【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]
本発明は半導体材料をエピタキシヤル成長させ
る際に用いられる半導体基板用スピネル結晶に関
する。
一般に絶縁物基板上にエピタキシヤルした半導
体結晶を半導体装置として用いれば、素子間を完
全な電気的絶縁性に保つことが可能で、寄生容
量、消費電力の低減化および半導体素子のより密
な集積化が計れ、高周波特性を向上させることが
できる等の利点を有する。
しかし、従来のサフアイヤ基板等の絶縁物基板
は、半導体結晶との界面で、両結晶格子の整合性
が悪く、さらに、界面付近の半導体結晶は絶縁物
結晶の含有原子のオートドーピングにより、高品
位結晶を得ることが困難である欠点を有してい
る。
これを絶縁物基板としてスピネル結晶を、半導
体結晶としてシリコンを夫々用いた場合を例にと
つて説明する。
第１図はスピネル結晶（100）とシリコン結晶
（100）について両結晶格子の整合性を示す模式図
である。シリコンの格子定数は5.430Åであり、
MgA2O4スピネルの格子定数は8.084Åである
ため、スピネル結晶の格子２がシリコン格子１と
整合する部分（図中Ａ部分）でも、格子にわずか
な「ずれ」がある。即ち図中Ｂ部分に示すように
両結晶は完全に整合していない。従つて、従来の
スピネル基板を用いて、シリコン膜をエピタキシ
ヤル成長させると両結晶が整合していないことに
より、スピネル基板が湾曲したり、シリコン膜に
格子歪を内蔵したりあるいは転位が発生したりす
る等の欠点が生じる。このような欠点は、スピネ
ル結晶上にシリコンを用いた場合のみでなく、他
の材質であつても、又サフアイヤ結晶上に半導体
結晶を用いた場合でも生じる。しかしながら、サ
フアイヤ結晶上に立方晶をもつ半導体結晶、たと
えばシリコンを整合させる場合、サフアイヤ結晶
は六方晶であるため、立方晶のシリコンとの間の
ミスマツチングを完全になくすことは不可能であ
る。
たとえば、サフアイヤ（1102）にシリコン
（100）を整合させた場合、サフアイヤ〔1011〕方
向のミスマツチングをなくしても、〔1210〕方向
のミスマツチングは依然として残ることになる。
これに比べて、スピネルにシリコンを整合させ
る場合は、ともに立方晶であるのでミスマツチン
グを全ての方位についてなくすことができる。
そのため、Si on Sapphi reよりSi on Spine
の方がミスマツチングをなくす点からは優れて
いる。このように、作来の絶縁物基板を用いた場
合、絶縁物結晶の構成原子が特に、半導体結晶の
界面付近に、混入するため、界面付近の半導体結
晶の結晶性を阻害している。そのため、従来の半
導体基板上に成長させた半導体結晶を用いた半導
体素子はソース・ドレイン間のリーク電流が多い
等、電気的特性を著しく、阻害している欠点も、
前述の欠点と併せ、有している。
本発明は、叙上の従来の絶縁物基板の欠点を除
去するもので、その目的はMg、Ａを含すスピ
ネル結晶の少なくとも一部を（MgO＋Sc2O3）で
置換することによりシリコン結晶とスピネル結晶
との格子のずれをなくし、さらに、絶縁物基板か
ら半導体結晶内に混入する元素を少くし、格子
歪、転位等の少い、均質で完全な半導体結晶を育
成することが可能な半導体基板用スピネル結晶を
提供することにある。
絶縁物基板と半導体結晶との格子定数を合せる
ことについては、本願発明者の一人により、特開
昭49−33556号にて提案してある。
又、Mg，Ａを含むスピネル結晶をCa，Sr，
Ba，Mn，Zn，Cd，Ga，In，Cr，Feのうち、少
くとも一つで置換する半導体基板用スピネル結晶
は、特開昭50−12970号にて、Ag，Ａを含むス
ピネル単結晶の少くとも一部をMg，Tiで置換す
る半導体用スピネル結晶は、特開昭51−17663号
にて、サフアイヤ結晶をCr，Fe，Ga，Mg，
Ti，Scのうち、少くとも一つで置換する半導体
基板用絶縁物結晶は、特開昭51−49676号にて
夫々本願発明者により提案されている。
本発明は、これらいくつかの発明の継続研究に
より見出されたものである。
以下本発明を詳細に説明する。
第２図は本発明の一例で、MgA2O4の一部を
SC2O3で置換した時のスピネル結晶の格子定数と
Sc2O3の組成の関係を示す特性図である。MgA
2O4の一部をそれぞれ各モル％のSc2O3で置換し
た結晶はスピネル構造を有し、置換したSc2O3の
組成比を変えることにより、スピネル結晶の格子
定数をある範囲内で任意に変えることができる。
シリコン結晶と基板結晶とのミスフイツト係数を
0.6％以内に合せるためには、Sc2O3の組成比は２
モル％〜15モル％程度含むスピネル結晶であれば
よい。
ミスフイツト係数は次式よりもとまる。
The present invention relates to spinel crystals for semiconductor substrates used in epitaxial growth of semiconductor materials. In general, if a semiconductor device is made of a semiconductor crystal epitaxially formed on an insulating substrate, it is possible to maintain complete electrical insulation between elements, reducing parasitic capacitance and power consumption, and allowing for denser integration of semiconductor elements. It has advantages such as being able to improve the high-frequency characteristics. However, with conventional insulating substrates such as sapphire substrates, the matching of both crystal lattices at the interface with the semiconductor crystal is poor, and furthermore, the semiconductor crystal near the interface has high quality due to autodoping of the atoms contained in the insulating crystal. It has the disadvantage that it is difficult to obtain crystals. This will be explained by taking as an example a case where spinel crystal is used as the insulating substrate and silicon is used as the semiconductor crystal. FIG. 1 is a schematic diagram showing the consistency of the crystal lattices of a spinel crystal (100) and a silicon crystal (100). The lattice constant of silicon is 5.430Å,
Since the lattice constant of MgA 2 O 4 spinel is 8.084 Å, there is a slight "misalignment" in the lattice even in the part where the lattice 2 of the spinel crystal matches the silicon lattice 1 (part A in the figure). That is, as shown in part B in the figure, both crystals are not completely matched. Therefore, when a silicon film is epitaxially grown using a conventional spinel substrate, the spinel substrate may become curved, lattice distortion may be built into the silicon film, or dislocation may occur due to misalignment of both crystals. There are disadvantages such as Such a drawback occurs not only when silicon is used on a spinel crystal, but also when other materials are used, or when a semiconductor crystal is used on a sapphire crystal. However, when matching a semiconductor crystal having a cubic crystal, such as silicon, on a sapphire crystal, it is impossible to completely eliminate mismatching between the sapphire crystal and the cubic silicon, since the sapphire crystal is a hexagonal crystal. For example, if silicon (100) is matched to sapphire (1102), even if mismatching in the sapphire [1011] direction is eliminated, mismatching in the [1210] direction will still remain. In comparison, when silicon is matched to spinel, mismatching can be eliminated in all directions since both are cubic crystals. Therefore, Si on Spine rather than Si on Sapphi re.
is better in terms of eliminating mismatching. As described above, when a conventional insulating substrate is used, the constituent atoms of the insulating crystal are mixed particularly near the interface of the semiconductor crystal, thereby inhibiting the crystallinity of the semiconductor crystal near the interface. Therefore, conventional semiconductor devices using semiconductor crystals grown on semiconductor substrates have drawbacks such as high leakage current between the source and drain, which significantly impairs electrical characteristics.
It has all the drawbacks mentioned above. The present invention aims to eliminate the above-mentioned drawbacks of the conventional insulating substrate, and its purpose is to replace at least a part of the spinel crystal containing Mg and A with (MgO+Sc 2 O 3 ), thereby replacing it with silicon crystal. A semiconductor that eliminates lattice misalignment with spinel crystals, and also reduces the amount of elements mixed into the semiconductor crystal from the insulating substrate, making it possible to grow homogeneous and perfect semiconductor crystals with few lattice distortions, dislocations, etc. An object of the present invention is to provide a spinel crystal for a substrate. One of the inventors of the present invention proposed matching the lattice constants of an insulating substrate and a semiconductor crystal in Japanese Patent Laid-Open No. 49-33556. In addition, spinel crystals containing Mg, A, Ca, Sr,
Spinel crystals for semiconductor substrates that are substituted with at least one of Ba, Mn, Zn, Cd, Ga, In, Cr, and Fe are described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 12970/1983 as spinel single crystals containing Ag and A. Spinel crystal for semiconductors in which at least a part of
Insulator crystals for semiconductor substrates in which at least one of Ti and Sc is substituted have been proposed by the inventors of the present invention in Japanese Patent Laid-Open No. 51-49676. The present invention was discovered through continued research on several of these inventions. The present invention will be explained in detail below. Figure 2 is an example of the present invention, in which part of MgA 2 O 4 is
The lattice constant of spinel crystal when substituted with SC 2 O 3 and
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the compositions of Sc 2 O 3 . MgA
A crystal in which a portion of 2 O 4 is replaced with Sc 2 O 3 of each mol% has a spinel structure, and by changing the composition ratio of the substituted Sc 2 O 3 , the lattice constant of the spinel crystal can be adjusted within a certain range. can be changed arbitrarily.
The misfit coefficient between the silicon crystal and the substrate crystal is
In order to keep it within 0.6%, the composition ratio of Sc 2 O 3 must be 2.
Any spinel crystal containing about mol% to 15 mol% may be used. The misfit coefficient is determined by the following equation.
【表】
次にミスフイツト係数、零付近の基板結晶を作
製した場合について本実施例に用いた基板結晶の
作製法を説明する。
まづ、MgA2O4：（MgO＋Sc2O3）のモル比
が82：18になるように粉末を混合し、プレス体を
作製し、それを1300℃で24時間大気中で焼成した
セラミツク棒を用いて、双橢円型赤外線集中加熱
炉を用いたフローテイング・ゾーン法で育成速度
0.8mm／Ｈ以下、結晶回転速度30rpm酸素雰囲気
中の育成条件で結晶育成を行う。
基板結晶を作製させるのは、フローテイング・
ゾーン法に限られず、CVD法・チヨクラルスキ
ー法・EFG法によつても構わない。特にEFG法
では育成速度を適当に選ぶことにより、偏析の少
い均一性の良い大面積の基板結晶を得ることがで
きる。
この基板結晶を用いてSiH4の熱分解法による
気相成長法でシリコン膜を作つた場合、従来の基
板を用いた場合のシリコン膜と比べてシリコン膜
の絶縁基板付近のキヤリア濃度が少くなつてお
り、これは現在SOS半導体素子の電気的特性を阻
害している大きな原因の一つを解決できる。
電気的特性としては例えばＰ型（111）シリコ
ン膜を例にとれば、膜厚１μの場合、キヤリヤ濃
度２×1015／c.c.、易動度300cm2／v.secとなり、膜
厚0.5μの場合、キヤリヤ濃度２×1015／c.c.、易
動度300cm2／v.secになる。従つて、実用的用途と
しては、特に基板結晶との界面付近でのシリコン
膜の結晶性が良いため、メモリ等SOSMOS構造
として、薄くて良質なシリコン膜が要求される場
合効果的であり、MOSFETのソース・ドレイン
間リーク電流を低減され、ダイナミツク・メモリ
等に応用することも可能である。
尚、この実施例は、半導体結晶としてシリコン
結晶について説明したがゲルマニウム・−化
合物であるGaAs，GaPやGaAAs，InGaP等の
混晶、−化合物等、化合物半導体にも適用す
ることができる。
本発明の半導体基板用絶縁物結晶はMg，Ａ
を含むスピネル結晶のうち、少くとも一部を
（MgO＋Sc2O3）で置換することにより、スピネル
結晶の格子定数を変化させ、半導体結晶と基板結
晶の格子のずれを0.6％以内に合せることによ
り、半導体結晶内の格子歪、転位を少くすると共
にオートドーピングによるキヤリヤ濃度を少くす
ることができるため、薄くて良質な半導体結晶を
成長させることが可能な半導体基板用スピネル結
晶が得られる。さらに本発明は、スピネル結晶に
（MgO＋Sc2O3）の型でオートドーピングの少ない
Sc元素を固溶させ格子定数を増加させ、半導体
結晶との間にミスマツチングの全くない絶縁結晶
基板が得られるためミスマツチングが残るサフア
イヤ基板に成長させる場合に比べ、より高品位で
より有益な半導体結晶を得ることができる。
成長法は、気相、液相、蒸着等の堆積法を用い
る。[Table] Next, a method for manufacturing a substrate crystal used in this example will be described in the case where a substrate crystal with a misfit coefficient near zero is manufactured. First, a ceramic rod was created by mixing powders such that the molar ratio of MgA 2 O 4 :(MgO + Sc 2 O 3 ) was 82:18, creating a pressed body, and firing it in the air at 1300°C for 24 hours. The growth rate was increased using the floating zone method using a twin-shaped infrared concentrated heating furnace.
Crystal growth is performed under growth conditions of 0.8 mm/H or less and a crystal rotation speed of 30 rpm in an oxygen atmosphere. Floating/
The method is not limited to the zone method, but may also be the CVD method, Czyochralski method, or EFG method. In particular, in the EFG method, by appropriately selecting the growth rate, it is possible to obtain a large-area substrate crystal with little segregation and good uniformity. When a silicon film is produced using this substrate crystal using a vapor phase growth method using SiH 4 thermal decomposition, the carrier concentration near the insulating substrate in the silicon film is lower than that of a silicon film using a conventional substrate. This can solve one of the major causes that currently hinder the electrical characteristics of SOS semiconductor devices. As for electrical properties, if we take a P-type (111) silicon film as an example, when the film thickness is 1 μ, the carrier concentration is 2 × 10 15 /cc, and the mobility is 300 cm 2 /v.sec, and when the film thickness is 0.5 μ, In this case, the carrier density is 2×10 15 /cc and the mobility is 300cm 2 /v.sec. Therefore, for practical applications, the crystallinity of the silicon film is good, especially near the interface with the substrate crystal, so it is effective in cases where a thin, high-quality silicon film is required for SOSMOS structures such as memories, and MOSFETs. The leakage current between the source and drain of the device can be reduced, making it possible to apply it to dynamic memories, etc. Although this embodiment has been described with reference to a silicon crystal as a semiconductor crystal, it can also be applied to compound semiconductors such as germanium--compounds such as GaAs, GaP, GaAAs, InGaP, and other mixed crystals and -compounds. The insulating crystal for semiconductor substrates of the present invention has Mg, A
By replacing at least part of the spinel crystal containing (MgO + Sc 2 O 3 ) with (MgO + Sc 2 O 3 ), the lattice constant of the spinel crystal is changed, and the lattice misalignment between the semiconductor crystal and the substrate crystal is adjusted to within 0.6%. Since lattice strain and dislocation in the semiconductor crystal can be reduced and the carrier concentration due to autodoping can be reduced, a spinel crystal for semiconductor substrates can be obtained that allows the growth of thin, high-quality semiconductor crystals. Furthermore, the present invention provides a spinel crystal with (MgO + Sc 2 O 3 ) type with less autodoping.
By increasing the lattice constant by incorporating the Sc element into solid solution, an insulating crystal substrate with no mismatching between the semiconductor crystal and the semiconductor crystal can be obtained, resulting in a higher quality and more useful semiconductor crystal than when grown on a sapphire substrate, where mismatching remains. can be obtained. As the growth method, deposition methods such as vapor phase, liquid phase, and vapor deposition are used.
【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]
第１図は、スピネル結晶（100）面とシリコン
結晶（100）面との間に存在する２：３の最小公
倍数的整合性を示し、両結晶間の格子のずれを示
す説明図。第２図は、本発明に用いたSc2O3を含
むMgAO4結晶のSc2O3の組成比と結晶の格子定
数の関係を示した図。
１……シリコン結晶格子、２……スピネル結晶
格子。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the least common denominator consistency of 2:3 that exists between the spinel crystal (100) plane and the silicon crystal (100) plane, and showing the lattice misalignment between the two crystals. FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the composition ratio of Sc 2 O 3 and the lattice constant of the crystal of MgAO 4 containing Sc 2 O 3 used in the present invention. 1... Silicon crystal lattice, 2... Spinel crystal lattice.