HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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(a) das Befestigen eines Substrats in einer Kammer,
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(b) das Bereitstellen einer festen Sauerstoff-Quelle, die R
nicht enhält, in der Kammer,
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(c) das Bereitstellen einer Quelle für R in der Kammer und
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(d) das Erhitzen der Quellen zur Verdampfung,
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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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
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das dadurch gekennzeichnet ist, daß
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(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,
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(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
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(3) das Kristallwachstum auf einen Wert im Bereich von
0,1 um/h bis 2,0 um/h eingestellt wird,
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wodurch der Oxid-Film in Form eines Einkristalls zum Wachsen
gebracht wird.
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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.
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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
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Fig. 1 zeigt eine schematische Schnitt-Ansicht eines Aufbaus
einer Halbleiter-Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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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;
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Fig. 3 zeigt eine schematische graphische Darstellung der
Reaktionen, die ablaufen, wenn MgO Al&sub2;O&sub3; auf einem
einkristallinen Silicium-Substrat abgeschieden wird;
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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;
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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;
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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
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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
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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 ...
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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2 Al + Sb&sub2;O&sub3; T Al&sub2;O&sub3; + 2 Sb .......... (1).
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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:
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3 Mg + Sb&sub2;O&sub3; T 3 MgO + 2 Sb ......... (2);
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6 Al + 3 Mg + 4 Sb&sub2;O&sub3; T 3 MgO Al&sub2;O&sub3; + 8 Sb .... (3).
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Figur 3 zeigt den Ablauf der durch die vorstehende Gleichung
(3) angegebenen Reaktion.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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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)
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.