビア・プラグを形成する工程と、
シリコン・オン・インシュレータ構造様式に基づき、ポリマー導波路との間で光信号を伝送するためのポリマー導波路に面した表面に回折格子結合素子を含むシリコンフォトニクス・チップを提供する工程と、
ポリマー表面へ光信号の光結合を提供しながら、シリコンフォトニクス・チップに電気的信号を供給するためシリコンフォトニクス・チップをビア・プラグにはんだ付けする工程と
を含むことができる。

さらに、本発明の第４の態様によれば、光マルチ・チップ・モジュールを光学的に接続するための光インターコネクト構造を提供することができる。本光インターコネクト構造は、データ処理のためのＣＰＵまたはＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）と；シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）構造によって形成され、ＣＰＵまたはＡＳＩＣに電気的に通信し、光信号を伝播するためのＳＯＩ構造の埋め込み酸化物層上の回折格子結合素子を有するシリコン系導波路を含むシリコンフォトニクス・チップと；シリコンフォトニクス・チップとの間で光信号を伝送するためのポリマー導波路であって、光信号の伝播方向に対して傾斜し、伝播方向を横切って延びるように位置するＴＩＲミラーを中に有するポリマー導波路と；ポリマー導波路内部を伝播する光信号と光学的に結合し、少なくとも１つの光マルチ・チップ・モジュールに光信号を伝送する光配線とを含むことができる。

図１は、本光インターコネクト構造１００の概要構造を示す。 図２は、Ｓｉ−Ｐｈ１０３、ポリマー導波路２０２および有機構造体１０７を含む光インターコネクト構造の上面図２００を示す。 図３は、光結合構造の詳細な構造を示す。 図４は、半導体構造体内部の光伝播の実施形態４００を示す。 図５は、本発明の光結合構造の拡大された構造を示す。 図６は、本光結合構造の２次元位置決め許容誤差を示す。 図７は、シングルモード・ポリマー導波路（図中においては単にＳＭ−ＰＷＧと参照する。）と、シングルモード・ファイバ（図中においては単にＳＭＦと参照する。）とのアライメントにおける許容誤差を示す図。 図８は、ＤＧＣ２０３周辺の詳細な構造を示し、ここで、光結合素子の詳細な構造およびその最適化について説明する。 図９は、最適化計算のフローチャートを示す。 図１０は、最適化された結果を用いた位相シミュレーションを示す。 図１１は、最適化により得られる指向性マップを示す。 図１２は、最適化されたパラメータでの結合効率を示す。 図１３（ａ）−（ｆ）は、本発明の回折格子結合素子の製造方法を示す。 図１４は、本半導体デバイスの製造プロセスを示す。

１００…光インターコネクト構造
１０１…マルチ・チップ・モジュール（ＭＣＭ）
１０２…ＣＰＵまたはＡＳＩＣ
１０３，１０３ｒ，１０３ｔ…Ｓｉ−Ｐｈチップ
１０４…光結合構造
１０５…光配線（光ファイバ）
１０６…Ｃ４接合
１０７…回路基板
１０８…金属配線
２０１…光有機層
２０２：シングルモード・ポリマー導波路（ＳＭ−ＰＷＧ）
２０３…回折格子結合素子（ＤＧＣ）
２０４…ＴＩＲミラー
２０６…シリコン導波路

以下、本発明について、図面を参照しながら詳細に説明するが、しかしながら、本発明は、開示される実施形態および実施例に限定されるものではない。図１は、本光インターコネクト構造１００の概要構造を示す。光インターコネクト構造１００は、概して、説明する実施形態において回路基板１０７として参照される有機基板を含み、例えば垂直キャビティ表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）やフォトダイオードといった光学部品が組み込まれ、以下シリコンフォトニクス（Ｓｉ−Ｐｈ）チップと参照される、シリコン・オン・インシュレータ技術に基づいたシリコンフォトニクス（Ｓｉ−Ｐｈ）チップ１０３が回路基板１０７上に集積されて、いわゆる光マルチ・チップ・モジュール（ＭＣＭ）１０１が構成される。回路基板１０７は、電気的信号および光学的信号の一方または両方をインターコネクトするための金属配線および導波路配線の一方または両方を含む。

エポキシ・コンポジット材料などの回路基板１０７は、その上に、光通信を可能とする複数のＳｉ−Ｐｈチップ１０３と、ＣＰＵまたはＡＳＩＣ１０２とを搭載する。既存のＣ４接合１０６によって、種々のデータ処理のためのＣＰＵまたはＡＳＩＣ１０２を回路基板１０７上に積載することができる。ＣＰＵまたはＡＳＩＣ１０２は、ＣＰＵまたはＡＳＩＣ間の光通信が達成され得るように、回路基板１０７に埋め込まれた金属配線１０８を介してＳｉ−Ｐｈチップ１０３と電気的に通信することができる。

金属配線１０８は、ＭＣＭ間の光通信を実施するために、ＣＰＵまたはＡＳＩＣ１０２からビア・プラグ（図示せず。）を介してＳｉ−Ｐｈチップ１０３へと接続される。Ｓｉ−Ｐｈチップは、回路基板１０７およびＳｉ−Ｐｈチップ１０３の間に配置された光結合構造１０４を通して回路基板１０７に搭載される。光結合構造１０４は、有機基板内に形成される。Ｓｉ−Ｐｈチップ１０３は、２４のシングルモード光ファイバ束を介して送信および受信の一方または両方で２４チャンネルといった並列データ転送能力を含んでいてもよいが、これに限定されるものではなく、それより多いおよびそれより少ない通信能力を用いてもよい。例えば、Ｓｉ−Ｐｈチップ１０３ｔは、送信モードモードで動作することができ、Ｓｉ−Ｐｈチップ１０３ｒは、受信モードで動作することができる。

光結合構造１０４は、概して、ＳＭ−ＰＷＧおよびＴＩＲミラーと参照される光学素子を含み、Ｓｉ−Ｐｈチップ１０３ｔからの光信号を受け取り、適切な結合機構を介して受信した光を光配線１０５に送出する。引き続いて、Ｓｉ−Ｐｈチップ１０３ｒは、他のＳｉ−Ｐｈチップ１０３ｔからの光信号を光結合構造および光配線１０５を介して受信する。光配線１０５は、平面導波路として形成されてもよく、または、光ファイバとして形成されてもよく、図１に示すように複数の光配線が単一の束に集められてもよい。

光配線１０５は、さらに、長距離の通信が要求される場合に通信品質および光信号の減衰の理由から、シングルモードの光伝播が可能な導波路であってもよいが、これに限定されるものではなく、本発明は、マルチモード光通信においても実装することができる。

図２は、Ｓｉ−Ｐｈチップ１０３および光結合構造１０４が回路基板１０７上に搭載された場合の光インターコネクト構造１００の上面図２００を示す。上面図２００は、図１中の矢印Ａに従った矩形領域の図面に対応する。図２においては、構造の上部に置かれたＳｉ−Ｐｈチップ１０３が、説明のために透明であると仮定している。回路基板１０７のような有機基板は、光有機層２０１を搭載し、その中にＳＭ−ＰＷＧ２０２および光反射要素２０３，２０４が形成される。本光結合構造１０４は、ＳＭ−ＰＷＧ２０２、回折格子結合素子２０３、および光反射素子としてＴＩＲミラー２０４を含む。

光結合構造１０４上には、はんだボール（図示せず。）といった適切な電気的接触を介してＳｉ−Ｐｈチップ１０３が置かれ、光結合構造１０４は、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリアルキルシロキサン、シルセスキオキサン、エポキシ樹脂、エポキシ−シリコーン樹脂、キレートポリマーなどの光学グレードのポリマー材料によって形成される。光結合構造１０４は、光結合構造１０４内でのシングルモードの光伝播を可能とする光導波路（以下、シングルモード・ポリマー導波路ＳＭ−ＰＷＧと参照する。）２０２を含み構成される。導波路を形成するこれらの層は、例えばスピンコーティングまたはドライフィルムラミネーション技術などの既知の方法によって形成することができる。

ＳＭ−ＰＷＧ２０２の上面図は、ハッチングした形状で示されており、ＳＭ−ＰＷＧ２０２の一方の端部がＳｉ−Ｐｈチップ１０３に重なり、他方の端部が光配線としてはたらく光ファイバ１０５に結合され、これは、シングルモード光ファイバまたはシングルモード導波路であってもよい。重複した領域により光結合構造１０４が画定され、光結合構造は、回折格子結合素子（以下、ＤＧＣと参照する。）２０３およびＴＩＲミラー２０４を含み、これによってＳｉ−Ｐｈチップ１０３およびＳＭ−ＰＷＧ２０２の間で光信号をインターコネクトすることができる。ＤＧＣ２０３の各々は、光伝播の方向に沿ったシリコンの配列されたリッジによって形成され、光伝播軸を横切ったリッジの長さは、光伝播の方向に対して一直線に調整されるか、または、光結合効率を向上させるために、中央領域の長さが周辺領域の長さよりも長くなるようテーパー形状を有するように調整される。光結合構造の詳細な構造については後述する。

Ｓｉ−Ｐｈチップ１０３は、いわゆるＳＯＩ構造と呼ばれる、埋め込み酸化物層上に堆積されたシリコン半導体を含む。Ｓｉ−Ｐｈチップ１０３は、光結合構造１０４上のＢＯＸの表面上のＤＧＣ２０３を有する平面導波路２０６をさらに含み、Ｓｉ−Ｐｈチップ１０３が、光信号を送出および受光し、他のシリコン半導体デバイスに接続する光配線としてはたらく他のシリコン導波路２０６を介して光信号を伝播させるようにすることができる。Ｓｉ−Ｐｈチップ１０３の平面導波路のＤＧＣ２０３はそのクラッド層上に形成されて、導波路２０６内を伝播する光信号が導波路外へ送出されるように、同様に、光配線１０５内を伝播する光信号が導波路２０６に導入されるようにすることができる。

ここで、図３を参照しながら、図２の線Ｂ−Ｂに沿った断面図３００を用いて、光結合構造１０４の詳細な構造について説明する。Ｓｉ−Ｐｈチップ１０３は、図３中の構造の最上部に配置され、シリコン基板１０３ａと、埋め込み酸化物層１０３ｂと、図２に示した平面図における平面導波路２０６に対応した平面導波路１０３ｃとを含み構成される。光結合構造１０４に面したクラッド上に、化学機械研磨、フォトリソグラフィおよび既知のパターニング・プロセスなどによってＤＧＣ２０３が形成される。図３においては、ＤＧＣ２０３の寸法および高さが説明の便宜上強調されている。

ＤＧＣ２０３は、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素などの特定の用途およびこれらの屈折率に応じたパッシベーション層１０３ｄによって少なくとも覆われている。好ましい実施形態では、パッシベーション層１０３に対する追加のパターニング・プロセスを用いることなくＳｉ−Ｐｈチップ１０３との確実な接触を可能とするためにはパッシベーション層１０３ｄを省略することができる。

Ｓｉ−Ｐｈチップ１０３は、はんだボール（図示せず）などの導電性スペーサを用いて僅かな空隙３０１を残して、光結合構造１０４上に配置される。パッシベーション層１０３ｄが製造プロセス下で充分な強度およびプロセス耐久性を有する場合は、この空隙を省略することができる。

光結合構造１０４内のＳＭ−ＰＷＧ２０２は、クラッドとしてはたらく約５マイクロメートルの外側の２つの層２０２ａ，２０２ｃと、約８マイクロメートルのコアとしてはたらく内側の層２０２ｂと含み構成される。ＴＩＲミラー２０４は、図面の水平方向に対して傾斜角θ_ＴＩＲでＳＭ−ＰＷＧ２０２の中に形成され、少なくともＳＭ−ＰＷＧ２０２のコアを横切って延びる。ＴＩＲミラー２０４は、これらの間に所定の空間を残して実質的に並行なポリマー表面によってＳＭ−ＰＷＧ２０２内部に画定される。ＴＩＲミラー２０４は、コア２０２ｂ内部を伝播してきた光信号をＤＧＣ２０３へ向けて反射することができ、ＤＧＣ２０３は、受信モードにおいて、送出された光信号を平面導波路１０３ｃ内へ導入する。

ＴＩＲミラー２０４の内部は、全反射性能を提供するために、空気、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴンまたは二酸化炭素などの適切な不活性ガス材料によって充填される。同様に、送信モードにおいて、導波路１０３ｃ内部を伝播してきた光信号は、ＴＩＲミラー２０４によって反射された後、コア２０２ｂ内へ送出され得る。図３から理解されるように、Ｓｉ−Ｐｈチップ１０３およびＴＩＲミラー２０４の相対的なアライメントは、図３の平面に対して垂直に伸びる２次元平面におけるＴＩＲミラー２０４の傾斜角によって比較的大きな許容誤差を提供することができる。

図４は、光インターコネクト構造１００内部の光結合メカニズムの実施形態４００を示す。説明の平明のため、送信モードにおける光の方向をＴＸで参照し、受信モードにおける光の方向をＲＸで参照する。ＳＭ−ＰＷＧ２０２および光ファイバ１０５が結合されており、矢印ＲＸで示すように、ＳＭ−ＰＷＧ２０２に送出された光信号は、ＴＩＲミラー２０４によってＤＧＣ２０３へ向けて反射され、光信号が平面導波路へ送出される。

図４中に構造のデカルト座標が説明の平明のため示されており、特に断りがない限り本発明の説明において座標系は同一である。

図５は、本発明の光結合構造５００の拡大された構造を示す。Ｓｉ−Ｐｈチップ１０３は、はんだボール５３０，５３１などの適切な導電要素によってＳＭ−ＰＷＧ２０２上に搭載される。はんだボール５３０，５３１は、Ｓｉ−Ｐｈチップ１０３およびＳＭ−ＰＷＧ２０２間の平行配置を保証するとともに、これらの間のほぼ一定の空隙３０１を提供する。はんだボール５３０は、例えばフリップチップ接合技術において、Ｓｉ−Ｐｈチップ１０３の電極５３２，５３３に対する電気的接触としてはたらく。

これに対して、はんだボール５３１は、はんだボール５３０と平行配置を保証するためのダミーとして置かれる。空隙３０１は、製造プロセス中のパッシベーション層１０３ｄへの損傷が回避できる場合は、省略することができる。空所５２０は、典型的には、全反射特性を保証するために空気によって充填される。

光信号（光）５１０は、ＴＸおよびＲＸの両方向において、ＤＧＣ２０３によって回折され、ＴＩＲミラー２０４によって反射される。ＴＩＲミラー２０４の反対側の内部表面は、レーザ切除技術により切除されたポリマー材料によって、反対面との間に空所５２０を残して画定される。この空所５２０は、全反射条件を提供するためにポリマー材料とは異なる屈折率を提供する。

図６は、本光結合構造の２次元位置決め許容誤差を示す。図６（ａ）は、ＴＸ方向におけるＸ−Ｚ許容誤差を示し、図６（ｂ）は、ＲＸ方向におけるＸ−Ｚ許容誤差を示す。ここで、デカルト座標の定義は、図４に説明した通りである。図６に示すように、Ｘ−Ｚ許容誤差は、ＴＸおよびＲＸの両方向におけるＺ方向に沿ってＴＩＲミラーが傾斜角θ_ＴＩＲを有しながら形成されているため、Ｚ方向に著しく改善される。

同様に、Ｘ方向での許容誤差は、光信号の波長の干渉のオーダで維持され得る。説明する実施形態においては、光の波長は、１．３１マイクロメートルである。ＴＸ方向の結合損失は１．７６ｄｂ程度と低く、ＲＸ方向の結合損失も１．８９ｄＢ程度と低い。Ｚ方向の許容誤差は、７．０マイクロメートル（ＴＸ方向）および３．０マイクロメートル（ＲＸ方向）である。ＴＸおよびＲＸの両方向において、結合損失の減少分はそれほど著しいものではないが、Ｓｉ−Ｐｈチップ１０３およびＳＭ−ＰＷＧ２０２間の位置決めの広範囲の変動を許容とすることによって、Ｘ方向における位置決めは、特定の実装上の要件に依存して調整されてもよい。

図７は、ＳＭ−ＰＷＧとシングルモード光ファイバとのアライメント許容誤差を示す。アライメントにおける許容誤差は、下記式に従うＴＸおよびＲＸの両方向における光スループット特性によって評価した。

ここで、Ｉ_{ｉｎｐｕｔ}は、入射光の光強度であり、Ｉ_{ｏｕｔｐｕｔ}は、スループットの光強度である。

図７に示すように、両方向におけるＳＭＦおよびＳＭ−ＰＷＧ間の結合損失は、約０．６ｄＢ未満の許容できる結合損失内で、ＸおよびＹ方向で概ね等しい許容誤差を示す。

図８は、ＤＧＣ２０３周辺の詳細な構造を示し、ここで、光結合素子の詳細な構造およびその最適化について説明する。パッシベーション層１０３ｄが、平面導波路１０３ｃの上面側に位置し、したがって、全体の配置が図３などを参照した場合と上下逆の関係で描かれている点に留意されたい。格子間隔Λおよび底面から上面まで高さｈを有する周期構造が、ＤＧＣ２０３を形成するために、Ｓｉ−Ｐｈチップ１０３の最下部のクラッドの所定の範囲内に形成される。

周期的なリッジの形状は、説明する実施形態においては略長方形形状であるが、特にこれに限定されるものではなく、リッジの形状は、その回折性能に依存して異なる形状を有していてもよい。平面導波路を伝播する光信号（光）は、ＤＧＣ２０３の性質により、周期回折格子によって２つの方向（Ｐ_ｕｐ，Ｐ_ｄｏｗｎ）に沿って回折される。

有用な光回折は、図８に示すＰ_ｕｐであり、光学パラメータの最適化によってＰ_ｕｐ方向の強度の改善を達成することができる。加えて、この実施形態においては、指向性を改善するために、０．１５マイクロメートルのポリシリコンのオーバレイ１０３ｅがＤＧＣ２０３の外表面に堆積される。このようなオーバレイ１０３ｅの存在が、図８において厚い線で描かれている。このオーバレイ皮膜は、標準ＣＭＯＳプロセスと互換性を有し、指向性を向上するための可能な他の方策も可能であり、これについては後述する。リッジ１０３ｆは、ポリシリコンのオーバレイ１０３ｅおよび平面導波路１０３ｃを含んでおり、適当なフォトリソグラフィ・プロセスによって、リッジ１０３ｆ以外の領域で平面導波路１０３ｃがエッチ除去されて、ＤＧＣ２０３の回折効率に依存したリッジ高さｈを設定する。

本発明による回折の位相整合は、以下に定義される。

ここで、ｎ_ｔｏｐは、パッシベーション層として用いられる二酸化ケイ素の屈折率であり、ｋ_０は、光信号の光の真空の波数であり、ｋ_０＝２π／λで与えられる。パラメータθは、回折格子結合素子に対し出射するおよび入射する光の一方または両方の回折角である。パラメータｎ_ｅｆｆは、回折格子の領域における有効屈折率である。パラメータｍは、正の整数であり、パラメータΛは、格子間隔である。

位相整合の最適化は、所与のパラメータのもと指向性Ｄを最大化するように実行した。指向性Ｄは、以下のように定義される。

最適化においては、光学パラメータの制約条件の下、指向性を目的関数として設定し、制約パラメータは、以下の通りである：
光波長：１．３１マイクロメートル
Ｓｉ導波路の厚み：０．２２マイクロメートル
ＳｉＯ_２上部層厚み：０．７マイクロメートル
ＳｉＯ_２ＢＯＸ厚み：２マイクロメートル
ポリシリコン厚み：０．１５マイクロメートル
ポリマー導波路コア厚み：８マイクロメートル
Ｓｉの屈折率（ｎ_Ｓｉ）：３．５０７４
ＳｉＯ_２の屈折率（ｎ_ＳｉＯ２）：１．４４６８
ポリマーコアの屈折率（ｎ_ｃｏ）：１．５８１
ポリマークラッドの屈折率（ｎ_ｃｌ）：１．５７６

格子間隔（Λ）および格子内のリッジの高さ（ｈ）は、独立したパラメータとして設定した。ここで、最適化のための処理ステップについて説明する。図９は、最適化計算のフローチャートを示し、処理がステップＳ９００から開始する。

ステップＳ９０１では、初期制約パラメータが設定され、それから、ステップＳ９０２において、光学パラメータを用いてΛの初期値が決定される。ステップＳ９０３では、指向性Ｄを最大化する目的関数として設定し、光波長λに対してパラメータｈおよびΛを走査する。

ステップＳ９０４では、ＲＸ方向における回折格子結合素子に対してΛおよびｈが仮定され、ステップＳ９０５では、結合効率ηを最大化するようにさらに格子間隔Λを走査する。さらに続いて、ステップＳ９０６では、ＴＩＲ角度θ_ＴＩＲや格子位置などの他のパラメータの最適化が行われる。他の実施形態においては、格子パターンの最適化、例えば、リッジの均等ではない間隔および幅を格子パターンに組み込むことができる。

ステップＳ９０７では、結合効率が最大化されたか否かが判断される。最大化された場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ９０８へ進められ終了する。最大化されていない場合（ＮＯ）は、ステップＳ９０４に戻されて、ステップＳ９０７で肯定的な結果が得られるまで、ステップＳ９０５−９０７を繰り返す。

最適化の結果として、説明する実施形態においては、格子間隔Λが０．４７マイクロメートルであると判定され、格子リッジの高さが０．１９マイクロメートルであると判定された。図１０は、上述した条件のもと最適化された結果を用いた位相シミュレーション・マップを示す。この実施形態では、回折角θが６度と判定され、数３の式において与えられるＤは０．９であった。

図１１は、最適化により得られた指向性マップを示し、横座標は、マイクロメートルでの格子間隔を表し、縦座標は、マイクロメートルでのエッチング深さ（リッジ高さｈ）を表す。点Ｘは、最適化結果として選択された位置であり、指向性がΛ＝０．４７マイクロメートルおよびｈ＝０．１９で約０．９であり、これが、特定の実施形態として選択されるが、示した実施形態と互換性のある他の組み合わせが存在し得る。

図１２は、最適化されたパラメータでの結合効率を示し、最大結合効率η_ｍａｘは、０．８０（０．９９ｄＢ）であった。光の回折が非対称なプロファイルで±５マイクロメートル生じ、このプロファイルは、回折パターンのさらなる最適化により改善され得る。

図１３（ａ）〜（ｆ）は、本発明の回折格子結合素子の製造方法を示す。図１３（ａ）において、Ｓｉ−Ｐｈチップ１０３が準備され、図１３（ｂ）において、ハードマスク１３０１が既知の堆積プロセスを用いて堆積され、研磨停止層としてはたらくハードマスク１０３１が残されるようにパターニングされる。

図１３（ｃ）において、スピンコーティング・プロセスなどの既知のプロセスを用いて、ポリシリコン１３０２が下部構造上に堆積される。続いて、図１３（ｄ）において、ハードマスク１３０１を研磨停止部として用いて化学機械研磨（Chemical Mechanical Polishing，ＣＭＰ）プロセスをポリシリコン層に施し、薄膜ポリシリコン層を残す。それから、図１３（ｅ）において、ポリシリコン層１３０２に既知のフォトリソグラフィ・プロセスを施してＤＧＣ２０３を形成する。このプロセスにおいては、ポリシリコン層１３０２が完全に除去され、さらに最下部の平面導波路１０３ｂがエッチング除去されて、Ｓｉ−Ｐｈチップ１０３のＤＧＣ２０３のための所定のリッジ高さが得られる。ハードマスク１３０１が除去された後、化学気相堆積などの既知の堆積方法によってパッシベーション層が堆積される。このようにして、図１３（ｆ）に示すように、化学気相堆積（Chemical Vapor Deposition，ＣＶＤ）のような適切な方法および後続するシリコン酸化物のパターニング・プロセスによって二酸化シリコンのようなパッシベーション層１０３ｄが堆積される。

図１４は、本半導体デバイスの製造プロセスを示す。図１４（ａ）において、クラッドおよびコア材料のスピンコーティングまたはドライフィルムラミネーション法および続くフォトリソグラフィ・プロセスによって、ＳＭ−ＰＷＧ２０２がエポキシ・コンポジットのような有機基板の上に形成される。次いで、図１４（ｂ）に示すように、レーザ切除プロセスによってＴＩＲミラー２０４が適切な位置および角度で形成される。ＴＩＲミラー２０４の傾斜角は、以下の既存の古典的な光学的な関係に従って決定される。

本実施形態において、回折角θは６度であり、そしてθ_ＴＩＲは４２度と決定される。しかしながら、この値は、一実施形態であり、半導体デバイスの特定の構造に依存して傾斜角θ_ＴＩＲは変化し得る。

空気、窒素、ネオン、アルゴンなどの不活性ガスによって空隙を充填することができる。そして、フォトリソグラフィ・プロセスおよび銅などの導電材料の堆積プロセスによって、ビア・プラグ１４０３が形成される。このビア・プラグ１４０３は、Ｓｉ−Ｐｈチップ１０３との電気的接続のため用いられる。

さらに次いで、図１４（ｃ）に示すように、導電要素としてのはんだボール１４０１と、はんだボール１４０２とがＳＭ−ＰＷＧ２０２上に適切な距離をもって置かれる。一つのはんだボール１４０１は、Ｓｉ−Ｐｈとの電気的接続のためビア・プラグ１４０３と接触し、他のはんだボール１４０２は、常に必要とは限らない。しかしながら、ＳＭ−ＰＷＧ２０２およびＳｉ−Ｐｈ１０３間の平行アライメントを保証するために反対側のはんだボール１４０２が存在する場合に、はんだボール１４０２が好適に使用される。

そして、図１４（ｄ）に示すように、Ｓｉ−Ｐｈチップ１０３がはんだボール１４０１，１４０２の上に置かれ、フリップチップ接合プロセスによって接続される。接合された後、Ｓｉ−Ｐｈ１０１およびＳＭ−ＰＷＧ２０２間の空隙が、適当なアンダーフィル材料１４０４により封止されて、本光結合構造を有する半導体デバイス実装が完了する。図１４（ｄ）においては、ＳＭ−ＰＷＧ２０２の材料が、はんだ材料の融点に比べて充分に高いガラス転移温度（ｔ_ｇ）を有することから、反対側のはんだボールがＳＭ−ＰＷＧ２０２に対する平行配置を維持するように変形し得るが、しかしながら、反対側のはんだボールは、単に、Ｓｉ−Ｐｈチップ１０３およびＳＭ−ＰＷＧ２０２との間の平行な空隙３０１を維持するためのダミーとして使用され、よって導電性は影響されない。

本発明は、回折格子結合素子と、光伝播の方向に対して傾斜するＴＩＲミラーとを使用する。この特徴により、従来技術の回折格子結合素子機構に対していくつかの利点がもたらされる。一つ目の利点は、本説明に従うとＺ軸およびＸ方向である、光伝播方向および空隙の存在における大きな許容誤差である。二つ目は、既知のフリップチップ接合プロセスを可能とする良好なプロセス耐久性およびプロセス適応性である。３つ目は、サイズの縮小を可能とする簡素な結合構造である。

他の実施形態においては、ＤＧＣ２０３の構造は、指向性を向上させるため、同様に、ポリシリコンオーバレイ皮膜を提供せずに結合効率を向上するため、最適化されたＢＯＸ厚みを有するＢＯＸ１０１ｂ上に反射鏡を置くことによって変更することができる。

さらに他の実施形態では、回折格子は、指向性を向上させるために、可変格子間隔および他の方策を提供するように最適化することができる。このような最適化は、特定の要件に応じて、ステップＳ９０４における処理の一部として実装することができる。

これまで本発明を、特定の実施形態をもって説明してきたが、本発明は、説明したおよび図面に図示した実施形態に限定されるものではなく、当業者であれば、説明した実施形態に対する他の実施形態、追加、代替、変更などを認識することができ、そのような他の実施形態なども、本発明の利点を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

Claims (18)

1. 光信号を伝播するための回折格子結合素子を含んだシリコン系導波路と、
   前記シリコン系導波路との間で前記光信号を伝送するためのポリマー導波路であって、前記光信号の伝播方向に対して傾斜し、前記伝播方向を横切って延びるように位置するＴＩＲミラーを中に有する当該ポリマー導波路と、
   前記ポリマー導波路内部を伝播する光のための前記ポリマー導波路に光学的に結合される光配線と
   を含む、光結合構造。
2. 前記ポリマー導波路は、シングルモード導波路である、請求項１に記載の光結合構造。
3. 前記ＴＩＲミラーは、前記ポリマー導波路内部のポリマー表面によって少なくとも画定される空所である、請求項１に記載の光結合構造。
4. シリコン・オン・インシュレータ構造様式に基づいた回折格子結合素子を有するシリコンフォトニクス・チップをさらに含む、請求項１に記載の光結合構造。
5. 前記シリコン系導波路と前記ポリマー導波路との間が空隙によって分離される、請求項１に記載の光結合構造。
6. 前記シリコン系導波路および前記ポリマー導波路がフリップリップ接合によって接触する、請求項１に記載の光結合構造。
7. シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）構造によって形成され、光信号を伝播するための前記ＳＯＩ構造の埋め込み酸化物層上の回折格子結合素子を有するシリコン系導波路を含むシリコンフォトニクス・チップと、
   前記シリコンフォトニクス・チップとの間で前記光信号を伝送するポリマー導波路であって、前記光信号の伝播方向に対して傾斜し、前記伝播方向を横切って延びるように位置するＴＩＲミラーを中に有する当該ポリマー導波路と
   を含む、半導体デバイス。
8. 前記ポリマー導波路は、シングルモード導波路である、請求項７に記載の半導体デバイス。
9. 前記ＴＩＲミラーは、前記ポリマー導波路内部のポリマー表面によって少なくとも画定される空所である、請求項７に記載の半導体デバイス。
10. 前記半導体デバイスは、データ処理のための少なくとも１つのＣＰＵまたはＡＳＩＣを含んだ有機基板に実装される、請求項７に記載の半導体デバイス。
11. 前記シリコンフォトニクス・チップおよび前記ポリマー導波路がフリップリップ接合によって接触する、請求項７に記載の半導体デバイス。
12. 光結合構造を形成するための方法であって、前記方法は、
    有機基板上にポリマー導波路を形成する工程と、
    前記ポリマー導波路の一部を除去し、前記ポリマー導波路の厚み方向に対して傾斜角を有するＴＩＲミラーのための互いに向き合ったポリマー表面を画定する工程と、
    前記ポリマー導波路内に導電材料で充填されたビア・プラグを形成する工程と、
    シリコン・オン・インシュレータ構造様式に基づき、前記ポリマー導波路との間で光信号を伝送するための前記ポリマー導波路に面した表面に回折格子結合素子を含むシリコンフォトニクス・チップを提供する工程と、
    前記ポリマー表面へ光信号の光結合を提供しながら、前記シリコンフォトニクス・チップに電気的信号を供給するため前記シリコンフォトニクス・チップを前記ビア・プラグにはんだ付けする工程と
    を含む、方法。
13. 前記ポリマー導波路を形成する工程は、さらに、
    スピンコーティングまたはドライフィルムラミネーションによって、クラッドポリマー、コアポリマーおよび他のクラッドポリマーを順に積層する工程
    を含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記ポリマー導波路は、シングルモード導波路である、請求項１２に記載の方法。
15. 前記シリコンフォトニクス・チップを前記ビア・プラグにはんだ付けする工程は、さらに、
    複数の導電性要素を前記ＴＩＲミラーの反対側に置き、少なくとも１つの導電性要素を前記ビア・プラグに接続する工程
    を含む、請求項１２に記載の方法。
16. 前記ポリマー導波路の一部を除去するステップは、レーザ切除技術によって実行される、請求項１２に記載の方法。
17. 光マルチ・チップ・モジュールを光学的に接続するための光インターコネクト構造であって、
    データ処理のためのＣＰＵまたはＡＳＩＣと、
    シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）構造によって形成され、前記ＣＰＵまたはＡＳＩＣに電気的に通信し、光信号を伝播するための前記ＳＯＩ構造の埋め込み酸化物層上の回折格子結合素子を有するシリコン系導波路を含むシリコンフォトニクス・チップと、
    前記シリコンフォトニクス・チップとの間で前記光信号を伝送するためのポリマー導波路であって、前記光信号の伝播方向に対して傾斜し、前記伝播方向を横切って延びるように位置するＴＩＲミラーを中に有する当該ポリマー導波路と、
    前記ポリマー導波路内部を伝播する光信号と光学的に結合し、少なくとも１つの光マルチ・チップ・モジュールに光信号を伝送する光配線と
    を含む、光インターコネクト構造。
18. シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）構造によって形成され、光信号を伝播するための前記ＳＯＩ構造の埋め込み酸化物層上の回折格子結合素子を有するシリコン系導波路を含むシリコンフォトニクス・チップと、
    前記シリコンフォトニクス・チップとの間で前記光信号を伝送するためのポリマー導波路であって、前記光信号の伝播方向に対して傾斜し、前記伝播方向を横切って延びるように位置するＴＩＲミラーを中に有する当該ポリマー導波路と
    を含み、
    前記ポリマー導波路は、シングルモード導波路であり、前記ＴＩＲミラーは、前記ポリマー導波路内部のポリマー表面によって少なくとも画定される空所であり、前記シリコンフォトニクス・チップおよび前記ポリマー導波路がフリップリップ接合によって接触する、半導体デバイス。