DE3731865C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte Halbleitervor­ richtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In bislang bekannten integrierten Halbleiterschaltungen sind Verdrahtungen oder Verbindungsleitungen für die Übertra­ gung von Taktsignalen, Zeitsteuersignalen oder ähnlichen aus diffundierten Widerstands- bzw. Sperrschichten, Metallschich­ ten (beispielsweise aus Aluminium) oder ähnlichen Schichten aufgebaut, die auf einem Halbleiterchip gebildet sind. Mit derartigen elektrischen Verbindungen oder Verschaltungen tre­ ten jedoch Verzögerungen in der Signalübertragung aufgrund elektrostatischer Kapazitäten auf, die den elektrischen Ver­ bindungsleitungen zugeordnet sind, woraus sich ein Hindernis für die Steigerung der Operationsgeschwindigkeit einer inte­ grierten Schaltung ergibt.
Zur Lösung dieses Problems wurde ein optisches Verschal­ tungssystem vorgeschlagen, in dem Licht für die Signalübertra­ gung Anwendung findet. Ein gattungsgemäßes System ist beispiels­ weise in dem Artikel "Optical Interconnections For VLSI Systems" von J. W. Goodman et al, Proc. of the IEEE, Vol. 72, Nr. 7, Ju­ ly 1984, Seiten 850 bis 866, dargestellt. In dieser integrierten Halbleitervorrichtung erfolgt die Übertragung eines optischen Signals durch Ausbreitung im freien Raum oder über optische Fasern oder optische Wellenleiter, so daß sich die Signalübertragung mit einer sehr hohen Geschwindigkeit vollzieht, die gleich der Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Licht in einem derartigen Medium ist.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel des in oben genanntem Artikel dargestellten optischen Verschaltungssystems, bei dem sich im freien Raum ausbreitendes Licht Anwendung findet. Wie in der Figur dargestellt, wird von einer Lichtquelle 110 als ein op­ tisches Signal emittiertes Licht durch eine Linse 130 parallel gerichtet, um einen Halbleiterchip 140 mit einer integrierten Schaltung (im folgenden als "IC-Chip" bezeichnet) zu bestrah­ len. In dem IC-Chip 140 gebildete lichtempfangende Elemente 120 bis 125 nehmen die optischen Signale auf und wandeln sie in elektrische Signale um. Sind diese optischen Signale Takt­ signale für die in dem IC-Chip gebildeten logischen Schal­ tungen, sind die an beliebigen Punkten des Chip reproduzier­ ten oder regenerierten elektrischen Taktsignale zeitlich voll­ ständig aufeinander abgestimmt. Daraus ergibt sich der Vor­ teil, daß das Auftreten eines Takt-Jitters verhindert werden kann, der aus den Fortpflanzungsverzögerungen resultiert, die im Falle von elektrischen Verschaltungen auftreten können.
Da in dem oben beschriebenen herkömmlichen Beispiel eines optischen Verschaltungssystems jedoch die gesamte Oberfläche der integrierten Halbleiterschaltung gleichmäßig bestrahlt wird, werden durch die optische Erregung in der gesamten inte­ grierten Schaltung, einschließlich der lichtempfangenden Ele­ mente, Photoelektronen generiert. Diese Photoelektronen haben mehr oder weniger starken Einfluß auf die Charakteristika der in der integrierten Schaltung enthaltenen Transistoren oder Dioden, so daß ein ursächlicher Zusammenhang zwischen den ge­ nerierten Photoelektronen und der Verschlechterung der Eigen­ schaften der integrierten Schaltung und/oder einer fehlerhaf­ ten Operation der Schaltung besteht.
Von dem Licht, mit dem die Oberfläche der integrierten Halbleiterschaltung beleuchtet wird, ist der wirksame Anteil bzw. der Anteil, der auf die lichtempfangenden Elemente 120 bis 125 auftrifft, extrem gering, da die Bereiche der licht­ empfangenden Elemente aufgrund der Steigerung des Integra­ tionsgrades sehr begrenzt sind. Daher ist der Grad der Licht­ ausnutzung schlecht.
Weiterhin erfolgt in dem oben beschriebenen Beispiel des optischen Verschaltungssystems eine gleichzeitige Aktivierung aller lichtempfangenden Elemente. Eine selektive Aktivierung der lichtempfangenden Elemente wurde nicht in Betracht gezogen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Halbleitervorrichtung mit einer optisch ansteuerbaren integrierten Schaltung anzugeben, bei der eine nicht-definierte Beeinflussung bzw. eine Ver­ schlechterung der Eigenschaften sowie ein Fehlbetrieb der Schaltung aufgrund der optischen Ansteuersignale vermieden und die lichtempfangenden Elemente der integrierten Schaltung selektiv aktiviert werden können.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die integrierte Halb­ leitervorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs.
Danach ist die Oberfläche des Halbleitersubstrats, die mit den optischen Taktsignalen bestrahlt wird, mit einer opaken Schicht überzogen, in der jeweils über den photo-elektrischen Wandlerelementen der Schaltung Öffnungen vorgesehen sind. In diesen "Fenstern" der opaken Schicht sind transparente Schich­ ten ausgebildet, durch die die optischen Taktsignale auf die Wandlerelemente auftreffen können. Dadurch wird die Erzeugung von Photoelektronen über die gesamte Oberfläche der Halblei­ terschaltung und damit auch die Beeinflussung der Schaltungs- Charakteristika durch diese Photoelektronen unterbunden.
Erfindungsgemäß wird die integrierte Halbleiterschaltung mit optischen Taktsignalen unterschiedlicher Wellenlängen be­ strahlt und die transparenten Schichten über den Wandlerele­ menten haben eine selektive Durchlässigkeit für auftreffende Strahlung einer ganz bestimmten Wellenlänge. Dadurch werden alle Wandlerelemente der Schaltung, über denen transparente Schichten ausgebildet sind, die Strahlung der gleichen Wel­ lenlänge durchlassen, gleichzeitig in Antwort auf die auf­ treffenden optischen Taktsignale mit der entsprechenden Wel­ lenlänge aktiviert.
Die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Er­ findung erfolgt unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels ei­ ner herkömmlichen optischen Verschaltung in einer integrierten Halbleiterschaltung;
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem lichtempfangenden Element oder photo-elektrischen Wandlerele­ ment;
Fig. 3 eine dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel entsprechende Schaltung;
Fig. 4 eine Gesamtdarstellung des Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 5 ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbei­ spiel; und
Fig. 6 ein drittes erfindungsgemäßes Ausführungsbei­ spiel.
Im folgenden wird eine erfindungsgemäße optische Ver­ schaltung in einer integrierten Halbleiterschaltung im einzel­ nen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrie­ ben.
Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 dargestellt, die einen Schnitt eines Teils einer integrierten Halbleiterschal­ tung (im folgenden als "IC" bezeichnet) zeigt. Bezugsziffer 1 in Fig. 2 bezeichnet allgemein einen IC-Chip. Der Chip 1 wird hergestellt, indem p-leitende vergrabene Schichten 50 und 55 in einem n-leitenden Halbleitersubstrat (Silizium) 40, und an­ schließend eine Photodiode 10, ein Widerstand 20 und ein Tran­ sistor 30 in den vergrabenen Schichten ausgebildet werden. Die Photodiode 10 hat eine p-i-n-Struktur mit einer n-dotierten Schicht 52, einer eigenleitenden Schicht 51 und einer p-do­ tierten Schicht 50. Eine p-dotierte Schicht 53 ist ein diffun­ dierter Widerstand und baut zusammen mit einer n-dotierten Schicht 54 den Widerstand 20 auf (vgl. Fig. 3). Der Transi­ stor 30 ist ein MOS-Transistor, der in der p-dotierten vergra­ benen Schicht 55 ausgebildete n-dotierte Source- und Drain- Schichten 57 und 56, einen Gate-Isolierfilm 61 sowie eine Gate-Elektrode 71 umfaßt. Bezugsziffer 60 bezeichnet einen Feld-Oxidfilm, die Bezugsziffern 70 und 72 bis 77 bezeichnen Anschlußkontakte. Zum besseren Verständnis ist die Verdrahtung bzw. Verschaltung in Fig. 2 schematisch außerhalb des IC-Chip 1 dargestellt. Tatsächlich erfolgt die Verschaltung jedoch durch gedruckte Leiterbahnen, die auf dem Feld-Oxidfilm 60 an­ geordnet sind.
Der so aufgebaute Chip 1 wird mit einer lichtundurchläs­ sigen bzw. opaken isolierenden Harzschicht 200 versehen. Im einzelnen wird die opake Harzschicht 200 ausgebildet, indem ein Gemisch aus Silikongummi, Polyimid oder Epoxid mit Titan­ weiß (Titanoxid), Bengara oder Karbon in Form eines dünnen Films auf den IC-Chip 1 aufgesponnen wird. Anschließend wird eine Öffnung 100 in der opaken Harzschicht vorgesehen. Die Öffnung 100 liegt gerade über der Photodiode 10, wobei ihre Abmessungen größer als ein Arbeits- oder Betriebsbereich der Photodiode sind. Die Öffnung 100 kann ausgebildet werden, in­ dem die opake Harzschicht mit Ausnahme eines Bereichs, in dem die Öffnung gebildet werden soll, mit einer Maske versehen, und der frei liegende Bereich anschließend geätzt wird.
Danach wird in der Öffnung 100 ein Füllmaterial 210 aus einem transparenten Harz vorgesehen. Die transparente Harz­ schicht 210 kann ausgebildet werden, indem mittels einer Spinnvorrichtung Silikongummi, Polyimid oder Epoxid in die Öffnung 100 ein- und auf die Oberfläche der opaken Harzschicht aufgebracht wird, und bei der sich ergebenden Struktur eine Schicht vorgegebener Dicke weggeätzt wird. Daraufhin wird auf der Oberfläche des Füllmaterials 210 durch Pressen eine Fres­ nel-Linse 220 gebildet. Die Linse 220 konvergiert oder sammelt das von der Öffnung 100, die größer als der Arbeitsbereich der Photodiode 10 ist, einfallende Licht im Arbeitsbereich der Photodiode 10. Statt der Fresnel-Linse 220 kann eine sphärische Linse, eine Linse mit verteiltem Brechungsindex oder ähnliches verwendet werden. Die transparente Schicht 210 kann beispielsweise auch eine durch Sputtern gebildete Glas­ schicht sein. Die Dicke sowohl der opaken Schicht 200 als auch der transparenten Schicht 210 kann 2 bis 3 µm betragen.
In Fig. 2 ist mit Bezugsziffer 6 eine Schaltung für die Erzeugung eines elektrischen Taktsignals, und mit Bezugsziffer 5 eine Generatoreinrichtung für die Erzeugung eines optischen Taktsignals in Antwort auf das elektrische Taktsignal bezeich­ net. Das optische Taktsignal wird in Form einer Änderung der Lichtstärke, in Form eines EIN/AUS-Schaltens des Lichts oder ähnlichem geliefert und findet letztlich als ein elektrisches Signal für die Betätigung eines logischen Schaltungsbereichs 300 Anwendung (vgl. Fig. 3). Obwohl hier beispielhaft die Taktsignal-Generatorschaltung 6 dargestellt ist, können andere Signale mit ähnlich vorteilhaften Wirkungen verwendet werden. Das heißt, die signalerzeugende Schaltung 6 kann eine Impuls- Generatoreinrichtung für die Erzeugung eines elektrischen Im­ pulssignals sein. Durch die Umwandlung des elektrischen Im­ pulssignals in ein optisches Impulssignal kann die Erfindung vorteilhaft zur Anwendung kommen.
Im folgenden wird der Betrieb des in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert, die ein der in Fig. 2 dargestellten Struktur entsprechendes Schaltbild zeigt. Das von dem Signalgenerator 5 emittierte op­ tische Taktsignal bestrahlt die Photodiode 10 in dem IC-Chip 1. Dabei tritt das auf die Photodiode 10 auffallende Licht durch die in der Öffnung 100 vorgesehene transparente Schicht 210 und wird durch die Linsenwirkung der transparenten Schicht 210 konvergiert, so daß eine Bestrahlung des Arbeitsbereichs der Photodiode 10 erfolgt. Durch die Bestrahlung mit dem Licht wird die Photodiode 10 leitend, so daß ein Strom von einer Spannungsquelle +VCC (z. B. 5 V) durch den Widerstand 20 (z. B. 1 kΩ) fließt, über dem eine Spannung abfällt. Diese Spannung wird von dem MOS-Transistor 30 verstärkt und als ein elektrisches Taktsignal dem logischen Schaltungsbereich 300 zugeführt. In dem Fall, in dem die signalerzeugende Schaltung 6 als ein gewöhnlicher Impuls-Generator, jedoch nicht als ein Taktsignal-Generator ausgebildet ist, wie unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert, wird alternativ ein von dem Impuls-Genera­ tor 6 erzeugtes elektrisches Impulssignal durch die Schaltung 5 in ein optisches Impulssignal umgewandelt. Die Photodiode 10 wird durch das optische Impulssignal angesteuert.
Die obige Erläuterung erfolgte im Zusammenhang mit einem einzigen logischen Element, das eine Photodiode 10, einen Wi­ derstand 20 und einen MOS-Transistor 30 umfaßt. Tatsächlich ist in dem IC-Chip eine Vielzahl derartiger logischer Elemente ausgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel werden alle diese logischen Elemente gleichzeitig durch eine einzige, ein opti­ sches Taktsignal erzeugende Einrichtung aktiviert. Dieser Fall ist in Fig. 4 dargestellt. Der in Fig. 4 gezeigte IC-Chip 1 enthält eine Vielzahl logischer Schaltungen. Mit Bezugsziffer 2 ist ein unteres Formteil, mit Bezugsziffer 3 sind Leitungs­ anschlüsse, und mit Bezugsziffer 4 ist ein oberes Formteil be­ zeichnet. Auf der Innenseite des oberen Formteils 4 ist eine Generatoreinrichtung 5 für ein optisches Taktsignal, wie eine lichtemittierende Diode, angebracht, die ein elektrisches Taktsignal von einer entsprechenden Generatorschaltung 6 emp­ fängt und ein optisches Taktsignal erzeugt. Das von der licht­ emittierenden Diode 5 abgegebene optische Signal oder Licht bestrahlt den gesamten Chip 1. Dementsprechend werden durch ein Taktsignal sämtliche Photodioden auf dem Chip 1 auf einmal aktiviert. Als Folge davon fallen die Zeitpunkte der Aktivie­ rung aller Photodioden miteinander zusammen, so daß keinerlei Zeit-Jitter aufgrund von Verzögerungen in der Übertragung der Taktsignale auftritt.
Aus Fig. 2 wird deutlich, daß, da alle Bereiche der Struktur mit Ausnahme der Oberflächen über den Photodioden mit der lichtundurchlässigen Harzschicht 200 abgedeckt sind, die Erzeugung von Photoelektronen, bis auf die Erzeugung in den Bereichen der Photodioden, unterbunden wird, so daß eine Ver­ schlechterung der Eigenschaften der integrierten Schaltung und/oder eine Fehloperation nicht auftritt.
Wie beschrieben, sind die Abmessungen der Öffnung 100 größer als der Arbeitsbereich der Photodiode, ist die transpa­ rente Schicht 210 in der Öffnung 100 vorgesehen und hat die transparente Schicht 210 eine Linsenfunktion. Daher kann das von der Öffnung 100, die größer als der Arbeitsbereich der Photodiode 10 ist, einfallende Licht wirkungsvoll ausgenutzt werden, während sonst nur das Licht wirksam ist, das auf eine Fläche eingestrahlt wird, die dem Arbeitsbereich der Photodi­ ode entspricht. Licht von der vergrößerten Öffnung 100 wird in anderen Worten mittels der über der Öffnung vorgesehenen Linse 220 auf den Arbeitsbereich der Photodiode 10 konvergiert, wo­ durch der Ausnutzungsgrad des einfallenden Lichts erhöht wird.
Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist die lichtemittierende Diode (LED) 5 auf der Innenseite des oberen Formteils 4 angebracht, und von der LED 5 emittiertes Licht wird als Signallicht verwendet. Es kann jedoch auch eine Konstruktion Anwendung finden, bei der ein Fenster aus trans­ parentem Material, wie Glas, in dem oberen Formteil 4 vorge­ sehen ist, wobei Signallicht durch das Fenster eingeführt wird, um den Chip 1 auf der Innenseite zu bestrahlen.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung, bei dem in den Öffnungen 100 transparente Schichten 230, 240 vorgesehen sind, die eine unterschiedliche Selektivität für die Wellenlänge des Lichts aufweisen. Im einzelnen sind die Photodioden 10a, 10b auf dem IC-Chip 1 in mehrere Gruppen unterteilt. In den Öffnungen 100 über Photodioden einer Gruppe (in Fig. 5 ist nur eine Photodiode 10a gezeigt) sind transpa­ rente Schichten 230 vorgesehen, die eine selektive Durchläs­ sigkeit für Licht mit einer Wellenlänge λ1 aufweisen, während in den Öffnungen 100 über Photodioden einer anderen Gruppe (in Fig. 5 ist nur eine Photodiode 10b gezeigt) trans­ parente Schichten 240 vorgesehen sind, die eine selektive Durchlässigkeit für Licht mit einer Wellenlänge λ2 aufwei­ sen. Die Anzahl der Gruppen bzw. Sätze von Dioden kann nach Bedarf erhöht werden. Mit Bezugsziffer 80 ist eine transparen­ te Harzschicht dargestellt.
Die über dem IC-Chip 1 vorgesehene Einrichtung für die Erzeugung eines optischen Taktsignals ist in zwei Abschnitte 5a und 5b unterteilt, von denen einer das Licht mit der Wel­ lenlänge λ1, und der andere das Licht mit der Wellenlänge λ2 emittiert. Durch Ansteuerung der Abschnitte 5a und 5b mit verschiedenphasigen Taktsignalen kann damit die Vielzahl von Photodioden 10a, 10b auf dem IC-Chip 1 mit mehrphasigen Taktsignalen angesteuert werden. Zu einem Satz gehörige Photo­ dioden werden jeweils gleichzeitig aktiviert, so daß, wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2, kein Zeit-Jitter auftritt. Jede der transparenten Schichten mit unterschiedlicher Wellen­ längen-Selektivität kann durch Verwendung von Gelatine gebil­ det werden, der ein Farbstoff mit bestimmter Wellenlängen-Se­ lektivität zugegeben ist.
Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung, das dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ähnlich ist, jedoch auf die Verbesserung des Licht-Ausnutzungsgrads ab­ zielt. Die Abmessungen der Öffnung 100 sind größer als der Ar­ beitsbereich der Photodiode 10a, 10b ausgelegt. Die Öffnungen 100 sind mit transparenten Schichten 250 und 260 gefüllt, die jeweils eine unterschiedliche Wellenlängen-Selektivität auf­ weisen. Jede transparente Schicht 250, 260 zeigt daneben eine Linsenwirkung, da eine Fresnel-Linse 220 oder ähnliches vorge­ sehen ist. Als Folge davon wird von der Öffnung 100, die grö­ ßer als der Arbeitsbereich der Photodiode 10a, 10b ist, ein­ fallendes Licht auf den Arbeitsbereich konvergiert. Das Aus­ führungsbeispiel nach Fig. 6 vereinigt daher in sich die Vor­ teile des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 (Lichtbündelung durch Linsenwirkung) und des Ausführungsbeispiels nach Fig. 5 (Wellenlängen-Selektivität).

Claims (5)

1. Integrierte Halbleitervorrichtung mit optischer Ansteuerung mit
einem Halbleitersubstrat (40);
einer optischen Generatoreinrichtung (5a, 5b), die opti­ sche Taktsignale in Antwort auf elektrische Taktsignale erzeugt; und
photo-elektrischen Wandlerelementen (10a, 10b), die in dem Halbleitersubstrat (40) ausgebildet sind und in Antwort auf die optischen Taktsignale aktiviert werden, die auf eine Oberfläche des Halbleitersubstrats (40) auftreffen;
dadurch gekennzeichnet,
daß die optische Generatoreinrichtung (5a, 5b) Licht ver­ schiedener Wellenlängen (λ₁, λ₂) als optische Taktsignale in Antwort auf elektrische Taktsignale verschiedener Phasen­ lage erzeugt;
daß eine opake Schicht (200) die Oberfläche des Halb­ leitersubstrats (40) abdeckt, auf die die optischen Takt­ signale auftreffen, wobei in der opaken Schicht jeweils über den photo-elektrischen Wandlerelementen (10a, 10b) Öffnungen (100) ausgebildet sind; und
daß in den Öffnungen (100) jeweils transparente Schichten (230, 240; 250, 260) vorgesehen sind, wobei jede transparente Schicht eine selektive Durchlässigkeit für optische Taktsignale einer bestimmten erzeugten Licht-Wellenlänge (λ₁, λ₂) aufweist.
2. Integrierte Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Schicht/transparenten Schichten (210; 250, 260) eine Linsenwirkung aufweist/aufwei­ sen, um das durch die Öffnung (100) einfallende Licht auf den Arbeitsbereich des jeweiligen photo-elektrischen Wandlerele­ ments (10; 10a, 10b) zu konvergieren.
3. Integrierte Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die transparenten Schichten (210; 250, 260) mit der Linsenwirkung eine Fresnel-Linse (220) aufweisen.
4. Integrierte Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die transparenten Schichten (210; 250, 260) mit der Linsenwirkung eine Linse mit verteiltem Brechungsindex aufweisen.
5. Integrierte Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die transparenten Schichten (210; 250, 260) mit der Linsenwirkung eine sphärische Linse aufweisen.
DE19873731865 1986-09-25 1987-09-22 Optische verschaltung fuer integrierte halbleiterschaltungen Granted DE3731865A1 (de)

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