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JP2005044861A - Semiconductor device, method of using semiconductor device, method of manufacturing semiconductor device, and electronic device - Google Patents

Semiconductor device, method of using semiconductor device, method of manufacturing semiconductor device, and electronic device Download PDF

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JP2005044861A
JP2005044861A JP2003200636A JP2003200636A JP2005044861A JP 2005044861 A JP2005044861 A JP 2005044861A JP 2003200636 A JP2003200636 A JP 2003200636A JP 2003200636 A JP2003200636 A JP 2003200636A JP 2005044861 A JP2005044861 A JP 2005044861A
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semiconductor device
substrate
light emitting
shielding film
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Kazuo Yudasaka
一夫 湯田坂
Satoshi Inoue
聡 井上
Tatsuya Shimoda
達也 下田
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Seiko Epson Corp
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Abstract

【課題】3次元実装された半導体装置において、各基板に対する電力供給を可能とし、また各基板間の正確な信号伝達を可能とする。
【解決手段】集積回路105を備えた複数の基板100,200,300が積層されてなる半導体装置1であって、各基板は、光透過性を有する基板本体101と、電気信号を光信号に変換して送信可能な発光素子および光信号を受信して電気信号に変換可能な受光素子122,123と、各基板に対して電力を供給する貫通電極160とを備え、隣接する基板の貫通電極160が電気的に接続されている構成とした。
【選択図】 図1
In a three-dimensionally mounted semiconductor device, power can be supplied to each substrate, and accurate signal transmission between the substrates can be performed.
A semiconductor device 1 in which a plurality of substrates 100, 200, and 300 including an integrated circuit 105 are stacked, each substrate having a light-transmitting substrate body 101 and an electrical signal as an optical signal. Light-emitting elements that can be converted and transmitted, light-receiving elements 122 and 123 that can receive optical signals and convert them into electrical signals, and through-electrodes 160 that supply power to each substrate, and through-electrodes on adjacent substrates 160 is configured to be electrically connected.
[Selection] Figure 1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置、半導体装置の製造方法、半導体装置の使用方法および電子機器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
携帯電話機、ノート型パーソナルコンピュータ、PDA(Personal data assistance)などの電子機器には、集積回路を備えた半導体装置が搭載されている。近時では、上述した携帯型の電子機器の小型化および軽量化が強く要求され、半導体装置の実装スペースも極めて制限されている。そこで、半導体チップの高密度実装を図るため、3次元実装技術が提案されている。3次元実装技術は、集積回路が形成された基板同士を積層し、各基板間を配線接続することによって、半導体チップの高密度実装を図る技術である。
【0003】
このように3次元実装された半導体装置において、各基板間における信号の送受信は、各基板間に配設された導電線を介して行われる。ところが、配線抵抗および配線間容量が存在するため、信号遅延の発生は避けられない。そこで、基板間において光信号の送受信を行う技術(光インターコネクション)が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この技術は、一の基板に形成された発光素子と、他の基板に形成された受光素子との間で、光信号の送受信を行うものである。
【0004】
【特許文献1】
特開2000−277794号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
各基板の集積回路ならびに発光素子および受光素子を駆動するためには、各基板に対して電力を供給する必要がある。しかしながら、エネルギーの小さい光信号を用いて電力供給を行うことは、困難ないし不可能であるという問題がある。
【0006】
一方、一対の発光素子および受光素子によって光信号の送受信を行う場合であっても、発光素子は所定の角度範囲に光信号を射出する場合があり、受光素子は所定の角度範囲で入射した光信号を受信する場合がある。このように、発光素子または受光素子の指向性が弱い場合には、当該発光素子からの光信号を当該受光素子以外の受光素子が受信したり、当該受光素子が当該発光素子以外の発光素子からの光信号を受信したりする場合がある。これにより、正確な信号伝達が困難ないし不可能になるという問題がある。
【0007】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、各基板に対する電力供給が可能であり、また各基板間の信号伝達を正確に行うことが可能な、半導体装置、その製造方法およびその使用方法の提供を目的とする。
また、信頼性の高い電子機器の提供を目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の半導体装置は、集積回路を備えた複数の基板が積層されてなる半導体装置であって、前記各基板は、少なくとも一の波長の光信号を透過可能な材料からなる基板本体と、電気信号を前記光信号に変換して送信可能な発光素子または前記光信号を受信して電気信号に変換可能な受光素子の少なくともいずれか一方と、前記各基板に貫通形成され前記各基板に対して電力を供給する導電部とを備え、隣接する前記基板の前記導電部が電気的に接続されていることを特徴とする。
この構成によれば、各基板に対して電力を供給する導電部が各基板に貫通形成され、また隣接する基板の導電部が電気的に接続されているので、導電部を介してすべての基板に電力を供給することができる。
【0009】
また、前記各基板本体は、電気絶縁性材料によって構成されていることが望ましい。この構成によれば、導電部と基板本体との間に絶縁膜を形成する必要がない。したがって、半導体装置のコストを低減することができる。
【0010】
また、前記光信号の送受信を行う一対の前記発光素子および前記受光素子の間に、前記光信号を遮断可能な材料からなる第1遮光膜が形成され、前記第1遮光膜は、前記一対の発光素子および受光素子を結ぶ光軸上に、開口部を有する構成としてもよい。
この構成によれば、発光素子から開口部の形成領域に射出された光信号および開口部の形成領域から受光素子に入射する光信号のみが第1遮光膜を通過する。したがって、発光素子または受光素子の指向性が弱い場合でも、一対の発光素子および受光素子の間のみで光信号の送受信を行うことが可能になり、基板間の信号伝達を正確に行うことができる。
【0011】
また、前記集積回路に対する光の入射を防止する第2遮光膜を備えていることが望ましい。この構成によれば、光の入射に起因する集積回路の故障や誤動作の発生率を低減することができる。
【0012】
また、前記第1遮光膜および/または前記第2遮光膜は、前記集積回路を覆う絶縁膜の表面に形成されていることが望ましい。この構成によれば、第1遮光膜および/または第2遮光膜が導電性材料で構成されている場合でも、これらと集積回路との短絡を防止することができる。また、このように第1遮光膜が形成された各基板を積層することにより、光信号の送受信を行う一対の発光素子および受光素子の間に第1遮光膜を配置することができる。さらに、第1遮光膜を各基板の形成後に簡単に形成することができる。
【0013】
また、前記第1遮光膜および/または前記第2遮光膜は、電気配線として機能することが望ましい。この構成によれば、電気配線用のスペースを削減することが可能になり、半導体装置を小型化することができる。
【0014】
また、前記第1遮光膜および/または前記第2遮光膜は、前記集積回路から発生する熱を放熱する機能を有することが望ましい。この構成によれば、発熱に起因する集積回路の故障や誤動作の発生率を低減することができる。
【0015】
また、一の前記発光素子または一の前記受光素子が、複数の前記受光素子または複数の前記発光素子との間で前記光信号を送受信可能とされている構成としてもよい。この構成によれば、発光素子または受光素子の個数を削減することが可能になり、半導体装置のコストを低減することができる。
【0016】
一方、本発明の半導体装置の使用方法は、一の前記発光素子または一の前記受光素子との間で前記光信号を送受信可能とされた複数の前記受光素子または複数の前記発光素子のうち、前記光信号を送受信すべき前記受光素子または前記発光素子を、前記一の発光素子または前記一の受光素子と同期させて駆動することを特徴とする。
この構成によれば、一の発光素子または一の受光素子は、光信号の送受信を行うべき受光素子または発光素子との間のみで光信号の送受信を行うことが可能になり、他の受光素子または他の発光素子とのクロストークを防止することができる。したがって、基板間の信号伝達を正確に行うことができる。
【0017】
一方、本発明の半導体装置の製造方法は、前記基板の一方側の表面から前記基板に対して非貫通穴を形成する工程と、前記非貫通穴に対して、液滴吐出手段により導電材料を充填し、前記導電部を形成する工程と、前記基板の他方側の表面を研削して、前記導電部を露出させる工程と、を有することを特徴とする。
この構成によれば、液滴吐出手段により導電材料を充填して導電部を形成するので、所定形状の導電部を所定位置に正確に形成することができる。また、最終工程で基板を薄型化するので、半導体プロセスにおける基板の剛性を確保しつつ、半導体装置を小型化することができる。
【0018】
一方、本発明の電子機器は、上述した半導体装置を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、各基板に対する電力供給が可能であり、また各基板間の信号伝達を正確に行うことが可能な半導体装置を備えているので、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
【0020】
[半導体装置]
図1は、本実施形態の半導体装置の側面断面図である。本実施形態の半導体装置1は、集積回路105を備えた複数の基板100,200,300を積層して構成されている。なお、図1では3個の基板を積層した場合を例示しているが、積層する基板の個数は3個以外であってもよい。各基板100,200,300には貫通電極160,260,360が形成され、隣接する基板はその貫通電極を電気的に接続した状態で積層されている。なお、各基板100,200,300の間には、光信号の透過性を有する接着剤190,290が充填されている。
【0021】
(基板本体、集積回路)
図1に示すように、各基板100,200,300は同様に構成されているので、以下には基板100の場合を例にして説明する。基板100は、少なくとも一の波長の光信号を透過可能な光透過性材料からなる基板本体101を備えている。これにより、基板間の光信号通信が可能になる。また、基板100は電気絶縁性材料によって構成されている。これにより、後述するように、各基板100と貫通電極160との間に絶縁膜を形成する必要がなくなり、半導体装置1のコストを低減することができる。なお、上述した光透過性および電気絶縁性を備えた材料として、具体的にはサファイヤやガラス、石英等の材料を採用することができる。サファイヤ基板を採用した場合には、後述するように発光素子および受光素子を基板に直接形成することが可能であり、また基板を150μm程度に薄く形成することができる。したがって、半導体装置1を小型化することができる。
【0022】
基板100の回路形成領域には、集積回路105が配置されている。なお、基板100の表面に集積回路を直接形成してもよく、基板100の表面に集積回路素子を実装してもよい。この集積回路105には、電子計算機のプロセッサ回路やメモリ回路などあらゆる回路を適用することができる。なお、基板間で光信号の送受信を行うため、次述する発光素子および受光素子の駆動回路を付加してもよい。
【0023】
(発光素子、受光素子)
また、基板100の光信号通信領域には、発光素子112,113(図2参照)または受光素子122,123(図1参照)を備えている。この発光素子112,113は、集積回路において利用される電気信号を、特定波長の光信号に変換するものである。発光素子112,113として、具体的には発光ダイオード(LED)や半導体レーザ(レーザダイオード)、有機EL素子などを採用することができる。また受光素子122,123は、特定波長の光信号を、集積回路において利用される電気信号に変換するものである。受光素子122,123として、具体的にはフォトダイオードやフォトトランジスタ、フォトIC等を採用することができる。
【0024】
発光素子として採用可能なLEDは、pn接合部に電流が流れると光を放射するダイオードである。単純なホモ接合構造のLEDは、p型半導体およびn型半導体の結晶が同じ材料で構成されている。ホモ接合構造のLEDに順バイアス電圧を印加すると、n型半導体の電子がp型半導体に移動し、エネルギーの高い伝導帯からエネルギーの低い価電子帯に落ちて正孔と再結合する。その際に失われるエネルギーが光として放出され、LEDが発光する。なお、LEDの発光強度はpn接合部を流れる電流に比例するので、電気信号に応じた光信号を得ることができる。また、光信号の波長は伝導帯と価電子帯のエネルギー差(バンドギャップ)に左右され、バンドギャップは使用する半導体材料によって決定される。
【0025】
なお、発光効率が低いホモ接合構造のLEDに代えて、ダブルへテロ接合構造のLEDを採用してもよい。ダブルへテロ接合構造のLEDは、p型半導体(p型クラッド層)およびn型半導体(n型クラッド層)の間に、バンドギャップの小さい活性層を挟み込んだものである。ダブルへテロ接合構造のLEDに順バイアス電圧を印加すると、電子および正孔は活性層に閉じ込められて密度が高い(反転分布)状態となる。これにより、効率よく再結合(誘導放射)が行われて高い発光効率を得ることができる。このようなLEDを発光素子として採用することにより、少ない消費電力で高出力を確保することが可能になり、効率的な光信号通信を行うことができる。また、LEDは耐久性能に優れている。
【0026】
また、発光素子として採用可能な半導体レーザは、半導体素子からの光をレーザ発振により増幅して照射するものである。半導体レーザの構造はダブルヘテロ接合構造のLEDと同様であるが、半導体レーザでは、クラッド層と活性層とが屈折率の異なる半導体材料によって構成されている。これにより、クラッド層と活性層との境界部分は反射鏡として機能する。そして、再結合により発生した光が反射鏡の間を往復することにより誘導放射が繰り返される(レーザ発振)。これにより、光が増幅されて半導体素子の外部に照射される。したがって、半導体レーザはLEDよりも高出力となる。このような半導体レーザを発光素子として採用することにより、離れた基板間でも光信号通信を行うことが可能になる。
【0027】
上述したLEDや半導体レーザは、ガリウムヒ素(GaAs)等の化合物半導体によって構成することができる。そして、基板100をサファイヤによって構成する場合には、基板100の表面にLEDや半導体レーザを直接形成することができる。これにより、半導体装置1の集積度を向上させることが可能になり、半導体装置1を小型化することができる。なおサファイヤ基板を採用した場合には、基板上に単結晶Si層を形成し、そのSi層に集積回路105を形成する。
【0028】
また、発光素子として有機EL素子を採用することも可能である。有機EL素子は、ITO等からなる陽極とLiF/Al等からなる陰極との間に、有機化合物からなる正孔注入/輸送層および発光層を挟持したものである。具体的には、正孔注入/輸送層の構成材料として、ポリチオフェン誘導体とポリスチレンスルホン酸等の混合物等を用いることができる。また発光層の構成材料として、ポリフルオレン誘導体等の高分子材料を用いることができる。発光層では、正孔注入/輸送層から注入される正孔と、陰極から注入される電子とが再結合して発光するようになっている。このような有機EL素子を発光素子として採用することにより、発光素子を容易に形成することができる。
【0029】
一方の受光素子には、フォトダイオードを採用することができる。フォトダイオードは、LEDとは逆に、光をpn接合に入射させて正孔および電子を発生させ、電流を得るものである。ここで得られる電流は、pn接合に入射する光の強度に比例するので、光信号に応じた電気信号を得ることができる。なお、フォトダイオードの動作時には逆バイアス電圧を印加する。フォトダイオードには、上述したpnフォトダイオードの他に、pinフォトダイオードを採用してもよい。pin構造は、pn接合の間に、キャリアの少ない真性半導体(intrinsic)層を設けたものである。この真性半導体層に電界を印加しておくと、上記のように発生した正孔および電子を高速で移動させることができる。これにより、受光素子の高速応答性を確保することができる。また受光素子として、フォトダイオードを増幅回路と組み合わせたフォトトランジスタや、フォトダイオードを集積回路と組み合わせたフォトICなどを採用することも可能である。
【0030】
図2は、複数の基板における発光素子および受光素子の配置図である。本実施形態では、一対の基板間において光信号の送受信を担当する発光素子および受光素子(以下、一対の発光素子および受光素子と呼ぶ)が、それぞれの基板に形成されている。例えば、基板100から基板200に対して光信号を送信するため、基板100には発光素子112が形成され、基板200には受光素子221が形成されている。逆に、基板200から基板100に対して光信号を送信するため、基板200には発光素子211が形成され、基板100には受光素子122が形成されている。同様に、基板200と基板300との間で光信号の送受信を行うため、基板200には発光素子213および受光素子223が形成され、基板300には受光素子322および発光素子312が形成されている。また基板300と基板100との間で光信号の送受信を行うため、基板300には発光素子311および受光素子321が形成され、基板100には受光素子123および発光素子113が形成されている。
【0031】
なお図2では、一の発光素子または一の受光素子が、一の受光素子または一の発光素子との間で、光信号を送受信可能とされている。すなわち、一対の発光素子および受光素子は、それぞれ相手側素子が形成された基板との光信号の送受信のみを担当し、他の基板との光信号の送受信を担当しないように構成されている。なお、信号伝達を行わない基板には、発光素子および受光素子を設ける必要がない。また、一方通行の信号伝達のみを行う基板には、信号の伝達方向に応じて発光素子または受光素子のいずれか一方のみを設ければ足りる。
【0032】
また、各基板における光信号通信領域はマトリクス状に区画され、その各要素に発光素子または受光素子が配置されている。ここで、一対の発光素子および受光素子は、それぞれの基板におけるマトリクスの同じ要素に配置されている。これにより、一対の発光素子および受光素子の光軸が基板と垂直に配置される。この場合、光信号の伝達距離が最も小さくなり、信号遅延を最小限に留めることができる。ただし、一対の発光素子および受光素子を、それぞれの基板におけるマトリクスの異なる要素に配置することも可能である。この場合、一対の発光素子および受光素子の光軸が、基板に対して斜めに配置される。
【0033】
一方、図1に示すように、基板100の能動面に形成された集積回路105ならびに発光素子112,113および受光素子122,123を覆うように、層間絶縁膜108が形成されている。この層間絶縁膜108は、酸化ケイ素(SiO)などの電気絶縁性材料によって構成されている。これにより、基板100の能動面に形成された集積回路105等の短絡を防止することができる。また層間絶縁膜108は、光信号を透過可能な光透過性材料によって構成されている。なお基板本体101も光透過性材料によって構成されているので、基板100の全体が光信号を透過可能となる。したがって、光信号の送受信を行う一対の基板間に中間基板が存在する場合でも、その中間基板に貫通孔を形成することなく、光信号を透過させることができる。これにより、中間基板を挟んだ一対の基板間においても、光信号の送受信を行うことが可能になる。
【0034】
(遮光膜)
ところで、上述した発光素子は所定の角度範囲に光信号を射出する場合があり、上述した受光素子は所定の角度範囲で入射した光信号を受信する場合がある。このように、発光素子または受光素子の指向性が弱い場合には、一の発光素子から送信された光信号が、その発光素子に対応する受光素子以外の受光素子によって受信されるおそれがある。また一の受光素子は、その受光素子に対応する発光素子以外の発光素子から送信された光信号を受信するおそれがある。その対策として、各基板に形成すべき各発光素子および各受光素子を相互に所定距離だけ離して配置することも考えられるが、各基板が大型化するという問題がある。そこで図1に示すように、遮光膜140,150を形成することが望ましい。
【0035】
遮光膜140,150は、金属クロムおよび/または酸化クロム等によって形成されている。また遮光膜140,150は、層間絶縁膜108の表面に形成されている。なお、基板100の能動面上に遮光膜を形成し、その遮光膜の表面に層間絶縁膜を形成し、その層間絶縁膜の表面に集積回路等を形成してもよい。また、基板200の裏面に遮光膜を形成してもよい。いずれの場合でも、遮光膜が形成された基板100の能動面側に基板200を積層することにより、両基板の間に遮光膜140,150が配置されることになる。一方、遮光膜140,150は、光信号通信領域に形成された第1遮光膜140と、回路形成領域に形成された第2遮光膜150とによって構成されている。
【0036】
光信号通信領域に形成された第1遮光膜140は、発光素子および受光素子の指向性を確保するものである。そのため、一対の発光素子および受光素子の光軸上には、第1遮光膜140の開口部が形成されている。例えば、発光素子211および受光素子122の光軸上には、第1遮光膜140の開口部142が形成されている。また、発光素子311および受光素子123の光軸上には、第1遮光膜140の開口部141および第1遮光膜240の開口部241が形成されている。各開口部は、当該発光素子から送信された光信号が、その発光素子に対応する受光素子以外の受光素子によって受信されることのない大きさに形成されている。また各開口部は、当該受光素子に対応する発光素子以外の発光素子から送信された光信号を受信することのない大きさに形成されている。
【0037】
この構成によれば、一の発光素子から射出された光信号のうち、開口部の形成領域以外の領域に射出された光信号は第1遮光膜によって遮断され、開口部の形成領域に射出された光信号のみが第1遮光膜を通過する。したがって、その発光素子に対応する受光素子のみによって光信号が受信される。また、一の受光素子に向かって入射する光信号のうち、開口部の形成領域以外の領域から入射する光信号は第1遮光膜によって遮断され、開口部の形成領域から入射する光信号のみが第1遮光膜を通過する。したがって、その受光素子に対応する発光素子からの光信号のみを受信することができる。以上により、発光素子または受光素子の指向性が弱い場合でも、一対の発光素子および受光素子の間のみで光信号の送受信を行うことが可能になり、基板間の信号伝達を正確に行うことができる。
【0038】
一方、回路形成領域に形成された第2遮光膜150は、集積回路105に対する光の入射を防止するものである。そのため第2遮光膜150は、集積回路105に対する各発光素子からの光信号の入射を防止しうる位置に形成されている。なお第2遮光膜150は、少なくとも回路形成領域の全体に形成することが望ましい。これにより、光信号以外の光が集積回路105に対して垂直に入射するのを防止することが可能になる。したがって、光の入射に起因する集積回路の故障や誤動作の発生率を低減することができる。
【0039】
なお、第1遮光膜140および第2遮光膜150は、それぞれ分離した状態で形成してもよいが、連続した状態で形成することが望ましい。具体的には、上述した開口部141,142を除いて、基板100の能動面側全体に遮光膜を形成すればよい。この場合、集積回路105に対する光の入射を最小限に留めることが可能になり、光の入射に起因する集積回路の故障や誤動作の発生率をより低減することができる。
【0040】
また、第2遮光膜150に対して、集積回路105から発生した熱を放熱する機能を付与することも可能である。この場合、第2遮光膜150は熱伝導率の高い金属材料等によって構成する。また、第2遮光膜150は基板100の周縁部まで延長形成する。これにより、集積回路105において発生した熱は、層間絶縁膜108および第2遮光膜150を介して、基板100の外部に放出される。したがって、集積回路105の放熱効率を向上させることができる。また、第2遮光膜150に連続して第1遮光膜140を形成することにより、第1遮光膜140に対して放熱機能を付与することも可能である。この場合、第1遮光膜140も熱伝導率の高い金属材料等によって構成し、また基板100の周縁部まで延長形成する。これにより、集積回路105の放熱効率をさらに向上させることができる。
【0041】
図3は、複数の基板における発光素子および受光素子の他の配置図である。図3では、一の発光素子または一の受光素子が、複数の受光素子または複数の発光素子との間で、光信号を送受信可能とされている。すなわち、一対の発光素子および受光素子が、それぞれ相手側素子の形成された基板との光信号の送受信だけでなく、それ以外の基板との送受信をも担当するように構成されている。例えば、基板300の発光素子310は、基板200の受光素子223に光信号を送信するだけでなく、基板100の受光素子120にも光信号を送信するようになっている。また基板100の受光素子120は、基板300の発光素子310から光信号を受信するだけでなく、基板200の発光素子211からも光信号を受信するようになっている。この場合でも、半導体装置2を構成するすべての基板100,200,300の間で、光信号の送受信が可能となっている。これにより、発光素子または受光素子の個数を削減することが可能になり、半導体装置のコストを低減することができる。
【0042】
ただし、一対の発光素子および受光素子の間で光信号の送受信を行う際には、他の発光素子または受光素子とのクロストークを防止する必要がある。そこで、図3に示す半導体装置2では、光信号の送受信を行う一対の発光素子および受光素子を同期させて駆動する。例えば、基板300の発光素子310および基板200の受光素子223の間で光信号の送受信を行う場合には、その発光素子310および受光素子223に対して駆動電圧を印加する一方で、基板100の受光素子120には駆動電圧を印加しない。これにより、発光素子310から送信された光信号は、受光素子223のみによって受信され、受光素子120によって受信されることはない。また、基板200の発光素子211および基板100の受光素子120の間で光信号の送受信を行う場合には、その発光素子211および受光素子120に対して駆動電圧を印加する一方で、基板300の発光素子310には駆動電圧を印加しない。これにより、受光素子120は、発光素子211から送信された光信号のみを受信し、発光素子310から送信された光信号は受信しない。したがって、他の発光素子または受光素子とのクロストークを防止することが可能となり、基板間の信号伝達を正確に行うことができる。
【0043】
(貫通電極)
一方、図1に示すように、基板100には貫通電極160が形成されている。貫通電極160は、AlやCu等の導電性材料によって構成されている。また貫通電極160は、基板100の厚さ方向に貫通形成されたプラグ部161と、基板100の能動面に突出形成されたポスト部162とによって構成されている。このプラグ部161およびポスト部162の軸直角方向の断面は円形状または多角形状とされ、プラグ部161の断面形状よりポスト部162の断面形状が大きく形成されている。
【0044】
なお、基板本体101は電気絶縁性材料によって構成されているので、貫通電極160と基板100との間に絶縁膜を形成する必要はない。また、貫通電極の構成材料が基板本体101に拡散することもないので、貫通電極160と基板100との間にバリヤ層を設ける必要もない。したがって、半導体装置1のコストを低減することができる。一方、貫通電極160と基板100との間には、導電膜155を形成する。この導電膜155は、貫通電極160をメッキ法によって形成する場合に電極として利用することができる。また、この導電膜155を基板100の表面に延長形成し、電気配線として機能させることにより、基板100の集積回路105等に対して電力供給を行うことが可能になる。この場合、基板本体101の表面に電力受領用パッド(不図示)を形成し、前記パッドに向かって層間絶縁膜108の表面からスルーホールを形成し、そのスルーホールの内部に導電膜155を延長形成する。これにより、導電膜155を介して貫通電極160と電力受領用パッドとが導通するので、貫通電極160から集積回路105等に対して電力を供給することができる。
【0045】
ところで、導電膜155を延長形成することにより、上述した第2遮光膜150を構成することも可能である。さらに導電膜155を延長形成することにより、第1遮光膜140を形成することも可能である。この場合、導電膜155は遮光性に優れた金属クロム等の導電性材料によって構成する。これにより、第1遮光膜140および第2遮光膜150を、上述した電気配線として機能させることも可能になる。なお、第1遮光膜140および第2遮光膜150は層間絶縁膜108の表面に形成するので、集積回路105との短絡を防止することができる。そして、導電膜155ならびに第1遮光膜140および/または第2遮光膜150を同時に形成することが可能になり、製造コストを低減することができる。また、電気配線用のスペースを削減することが可能になり、半導体装置を小型化することができる。
【0046】
[半導体装置の製造方法]
図4および図5は、貫通電極の製造方法の説明図である。貫通電極160は、以下のようにして形成する。まず、図4(a)に示すように、層間絶縁膜108の表面から基板本体101の内部にかけて、非貫通穴165を形成する。なお、薄い基板では非貫通穴165の形成時に割れやすく、厚い基板では非貫通穴165の形成が困難である。この点、サファイヤ基板を採用すれば、150μm程度の薄い基板でも、通常の半導体プロセスに供することが可能であり、また非貫通穴165の形成時に割れることがない。次に、層間絶縁膜108の表面および非貫通穴165の内面に、導電膜155を形成する。この導電膜155の形成には、スパッタ法やCVD法等を使用することができる。次に、図4(b)に示すように、導電膜155の表面にレジスト168を塗布する。さらに、フォトリソグラフィを行うことにより、非貫通穴165の内部および開口縁部に塗布されたレジストを除去する。なお、非貫通穴165の開口縁部では、貫通電極のポスト部に相当する大きさにレジスト168を除去する。
【0047】
次に、図5(a)に示すように、レジスト168をマスクとして、非貫通穴165の内部および開口縁部に導電性材料を充填する。導電性材料の充填には、インクジェット法やスパッタ法、メッキ法等を使用することができる。なお、液滴吐出装置を使用したインクジェット法を採用すれば、所定量の導電性材料を所定位置に正確に吐出することができるので、所定形状の貫通電極を所定位置に正確に形成することができる。またメッキ法により導電性材料を充填する場合には、導電膜155を電極として利用することができる。以上により、非貫通穴165の内部にプラグ部161が形成され、非貫通穴165の開口縁部にポスト部162が形成される。次に、図5(b)に示すように、レジスト168を除去する。なお、レジスト168の表面に付着した導電性材料も同時に除去する。次に、基板本体101の裏面をエッチングして、プラグ部161の先端部を露出させる。さらに、プラグ部161の先端に形成されている導電膜155を研磨により除去してもよい。なお、最終工程において基板を薄型化するので、半導体プロセスにおける基板の剛性を確保しつつ、半導体装置を小型化することができる。以上により、貫通電極160が形成される。
【0048】
そして、図1に示すように、隣接する基板の貫通電極を電気的に接続して、各基板を積層する。貫通電極を電気的に接続するには、まず下層基板のポスト部の表面に、ハンダや金属ロウ材等を塗布する。なお、上層基板のプラグ部の先端または下層基板のポスト部の表面に、ハンダ等からなるバンプを形成してもよい。次に、上層基板のプラグ部の先端を、下層基板のポスト部の表面に当接させる。そして両者を加熱圧着すれば、各貫通電極が電気的および機械的に接続される。なお、貫通電極を接続する前に、隣接する基板の内面に接着剤を塗布しておけば、貫通電極の接続とともに、基板の内面同士を接着することができる。また、貫通電極を接続した後に、隣接する基板の隙間に、樹脂等を充填してもよい。なお、基板間に充填する接着剤または樹脂には、光透過性および電気絶縁性を有するものを採用する。以上により、本実施形態の半導体装置1が完成する。
【0049】
以上に詳述したように、本実施形態の半導体装置は、発光素子または受光素子を備えた基板を積層して構成した。この構成によれば、3次元実装された半導体装置において、基板間の信号伝達を光信号によって行うことが可能になる。これにより、導電線のように信号遅延が問題となることはなく、高速応答性に優れた半導体装置を提供することができる。また本実施形態の半導体装置は、各基板に対して電力を供給する導電部が各基板に貫通形成され、隣接する基板の導電部が電気的に接続されている構成とした。これにより、エネルギーの小さい光信号によることなく、導電部を介して電力を供給することが可能になる。したがって、すべての基板に十分な電力を供給することができる。
【0050】
[電子機器]
次に、上述した半導体装置を備えた電子機器の例について、図6を用いて説明する。図6は携帯電話の斜視図である。上述した半導体装置は、携帯電話3000の筐体内部に配置されている。上述した半導体装置は、各基板に対する電力供給が可能であり、また各基板間の信号伝達を正確に行うことが可能であるから、信頼性の高い携帯電話3000を提供することができる。
【0051】
なお上述した半導体装置は、携帯電話以外にも種々の電子機器に適用することが可能である。例えば、液晶プロジェクタ、マルチメディア対応のパーソナルコンピュータ(PC)およびエンジニアリング・ワークステーション(EWS)、ページャ、ワードプロセッサ、テレビ、ビューファインダ型またはモニタ直視型のビデオテープレコーダ、電子手帳、電子卓上計算機、カーナビゲーション装置、POS端末、タッチパネルを備えた装置などの電子機器に、本実施形態の半導体装置を適用することができる。
【0052】
なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な材料や層構成などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態の半導体装置の側面断面図である。
【図2】複数の基板における発光素子および受光素子の配置図である。
【図3】複数の基板における発光素子および受光素子の他の配置図である。
【図4】貫通電極の製造方法の第1説明図である。
【図5】貫通電極の製造方法の第2説明図である。
【図6】携帯電話の斜視図である。
【符号の説明】
1半導体装置 100,200,300基板 101基板本体 105集積回路 122,123受光素子 140第1遮光膜 141,142開口部 150第2遮光膜 160貫通電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device, a method for manufacturing the semiconductor device, a method for using the semiconductor device, and an electronic apparatus.
[0002]
[Prior art]
A semiconductor device including an integrated circuit is mounted on an electronic device such as a mobile phone, a notebook personal computer, or a PDA (Personal Data Assistance). Recently, downsizing and weight reduction of the above-described portable electronic devices are strongly demanded, and the mounting space for semiconductor devices is extremely limited. Therefore, a three-dimensional mounting technique has been proposed in order to achieve high-density mounting of semiconductor chips. The three-dimensional mounting technique is a technique for achieving high-density mounting of semiconductor chips by stacking substrates on which integrated circuits are formed and interconnecting the substrates.
[0003]
In such a three-dimensionally mounted semiconductor device, transmission / reception of signals between the substrates is performed via conductive lines disposed between the substrates. However, the occurrence of signal delay is inevitable due to the presence of wiring resistance and wiring capacitance. Thus, a technique (optical interconnection) for transmitting and receiving optical signals between substrates has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In this technique, an optical signal is transmitted and received between a light emitting element formed on one substrate and a light receiving element formed on another substrate.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2000-277794 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In order to drive the integrated circuit and the light emitting element and the light receiving element of each substrate, it is necessary to supply power to each substrate. However, there is a problem that it is difficult or impossible to supply power using an optical signal with low energy.
[0006]
On the other hand, even when a pair of light emitting elements and a light receiving element transmits and receives an optical signal, the light emitting element may emit an optical signal in a predetermined angle range, and the light receiving element emits light incident in a predetermined angle range. A signal may be received. As described above, when the directivity of the light emitting element or the light receiving element is weak, the light signal from the light emitting element is received by a light receiving element other than the light receiving element, or the light receiving element is received from a light emitting element other than the light emitting element. In some cases, an optical signal may be received. As a result, there is a problem that accurate signal transmission becomes difficult or impossible.
[0007]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and can provide power to each substrate, and can accurately perform signal transmission between the substrates, and a manufacturing method thereof. And to provide a method of using the same.
Another object is to provide a highly reliable electronic device.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a semiconductor device of the present invention is a semiconductor device in which a plurality of substrates each having an integrated circuit are stacked, and each substrate is a material that can transmit an optical signal of at least one wavelength. A substrate body comprising: at least one of a light-emitting element capable of converting an electrical signal into the optical signal and transmitting the light signal; and a light-receiving element capable of receiving the optical signal and converted into an electrical signal; And a conductive portion for supplying electric power to each of the substrates, wherein the conductive portions of the adjacent substrates are electrically connected.
According to this configuration, the conductive portions that supply power to each substrate are formed through each substrate, and the conductive portions of adjacent substrates are electrically connected, so that all the substrates are connected via the conductive portions. Can be powered.
[0009]
Each substrate body is preferably made of an electrically insulating material. According to this configuration, there is no need to form an insulating film between the conductive portion and the substrate body. Therefore, the cost of the semiconductor device can be reduced.
[0010]
In addition, a first light shielding film made of a material capable of blocking the optical signal is formed between the pair of light emitting elements and the light receiving element that transmit and receive the optical signal, and the first light shielding film is formed of the pair of light emitting elements. It is good also as a structure which has an opening part on the optical axis which connects a light emitting element and a light receiving element.
According to this configuration, only the optical signal emitted from the light emitting element to the opening formation region and the optical signal incident from the opening formation region to the light receiving element pass through the first light shielding film. Therefore, even when the directivity of the light emitting element or the light receiving element is weak, it is possible to transmit and receive optical signals only between the pair of light emitting elements and the light receiving element, and signal transmission between the substrates can be performed accurately. .
[0011]
In addition, it is desirable to include a second light shielding film that prevents light from entering the integrated circuit. According to this configuration, it is possible to reduce the rate of occurrence of malfunction or malfunction of the integrated circuit due to the incidence of light.
[0012]
The first light-shielding film and / or the second light-shielding film is preferably formed on a surface of an insulating film that covers the integrated circuit. According to this configuration, even when the first light-shielding film and / or the second light-shielding film is made of a conductive material, a short circuit between these and the integrated circuit can be prevented. In addition, by stacking the substrates on which the first light shielding film is formed in this manner, the first light shielding film can be disposed between a pair of light emitting elements and light receiving elements that transmit and receive optical signals. Furthermore, the first light shielding film can be easily formed after the formation of each substrate.
[0013]
Further, it is desirable that the first light shielding film and / or the second light shielding film function as electrical wiring. According to this configuration, it is possible to reduce the space for electrical wiring, and the semiconductor device can be reduced in size.
[0014]
The first light-shielding film and / or the second light-shielding film preferably have a function of radiating heat generated from the integrated circuit. According to this configuration, it is possible to reduce the rate of occurrence of malfunction or malfunction of the integrated circuit due to heat generation.
[0015]
Further, the one light emitting element or the one light receiving element may be configured to be capable of transmitting and receiving the optical signal between the plurality of light receiving elements or the plurality of light emitting elements. According to this configuration, the number of light emitting elements or light receiving elements can be reduced, and the cost of the semiconductor device can be reduced.
[0016]
On the other hand, the method of using the semiconductor device of the present invention includes a plurality of the light receiving elements or a plurality of the light emitting elements that are capable of transmitting and receiving the optical signal between the one light emitting element or the one light receiving element. The light receiving element or the light emitting element that should transmit and receive the optical signal is driven in synchronization with the one light emitting element or the one light receiving element.
According to this configuration, one light emitting element or one light receiving element can perform transmission / reception of an optical signal only with a light receiving element or light emitting element that should perform transmission / reception of an optical signal. Alternatively, crosstalk with other light-emitting elements can be prevented. Accordingly, signal transmission between the substrates can be performed accurately.
[0017]
On the other hand, in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a non-through hole is formed in the substrate from one surface of the substrate, and a conductive material is applied to the non-through hole by a droplet discharge means. Filling and forming the conductive part, and grinding the surface of the other side of the substrate to expose the conductive part.
According to this configuration, since the conductive portion is formed by filling the conductive material with the droplet discharge means, the conductive portion having a predetermined shape can be accurately formed at a predetermined position. Further, since the substrate is thinned in the final process, the semiconductor device can be reduced in size while ensuring the rigidity of the substrate in the semiconductor process.
[0018]
On the other hand, an electronic apparatus according to the present invention includes the semiconductor device described above.
According to this configuration, since the semiconductor device that can supply power to each substrate and can accurately transmit signals between the substrates is provided, a highly reliable semiconductor device can be provided. it can.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each drawing used for the following description, the scale of each member is appropriately changed to make each member a recognizable size.
[0020]
[Semiconductor device]
FIG. 1 is a side sectional view of the semiconductor device of this embodiment. The semiconductor device 1 of this embodiment is configured by stacking a plurality of substrates 100, 200, and 300 including an integrated circuit 105. 1 illustrates the case where three substrates are stacked, the number of stacked substrates may be other than three. Each substrate 100, 200, 300 is formed with through electrodes 160, 260, 360, and adjacent substrates are stacked with the through electrodes electrically connected. Note that adhesives 190 and 290 having optical signal transparency are filled between the substrates 100, 200, and 300.
[0021]
(Substrate body, integrated circuit)
As shown in FIG. 1, the substrates 100, 200, and 300 are configured in the same manner. Therefore, the case of the substrate 100 will be described below as an example. The substrate 100 includes a substrate body 101 made of a light transmissive material capable of transmitting an optical signal having at least one wavelength. Thereby, optical signal communication between substrates becomes possible. The substrate 100 is made of an electrically insulating material. Thereby, as will be described later, it is not necessary to form an insulating film between each substrate 100 and the through electrode 160, and the cost of the semiconductor device 1 can be reduced. In addition, specifically, materials such as sapphire, glass, and quartz can be employed as the material having the above-described optical transparency and electrical insulation. When a sapphire substrate is employed, the light emitting element and the light receiving element can be directly formed on the substrate as described later, and the substrate can be formed as thin as about 150 μm. Therefore, the semiconductor device 1 can be reduced in size.
[0022]
An integrated circuit 105 is disposed in the circuit formation region of the substrate 100. Note that an integrated circuit may be directly formed on the surface of the substrate 100, or an integrated circuit element may be mounted on the surface of the substrate 100. Any circuit such as a processor circuit or a memory circuit of an electronic computer can be applied to the integrated circuit 105. Note that a light emitting element and a light receiving element driving circuit described below may be added in order to transmit and receive optical signals between the substrates.
[0023]
(Light emitting element, light receiving element)
The optical signal communication area of the substrate 100 includes light emitting elements 112 and 113 (see FIG. 2) or light receiving elements 122 and 123 (see FIG. 1). The light emitting elements 112 and 113 convert an electrical signal used in the integrated circuit into an optical signal having a specific wavelength. Specifically, a light emitting diode (LED), a semiconductor laser (laser diode), an organic EL element, or the like can be employed as the light emitting elements 112 and 113. The light receiving elements 122 and 123 convert an optical signal having a specific wavelength into an electric signal used in an integrated circuit. Specifically, a photodiode, a phototransistor, a photo IC, or the like can be employed as the light receiving elements 122 and 123.
[0024]
An LED that can be used as a light emitting element is a diode that emits light when a current flows through a pn junction. In a LED having a simple homojunction structure, crystals of a p-type semiconductor and an n-type semiconductor are made of the same material. When a forward bias voltage is applied to the LED having a homojunction structure, electrons of the n-type semiconductor move to the p-type semiconductor, fall from a high energy conduction band to a low energy valence band, and recombine with holes. The energy lost at that time is released as light, and the LED emits light. In addition, since the emitted light intensity of LED is proportional to the electric current which flows through a pn junction part, the optical signal according to an electrical signal can be obtained. The wavelength of the optical signal depends on the energy difference (band gap) between the conduction band and the valence band, and the band gap is determined by the semiconductor material used.
[0025]
Note that an LED having a double heterojunction structure may be employed instead of an LED having a homojunction structure with low luminous efficiency. An LED having a double heterojunction structure is obtained by sandwiching an active layer having a small band gap between a p-type semiconductor (p-type cladding layer) and an n-type semiconductor (n-type cladding layer). When a forward bias voltage is applied to an LED having a double heterojunction structure, electrons and holes are confined in the active layer and become a high density (inversion distribution) state. Thereby, recombination (stimulated radiation) is performed efficiently and high luminous efficiency can be obtained. By adopting such an LED as a light emitting element, it is possible to ensure high output with low power consumption, and efficient optical signal communication can be performed. Moreover, LED is excellent in durability performance.
[0026]
In addition, a semiconductor laser that can be employed as a light emitting element is one that amplifies and emits light from the semiconductor element by laser oscillation. The structure of the semiconductor laser is the same as that of the LED having a double heterojunction structure. In the semiconductor laser, the cladding layer and the active layer are made of semiconductor materials having different refractive indexes. Thereby, the boundary portion between the cladding layer and the active layer functions as a reflecting mirror. Then, the induced radiation is repeated as the light generated by the recombination reciprocates between the reflecting mirrors (laser oscillation). Thereby, light is amplified and irradiated to the outside of the semiconductor element. Therefore, the semiconductor laser has a higher output than the LED. By employing such a semiconductor laser as a light emitting element, it is possible to perform optical signal communication between distant substrates.
[0027]
The above-described LED and semiconductor laser can be composed of a compound semiconductor such as gallium arsenide (GaAs). And when the board | substrate 100 is comprised by a sapphire, LED and a semiconductor laser can be directly formed in the surface of the board | substrate 100. FIG. As a result, the degree of integration of the semiconductor device 1 can be improved, and the semiconductor device 1 can be reduced in size. When a sapphire substrate is employed, a single crystal Si layer is formed on the substrate, and the integrated circuit 105 is formed on the Si layer.
[0028]
Moreover, it is also possible to employ an organic EL element as the light emitting element. In the organic EL element, a hole injection / transport layer and a light emitting layer made of an organic compound are sandwiched between an anode made of ITO or the like and a cathode made of LiF / Al or the like. Specifically, a mixture of a polythiophene derivative and polystyrene sulfonic acid or the like can be used as a constituent material of the hole injection / transport layer. As a constituent material of the light emitting layer, a polymer material such as a polyfluorene derivative can be used. In the light emitting layer, holes injected from the hole injecting / transporting layer and electrons injected from the cathode are recombined to emit light. By employing such an organic EL element as a light emitting element, the light emitting element can be easily formed.
[0029]
A photodiode can be adopted as one light receiving element. In contrast to an LED, a photodiode is a device in which light is incident on a pn junction to generate holes and electrons to obtain a current. Since the current obtained here is proportional to the intensity of the light incident on the pn junction, an electric signal corresponding to the optical signal can be obtained. Note that a reverse bias voltage is applied during the operation of the photodiode. As the photodiode, a pin photodiode may be adopted in addition to the pn photodiode described above. In the pin structure, an intrinsic semiconductor (intrinsic) layer with few carriers is provided between pn junctions. When an electric field is applied to the intrinsic semiconductor layer, holes and electrons generated as described above can be moved at high speed. Thereby, the high-speed responsiveness of a light receiving element is securable. As the light receiving element, a phototransistor in which a photodiode is combined with an amplifier circuit, a photo IC in which a photodiode is combined with an integrated circuit, or the like can be used.
[0030]
FIG. 2 is a layout diagram of light emitting elements and light receiving elements on a plurality of substrates. In this embodiment, a light emitting element and a light receiving element (hereinafter referred to as a pair of light emitting element and light receiving element) that are in charge of transmitting and receiving optical signals between a pair of substrates are formed on each substrate. For example, in order to transmit an optical signal from the substrate 100 to the substrate 200, a light emitting element 112 is formed on the substrate 100, and a light receiving element 221 is formed on the substrate 200. Conversely, in order to transmit an optical signal from the substrate 200 to the substrate 100, a light emitting element 211 is formed on the substrate 200, and a light receiving element 122 is formed on the substrate 100. Similarly, in order to transmit and receive optical signals between the substrate 200 and the substrate 300, a light emitting element 213 and a light receiving element 223 are formed on the substrate 200, and a light receiving element 322 and a light emitting element 312 are formed on the substrate 300. Yes. Further, in order to transmit and receive optical signals between the substrate 300 and the substrate 100, a light emitting element 311 and a light receiving element 321 are formed on the substrate 300, and a light receiving element 123 and a light emitting element 113 are formed on the substrate 100.
[0031]
In FIG. 2, one light emitting element or one light receiving element can transmit and receive an optical signal to and from one light receiving element or one light emitting element. That is, each of the pair of light emitting elements and light receiving elements is configured to perform only transmission / reception of optical signals with the substrate on which the counterpart element is formed, and not to perform transmission / reception of optical signals with other substrates. Note that it is not necessary to provide a light emitting element and a light receiving element on a substrate that does not transmit signals. Further, it is sufficient to provide only one of the light-emitting element and the light-receiving element on the substrate that performs only one-way signal transmission in accordance with the signal transmission direction.
[0032]
In addition, the optical signal communication area on each substrate is partitioned in a matrix, and a light emitting element or a light receiving element is arranged in each element. Here, the pair of light-emitting elements and light-receiving elements are arranged on the same element of the matrix on each substrate. Thereby, the optical axes of the pair of light emitting elements and light receiving elements are arranged perpendicular to the substrate. In this case, the transmission distance of the optical signal is the shortest, and the signal delay can be minimized. However, the pair of light-emitting elements and light-receiving elements can be arranged on different elements of the matrix on each substrate. In this case, the optical axes of the pair of light emitting elements and light receiving elements are arranged obliquely with respect to the substrate.
[0033]
On the other hand, as shown in FIG. 1, an interlayer insulating film 108 is formed so as to cover the integrated circuit 105, the light emitting elements 112 and 113, and the light receiving elements 122 and 123 formed on the active surface of the substrate 100. This interlayer insulating film 108 is made of silicon oxide (SiO 2 2 ) And other electrically insulating materials. Thereby, a short circuit of the integrated circuit 105 and the like formed on the active surface of the substrate 100 can be prevented. The interlayer insulating film 108 is made of a light transmissive material that can transmit an optical signal. Since the substrate body 101 is also made of a light transmissive material, the entire substrate 100 can transmit an optical signal. Therefore, even when an intermediate substrate exists between a pair of substrates that transmit and receive an optical signal, the optical signal can be transmitted without forming a through hole in the intermediate substrate. This makes it possible to transmit and receive optical signals between a pair of substrates sandwiching the intermediate substrate.
[0034]
(Light shielding film)
By the way, the light emitting element described above may emit an optical signal in a predetermined angle range, and the light receiving element described above may receive an optical signal incident in a predetermined angle range. Thus, when the directivity of a light emitting element or a light receiving element is weak, there is a possibility that an optical signal transmitted from one light emitting element is received by a light receiving element other than the light receiving element corresponding to the light emitting element. One light receiving element may receive an optical signal transmitted from a light emitting element other than the light emitting element corresponding to the light receiving element. As a countermeasure, it may be possible to dispose each light emitting element and each light receiving element to be formed on each substrate by a predetermined distance from each other, but there is a problem that each substrate becomes large. Therefore, it is desirable to form the light shielding films 140 and 150 as shown in FIG.
[0035]
The light shielding films 140 and 150 are made of metal chromium and / or chromium oxide or the like. The light shielding films 140 and 150 are formed on the surface of the interlayer insulating film 108. Note that a light shielding film may be formed on the active surface of the substrate 100, an interlayer insulating film may be formed on the surface of the light shielding film, and an integrated circuit or the like may be formed on the surface of the interlayer insulating film. Further, a light shielding film may be formed on the back surface of the substrate 200. In any case, the light shielding films 140 and 150 are disposed between the two substrates by laminating the substrate 200 on the active surface side of the substrate 100 on which the light shielding film is formed. On the other hand, the light shielding films 140 and 150 are constituted by a first light shielding film 140 formed in the optical signal communication region and a second light shielding film 150 formed in the circuit formation region.
[0036]
The first light shielding film 140 formed in the optical signal communication region ensures the directivity of the light emitting element and the light receiving element. Therefore, an opening of the first light shielding film 140 is formed on the optical axis of the pair of light emitting elements and light receiving elements. For example, the opening 142 of the first light shielding film 140 is formed on the optical axes of the light emitting element 211 and the light receiving element 122. In addition, an opening 141 of the first light shielding film 140 and an opening 241 of the first light shielding film 240 are formed on the optical axes of the light emitting element 311 and the light receiving element 123. Each opening is formed in such a size that an optical signal transmitted from the light emitting element is not received by a light receiving element other than the light receiving element corresponding to the light emitting element. Each opening is formed in a size that does not receive an optical signal transmitted from a light emitting element other than the light emitting element corresponding to the light receiving element.
[0037]
According to this configuration, among the optical signals emitted from one light emitting element, the optical signal emitted to the region other than the opening formation region is blocked by the first light shielding film and emitted to the opening formation region. Only the optical signal passes through the first light shielding film. Therefore, the optical signal is received only by the light receiving element corresponding to the light emitting element. In addition, among the optical signals incident on one light receiving element, the optical signal incident from a region other than the opening formation region is blocked by the first light shielding film, and only the optical signal incident from the opening formation region is received. Passes through the first light shielding film. Therefore, only the optical signal from the light emitting element corresponding to the light receiving element can be received. As described above, even when the directivity of the light-emitting element or the light-receiving element is weak, it is possible to transmit and receive optical signals only between the pair of light-emitting elements and the light-receiving element, and signal transmission between the substrates can be performed accurately. it can.
[0038]
On the other hand, the second light shielding film 150 formed in the circuit formation region prevents light from entering the integrated circuit 105. Therefore, the second light-shielding film 150 is formed at a position where the light signal from each light emitting element can be prevented from entering the integrated circuit 105. The second light shielding film 150 is desirably formed at least over the entire circuit formation region. This makes it possible to prevent light other than the optical signal from entering the integrated circuit 105 perpendicularly. Accordingly, it is possible to reduce the rate of occurrence of malfunctions and malfunctions of the integrated circuit due to the incidence of light.
[0039]
The first light-shielding film 140 and the second light-shielding film 150 may be formed in a separated state, but are preferably formed in a continuous state. Specifically, a light shielding film may be formed on the entire active surface side of the substrate 100 except for the openings 141 and 142 described above. In this case, the incidence of light on the integrated circuit 105 can be kept to a minimum, and the rate of occurrence of malfunctions and malfunctions of the integrated circuit due to the incidence of light can be further reduced.
[0040]
In addition, the second light-shielding film 150 can be given a function of radiating heat generated from the integrated circuit 105. In this case, the second light shielding film 150 is made of a metal material having a high thermal conductivity. The second light shielding film 150 is extended to the peripheral edge of the substrate 100. Thereby, heat generated in the integrated circuit 105 is released to the outside of the substrate 100 through the interlayer insulating film 108 and the second light shielding film 150. Therefore, the heat dissipation efficiency of the integrated circuit 105 can be improved. Further, by forming the first light shielding film 140 continuously with the second light shielding film 150, it is possible to impart a heat dissipation function to the first light shielding film 140. In this case, the first light shielding film 140 is also made of a metal material having a high thermal conductivity, and is extended to the peripheral edge of the substrate 100. Thereby, the heat dissipation efficiency of the integrated circuit 105 can be further improved.
[0041]
FIG. 3 is another layout view of the light emitting elements and the light receiving elements on the plurality of substrates. In FIG. 3, one light emitting element or one light receiving element can transmit and receive an optical signal between a plurality of light receiving elements or a plurality of light emitting elements. That is, each of the pair of light emitting elements and light receiving elements is configured not only to transmit / receive optical signals to / from the substrate on which the counterpart element is formed, but also to transmit / receive to / from other substrates. For example, the light emitting element 310 of the substrate 300 not only transmits an optical signal to the light receiving element 223 of the substrate 200, but also transmits an optical signal to the light receiving element 120 of the substrate 100. In addition, the light receiving element 120 of the substrate 100 not only receives an optical signal from the light emitting element 310 of the substrate 300 but also receives an optical signal from the light emitting element 211 of the substrate 200. Even in this case, optical signals can be transmitted and received between all the substrates 100, 200, and 300 constituting the semiconductor device 2. Thereby, the number of light emitting elements or light receiving elements can be reduced, and the cost of the semiconductor device can be reduced.
[0042]
However, when optical signals are transmitted and received between a pair of light emitting elements and light receiving elements, it is necessary to prevent crosstalk with other light emitting elements or light receiving elements. Therefore, in the semiconductor device 2 shown in FIG. 3, a pair of light emitting elements and light receiving elements that transmit and receive optical signals are driven in synchronization. For example, when optical signals are transmitted and received between the light emitting element 310 of the substrate 300 and the light receiving element 223 of the substrate 200, a driving voltage is applied to the light emitting element 310 and the light receiving element 223, while A driving voltage is not applied to the light receiving element 120. Thereby, the optical signal transmitted from the light emitting element 310 is received only by the light receiving element 223 and is not received by the light receiving element 120. In addition, when optical signals are transmitted and received between the light emitting element 211 of the substrate 200 and the light receiving element 120 of the substrate 100, a driving voltage is applied to the light emitting element 211 and the light receiving element 120, while A driving voltage is not applied to the light emitting element 310. As a result, the light receiving element 120 receives only the optical signal transmitted from the light emitting element 211 and does not receive the optical signal transmitted from the light emitting element 310. Therefore, crosstalk with other light emitting elements or light receiving elements can be prevented, and signal transmission between substrates can be performed accurately.
[0043]
(Penetration electrode)
On the other hand, as shown in FIG. 1, a through electrode 160 is formed on the substrate 100. The through electrode 160 is made of a conductive material such as Al or Cu. The through electrode 160 includes a plug portion 161 that is formed so as to penetrate in the thickness direction of the substrate 100 and a post portion 162 that is formed so as to protrude from the active surface of the substrate 100. The cross section of the plug part 161 and the post part 162 in the direction perpendicular to the axis is circular or polygonal, and the post part 162 has a larger cross-sectional shape than that of the plug part 161.
[0044]
Since the substrate body 101 is made of an electrically insulating material, it is not necessary to form an insulating film between the through electrode 160 and the substrate 100. In addition, since the constituent material of the through electrode does not diffuse into the substrate body 101, it is not necessary to provide a barrier layer between the through electrode 160 and the substrate 100. Therefore, the cost of the semiconductor device 1 can be reduced. On the other hand, a conductive film 155 is formed between the through electrode 160 and the substrate 100. The conductive film 155 can be used as an electrode when the through electrode 160 is formed by a plating method. In addition, the conductive film 155 is formed on the surface of the substrate 100 so as to function as an electrical wiring, whereby power can be supplied to the integrated circuit 105 and the like of the substrate 100. In this case, a power receiving pad (not shown) is formed on the surface of the substrate body 101, a through hole is formed from the surface of the interlayer insulating film 108 toward the pad, and the conductive film 155 is extended inside the through hole. Form. As a result, the through electrode 160 and the power receiving pad are brought into conduction through the conductive film 155, so that power can be supplied from the through electrode 160 to the integrated circuit 105 and the like.
[0045]
Incidentally, the second light-shielding film 150 described above can be configured by extending the conductive film 155. Further, the first light shielding film 140 can be formed by extending the conductive film 155. In this case, the conductive film 155 is made of a conductive material such as metallic chromium having excellent light shielding properties. Thereby, the first light-shielding film 140 and the second light-shielding film 150 can also function as the electrical wiring described above. Note that since the first light shielding film 140 and the second light shielding film 150 are formed on the surface of the interlayer insulating film 108, a short circuit with the integrated circuit 105 can be prevented. Then, the conductive film 155 and the first light shielding film 140 and / or the second light shielding film 150 can be formed at the same time, and the manufacturing cost can be reduced. In addition, the space for electrical wiring can be reduced, and the semiconductor device can be reduced in size.
[0046]
[Method for Manufacturing Semiconductor Device]
4 and 5 are explanatory diagrams of a method for manufacturing the through electrode. The through electrode 160 is formed as follows. First, as shown in FIG. 4A, a non-through hole 165 is formed from the surface of the interlayer insulating film 108 to the inside of the substrate body 101. A thin substrate is likely to break when the non-through hole 165 is formed, and it is difficult to form the non-through hole 165 with a thick substrate. In this respect, if a sapphire substrate is employed, even a thin substrate of about 150 μm can be subjected to a normal semiconductor process, and is not broken when the non-through hole 165 is formed. Next, a conductive film 155 is formed on the surface of the interlayer insulating film 108 and the inner surface of the non-through hole 165. For the formation of the conductive film 155, a sputtering method, a CVD method, or the like can be used. Next, as shown in FIG. 4B, a resist 168 is applied to the surface of the conductive film 155. Furthermore, the resist applied to the inside of the non-through hole 165 and the opening edge is removed by performing photolithography. Note that the resist 168 is removed to a size corresponding to the post portion of the through electrode at the opening edge of the non-through hole 165.
[0047]
Next, as shown in FIG. 5A, the inside of the non-through hole 165 and the opening edge are filled with a conductive material using the resist 168 as a mask. An ink jet method, a sputtering method, a plating method, or the like can be used for filling the conductive material. If an ink jet method using a droplet discharge device is employed, a predetermined amount of conductive material can be accurately discharged to a predetermined position, so that a through electrode having a predetermined shape can be accurately formed at a predetermined position. it can. In the case where a conductive material is filled by a plating method, the conductive film 155 can be used as an electrode. As described above, the plug portion 161 is formed inside the non-through hole 165, and the post portion 162 is formed at the opening edge of the non-through hole 165. Next, as shown in FIG. 5B, the resist 168 is removed. Note that the conductive material attached to the surface of the resist 168 is also removed at the same time. Next, the back surface of the substrate body 101 is etched to expose the tip of the plug portion 161. Further, the conductive film 155 formed at the tip of the plug portion 161 may be removed by polishing. Note that since the substrate is thinned in the final process, the semiconductor device can be reduced in size while ensuring the rigidity of the substrate in the semiconductor process. Thus, the through electrode 160 is formed.
[0048]
And as shown in FIG. 1, the penetration electrode of an adjacent board | substrate is electrically connected and each board | substrate is laminated | stacked. In order to electrically connect the through electrodes, first, solder, a metal brazing material, or the like is applied to the surface of the post portion of the lower layer substrate. A bump made of solder or the like may be formed on the tip of the plug portion of the upper layer substrate or the surface of the post portion of the lower layer substrate. Next, the tip of the plug portion of the upper substrate is brought into contact with the surface of the post portion of the lower substrate. And if both are thermocompression-bonded, each penetration electrode will be connected electrically and mechanically. In addition, if an adhesive is applied to the inner surfaces of adjacent substrates before connecting the through electrodes, the inner surfaces of the substrates can be bonded together with the connection of the through electrodes. In addition, after connecting the through electrodes, a gap between adjacent substrates may be filled with resin or the like. In addition, what has optical transparency and electrical insulation is employ | adopted for the adhesive agent or resin with which it fills between board | substrates. As described above, the semiconductor device 1 of this embodiment is completed.
[0049]
As described in detail above, the semiconductor device according to the present embodiment is configured by stacking the substrates provided with the light emitting elements or the light receiving elements. According to this configuration, in a semiconductor device mounted three-dimensionally, signal transmission between substrates can be performed using an optical signal. As a result, signal delay does not become a problem as in the case of conductive lines, and a semiconductor device with excellent high-speed response can be provided. Further, the semiconductor device of the present embodiment has a configuration in which a conductive portion that supplies power to each substrate is formed through each substrate and the conductive portions of adjacent substrates are electrically connected. Thereby, it becomes possible to supply electric power through the conductive portion without using an optical signal with low energy. Therefore, sufficient power can be supplied to all the substrates.
[0050]
[Electronics]
Next, an example of an electronic device including the above-described semiconductor device will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a perspective view of the mobile phone. The above-described semiconductor device is arranged inside the housing of the mobile phone 3000. The semiconductor device described above can supply power to each substrate and can accurately transmit signals between the substrates, so that a highly reliable mobile phone 3000 can be provided.
[0051]
Note that the semiconductor device described above can be applied to various electronic devices other than cellular phones. For example, LCD projectors, multimedia-compatible personal computers (PCs) and engineering workstations (EWS), pagers, word processors, TVs, viewfinder type or monitor direct view type video tape recorders, electronic notebooks, electronic desk calculators, car navigation systems The semiconductor device of this embodiment can be applied to electronic devices such as a device, a POS terminal, and a device including a touch panel.
[0052]
It should be noted that the technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes those in which various modifications are made to the above-described embodiments without departing from the spirit of the present invention. In other words, the specific materials and layer configurations described in the embodiments are merely examples, and can be changed as appropriate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side sectional view of a semiconductor device according to an embodiment.
FIG. 2 is a layout view of light emitting elements and light receiving elements on a plurality of substrates.
FIG. 3 is another layout view of a light emitting element and a light receiving element on a plurality of substrates.
FIG. 4 is a first explanatory view of a through electrode manufacturing method.
FIG. 5 is a second explanatory view of the method for manufacturing the through electrode.
FIG. 6 is a perspective view of a mobile phone.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor device 100,200,300 board | substrate 101 board | substrate body 105 integrated circuit 122,123 light receiving element 140 1st light shielding film 141,142 opening part 150 2nd light shielding film 160 penetration electrode

Claims (11)

集積回路を備えた複数の基板が積層されてなる半導体装置であって、
前記各基板は、少なくとも一の波長の光信号を透過可能な材料からなる基板本体と、電気信号を前記光信号に変換して送信可能な発光素子または前記光信号を受信して電気信号に変換可能な受光素子の少なくともいずれか一方と、前記各基板に貫通形成され前記各基板に対して電力を供給する導電部とを備え、
隣接する前記基板の前記導電部が電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device in which a plurality of substrates including integrated circuits are stacked,
Each substrate includes a substrate body made of a material capable of transmitting an optical signal having at least one wavelength, a light emitting element capable of transmitting an electrical signal by converting the electrical signal, or receiving and converting the optical signal into an electrical signal. At least one of the possible light receiving elements, and a conductive portion that is formed through each of the substrates and supplies power to each of the substrates,
A semiconductor device, wherein the conductive portions of adjacent substrates are electrically connected.
前記各基板本体は、電気絶縁性材料によって構成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, wherein each of the substrate bodies is made of an electrically insulating material. 前記光信号の送受信を行う一対の前記発光素子および前記受光素子の間に、前記光信号を遮断可能な材料からなる第1遮光膜が形成され、
前記第1遮光膜は、前記一対の発光素子および受光素子を結ぶ光軸上に、開口部を有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置。
A first light-shielding film made of a material capable of blocking the optical signal is formed between the pair of the light-emitting element and the light-receiving element that transmit and receive the optical signal,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first light shielding film has an opening on an optical axis connecting the pair of light emitting elements and light receiving elements.
前記集積回路に対する光の入射を防止する第2遮光膜を備えていることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の半導体装置。4. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a second light-shielding film that prevents light from entering the integrated circuit. 5. 前記第1遮光膜および/または前記第2遮光膜は、前記集積回路を覆う絶縁膜の表面に形成されていることを特徴とする請求項3または請求項4に記載の半導体装置。5. The semiconductor device according to claim 3, wherein the first light shielding film and / or the second light shielding film is formed on a surface of an insulating film covering the integrated circuit. 前記第1遮光膜および/または前記第2遮光膜は、電気配線として機能することを特徴とする請求項3ないし請求項5のいずれかに記載の半導体装置。6. The semiconductor device according to claim 3, wherein the first light shielding film and / or the second light shielding film functions as an electrical wiring. 前記第1遮光膜および/または前記第2遮光膜は、前記集積回路から発生する熱を放熱する機能を有することを特徴とする請求項3ないし請求項6のいずれかに記載の半導体装置。7. The semiconductor device according to claim 3, wherein the first light shielding film and / or the second light shielding film has a function of radiating heat generated from the integrated circuit. 一の前記発光素子または一の前記受光素子が、複数の前記受光素子または複数の前記発光素子との間で前記光信号を送受信可能とされていることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれかに記載の半導体装置。The one light emitting element or the one light receiving element can transmit and receive the optical signal to / from the plurality of light receiving elements or the plurality of light emitting elements. The semiconductor device according to any one of the above. 請求項8に記載の半導体装置の使用方法であって、
一の前記発光素子または一の前記受光素子との間で前記光信号を送受信可能とされた複数の前記受光素子または複数の前記発光素子のうち、前記光信号を送受信すべき前記受光素子または前記発光素子を、前記一の発光素子または前記一の受光素子と同期させて駆動することを特徴とする半導体装置の使用方法。
A method of using the semiconductor device according to claim 8,
Among the plurality of light receiving elements or the plurality of light emitting elements that are capable of transmitting / receiving the optical signal to / from one light emitting element or the one light receiving element, the light receiving element to transmit / receive the optical signal or A method of using a semiconductor device, wherein a light emitting element is driven in synchronization with the one light emitting element or the one light receiving element.
請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、
前記基板の一方側の表面から前記基板に対して非貫通穴を形成する工程と、
前記非貫通穴に対して、液滴吐出手段により導電材料を充填し、前記導電部を形成する工程と、
前記基板の他方側の表面を研磨して、前記導電部を露出させる工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein:
Forming a non-through hole for the substrate from the surface on one side of the substrate;
Filling the non-through hole with a conductive material by a droplet discharge means to form the conductive portion;
Polishing the surface of the other side of the substrate to expose the conductive portion;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の半導体装置を備えたことを特徴とする電子機器。An electronic apparatus comprising the semiconductor device according to claim 1.
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