JPH0856056A - SiO▲x▼層を含む製品及びその製品の作製法 - Google Patents

SiO▲x▼層を含む製品及びその製品の作製法

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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 本発明は、安定なファセット被膜を有する半
導体レーザを含む製品を提供する。 【構成】 ハーメチック封入容器内に保つ必要のない高
信頼性半導体レーザが明らかにされている。そのような
レーザは、たとえば光ファイバ通信やコンパクトディス
クプレーヤーのような各種用途で用いると有利である。
そのような“非ハーメチック”レーザは、非常に低い水
分飽和値を有する誘電体層(41、401)を含むファ
セット被覆を含む。本発明はまた、半導体基体上に配置
された低応力(90MPaより小さい絶対値、20MP
aより小さいことすらある)SiOx を有する製品(例
えば、集積回路又は個別半導体デバイス)で、実施され
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】本発明の分野 本発明は半導体デバイスの分野、特に半導体レーザの分
野に係る。
【0002】本発明の背景 すべてではなくても、ほとんどの半導体デバイスの表面
を、保護又は修正をする必要性は、よく知られている。
いくつかのデバイス又はある種のデバイスに適した誘電
体薄膜は知られており、よく用いられているが(たとえ
ば、Si上のSiO2 )、たとえば機械的かつ化学的に
安定で、ピンホール、微細なクラック、粒子及び空孔を
なくすことができ、固着性がよく、湿気の浸透に高い抵
抗をもち、放射波長にかかわらず、半導体レーザファセ
ット被膜として適した適切な屈折率をもつものに対して
は、大きな必要性がある。
【0003】半導体レーザファセットの被覆用に、各種
の誘電体が提案され、実際に用いられている。これらの
誘電体の中には、イットリウム安定化ジルコニア(YS
Z)、Al23 、Si34 、SiOxy 及びSi
x がある。
【0004】しかし、現在用いられているファセット被
膜には欠点がある。それらの中には、屈折率又は機械的
応力に関して、再現性がないこと、及びしばしば粒子が
存在することがある。更に、非常に重要なことは、現在
用いられているファセット被膜は典型的な場合、大気中
で安定でなく、レーザが早く故障することを含み、レー
ザ特性を変化させることである。
【0005】基本的には、現在用いられているファセッ
ト被覆の欠点のため、すべての従来技術の高信頼性半導
体レーザは、それらがハーメチック(典型的な場合、不
活性ガス充填)封入容器の中に配置されるよう、パッケ
ージされる。そのような従来技術のレーザは、“ハーメ
チック”レーザとよんでもよい。それらは広く用いられ
ており、たとえば光ファイバ通信、光相互接続、センサ
及び印刷で使われている。ハーメチック封入が必要なこ
とにより、製造プロセスは本質的に複雑さが増し、生産
性が下がり、より重要なことは、半導体レーザの製造価
格が本質的に増すことである。従って、レーザをハーメ
チック封入容器の中で動作させる必要がないよう、大気
中で安定なファセット被覆を有する高信頼性レーザを実
現することが、非常に望ましい。本明細書は、そのよう
な被覆及び“非ハーメチック”レーザとよぶべきそのよ
うなレーザについて明らかにする。それはまた、半導体
基体上の低応力SiOx 層を含む物品の作製方法も、明
らかにする。
【0006】一酸化ケイ素は多くの有利な特徴をもつ誘
電体である。それらの中には、その比較的高い蒸気圧
(それは熱蒸着による堆積を容易にする)、そのアモル
ファスな性質及びその屈折率の制御が、比較的容易であ
ることがある。しかし、高品質のSiOx (1≦x<
2)薄膜を再現性よく堆積させることは困難なことがわ
かっている。たとえば、アイ・エフ・ウー(I.F.Wu)
ら、アイイーイーイー・フォトニクス・テクノロジー・
レター(IEEE Photonics Technology Letter)、第4
(9)巻、991頁(1992)は、SiOx 薄膜の屈
折率は典型的な場合、“ラン毎の変動の影響を受け”、
必要な厚さと屈折率のSiOx レーザファセット被膜を
得るためには、複雑なその場モニターと、プロセス制御
が必要であることを、報告している。プロセス工程の再
現性に欠けることは、明らかに、商業生産にはプロセス
が不適切である欠点である。更に、従来技術のSiOx
薄膜は、典型的な場合、粒子の存在、汚染、多孔性等の
ため、雰囲気から保護する被覆として用いるには不適切
である。従って、SiOx が誘電体層として広く用いら
れていないことは、驚きではない。
【0007】分子線技術は、誘電体薄膜の作製に、最近
用いられている。たとえば、アイ・ティー・ムーアヘッ
ド(I.T.Muirhead)ら、エス・ピー・アイ・イー(SP
IE)、第1019巻、190頁(1988)、エス・
ピー・フィッシャー(S.P.Fisher)、エス・ピー・アイ
・イー(SPIE)、第1266巻、76頁(199
0)、エイチ・エー・マックロード(H.A.Macleod) 、
レーザ・フォーカス・ワールド(Laser Focus Worl
d)、 1992年11月、111頁を参照のこと。
【0008】用語及び定義 ここで、“高信頼性レーザ”(又は等価なもの)は、適
切な寿命試験に基づき、以下の3つの点の1ないし複数
の点を有するレーザをさす。 1) レーザは本質的に連続してバイアスされた時、雰
囲気温度45℃及び雰囲気相対湿度(RH)=50%に
おいて、7年の動作で100FIT以下の瞬時障害率と
いう仕様を、少なくとも7年間満たすことが期待され
る。 2) レーザは動作時にバイアスされた時、雰囲気温度
45℃及び雰囲気RH50%において、15年の動作で
1500FIT以下の瞬時障害率という仕様を、少なく
とも15年間満たすことが期待される。 3) 雰囲気温度85℃、85%RHにおいて、少なく
とも6週間故障なく動作でき、レーザダイオード温度が
87℃を越えない。 上で述べた点の少なくとも1つの点も持たないレーザ
を、ここでは“低信頼性”レーザとよぶ。
【0009】ここでの単位“FIT”というのは、習慣
的に用いられている意味で、“109 デバイス時間にお
いて、1デバイスが故障する”ということである。略語
“FIT”は“時間中の故障”の代りである。
【0010】レーザ“故障”は、指定されたレーザ出力
パワーにおけるレーザ電流が、そのレーザ出力パワーに
対する開始時のレーザ電流の150%以上であるなら、
起こったことになる。たとえば、指定された出力パワー
は3mWである。
【0011】“瞬時障害率”というのは、ここでは従来
用いられている意味で、“時刻のある点で故障した、デ
バイスの割合”をさす。
【0012】レーザ封入容器は、ここでは封入容器が許
容された漏れ率に関して、典型的な現在の仕様と、水分
の含有量を満たすなら、“ハーメチック”封入容器であ
る。典型的な仕様は、5×10-8Torr/秒より小さ
い圧力上昇に対応する漏れ率と、5000ppmより小
さい水分含有量を必要とする。
【0013】“粒子ビーム”は排気された(典型的な場
合、約10-5Torrより低いバックグランド圧力)容
器内で、本質的に規定された横方向の量をもつ粒子の本
質的に一方向性の流束である。
【0014】本発明の要約 本発明は、特許請求の範囲で規定される。出願人は、適
切なプロセス条件下で、レーザファセット被覆に適した
高品質SiOx 薄膜が、信頼性よく形成できること及び
新しいSiOx 薄膜を含む半導体レーザは、大気と接触
させて動作させると、高信頼性レーザとなりうるという
驚くべき発見をした。
【0015】広義には、本発明は高信頼性半導体レーザ
を含む製品で実施される。レーザは2つの相対するファ
セットを有し、前記ファセットのそれぞれに配置された
被膜をもつ半導体基体を含む。重要なことは、半導体基
体はハーメチック封入容器中に置かれないことで、それ
により誘電体層は大気からの湿気にさらされ、しばしば
本質的に大気と接触する。他の点では、製品は従来のも
のでよい。本発明に従う非ハーメチックレーザは、従来
技術のハーメチック高信頼性レーザが用いられていた所
なら、本質的にどこでも使用できる。そのような用途の
例は、たとえば送信機パッケージ内といった光ファイバ
遠距離通信及びコンパクトディスク・プレーヤー内であ
る。
【0016】好ましい実施例において、誘電体被膜は材
料が水分で飽和するのに十分な時間、99℃脱イオン水
中に浸した後、以下で詳細に述べるように、フーリエ変
換赤外吸収スペクトロスコピーで決めた水分含有量が1
00μm-1以下である材料から成る。現在好ましい実施
例において、誘電体材料は組成SiOx (1≦x<2)
をもつ。
【0017】本発明の好ましい実施例の重要な点は、高
密度で、粒子や水泡がほとんどなく、層材料の水分飽和
値で測定した水分の通過性が本質的にない典型的な場合
SiOx 層である誘電体層が形成可能なことである。
【0018】従来技術の実施例とは異なり、分子線技術
による堆積は従来の熱的蒸着技術を上まわる利点をもち
うることを見い出した。たとえば、後者はしばしば誘電
体層上に、(蒸着るつぼから放出された)歩留りを下げ
る粒子の衝撃を生じる。この“吐き出し”の問題は、分
子線技術の使用により、本質的にとり除かれる。
【0019】従来の熱的蒸着法によるSiOx 堆積にお
いて、SiO原料が加熱されるるつぼ中の熱的勾配によ
り、原料の汚染とともに、典型的な場合、原料ボウルか
ら材料の“吐き出し”が生じると現在は確信される。こ
れによって、成長中の薄膜内に散乱した点欠陥が生じ
る。典型的な場合、低到達エネルギー及び従来の堆積シ
ステム中の水蒸気の存在により、最初の核生成位置は比
較的離れ、典型的な場合柱状成長となり、そのため比較
的高空孔比となる。従来の堆積プロセスをこのように分
析することは、教育的原因を明らかにするためだけであ
って、本発明は我々の分析の正確さに依存するものでは
ない。
【0020】出願人はまた、堆積容器にロードロック接
続すること及び典型的な場合、水蒸気、水素、酸素及び
窒素である好ましくない気体をゲッタリングするための
手段を含む堆積容器内で、誘電体薄膜を堆積させること
が望ましいことも見い出した。そのようなゲッタリング
は、たとえば堆積容器の内側(又は一部)の寒剤シュラ
ウド(典型的な場合、液体窒素冷却)によって実現でき
る。チタンサブリメーションポンプの使用が、典型的な
場合有利であろう。
【0021】基体の主表面上への誘電体層堆積の、更に
望ましい点は、分子線が主表面に本質的に垂直に(すな
わち、ビーム方向と主表面に垂直な方向との間の角が1
5゜以内、好ましくは10゜又は5゜以内)入射するよ
うに、基体を配置することである。本質的に垂直な入射
により、中間の空孔を有する柱状微細構造を堆積させる
ことになりうる自己−シャドー効果が避けられると確信
する。たとえば、アイ・ジェイ・ホジキンソン(I.J.Ho
dgkinson)、スィン・ソリッド・フィルムズ(Thin Sol
id Films)、第138巻、289頁(1986)を参照
のこと。
【0022】更に望ましい点は、熱的なガス放出による
原料の清浄化及び誘電体層堆積速度が、典型的な場合
1.5nm/秒より低くなるように、堆積条件を選択す
ることである。適切に低い速度での堆積によって、高密
度誘電体材料の形成が容易になる。一方、ゲッタリング
手段(又は堆積容器内の雰囲気から、好ましくないバッ
クグランドガスを除去するための他の手段)を設けるこ
とにより、成長中の誘電体薄膜中への汚染の組込み速度
を減らすことによって、低堆積速度が容易になる。
【0023】誘電体薄膜の品質の便利な尺度は、薄膜の
飽和水分量であることを見い出した。SiOx のような
誘電体は、薄膜を高温(たとえば99℃)脱イオン水中
に、たとえば48ないし96時間といった適当な時間保
つことにより、水分で容易に飽和させられる。知る限り
において、従来技術はSiOx 薄膜のような誘電体薄膜
の水分含有量を決める便利な定量的技術を明らかにしな
かったから、そのような技術を考案した。定量的である
ためには、技術は従来どうりに研摩したSi基板(典型
的な場合、両面研摩した標準的なSiウエハ)上に、た
とえば0.0022インチ(0.56mm)といったあ
らかじめ決められた厚さの誘電体薄膜を、堆積させるこ
とを含む。当業者は、レーザファセット被膜のような第
1の誘電体層の飽和水分含有量の決定は、Si基板上に
第2の(比較用)層を堆積させることを必要とする。そ
の際、第2の層の堆積条件は、第1の層の堆積条件と基
板以外の点では同一(実験的な能力の範囲内で)であ
る。
【0024】当業者は、本質的にすべての名目組成Si
x の場合、SiOx 薄膜は典型的な場合、層材料のバ
ルクとは化学的組成が異なる表面層を含むことを認識す
るであろう。典型的な場合、表面層組成はSiO2 で、
表面層の厚さは1ないし数原子層で、典型的な場合、全
層厚の本質的に10%以下である。一般にこの避けられ
ない表面層が存在することによって、層の重要な特性に
技術的影響は生じない。
【0025】当業者はまた、たとえば所望の屈折率を得
るためには、本発明に従うSiOx薄膜を、たとえばS
i、SiO2 、Si34 又はSiOxy といった他
の誘電体又は半導体材料の1ないし複数の層と組合わせ
ることができることを理解するであろう。
【0026】出願人はまた、堆積条件を適切に選択する
ことにより、本質的に応力のないSiOx 薄膜の生成を
含み、SiOx 薄膜の応力状態が、調整できることを、
見い出した。そのような薄膜の用途は、レーザに限られ
ず、事実そのような薄膜は、例えばICを含む半導体電
子デバイスにおいて、用いると有利である。
【0027】いくつかの好ましい実施例の詳細な記述 図1は従来の(ハーメチック)レーザモジュール10の
例を、概略的に示す。数字11は基板を、18は銅放熱
器を、12はレーザサブマウントを、13はレーザを、
14は基盤にハーメチックに接合された“ふた”を、1
5はそれを通してレーザ放射が放出される窓を、16は
レーザパワーの帰還安定化を容易にするために、レーザ
パワーをモニターする働きをする(典型的な場合PI
N)光検出器をさす。ピン171−174はレーザ及び
フォトダイオードとの電気的接触をなす。
【0028】図2はレーザ13の例を、より詳細に概略
的に描いたものである。数字20は活性領域21を含む
半導体基体をさす。数字22はYSZ層221及びSi
層222を含む裏面(高屈折率)ファセット被膜を、数
字23はYSZ層を含む前面(低屈折率)ファセット被
膜をさす。数字24及び25は接触手段をさす。
【0029】図3は本発明に従う非ハーメチックレーザ
モジュールの例を概略的に示し、それは図1の従来技術
のモジュールと良く似ているが、ふた14及び窓15が
無いことが異なる。もちろん、重要な違いは、図4から
わかるように、レーザのファセット被覆に関して存在す
る。図4のレーザの例は、本質的にファセット被覆層4
01及び41に関してのみ図2のそれとは異なり、被覆
層は高密度で、低飽和水分含有量SiOx である。より
高い屈折率層を実現するために、層401及び402は
1回又は複数回くり返される。当業者は、所望のファセ
ット反射率を得る目的で、ファセット被覆のための適切
な対の数及び厚さをいかに決めるかを知っている。
【0030】図3の実施例は例を示すだけで、他の実施
例も考えられる。たとえば、図1の型のふたは、機械的
保護のためになお形成できるが、窓をふたにハーメチッ
ク的に接合する必要はなく、ふたを基盤に、ハーメチッ
ク的に接合する必要はない。明らかに、ハーメチックの
必要がなくなることにより、たとえば歩留りが増すこと
によって製造価格が下がり、価格の高い部品や接合法の
使用が減ることにより、アセンブリ及び試験価格が下が
る。
【0031】図5は本発明に従うレーザモジュールのも
う1つの例を、概略的に示したもので、数字50は(必
要に応じて設ける)保持手段をさし、51はレーザ33
の機械的保護用の一定量のポリマ(たとえばシリコン−
ポリイミド共重合体)をさす。当業者はポリマ(エポキ
シを含む)は水蒸気及び他の気体に対して、典型的な場
合比較的浸透性があり、一般にレーザに対してハーメチ
ックな環境を作らないことを知っている。
【0032】図6−図7は非ハーメチック条件下で動作
する30%低屈折率(LR)、70%高屈折率(HR)
ファセット被膜を有するいくつかの従来技術について
の、経年変化のデータを示す。レーザダイオードは1.
3μmで放射する従来のマルチモードInPを基本とし
た埋込みヘテロ構造ダイオードであった。それらは本質
的に図1に示されるように、従来のハーメチックパッケ
ージ中に組立て、続いて従来のように焼き入れた。焼き
入れしたデバイスのみを、更に経年変化させた。25℃
及び85℃における評価の後、レーザモジュールはふた
の側に開口を作ることにより、非ハーメチックになっ
た。25℃における再評価の後、デバイスを従来の経年
変化容器中にセットした。容器が85℃/90%相対湿
度(RH)における平衡に達した後、30mAのバイア
ス電流を、各デバイスに供給した。バイアス電流は、8
5℃におけるレーザ閾値より低かった。適切な回数で、
デバイスを容器からとり出し、従来のL−I−V特性を
25℃で測定した。一連の測定が完了した後、デバイス
は経年変化容器に戻し、経年変化を続けた。
【0033】図6は本質的に図2に示されるような従来
のYSZLR及びYSZ/SiHRファセット被膜を有
するレーザダイオードを含むいくつかのモジュールにつ
いての経年変化のデータを示し、図7はY−ドープAl
23 LR及びAl23 /SiHRファセット被膜を
有するレーザダイオードを含むモジュールについての、
そのようなデータを示す。データは、非ハーメチック条
件下で動作した従来技術のレーザの特性が、次第に劣化
していくことを明らかに示している。
【0034】図8は30%YSZLR及び70%YSZ
/SiHRファセット被膜を有するレーザダイオードを
含むハーメチックレーザモジュールについての類似の経
年変化のデータを示し、図9は高密度(中性)SiOx
ファセット被膜を有するレーザダイオードを含み非ハー
メチックレーザモジュールについての類似のデータを示
す。“中性”ファセット被膜ということでは、ファセッ
トの反射率に本質的に影響を及ぼさない被膜を意味し、
“ハーメチック”ということでは、ふたに開口が形成さ
れないことを除いて、上述のように生成したモジュール
を意味する。図8及び図9が示すように、ハーメチック
YSZ−被覆レーザモジュールと新しい高密度SiOx
で被覆したファセットを有する非ハーメチックレーザモ
ジュールの経年変化には、あったとしても、ほとんど違
いはない。更に、図6及び図7のデータと、図9のデー
タを比較すると、新しいSiOx 薄膜を従来のYSZ又
はY−ドープAl23 ファセット被膜に置き代えるこ
とから生じた、本質的な改善が明らかになる。
【0035】上述の非ハーメチックモジュールを175
0時間経年変化させ続けると、図9に示された高密度S
iOx ファセット被膜を有するレーザを含むモジュール
を除き、すべての非ハーメチックモジュールが故障し
た。
【0036】当業者は、図6−図9に示された型の経年
変化データは、レーザの予想される寿命を見積もるのに
使用できることを知っている。たとえば、本発明に従う
非ハーメチックレーザの例は、上で規定されるような高
信頼性レーザのすべての条件にあうか、越えることがで
きる。更に、デバイスは45℃/50%RHにおいて、
15年間で1000FITより少ないという瞬時障害率
の条件にもあい、やはり45℃/50%RHにおいて1
5年間でデバイスの5%以下が故障するという条件にも
あう。
【0037】本発明に従う好ましいレーザは、たとえば
飽和水分含有量という点で測った高品質SiOx 薄膜を
含む。知る限りにおいて、従来技術はどのようにしてそ
のような薄膜を得るかということだけでなく、堆積条件
の適切な選択により、そのような薄膜が得られる可能性
も示していない。薄膜の品質の1つの尺度は、屈折率と
薄膜の厚さの安定性で、高い安定性は高密度材料である
ことを示す。
【0038】たとえば、(100)Siウエハ上に垂直
から15゜ずれた方向から堆積させたSiO薄膜(名目
上の基板温度0℃、堆積速度1.4nm/秒、容器圧1
×10-10 Torr)の0.6328μmにおける初期
屈折率は1.98であったが、60時間室温の脱イオン
水中に浸した後では1.94であった。それに対し、本
質的に垂直入射ビームであること以外は上述のように堆
積させた薄膜は、初期屈折率が1.988で、同じく浸
した後で1.987であった。
【0039】また、基板温度Ts を増すか、又は与えら
れたTs において堆積速度を減少させることにより、典
型的な場合、屈折率は増加し、希釈HF溶液中での薄膜
のエッチング速度は減少することも見い出した。これら
の両方とも、薄膜密度の増加を示している。従って、好
ましい実施例において、Ts は0−200℃の範囲内で
ある。
【0040】望ましいプロセス条件の中には、好ましく
は1.5nm/秒といった比較的低い堆積速度もある。
本質的な垂直入射により、適切な低堆積速度(たとえば
SiO薄膜の場合0.2nm/秒)で堆積させたSiO
x 薄膜は、たとえ99℃の脱イオン水中に192時間浸
しても、本質的に水を吸収しなかった。このことは、通
常のスペクトロメータ(マトソンモデル・シリウス10
0)を用いたフーリエ変換赤外(IR)吸収スペクトロ
スコピーによって確認された。3000cm-1ないし3
700cm-1の吸収スペクトルは、SiOx 薄膜中に吸
収された水についての情報を与えることが知られてい
る。典型的な場合、≧1.5nm/秒といった比較的高
い堆積速度で堆積させた薄膜は、しばしば信頼性ある非
ハーメチックレーザ用として有用であるほど、十分な密
度でない。
【0041】0.022インチ厚の5cm径両面研摩の
従来通りの(100)Siウエハ上に、薄膜を堆積させ
た後、薄膜を150℃において48時間、空気中でベー
クした。IR吸収スペクトルをとった後、薄膜を99℃
の脱イオン水中に、16、48、96及び192時間浸
した。水槽からとり出して30分以内に、スペクトルを
とった。
【0042】図10は190nm厚SiO薄膜(Ts
100℃、堆積速度1.1nm/秒、O2 過剰圧なし)
及びSi基板のIRスペクトルの関連した部分を示し、
数字101、102及び103はそれぞれベークされた
SiO薄膜、99℃の水中に192時間浸した後のSi
O薄膜及びSi基板をさす。OH- /SiOH吸収ピー
クの増加は、水分の吸収を示す。薄膜の水分含有量の増
加は、最初3000ないし3700cm-1間の面積を、
膜厚(薄膜を99℃の水に浸すことにより、約0.1n
m/時間の速度で、薄膜は薄くなった)で規格化し、次
に一定面積である610−620cm-1の2−フォトン
基板吸収帯の面積に対し、この比をとることにより定量
化した。結果は図11に示されており、約20μm-1
ら約30μm-1の飽和値まで、規格化された水含有量の
最小増加量を示している。
【0043】上述の実験プロセスにより、薄膜が標準的
な厚さの二面研摩Si基板上に堆積される限り、(他の
誘電体薄膜と同様)SiOx 薄膜の水分含有量の数値が
得られる。出願人は0.022インチ厚のウエハを用い
た。このプロセスは、半導体基板上の与えられた誘電体
薄膜(たとえばレーザファセット被膜)が、好ましい薄
膜の低飽和水分量にあうか否かを決めるために、容易に
使用できる。
【0044】同じ技術により、従来通りに堆積させたま
まのPECVD SiO2 薄膜(Ts =325℃、1
3.56MHz、100W/cm2 、2Torr圧、1
50cc/分TEOS(テトラエチルオルトシリケー
ト)及び7000cc/分のO2)の水分含有量も測定
し、100−300μm-1オーダーの規格化された水分
含有量を得た。このように、飽和したSiO薄膜は、た
とえ1.1nm/秒の比較的高い速度で堆積させても、
従来どうりに堆積させたままのPECVD SiO2
膜の水含有量の約3分の1以下にできる。もちろん、高
温の水に従来のSiO2 薄膜を浸すと、規格化された水
分含有量の観測値は、本質的に増加する。適切な条件
(たとえばO2 過剰圧)下で堆積させたSiOx 薄膜
は、SiO薄膜で観察された結果と類似の結果を生じ、
より低い堆積速度はやはり、典型的な場合、飽和含有量
を減少させる。
【0045】堆積速度が0.2nm/秒の時は、(我々
の測定技術の感度内で)水分感度は全体に無かった。図
12及び図13は、それぞれ0℃、25℃、100℃及
び200℃の名目Ts 、0.2nm/秒で堆積させたS
iO薄膜について、また“ベークされた”薄膜及び99
℃の水に、16、48、96及び192時間浸した後の
SiO薄膜について、屈折率及び厚さのデータを示す。
図12及び図13は堆積温度の変化を含むウエハ処理の
関数として、本質的に変化がなく、水分の上昇は無いこ
とを示している。更に、IRスペクトロスコピーは、水
分の吸収を示さなかった。0.5nm/秒又はそれ以下
の堆積速度では、本質的に同様の結果が得られ、1.5
nm/秒又はそれ以下では、低水分吸収薄膜が得られる
と確信する。
【0046】ラザフォード後方散乱スペクトロスコピー
は、上述のように生成したSiOx薄膜は、典型的な場
合、アモルファスで、測定技術の分解能(〜5%)内
で、化学量論的に均一であることを確認した。そのよう
な均一性は望ましく、特に低水分増加が望ましい場合に
は好ましい。Ts≦300℃でO2 過剰圧なしで堆積さ
せた薄膜はSiOで、O2 過剰圧ではSiOx (1<x
<2)が得られた。
【0047】SiOx 薄膜はまた、GaAs及びInP
ウエハ上にも成長させ、Si上に成長させた対応する薄
膜と、本質的に同様の特性をもつことがわかった。薄膜
は典型的な場合空孔及び<108 cm-1及び寸法2−3
nmという透過電子顕微鏡の検出限界内で、異なる結晶
又はアモルファス相は含まない。これらの有利な特性
は、従来技術の結果では示唆されない。(たとえば、エ
イ・ピー・ブラッドフォード(A.P.Bradford)ら、ジャ
ーナル・オブ・ザ・オプティカル・ソサイエティ・オブ
・アメリカ(J. of the Optical Soc. of America) 第
53(9)巻、1096頁(1963))ここでは低速
(たとえば<0.5nm/秒)及び比較的高いO2
(8−10×10-5Torr)で堆積させた薄膜は、主
としてSi23から成り、多相薄膜であることが示され
ている。
【0048】この堆積方法の非常に望ましい方法は、半
導体基体を大気に露出することなく、2ないしそれ以上
のプロセス工程を容易に行える手段が得られることであ
る。工程の1つは、SiOx 薄膜の堆積で、もう一方の
工程は典型的な場合、たとえばIII/V半導体材料の
堆積といったより早い工程である。2チャンバ・リベー
ル・MBE32システムを用い、1つのチャンバはII
I−Vエピタキシーに、もう一方はSiOx の堆積に用
いた。試料を、真空下で一方のチャンバから他方へ移動
させるための手段も備えている。SiOx 堆積チャンバ
は、イオンポンプ及び2200l/秒ターボポンプをも
ち、後者はSiO設定の最初の清浄化のために望まし
く、SiOはその典型的な高純度(たとえば5N)にも
かかわらず、典型的な場合ガス放出する。ガス出しの
後、チャンバ中へのO2 の漏れなしに、イオンポンプは
チャンバ圧を1×10-10 Torr以下に保ち、噴出セ
ル温度を1200℃にした。薄膜堆積は典型的な場合、
1050−1150℃の範囲のセル温度で、Ts ≦30
0℃で行った。分子流はイオンゲージにより、従来の方
式で決めた。ゲージをしばしばガス出しすることは、再
現性よい結果を得るために望ましい。典型的な場合、1
-5−10-7Torrで、制御されたリークバルブによ
りチャンバ内に酸素を導入することにより得られる酸素
過剰圧は、酸素含有量を変えるため、従って堆積物の屈
折率を変えるために使用できる。堆積チャンバにはま
た、ロードロックが備わっており、それによりチャンバ
を大気に開くことなく、試料を導入することが可能であ
る。
【0049】更に、必要に応じて行う有利な点は、Si
及びOを含むビームを供給するための手段として、噴出
セルを用いることである。噴出セルを用いることによ
り、非常に低い粒子密度を有するSiOx 薄膜の堆積が
容易になり、従来の堆積技術の1つの歩留りを下る欠
点、すなわち粒子“吐き出し”を本質的に除く。SiO
x薄膜はまた、噴出セルからSiO及びSiO2 を同時
に蒸発させることによっても形成できる。
【0050】非ハーメチック高信頼性レーザは、本発明
の唯一の実施例というわけではない。たとえば、他の実
施例では、本発明のプロセスに従って生成した高品質S
iOとSiO2 の間のHF溶液中での観測された著しい
エッチング速度差を、利用する。本発明によるSiOの
10%HF溶液中でのエッチング速度は、従来のように
堆積させたPECVD SiO2 (Ts =300℃)の
それより著しく低く、Ts の増加とともに減少する。本
発明のSiO薄膜は、測定技術の限界内で、通常の緩衝
HF溶液中では、全くエッチングされなかった。従っ
て、本発明の薄膜は、半導体デバイス作製におけるマス
ク層として使用できる。たとえば、そのような薄膜は、
あらかじめ決められたパターンを規定するために、Si
Oパターンを用い、PECVD SiO2 を多段階エッ
チプロセスにおける除去可能な選択マスクとして用いる
ことによって、自己整合パターン形成に使用できる。た
とえば、CH4 /H2 反応性イオンエッチングを用い、
SiO及びPECVD SiO2 をマスクとして用い、
InP基板上に3μmの深さのメサをエッチングし、従
来のOMVPEにより、メサの周囲にInPを再生長さ
せた。
【0051】本発明のプロセスに従って生成した高品質
SiOx 薄膜の他の用も、考えられる。それらの中に
は、たとえばLED、検出器及び太陽電池といった非ハ
ーメチックレーザ以外の光−電子デバイス上の光学的被
膜とともに、レンズのような光学部品上の光学的被膜が
ある。更に、半導体又は誘電体(たとえば、ニオブ酸リ
チウム)の表面を不活性するために、高品質SiOx
膜を用いること、FETのゲート酸化物、バイポーラト
ランジスタ中の誘電体、抵抗電界シールド、容量用の高
誘電定数薄膜としての使用も考えられる。
【0052】更に、SiOx 薄膜の特性は、具体的な要
件にあうように、ドーピングによって容易に調整でき
る。これはたとえば、層堆積中、1ないし複数のビーム
をつけ加えることにより、実現される。たとえば、Si
2 、Si34 、N2 、GeH4 、PH3 、B2
3 、O2 、AsH3 、SiH4 、NF3 又はB26
いったドーパントは、通常の噴出セル又はリークバルブ
から供給でき、たとえば屈折率、光学損、抵抗率又はイ
オン拡散性といった所望の値を得るために使用できる。
更に、上述の堆積技術の特徴は、Al23 、YSZ、
TiO2 、Si34 、SiOxy 及びBaTiO3
といった他の誘電体の堆積にも適用でき、これら材料の
特性が改善される。
【0053】誘電体/半導体界面における機械的応力
は、禁制帯中央の界面準位キャリヤ密度と相関があるこ
と及び応力の存在は誘電体薄膜の拡散障壁としての能力
に影響を及ぼすことが、知られている。従って、本発明
に従うSiOx 薄膜の応力状態を、あらかじめ決めら
れ、堆積中の酸素分圧により、容易に制御できることは
有利である。このことは図14に示されており、これは
Si基板上のSiOx 薄膜についてのO2 分圧の関数と
して応力のデータ例を示す。この図で、応力は約2×1
-6Torr以下のO2 分圧に対しては伸張性で、約2
×10-6Torr以上のO2 分圧に対しては圧縮性であ
る。同様の振舞いは、GaAs及びInP基板上でも観
測される。
【0054】本発明に従うレーザは、ファセット被覆条
件を、上述のように、高品質(低水分含有量)薄膜を生
じるように選択するなら、任意の適切な従来技術によ
り、作製できる。従来技術のレーザについては、たとえ
ばエス・イー・ミラー(S.E.Miller)ら編、“光ファイ
バ遠距離通信II”アカデミック・プレス(198
8)、特に13章を参照のこと。本発明に従うレーザ
は、1.3μmの発光波長に限定されず、任意の所望の
波長において発振でき、典型的な場合、可視及び近赤外
を含むスペクトル領域で発振できることが、理解できる
であろう。
【0055】たとえば、従来の1.3μmキャップメサ
埋込みヘテロ構造(CMBH)レーザを、ウエハ薄化、
接触電極堆積及びウエハの棒へのへき開を含む従来の方
式で、InPウエハ上に作製した。へき開面は、レーザ
ファセットである。棒を従来の固定具中にセットした
後、棒はリベール堆積システムに関して先に名づけたロ
ードロック中に挿入した。ロードロックを<10-6To
rrにポンプで引いた後、レーザ棒を堆積チャンバ中に
移した。そこで、約0.35μm厚のSiO薄膜を、棒
の1ファセット上に、本質的に垂直な入射で堆積させ
た。Ts は約100℃、堆積速度は1.2nm/秒、チ
ャンバ中のバックグランド圧力は、6.5×10-11
orrであった。堆積が完了した後、固定具をチャンバ
からとり出し、棒のもう一方のファセットが露出するよ
う180゜回転し、チャンバ中に再びセットした。本質
的に上述のように、もう一方のファセット上に、0.3
5μm厚のSiO薄膜を堆積させた。ファセット被膜の
堆積が完了した後、棒をチャンバからとり出し、通常の
手段により、個々のレーザダイオードに分離させた。レ
ーザはサブマウント上に接着し、サブマウントはパッケ
ージ中に接着し、レーザの活性層側をパッケージにワイ
ヤボンディングした。すべて従来の方式で行った。続い
て、大気又は高温又は高湿と接したレーザの動作を含む
本質的に上述の方式により、レーザを試験した。試験結
果は、非ハーメチックレーザは、従来のYSZファセッ
ト被膜を有する類似のハーメチック比較用レーザと、本
質的に同じ予想寿命をもつことを示した。
【0056】上で簡単に述べたように、本発明に従うS
iOx 薄膜の応力状態は、典型的な場合O2 圧である堆
積パラメータを、適切に選択することにより、広い範囲
で変えられる。本発明に従うSiOx 薄膜の特性は、技
術的に本質的な重要さをもつ。なぜなら、半導体(例え
ば、Si、GaAs、InP)基板上に、低応力誘電体
層を形成できることは、次第に重要さが増しているから
である。例えば、ワイ・エス・オベング(Y.S.Obeng)
ら、エイ・ティ・アンド・ティ・テクニカル・ジャーナ
ル(AT&T Technical Journal)第73巻、94頁(19
94)を参照のこと。
【0057】集積回路又は他の半導体デバイスを作製す
ることは、電気的絶縁、表面不活性化又はマスキングと
いった目的のため、本質的にいつも半導体材料上に、誘
電体薄膜を形成することを必要とする。そのような誘電
体薄膜中の真性及び熱的両方の機械的応力は、信頼性と
大きな関係がある。なぜなら、応力は空孔の形成、クラ
ック生成、固着性の劣化、剥離又は脱離の原因となり、
最終的には回路/デバイスの完全な機械的損傷の原因と
なりうるからである。多層メタライゼーション中で用い
られる誘電体薄膜中の応力は、典型的な場合Alである
コンタクト・メタライゼーション中の応力移動のため、
信頼性の問題を引き起こす。
【0058】基板の変形及び歪は、上の誘電体薄膜中の
応力から、必然的に生じ、それが重大な結果を引き起こ
しうる。例えば、ULSI技術においては、Siウエハ
のわずかな曲がりも、デバイスパターンの規定における
精密な許容範囲を保つという点に関して、重要な問題を
起こす。これらの理由及び他の理由により、本質的に応
力を除去することを含み、応力の調整を可能にする半導
体材料上への適切な誘電体層の堆積方法を得ることが、
非常に望ましい。
【0059】上で述べたように、適切に形成されたSi
x (1≦x<2)薄膜は、水分の吸収に対して本質的
に鈍感であることを含み、良好な誘電体の所望の特性の
ほとんどをもつ。更に、かつ重要なことは、半導体(例
えば、Si、GaAs、InP)基板上のSiOx 薄膜
の応力状態は、典型的な場合酸素圧である堆積条件の適
切な選択により、調整できることである。
【0060】半導体基板上の誘電体薄膜中の応力は、一
般に真性成分と熱的成分をもつ。前者は一般に、薄膜及
び基板間の格子不整、薄膜中の不純物及び欠陥、堆積条
件、薄膜及び基板間の相互作用の結果である。熱的成分
は、一般に薄膜及び基板の熱膨張係数差による。
【0061】出願人は5cm径のSi、GaAa及びI
nPウエハの(100)面上に、SiOx (厚さ250
nm)の薄膜を堆積させ、レーザ走査技術により、薄膜
堆積前後のウエハの曲率を測定することによって、応力
を決めた。データ処理とともに測定技術は、従来のとう
りである。薄膜は上述の分子線堆積システムにおいて、
本質的に上述のように堆積させた。システム中のバック
グランド圧力は、1×10-10 Torr以下、原料温度
は1050−1150℃で、基板温度は20−300℃
の範囲であった。薄膜の特性は、基板温度及び堆積速度
(0.3−1.2nm/秒の範囲で)には、ほとんど依
存しなかった。酸素なしの堆積では化学量論的組成のS
iO、酸素過剰圧での堆積では、SiOx (x>1)を
生じる。
【0062】図15は堆積したまま、及びN2 中375
℃、45秒でのアニール後の両方についての酸素圧に対
するSi上のSiOx の真性応力の依存性に関するデー
タを示す。図からわかるように、酸素過剰圧なしで堆積
させたSiO薄膜は、中程度の張力状態にある。測定さ
れた応力は、90MPaで、半導体回路及びデバイスに
用いられる他の誘電体薄膜中で、典型的に観測される応
力(通常>200MPa)の、半分以下である。O2
剰圧を増すと、伸張性応力は減少し、O2 が約4×10
-7Torrで約15MPaの無視しうる値に達した。更
にO2 過剰圧を増すと、応力は圧縮性になった。従っ
て、O2 過剰圧を適切に選択すると、SiOx 薄膜中の
応力は、本質的にゼロ応力を含め、所望の水準に調整で
きる。
【0063】図15はまた、N2 中375℃において4
5秒の急速熱アニール(RTA)を行った薄膜について
のデータも示す。アニールにより、これらの薄膜中の応
力に、ある程度の変化が生じ、約7ないし40MPaの
間で変化した。
【0064】同様の測定は、GaAs及びInPウエハ
上のSiOx 薄膜に対しても行った。O2 過剰圧がない
と、応力はそれぞれ90及び80MPaで、O2 過剰圧
を増すと、同様の変化をした。SiO/InPウエハの
RTAにより、伸張性応力は、20MPaだけ増加し
た。出願人の測定により、Si、GaAs及びInP上
のSiOx について、同様の結果を得た。更に、例えば
InGaAs、InGaAsP又はInAlPといった
GaAs及びInPのIII−V合金及び他のIII−
V半導体上のSiOx について、同様の結果が期待され
る。
【0065】また、Si、GaAs及びInP上のSi
Oについて、温度に対する熱応力の増加の平均速度も決
め、このパラメータは、SiO2 及びSi34 のよう
な従来の誘電体の場合より、SiOの場合に、本質的に
低いことを、見い出した。具体的には、Si、GaAa
及びInP上のSiOに対し、パラメータはそれぞれ
0.08、0.44及び0.23MPa/℃であること
が、わたかった。これはSi、GaAs及びInP上の
SiO2 についてのそれぞれ、0.25、0.52及び
0.35MPa/℃、Si、GaAs及びInP上のS
34 についてのそれぞれ0.65、1.75及び
1.10MPa/℃という既知の値と、比較できる。従
って、SiOx の真性応力が、典型的な場合Si及びI
II−V基板上のSiO2 及びSi34 のそれより低
いだけでなく、熱的応力もまた、SiOx では本質的に
低くできる。これは半導体上の誘電体としてのSiOx
のつけ加わる利点である。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術の(ハーメチック)レーザモジュール
の例を概略的に示す図。
【図2】従来の前面及び裏面ファセット被膜及び接触手
段を含む従来技術の半導体レーザを概略的に描いた図。
【図3】本発明に従うレーザモジュールの例(非ハーメ
チック)を概略的に示す図。
【図4】前面及び裏面ファセット被膜及び接触手段を含
む本発明に従う半導体レーザの例を、概略的に描いた
図。
【図5】非ハーメチックレーザモジュールのもう1つの
例を概略的に示した図。
【図6−図7】1.3μmで放射する従来技術のレーザ
の例の経年変化のデータを示す図。
【図8】YSZファセット被膜を有するハーメチックレ
ーザの例についての経年変化のデータを示す図。
【図9】SiOファセット被膜を有する類似の非ハーメ
チックレーザについての経年変化のデータを示す図。
【図10】温水に浸す前及び浸した後の本発明に従うS
iO薄膜及びシリコンについてのスペクトル的なデータ
を示す図。
【図11】温水中の薄膜の浸透時間対SiO薄膜の水含
有量のデータを示す図。
【図12】SiO薄膜の処理温度の関数として、0℃な
いし200℃の基板温度において堆積させたSiO薄膜
の、屈折率及び厚さをそれぞれ示す図。
【図13】SiO薄膜の処理温度の関数として、0℃な
いし200℃の基板温度において堆積させたSiO薄膜
の、屈折率及び厚さをそれぞれ示す図。
【図14】酸素含有量の関数として、SiOx 薄膜中の
応力のデータを示す図。
【図15】酸素含有量の関数として、SiOx 薄膜中の
応力のデータを示す図。
【符号の説明】
10 レーザモジュール 11 基盤 12 レーザサブマウント 13 レーザ 14 ふた 15 窓 16 光検出器 171〜174 ピン 18 銅放熱器 20 半導体基体 21 活性領域 22 裏面ファセット被膜 221 YSZ層 222 Si層 23 前面ファセット被膜 24、25 接触手段 33 レーザ 40 ファセット被膜 401 ファセット被膜、層 402 層 50 保持手段 51 ポリマ 101 ベークされたSiO薄膜(についてのデー
タ) 102 99℃の水中に浸した後のSiO薄膜(につ
いてのデータ) 103 99℃の水中に浸した後のSi基板(につい
てのデータ)
フロントページの続き (72)発明者 ロバート ベネディクト コミッゾリ アメリカ合衆国 08502 ニュージャーシ ィ,ベルミード,ニッカーボッカー ドラ イヴ 95 (72)発明者 ラトナジ ラオ コラ アメリカ合衆国 07922 ニュージャーシ ィ,バークレイ ハイツ,ワシントン ス トリート 214 (72)発明者 ジョン ウィリアム オーゼンバッハ アメリカ合衆国 19503 ペンシルヴァニ ア,カッツタウン,ウォルナット ドライ ヴ 17 (72)発明者 チャールズ ブレイクリー ロックスロ アメリカ合衆国 08807 ニュージャーシ ィ,ブリッジウォーター,エヴァーグリー ン ドライヴ 1181 (72)発明者 ウォン−ティエン ツァン アメリカ合衆国 07733 ニュージャーシ ィ,ホルムデル,テイラー ラン 8

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 表面をもち、表面上に配置された誘電体
    層(例えば41)を有する半導体基体(例えば20)を
    含む製品において、 誘電体層は組成SiOx (1≦x<2)の材料を含み、
    前記材料は a)材料が水分で飽和するのに十分な時間、99℃の脱
    イオン水中に浸した後、材料は100μm-1以下の水分
    含有量を有するか、又は b)組成SiOx の材料は90MPaより小さい絶対応
    力を有するように選択されることを特徴とする製品。
  2. 【請求項2】 レーザは2つの相対するファセットをも
    ち、前記ファセットのそれぞれの上に配置された前記誘
    電体層(例えば40、401)を有する半導体基体を含
    む半導体レーザ(例えば33)を含む製品において、前
    記レーザは高信頼性レーザで、前記半導体基体は本質的
    にハーメチック封入容器内には配置されず、それによっ
    て前記誘電体層は、大気からの水分に露出される請求項
    1記載の製品。
  3. 【請求項3】 与えられたレーザファセットに付随し
    て、ファセットに垂直な方向があり、与えられたファセ
    ット上の前記SiOx は、与えられたファセットをSi
    及びOを含む粒子ビームに露出することを含む方法によ
    り、堆積させ、ビームに付随して、ビーム方向と、前記
    ビーム方向及び与えられたファセットへの垂直方向の間
    の角があり、前記角は15゜より小さい請求項2記載の
    製品。
  4. 【請求項4】 与えられたファセット上のSiOx は、
    1.5nm/秒を越えない速度で堆積させる請求項3記
    載の製品。
  5. 【請求項5】 前記半導体基体の少なくとも一部は、本
    質的にポリマ材料(51)により被覆される請求項2−
    4のいずれかに記載の製品。
  6. 【請求項6】 前記半導体基体は、非ハーメチック封入
    容器内に配置される請求項2−4のいずれかに記載の製
    品。
  7. 【請求項7】 組成SiOx の材料は、半導体基体の表
    面上に配置された層で、層は i)与えられた流速で封入容器中に酸素を入れられる手
    段を含み、一定量のSiOが容器内で加熱でき、半導体
    基体も容器内に配置できる排気可能な容器を準備し、 ii)容器を排気し、基体上にSiOx が堆積するよう一
    定量のSiOを加熱し、 iii)90MPaより小さい応力の前記絶対値を有する
    SiOx が堆積するような速度で、容器中に酸素が入れ
    られることを含む方法により形成される請求項1記載の
    製品。
  8. 【請求項8】 半導体基体はSi基体又はIII−V半
    導体基体である請求項7記載の製品。
  9. 【請求項9】 堆積させたSiOx は約20MPaより
    小さい応力の絶対値を有する請求項8記載の製品。
  10. 【請求項10】 製品は1乃至複数の電子デバイスを含
    む請求項7記載の製品。
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