GOI < gX c l ù p § ü X ¢ GaAsÑ ÷ Si úT ( a8 ý Ç k ı n É ± n ɶ ¥; c 6 X ¢ ÷ m Ç] M öX ì Ä w ² o
ø ¶ BV · _ @* å ? ∗
ô
Dz D G õ < Æl Õ ü t ½ ¨" é ¶ F g l Õ ü t ½ ¨G ' p'
. > £
¦ 9@ / < Æ § ( É Ó' / B N < ÆÂ Ò (2005¸ 8 Z 4 30{ 9 ~ Ã Î6 £ §)
Smart-cut l Õ ü t` ¦ 6 £ x6 x # GOI J ?s ( ] j \ 9 כ ¹ô Ç J ?s ( f ] X ] X ½ + Ë / B N& ñ s GaAsü < Si J ?s (
\ ¦ s 6 x # ½ ¨÷ &% 3 . íl ] X ½ + Ë ) a J ?s ( \ · ú § 4 ` ¦ l 0 AK " f < É Ê r « Ñ ¦& ñ © u s 6
x ÷ &% 3 . Õ ªo ¦ ] X ½ + ˧ 4 ` ¦ 8 £ ¤& ñ l 0 AK " f shear force 8 £ ¤& ñ © u ] j ÷ &% 3 . ] X ½ + Ë ) a GaAs/Si J ?s ( H 200
◦C \ " f \ P % o ) a Ê ê ì r o ÷ &% 3 . ] X ½ + Ë ) a J ?s ( b # Qt t · ú § H \ P % o : r ¸\ ¦ 7 £ x
r v l 0 AK GaAs/SiO
2/Si f ] X ] X ½ + Ës ¸ ÷ &% 3 . Õ ª õ \ P % o : r ¸ 300
◦C{ 9 M : 70 N_ þ
j@ / ] X ½ + ˧ 4 s % 3 # Q& .
PACS numbers: 81
Keywords: GaAs-on-insulator (GOI), J ?s ( f ] X ] X ½ + Ë, Smart-cut
I. " e  ] Ø
F
g | 9 & h r Ð (optoelectronic integrated circuits: OE ICs)_ ] j ` ¦ 0 AK " f # Q 7 á x À Ó_ ì ø Í ¸^ [ þ t` ¦ s 6 xô Ç s
7 á x| 9 & h (hybrid integration)\ ' aô Ç ½ ¨ Ö ¸µ 1 Ïy '
÷ & ¦ e [1]. F g | 9 & h r Ð6 x ì ø Í ¸^ è [ þ t s ] j
÷
&l 0 AK " f H Ô ¦{ 9 u (lattice mismatch) H ì ø Í ¸
^
s _ ] X ½ + Ës 9 Ã º& h s . Õ ª QÙ ¼ Ð Si s ü @_ GaAs [2], InP [3], SiC [4]\ ¦ l ì ø ÍÜ ¼ Ð H é ß & ñ ~ Ã Ì} s 8
£
x_ \ x ~ Ã Ì} s © Ã º É r l ó ø Í 0 A\ ë ß [ þ t # Qt
H ½ ¨ Ö ¸µ 1 Ïy ' ÷ & ¦ e . é ß & ñ Ó ü t| 9 É r y 7 á x ì r
, : £ ¤ y ì ø Í ¸^ ì r \ " f ¦$ í 0 p x_ p [ j è F g
è \ ¦ ] j ¸ l 0 AK 9 כ ¹ . ´ ú § É r â Ä º 10 nm
?
/t à º µm à ºï r_ · û ª É r ì ø Í ¸^ ~ à Ì} 8 £ xë ß s é ß & ñ Ó ü t
| 9
s ¦ l ó ø Í É r e _ _ & h { © ô Ç Ó ü t| 9 Ð ë ß [ þ t # Q [5].
é
ß & ñ \ x ~ à Ì} _ © à º l ó ø Í_ © à ºü < q 5
p
wô Ç â Ä º \ x ~ Ã Ì} É r MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), MBE (molecular beam epitaxy) ¢ ¸
H CBE (chemical beam epitaxy) ü < ° ú s ¸ ú S X w n ) a \ x
× þ [ > l Z O \ _ K $ í © | ¨ c à º e . ì ø Í \ l ó ø Í 0 A\ + þ
A$ í ÷ & H · û ª É r ~ Ã Ì} s l ó ø Íõ B Ä º É r © Ã º\ ¦ ° ú
, & ñ $ í ¢ ¸ H q & ñ $ í { 9 M : H \ x × þ [ > l Z O s
∗
E-mail: [email protected]
s
6 x| ¨ c à º \ O . s ë H ] j H © à º É r ¿ º l ó ø Í` ¦ f
] X ] X ½ + Ë H J ?s ( ] X ½ + Ël Õ ü t (direct wafer bonding technology) [6]` ¦ s 6 x < ÊÜ ¼ Ð+ K | ¨ c à º e . 7 £ ¤, é ß
& ñ GaAs l ó ø Ís É r © Ã º\ ¦ ° ú H Si l ó ø Í\ ] X ½ + Ë
)
a Ê ê, · û ª É r é ß & ñ GaAs ~ Ã Ì} ` ¦ ] jü @ô Ç Qt GaAs l
ó ø Ís ] j H d Ü ¼ Ð+ GaAs ~ Ã Ì} s Si l ó ø Í 0 A\ ë ß [ þ t # Q
| 9
à º e . s Qô Ç ~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð ì ø Í ¸^ F g è ] j ¸\ & h
½ +
Ëô Ç GaAs-on-insulator (GOI) ½ ¨ ¸ ] j | ¨ c à º e .
GaAs ~ Ã Ì} s Si l ó ø Í 0 A\ + þ A$ í ÷ & H GOI J ?s ( \ ¦ ] j
l 0 AK " f H Smart-cut l Õ ü t s 6 £ x6 x ÷ &# Q ô Ç .
Smart-cut l Õ ü t É r SiO
2] X 8 £ x 0 A\ Si ~ Ã Ì} ` ¦ + þ A$ í # Silicon-on-insulator (SOI) J ?s ( \ ¦ ] j l 0 AK © þ j H \ > hµ 1 Ï ) a l Õ ü t s [7]. s l Õ ü t É r s : r Å Ò{ 9 (ion- implantation) õ J ?s ( ] X ½ + Ë (wafer bonding) l Õ ü t` ¦ l
: r Ü ¼ Ð ¦ e . s : r Å Ò{ 9 / B N& ñ É r SOI ~ Ã Ì} _ ¿ ºa ç H { 9
$ í ` ¦ Ð © K Å Ò ¦, J ?s ( ] X ½ + Ë / B N& ñ É r \ P & h Ü ¼ Ð $ í ©
)
a í ß o} õ z ´o B H ~ Ã Ì} 8 £ x_ ¢ - a# 4 ô Ç & ñ $ í ` ¦ Ð © K ï
r . " f Smart-cut l Õ ü t s Si @ / \ III-V7 á ¤ o½ + Ë Ó
ü
t ì ø Í ¸^ GaAs\ 6 £ x6 x ÷ & , Si l ó ø Í 0 A\ GaAs ~ Ã Ì} s
+ þ A$ í ) a GOI J ?s ( ] j | ¨ c à º e .
GOI J ?s ( ] j ÷ & H õ & ñ É r \ P \ _ K Si l ó ø Í` ¦ { 9
& ñ ô Ç ¿ ºa Ð í ß or v H \ P í ß o (thermal oxidation) /
B
N& ñ [8], PECVD\ ¦ s 6 x # GaAs l ó ø Í_ © 8 £ x  Ò\ { 9
&
ñ ô Ç ¿ ºa _ Ð ñ} õ í ß o} s + þ A$ í ÷ & H / B N7 £ x Ã Ì / B N
-322-
&
ñ [9], { 9 & ñ ô Ç ¿ ºa _ GaAs ~ Ã Ì} ` ¦ ì r o l 0 AK Ã º è
í ß o} ¿ ºa Ð U ·s Å Ò{ 9 ÷ & H s : r Å Ò{ 9 / B N& ñ [10, 11], s : r Å Ò{ 9 ) a J ?s ( É r Si l ó ø Í\ · ¡ # t H J ? s
( f ] X ] X ½ + Ë / B N& ñ [12], ] X ½ + Ë ) a J ?s ( ¦ : r \ " f \ P
%
o H d Ü ¼ Ð+ Ã º è s : r s Å Ò{ 9 ) a 8 £ x s ì r o ÷ & H \ P % o
/ B N& ñ , ì r o ) a ~ Ã Ì} ³ ð s ÷ & H CMP (chemical mechanical polishing) / B N& ñ [13]Ü ¼ Ð ½ ¨$ í ) a .
: r 7 Hë H \ " f GOI J ?s ( \ ¦ ] j l 0 A # GaAsü <
Si J ?s ( íl ] X ½ + Ë÷ &# Q GaAs/Si ½ ¨ ¸ ë ß [ þ t # Qt ¦ ] X
½ + Ë y © ¸\ ¦ ¾ Ó © r v l 0 AK \ P % o / B N& ñ s à º' ÷ &% 3
. Õ ªo ¦ Si ³ ð \ \ P í ß o} s + þ A$ í ÷ & ¦ GaAs ³ ð \ PECVD SiO
28 £ x s 7 £ x Ã Ì ) a Ê ê SiO
2-SiO
2 íl ] X ½ + Ë / B N& ñ Ü
¼ Ð GaAs/SiO
2/Si ½ ¨ ¸ ] j ÷ & ¦ \ P % o / B N& ñ s
½
¨÷ &% 3 . t } Ü ¼ Ð © l ¿ º ½ ¨ ¸\ @ /ô Ç ] X ½ + ˧ 4 s 8 £ ¤
&
ñ H d Ü ¼ Ð+ íl ] X ½ + Ë Ê ê \ P % o : r ¸\ É r ] X ½ + Ë : £ ¤$ í s
q § ÷ &% 3 .
II. ÷ m Ç] M ö õ m Í + s ÇÊ Ý
: r 7 Hë H \ " f 6 x ) a GaAs ü < Si l ó ø Í É r ] X é ß (cleav- ing)` ¦ ~ 1 > l 0 AK " f © 6 x o ) a 2 u ß ¼l Ð × þ ÷ &
%
3 . GOI J ?s ( ] j ) a Ê ê GaAs ~ Ã Ì} É r F g è \
"
f y n C` ¦ r v H F g ¸ Ð Ð s 6 x ÷ &# Q l M :ë H
\
F g < Hz ´s ô Ç . " f p-+ þ A s n-+ þ A GaAs
@
/ \ Wafer Technology _ ì ø Í] X (semi insulating) GaAs J ?s ( × þ ÷ &% 3 . ì ø Í] X GaAs J ?s ( _
&
ñ ~ ½ Ó ¾ Óõ q $ ½ Ó (resistivity), Õ ªo ¦ ¿ ºa H y y (100)
± 0.1
◦õ 1 × 10
7Ω · cm, Õ ªo ¦ 350 µm s % 3 .
ô
Ǽ # é ß & ñ Si J ?s ( _ & ñ ~ ½ Ó ¾ Óõ l $ ½ Ó É r y y
(100)õ 12 × 18 Ω· cm s % 3 . Õ ªo ¦ Borons ¸i ç
)
a p-+ þ A Si J ?s ( H f â s 50.8 mms ¦, ¿ ºa 330 µm s l M :ë H \ q §& h ] X é ß s / ' ° ? [8].
1. Ç k ı n É úT ( a ± n ɶ ¥ «X N Ë
f
] X J ?s ( ] X ½ + Ë É r Ö ¦ % ! 3 ÷ & ¦ ¼ # ¨ î ô Ç [ j& ñ
)
a J ?s ( [ þ t s © : r \ " f ] X Ã Ì] j \ O s ] X 8 ú ¤ ÷ &% 3 ` ¦ M :, " f
Fig. 1. Schematic diagram of the direct wafer bonding mechanism.
Ð Van der Waals j Ë µ\ _ K ² D G è& h § 4 Ü ¼ Ð ] X ½ + Ë
÷
& H & ³ © ` ¦ ´ ú ô Ç . z ´] j 6 £ x6 x \ s 6 x ÷ & H J ?s ( [ þ t É r Si õ GaAs ° ú É r é ß & ñ ì ø Í ¸^ s . J ?s ( ] X ½ + Ës r
)
a Ê ê ç ß _ · ú § 4 s J ?s ( 0 A\ ² D G Â Ò& h Ü ¼ Ð H d Ü ¼
Ð+ ] X ½ + Ë ) a % ò % i É r à º í ? /\ ^ J ?s ( % ò % i Ü ¼ Ð ( 4
R ç ß . Ð: x © : r \ " f % 3 # Q ] X ½ + Ë (bonding) É r © { © y
l M :ë H \ © : r \ " f ] X ½ + Ë ) a J ?s ( ô Ç © É r \ P % o
õ & ñ ` ¦ 5 g ] X ½ + Ë â > _ ½ + ˧ 4 s y © K . Fig.
1 É r f ] X J ?s ( ] X ½ + Ë_ ] X \ ¦ ¸d & h Ü ¼ Ð Ð# ï r .
f
] X J ?s ( ] X ½ + Ë/ B N& ñ \ " f 6 x ) a GaAs ü < Si J ?s (
H > p wô Ç Ä »l 6 x B ] j TCE (trichloroethylene), [
j : r, B jò ø Í` ¦` ¦ s 6 x # íl [ j& ñ ) a Ê ê » 1 Ïs : r à º (18 MΩ) Ð L : F M > [ j' ÷ & ¦, | 9 è Û ¼\ ¦ s 6 x # à º ì
r s | ¸ ÷ &% 3 . Si J ?s ( H BOE (HF : H
2O = 1 : 10) 6 xÓ o\ " f í ß o} s ] j ) a Ê ê Modified RCA (NH
4OH : H
2O
2: H
2O = 1 : 4 : 6) 6 xÓ o 5 Å q \ " f à º ì
r 1 l xî ß [ j& ñ H d Ü ¼ Ð+ ³ ð \ OH
−l + þ A$ í ÷ &# Q 2 ; Ã
º$ í s ÷ &% 3 . Õ ªo ¦ GaAs J ?s ( H H
2SO
4: H
2O
2: H
2O (5 : 1 : 1) 6 xÓ o 5 Å q \ " f 2ì r 1 l xî ß d y ) a Ê ê » 1 Ï s
: r à º Ð [ j' ÷ &% 3 . Õ ª 6 £ § \ Modified RCA 6 xÓ o\
"
f à ºì r 1 l xî ß [ j& ñ ÷ &# Q ³ ð \ OH
−l + þ A$ í ÷ &% 3 .
Modified RCA 6 xÓ o\ " f · p GaAsü < Si J ?s ( H » 1 Ï s
: r à º Ð [ j' ÷ & ¦ | 9 èÛ ¼ Ð | ¸÷ &% 3 . s ] j y y _
J ?s ( H Ä »o s Å Ò Ð> í> h# Q © I \ " f _ á
Ô : r à Ô0 A$ (tweezer)\ ¦ s 6 x # r « Ñ × æd  Òì r \ · ú
§
4 s ÷ &% 3 . s õ & ñ \ " f OH
−l [ þ t s _ íl ] X
½ + Ë ) a ¿ º J ?s ( H Van der Walls j Ë µ\ _ K " f Ð b # Q t
t · ú § H .
© : r \ " f % 3 # Q íl ] X ½ + ˧ 4 É r l M :ë H \ ] X ½ + Ë
§
4 ` ¦ ¾ Ó © r v l 0 AK \ P % o / B N& ñ s à º' ÷ &# Q ô Ç .
Fig. 2 H ì ø Í ¸^ J ?s ( ] X ½ + Ë` ¦ 0 Aô Ç < É Ê r « Ñ ¦& ñ © u
s [14]. ¿ º J ?s ( \ " f ] X ½ + Ë _ ç H{ 9 $ í ` ¦ ¾ Ó © r v
Fig. 2. Photograph of the graphite sample holder for
semiconductor wafer bonding.
l
0 AK Ã º è ½ + Ë ) a J ?s ( H ì ø Í ¸^ J ?s ( ] X ½ + Ë` ¦ 0 A ô
Ç < É Ê r « Ñ ¦& ñ © u \ © Ã Ì ) a . Fig. 2_ 1 l u(dome)
½
¨ ¸ H [ j > h_ ^ ¦ à Ô y y É r j Ë µÜ ¼ Ð ¸# 4 R ¸ r
«
Ñ \ ç H{ 9 ô Ç j Ë µs ì rí ß ÷ &# Q K | 9 Ã º e H ½ ¨ ¸s
. Õ ª Q Ð 8 ç H{ 9 ô Ç · ú § 4 s r ¼ # \ ÷ &> l
0 AK [ j > h_ ^ ¦ à Ô H s · ú > s t © Ã Ì ) a Ðß ¼ E $
u \ ¦ s 6 x # 1 l x{ 9 ô Ç Ðß ¼ Ð ¦& ñ ÷ &% 3 . t } Ü ¼
Ð ç H{ 9 ô Ç ] X ½ + Ë` ¦ 0 AK 30 ì rç ß r « Ñ ¦& ñ © u \ " f · ú
§
4 s K & . Õ ªo ¦ r ¼ # É r r « Ñ ¦& ñ © u \ " f ? /
Ê ê íl ] X ½ + ˧ 4 s 8 £ ¤& ñ ÷ &% 3 . t } Ü ¼ Ð : r ¸ 7 £ x
\
É r ] X ½ + ˧ 4 _ ß ¼l \ ¦ 8 £ ¤& ñ l 0 AK Rapid Thermal Annealing (RTA)\ ¦ s 6 x # íl ] X ½ + Ë ) a r « Ñ[ þ t s y y
_ : r ¸\ " f 60ì rm \ P % o ÷ &% 3 .
2. úT ( a ± n ɶ ¥I í Ä ¤X N Ë U ê s0 n É
© l _ / B N& ñ Ü ¼ Ð ] X ½ + Ë ) a r « Ñ H shear force\ ¦ s 6 x
#
¿ º J ?s ( s _ ] X ½ + ˧ 4 s 8 £ ¤& ñ ÷ &% 3 . s z ´+ « >\
"
f 6 x ) a 350 µm ¿ ºa _ GaAs l ó ø Í_ ß ¼l H 5 mm
× 10 mms ¦, GaAs l ó ø Ís ] X ½ + Ë÷ & H Si l ó ø Í É r 8 H
כ
s 6 x ÷ &% 3 . Shear force H Fig. 3(a) ü < ° ú s Si J ? s
( \ ] X ½ + Ë÷ &# Q e H GaAs J ?s ( _ ô ÇA á ¤ © o
\
÷ &# Q ] X ½ + Ë ) a ¿ º J ?s ( [ þ t s ì r o ÷ &l \ 8 £ ¤& ñ
)
a þ j@ /_ j Ë µ\ _ K & ñ ) a . Fig. 3(b) H : r z ´+ « >\ " f shear force\ ¦ 8 £ ¤& ñ l 0 AK ] j ) a J ?s ( ] X ½ + ˧ 4 8 £ ¤& ñ
© u _ s . Shear force_ ß ¼l H { 9 : r IMADA _
digital force gauge (MODEL DPS-50)\ ¦ s 6 x # 8 £ ¤
&
ñ ÷ &% 3 . 8 £ ¤& ñ ½ + É Ã º e H j Ë µ_ # 3 0 A 0 ∼ 490 N > s t
H à ºf ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð s 1 l x| ¨ c à º e H # î l (translator) 0 A\ ¦& ñ ) a . Õ ªo ¦ 8 £ ¤& ñ | ¨ c r « Ñ H Ê ê Ð s 1 l x ÷ & H
s ß ¼ Ð # î l (micro-translator) 0 A\ ¦& ñ ) a r « Ñ ¦
&
ñ © u \ Z ~ Ê ê, 0 A\ " f A Ð # î l s 1 l x ÷ & " f
¿
º J ?s ( ì r o ÷ & H j Ë µs 8 £ ¤& ñ ÷ &% 3 .
Fig. 3. (a) Schematic diagram showing the method of bonding-strength measurement. (b) Photograph of the tool for measuring shear forces.
3. GaAs/Si úT ( a8 ý ± n ɶ ¥I í Ä ¤X N Ë
J ?s ( f ] X ] X ½ + Ë` ¦ s 6 x # ] j ) a r « Ñ F g è ì
r \ 6 £ x6 x ÷ &l 0 AK " f H y © ô Ç ] X ½ + ˧ 4 ` ¦ t ¦ e # Q
ô Ç [15]. : r 7 Hë H \ " f H GaAs/Si J ?s ( _ ] X ½ + ˧ 4 s
Fig. 3(b)\ ¦ s 6 x # 8 £ ¤& ñ ÷ &% 3 . Fig. 4 H GaAs/Si
½
¨ ¸ Ð ] j ) a 9 > h_ r « Ñ\ " f 8 £ ¤& ñ ) a íl ] X ½ + ˧ 4 s .
Õ
ªa Ë >Ü ¼ РÒ' GaAs/Si_ íl ] X ½ + ˧ 4 s 8.9 ∼ 17.9 N_
#
3 0 A ? /\ ì r í÷ &# Q e ¦ ¨ î ç H ] X ½ + ˧ 4 s 12 Ne ` ¦ · ú à º e
. X <s ' _ f # Q ì r í H Å Ò Ð ] X ½ + Ë ) a â > \ " f
\
V © u 3 l wô Ç < Ê(void)[ þ t s Ò q t^ Ü ¼ Ð+ ë ß [ þ t # Q כ Ü ¼
Ð Ò q ty ) a . ¢ ¸ô Ç Fig. 3(b)\ " f r « Ñ ¦& ñ © u H Ê ê
~
½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ðë ß ¹ ¡ §f s l M :ë H \ ) a shear force_ Ô ¦ç H { 9
ô Ç ì r í Ò q tU ´ Ã º e # Q Õ ª õ X <s ' ì r í f # Q
| 9
à º ¸ e .
© : r \ " f íl ] X ½ + Ë ) a r « Ñ H Van der Waals_ j Ë µÜ ¼
Ð ô Ç ] X ½ + ˧ 4 ` ¦ t ¦ e . íl ] X ½ + Ë ) a r « Ñ H \ P
%
o / B N& ñ ` ¦ : x K " f / B N Ä » ½ + Ës + þ A$ í ÷ &Ù ¼ Ð y © ô Ç ] X ½ + Ë
§
4 ` ¦ ° ú > ) a . Fig. 5 H íl ] X ½ + Ë ) a r « Ñ RTA\ " f 60ì r 1 l xî ß \ P % o ÷ &% 3 ` ¦ M : \ P % o : r ¸_ < ÊÃ º Ð 8 £ ¤
&
ñ ) a ] X ½ + ˧ 4 s . Fig. 4\ " f · ú à º e 1 p w s © : r \ " f í l
] X ½ + ˧ 4 s 12 N r « Ñ H : r ¸ 100
◦C t 7 £ x < Ê
\
] X ½ + ˧ 4 s 30 N t 7 £ x ô Ç Ê ê : r ¸ 8 7 £ x
] X ½ + ˧ 4 s y è ) a . Õ ª õ \ P % o : r ¸ 200
◦C{ 9 M
: íl ] X ½ + Ë÷ &% 3 ~ GaAs/Si J ?s ( H " f Ð ì r o ) a .
] X
½ + Ë ) a ¿ º J ?s ( \ P % o / B N& ñ \ " f ì r o ÷ & H s Ä » H
¿
º J ?s ( _ \ P Ø ½ Ó > Ã º (thermal expansion coefficient;
TEC)_ s (GaAs: 5. 73 10
−6/
◦C, Si : 2.6 10
−6/
◦C) Ð [ O
" î ) a . \ P % o õ & ñ \ " f íl ] X ½ + Ë ) a GaAs ü < Si J ?s (
b # Qt H ë H ] j\ ¦ K l 0 AK " f H \ P Ø ½ Ó > Ã º _ s \ ¦ × ¦{ 9 Ã º e H ¢ - aØ æ8 £ x (buffer layer)` ¦ s 6 x
Fig. 4. Initial bonding strength of GaAs/Si pairs at room
temperature.
Fig. 5. Dependence of bonding strength on annealing temperature of GaAs/Si pairs.
#
GaAsü < Si J ?s ( ] X ½ + Ë÷ &# Q ô Ç . { 9 ì ø Í& h Ü ¼ Ð Si J ?s ( ³ ð \ H 10 - 100 ˚ A_ ; í ß o} s e l M : ë
H \ [8] GaAs/Si J ?s ( ½ ¨ ¸\ " f ] X ½ + Ë \ H SiO
28 £ x s
> r F ô Ç . " f ; í ß o} Ð ¿ º î r SiO
28 £ x` ¦ s
6 x # GaAsü < Si J ?s ( ] X ½ + Ë÷ & H ½ ¨ 6 £ § ] X
\
" f à º' ÷ &% 3 .
4. GaAs/SiO
2/Si úT ( a ± n ɶ ¥I í Ä ¤X N Ë
Fig. 5 \ _ GaAs/Si ] X ½ + Ë É r 200
◦C s © \ " f ] X
½ +
Ë ) a ¿ º J ?s ( \ P Ø ½ Ó > Ã º_ s \ _ K " f ì r o ÷ &
H כ ` ¦ · ú Ã º e . \ P Ø ½ Ó > Ã º_ s \ ¦ F G4 ¤ l 0 A K
¢ - aØ æ8 £ x (buffer layer) Ü ¼ Ð" f ¿ º J ?s ( ³ ð \ { 9 & ñ
¿
ºa _ SiO
2í ß o ~ Ã Ì} s + þ A$ í ÷ &% 3 . $ Si J ?s ( H
\ P
S X í ß Ð\ ¦ s 6 x # 3r ç ß 1 l xî ß í ß o ~ Ã Ì} (3500 ˚ A) s + þ
A$ í ÷ &% 3 [8]. Õ ªo ¦ GaAs J ?s ( ³ ð \ H PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition)\ ¦ s 6 x
#
200 ˚ A ¿ ºa _ Si
3N
4~ Ã Ì} õ 3500 ˚ A_ SiO
xí ß o ~ Ã Ì} s
Y V Ð 7 £ x à Ì÷ &% 3 . PECVD Ð 7 £ x Ã Ì ) a SiO
x H ª | 9 _
í ß o ~ à Ì} ` ¦ % 3 l 0 AK " f \ P S X í ß Ð (thermal oxidation furnace)\ ¦ s 6 x # í ß o} / B N& ñ s à º' ÷ &% 3 [9].
GaAs/SiO
2/Si_ J ?s ( f ] X ] X ½ + Ë õ & ñ É r 6 £ § õ ° ú
. GaAs/Si ] X ½ + Ëõ ° ú É r íl [ j& ñ ` ¦ 2 ; Ê ê ³ ð \ SiO
2~ Ã Ì} 8 £ x s e H ¿ º J ?s ( H y y Modified RCA 6 x Ó
o\ " f ³ ð \ OH
−l + þ A$ í ÷ &# Q 2 ;Ã º$ í Ü ¼ Ð ë ß [ þ t # Q
&
. Modified RCA 6 xÓ o\ " f ? / r « Ñ_ ³ ð É r | 9
è Û ¼ Ð | ¸÷ & ¦ Õ ª s Ê ê_ / B N& ñ É r GaAs/Si J ?s ( _
] X ½ + Ë\ " f 6 x ) a ~ ½ ÓZ O õ 1 l x{ 9 .
Fig. 6 É r GaAs/SiO
2/Si ½ ¨ ¸_ íl ] X ½ + ˧ 4 s 5> h_ r
« Ñ\ " f 8 £ ¤& ñ ) a õ s . GaAs/SiO
2/Si_ íl ] X ½ + Ë
§
4 É r 19.4 ∼ 49.2 NÜ ¼ Ð V , É r # 3 0 A\ ì r í÷ &# Q e ¦ ¨ î
Fig. 6. Initial bonding strength of GaAs/SiO
2/Si pairs at room temperature.
Fig. 7. Dependence of bonding strength on annealing temperature of GaAs/SiO
2/Si pairs.
ç
H ] X ½ + ˧ 4 É r 33.73 N s . s ° ú כ É r GaAs/Si_ íl ] X
½ +
Ë\ " f % 3 # Q ] X ½ + ˧ 4 Ð 2.5C s © ß ¼ . GaAs/Si_ J ?s ( ] X ½ + Ës 200
◦C s © _ \ P % o : r ¸\ " f ì r o
÷
&% 3 l M :ë H \ GaAs/SiO
2/Si_ ] X ½ + ˧ 4 É r 200
◦C s © _
: r ¸\ " f ¸ ÷ &% 3 . Fig. 7 É r 200
◦C Â Ò' 50
◦Cm \ P
%
o : r ¸ 7 £ x | ¨ c M : y y _ : r ¸\ " f ô Ç r ç ß 1 l xî ß
\ P
% o ) a GaAs/SiO
2/Si \ " f 8 £ ¤& ñ ) a ] X ½ + ˧ 4 s . © : r
\
" f íl ] X ½ + ˧ 4 s 33 Ns % 3 ~ r « Ñ H \ P % o : r ¸
300
◦C { 9 M : ] X ½ + ˧ 4 s 2C (68 N) s © 7 £ x ÷ &% 3
. Õ ª Q \ P % o : r ¸ 350
◦C s © { 9 M : H _ Û ¼à Ô ) a
¸ H r « Ñ \ P % o Ê ê\ ì r o ÷ &# Qe % 3 l M :ë H \ ] X
½ +
˧ 4 s 8 £ ¤& ñ ÷ &t 3 l wÙ þ ¡ . s © _ õ РÒ' GaAsü < Si J ?s ( ] X ½ + Ë| ¨ c M : ¢ - aØ æ8 £ x Ü ¼ Ð" f ; í ß o} Ð ¿ º
î r SiO
28 £ x s 6 x ÷ & 300
◦C t ì r o ÷ &t · ú § ¦
½ +
˧ 4 s H GaAs-on-insulator (GOI) J ?s ( ] j | ¨ c à º e
6 £ §` ¦ · ú ¤ . Õ ª Q GOI J ?s ( ì ø Í ¸^ F g è ] j
\ Ö ¸6 x ÷ &l 0 AK " f H ohmic F G` ¦ ë ß [ þ t M : 9 כ ¹ô Ç
\ P
% o : r ¸ (380 - 450
◦C) \ " f ì r o ÷ &t · ú § ) a .
" f SiO
28 £ x_ ¿ ºa \ ¦ þ j& h o < ÊÜ ¼ Ð" f 450
◦C s © _
\ P % o : r ¸\ " f ì r o ÷ &t · ú § H GOI J ?s ( ] j
÷
& H / B N& ñ s > 5 Å q ½ ¨÷ &# Q ½ + É כ s .
III. + s Ç Â ] Ø
F
g | 9 ] X r Ð (OEIC)\ ¦ ½ ¨$ í H X < e # Q" f Ù þ d & h
F g ì ø Í ¸^ è [ þ t` ¦ ] j l 0 AK " f H Si l ó ø Í 0 A
\
· û ª É r GaAs é ß & ñ ~ à Ì} ` ¦ ë ß × ¼ H l Õ ü t s ì ø Í× ¼r 9 כ
¹ . : r 7 Hë H \ " f H f ] X J ?s ( ] X ½ + Ë l Õ ü t` ¦ s 6 x
#
© Ã º_ s H GaAs ü < Si J ?s ( \ ¦ f ] X ] X
½ +
Ë # F g è 6 x GaAs-on-insulator (GOI)\ ¦ ] j
H / B N& ñ l Õ ü t s ^ > & h Ü ¼ Ð Ã º' ÷ &% 3 . : £ ¤ y , : r ½ ¨z ´
\
" f > hµ 1 Ï ) a ì ø Í ¸^ J ?s ( ] X ½ + Ë` ¦ 0 Aô Ç < É Ê r « Ñ ¦
&
ñ © u \ ¦ s 6 x < ÊÜ ¼ Ð+ GaAsü < Si J ?s ( [ þ t s ~ 1 > ] X
½ +
Ë÷ &% 3 ` ¦ ÷ rë ß m , ] X ½ + ˧ 4 ` ¦ ¾ Ó © r v l 0 Aô Ç \ P % o
/ B N& ñ s 6 x s % i . ¢ ¸ô Ç J ?s ( _ ] X ½ + ˧ 4 ` ¦ 8 £ ¤& ñ l
0 AK " f shear force\ ¦ 8 £ ¤& ñ ½ + É Ã º e H © u : £ ¤Z > y
¦î ß ÷ &# Q 6 x ÷ &% 3 .
$ GaAs/Si ½ ¨ ¸\ " f 8 £ ¤& ñ ) a íl ¨ î ç H ] X ½ + ˧ 4 É r 12 N s % 3 . s ô Ç ] X ½ + ˧ 4 É r \ P % o : r ¸\ 7 £ x
÷
&# Q 100
◦C \ " f þ j@ / ÷ &t ë ß : r ¸ 8 7 £ x ÷ & ] X
½ +
˧ 4 s y è÷ &# Q 200
◦C H % \ " f ¿ º J ?s ( ì r o ÷ &% 3
. s ë H ] j\ ¦ K l 0 AK " f Si ³ ð \ ; í ß o} Ð
¿ º î r \ P í ß o} s + þ A$ í ÷ & ¦ GaAs ³ ð \ PECVD SiO
28 £ x s 7 £ x Ã Ì ) a Ê ê SiO
2-SiO
2 íl ] X ½ + Ë / B N& ñ Ü ¼ Ð ] j
) a GaAs/SiO
2/Si ½ ¨ ¸_ ] X ½ + ˧ 4 s 8 £ ¤& ñ ÷ &% 3 . ¦ : r
\
" f ¿ º î r í ß o} ` ¦ ° ú ¦ e H GaAs/SiO
2/Si_ ] X ½ + Ë
§
4 s GaAs/Si_ ] X ½ + ˧ 4 Ð 8 y © ô Ç õ % 3 # Q& .
: r& h Ü ¼ Ð GaAs/SiO
2/Si ½ ¨ ¸ H \ P % o : r ¸ 300
◦
C{ 9 M : t ì r o ÷ &t · ú § ¦ 70 N_ H ½ + ˧ 4 ` ¦ ÐÄ »
¦ e l M :ë H \ 450
◦C s © \ " f ¿ º J ?s ( ì r o ÷ &t
·
ú § ¦ H ] X ½ + ˧ 4 ` ¦ ÐÄ »½ + É Ã º e ¸2 ¤ SiO
2_ ¿ ºa þ j& h
o÷ & GOI J ?s ( F g ì ø Í ¸^ F g è ] j \ 6 £ x6 x
| ¨
c à º e ` ¦ כ Ü ¼ Ð l @ / ) a .
Y c
p w à U Ø ô
[1] P. D. Han and J. Zou, Appl. Phys. Lett. 72, 2424 (1998).
[2] E. Jalaguier, B. Aspar, S. Pocas, J. F. Michaud, M.
Zussy, A. M. Papon and M. Bruel, Electron. Lett.
34, 408 (1998).
[3] E. Jalaguier, B. Aspar, S. Pocas, J. F. Michaud, A.
M. Papon and M. Bruel, in Proceedings of the 11th International Conference on Indium Phosphide and Related Materials (Davos, 1999), p. 26.
[4] L. Di Cioccio, Y. Letiec, F. Letertre, C. Jaussaud and M. Bruel, Electron. Lett. 32, 1144 (1996).
[5] J. L. Pelloie, C. Raynaud, O. Faynot, A. Groullet and J. Du Port de Pontcharra, Microelectron. Eng.
48, 327 (1999).
[6] Q-Y Tong and U. M. Gosele, Semiconductor Wafer Bonding: Science and Technology (John Wiley &
Sons, Inc., 1999), p. 205.
[7] M. Bruel, Electron. Lett. 31, 1201 (1995).
[8] Young Tae Byun and Hyoung Kwon Kim, Sae Muli 46, 297 (2003).
[9] Young Tae Byun, Young Min Jhon and sun Ho Kim, Sae Muli 51, 254 (2005).
[10] Hyoung Kwon Kim, Tae Gon Kim, Sun Ho Kim, Young Tae Byun, Sang Kook Han and Hyoung Joo Woo, in Proceedings of the Optical Society of Korea Annual Meeting 2004 (Chonnam National Univer- sity, 2004), p. 314.
[11] Young Tae Byun, Hyoung Kwon Kim, Tae Gon Kim, Sun Ho Kim, Sang Kook Han and Hyoung Joo Woo, in Proceedings of the Optical Society of Korea An- nual Meeting 2004 (Chonnam National University, 2004), p. 316.
[12] M. K. Lee, M. Y. Yeh, S. J. Guo and H. D. Huang, Jpn. J. Appl. Phys. 38, Part 1, No. 7A, 4041 (1999).
[13] G. J. Pietsch, G. S. Higash, and Y. J. Chabal, Appl.
Phys. Lett. 64, 3115 (1994).
[14] Young Tae Byun, Jae Hun Kim, Seok Lee and Sun Ho Kim, Korea, patent number 10-0507331, 2005.
[15] H. Wada and T. Kamijoh, Jpn. J. Appl. Phys. 33,
Part 1, No. 9A, 4878 (1994).
Experimental Study on Direct Bonding of GaAs and Si wafers for GOI Fabrication
Jong Kook Park and Young Tae Byun
∗Photonics Research Center, Korea Institute of Science and Technology, Seoul 136-791
Jinwoo Park
Department of Electronics Engineering, Korea University, Seoul 136-701 (Received 30 August 2005)
A direct wafer bonding process necessary for GaAs-on-insulator (GOI) fabrication with the ap- plication of smart-cut technology was studied by using gallium arsenide and silicon wafers. In order to apply some pressure on initially-bonded wafer pairs, we used a graphite sample holder for semi- conductor wafer bonding. Also, we designed and fabricated a tool for measuring the shear forces for measuring the bonding strengths between GaAs and Si. The bonded GaAs/Si wafer pairs sepa- rated at an annealing temperature of about 200
◦C. GaAs/SiO
2/Si direct bonding was investigated to increase the annealing temperature, at which bonded wafers did not separate. As a result, a maximum bonding strength of 70 N was obtained when the annealing temperature was 300
◦C.
PACS numbers: 81
Keywords: GaAs-on-insulator (GOI), Wafer direct bonding, Smart-cut
∗
