JPS5931984B2 - 半導体装置及びその製法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体装置に関するものであり、さらに詳し
く述べるならばサファイアの表面にシリコン単結晶層を
成長させた通常５０５と略称されている半導体装置の改
良及びこの改良装置の製法に関するものである。

５０５は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。（１）ホモＳｉ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、（Ｏ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べ５１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Ｓｉ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５１層との間の格子不整合によつて
、Ｓｉ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（（−→サファイアと基板の５１との熱膨腸
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、厚さ２００〜３００ｆｔｍのシリ
コン基板の片面に厚さ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５１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。この装置を多数製作したとこ
ろＳｉとサファイアの熱膨腸係数に起因する問題が発生
した。熱膨腸係数についてＳｉは３．５９×１「６ｃＴ
ｎ／℃、サファイアは８．４０×１０−６ｃ！ｒＬ／℃
と２倍以上の差があるために、シリコン結晶基板の片面
上にサファイアが成長したウェハーは製造工程において
凹面状に反る問題が頻発した。このように反つたウエハ
一を写真工程においてパターンニングすると、パターン
のボケが生じる。この結果集積回路半導体装置の集積度
を高めることが困難になつた。本発明の主たる目的は本
発明者等が提案した改良ＳＯＳｌすなわちＳｌ基板−サ
フアイア膜−Ｓｉ活性層の構造を有する半導体装置の反
りの問題を解決することである。この目的を達成する半
導体装置は、半導体シリコン基板の表裏両面に為結晶サ
フアイア層がエピタキシヤル成長され、表裏それぞれの
単結晶サフアイア層の少なくとも一方に半導体の活性層
がエピタキシヤル成長され、また該活性層に半導体素子
が形成されていることを特徴とする。

この装置によるとシリコン基板の表裏両面にサフアイア
膜が、好ましくは１〜５μｍの範囲で且つ等しい厚さに
成長されるために、双方のサフアイア膜が反対方向に反
ろうとする。

この結果ウエハ一全体においては反りは補償される。最
外層のシリコン活性層もウエハ一の表裏両方エピタキシ
ヤル成長されていると反りはほぼ完全に消失し、集積度
が高められる。最外層のシリコン活性層はその厚さを制
限されることなく、用途に応じて任意の厚さにしうる。
この厚さが少なく反りのおそれが少ない場合はウエハ一
の片面にシリコンエピタキシヤル層を成長させてもよい
。ウエハ一の両面にシリコンエピタキシヤル層が成長さ
れた場合は、それぞれの層に素子を製造して装置の集積
度をさらに高めることができる。シリコン基板表面の結
晶面は（１１１）面、（１１０）面、（１００）面、好
ましくは（１００）面であり、サフアイア層の表面の結
晶面は（０００１）面、（１０１２）面であり、シリコ
ン活性層表面はシリコン基板と同一の結晶面を有する。
以上の装置において、シリコン活性層にＰ，Ｎ型不純物
のドーピングを行うこと、表面に絶縁膜又は電極配線を
形成すること、などにより装置を完成すること自体は周
知であるので、説明を省略する。

本発明の他の目的は上記装置を気相成長によつて製造す
る方法を提供することである。

この方法は本発明者等が既に提案した気相成長法におい
て、ウエハ一の配置方法及びガスの流路に工夫を加えた
ことに特徴があるものである。

すなわち、この方法は、液体又は固体のＡｌにＨＣＩガ
スを接触させることにより生成するガス相を、該ガス相
に対して両面が暴露されたシリコン基板の領域に搬送し
、９５０ないし１３５０℃に加熱された前記基板に前記
ガス相とＣＯ２とを混合して接触させて、Ａｌ２Ｏ３の
単結晶層を前記基板の両面にエピタキシヤル成長させる
段階、及び前記Ａｌ２Ｏ３単結晶層の少なくとも一方に
シリコンをエピタキシヤル成長させる段階を含むことを
特徴とする。本発明の方法の一つの特色は液体又は固体
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
状であつて、その温度は塩化水素との反応に好都合な温
度であつて、５００〜７００℃一般には５００−６００
℃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：１１昌 １１ＶＩυ↓▲νｖ ▲４−ＶＺ なる反応が起こると考えられる。

金属Ａｌを出発材料の一つとして用いることによつて「
ＡｌＣｌ３を用いた場合に生じる出発材料の潮解性」に
起因する問題が防止される。さらに、ＨＣＩ中に若干存
在する水分がＡｌと反応してＡ２２Ｏ３を生成させる。
したがつて、ＨＣＩの導入によつてＳｉ基板が酸化され
Ａｌ２Ｏ３単結晶の成長が妨げられることがない。以上
の段階において発生したガス−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。

この搬送のためにＨ２ガス又はＡｒ，Ｎ２、あるいはこ
れらの混合ガスを使用することができるｇ本発明におい
ては、Ａ′とＨＣＩとの接触により生じた反応ガス−Ａ
ｌＣｌ３とＨ２との混合ガスと考えられる一をＳＩ基板
と、ＣＯ２の存在下において接触させることを特色とす
る。

この接触において、Ｓ１基板は９５０℃ないし１３５０
℃、一般には１０００ないし１２７０℃、の温度に加熱
されている。ＣＯ２による酸化反応は、次式： により進行すると考えられる。

生成されたＡｌ２Ｏ３はＳｌ単結晶基板の表出面上にエ
ピタキシヤル成長する。ここで、上記（１）式において
Ａ！と反応するためにＡｌの領域まで搬送されたＨＣｌ
ｌは１００％がＡ！と反応するのではない。よつて全体
のＨＣＯガスに対して１０−２０％と考えられる未反応
ＨＣＩが単結晶Ｓｌ基板の領域にＡｌＣｌ３と共に搬送
されることが発明者の研究の結果判明した。このＨＣ２
はＳｉ基板に非表出面−すなわちサフアイアの成長のた
めの反応ガスからは隔離されている面−があると、その
面のＳｉと反応して次式：によるＶａｐＯｒｅｔｃｈを
行う。

このＳｉＣ！４蒸気はサフアイア層に混入してその結晶
性を低下させうることがＸ線回折測定の結果から明きら
かになつた。また（２）式により生成するＦＣＩによつ
ても（３）式の反応が起こる。本発明に係る方法の大き
な特色は、シリコン基板の周縁の一部を含む該基板の一
部でこれを支持し、残部両面をサフアイア成長のための
反応ガスに暴露することである。

この際シリコン基板の面は反応ガス流方向に対して平行
であるのがよい。この方法によると、基板の両面が反応
ガスに暴露されているために両面サフアイア膜が成長す
る。また基板面が反応ガス流方向に平行であると両面に
ほぼ同じ速度でサフアイアが成長する。したがつて、基
板のＳｉが未反応ＨＣＩと反応する余裕がなく直ちにサ
フアイアが何れの面でも成長する。したがつて基板のＳ
ｉは未反応ＨＣＩガスから保護される。本発明の方法を
実施するに当たつては次の如き手段を採用することがで
きる。

ＨＣＩ及び反応ガスの搬送のために、Ｈ２，Ｎ２，Ａｒ
の少なくとも１種、好ましくはＮ２，Ａｒの少なくとも
１種、を搬送ガスとして使用することが好ましい。ＣＯ
２の存在下において反応ガスを基板と接触させるために
は、遅くとも反応ガスが基板の領域に到達する時までに
ＣＯ２ガスと反応ガスとを混合しなければならない。し
かし、この混合をできるだけ遅く行なつてＣＯ２による
酸化反応が基板にできるだけ近い領域のみで起こるよう
にすることが好ましい。サフアイアを成長させた後のＳ
ｉのエピタキシヤル成長のためには、ＳｉＨ４の分解、
ＳｉＣｌ４のＨ２還元など周知の方法を採用することが
できる。

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。第１図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の中において中空体
２が固定されている。

中空体２の一端は石英反応管１を貫通する塩化水素管４
と連通しており、他端は反応管１の中に開放している。
したがつて中空体２は反応管１の空間の一部に画室３を
規定している。図示された具体例では中空体２が配置さ
れた領域において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。中空体２の中には皿５が置かれその中にアルミニ
ウム６が配置されている。公知の加熱手段７が中空体２
の領域に設けられアルミニウム６を加熱し、同じ加熱手
段が前記領域に続く領域にも伸びて、中空体２から送出
されるガスも加熱する。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、最初は中空体の周囲の環
状空間部を流れ、続いてＡｌとＨＣＩの反応生成ガスと
一緒になつて基板１０の方向に流れる。搬送ガスの流路
は必ずしもこのようなものである必要はなく、中空体２
の出口端に直接流れ入る流路であつてもよい。反応管１
の空間の一部に、石英からなる基台１５上にＳｌＣ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９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１
１側に設けられている。円盤状基板１０はその平担面が
反応ガス流方向１６に対して平行に向けられている。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＝
１／５〜１／３Ｄだけ前者に近づいて開口している。第
１図の装置の基板１０を配置している部分の好ましい具
体例を第２図及び３図に示す。石英などの材料からなる
ペデスタル１５の中心線に沿つて設けられた窪み１５ａ
にＳｉ基板１０のオリエンテーシヨンフラツト部が嵌め
込まれている。この窪み１５ａの深さは基板１０が倒れ
るのを防止するに足る僅かなものでよい。したがつて、
流れが１６で示されている反応ガスは基板１０の両面の
ほぼ全面に接触する。基板１０の各面に均一にサフアイ
アを成長させるために、基板の両側に基板と平行に高融
点金属又は化合物の壁体１７ａ，１７ｂが直立せしめら
れている。

壁体１７は基板１０より若干高い。この壁体１７とＳｉ
基板１０との間隔ｔによつて、反応ガスの当該間隔１を
流れる流量が定められる。したがつてそれぜれの間隔Ｔ
ｌ，ｔ２を等しく選定することによつてＳｌ基板の両側
に等しい厚さのサフアイアを成長させることが可能にな
る。また、加熱手段１２を高周波コイルとした場合に、
壁体１７をＳｉＣ，ＭＯ，Ｎｂなどの導電率が高い材料
とすると壁体１７の誘導加熱によつて基板１０を所定温
度に加熱することが可能になる。この際反応管１を水冷
するなどによりその加熱を妨げるならば、反応ガスの分
解物がその管壁に付着することが殆んど完全に防止され
る。付着した分解物が脱落してエピタキシヤル層に混入
しその品質を害するために、また付着によつて反応ガス
の濃度が変動するために、分解物の付着防止は有意義で
ある。高周波誘導コイル１２を使用した場合には、基板
１０の加熱は主として壁体１７からの輻射によつてなさ
れる。壁体１７は基板に対して平行に直立しているから
基板１０の各側における温度分布が均一になると考えら
れる。前述の距離Ｔｌ，ｔ２は等しい必要はなく、図面
において左側の面に厚いサフアイア層を成長させｔ１た
い場合は丁７〉１、例えばｔ１：Ｔ２＝２ｃ！ＲＬ：１
？のように選択される。

このように両面で厚さが異なるサフアイア層が設けられ
たウエハ一は絶縁耐圧等の特性の異なる素子を１度の工
程で形成出来る点で有意義である。Ｓｉ活性層を形成す
るには上述の装置（第１図ないし３図）を使用すること
が好ましい。

基板１０と一方の壁体１７の間隔ｔ１又はＴ２をゼロに
すると、Ｓｉ活性層は基板の片面にしか成長しない。Ｓ
ｉの成長においては次のように所定のガスを流すことが
好ましい。ＨＣＩの送入を中止して導入口４から水素ガ
ス等の搬送ガスのみを導入し、その後にＳｉＨ４，Ｓｌ
Ｃｌ４等のＳｉ含有材料を入口８から導入する。これら
のガスを導入する際は加熱手段７を遮断してＡｌが蒸発
しないようにすることが必要である。また加熱手段１２
は１０００以上の加熱を行うように従前の加熱を維持す
る。さらに、管１４からのＣＯ２導入を遮断する。次に
本発明を実施例により更に詳しく説明する。実施例 １
第１−３図の如き装置によりＡｌ２Ｏ３単結晶のエピタ
キシヤル成長を行つた。

成長条件を第１表に示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体シリコン基板の表裏両面に単結晶サファイア
   層がエピタキシャル成長され、表裏それぞれの単結晶サ
   ファイア層の少なくとも一方に半導体の活性層がエピタ
   キシャル成長され、また該活性層に半導体素子が形成さ
   れていることを特徴とする半導体装置。 ２ 液体又は固体のＡｌにＨＣｌガスを接触させること
   により生成するガス相を、該ガス相に対して両面が暴露
   されたシリコン基板の領域に搬送し、９５０ないし１３
   ５０℃に加熱された前記基板に前記ガス相とＣＯ＿２と
   を混合して接触させて、Ａｌ＿２Ｏ＿３の単結晶層を前
   記基板の両面にエピタキシャル成長させる段階、及び前
   記Ａｌ＿２Ｏ＿３単結晶層の少なくとも一方にシリコン
   をエピタキシャル成長させる段階を含むことを特徴とす
   る半導体装置の製法。