DE3686060T2 - Halbleiteranordnung und verfahren ihrer herstellung mittels molekularstrahl-epitaxie. - Google Patents

Halbleiteranordnung und verfahren ihrer herstellung mittels molekularstrahl-epitaxie.

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiter-Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung derselben, insbesondere eine Halbleiter-Vorrichtung, die ein einkristallines Silicium-Substrat umfaßt, das mit darauf laminierten einkristallinen Filmen von Oxiden wie Al&sub2;O&sub3;, MgO und MgO Al&sub2;O&sub3; versehen ist, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung mittels Molekularstrahl-Epitaxie.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Man hat Halbleiter-Vorrichtungen entwickelt, die ein einkristallines Silicium-Substrat umfassen, das mit darauf alternierend laminierten Zwischenschicht-Isolierfilmen und Silicium-Schichten versehen ist, und in die Schaltungsstrukturen eingebaut sind. Metalloxide wie Al&sub2;O&sub3;, MgO und MgO Al&sub2;O&sub3; werden als Zwischenschicht-Isolierfilme einer solchen Halbleiter-Vorrichtung verwendet, jedoch werden diese Zwischenschicht-Isolierfilme auf dem Silicium-Substrat und jeder Silicium-Schicht gewöhnlich durch CVD (chemische Abscheidung aus der Dampfphase) in Form eines Einkristalls, Polykristalls oder einer amorphen Substanz gebildet.
  • Bei der Bildung dieser Isolierfilme aus Oxiden wie MgO Al&sub2;O&sub3; durch CVD sind jedoch hohe Temperaturen von etwa 1000 ºC notwendig. Dementsprechend werden jede Silicium-Schicht und das Silicium-Substrat den hohen Temperaturen bei jeder CVD bei dem Verfahren der Laminat-Bildung aus Silicium-Schichten und einer Mehrzahl von Zwischenschicht-Isolierfilmen ausgesetzt, und dadurch bestand und besteht die Möglichkeit, daß das Silicium-Substrat und jede Silicum-Schicht oder Elemente, die gerade gebildet werden, durch den thermischen Schock infolge der CVD beschädigt werden. Außerdem ist es schwierig, die Film-Dicke mittels CVD zu steuern. Das bedeutet, daß es ein Problem darstellt, die gewünschte Film-Dicke zu erhalten.
  • Im Hinblick auf ein solches Problem bei der CVD hat man die Bildung des oben beschriebenen Zwischenschicht-Isolierfilms aus Oxid durch MBE (Molekularstrahl-Epitaxie) versucht, durch die dünne Filme bei niedrigeren Temperaturen wie 700 ºC bis 800 ºC gebildet werden können. Da MBE unter Ultrahochvakuum durchgeführt wird, ist es einfach, die Film- Dicke zu steuern, und die Filme können bei niedrigeren Temperaturen als denen der CVD gebildet werden.
  • Dementsprechend hat MBE einen Vorteil dahingehend, daß das Silicium-Substrat, jede Silicium-Schicht und dergleichen kaum durch die Hitze beeinflußt werden, und dementsprechend ist die Anwendung von MBE für die Bildung von Filmen in Halbleiter-Vorrichtungen Gegenstand breiter Untersuchungen.
  • Die Bildung von Isolierfilmen aus Oxiden wie MgO Al&sub2;O&sub3; mittels MBE wird beispielsweise von R.A. Stall, J. Vac. Sci. Technol. B1 (2), April-Juni 1983, S. 135-137, mitgeteilt; das heißt, daß über "Growth of refractory oxide film using solid oxygen sources in a molecular beam epitaxy apparatus" berichtet wird.
  • Bezug genommen werden sollte auch auf die EP-A-010 735, die ein Verfahren zur Herstellung eines Oxid-Films RmOn beschreibt, worin R wenigstens ein Metall oder wenigstens ein Halbleiter oder eine Kombination aus diesen ist, und m und n ganze Zahlen sind; dieses Verfahren ist gekennzeichnet durch
  • (a) das Befestigen eines Substrats in einer Kammer,
  • (b) das Bereitstellen einer festen Sauerstoff-Quelle, die R nicht enhält, in der Kammer,
  • (c) das Bereitstellen einer Quelle für R in der Kammer und
  • (d) das Erhitzen der Quellen zur Verdampfung,
  • wobei die verdampften Stoffe unter Bildung des Oxids RmOn auf dem Substrat reagieren. Unter Einsatz der Technik der Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) unter Beteiligung eines Ultrahochvakuums wurden Filme aus Al&sub2;O&sub3;, MgO, SiO&sub2; und MgAl&sub2;O&sub4; (MgO Al&sub2;O&sub3;) unter Einsatz von As&sub2;O&sub3; und Sb&sub2;O&sub3; als Sauerstoff-Quelle wachsen gelasssen.
  • Ein gewisses Ausmaß von Ergebnissen wird berichtet in bezug auf die Bildung von Filmen nicht auf einem Si-Substrat, sondern auf einem GaAs-Substrat. Es ist jedoch der gegenwärtige Stand, daß die Bildung von Oxiden wie MgO Al&sub2;O&sub3;, die auf eine Silicium-Schicht in Form eines polykristallinen Oxid-Films laminiert werden sollen, oder eines einkristallinen Oxid-Films wie in der oben genannten Halbleiter-Vorrichtung mit mehrschichtiger Struktur noch niemals erreicht worden ist. Außerdem trat ein Problem dahingehend auf, daß in dem Fall, in dem eine einkristalline Silicium-Schicht weiterhin auf einen auf einem einkristallinen Silicium-Substrat gebildeten Isolierfilm aus MgO Al&sub2;O&sub3; und dergleichen auflaminiert wird, auch der MgO Al&sub2;O&sub3;-Film einkristallin sein muß. Das heißt, wenn Elemente in Form einer polykristallinen oder amorphen Silicium-Schicht gebildet werden, zeigen sie keine Reproduktionsfähigkeit als elektronische Schaltung (da eine polykristalline oder amorphe Schicht nicht identische kennzeichnende Eigenschaften zu reproduzieren vermag, können Schaltungen mit identischen Kenndaten nicht erhalten werden, obwohl Elemente mit identischen Schaltungsstrukturen in ihnen gebildet werden), und auch die elektrischen Kenndaten werden ungleichmäßig, so daß aufgrunddessen elektronische Kenndaten, so wie sie geplant wurden, nicht erhalten werden können. Dementsprechend hat man ein Verfahren ausprobiert, bei dem eine auf einem Isolierfilm gezüchtete Silicium-Schicht einmal mittels eines Laserstrahls oder dergleichen geschmolzen und danach wieder kristallisiert wird, um eine einkristalline Schicht zu gewinnen. Dieses Verfahren hat jedoch die Probleme, daß der Impfkristall beim Wiederkristallisieren nur ein einziger sein darf, um einen Einkristall zu erhalten, und dementsprechend muß die Temperatur-Verteilung gezielt beeinflußt werden, und der Kristall darf nur in der vorgesehenen Richtung von dem Impfkristall her zum Wachsen gebracht werden.
  • ZIEL DER ERFINDUNG
  • Es ist ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiter-Vorrichtung, die einkristallines Substrat umfaßt, das mit einem Isolierfilm aus Oxiden versehen ist, die darauf mittels MBE gebildet werden, sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben bereitzustellen.
  • Es ist ein zweites Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Vorrichtung bereitzustellen, bei dem der thermische Schock auf ein Silicium- Substrat und darin gebildete Elemente verhindert werden kann, wenn der Isolierfilm auf einem einkristallinen Substrat gebildet wird und die Halbleiter-Vorrichtung mittels des genannten Verfahrens erzeugt wird.
  • Es ist ein drittes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Vorrichtung, bei dem ein einkristalliner Isolierfilm aus Oxiden auf einem einkristallinen Silicium-Substrat mittels der Technik der Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) gebildet werden kann, und die nach diesem Verfahren hergestellte Halbleiter-Vorrichtung bereitzustellen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung besteht in einem Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Vorrichtung, bei dem ein Oxid-Film, der durch Oxidieren von Metall-Atomen mit einem oder mehreren Oxiden von Metallen der Gruppe V als Sauerstoff-Quelle gebildet worden ist, auf einem einkristallinen Silicium- Substrat mittels der Technik der Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) zum Wachsen gebracht wird, wobei der Oxid-Film aus einem Material aufgebaut ist, das aus der aus MgO Al&sub2;O&sub3;, MgO und Al&sub2;O&sub3; ausgewählt ist, und
  • das dadurch gekennzeichnet ist, daß
  • (1) die Temperatur des einkristallinen Silicium-Substrats innerhalb des Bereichs von 700ºC bis 900 ºC festgelegt wird, wobei die Temperatur für einen Oxid-Film aus MgO Al&sub2;O&sub3; im Bereich von 800 ºC bis 900 ºC liegt, für einen Oxid-Film aus MgO im Bereich von 700 ºC bis 900 ºC liegt und für einen Oxid-Film aus Al&sub2;O&sub3; im Bereich von 750 ºC bis 900 ºC liegt,
  • (2) das Verhältnis der Zahl der Sauerstoff-Atome zu der Zahl der zugeführten Metall-Atome in dem Bereich von 2 : 1 bis 4 : 1 festgelegt wird, und
  • (3) das Kristallwachstum auf einen Wert im Bereich von 0,1 um/h bis 2,0 um/h eingestellt wird,
  • wodurch der Oxid-Film in Form eines Einkristalls zum Wachsen gebracht wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform werden Schichten aus dem Oxid-Film und Schichten aus dem Silicium-Substratmaterial alternierend auf das Silicium-Substrat laminiert, wodurch eine Struktur einer dreidimensionalen Schaltung gebildet wird, in der sämtliche Schichten die Form von Einkristallen haben.
  • Die oben genannten und weitere Ziele und Merkmale der Erfindung gehen im einzelnen aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme der beigefügten Zeichnungen hervor.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Schnitt-Ansicht eines Aufbaus einer Halbleiter-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 2 zeigt eine schematische Seitenriß-Schnittansicht einer Apparatur für die MBE (Molekularstrahl-Epitaxie) zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung der Halbleiter-Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 3 zeigt eine schematische graphische Darstellung der Reaktionen, die ablaufen, wenn MgO Al&sub2;O&sub3; auf einem einkristallinen Silicium-Substrat abgeschieden wird;
  • die Figuren 4-1 bis 4-3 zeigen RHEED(Hochenergie-Reflexions- Elektronenbeugungs)-Diagramme, die die Kristallinität von MgO Al&sub2;O&sub3; in Abhängigkeit von der Substrat-Temperatur in dem Fall zeigen, in dem Sb&sub2;O&sub3; als Sauerstoff-Quelle verwendet wird;
  • die Figuren 5-1 bis 5-3 zeigen RHEED-Diagramme, die die Kristallinität von MgO Al&sub2;O&sub3; in Abhängigkeit von der Substrat-Temperatur in dem Fall zeigen, in dem As&sub2;O&sub3; als Sauerstoff-Quelle verwendet wird;
  • die Figuren 6-1 bis 6-3 zeigen RHEED-Diagramme, die die Kristallinität von MgO Al&sub2;O&sub3; in Abhängigkeit von der Zahl der zugeführten Sauerstoff-Atome in dem Fall zeigen, in dem Sb&sub2;O&sub3; als Sauerstoff-Quelle verwendet wird; und
  • die Figuren 7-1 bis 7-3 zeigen RHEED-Diagramme, die die Kristallinität von MgO Al&sub2;O&sub3; in Abhängigkeit von der Zahl der zugeführten Sauerstoff-Atome in dem Fall zeigen, in dem As&sub2;O&sub3; als Sauerstoff-Quelle verwendet wird.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • In Fig. 1, die eine schematische Schnitt-Ansicht eines Aufbaus einer Halbleiter-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, sind Zwischenschicht-Isolierfilme 6a, 6b ... und Silicium-Schichten 7a, 7b ... alternierend auf ein einkristallines Silicium-Substrat 5 laminiert, so daß sie eine dreidimensionale Schaltungsstruktur bilden; das heißt, daß ein Zwischenschicht-Isolierfilm 6a, der ein Oxid-Film ist, auf ein einkristallines Silicium-Substrat 5 laminiert ist, eine Silicium-Schicht 7a auf den Zwischenschicht- Isolierfilm 6a laminiert ist, ein Zwischenschicht-Isolierfilm 6b auf die Silicium-Schicht 7a laminiert ist, eine Silicium-Schicht 7b auf den Zwischenschicht-Isolierfilm 6b laminiert ist ...
  • Der auf das einkristalline Silicium-Substrat 5 laminierte Zwischenschicht-Isolierfilm 6a und die darüber angeordneten Zwischenschicht-Isolierfilme 6b werden als einkristalline Schichten gebildet, und ebenso wird jede der Silicium- Schichten 7a, 7b ... als einkristalline Schicht gebildet.
  • Fig. 2 zeigt eine schematische Seitenriß-Schnittansicht einer MBE-Apparatur zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung der Halbleiter-Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung, und die Fig. 3 ist eine schematische graphische Darstellung der Reaktionen, die ablaufen, wenn MgO Al&sub2;O&sub3; (Magnesiumspinell) auf einem einkristallinen Silicium-Substrat 5 abgeschieden wird.
  • In den Figuren 2 und 3 bezeichnet die Bezugszahl 1 ein Ultrahochvakuum-Gefäß, und 2 bezeichnet eine in dem Ultrahochvakuum-Gefäß 1 angebracht und mit flüssigem Stickstoff gefüllte Kryoummantelung.
  • Eine darin angeordnete, mit einer (nicht eingezeichneten) Heiz-Vorrichtung versehene Proben-Heizplatte 3 ist im Inneren eines von der Kryoummantelung 2 umgebenen Raumes installiert, und das einkristalline Silicium-Substrat 5 ist ortsfest auf der Oberfläche der Proben-Heizplatte 3 befestigt, wobei seine Oberfläche konkret den Ausströmzellen 4a, 4b, 4c, die später beschrieben werden, gegenüber liegt.
  • Die Ausströmzellen 4a, 4b, 4c zielen darauf ab, Moleküle von Al, Mg bzw. Sb&sub2;O&sub3; zuzuführen, und führen durch die Kryoummantelung 2 hindurch, so daß ihre vorderen Enden jeweils direkt auf das einkristalline Siliciumsubstrat 5 gerichtet sind, das ortsfest auf der Proben-Heizplatte 3 befestigt ist. Al ist in der Ausströmzelle 4a untergebracht, Mg ist in der Ausströmzelle 4b untergebracht, und die Oxide der Elemente der Gruppe V als Sauerstoff-Quelle, zum Beispiel Sb&sub2;O&sub3; (As&sub2;O&sub3; und dergleichen können ebenfalls verwendet werden), sind in der Ausströmzelle 4c untergebracht. Diese Ausströmzellen 4a, 4b, 4c sind so konstruiert, daß beim Erhitzen auf die festgesetzten Temperaturen die Moleküle der darin untergebrachten Substanzen von den vorderen Enden derselben mit den festgelegten Geschwindigkeiten auf das Silicium-Substrat 5 gerichtet werden können.
  • Das Silicium-Substrat 5 wird auf die festgesetzte Temperatur erhitzt. In dem Fall, in dem Al-Moleküle und Sb&sub2;O&sub5;-Moleküle in den Kryomantel eingespeist werden, läuft die durch die nachstehende Gleichung (1) ausgedrückte Reaktion ab, wodurch eine einkristalline, polykristalline oder amorphe Schicht aus Al&sub2;O&sub3;, die eine Isolierschicht ist, gebildet wird und die Schicht allmählich zum Wachsen gebracht wird:
  • 2 Al + Sb&sub2;O&sub3; T Al&sub2;O&sub3; + 2 Sb .......... (1).
  • Die Bildung der anderen isolierenden Oxid-Filme aus MgO, MgO Al&sub2;O&sub3; oder dergleichen ist grundsätzlich ähnlich. Das heißt, daß die Reaktionen (2) und (3) in der Weise ablaufen, daß jeweils Mg-Moleküle und Sb&sub2;O&sub3;-Moleküle oder Mg-Moleküle, Al-Moleküle und Sb&sub2;O&sub3;-Moleküle zugeführt werden, wodurch eine einkristalline, polykristalline oder amorphe Schicht gebildet wird und die Schicht allmählich zum Wachsen gebracht wird:
  • 3 Mg + Sb&sub2;O&sub3; T 3 MgO + 2 Sb ......... (2);
  • 6 Al + 3 Mg + 4 Sb&sub2;O&sub3; T 3 MgO Al&sub2;O&sub3; + 8 Sb .... (3).
  • Figur 3 zeigt den Ablauf der durch die vorstehende Gleichung (3) angegebenen Reaktion.
  • Es ist passend, daß die Oxid-Filme, die als die Isolierfilme 6a, 6b ... zu bilden sind, aus dem oben beschriebenen MgO Al&sub2;O&sub3; (Magnesiumspinell), Al&sub2;O&sub3;, MgO oder dergleichen gebildet werden. Der Grund hierfür ist der, daß die Kristallformen der Oxid-Filme kubisch sind, was mit derjenigen des Silicium-Einkristalls des Substrats identisch ist, und daß erstere der letzteren in bezug auf die Gitterkonstante ähnlich sind, so daß es einfach ist, die Oxid-Filme epitaxial wachsen zu lassen.
  • Obwohl Aluminiumoxid gewöhnlich eine hexagonale Kristallform besitzt, hat dasjenige vom γ-Typ eine kubische Kristallform in einem stabilisierten Bereich von 900 ºC oder weniger und kann verwendet werden.
  • Wenngleich Sb&sub2;O&sub3; als Sauerstoff-Quelle in der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, ist die Sauerstoff-Quelle nicht auf die Verwendung von Sb&sub2;O&sub3; beschränkt. Wie in dem im vorstehenden Bericht von R.A. Stall offenbart ist, können auch andere Oxide der Elemente der Gruppe V verwendet werden.
  • Der Grund dafür, daß die Oxide der Elemente der Gruppe V als Sauerstoff-Quelle bevorzugt werden, ist der, daß die Elemente der Gruppe V, vor allem Sb, eine niedrigere Bindefestigkeit aufweisen, so daß ihre Bindungen mit Sauerstoff sich leicht lösen lassen, und daß sie sich nur schwer mit den das Silicium-Substrat 5 bildenden Si-Atomen verbinden lassen. Mit anderen Worten, der Grund dafür, daß die Oxide der Elemente der Gruppe V, vor allem ein Oxid des Antimons (beispielsweise Sb&sub2;O&sub3;), als Sauerstoff-Quelle eingesetzt werden, ist der, daß nicht nur der Vakuum-Zustand innerhalb des Ultrahochvakuum-Gefäßes 1 kaum zum Abfallen gebracht wird, sondern daß auch verhindert werden kann, daß sich Verunreinigungen auf dem Silicium-Substrat 5 niederschlagen.
  • Im übrigen ist es ungeeignet, Sauerstoff selbst als Sauerstoff-Quelle einzusetzen, da dadurch der Vakuum-Zustand innerhalb des Ultrahochvakuum-Gefäßes 1 zum Abfallen gebracht wird.
  • Anderseits wird es nahezu auschließlich durch die Bedingungen des Wachstums bestimmt, ob Isolierfilme in Form einer einkristallinen, polykristallinen oder amorphen Schicht auf dem Silicium-Substrat 5 gebildet werden. Der Erfinder hat bei verschiedenartigen Versuchen herausgefunden, daß die in den nachstehenden Tabellen 1 und 2 angegebenen Bedingungen für das Wachstum von Oxid-Filmen wie solchen aus Al&sub2;O&sub3;, MgO und MgO Al&sub2;O&sub3; auf dem Silicium-Substrat 5 in Form einer einkristallinen Schicht mittels MBE erforderlich sind:
  • In den folgenden Tabellen 1 und 2 sind die Bedingungen, die für eine Bildung einkristalliner Oxid-Filme auf einer (100)-Ebene des einkristallinen Silicium-Substrats erforderlich sind, dargestellt. Tabelle 1 Substrat-Temperatur (ºC) Al-Zell-Temperatur (ºC) Mg-Zell-Temperatur (ºC) Sb&sub2;O&sub3;-Druck Pa (Torr) Tabelle 2 Verhältnis der Anzahl der Atome Wachstums-Geschwindigkeit (um/h)
  • Unter den oben beschriebenen Bedingungen sind die besonders wichtigen Bedingungen für die Gewinnung einkristalliner Oxid-Filme (1) die Substrat-Temperatur, (2) das Verhältnis der Anzahl der Atome, (3) die Film-Wachstums-Geschwindigkeit und dergleichen. Soweit diese drei Bedingungen und andere damit verbundene Bedingungen erfüllt sind, kann der Oxid- Film, der als eine nahezu einkristalline Schicht angesehen werden kann, auf ein einkristallines Silicium-Substrat laminiert werden, selbst dann, wenn eine geringe Menge eines polykristallinen Anteils in der einkristallinen Schicht enthalten ist. Jede dieser Bedingungen wird nachfolgend beschrieben.
  • (1) Substrat-Temperatur
  • In dem Fall, in dem die Substrat-Temperatur, d.h. die Temperatur einer Oberfläche eines Silicium-Substrats 5, auf der ein Oxid-Film 6a gebildet wird, einen bestimmten Wert hat oder darüber liegt, haben die Moleküle einer einen Oxid-Film bildenden Substanz wie Al&sub2;O&sub3; einen hohen Impuls und lagern sich infolgedessen nicht auf der Oberfläche des Silicium- Substrats 5 ab. Wenn andererseits die Substrat-Temperatur einen bestimmten Wert hat oder darunter liegt, werden viele Moleküle abgeschieden, wodurch eine polykristalline Schicht wächst. In dem Fall, in dem die Substrat-Temperatur noch niedriger ist, wird eine amorphe Schicht gebildet. Wie bei dem CVD-Verfahren besteht auch bei dem MBE-Verfahren die Möglichkeit, daß ein Silicium-Substrat durch einen thermischen Schock beschädigt wird, so daß es notwendig ist, daß die Substrat-Temperatur eine bestimmte Temperatur, konkret etwa 900 ºC, ist oder darunter liegt, um das Silicium- Substrat 5 und die auf dem Silicium-Substrat 5 gebildeten Elemente zu schützen.
  • Auf der Grundlage der vorstehenden Voraussetzung ist eine Substrat-Temperatur von 750 ºC oder mehr (jedoch von 900 ºC oder weniger) erforderlich, um einen aus Al&sub2;O&sub3; gebildeten, isolierenden, einkristallinen Oxid-Film auf einem einkristallinen Silicium-Substrat zu bilden. In dem Fall, in dem die Substrat-Temperatur unter 700 ºC liegt, wird eine polykristalline Schicht gebildet, und in dem Fall, in dem die Substrat-Temperatur noch niedriger ist, wird eine amorphe Schicht gebildet.
  • Was MgO betrifft, so werden in ähnlicher Weise ein einkristalliner Film bei einer Substrat-Temperatur von 700 ºC oder mehr (jedoch von 900 ºC oder weniger), ein polykristalliner Film bei Temperaturen unter 700 ºC und ein amorpher Film bei noch niedrigeren Temperaturen gebildet.
  • Was weiterhin MgO Al&sub2;O&sub3; betrifft, so werden ein einkristalliner Film bei einer Substrat-Temperatur von 800 ºC oder mehr (jedoch von 900 ºC oder weniger), ein polykristalliner Film bei Temperaturen unter 800 ºC und ein amorpher Film bei noch niedrigeren Temperaturen gebildet.
  • RHEED ( (Hochenergie-Reflexions-Elektronenbeugungs)-Diagramme, wie sie in den Figuren 4-1 bis 4-3 dargestellt sind, zeigen die Unterschiede hinsichtlich der Kristallinität in Abhängigkeit von den oben angegebenen Substrat-Temperaturen. Konkret gesprochen handelt es sich hier um einen Fall, wo MgO Al&sub2;O&sub3;-Kristalle auf einem einkristallinen Silicium- Substrat mit Sb&sub2;O&sub3; als Sauerstoff-Quelle zum Wachsen gebracht werden. Die Temperatur der Al-Zelle (4a in Fig. 2) wurde konstant auf 1100 ºC gehalten, diejenige der Mg-Zelle (4b in Fig. 2) wurde konstant auf 350 ºC gehalten, und der Sb&sub2;O&sub3;-Druck wurde konstant auf 3,3 x 10&supmin;&sup6; Pa (2,5 x 10&supmin;&sup8; Torr) gehalten.
  • Die Figur 4-1 zeigt die Ergebnisse des Wachstums in dem Fall, in dem die Temperatur des einkristallinen Silicium- Substrats bei 800 ºC gehalten wurde. Ein Streifenmuster, das eine einkristalline Struktur beweist, wurde erhalten.
  • Die Figur 4-2 zeigt die Ergebnisse des Wachstums in dem Fall, in dem die Temperatur des einkristallinen Silicium- Substrats bei 700 ºC gehalten wurde. Ein ringförmiges Muster, das eine polykristalline Struktur beweist, wurde erhalten.
  • Zusätzlich zeigt die Figur 4-3 die Ergebnisse des Wachstums in dem Fall, in dem die Temperatur des Substrats bei 500 ºC gehalten wurde. Ein hohles Muster, das eine amorphe Struktur beweist, wurde erhalten.
  • Die RHEED-Diagramme, wie sie in den Figuren 5-1 bis 5-3 dargestellt sind, zeigen die Unterschiede hinsichtlich der Kristallinität in dem die MgO Al&sub2;O&sub3;-Kristalle auf einem einkristallinen Silicium-Substrat mit As&sub2;O&sub3; als Sauerstoff- Quelle zum Wachsen gebracht werden. Mit der Abweichung, daß der As&sub2;O&sub3;-Druck 3,7 x 10&supmin;&sup6; Pa (2,8 x 10&supmin;&sup8; Torr) betrug, waren die übrigen Bedingungen die gleichen wie bei der Verwendung von Sb&sub2;O&sub3; als Sauerstoff-Quelle. Dementsprechend wurde bei einer Substrat-Temperatur von 800 ºC ein Streifenmuster, wie es in Fig. 5-1 dargestellt ist und das eine einkristalline Struktur beweist, erhalten; bei der Substrat- Temperatur 700 ºC wurde ein eine polykristalline Struktur beweisendes ringförmiges Muster erhalten, wie es in Fig. 5-2 dargestellt ist, und bei der Substrat-Temperatur 500 ºC wurde ein eine amorphe Struktur beweisendes hohles Muster erhalten, wie es in Fig. 5-3 dargestellt ist.
  • Wenngleich es selbstverständlich ist, daß die Kristallinität unterschiedlich ist und von den Arten der Substanzen der auf einem einkristallinen Silicium-Substrat zu bildenden Oxid- Filme abhängt, wie oben beschrieben ist, wird eine einkristalline Schicht bei der Substrat-Temperatur von 900 ºC oder darunter, jedoch oberhalb einer bestimmten Temperatur, erhalten, um ein Silicium-Substrat und die darauf gebildeten Halbleiter-Elemente zu schützen.
  • (2) Verhältnis der Anzahl der Atome
  • Es wurde geschlossen, daß die Anzahl der Metall-Atome wie Al, Mg und Al + Mg, die die Moleküle der Substanzen der Oxid-Filme bilden, zu der Anzahl der Sauerstoff-Atome vorzugsweise 2 bis 4 betragen, und zwar unabhängig von der Art der Substanzen der Oxid-Filme. Ein amorpher Oxid-Film wird in dem Fall gebildet, in dem das Verhältnis der Zahl der Sauerstoff-Atome zu der Zahl der Metall-Atome kleiner als 2 ist und eine oder einige Bindung(en) eines Metall-Atoms nicht mit Sauerstoff-Atomen verbunden ist/sind, so daß der gebildete Oxid-Film an Sauerstoff verarmt, wodurch die optischen und elektronischen Kenndaten verschlechtert werden. Wenn andererseits das Verhältnis der Zahl der Sauerstoff-Atome zu der Zahl der Metall-Atome 4 überschreitet, wird ein polykristalliner Film gebildet, oder der Kristall wächst in ungenügendem Maße, und weiterhin wirken in manchen Fällen die Sauerstoff-Atome auf Si-Atome des Substrats schneller ein als auf die Metall-Atome und bilden einen amorphen SiO&sub2;-Film. Auf diesem amorphen SiO&sub2;-Film wächst kein Isolierfilm mehr in epitaxialer Weise.
  • Die Figuren 6-1 bis 3 zeigen den Zusammenhang zwischen den Drücken des Sb&sub2;O&sub3; und der Kristallinität des gebildeten MgO Al&sub2;O&sub3;-Films, der auf einem einkristallinen Silicium- Substrat bei der konstanten Temperatur von 800 ºC mit Sb&sub2;O&sub3; als der Sauerstoff-Quelle zum Wachsen gebracht wurde. Die Temperaturen der Al-Zelle und der Mg-Zelle wurden konstant gehalten (1100 ºC bzw. 350 ºC). Mit anderen Worten: Die Zahl der zugeführten Al-Atome und Mg-Atome wurde konstant gehalten, jedoch die Zahl der zugeführten Sauerstoff-Atome wurde variiert.
  • Fig. 6-1 zeigt ein RHEED-Diagramm eines in dem Fall gebildeten MgO Al&sub2;O&sub3;-Films, in dem der Sb&sub2;O&sub3;-Druck auf einem hohen Wert von 1,3 x 10&supmin;&sup5; Pa (1 x 10&supmin;&sup7; Torr) gehalten wurde, mit anderen Worten, in dem das Verhältnis der Zahl der Sauerstoff-Atome zu der Zahl der Metall-Atome groß ist. Ein die Bildung einer polykristallinen Struktur beweisendes ringförmiges Muster wurde erhalten.
  • Fig. 6-2 zeigt ein RHEED-Diagramm eines in dem Fall gebildeten MgO Al&sub2;O&sub3;-Films, in dem der Sb&sub2;O&sub3;-Druck auf 3,3 x 10&supmin;&sup6; Pa (2,5 x 10&supmin;&sup8; Torr) (dem Optimal-Zustand) gehalten wurde, mit anderen Worten, in dem das Verhältnis der Zahl der Sauerstoff-Atome zu der Zahl der Metall-Atome 2 bis 4 beträgt. Ein die Bildung einer einkristallinen Struktur beweisendes streifenförmiges Muster wurde erhalten.
  • Fig. 6-3 zeigt ein RHEED-Diagramm eines in dem Fall gebildeten MgO Al&sub2;O&sub3;-Films, in dem der Sb&sub2;O&sub3; -Druck auf einem so niedrigen Wert wie 1,3 x 10&supmin;&sup6; Pa (1,0 x 10&supmin;&sup8; Torr) gehalten wurde, mit anderen Worten, in dem das Verhältnis der Zahl der Sauerstoff-Atome zu der Zahl der Metall-Atome klein ist. Ein die Bildung einer amorphen Struktur beweisendes hohles Muster wurde erhalten.
  • Die Figuren 7-1 bis 3 zeigen RHEED-Diagramme von MgO Al&sub2;O&sub3;, das auf einem einkristallinen Silicium-Substrat mit As&sub2;O&sub3; als Sauerstoff-Quelle in ähnlicher Weise wie oben beschrieben gewachsen ist. In ähnlicher Weise wie oben beschrieben betrugen die Substrat-Temperatur 800 ºC, die Temperatur der Al-Zelle 1100 ºC und die Temperatur der Mg-Zelle 350 ºC. Ein eine polykristalline Struktur beweisendes ringförmiges Muster wurde als Fig. 7-1 erhalten, die ein RHEED-Diagramm eines in dem Fall gebildeten MgO Al&sub2;O&sub3;-Films zeigt, in dem das Verhältnis der Zahl der Sauerstoff-Atome zu der Zahl der Metall-Atome groß war und der As&sub2;O&sub3;-Druck 1,3 x 10&supmin;&sup5; Pa (1 x 10&supmin;&sup7; Torr) betrug. Ein eine einkristalline Struktur beweisendes streifenförmiges Muster wurde als Fig. 7-2 erhalten, die ein RHEED-Diagramm eines in dem Fall gebildeten MgO Al&sub2;O&sub3;-Films zeigt, in dem das Verhältnis der Zahl der Sauerstoff-Atome zu der Zahl der Metall-Atome 2 bis 4 betrug und der As&sub2;O&sub3;-Druck 3,7 x 10&supmin;&sup6; Pa (2,8 x 10&supmin;&sup8; Torr) betrug. Ein eine amorphe Struktur beweisendes hohles Muster wurde als Fig. 7-3 erhalten, die ein RHEED-Diagramm eines in dem Fall gebildeten MgO Al&sub2;O&sub3;-Films zeigt, in dem das Verhältnis der Zahl der Sauerstoff-Atome zu der Zahl der Metall-Atome klein war und der As&sub2;O&sub3;-Druck 1,3 x 10&supmin;&sup6; Pa (1,0 x 10&supmin;&sup8; Torr) betrug.
  • Wie oben beschrieben ist, kann in dem Fall, in dem das Verhältnis der Zahl der Sauerstoff-Atome zu der Zahl der ein Molekül eines Oxid-Films bildenden Metall-Atome 2 bis 4 beträgt, in Abhängigkeit von der Sauerstoff-Quelle, ein einkristalliner Film der Oxide von Metallen wie Al, Mg und Al + Mg auf einem einkristallinen Silicium-Substrat gebildet werden.
  • (3) Wachstums-Geschwindigkeit des Films
  • Jeder Oxid-Film aus Al&sub2;O&sub3;, MgO und MgO Al&sub2;O&sub3; wurde mit einer Wachstums-Geschwindigkeit des Films von 0,1 bis 2,0 um/h gebildet. Es ist schwierig, Kristalle mit einer Wachstums- Geschwindigkeit des Films von 0,1 um/h oder weniger wachsen zu lassen, und bei einer Wachstums-Geschwindigkeit des Films von 2,0 um/h oder mehr werden Polykristalle gebildet. Der Grund hierfür ist der, daß sich neue Moleküle auf dem Kristall abscheiden, bevor der Kristall in Form eines Einkristalls wächst, wodurch in dem Fall, in dem die Wachstums- Geschwindigkeit des Films 2,0 um/h überschreitet, ein Polykristall gebildet wird.
  • Daneben bestimmen die Temperatur der Al-Zelle und die Temperatur der Mg-Zelle, wie sie in Tabelle 1 angegeben sind, die Anzahlen der Al-Atome und der Mg-Atome, die jeweils von den Ausströmzellen 4a bzw. 4b zugeführt werden. Auf der anderen Seite wird der Druck des Sb&sub2;O&sub3;, wie in Tabelle 1 gezeigt ist, durch die Temperatur der Ausströmzelle 4c bestimmt, und sie bestimmt die Zahl der zuzuführenden Sauerstoff-Atome. Dementsprechend wird, wiewohl zwischen jenen Zahlenwerten die Beziehung besteht, daß das Verhältnis der Zahl der Sauerstoff-Atome zu der Zahl der Metall-Atome 2 bis 4 betragen kann, damit einkristalline Filme erhalten werden, wird grundsätzlich zunächst der Sb&sub2;O&sub3;-Druck auf 2,7 x 10&supmin;&sup6;, 2,7 x 10&supmin;&sup5; und 3,3 x 10&supmin;&sup6; Pa (2,0 x 10&supmin;&sup8;, 2,0 x 10&supmin;&sup7; und 2,5 x 10&supmin;&sup8; Torr) für Al&sub2;O&sub3;, MgO bzw. MgO Al&sub2;O&sub3; auf der Grundlage des Vakuum-Zustandes im Inneren eines Hochvakuum- Gefäßes 1 eingestellt, und danach wird die Temperatur in jeder der Ausströmzellen 4a, 4b und 4c so festgelegt, daß ein Verhältnis der Zahl der Sauerstoff-Atome zu der Zahl der Metall-Atome in Abhängigkeit von dem Druck des Sb&sub2;O&sub3; 2 bis 4 werden kann.
  • Allgemein gesagt, es ist nur erforderlich, die Temperaturen des Substrats auf 750 ºC oder mehr, 700 ºC oder mehr und 800 ºC oder mehr (jedoch auf 900 ºC oder weniger, um das Substrat und die Vorrichtung zu schützen) einzustellen, um einen einkristallinen Film aus einem Oxid wie Al&sub2;O&sub3;, MgO oder MgO Al&sub2;O&sub3;, die die Oxide aus Al, Mg oder Mg + Al sind, auf einem einkristallinen Silicium-Substrat zum Wachsen zu bringen, den Sb&sub2;O&sub3;-Druck auf 2,7 x 10&supmin;&sup6;, 2,7 x 10&supmin;&sup5; bzw. 3,3 x 10&supmin;&sup6; Pa (2,0 x 10&supmin;&sup8;, 2,0 x 10&supmin;&sup7; bzw. 2,5 x 10&supmin;&sup8; Torr) einzustellen, die Temperatur der Al-Zelle in beiden Fällen des Al&sub2;O&sub3; oder MgO Al&sub2;O&sub3; auf 1100 ºC einzustellen, die Temperatur der Mg-Zelle auf 550 ºC für MgO und auf 350 ºC für MgO Al&sub2;O&sub3; einzustellen, das Zahlen-Verhältnis der Sauerstoff-Atome zu den Metall-Atomen auf 2 bis 4 festzusetzen und die Wachstums-Geschwindigkeit des Kristalls auf 0,1 bis 2,0 um/h festzusetzen.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Vorrichtung, bei dem ein Oxid-Film, der durch Oxidieren von Metall- Atomen mit einem oder mehreren Oxiden von Metallen der Gruppe V als Sauerstoff-Quelle gebildet worden ist, auf einem einkristallinen Silicium-Substrat mittels der Technik der Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) zum Wachsen gebracht wird, wobei der Oxid-Film aus einem Material aufgebaut ist, das aus der aus MgO Al&sub2;O&sub3;, MgO und Al&sub2;O&sub3; ausgewählt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
(1) die Temperatur des einkristallinen Silicium-Substrats innerhalb des Bereichs von 700 ºC bis 900 ºC festgelegt wird, wobei die Temperatur für einen Oxid-Film aus MgO Al&sub2;O&sub3; im Bereich von 800 ºC bis 900 ºC liegt, für einen Oxid-Film aus MgO im Bereich von 700 ºC bis 900 ºC liegt und für einen Oxid-Film aus Al&sub2;O&sub3; im Bereich von 750 ºC bis 900 ºC liegt,
(2) das Verhältnis der Zahl der Sauerstoff-Atome zu der Zahl der zugeführten Metall-Atome in dem Bereich von 2 : 1 bis 4 : 1 festgelegt wird, und
(3) das Kristallwachstum auf einen Wert im Bereich von 0,1 um/h bis 2,0 um/h eingestellt wird,
wodurch der Oxid-Film in Form eines Einkristalls zum Wachsen gebracht wird.
2. Halbleiter-Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß Schichten aus einem einkristallinen Oxid-Film aus einem aus der aus MgO Al&sub2;O&sub3;, MgO und Al&sub2;O&sub3; bestehenden Gruppe ausgewählten Material und einem einkristallinen Silicium-Material alternierend auf ein einkristallines Silicium-Substrat laminiert werden, wodurch eine Struktur einer dreidimensionalen Schaltung gebildet wird, in der sämtliche Schichten die Form von Einkristallen haben, wobei die Oxid-Filme mittels des Verfahrens nach Anspruch 1 zum Wachsen gebracht werden.
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