JPS5931985B2 - マグネスピネルの気相成長法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は化学式が（ＭｇＯ）ｘ・（Ａｌ２Ｏ３）１−但
しＸは（ＭｇＯ）のモル数を指す一で表わされるマグネ
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ＳＯＳ（ＳｉｏｎＳａｐｈｉｒｅ）
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。

５０５は素子間の分離が容易に達成できる、寄生容量を
小さくして装置の動作スピードを向上できることなど、
種々の魅力ある特色を有し、高速論理素子等のニーズと
して注目を集めているが、その反面種々の問題点を有し
ているので、現在の半導体工業の主流にはなつていない
。

その問題点とは次の如きものである。（ハ 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、（至）サファイア基板そのものが高
価であること、（ｏ９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、０）サファイア基板の結晶性が悪い
ために不安定なＡｌ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、（０）２００〜３００μ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
よつて、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、ｅ→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５０５の欠点を解消するために、２００〜３００μｍ
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つて規制され後
者に近いものになる。したがつて、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成長さ
せた場合に近い状態で、成長し結晶性が良好になる。し
かし、本発明者の研究の結果、上記新規構造のＳＯＳに
はシリコン結晶とサフアイア結晶との格子不整合に基づ
く問題があることが分かつた。

そこで本発明者等はサフアイアの代りにマグネスピネル
結晶をシリコン基板上に成長させる改良ＳＯＳ装置を既
に提案している。以上のようにマグネスピネルを使用す
るにおいて問題はその製法である。従来マグネスピネル
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、Ａｌ２Ｏ３の融点は２０００℃
を越えるため上記メルトの温度が高くなり、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甚
困難である。したがつて、本発明はマグネスピネルを液
相ではなく気相によつて成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。

本発明に係る方法は、化学式が（ＭｇＯ）ＸＯａ２Ｏ３
），、但しｘは（ＭｇＯ）のモル数、で表わされるマグ
ネスピネルを気相成長させるために、第１流路を流れる
ＨＣＩガスと液体又は固体のＡ！とを接触させて、第１
反応ガスを得る段階、第１流路を流たるＨＣＩガスと混
合されないように第２流路を水素又は不活性ガスを流す
段階、第２流路においてＭｇを加熱してＭｇ蒸気を前記
水素又は不活性ガスによつて搬送する段階、前記第１反
応ガス、Ｍｇ蒸気及びＣＯ２ガスを混合して第２反応ガ
スを得る段階、及びこの第２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ことを特徴とする。

この方法は本発明者が以前に提案したＳＯＳのサフアイ
アをマグネ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ＳＯＳのサフアイアを
マグネ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
であつて、その温度は塩化水素との反応に好都合な温度
であつて、一般に５００〜７００℃、好ましくは５００
〜６４０℃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：なる反応が起こると考えられる。

Ｈ２，Ｈｅ，Ａｒ，Ｎ２ガスのうち少なくとも１種のガ
スと塩化水素ガスとを混合してアルミニウムとの反応に
使用すると、塩化水素ガスが反応管内を均一に流れマグ
ネスピネルの結晶成長も均一に行われる。以上の段階に
おいて発生した第１反応ガスＡｌＣｌ３及びＨ２混合ガ
スと考えられる一をＳｉ基板の領域まで搬送する。

一方、マグネスピネルの他の成分であるマグネシウム含
有蒸気を発生させるために、マグネシウムを好ましくは
４００〜７００℃に加熱する。

マグネシウムは２００ないし１０００℃の温度で１０−
１０〜１ｔ０ｒｒの高い蒸気圧をもつことを利用して、
本発明においては加熱のみによつてマグネスピネルの生
成反応ガスを得ることを特色としている。すなわち、本
発明にあつては塩化マグネシウムなどの反応性に富むハ
ロゲン化合物を利用するのではなく、マグネシウム蒸気
そのものをマグネスピネルの生成反応に利用するのであ
る。上記マグネシウム蒸気を搬送するためにＨ２ガス又
はＡｒ，Ｎ２、あるいはこれらの混合ガスを使用する。
次の混合段階において、塩化アルミニウム、マグネシウ
ム蒸気ならびにＣＯ２ガスを混合させ、この混合ガスを
シリコン基板と接触させる。

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。加熱温度が下限より低下すると、マグ
ネスピネルのエピタキシヤル成長速度が低く、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による塩化アルミニウム及びマグネシウムの酸
化反応は次式：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。

しかし、ＣＯ２と他の成分との混合が遅過ぎると第１反
応ガス（ＡｌＣｌ３＋Ｈ２）とＭｇ蒸気との反応が生じ
、これらのガスの降温など、場合によつては金属Ａｌが
第１反応ガスの分解によつて生成する危険がある。生成
した匿後の（ＭｇＯ）ｘ・（Ａｌ２Ｏ３），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、Ａｌと接触するＨ
ＣＩガス流はＨＣｌｌＯＯＣＣ／分〜７００ＣＣ／分と
Ｈ２キヤリアーガス３１／分と混合ガス、Ｍｇと接触す
るＨ２ガスは１１／分〜３１／分ＣＯ２ガス流はＣＯ２
５ＯＣＣ／分〜３１／分とＨ２キヤリアーガス５１／分
〜１５１／分との混合ガスであることが望ましい。

マグネスピネルはｘ値が０．０１ないし３。

５である時に最も安定である。

このようなＸ値のマグネスピネルを得るためには、Ａｌ
と接触するＨＣＩの流量は７００ＣＣ／ＭＩｎ，Ｍｇと
接触するＨ２ガスの流量は３１／ＭｉｎそしてＣＯ２の
流量は３２／１Ｔ１ｉｒ１であるのが好ましい。ＨＣＩ
及びＣＯ２の流量が一定ならばＭｇと接触するガスの流
量が増加するとｘ値は増加する。以下、本発明の気相エ
ピタキシヤル成長法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つて石英反
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によつて二分されており、上部中空体
２ｂ及び下部中空体２ｃが隔壁２ａによつて形成されて
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を貫通するガス導入管
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。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用する必要はない。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Ａｌを取囲むように反応管１の
周りに設けられている。Ｍｇが皿５ｃに、Ａｌが皿５ｂ
に受けられることもある。ガス導入管の内部を上下に仕
切つて形成された流路のうち、Ｍｇ６ｂの配置された空
間と連通する流路には、Ｈｅ，Ａｒ，Ｎ２，Ｈ２などの
搬送ガスが流される。

他方の流路にはＨＣＩが、又はこの搬送ガスとともにＨ
ＣＩが流される。反応管１の一端に搬送ガス入口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，５ｃ
の周囲の環状空間部を流れ、続いてＭｇの蒸気及びＡｌ
の反応ガスと一緒になつて基板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Ｓ
ｉＣコーテイングカーボン、ＭＯ又はＮｂ等からなる支
持台９が固定されている。

支持台８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、すり合せキヤツプ１３が反応管の出口
１１側に設けられている。円盤状基板１０はその平担面
によつて台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Ｄに対しｄ二１／５〜１／３Ｄ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Ｍｇ及びＡ！ＣＩＩ３の酸
化開始時期を調節する観点から、好ましい。基板１０の
平担面は（１１１）面、（１１０）面、（１００）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つて基
板１０上にマグネスピネルの単結晶をエピタキシヤル成
長させることができる。以上の如き装置においてマグネ
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ヤル成長を行うと、改良ＳＯＳの
生産性を高めることができる。

さらに、新鮮なマグネ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、ＨＣＩガスの導
入口４の下部流路からの送入を中止する。このために、
Ｈ２ガス、，又はＨｅ，Ａｒ，Ｎ２の１種以上の搬送ガ
スでＨＣＩガスを置換する。また、ＣＯ２導入口１４か
らのＣＯ２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，Ａｒ，Ｎ２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Ａｌの蒸発を防止する。一方加
熱手段によつてＳｉ基板を１０００ないし１１００℃に
加熱する。上記搬送ガスによるＨＣＩ，ＡｌＣｌ３，Ｍ
ｇ等のパージを約５〜１５分続けた後に、入口８からＳ
ｉＨ４又はＳｉＣＩｌ４を導入することにより、マグネ
スピネルの上にＳｉ単結晶をエピタキシヤル成長させる
ことができる。次に、本発明の方法により成長させたマ
グネスピネル（ＭｇＯ）ｘ・（Ａ！２０３）１、但し、
＝１、シリコン基板との格子整合率を計算した結果を説
明する。

上記マグネスピネルの成長条件は次のとおりであつた。

上述の条件により４分間成長を続け、厚さが２ミクロン
の成長層を得た。

次表に、シリコン及びサフアイアの公知の格子定数熱膨
張率及びマグネスピネルの本発明者が測定した格子定数
、熱膨張率、格子不整合率を次表に示す。

上記表から分かるように、シリコン上にマグネスピネル
を成長させると両者の格子不整合率はシリコンとサフア
イアの間の格子不整合率よりも３分の１ないし８分の１
に低下している。

また、マグネスピネルの線膨張係数はサフアイアの係数
よりもシリコンに近い。さらに、シリコンとマグネスピ
ネルの結晶型は同じ立方晶系である。かかるすべての事
実が、改良ＳＯＳ装置内の結晶歪を低下させ装置の特性
向上に寄与することは容易に理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明に係る気相成長法を実施する装置の一具体
例を示す断面図である。 １・・・・・・反応管、２・・・・・・管、２ｂ，２ｃ
・・・・・・中空部、４・・・・・・ＨＣＩ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・・
・・・・すり合わせキヤツプ、１４・・・・・・ＣＯ２
導入管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 化学式が（ＭｇＯ）＿ｘ・（Ａｌ＿２Ｏ＿３）＿１
   、但しｘは（ＭｇＯ）のモル数、で表わされるマグネス
   ピネルを気相成長させるために、第１流路を流れるＨＣ
   ｌガスと液体又は固体のＡｌとを接触させて、第１反応
   ガスと混合されないように第２流路を水素又は不活性ガ
   スを流す段階、第２流路においてＭｇを加熱してＭｇ蒸
   気を前記水素又は不活性ガスによつて搬送する段階、前
   記第１反応ガス、Ｍｇ蒸気及びＣＯ＿２ガスを混合して
   第２反応ガスを得る段階、及びこの第２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スピネル
   の気相成長法。