JPS5855119B2 - マグネシアスピネルの気相成長法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 不発明は化学式がｎ Ｍｇ’ＯＨＡｚ２ｏ ｓ−但しｎ
はＭｇＯのモル数を指す−で表わされるマグネシアスピ
ネルの製造法に関するものであり、さらに詳しく述べる
ならば、一般にＳＯ８（Ｓ ｉ ｏｎ ５ａｐｈｉｒｅ
）と総称されている半導体装置のサファイアに代えて
マグネシアスピネルを気相成長させる方法に関するもの
である。

本発明はさらにこの気相成長を行う装置に関するもので
ある。

ＳＯ８は種々の魅力ある特色を有し、高速論理素子等の
エースとして注目を集めているが、その反面様々の問題
点を有しているので、現在の半導体工業の主流にはなっ
ていない。

その問題点とは次の如きものである。

（１）ホモシリコンエピタキシャル成長に比ベコストが
高い。

この理由としては、（イ）サファイア基板そのものが高
価であること、（０）研磨技術、化学表面処理技術等の
表面処理がサファイアに対しては困難であることがある
。

（２）ホモシリコンエピタキシャル成長に比ベシリコン
活性層の結晶性が悪い。

この原因としては、（イ）サファイア基板の結晶性が悪
いために不安定なＡｔ原子がＰ型不純物としてシリコン
エピタキシャル活性層の中に混入することが考えられる
。

次に、＜ｏ）２ｏｏ〜３００μの厚さのサファイア基板
の上に成長する数μのシリコン層との間の格子不整合に
よって、シリコン層が歪を受けて結晶性が悪くなること
が考えられる。

さらに、ン→サファイアと基板のシリコンとの熱膨張の
差に起因する歪も考えられる。

このようなＳＯ８の欠点を解消するために、２００〜３
００μｍのシリコン基板上に２〜５μｍのサファイア単
結晶膜が形成され、このサファイア単結晶上にシリコン
エピタキシャル活性層が形成されている新規構造の半導
体装置（以下改良ＳＯ８と称する）を本発明者等が既に
提案した。

このような厚いシリコン基板の上に薄いサファイア層を
形成すると、後者の結晶構造は前者によって規制され後
者に近いものになる。

したがって、サファイア層の上のシリコンエピタキシャ
ル層はシリコン基板の上に夜長させた場合に近い状態で
、戒長し結晶性が良好になる。

しかし、本発明者の研究の結果、改良ＳＯ８には次の如
き問題が未解決で残っていることが分かった。

第一に、シリコンの結晶構造（立方晶）とサファイアの
結晶構造（三方晶）の相違による格子不整合がシリコン
エピタキシャル層の結晶性を悪くすることが避けられな
い。

次に、シリコン結晶の熱膨張係数（３，５９ｘ １０
’（１７７１／’Ｃ）とサファイア結晶の熱膨張係数（
８，４０Ｘ１０″″６ｃｒｒＬ／Ｃ）の差異に起因して
、改良ＳＯ８の製造工程でシリコン活性層の結晶性が悪
くなる。

第三に、シリコン結晶の硬度７とサファイア結晶の硬度
９の差異によりクラックが発生しやすくなる。

以上のような難点によって、このシリコンエピタキシャ
ル層ではキャリヤーの移動度が低く、バルクシリコンに
比べて６０ないし７０％にしか達しない。

よって、改良ＳＯ８の素子特性は十分満足すべきもので
はなく、さらに改良を要する問題が残っていることが分
かった。

一般のＳＯ８装置においてサファイアの代りに、シリコ
ンの結晶構造と同一の結晶構造をもつ絶縁材料であるマ
グネシアスピネル結晶（ｎＭｇＯ・Ａｔ２０３）を使用
することが公知である。

このマグネシアスピネル結晶（格子定数ａ＝８．０８０
人）とシリコン結晶（格子定数ａ＝５，４３０人）との
間には格子定数の不一致がある。

しかし、それぞれの（１００面）において、スピネル結
晶の２倍の格子間隔とシリコン結晶の３倍の格子開扉と
はほぼ等しいために、両者の結晶旬には格子不整合はな
く、良好なシリコンエピタキシャル結晶が得られると言
われている。

また、誘電率はサファイア結晶の１０に対してマグネシ
アスピネルは８であるために、薄膜層の場合、マグネシ
アスピネルを用いた方が寄生容量を小さくすることがで
きる。

以上のようなマグネシアスピネルを使用することは一般
のＳＯ８においても、改良ＳＯ８においても望ましいこ
とではあるが、問題はその製、去である。

従来マグネシアスピネルは所定組成のメルトから単結晶
を引上げることにより調製されていた。

しかし、Ａｔ２０３の融点は２０００℃を越えるため上
記メルトの悪寒が高くなり、Ｍｇの蒸発を招く。

この結果、メルトの組成を制御することは甚々困難であ
る。

したがって、本発明はマグネシアスピネルを液相てはな
く気相によって族長させることにより上記問題を解決す
ることを目的とする。

本発明に係る方法（ま、化学式がｎ Ｍｇ ０−Ａ４０
３、但しｎはＭｇＯのモル数、て表わされるマグネシア
スピネルを気相成長させるために、第１流路を流れるＨ
Ｃｔガスと液体又は固体のＡｔとを接触させて、第１反
応ガスを得る段階、第１流路を流れるＨＣｔガスと混合
されないように第２流路を流れるＨＣｔガスと固体のＭ
ｇとを接触させて、第２反応ガスを得る段階、第１反応
ガス、第２反応ガスとＣＯ２ガスとを混合させ、第３反
応ガスを得る段階、及びこの第３反応ガスと単結晶基板
とを接触させる段階を含んでなるものである。

この方法は改良ＳＯ８のサファイアをマグネシアスピネ
ルに代えるために使用するうえで利点が多い。

しかしこの方法は、従来の一般のＳＯ８のサファイアを
マグネシアスピネルに代えるためにも使用可能である。

第１反応ガスを得る段階においては、液体又は固体のア
ルミニウム及び塩化水素ガスを出発材料として用いるこ
とにある。

アルミニウムとしては純アルミニウム（純度９９．９９
９％以上）が使用される。

アルミニウムは固体又は液体状であってその温度は塩化
水素との反応に好都合な温度であって、一般に５００〜
７００℃、好ましくは５００〜６００℃の範囲内である
。

塩化水素ガスは一般に常温に保たれ、加熱されたアルミ
ニウムと接触する。

この接触により次式：％式％（１） なる反応が起こると考えられる。

金属ｋｔを出発材料の一つとして用いることによって、
「ＡｔＣｔ３を用いた場合に生じる出発材料の潮解性」
に起因する問題が防止される。

さらに、ＨＣｔ中に若干存在する水分がＡｔと反応して
Ａｔ２０３を生成させる。

したがって、ＨＣｔの導入によってＳｉ基板が酸化され
Ａｔ２０３単結晶の成長が妨げられることがない。

以上の段階において発生した第１反応ガス−ＡｔＣｔ３
及びＮ２？Ｒ，合ガスと考えられる−をＳｉ基板の領域
まで搬送する。

第２反応ガスを得る段階において、液体又は固体のＭｇ
（ｌ！：ＨＣｔガスを接触させる。

このＨＣｔガスはＡｔと接触するＨＣｔガスとは別の流
路を流れることが必要である。

すなわち、マグネシウムとアルミニウムとは互いに異な
る流路に置かれており、それぞれの接触反応は相互に影
響されずに実施される。

）ＩＣｔガスとの反応条件はＭｇ及びＡｔについて互い
に異なって制御して、良好なマグネシアスピネル結晶を
成長させることが、本発明ノ一つの特色である。

マグネシウムとしては純度が９９．９９９％以上の純マ
グネシウムが使用される。

マグネシウムの加熱温度は５００〜６４０℃が好ましい
。

融点を越えてマグネシウムを加熱スルとその蒸気の発生
が激しくなるから不都合である。

塩化水素ガスは一般に常温に保たれ次式：％式％（２） によりＭｇと反応すると考えられる。

したがって、第２反応ガスはＭｇＣｌ２とＮ２とからな
ると考えられる。

第１反応ガス及び第２反応ガスを基板の方向に搬送する
ためにＮ２ガス又はＡｒ、Ｎ２、あるいはこれらの混合
ガスを使用することができる。

次の混合段階において、第１及び第２反応ガスならびに
ＣＯ２ガスを混合させ、この混合ガスを基板と接触させ
る。

基板はＳＯ８装置の場合にはマグネシアスピネルの単結
晶であり、改良ＳＯ８装置の場合はシリコン単結晶であ
る。

この接触において、シリコン基板は９５０℃ないし１３
５０℃、一般には１０００℃ないし１２７０℃、の温度
に加熱されている。

また、マグネシアスピネル基板は１０００’Ｃ〜１３０
０℃に加熱されている。

両方の場合において加熱温度が下限より低下すると、マ
グネシアスピネルのエピタキシャル成長速度が低く、一
方上限を越えると混合ガスと基板の間に不所望の反応が
起こる。

ＣＯ２による第１及び第２反応ガスの酸化反応は次式： ％式％ （３） であると考えられる。

現混合段階において、三種ガス成分の混合は必ずしも同
時に起こる必要はない。

ＣＯ２と他の成分との混合が遅過ぎると第１反応ガス（
ＡｔＣｔ３＋Ｈ２）と第２反応ガス（ＭｇＣｔ２＋１１
２）との反応が生じ、これらのガスの降温なと、場合に
よっては金属Ａｔ又はへ１ｇの分解の危険がある。

生成した直後のｎ＼１ｇｏ−Ａｔ２０３を基板の上に成
長させる観点からはＣＯ２と他の成分との混合は遅い方
がよい。

上記各種ガスの流量は、Ａｔと接触する）−（Ｃｔは１
Ｘ １０−３〜Ｉ Ｘ １０−１ｒｎＯＺ ／命＊
Ｍ ｇと接触するＨＣ，ａはｌｘ １０−３〜ｌｘ １
０−’ｍｏ、４／ｘｉ。

ＣＯ２は上記ＨＣｔガスの合計流量の２倍ないし３倍が
望ましい。

マグネシアスピネルは、１値が０．１ないし３．５であ
る時に最も安定である。

このようなｎ値のマグネシアスピネルを得るためには、
Ａｔと接触するＨＣｌの流量は０．１〜Ｉ Ｌ／ｒｒｉ
ｙｔ 、 Ｍ ｇと接触するＨＣｌの流量は０．５〜
１７７Ｍ、そしてＣＯ２の流量はＨＣｌの合計流量の２
倍ないし３倍であるのが好ましい。

第１及び第２反応ガスを搬送するための搬送ガスの流量
は、反応管の直径が７Ｑｇｍの場合に、１０ｔ／順〜３
０ｔ／関が望ましい。

本発明のマグネシアスピネルの気相成長装置は、（イ）
１個以上のＨＣｔガス導入口を具えた反応管、（に）一
端が前記ＨＣｔガス導入口の何れかに連結され他端が反
応管イ内に開口する第１中空体、（ハ）第１中空体口の
内部に配置されたＡｔの保持器、に）一端が前記ＨＣｔ
ガス導入口の何れかに連結され他端が反応管イ内に開口
する第２中空体、（ホ）第２中空体二の内部に配置され
たＭｇの保持器、（へ）、Ｕノ加熱手段、（ト）Ｍｇの
加熱手段、（７）反応管イ内において、第１中空体口及
び第２中空体二のそれぞれの開口部に向かい合って配置
された基板支持台、（’Ｊ）第１中空体口及び第２中空
体二の開口部から基板支持台六までの何れかの部分で前
記反応管イ内に開口するＣＯ２導入管を含んでなり、（
２）材料ガス生成領域を電気炉により、成長基板領域を
高周波により加熱することを特徴とする。

Ｍｇの保持器ホが前記ＨＣｔガスの流れ方向で見てＡｔ
の保持器ハに対して前方又は後方に配置されていること
が好ましい。

上記装置のＨＣを導入口は通常２個設けられており、そ
れぞれがＡｔ８￥持用中空体及びＭｇ保持用中空体に連
結される。

また、場合によっては１個のＨＣを導入口が上記２個の
中空体に連結されることもある。

上記２個の中空体は各種方法によるその構成法が可能で
ある。

例えば、２本の管を反応管内に並列に配置してもよく、
１本の管の内部をその長軸に旧って分割してもよく、大
小２本の管を同軸状に配置してもよい。

２個の中空体の構成方法は、その内部を流れるそれぞれ
のガスが上述の開口端を出たところで相互に混合するよ
うな構成法であれば、いかなるものであってもよい。

Ａｔ及びＭｇの各保持器はＨＣｔガス流方向において偏
位配置されており、また相互に独立の加熱手段を具えて
いるのが好ましい。

このために、ｋｔ及びＭｇは相互に違なる最適反応温度
に加熱される。

以下、本発明の気相エピタキシャル成長装置の具体例を
図面に基づいて説明する。

図面は横型の気相成長装置を示す断面図であって、石英
反応管１の中において小管２が固定されている。

小管２は隔壁２ａによって二重されており、上部中空体
２ｂ及び下部中空体２Ｃが隔壁２ａによって形成されて
いる。

それぞれの中空体２ｂ 、２ｃは半円形断面を有する。

小管２の一端は石英反応管１を貫通する塩化水素管４と
連通しており、他端は反応管１の中に開放している。

隔壁２ａはＨＣｔガス導入管４の中に伸びており、管４
の内部を二つの流路に分割している。

Ｈｅ 。Ａ ｒ ｌ Ｎ２の１種以上のガスとＨ２ガス
からなる搬送ガスを管４の中にＨＣｌとともに流すこと
ができる。

分割された２本の流路の流量及びガスの種類を相互に異
なったものにすることができる。

図示された具体例では、小管２が配置された領域におい
て反応管１との間にほぼ二重同心管状の構造が形成され
ている。

しかし、必ずしも二重同心管構造を採剛する必要はない
。

それぞれの中空体２ｂ 、２ｃの中には皿５ｂ。

５ｃが置かれている。

皿５ｂはＨＣｔガスの流れ方向で見て皿５ｃより前方に
位置している。

皿５ｂ及び５ｃにはそれぞれマグネシウム６ｂ及びアル
ミニウム６ｃが受けられている。

相互に独立のエネルギ供給源（図示せず）に接続された
公知の加熱手段７ｂ 、７ｃがＭｇ及びＡｔを取囲むよ
うに反応管１の周りに設けられている。

反応管１の一端に搬送ガス人口８が設けられている。

入口８から流れる搬送ガスは、最初は中空体５ｂ 、５
ｃの周囲の環状空間部を流れ、続いてＭｇ及びＡｔの反
応ガスと一緒になって基板１０の方向に流れる。

反応管１の空間の一部に、石英からなる基台１５上には
ＳｉＣコーティングカーボン、Ｍｏ又はＮｂ等からなる
支持台９が固定されている。

支持台９上には３枚の円盤状基板１０が支持されている
。

基板の領域には公知の高周波加熱手段１２が設けられて
いる。

さらに、すり合せキャップ１３が反応管の出口１１側に
設けられている。

円盤状基板１０はその平坦面によって台９に支持されて
いるが、その周縁で支持されていてもよい。

反応管１の壁面を貫通してＣＯ２導入管１４が基板１０
と中空体の出口端の中間において、この間隔りに対しｄ
＝％〜３ＡＤだけ前者に近づいて開口している。

このような開口位置においてＣＯ２を導入することが、
ＣＯ２によるＭｇＣｌ２及びＡｔＣ２３の酸化開始時期
を調節する観点から、好ましい。

基板１０の平坦面は（１１１）面、（１１０）面、（１
００）面の何れか、好ましくは（１００）面がよい。

基板１０がシリコンである場合は成長中に１０００〜１
２７０℃に加熱されている。

以上の如き装置によって基板１０上にマグネシアスピネ
ルの単結晶をエピタキシャル成長させることができる。

以上の如き装置においてマグネシアスピネル単結晶を気
相成長させた後に同一装置でシリコン活性層のエピタキ
シャル成長を行うと、改良ＳＯ８の生産性を高めること
ができる。

さらに、新鮮なマグネシアスピネル単結晶の上にシリコ
ンが成長されるので、シリコンの結晶性のうえからもこ
の方法は有利である。

この方法では、まずＨＣｔガスの導入口４からの送入を
中止する。

このために、Ｉ］２ガス、又はＨｅ 、Ａｒ 、Ｎ２の
１種以上の搬送ガスでＨＣｔガスを置換する。

また、ＣＯ２導入口１４からのＣ０２導入を中止して、
Ｈ２ガス又はＨｅ 、 Ａｒ 、 Ｎ２の１種以上の搬
送ガスを１４から送入する。

Ｈ２ガスとＨｅ ＋ Ａ ｒ ＋ Ｎ ２の１種以上と
の混合ガスを入口４及び１４から導入してもよい。

そして、加熱手段７による加熱を中止してＭｇとＡ７の
蒸発を防止する。

一方加熱手段によってＳｉ基板を１０００ないし１１０
０℃に加熱する。

上記搬送ガスによるＨＣｔ、ＡｔＣｔ３１ＭｇＣｔ２等
のパージを約５〜１５分続けた後に、入口８から５ＩＨ
４又はＳ ｒ Ｃ１＜を導入することにより、マグネシ
アスピネルの上にＳｉ単結晶をエピタキシャル成長させ
ることができる。

以上の説明において、図面と関連して横型装置を説明し
たが、縦型装置においても全く同様の効果が達成される
。

さらに、本発明を改良型ＳＯ８の製法に関して説明した
が、本発明は改良型ＳＯ８に限定されるものではなく、
基板上にマグネシアスピネル単結晶膜をエピタキシャル
成長させあらゆる分野に適用されるものである。

次に、本発明を実施例により更に詳しく説明する。

実施例 １ 図面の如き装置によりマグネシアスピネル単結晶のエピ
タキシャル成長を行なった。

成長条件を第１表に示す。

上述の条件により１０分間成長を続け、厚さが３ミクロ
ンの成長層を得た。

この層はｎ値−０，２であり且つ成長面が（１１１）の
マグネシアスピネル単結晶であることが、Ｘ線回折及び
ＩＭＡに＊ャよる組成分析により確認された。

続いて上記マグネシアスピネル単結晶の上に第２表の条
件でシリコンの成長を行なった。

−Ｌ述の条件により２分間成長を続け、厚さが４ミクロ
ンの成長層を得た。

この層は（１１１）面を有する単結晶エピタキシャルシ
リコンであることがＸ線回折により確認された。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明に係る気相成長装置の一具体例を示す断面
図である。 １・・・・・・反応管、２・・・・・・管、２ｂ、２ｃ
・・・・・・中空部、４・・・・・・ＨＣ１導入管、５
・・・・・・皿、６・・・・・・アルミニウム、７・・
・・・・加熱手段、８・・・・・・搬送ガス入口、９・
・・・・・基板支持台、１０・・・・・・基板、１１・
・・・・・出口、１２・・・・・・加熱手段、１３・・
・・・・すり合わせキャップ、１４・・・・・・Ｃ０２
導入管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 化学式がｎ Ｍｇ ０−Ａｔ２０．３、但しｎはＭ
   ｇＯのモル数、で表わされるマグネシアスピネルを気相
   族長させるために、第１流路を流れるＩＩｃｔガスと肢
   体又は固乍σ）Ａｔとを接触させて、第１反応ガスを得
   る段階、第１流路を流れるＨＣｔガスと置台されないよ
   うに第２流路を流れるＨＣｔガスと固体のＡｇとを接触
   させて、第２反応ガスを得る段階、前記第１反応ガス、
   第２反応ガスとＣＯ２ガスとを混合させ、第３反応ガス
   を得る段階、及びこの第３反応ガスと単結晶基板とを接
   触させる段階を含んでなるマグネシアスピネルの気相成
   長法。 ２１１１記化学式におけるｎ値が０．１ないし３．５０
   ）マグネシアスピネルを成長させるために、＠記Ａ４を
   ４００’Ｃないし７００℃に７ＩＯ熱し且つ第１流路を
   流れる前記ＨＣｔガスの流量を１００ｃｃ ／分ないし
   １０００ｃｃ／分に定め、また前記Ｍｇを３００℃ない
   し７００’Ｃに加熱し且つ第２流路を流れる前記ＨＣｔ
   ガスの流（丘を５０ｃｃ／分ないし１０００ｃｃ／分に
   定めることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のマ
   グネシアスピネルの気相成長法。 ３ 下記要素： （イ） １個以上のＨＣｔガス導入口を具えた反応管（
   ロ）一端が前記ＨＣｔガス導入口の何れかに連結され他
   端が前記反応管イ内に開口する第１中空体、 （ハ）前記第１中空体口の内部に配置されたｋｔのの保
   持器、 に）一端が前記ＨＣｔガス導入口の何れかに連結され他
   端が前記反応管イ内に開口する第２中空体、 （ホ）前記第２中空体二の内部に配置されたＭｇの保持
   器、 （へ）前記Ａ７の加熱手段、 （ト）前記Ｍｇの加熱手段、 （７）前記反応管イ内において前記第１中空体口及び第
   ２中空体二のそれぞれの開口部に向かい合って配置され
   た基板支持台、 （す）前記第１中空体口及び第２中空体二の開口部から
   前記基板支持台チまての何れかの部分で前記反応管イ内
   に開口するＣＯ２導入管を含んでなり、 −）材料ガス生成領域を電気炉により、族長基板領域を
   高周波により加熱することを特徴とする単結晶マグネシ
   アスピネルの族長装置、 ４ 前記Ｍｇの保持器ホが前記１−（Ｃｔガスの流れ方
   向で見てＡｔの保持器ハに対して前方又は後方に配置さ
   れ前記ＣＯ２導入管は前記材料ガス生成領域と、前記族
   長基板領域との間に開口することを特徴とする特許請求
   の範囲第３項記載の単結晶マグネシアスピネルの族長装
   置。