JP2988796B2 - 集積回路装置の製造方法 - Google Patents

集積回路装置の製造方法

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、異なる格子定数を持つ
半導体単結晶から構成された複数の素子が一つの半導体
単結晶上に集積化されてなる集積回路装置の、製造方法
に関するものである。ある種のオプトエレクトロニクス
集積回路装置やある種の高速高集積回路装置は、例えば
Si単結晶基板上に、Si素子、GaAs素子、InP
素子などの、異なる格子定数を持つ単結晶からなる素子
を集積化して構成される。
【0002】
【従来の技術】この種の集積回路装置の製造方法の一例
は、次の文献に開示されている。 文献:論文名;"Selected area heteroepitaxial growt
h of GaAs on Siliconfor advanced device structure
s",著者;R.J.Matri and H.Shichijo,文献名;Thin Sol
id Films,Vol.181(1989) p.2 13〜p.2 2 5 発行所;Els
evier SeguoiaS.A.(Switzerland) この文献においては、Si素子を表面部に形成したSi
単結晶基板を準備し、素子が形成されていない表面部に
トレンチを形成し、そのトレンチ部において、Si単結
晶基板の表面と同じ表面位置になるようにGaAsを結
晶成長させ、そのGaAs単結晶部の表面部にGaAs
素子を形成し、その後、電極形成を行うようにしてい
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うにヘテロ結晶成長を利用した製造方法では、Si単結
晶基板上に、良質なGaAsやInPを結晶成長させる
ためにSi基板を低くても600℃以上、高い場合は1
000℃近くの高温雰囲気にさらさなくてはならず、そ
のため既にSi基板上に作りつけてあるデバイスが劣化
してしまう、という問題があった。また、GaAsやI
nPを結晶成長する際に、既にSi基板上に作りつけて
あるデバイスを保護膜で覆わなくてはならず、かつ、そ
の上に堆積してしまう多結晶層を後で取り除かなくては
ならないので、工程が複雑になる、という問題があっ
た。この発明は、以上述べた問題点を除去するため、S
iやGaAs,Inpなどの格子定数の異なる材料同士
を直接接着させる技術を用いて、比較的低温で良好な結
晶性を備え簡便な工程で集積化素子を作成可能にする製
造方法を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】この発明の製造方法で
は、第1半導体単結晶基板の表面部に第1半導体単結晶
の複数の電気もしくは光素子の構造が形成され、且つ少
なくとも所定の表面領域で第1半導体単結晶が露出して
いる第1基板体を準備する。また、第2半導体単結晶基
板の表面全面にその第2半導体単結晶と格子整合してい
る半導体結晶のエッチストップ層が形成され、そのエッ
チストップ層上に第2半導体単結晶と格子整合している
半導体結晶からなる第2半導体単結晶系の複数の電気も
しくは光素子の層構造がそれら素子の頂面を揃えて形成
され、且つそれらの頂面で単結晶が露出している第2基
板体を準備する。そして、表面処理によって、第1基板
体の単結晶露出表面及び第2基板体の単結晶露出頂面に
水酸基(OH基)を結合させる。その後、第1半導体単
結晶の露出表面と第2半導体単結晶の頂面とを接触させ
た状態で低温の熱処理を行う。その後、エッチストップ
層をエッチングストッパとして第2半導体単結晶基板を
エッチング除去し、更にそのエッチストップ層を超音波
振動によって除去する。その後、ポリイミどなどの絶縁
物層で表面を覆い、適宜、電極を形成する。
【0005】
【作用】第1基板体及び第2基板体の単結晶露出面の表
面処理は硫酸系の液で行うことができる。Si、GaA
s、InPなどの殆どの単結晶材料は、硫酸系のエチャ
ントで洗浄することによって、単結晶露出表面、及び層
構造頂面はOH基が結合されたものとなる。熱処理工程
によって、第1基板体と第2基板体とが接着される。熱
処理は、第1基板体及び第2基板体の素子特性を劣化さ
せない低温で行う。代表的には、450゜Cで熱処理す
る。450゜Cで30分間程度、熱処理するによって、
基板の研磨あるいはダイシングに十分耐えうる強度で接
着される。450゜Cの熱処理による接着では、その接
着界面近傍でも構成原子の格子像が明瞭に観測され、第
1単結晶と第2単結晶系との界面は急峻であり、接着作
用は、主として、単結晶露出表面のOH基の脱水縮合反
応に基づくものと推測できる。なお、熱処理を高くする
と、接着強度自体は増加し、接着界面での再結晶化が接
着作用に効いてくるものと思われる。接着後、第2半導
体単結晶基板をエッチング除去して薄いエッチストップ
層のみ残され、そのエッチストップ層は超音波振動によ
って除去される。この工程で超音波振動を採用している
ため、エッチング液による場合のような素子特性や単結
晶露出面の劣化を、避けることができる。
【0006】
【実施例】本発明による、集積回路装置の製造方法の一
実施例を、図1を用いて説明する。ここではSiを材料
とするトランジスタとInPを材料とする受発光素子構
造とを集積化する場合を示す。まず、図1(A)に示す
ように、シリコン基板1上に通常のプロセスにより、ソ
ース2、ゲート3及びドレイン4を作製し、トランジス
タを形成する。ここでは典型的な例としてMOS型のト
ランジスタの場合を示している。このとき、後でInP
などのデバイスを備え付けたい部分に凹み1aをつけて
おくと、後でアライニングがしやすく、また集積後の表
面の段差も小さくできるので、好ましい。しかし、凹み
をつけるための工程が増えるので、省略しても構わな
い。
【0007】一方、このシリコン基板1とは別に、図1
(B)に示すように、InP基板5を用意し、その基板
上に通常の結晶成長法によって、InGaAsエッチス
トップ層6(厚み約0.1μm)、p−InPクラッド
層7(厚み約1.5μm)、InGaAsP活性層8
(厚み約0.15μm)、n−InPクラッド層9(厚
み約1。5μm)を順次結晶成長させる。この結晶成長
の工程の後、SiO2 膜などのエッチングマスクを通常
のCVD法(Chemical Vapor Depositiong)とフォトリ
ソグラフィ法により形成し、さらにRIE法(Reactive
Ion Etching)などの通常のエッチング法により、素子
部を残して層7〜9を取り除き、その後、SIO2 膜を
フッ酸で除去することによって、図1(C)に示すよう
に、InGaAsエッチストップ層6上に、p−InP
クラッド層7、InGaAsP活性層8、及びn−In
Pクラッド層9からなるInP受発光素子構造が形成さ
れたものを作製する。こうして作製したものを、H2S
O4:H2O2:H2O =3:1:1の混合液を用いて、
表面を30秒間洗浄後、さらにフッ酸に1分間つけて、
その後水洗する。こうすることによって、n−InPク
ラッド層9のきれいな頂面が露出され、且つその頂面は
OH基が結合されたものとなる。なお、混合液の化学式
の数字は、下つき半角で示すべきものであるが、便宜上
単なる半角で示した。
【0008】一方、図1(A)に示した、素子を作り付
けたシリコン基板の表面を、同様にH2SO4:H2O2:
H2O =3:1:1の混合液を用いて30秒間洗浄した
後、水洗する。こうすることによって、シリコン基板1
の凹部1aにおいて、きれいなめんが露出され、その露
出表面はOH基が結合されたものとなる。次にこれら2
種類のウェハをそれぞれスピン乾燥させ、その後速やか
に、両者を、図2(A)に示すように、位置あわせをし
て接触させて重ね合わせる。このとき、これらのウェハ
は、H2SO4:H2O2:H2O で表面処理した際に、表
面に吸収されたOH基同士が、水素結合を形成するの
で、室温で接触しただけで強度は弱いながらも、ウェハ
を移動させても位置がずれない程度には接着する。
【0009】次にこのウェハをアニール炉の中に入れて
30g/cm平方程度の重りをのせて、水素雰囲気中で
450℃程度の低い温度で30分間程度熱処理する。こ
の熱処理によって、水素結合したOH基からH2 Oがぬ
けて、いわゆる脱水縮合反応がおこり、接着強度が十分
に強くなる。この後、図2(B)に示すように、エッチ
ング液が接着したウェハ間にしみこまないように、ワッ
クス10でウェハの端をおおった後、InP基板5をB
r−CH3 OHを用い次いでHClを用いてエッチング
する。HClは、InPはエッチングするが、InGa
Asエッチストップ層6は、エッチングしない選択エッ
チャントなので、エッチングがInGaAsエッチスト
ップ層6に到達したところで自動的に止まる。その後ワ
ックス10を有機溶剤で除去した後、図3(A)に示す
ように、薄いこのInGaAsエッチストップ層6を超
音波振動によりへき開して取り除く。次に、図3(B)
に示すように、ウェハ表面にポリイミド12などを塗布
し、平坦化した後、図3(C)に示すように、フォトリ
ソグラフィ及びエッチングを行っての電極13を形成し
て、集積回路装置の作製が終了する。
【0010】なお、前記実施例では、第2基板体の素子
の層構造として、p−InPクラッド層7、InGaA
sP活性層8、及びn−InPクラッド層9からなる3
層構造のものを用いたが、n−InPクラッド層、In
GaAsP活性層、及びp−InPクラッド層からなる
3層構造とすることができ、キャップ層などを追加して
更に多層の層構造することができ、また、第2基板体の
単結晶と格子整合しているという条件のもとに他の組成
を用いることもできる。また、前記実施例では、シリコ
ン基板の単結晶露出面部(凹部1a)はノンドープとし
ているが、高不純物濃度の島領域を形成してオーミック
抵抗を低減することもでき、また、シリコン基板に代え
てGaAsなどの他の単結晶基板を用いてもよい。
【0011】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、この発明
によれば、InP基板上などに受発光素子構造を形成す
るために必要な層構造をあらかじめ結晶成長させ、それ
をSi基板上などに熱処理で直接接着させることにより
集積回路装置を形成するようにしたので、Si基板上に
前もって作製してあるデバイスを高温で劣化させるよう
なことはなく、また格子定数の違いに起因する格子欠陥
は、直接接着された界面にのみ有効に閉じ込められるの
で、良質な結晶性を損なうことなく、集積化素子を形成
することができる。また、直接接着と選択エッチング及
び薄膜の超音波振動によるへき開を用いて素子を形成す
るので、Si基板上に作りつけてあるデバイスを、劣化
させる虞がない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の集積回路装置の製造方法の一実施例の
説明図
【図2】本発明の集積回路装置の製造方法の一実施例の
説明図
【図3】本発明の集積回路装置の製造方法の一実施例の
説明図
【符号の説明】
1 シリコン基板 1a 凹部 2 ソース 3 ゲート 4 ドレイン 5 InP基板 6 InGaAsエッチストップ層 7 p−InPクラッド層 8 InGaAsP活性層 9 n−InPクラッド層 10 InP受発光素子構造
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−182291(JP,A) 特開 平2−194519(JP,A) 特開 昭61−182215(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/02 H01L 21/304 H01L 27/15 H01S 3/18

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1半導体単結晶基板の表面部に第1半
    導体単結晶の複数の電気もしくは光素子の構造が形成さ
    れ、且つ少なくとも所定の表面領域で第1半導体単結晶
    が露出している第1基板体、を準備する工程と、 第2半導体単結晶基板の表面全面にその第2半導体単結
    晶と格子整合している半導体結晶のエッチストップ層が
    形成され、そのエッチストップ層上に第2半導体単結晶
    と格子整合している半導体結晶からなる第2半導体単結
    晶系の複数の電気もしくは光素子の層構造がそれら素子
    の頂面を揃えて形成され、且つそれらの頂面で単結晶が
    露出している第2基板体、を準備する工程と、 表面処理によって第1基板体の前記単結晶露出表面に水
    酸基を結合させる工程と、 表面処理によって第2基板体の前記単結晶露出頂面に水
    酸基を結合させる工程と、 第1半導体単結晶の前記露出表面と第2半導体単結晶の
    頂面とを接触させた状態で低温の熱処理を行う工程と、 その後、前記エッチストップ層をエッチングストッパと
    して前記第2半導体単結晶基板をエッチング除去し、更
    にそのエッチストップ層を超音波振動によって除去する
    工程と、 を備えたことを特徴とする集積回路装置の製造方法。
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