JPS62174942A - 半導体装置用エピタキシヤル絶縁膜とその製造方法 - Google Patents

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】 〔発明の利用分野〕 本発明は半導体装置に使用されるエピタキシャル絶、歇
膜とその製造方法に係り、特にダイヤモンド構造もしく
は、立方晶ＺｎＳ構造を有する半導体ＪＡ棒体上形成す
るのに好適なエピタキシャル絶縁１摸に関する。

〔発明の背景〕

現在、ＭＯ８型半導体装置をはじめ、多くの半導体装置
の絶縁１漠には、５ｉＯｚ、５ｉａＮａ等の非晶質膜が
幅広く使用されている。しかしながら、ゲート幅の微細
化に伴い、酸化物・半導体界面の状態が素子特性に強い
影響を及ぼすようになり、非晶質膜よりも、半導体基体
と格子の連続性を有する絶縁膜が必要しこなってきた。

一方、ＧａＡｓに代表される化合物半導体では、熱酸化
膜を絶縁膜として使えないという問題がある。

これらの問題を解決する方法としては、半導体材料と格
子整合のあるエピタキシャル絶縁膜の使用がある。半導
体単結晶上に絶縁材料の単結晶薄膜をエピタキシャル成
長させる例は、ファロウら（Ｆａｒｒｏｗ　ｅｔ、ａｌ
、）による１１エムビーイー・グロウン・フルオライド
・フイルムズ：アニュークラス・オン・エピタキシャル
・ディーレクトリックス（Ｍ　Ｂ　Ｅ　−ｇｒｏｗｎ　
ｆｌｕｏｖｉｄｅ　ｆｉｌｍｓ　：　Ａ　ｎｅｗ　ｃｌ
ａｓｓｏｆ　ｅｐｉｔａｘｊ−ａｌ　ｄｉｅｌｅｃｔｒ
ｉｃｓ）　”と題するジャーナル・オン・ザ・バキュウ
ム・サイエンス・チクノロシイ（Ｊ　、　Ｖａｃ、　Ｓ
ｃｉ、Ｔｅｃｈｎｏｌ、）　　ｌ　９　（３）Ｓｅｐｔ
　ｌ　Ｏｃｔ、　１９８１．　ｐ　、　４１５〜４２０
所載の論文およびイシワラら（Ｉｓｈｉｗａｒａ　ｅｔ
、ａｌ、）による″エピタキシャル・プロウス・オン・
フルオライド・フイルムズ・オン・シリコン・サブスト
レイト（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ　　Ｇｒｏｗしｈ　　ｏｆ
　　Ｆｌ、ｕｏｒＬｄｅ　　Ｆｉｌｍｓ　　０ｆ１Ｓｉ
ｌｉｃｏｎ　５ｕｆｓｔｒａｔｅｓ）　”と題するマテ
リアル・リサーチ・ソサエティ・シンポジウム・プロシ
ーディンゲス（Ｍａｔ＋Ｒｅｓ、　Ｓｏｃ、　Ｓｙｍｐ
、　Ｐｒｏｃ、　）第２５巻（１９８４）　Ｐ、３９３
〜４０３所載の論文において報告されている。

両者は共にＧａＦｚに代表されるアルカリ土類弗化物を
絶縁膜に使用し、前者はＭＢＥ　（分子線エピタキシ）
法によって、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＣｄＴｅ。

Ｄ（ｇ−Ｃｄ）Ｔ　ｅ上に、後者は通常の真空蒸着法に
よって、Ｓｉ上に前記弗化物膜をエピタキシャル成長さ
せたものである。前記弗化物は前記のような半導体と結
晶構造が似ており、しかもこれら弗化物の格子定数の大
きさは前記半導体のそれに近く、かつ混晶を作製するこ
とにより、格子定数の整合を図ることができる。これら
の理由から、上記の方法により、アルカリ土類弗化物の
エピタキシャル膜が上記半導体上に形成されてくる。

アルカリ土類弗化物は電気比抵抗が高く、絶縁材料に適
しているが、熱膨張率が約１９ＸＬＯ−Ｂ／にでＳｉ、
Ｇａｐの約３Ｘ　１０−’／に、ｒｎＰ。

ＧａＡｓの約５ｘｌＯ−’／ｋｎ　Ｇｅ、ＺｎＳ、Ｚｎ
５ｅの約６〜７Ｘ１０””／ｋに比べて３〜６倍位大き
い。そのため、４００℃以上の成長温度から室温に下が
る間に成長膜に歪が入りやすいものがある。

一方、基板とその上に形成する絶縁膜の格子定数のミス
マツチは混晶の作製により、小さくすることはできる。

しかし、熱膨張率の大きな違いを減少させるには至らな
い。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、結晶構造がダイヤモンド構造もしくは
立方晶Ｚ　ｎ　Ｓ　ｔＸ’Ｅ造を有する半導体単結晶基
体上にエピタキシャル成長させることができる絶縁材料
単結晶薄膜およびその製造方法を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、結晶構造がダイヤモンド構造（例えばＳＬ、
Ｇｅ等）、もしくは、立方晶ＺｎＳ構造（例えばＧａＰ
　、　ＧａＡｓ、　Ｔ　ｎＰ　、　ＩｎΔ！；等）を有
する半導体材料基体上にエピタキシャル成長させること
ができる絶縁膜材料として、Ｌｎ２Ｏ８（ここでＬｎは
イツトリウム（Ｙ）、スカンジウム（Ｓｃ）および希土
類金属元素の中から選ばれた少なくとも一つの元りなる
分子式で表わされる酸化物が適していることを、見出し
たことに基づいている。

希土類金属酸化物は、結晶構造が立方晶のＣ−レアアー
ス（Ｃ−Ｒａｒｅ　Ｅａｒｔｈ）構造と六方晶の八−レ
アアース（Ａ　−Ｒａｒｅ　Ｅａｒｔｈ）があり、立方
晶は低温相、六方晶は高温相と言われている。ここでＡ
、Ｃ−レアアース構造の表現は「桐山良−著構造無機化
学Ｉ共立全書ｐ１３０〜１３３」に基づく。この中、立
方晶型構造の酸化物は格子定数がダイヤモンド構造もし
くは立方晶ＺｎＳ構造を有する半導体の格子定数のほぼ
２倍に相当し、エピタキシャル成長する。一方、本発明
では高温ｔＩ’１と言われる六方晶のＡ−レアアース結
晶構造を有する希土類酸化物も、真空蒸着法により形成
され、かつ半導体基体上にエピタキシャル成長すること
を見い出した。また、熱１彫張率は立方晶構造の場合と
ほぼ同じＬＸ、１０−’に’で、前記半導体装置〜５Ｘ
ＩＯ−Ｂｋ”−”の２倍弱でアルカリ土類金属弗化物に
比較して、エピタキシャル膜と半導体錫板中に発生する
熱歪を小さくすることができる。

本発明のエピタキシャル絶縁膜は、真空蒸着装置中で希
土類金属元素を抵抗加熱、電子ビーム加熱等により蒸発
させながら、所定分圧をもった酸素ガスを導入すること
により、該装置内に配置した比較的低温に保持した半導
体単結晶基体上に六方晶のＡ−レアアース構造型希土類
酸化物薄膜をエピタキシャル成長させることができる。

エピタキシャル成長した絶縁膜の方位は半導体基体の面
方位＜１００）に対して（１１０１）面が成長した。こ
れは（１１０１）面に原子配列がダイヤモンド構造、Ｚ
ｎＳ構造（１００）面の配列に近いためである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を実施例によって詳細に説明する。

実施例１ 第１は目土本発明の絶縁膜の形成に使用した真空蒸着装
置１の概略説明図である。Ｓｉ　（１００）単結晶基板
上３（直径５０ｎ＋ｍ）に表面清浄化処理を施した後、
該基板３を真空蒸着装置１中のヒータ付基板支持台２に
取り付け、該装置１中を真空排気管６を通して２Ｘ１０
−７Ｔｏｒｒまで排気し、その後、基板３を２５０℃ま
で加熱した。そして、排気を行いながら、装ｂｆｌｔ　
ｌ内に酸分圧がＩ　Ｘ　１０−１！Ｔｏｒｒになるよう
にガス導入管７から酸素を導入した。また、蒸着源室４
の部分は別の差動排気用排気管７を通して排気した。こ
のような状態で排気管６にあるメインバルブ５を徐々に
閉じ、蒸着装置１中の真空度をＩ　Ｘ　１０　”−’Ｔ
ｏｒｒに調整した。この際、蒸着源室４の部分の真空度
は３Ｘ１０−”Ｔｏｒｒであった。

この真空雰囲気中で、金属ユーロピウム（Ｅｕ）８を入
れたタンタル（Ｔａ）　ｌｆｉヒータ９に通電し。

０．５人／Ｓの成膜速度で蒸着した。膜厚２００人まで
蒸着した後、Ｒ１（ＥＥＤ法（反射高速電子線目新法）
により、該薄膜を評価した結果、薄膜は六方晶のＥｕｚ
Ｏａであり、（１１０１）の面方位を有していた。

上記のＥｕｚＯｓ絶縁膜上にＡＱ主電極形成し、該絶縁
１１分の耐電圧を調べた結果、６Ｘ１０’Ｖ／（！１の
大きさで、電極面積依存性がなく、欠陥の少ないことが
分った。

実施例２ 実施例１と同様に、５ｉ（１００）単結晶基［３」二に
Ｅｕを０．３人／Ｓの成膜速度で蒸着した。この場合に
も得られた薄膜はＥｕｚＯｓで、（１１０１）の面方位
を有していた。また、酸素を導入する代りにＲ２０を１
．　Ｘ　Ｉ　Ｏ−’Ｔｏｒｒ導入した場合にも同様の膜
が得られ、絶縁耐圧にも差異は認められなかった。

実施例３ 実施例１と同様に、Ｓｉ　（１００）単結晶基板３上ネ
オジウム（Ｎｄ）を０．５人／Ｓの成膜速度で蒸着した
。この場合にも（１１０１）面方位を有すＮｄｐ、Ｏａ
薄１１襲が得られた。

実施例４ ＧａＡｓ（１００）単結晶基板上に実施例１と同じ工程
で、ランタン（ＬＦＩ）およびネオジウム（Ｎｄ）を同
時に酸素を含む雰囲気中で蒸着した。すなわち、到達真
空度２　Ｘ　１０−７Ｔｏｒｒ、基板温度を２５０℃、
酸素分圧をｌ　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒとした。ＬａとＮ
ｄの成膜速度はそれぞれ０．３５人／Ｓおよび０．１５
人／Ｓであった。形成された薄膜は（Ｌａ−Ｎｄ）ｚＯ
ａの混晶酸化物であり、　ＧａＡｓ単結晶基板上にエピ
タキシャル成長した。

実施例５ 実施例２に示した方法によって形成したＥｕ２Ｏ３エピ
タキシャル絶縁膜上に、ＣＶＤ法によってＳｉ膜を形成
した。形成したＳｉ薄膜はＥｕｚＯａ薄膜上にエピタキ
シャル成長し、基板に用いたＳｉ単結晶と同じ（１００
）面方位を有していた。

実施例６ Ｓｉ（１００）単結晶基板上にデルビウム（Ｔｂ）を蒸
着した。加熱は実施例１とは異なり、電子ビームで行っ
た。到達真空度はＩ　Ｘ　１０−７Ｔｏｒｒ、基板温度
は２５０℃、酸素分圧は２　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒであ
る。成膜速度は０．５人／Ｓであった。Ｔｂの場合にも
Ｔｂ２Ｏ８のエピタキシャル成長が確認された。

以上の実施例では、希土類金属酸化物として、Ｅｕｚｚ
８．　（Ｌａ−Ｎｄ）ｚＯｓ、　Ｔｂ２０ｓについて示
したが、希土類金属元素の化学的、物理的性質の類似性
からも、他の希土類金属酸化物およびそれらの混晶につ
いても、以上の実施例と同様な効果が得られた。

〔発明の効果〕

以上、実施例に述べたところから明らかなように１本発
明は結晶構造がダイヤモンド構造もしくは立方晶ＺｎＳ
構造を有する半導体基体上にエピタキシャル成長させる
ことができる酸化物絶縁膜材料として、六方晶のＡ−レ
アアース結晶構造を有するＬｎａｄｓ（ここでＬｎはＹ
、Ｓｃ、、および希土類金属元素の内から選ばれた少な
くとも一つの元素）なる分子式で表わされる酸化物を用
いることができることを見い出したものである。この金
属酸化物薄膜はピンホール等の欠陥が少なく、絶縁膜と
して耐圧性に優れている３また、基板と絶縁膜の間の熱
膨張率の差がアルカリ土類金属弗化物よりも小さい上、
成長温度も低くなるため、半導体装置の製造工程におい
ても、ひずみの発生が少ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の絶縁膜の形成しこ使用した真空蒸着装
置の概略説明図である。 １・・・真空蒸着装置、２・・・基板支持台、３・・・
基板、４・・・蒸着源室、５・・・メインバルブ、６・
・・排気管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、結晶構造がダイヤモンド構造もしくは立方晶ＺｎＳ
   構造を有する半導体単結晶基体上にエピタキシャル成長
   によつて形成された少なくとも一層のＡ−レアアース結
   晶構造を有する金属酸化物単結晶薄膜であることを特徴
   とする半導体装置用エピタキシャル絶縁膜。 ２、特許請求の範囲第１項記載の半導体装置用エピタキ
   シャル絶縁膜において、前記、Ａ−レアアース結晶構造
   を有する希土類元素の酸化物が、Ｌｎ＿２Ｏ＿３（ここ
   で、Ｌｎは希土類金属元素、イットリウムおよびスカン
   ジウムのうちから選ばれた少なくとも一つの金属元素を
   表わす）なる分子式で表わされることを特徴とする半導
   体装置用エピタキシャル絶縁膜。 ３、結晶構造がダイヤモンド構造もしくは立方晶ＺｎＳ
   構造を有する半導体単結晶基体上にＬｎ金属（ここでＬ
   ｎは希土類金属元素、イットリウムおよびスカンジウム
   のうちから選ばれた少なくとも一つの金属元素を表わす
   ）の蒸気と酸素ガスまたは酸素を含む酸化性化合物ガス
   を供給し、該基体上に六方晶の結晶構造を有する。 Ｌｎ＿２Ｏ＿３なる分子式で表わされる金属酸化物薄膜
   をエピタキシャル成長させることを特徴とする半導体装
   置用エピタキシャル絶縁膜の製造方法。