JPH01103857A

JPH01103857A - 半導体装置

Info

Publication number: JPH01103857A
Application number: JP15026787A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Morimoto; 清森本; Toshinori Takagi; 俊宜高木
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 1982-03-16
Filing date: 1987-06-18
Publication date: 1989-04-20

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、半導体素子が作り込まれる半導体層を３次元
的に積層させて高密度実装を図る多層構造の半導体装置
に関するものである。

近時、半導体素子の高集積化にともない、半導体チップ
あるいは半導体層を積み重ねてひとつの半導体装置を構
成する３次元実装の研究が行われているが、これを実現
するためには、その構造上の特徴から種々の問題点を克
服する必要がある。

一つは、半導体の層間絶縁層上に、半導体素子を作り込
むのに十分な結晶性を有する半導体層を形成させること
が困難である、という問題である。

すなわち、素子が形成されて凹凸のある半導体基板上に
絶縁層を被着させた場合、その表面状態は不定形であり
、この絶縁層上に結晶性のよい半導体層を成長させるこ
とは困難である。

したがって、絶縁層上に被着させた半導体層には、特性
の良い半導体素子を形成できない、という問題点があっ
た。さらに、各半導体層間の絶縁をどのように行うかと
いう点と、いかにして放熱特性を向上させるかという点
も重要な点であり、一般に電気的絶縁体は熱伝導特性が
悪く、絶縁性と放熱特性とは逆比例関係にあるため、上
記ふたつの問題点である絶縁性と熱伝導特性を向上する
ことができれば、それだけ集積化、高密度実装の度合も
すすめることが可能となり、これらも解決すべき課題の
一つである。

また、３次元的に半導体を積層させる方法として単体半
導体ウェハーを単純に積み重ねる方法と、薄膜技術によ
り多層化を図る方法とが考えられ、薄膜技術による方法
が最も集積度を上げられる可能性を有していることから
有望視されている。ところが前述したように従来の薄膜
技術では結晶性の良い半導体を得ることができず、実用
化には至っていなかった。

本発明は以上のような点に鑑みてなされたものであり、
絶縁層として電気的絶縁特性にすぐれ、かつ熱伝導特性
にもすぐれた酸化ベリリウム（以下ＢｅＯという）皮膜
を半導体層間の絶縁層として用いるとともに、その半導
体層の少なくとも一方を前記ＢｅＯ皮膜の上に成長させ
て構成し、結晶性にすぐれ、かつ高集積化を図ることが
できる３次元半導体装置を提供することを目的とするも
のである。

以下、図面を参照して、本発明による半導体装置の実施
例を説明するに、まず本発明の要旨となる結晶性のＢｅ
Ｏ皮膜について述べる。

ＢｅＯは、六方晶ウルツ形結晶構造を有し、禁止帯幅が
約１１．２ｅｖときわめて大きいために電気抵抗も１０
１２〜１０１３Ω・印程度と大きく、良好な絶縁体であ
り、かつ金属Ａｌと同程度の熱伝導度（４，２Ｗ　／　
”Ｃ−ｃｍ）をもつ特異な物質である。また、このＢｅ
Ｏは、化学的にも安定しているため、例えばマイクロ波
用電力装置の部品、あるいは高温燃焼室の内張り部材、
さらに原子炉の減速材や反射材、Ｘ線管の窓部材などに
用いられている。

ところが、このＢｅＯは、融点が２５７０°Ｃときわめ
て高く皮膜形成が困難であると考えられていた。

本発明者は、上述したＢ’ｅＯのすぐれた特性に着目し
種々検討した結果、イオンビーム技術を用いてＢｅＯ（
融点２５４０°Ｃ）の皮膜形成を行うと、４００°Ｃ以
下の低基板温度で透明な結晶性皮膜が得られることを明
らかにし、このＢｅＯ皮膜とその具体的な製造方法につ
いてすでに提案している。

この本発明者の提案したＢｅＯ皮膜の形成法によれば基
板としてガラスなどの非晶質物質を用いた場合にあって
も六方晶特有のＣ−軸優先配同性結晶膜となり、サファ
イヤ−（０００１）基板あるいは５ｉ（１１１）基板を
用いると基板の結晶軸に規正されてエピタキシャル成長
する。

本発明は、上述した本発明者の既に提案しているＢｅＯ
皮膜を用いて、ＢｅＯＣ−軸優先配向薄膜あるいはＢｅ
Ｏ単結晶薄膜上にＳｔ、　ＧａＡｓなどの半導体薄膜を
結晶性よく成長させることによって多層構造の三次元薄
膜形半導体装置を提供しようとするものであり、以下具
体的な実施例について述べる。

第１図は、本発明に係る半導体装置の第１の実施例を示
すものであり、基本構成としては、ＢｅＯ膜からなる絶
縁層１０３の上下面に、半導体装置が作り込まれるＳｉ
膜からなる下部半導体層１０２及び上部半導体層１０４
が被着された構成である。

そして、これらの半導体層が、例えばガラスあるいはセ
ラミックス等の絶縁材料からなる基板１０１上に支持さ
れる。

この場合の各層の形成方法としては、種々考えられるが
、例えば前記基板１０１としてサファイア単結晶基板や
”％　Ｓｉ、　ＧｓＰ、　ＧａＡｓなどの半導体単結晶
基板のような単結晶性の材料を基板として選定し、その
上に、まず結晶性のよい下部半導体層１０２を形成する
。次に、この下部半導体層１０２に周知の半導体素子形
成技術を用いて半導体素子を作り込む。さらに、この下
部半導体層１０２上に、イオンビーム蒸着法により絶縁
層１０３としてのＢｅＯ膜を被着し、このＢｅＯ膜のＣ
軸配向性を利用してその上に上部半導体層１０４を成長
させる方法が採用できる。

この場合、ＢｅＯ膜はＣ軸優先配同性が強く、特に、本
発明者らが提案しているクラスタイオンビーム蒸着法を
用いれば、良質のＢｅＯ膜の成長が可能である。

そして、このＢｅＯ膜はアモルファス基板上にもＣ軸配
向性よく結晶成長するので、すでに集積回路などの半導
体素子が作り込まれた下部半導体層１０２上にも、成長
させることができ、このＢｅＯ膜上にその結晶性を利用
して上部半導体層１０４を成長させることが可能となる
。

あるいは、第１図に示す構造の装置を形成する方法とし
て、例えば岩塩などのように、水などの溶媒に溶けやす
く、へき開面の得られやすい物質を基板１０１として用
い、その表面に下部半導体層１０２　、ＢｅＯの絶縁層
１０３、上部半導体層１０４を順次、イオンビーム蒸着
法、あるいはクラスタイオンビーム蒸着法などの手法を
用いて積層し、しかる後前記基板１０１を溶解させて、
露出した下部半導体層１０２の面を、半導体素子形成面
とするようにしてもよい。

またこの実施例ではＳｔの単結晶膜を成長させて上部半
導体層１０・４としているが、Ｓｔ以外にもＢｅＯと格
子定数が比較的近い半導体、例えばＧａＡｓ　。

ＧａＳｂ、　ＧａＰ、　ＩｎＳｂなどを利用することが
できる。

第２図は、本発明に係る半導体装置の第２の実施例を示
すものであり、図中２０１はガラス板あるいは冷却板を
兼ねた金属板による基板であって、この基板２０１上に
イオンビーム蒸着法により基板２０１面にＣ軸配向性を
有するＢｅＯ膜が被着され、このＢｅＯ膜が第１の絶縁
層２０３ａとされている。

この第１の絶縁層２０３ａの上面に、イオンビーム蒸着
法によりＢｅＯの結晶に規正されて成長させた下部半導
体層２０２としてのＳｔ単結晶膜が被着形成されており
、さらに、この下部半導体層２０２の上面に、上記と同
様の操作によりＢｅＯ膜による第２の絶縁層２０３ｂが
形成されるとともに、この第２の絶縁層２０３ｂ上には
、ＢｅＯの結晶に規正されてイオン・ビーム蒸着法によ
り成長させた上部半導体層２０４としてのＧａＡｓ膜が
被着形成されている。

すなわち、この第２の実施例では、基板２０１として絶
縁性、導電性を問わず任意の物質を選べる利点がある。

第３図は、本発明に係る半導体装置の第３の実施例を示
すものであり、下部半導体層３０２としてＳｉ単結晶半
導体ウェハーが用いられ、このＳ＋単結晶の（１１１）
面に絶縁層３０３としてのＢｅＯ膜が前述の各実施例と
同等の操作により被着形成されており、さらにこの絶縁
層３０３の上面に上部半導体層３０４としてのＳｉ膜が
形成されている。

第４図は、本発明に係る半導体装置の第４の実施例を示
すものであり、前述の各実施例と同様の操作により下部
半導体層４０２としてのＳｉ単結晶半導体ウェハー上に
第１の絶縁層４０３ａとしてのＢｅＯ膜が形成され、こ
の第１の絶縁層４０３ａ上に第１の上部半導体層４０４
ａとしてのＳｉ膜が形成されている。さらにこの第１の
半導体層４０４ａの上面に第２の絶縁層４０３ｂとして
のＢｅＯ膜が形成され、この第２の絶縁層４０３ｂの上
面に第２の上部半導体層４０４ｂが形成されている。こ
の第４の実施例では、半導体素子が形成できる半導体層
が三層存在するので、集積度の大幅な向上が可能となる
。

また、前述したように、ＢｅＯ膜は多少の凹凸のある表
面にもＣ軸配向性よく成長するので、素子形成面ば、ウ
ェハーの表裏いずれの面番こも選定できる。

すなわち、第５図に示すようにＳｉ単結晶半導体ウェハ
ーの表面５０２ａ側に集積回路等を作り込み、このＳｔ
デバイスを作り込んだ半導体を下部半導体層５０２とし
て上面にＢｅＯ膜による絶縁層５０３を前述の各実施例
と同様の操作を用いて被着形成するとともに、この絶縁
層５０３上に上部半導体層５０４を被着形成して、この
上部半導体層５０４に集積回路等を作り込んだ構成が可
能となる。

また、基板上に成長させるＢｅＯ膜を一層とせず途中で
冷却用の金属膜を蒸着してＢｅＯによる熱伝導を更に効
果的にし金属膜を通して効率よく熱を放出させる、ある
いは蒸着した金属膜により各層の素子間の遮蔽を行う作
用をもたせ、そのうえにもう−度ＢｅＯ膜を形成し更に
半導体膜を形成させることができ、これを本発明に係る
半導体装置の第６の実施例として第６図について説明す
る。前述した第５の実施例と同様に、半導体素子が形成
された下部半導体層６０２上にＢｅＯ膜による第１の絶
縁層６０３ａを被着形成し、この第１の絶縁層６０３ａ
上に金属材料または磁性材料からなる基体６０５を被着
するとともに、この基体６０５上にさらに第２の絶縁層
６０３ｂとしてＢｅＯ膜を被着形成し、この第２の絶縁
層６０３ｂ上に上部半導体層６０４を被着形成した構成
とされている。さらに上記上部半導体層６０４には、集
積回路等が形成され、この上部半導体層６０４と上記下
部半導体層６０２との電気的接続は、上記基体６０５に
形成された小穴６０６を通挿して設けられる結線６０７
により行われている。

上記基体６０５は放熱効果を高めるとともに基体６０５
として金属材料を用いれば静電シールド効果が期待でき
、磁性材料を用いれば磁気シールド効果が期待できるこ
とになる。

ところで、上述した各実施例においては、ＢｅＯ膜、あ
るいは半導体膜の形成をイオンビーム蒸着法により行っ
ているが、より良質のＢｅＯ膜や半導体膜を形成する上
からは、本発明者等が提案しているクラスタ・イオン・
ビーム蒸着法がすぐれている。

このクラスタイオンビーム蒸着法は蒸着しようとする物
質を蒸気化し、るつぼに設けたノズルから真空中へ噴射
させ、過冷却現象にもとすく断熱膨張を利用して塊状原
子集団（クラスタ）をつくり、これにイオン化電流Ｉｅ
による電子のシャワーを浴せてクラスタの一部をイオン
化してクラスタイオンをつくる。これを加速電圧（Ｖａ
）によって加速しイオン化されなかった中性のクラスタ
と共に基板に射突させて膜形成を行う技術である。この
場合、クラスタの少なくとも一部がイオン化されている
ためにクラスタ加速電圧（Ｖａ）を変えることによって
基板への射突エネルギを制御できる。

場合によってはＶａ＝ＯＶすなわち特に減速はしないが
ノズルからの噴射時に得られた運動エネルギだけで十分
な場合もある。もちろん中性のクラスタは加速電圧によ
って加速はされないが噴射時に得たエネルギーで基板に
射突し膜形成にあずかる。

基板に到着し膜形成にあずかるクラスタのうちイオン化
しているものの割合をイオン化電流Ｉｅで制御し、運動
エネルギーは加速電圧で制御し、これに適当な基板温度
Ｔｓを組合せることによってアモルファス、ｃｍ優先配
向膜、多結晶、単結晶よいうように結晶性を自由に制御
できるばかりでなくその他の諸物性も制御できる。この
技術に低ガス圧（１０−６〜１０−’Ｔｏｒｒ程度）の
反応性ガス（０，。

Ｎ２．８２など）を組合せることによっ、いわゆる反応
性クラスタイオンビーム技術となり、酸化物、窒化物、
水素化物などの膜形成ができると同時にその諸物性も制
御できる。

次に、上述したクラスタ・イオン・ビーム技術によりＢ
ｅＯ皮膜を形成するための具体的な装置を第７図につい
て説明する。

この第７図において、２１は、０．５鴫〜２．、Ｏｍｍ
程度の孔径の１個又は複数個のノズル２２を有する密閉
形のるつぼである。ここで、前記ノズル２２は、その軸
方向の厚みをできるだけ薄くし、少なくともノズル径よ
りは厚みを薄くするいわゆるアスペクト比を１以下にし
ておくことが望ましい。

また、このるつぼ２Ｉ内には、フレーク状あるいはフレ
ーク状のものを適宜加工してペレット状とした金属Ｂｅ
２３が充填されている。

２４は、前記るつぼ２１の周囲に設けられた加熱装置で
あり、この実施例では、前記るつぼ２１の周囲に電子放
出用のコイル状のフィラメントを配置し、これを加熱す
るとともに、図示しない電源により前記るつぼ２１に正
電位を付与して、フィラメントからの電子を加速し、る
つぼ２１の表面に射突させてるつぼ２１の温度を上昇さ
せる電子衝撃形の加熱装置を用いている。

そのほか、るつぼ２１を加熱する方法として、るつぼ２
１が導電材料で形成されている場合は、このるつぼ２１
の上下部に特定の端子を設け、るつぼ２１内体に低電圧
大電流を印加することによってるつぼ２１全体を加熱す
る抵抗加熱法、あるいはるつぼ２１の周囲にヒータを配
置してるつぼ２１の加熱を行う輻射加熱法や、これらの
組合せによる加熱方法を必要に応じて適宜選択して使用
できる。

また２５は、熱遮へい板、２６はイオン化室であり、後
述する金属Ｂｅの葬気の通路を囲むように円筒、角筒あ
るいは平行板状に形成された網状のイオン化用の陽極２
７と、この陽極の周囲に配置された電子放出用のフィラ
メント２８及び遮へい板２９とにより構成されている。

３１は、その裏面にＢｅＯ皮膜が被着される基板２０１
を保持するホルダ、３３は、不要時に前記基板２０１に
対するＢｅあるいは酸素（０□）の射突を阻止するシャ
ッタである。

さらに３５は、１個ないし複数個のノズル３６が設けら
れた酸素供給用パイプである。この場合、前記ノズル３
６は、るつぼ２１のノズル２２の近傍に配設されている
が、基板２０１の近傍に前記ノズル３６を設けるように
してもよい。

また３７は、必要に応じて前記イオン化室２６と基板２
０１間に設けられ、図示しない電源によりるつぼ２１に
対して負の電位が印加されて後述するイオン化されたＢ
ｅ蒸気を加速する加速電極であり、４０は、必要に応し
て前記基板２０１に密着、あるいは微小間隔を存して設
けられ、基板２０１の所定位置にＢｅＯ皮膜を形成させ
るための蒸着用のマスクである。

さらに図示はしていないが、必要に応じて前記基板２０
１の近傍に、基板加熱用の加熱装置を設けるようにして
もよい。

しかして、上述した各部が図示しない真空容器内に適宜
な支持部材により支持されて配設され、この真空容器内
がすくなくとも１０−５Ｔｏｒｒ以下の高真空雰囲気に
排気される。

この状態で、酸素供給用パイプ３５を介してノズル３６
から真空容器内に酸素３６ａを供給し、真空容器内の圧
力を１０−６Ｔｏｒｒ−１０−’Ｔｏｒｒ程度に保つ。

この場合、真空容器内に導入する酸素３６ａの圧力が小
さければ、良質のＢｅＯ皮膜の形成が期待できるが、酸
素導入前に真空容器内を高真空、あるいは超高真空状態
に排気することが必要となったり、ＢｅＯ皮膜の形成速
度が遅くなるなどのため、実用上は前記真空容器内の圧
力を１０−６Ｔｏｒｒ〜１０−”Ｔｏｒｒ程度になるよ
うに酸素の導入量を調整するのが適当である。

しかして、前記加熱装置２４を作動させ、るっぽ２１を
加熱してるつぼ２１内に充填されている金属Ｂｅを加熱
溶融させて金属Ｂｅの蒸気２３ａを発生させる。

この場合、金属Ｂｅの加熱温度はるつぼ２１の周囲空間
、すなわち真空容器内の圧力に応じて設定されるもので
あり、るつぼ２１内の金属Ｂｅの蒸気の圧力をＰ、真空
容器内の圧力をＰｏとした場合、ｐ　／　ｐ　ｏ≧１０
２好ましくはＰ／Ｐｏ≧１０’　となるように設定する
。

例えば、金属Ｂｅの熔融点が１２８０°Ｃであるので、
加熱温度１３００°Ｃで蒸気圧Ｐは約５Ｘ１０−”Ｔｏ
ｒｒ、　　１３８０°ＣでＩ　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒと
なる。

したがって、真空容器内の圧力が１０−６Ｔｏｒｒ〜１
０−’Ｔｏｒｒ程度であれば、前記加熱温度は１３００
°Ｃ〜１４００°Ｃ程度に設定すればよい。

さらに、前記蒸気圧Ｐを大きくして皮膜形成速度を上げ
るために、形成されるＢｅＯ皮膜の膜質を損なわない範
囲内で前記加熱温度を上げるようにしてもよい。

しかして、るつぼ２１の内外の圧力差により金属Ｂｅの
蒸気２３ａはノズル２２よりるつぼ２１外へ噴出し、こ
の噴出速度に相当する運動エネルギーを得て、基板２０
１方向へ向う蒸気流２３ｂとなる。

この場合、ノズル２２の形状と前記圧力Ｐ及びＰｏを前
述した条件に応じて適宜調整する、あるいはるつぼ２１
のノズル２２の形状を工夫することによって噴出時に断
熱膨張に基づく過冷却現象を利用し、蒸気状のＢｅ原子
や分子がファンデルワールス力で緩く結合した巨大な集
合体であるクラスタを形成するようにすれば、次に述べ
るイオン化室２６でのイオン化効率の向上が図れたり、
あるいは基板２０１上により良質の皮膜が形成できるよ
うになる。

ところで、るつぼ２１外への噴出によって運動エネルギ
ーを得た蒸気流２３ｂは、イオン化室２Ｇに入りここで
少なくともその一部がイオン化される。

すなわち、加熱されたフィラメント２８から放出された
電子が、このフィラメント２８と網状の陽極２７との間
に印加された１００〜１００ＯＶ程度の電圧により加速
され、網状の陽極２７を通り抜けて前記蒸気２３ａに射
突し、少なくともその一部をイオン化する。

また、ノズル２２から噴出した金属Ｂｅの蒸気流２３ｂ
がクラスタを形成している場合は、前記イオン化室２６
でクラスタを構成する原子集団のうち１個の原子が前記
電子衝撃によりイオン化され、いわゆるクラスタイオン
が形成される。さらに、ノズル３６から噴出した酸素も
その一部はイオン化室２６に入り電子衝撃を受けてイオ
ン化される。

このようにして、イオン化されたＢｅ原子、中性のＢｅ
原子あるいはＢｅのクラスタやクラスタイオンが、その
通路にある酸素を含んだ酸素混合体として、さらに基板
２０１方向に進み、シャッタ３３が開放されていると、
マスク４０の開口を通して基板２０１の表面に射突し、
ここに被着してＢｅＯ皮膜４１が形成される。

この場合、基板２０１に射突する金属Ｂｅの蒸気流２３
ｂは、前述したようにイオン化室２６を通過することに
よって少なくともその一部がイオン化されているので、
このイオンのもつ電界が皮膜形成時の初期段階において
有効に作用する。

すなわち、このイオンのもつ電界によって結晶成長のた
めの核形成が促進され、さらにこの形成された核を中心
にして原子が集まり島状領域を形成する、いわゆるコア
レッセンスに有効に作用する。

また、このイオン化の効果は、Ｂｅと酸素との反応をも
促進し化学量論的組成にあった結晶性のよい皮膜が形成
できるようになる。

さらにまた、金属Ｂｅの蒸気流２３ｂは、噴出時に得た
運動エネルギーをもって基板２０１に射突するようにな
るので、この入射エネルギーにより基板２０１に対して
、付着力の強いＢｅＯ皮膜が形成できるとともに、Ｂｅ
Ｏ皮膜のバッキング密度の増加や、結晶性の改善に大き
く寄与し、良質の皮膜が形成できる。

この場合、前記陽極２７に印加する加速電圧を調整し、
フィラメント２８から引出すイオン化電流を変えること
によって金属Ｂｅの蒸気流２３ｂのイオン化率を制御で
き、これによって基板２０１に被着されるＢｅＯ皮膜の
結晶性や緒特性を制御できる。

ところが、上述した実施例ではるつぼ２１内外の圧力差
を利用して蒸気２３ａをるつぼ２１外に噴出させ、運動
エネルギーを得るようにしているが、イオン化室２６を
通過して少なくともその一部がイオン化された前記蒸気
流２３ｂを電界によって加速し、さらに運動エネルギー
を増大させて結晶性の制御や改善を行うようにしてもよ
い。

すなわち、加速電極３７に、るつぼ２１に対して負の電
圧、例えばＯ〜ｌ０ＫＶ程度の適当な加速電圧を印加す
れば、イオン化室２６を通過してイオン化された前記蒸
気流２３ｂ中の粒子が加速されて運動エネルギーを得、
このエネルギーが皮膜形成時に結晶性の改善やその制御
に有効に作用し、良質のＢｅＯ皮膜が形成できるように
なる。

また、形成されるＢｅＯ皮膜の結晶性をとくによくした
い場合は、基板２０１をある程度加熱することが必要と
なるが、この場合の基板加熱温度は、２００°Ｃ程度、
高々４００°Ｃ以下の加熱温度で十分である。この温度
は基板２０１上の半導体素子作成時に加えられる熱拡散
温度より十分低いために、半導体素子中に不要不純物が
拡散するおそれがなく、素子形成時に半導体層に導入さ
れた不純物濃度でプロファイルをくずすことはない。

次に、上述したクラスタ・イオン・ビーム蒸着法により
、実際にＢｅＯ膜を基板上に被着させた実験結果につい
て説明する。

第８図は、反応性クラスタイオンビーム技術を用い、Ｂ
ｅ蒸気をノズル２２から１０−’Ｔｏｒｒ程度の酸素雰
囲気中に噴射させてＢｅクラスタとし、イオン化電流Ｉ
ｅ＝　３００ｍＡ、加速電圧Ｖａ＝ＯＶ、基板温度Ｔｓ
＝４００°Ｃの条件のもとに、ガラス基板上に蒸着した
ＢｅＯ膜の断面の電子顕微鏡写真（ＳＥＭ像）である。

この柱状組織から明らかなようにＢｅＯ膜のＣ軸が基板
と垂直に成長している。このように、ＢｅＯ膜は、アモ
ルファス状態の物質表面上においても、Ｃ軸配向性のよ
い膜が成長できる。

基板としてガラス（アモルファス）でなくサファイヤ（
０００１）基板を用いると、第９図に示すように基板の
結晶軸を核としてエピタキシャル成長する。この場合、
ＢｅＯの格子定数ａ＝＝２．６９５人とサファイヤ基板
の最隣接原子間隔（２，７４２人）との格子不整（ミス
フィツト）は１．７３％程度に小さいため、はぼ完全な
単結晶膜が成長している。

第１０図はサファイヤ基板のかわりに５ｔ（１１１）単
結晶基板上にＢｅＯ皮膜を成長させた場合の成長膜の反
射電子線回折パターン、第１１図（Ａ）　、　（Ｂ）は
、この薄膜のχ−線回折パターンを示す図、および断面
の電子顕微鏡写真（ＳＥＭ像）を示したものである。こ
の場合のＢｅＯ皮膜の成長条件は、イオン電流Ｉｅさ３
００ｍ八、加速電圧Ｖａさ０（Ｂｅクラスタの噴射速度
に相当する運動エネルギーをもつ）、基板温度ＴｓΣ４
００°Ｃであり、蒸着中の酸素分圧は３　Ｘ　１０−’
Ｔｏｒｒである。本実施例の場合、５ｉ（１１１）基板
とＢｅＯの（００２）面での格子不整は１４．７％ある
にもかかわらず、ＢｅＯ成長膜のＣ−軸、つまり＜　０
０２　＞軸はＳｔ基板の（１１１）面に垂直に成長して
いる。この実験事実から見てもＢｅＯ膜を形成させる基
板との間の格子不整には十数％におよぶ裕度があり、本
発明の適用が極めて広い材料範囲におよぶことが理解で
きる。

次に、前述したクラスタ・イオン・ビーム技術を用いて
上記ＢｅＯ膜上に半導体層を形成させた実験結果につい
て説明する。

第１２図は第８図に示したガラス面上にＣ−軸優先配向
したＢｅＯ薄膜の上に反応性クラスタイオンビーム法を
用いて成長した５ｉＦｔ膜の反射電子回折（Ｒ）ＩＥＥ
Ｉ）　）パターンを示す。この蒸着条件は、イオン化電
流（Ｉｅ＝　２００ｍＡ）　、加速電圧（Ｖａ＝５ＫＶ
）、基板温度（Ｔｓ＝　３００°Ｃ）である。成長した
Ｓｉ薄膜の結晶軸は＜　１１１　＞軸であり、ＢｅＯの
Ｃ−軸に垂直な（００２）面上のＢｅ原子を核としてエ
ピタキシャル成長しているのがわかる。

第１３図は得られたＳｔ結晶成長膜について７７〜３０
０°にの温度範囲で測定した電気伝導度の温度特性の一
例を示したものである。曲＃ｉｌ　（１）は原料として
不純物を含まない高純度のＳｔを用いて成長させた膜に
ついて測定したもの、また曲線（２）、　（３）はＩｎ
、　　Ｐがそれぞれ約０．０１ｗｔ％を含むＳｉをＢｅ
Ｏ膜上に成長させた場合の測定結果である。いずれの場
合も単結晶Ｓｔウェファで測定された結果とほぼ同程度
の特性のものが得られている。これらの成長膜のＨａｌ
ｌ移動度の値は、Ｉｎを添加したｐ−形状材でμｈさ２
００　ｃａ　／ｖ、ｓ、Ｐを添加したｎ−形状材でμｅ
＝　８００　ｃ／　／　ｖ、ｓであり、これらの値はＳ
ｉ／Ｓｔホモエピタキシャル成長膜で得られている値と
同程度である。

これらの実験結果でも明らかなように、ＢｅＯのＣ−軸
優先配向性膜上へのＳｉの結晶成長や、５ｉ（１１１）
基板上へのＢｅＯの結晶成長が蒸着中のイオンの含有量
と運動エネルギー（加速電圧）を適宜に調整することに
よって制御性をよく得られたので、これらの実験結果を
組み合せることによって、前述した第１ないし第６の実
施例による多層構造の半導体装置の形成が本発明によっ
て実施できることが理解できる。

なお、本発明は必ずしもクラスタイオンビーム技術のみ
を対象としたものではなく、他のイオンビームデポジシ
ョンやイオンブレーティングなどの手法を用いても実現
できる可能性がある。

以上説明したように本発明によれば、半導体層と半導体
層との間にＢｅＯ膜による絶縁層を設け、この絶縁層と
接する半導体層を酸化ベリリウムを結晶核として成長さ
せて形成した構成としたので、結晶性が良く半導体特性
の優れた多層の半導体層が形成でき、しかも半導体層間
の絶縁性及び放熱特性に優れているので、各半導体層に
高密度で素子を作り込むことが可能となり、かつ多層に
積層された三次元構造であるので、素子の集積度を、飛
躍的に向上できる半導体装置を提供することができる効
果がある。

特に、従来三次元構造の半導体装置に対する提案は種々
あったものの、絶縁層上に形成された半導体層の結晶性
の問題から、実用化が阻まれていたのに対し、絶縁層と
してＢｅＯ膜を用いた本発明の構造では、積層する半導
体層の結晶性の問題及び層間絶縁、放熱の問題を一挙に
解決しており、高密度集積化を図る上から、得られる効
果は、きわめて大である。

また、本発明によれば、ＢｅＯ皮膜の基板にはガラス等
の安価な材料を用いることができ、装置をきわめて低コ
ストで供給できる特長を有し、その効果はきわめて大で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図は本発明に係る半導体装置の第１な
いし第６の実施例を示す断面説明図、第７図は本発明に
係る装置を製造する際に使用される装置の一例を示す概
略構成図、第８図はガラス基板上に成長させたＢｅＯ膜
のＳＥＭ像を示す図であって金属の結晶の構造を示す電
子顕微鏡写真、第９図はサファイヤ基板（０００１）面
上にエピタキシャル成長させたＢｅＯ膜の反射電子線回
折（ＲＨＥＥＤ）パターンを示す図であって金属の結晶
の構造を示す電子顕微鏡写真、第１０図は５ｉ（１１１
）基板上に成長させたＢｅＯ薄膜の反射電子線回折パタ
ーンを示す図であって金属の結晶の構造を示す電子顕微
鏡写真、第１１図（Ａ）、（Ｂ）は５ｉ（Ｉｌｌ）基板
上に成長させたＢｅＯ薄膜のＸ−線回折パターンとＳＥ
Ｍ像を示す図であって第１１図（Ｂ）は金属の結晶の構
造を示す電子顕微鏡写真、第１２図はＢｅＯのＣ−軸優
先配向膜（基板はガラス）上に成長させたＳｉ薄膜の反
射電子線回折パターンを示す図であって金属の結晶の構
造を示す電子顕微鏡写真、第１３図はＢｅＯ優先配向膜
上に成長させたＳｉ薄膜の電気伝導度（σ）の温度特性
を示すグラフ図である。】０２・２０２・３０２・４０２・５０２・６０２−・
・下部半導体層、１０３・２０３ａ・２０３ｂ・３０３
・４０３ａ・４０３ｂ・５０３・６０３ａ・６０３ｂ　
・軸絶縁層、１０４・２０４−３０４・４０４ａ−４０
４ｂ−５０４・６０４−上部半導体層、６０５−・・金
属材料または磁性材料からなる基体。特許出願人　　双葉電子工業株式会社代理人・弁理士　　西　　村　　教　　光第１図第２図第４図第１０図第１１　図ＣＢ）第１２図第１３図＝１♂　７丁　（Ｋ−１）手　　続　　補　　正　　書　〔μン昭和６３年　２月１５日

Claims

【特許請求の範囲】

（１）少なくとも、下部半導体層とこの下部半導体層上
に積層される上部半導体層とを有し、両半導体層の間に
絶縁層が設けられて多層構造とされる半導体装置におい
て、上記絶縁層として酸化ベリリウム皮膜が用いられ、
少なくとも上記上部半導体層は、酸化ベリリウムの結晶
に規正されて成長させた半導体層とされていることを特
徴とする半導体装置。
（２）前記酸化ベリリウム皮膜は、Ｃ軸配向性を持つ特
許請求の範囲第１項記載による半導体装置。
（３）前記下部半導体層は、単結晶半導体ウェハーとさ
れている特許請求の範囲第１項記載による半導体装置。
（４）前記下部半導体層は基板上に形成された半導体薄
膜層とされている特許請求の範囲第１項記載による半導
体装置。
（５）少なくとも、下部半導体層とこの下部半導体層上
に積層される上部半導体層とを有し、両半導体層との間
に絶縁層が設けられて多層構造とされる半導体装置にお
いて、上記絶縁層は、金属材料または磁性材料からなる
基体の表裏面に酸化ベリリウム皮膜が被着されて形成さ
れており、少なくとも上記上部半導体層は、酸化ベリリ
ウムの結晶に規正されて成長させた半導体層とされてい
ることを特徴とする半導体装置。
（６）前記酸化ベリリウム皮膜はＣ軸配向性を持つ特許
請求の範囲第５項記載による半導体装置。
（７）前記下部半導体層は、単結晶半導体ウェハーとさ
れている特許請求の範囲第５項記載による半導体装置。
（８）前記下部半導体層は基板上に形成された半導体薄
膜層とされている特許請求の範囲第５項記載による半導
体装置。