JPH06291298A

JPH06291298A - ハイブリッド集積回路とその製造方法

Info

Publication number: JPH06291298A
Application number: JP4042878A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Eda; 和生江田; Yutaka Taguchi; 豊田口; Akihiro Kanahoshi; 章大金星; Tetsuyoshi Koriyou; 哲義小掠
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-02-28
Filing date: 1992-02-28
Publication date: 1994-10-18
Anticipated expiration: 2012-05-14
Also published as: JP2610075B2

Abstract

(57)【要約】【目的】光素子及び電子素子を高密度に集積化でき、
低コストで歩留まりがよく、良好な特性が得られるハイ
ブリッド集積回路とその製造方法を提供すること。【構成】ＧａＡｓ基板２と、そのＧａＡｓ基板２の所
定の部位に形成された酸化珪素膜または珪素膜３によっ
て、ＧａＡｓ基板２に接合されているＳｉ基板１とを備
える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＧａＡｓとＳｉを用い
た高性能なハイブリッド集積回路及びその製造方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ハイブリッド集積回路、例えば半
導体レーザーと駆動トランジスタや増幅用トランジスタ
などを集積化した光電子集積回路などでは、ＧａＡｓな
どの半導体レーザー作製可能な基板の上に、半導体レー
ザーなどの光素子とトランジスタなどの電子素子を同時
に作り込む方法が知られている。

【０００３】また別の方法として、Ｓｉ基板に分子線エ
ピタキシー等の方法により、ＧａＡｓ膜を形成し、この
ＧａＡｓ膜上に光素子などを形成する方法が研究されて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ＧａＡｓ基板に光素子と電子素子の両者を集積する方法
では、ＧａＡｓ基板がＳｉ基板よりも数倍高価であるこ
と、また半導体デバイス形成のプロセスがＳｉ基板の場
合よりも複雑であるため、歩留まりが悪く、高密度に集
積化できないなどの課題がある。またＧａＡｓ基板はＳ
ｉ基板よりも熱伝導が数倍悪いため、使用電力量の多い
回路の集積化には適さないなどの課題があった。

【０００５】またＳｉ基板上にＧａＡｓ膜を形成し、Ｇ
ａＡｓ膜上に光素子を、Ｓｉ基板上に電子素子を集積し
ようとする方法では、現在のところ、ＳｉとＧａＡｓの
結晶格子定数がかなり異なるため、あまり良好な特性の
ＧａＡｓ膜が得られておらず、特に光素子の場合は、原
子レベルでの格子欠陥が特性に悪影響を及ぼすため、こ
のＧａＡｓ膜上に良好な特性の光素子を形成することが
困難となっている。

【０００６】本発明は、従来のこのような課題を考慮
し、光素子及び電子素子を高密度に集積化でき、低コス
トで歩留まりがよく、良好な特性が得られるハイブリッ
ド集積回路とその製造方法を提供することを目的とする
ものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の本発明は、Ｇ
ａＡｓ基板と、そのＧａＡｓ基板の所定の部位に形成さ
れた酸化珪素膜または珪素膜によって、ＧａＡｓ基板に
接合されているＳｉ基板とを備えたハイブリッド集積回
路である。

【０００８】請求項６の本発明は、Ｓｉ基板およびＧａ
Ａｓ基板のそれぞれに、接合強化のための所定温度以上
の温度で処理すべき半導体プロセス処理を行った後、Ｇ
ａＡｓ基板に、酸化珪素膜または珪素膜を形成し、Ｇａ
Ａｓ基板上に形成された酸化珪素膜または珪素膜の面
を、Ｓｉ基板の所定部位に接合させ、その部位の接合力
を強化するために所定温度で熱処理を行った後、所定温
度以下の温度により、ＧａＡｓ基板及びＳｉ基板上に、
所定温度を下回る温度で処理すべき半導体プロセス処理
を行うことによって集積化したハイブリッド集積回路の
製造方法である。

【０００９】

【作用】請求項１の本発明は、ＧａＡｓ基板に形成され
た酸化珪素膜または珪素膜が、Ｓｉ基板に接合されて、
ＧａＡｓ基板及びＳｉ基板が一体化された集積回路を形
成する。

【００１０】請求項６の本発明は、ＧａＡｓ基板上に形
成された酸化珪素膜または珪素膜の面を、Ｓｉ基板の所
定部位に接合させ、その部位の接合力を強化するために
所定温度で熱処理を行っているので、ＧａＡｓ基板とＳ
ｉ基板とを、容易に十分な強度の接合力で接合すること
ができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明にかかる実施例のハイブリッド
集積回路及びその製造方法について、図面を参照しなが
ら説明する。

【００１２】（実施例１）図１は、本発明の第１の実施
例のハイブリッド集積回路の構造を示す模式断面図であ
る。すなわち、ハイブリッド集積回路を構成しているＳ
ｉ基板１上には、トランジスタなどの電子素子５が形成
され、ＧａＡｓ基板２上には、半導体レーザなどの光素
子４が形成されている。又ＧａＡｓ基板２の所定の面に
は、酸化珪素膜（または珪素膜）３が形成され、その酸
化珪素膜（又は珪素膜）３とＳｉ基板１とは直接接合さ
れている（接合の方法については後述）。それぞれの基
板に形成された光素子４及び電子素子５は、電気的配線
等により機能的に接続されている。

【００１３】以上のように、光素子４は、発光などの光
特性に優れたＧａＡｓ基板２上に形成されており、トラ
ンジスタなどの電子素子５は、大規模集積回路の形成に
適したＳｉ基板１上に形成されているので、高性能の光
素子４と大規模集積化した電子素子５を一体にして集積
化することが可能であった。またＳｉ基板１は、熱伝導
率が大きいため、ＧａＡｓ基板２に高出力の半導体レー
ザーを形成しても、十分放熱することが可能であり、し
たがって、また電力増幅器などの電子素子を集積化する
こともできた。

【００１４】（実施例２）図２は、本発明の第２の実施
例のハイブリッド集積回路の構造を示す模式断面図であ
る。すなわち、ハイブリッド集積回路を構成しているＳ
ｉ基板１上には、トランジスタなどの電子素子５が形成
され、ＧａＡｓ基板２のＳｉ基板１に対向する面の一部
には、例えば半導体レーザなどの光素子（発光素子）４
が形成されている。又その面の光素子４の周囲の所定の
部位には、酸化珪素膜（又は珪素膜）３が形成され、そ
の酸化珪素膜（又は珪素膜）３はＳｉ基板１の面に直接
接合されている（接合の方法については後述）。更にＧ
ａＡｓ基板２に形成された光素子４に対向するＳｉ基板
１の部位には、ホトダイオードなどの光素子（受光素
子）４’が形成され、それら光素子（発光素子）４と光
素子（受光素子）４’は光により結合されるようになっ
ている。それぞれの基板に形成された光素子４，４’と
電子素子５は、必要に応じ電気的配線及び前述の光的結
合により機能的に接続されている。

【００１５】以上のように、半導体レーザなどの光素子
４は、発光などの光特性に優れたＧａＡｓ基板２上に形
成されており、ホトダイオードなどのようにＳｉ基板１
上でも高性能の得られる一部の光素子４’や、トランジ
スタなどの電子素子５は、大規模集積回路の形成に適し
たＳｉ基板１上に形成されているので、高性能の光素子
４，４’と大規模集積化した電子素子５を集積化するこ
とが可能であった。これにより実施例１と同様の効果が
得られた。またこの場合には、前述したようにＳｉ基板
１上の大規模集積回路とＧａＡｓ基板２上の光素子４
を、電気的配線によらずに、光で信号を直接伝送するこ
とも可能であった。またＧａＡｓ基板２上に、高速の電
子素子を同時に集積化することも可能であった。

【００１６】なお、上記いずれの実施例においても、Ｇ
ａＡｓ基板に形成される酸化珪素膜に代えて、非晶質の
珪素膜あるいは多結晶の珪素膜を用いてもよい。

【００１７】また、上記実施例では、ＧａＡｓ基板側に
発光素子を形成し、Ｓｉ基板側に受光素子を形成して両
基板を光により結合したが、これとは逆にＧａＡｓ基板
側に受光素子を形成し、Ｓｉ基板側に発光素子を形成し
て光による結合を行ってもよい。

【００１８】また、上記実施例では、発光素子及び受光
素子の間は空間であったが、これに限らず、発光素子か
ら発射される光が受光素子に入射されるように構成され
ていればよい。

【００１９】（実施例３）本発明の第３の実施例のハイ
ブリッド集積回路の製造方法について説明する。

【００２０】まず、Ｓｉ基板およびＧａＡｓ基板の所定
の箇所に、接合力強化のために必要な熱処理温度以上の
温度で行うべきプロセス、例えば、拡散プロセスなどを
含めて、一連の半導体プロセス処理を行い、電界効果ト
ランジスタ（ＦＥＴ）などの電子素子や半導体レーザー
などの光素子を形成した。これらの拡散プロセスなど
は、通常１０００度Ｃ以上の高温で行われる。

【００２１】次に、各種素子が形成されたＳｉ部および
ＧａＡｓ部に保護膜を形成した後、その他の露出したＳ
ｉ部およびＧａＡｓ部の表面を極めて清浄にした。具体
的には、ＧａＡｓ基板は、過酸化水素とアンモニア系エ
ッチング液で表面層をエッチング除去した。同じくＳｉ
基板表面は弗酸系エッチング液により清浄化した。その
時必要部分のみ保護膜を除去した。その後、ＧａＡｓ基
板上に化学気相成長法などにより酸化珪素膜を形成し
た。膜厚は０．１ー３ミクロン程度であり、この厚み及
びその厚みの均一性の制御は容易である。さらに酸化珪
素膜表面は、バッファード弗酸により清浄化した。その
時必要部分のみ保護膜を除去した。

【００２２】その後、酸化珪素膜の表面を純水で十分洗
浄し、前記Ｓｉ基板露出部に前記ＧａＡｓ基板の酸化珪
素膜を一様に重ねあわせると、酸化珪素膜表面およびＳ
ｉ基板表面に吸着した水酸基によって、容易に直接接合
が得られた。このままでも十分な接合強度が得られる
が、さらにこの状態で、１００度Ｃから７００度Ｃの温
度で熱処理を行うと、その接合は更に強化された。ここ
で熱処理温度が高い場合、ＧａＡｓ基板の熱膨張率及び
Ｓｉ基板の熱膨張率に差があるため、形状、寸法などに
多少の制約が加えられるが、基本的には、高温で熱処理
する場合ほど、接合する基板の厚みを薄く、また面積を
小さくしていけば、剥離や破損なく接合強度の向上が可
能であった。

【００２３】次に、接合力強化のための熱処理温度以下
の温度で処理すべき各種プロセス、例えば電極形成など
を実施し、配線パターンを形成した。配線にはアミニウ
ムや金などを用いた。これにより、実施例２に示す構造
のハイブリッド集積回路が得られた。接合強化の熱処理
効果は、例えば、２００度Ｃで、１時間程度保持するだ
けでも接合強度は数倍に上がり、数１０Ｋｇ／平方ｃｍ
の強度が得られた。７００度Ｃ以上に温度を上げると、
ＧａＡｓ基板表面から砒素が抜けていくため表面の特性
劣化が大きく光素子としての所定の性能が得られないの
で、接合熱処理温度は７００度Ｃ以下とすることが望ま
しい。

【００２４】上述のＳｉ基板１と酸化珪素膜（又は珪素
膜）３との接合を、一般の樹脂などの接着剤を用いて行
うと、耐熱性や耐薬品性の面から、接合後は半導体プロ
セスが行えないなどの問題点があるが、本実施例の方法
を用いれば、Ｓｉ基板とＧａＡｓ基板が直接接合されて
おり、そのような問題点が解決される。

【００２５】また樹脂などの接着剤を用いて接着する
と、接着剤の厚みを高精度で制御することが困難なた
め、接着後の基板平行度が悪くなり、ホトリソグラフィ
ーの精度が悪くなるが、そのような問題も解決された。
また直接接合の場合の方が、熱伝導がよくなるため、消
費電力の大きい回路にも適用することができた。

【００２６】以上の直接接合のメカニズムは、珪素膜ま
たは酸化珪素膜表面を、適当な表面処理を行った後純水
に浸すことにより、その表面に水酸基が付着し、接合さ
せようとする両表面に付着した水酸基によって、接合が
行われると考えられる。その後熱処理を行うと、相互拡
散により接合が強化されるものと考えられる。

【００２７】（実施例４）本発明の第４の実施例のハイ
ブリッド集積回路の製造方法について説明する。

【００２８】実施例３と同様にして、Ｓｉ基板およびＧ
ａＡｓ基板の所定の箇所に、電子素子または光素子を形
成し、その後、保護膜形成、表面洗浄を行った後、接合
面になるＧａＡｓ基板上に、非晶質珪素の膜を、プラズ
マＣＶＤなどにより形成した。形成する非晶質珪素の膜
厚は、実施例３の場合とほぼ同様、０．１ー３ミクロン
程度である。その後、実施例３と同様に、非晶質珪素膜
とＳｉ基板表面を極めて清浄にした。具体的方法は、実
施例３とほぼ同じである。非晶質珪素膜表面は、バッフ
ァード弗酸系エッチング液により清浄化した。その後非
晶質珪素膜及びＳｉ基板の表面を純水で十分洗浄し、す
ぐに一様に重ねあわせることにより、非晶質珪素膜表面
に吸着した水酸基により、容易に接合が得られた。

【００２９】次に必要に応じて実施例３と同様のプロセ
スを行うことにより、ＧａＡｓ基板上に形成された光素
子と、Ｓｉ基板上に形成された電子素子が一体に集積化
されたハイブリッド集積回路の製造が可能となり、実施
例３と同様の効果が得られた。この場合の接合強度は、
酸化珪素膜を用いた場合よりも、２−５倍の値が得られ
た。

【００３０】（実施例５）本発明の第５の実施例のハイ
ブリッド集積回路の製造方法について説明する。

【００３１】実施例３または４と同様にして、Ｓｉ基板
およびＧａＡｓ基板の所定の箇所に、電子素子または光
素子を形成し、その後、保護膜形成、表面洗浄を行った
後、接合面になるＧａＡｓ基板上に、酸化珪素膜または
非晶質珪素膜を形成した。その後、実施例３または４と
同様に、酸化珪素膜または非晶質珪素膜とＳｉ基板表面
を極めて清浄にした。具体的方法は、実施例３または４
とほぼ同じである。酸化珪素膜または非晶質珪素膜表面
は、バッファード弗酸系エッチング液により清浄化し
た。その後酸化珪素膜又は非晶質珪素膜及びＳｉ基板の
表面を純水で十分洗浄し、接合させる面を重ね合わた。

【００３２】乾燥後、両基板を加熱しながら、酸化珪素
膜部または珪素膜部に高電圧の直流電圧を加えた。これ
により静電力が働き、強固な直接接合が得られた。次に
必要に応じて実施例３と同様のプロセスを行うことによ
り、ＧａＡｓ基板上に形成された光素子と、Ｓｉ基板上
に形成された電子素子が一体に集積化されたハイブリッ
ド集積回路の製造が可能となり、実施例３と同様の効果
が得られた。この場合の接合強度は、単に熱処理したも
のよりもさらに強くなった。

【００３３】このとき、接合部の膜に高電圧が加わるよ
うに、Ｓｉ基板およびＧａＡｓ基板に半導体性基板を用
いたり、基板一部に低抵抗部を設けることにより、接合
に用いる酸化珪素膜または非晶質珪素膜に有効に高電圧
を加えることができた。この場合酸化珪素膜は本来、高
抵抗であるが、非晶質珪素膜の場合は、できるだけ高抵
抗にすることが望ましい。

【００３４】印加する電圧は、１ミクロンの膜厚に対
し、５０から１０００Ｖが適当であり、電圧が高い場合
は、パルス的に加える方が良かった。

【００３５】（実施例６）本発明の第６の実施例のハイ
ブリッド集積回路の製造方法について説明する。

【００３６】実施例３と同様にして、Ｓｉ基板およびＧ
ａＡｓ基板の所定の箇所に、電子素子または光素子を形
成し、その後、保護膜形成、表面洗浄を行った後、接合
面になるＧａＡｓ基板上に、多結晶珪素の膜を、プラズ
マＣＶＤなどにより形成した。形成する多結晶珪素の膜
厚は、実施例３の場合とほぼ同様、０．１ー３ミクロン
程度である。その後、実施例３と同様に、多結晶珪素膜
とＳｉ基板表面を極めて清浄にした。具体的方法は、実
施例３とほぼ同じである。多結晶珪素膜表面は、バッフ
ァード弗酸系エッチング液により清浄化した。その後多
結晶珪素膜及びＳｉ基板の表面を純水で十分洗浄し、す
ぐに一様に重ねあわせることにより、多結晶珪素膜表面
に吸着した水酸基により、容易に接合が得られた。次に
必要に応じて実施例３と同様のプロセスを行うことによ
り、ＧａＡｓ基板上に形成された光素子と、Ｓｉ基板上
に形成された電子素子が一体に集積化されたハイブリッ
ド集積回路の製造が可能となり、実施例３と同様の効果
が得られた。

【００３７】なお、上記ハイブリッド集積回路の製造方
法の実施例では、いずれも、実施例２の構造の例につい
て説明したが、実施例１の構造を得るには、各製造方法
の実施例において、酸化珪素膜または珪素膜を、単にＧ
ａＡｓ基板の裏面に形成すれば実現することができた。
この場合のＧａＡｓ基板上の光素子などと、Ｓｉ基板上
の電子素子などとの結線は、外部のワイヤーで行った
り、ＧａＡｓ基板にビアホールを形成するなどして行っ
た。

【００３８】また、上記実施例では、いずれも、Ｓｉ基
板上には他の膜を形成しなかったが、Ｓｉ基板上にも酸
化珪素膜又は珪素膜を形成しても同様の直接接合が可能
であった。

【００３９】また、上記実施例では、いずれの場合も接
合に用いる膜表面の平坦度が重要であり、製膜の方法、
条件が悪く、表面の凹凸が大きい場合には接合が困難と
なるため、十分な注意が必要であった。

【００４０】また、いずれの実施例においても、まず第
１に、Ｓｉ基板に形成された電子素子などとＧａＡｓ基
板に形成された光素子などを、一体に集積しているの
で、ハイブリッド集積回路を大幅に小型、軽量化する事
が可能となった。

【００４１】また、いずれの実施例においても、大規模
集積回路は、歩留まり良く形成できるＳｉ基板上に、光
素子は高性能の得られるＧａＡｓ基板上に形成できるた
め、単一基板を用いて集積した場合よりも、高性能のハ
イブリッド集積回路が歩留まり良く得られた。

【００４２】また、いずれの実施例においても、その接
合方法は、ＧａＡｓ基板とＳｉ基板を膜厚の制御された
珪素系無機材料で直接接合しているので、平面性が極め
て良く、大規模集積に必要な、サブミクロンのホトリソ
グラフィーが可能となるとともに、熱や振動などに対す
る信頼性も大幅に向上した。

【００４３】

【発明の効果】以上述べたところから明らかなように本
発明は、光素子及び電子素子を高密度に集積化でき、低
コストで歩留まりがよく、良好な特性が得られるという
長所がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる第１の実施例のハイブリッド集
積回路の構成を示す模式断面図である。

【図２】本発明にかかる第２の実施例のハイブリッド集
積回路の構成を示す模式断面図図である。

【符号の説明】

１Ｓｉ基板２ＧａＡｓ基板３酸化珪素膜または珪素膜４光素子（発光素子）４’ 光素子（受光素子）５電子素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小掠哲義大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＧａＡｓ基板と、そのＧａＡｓ基板の所
定の部位に形成された酸化珪素膜または珪素膜によっ
て、前記ＧａＡｓ基板に接合されているＳｉ基板とを備
えたことを特徴とするハイブリッド集積回路。
【請求項２】珪素膜は、非晶質の珪素膜であることを
特徴とする請求項１記載のハイブリッド集積回路。
【請求項３】珪素膜は、多結晶の珪素膜であることを
特徴とする請求項１記載のハイブリッド集積回路。
【請求項４】ＧａＡｓ基板上には、少なくとも半導体
レーザなどの光素子が形成され、前記Ｓｉ基板上には、
少なくともトランジスタなどの電子素子が形成されてい
ることを特徴とする請求項１、２又は３記載のハイブリ
ッド集積回路。
【請求項５】接合された前記ＧａＡｓ基板及び前記Ｓ
ｉ基板の対向面の所定の部位に、一方に発光素子が形成
され、他方に受光素子が形成され、前記発光素子から出
射される光が前記受光素子に入射されるようになってい
ることを特徴とする請求項４記載のハイブリッド集積回
路。
【請求項６】Ｓｉ基板およびＧａＡｓ基板のそれぞれ
に、接合強化のための所定温度以上の温度で処理すべき
半導体プロセス処理を行った後、前記ＧａＡｓ基板の全
面又は一部に、酸化珪素膜または珪素膜を形成し、前記
ＧａＡｓ基板上に形成された前記酸化珪素膜または珪素
膜の面を、前記Ｓｉ基板の所定部位に接合させ、その部
位の接合力を強化するために前記所定温度で熱処理を行
った後、前記所定温度以下の温度により、前記ＧａＡｓ
基板及び前記Ｓｉ基板上に、前記所定温度を下回る温度
で処理すべき半導体プロセス処理を行うことによって集
積化することを特徴とするハイブリッド集積回路の製造
方法。
【請求項７】Ｓｉ基板と前記酸化珪素膜または珪素膜
との接合は、水酸基を介してなされることを特徴とする
請求項６記載のハイブリッド集積回路の製造方法。
【請求項８】ＧａＡｓ基板及びＳｉ基板を加熱しなが
ら、前記酸化珪素膜または珪素膜間に所定の電圧をかけ
ることによって、ＧａＡｓ基板とＳｉ基板を接合するこ
とを特徴とする請求項７記載のハイブリッド集積回路の
製造方法。
【請求項９】接合部位の前記接合力を強化するための
前記所定温度は、１００度Ｃから７００度Ｃの温度範囲
であることを特徴とする請求項８記載のハイブリッド集
積回路の製造方法。
【請求項１０】ＧａＡｓ基板上に形成した前記珪素膜
は、非晶質の珪素膜であることを特徴とする請求項９記
載のハイブリッド集積回路の製造方法。
【請求項１１】ＧａＡｓ基板上に形成した前記珪素膜
は、多結晶の珪素膜であることを特徴とする請求項９記
載のハイブリッド集積回路の製造方法。
【請求項１２】Ｓｉ基板およびＧａＡｓ基板のそれぞ
れに、接合強化のための所定温度以上の温度で処理すべ
き半導体プロセス処理を行った後、前記ＧａＡｓ基板の
全面又は一部に、酸化珪素膜または珪素膜を形成し、前
記Ｓｉ基板の全面又は一部に、酸化珪素膜又は珪素膜を
形成し、前記ＧａＡｓ基板上に形成された前記酸化珪素
膜または珪素膜の面を、前記Ｓｉ基板に形成された前記
酸化珪素膜又は珪素膜の面に接合させ、その接合部位の
接合力を強化するために前記所定温度で熱処理を行った
後、前記所定温度以下の温度により、前記ＧａＡｓ基板
及び前記Ｓｉ基板上に、前記所定温度を下回る温度で処
理すべき半導体プロセス処理を行うことによって集積化
することを特徴とするハイブリッド集積回路の製造方
法。