JPS63129616A - 半導体装置及びその形成方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置及びその形成方法に係り、例えばＳ
直　（シリコン）基板上にＧ−Ａｓ（砒化ガリウム）薄
膜を成長させた場合に熱膨張係数の違いから生じる基板
の反りを低減するものである。

〔従来の技術〕

Ｓｉ基板上へＧ、Ａ、薄膜を成長させるペテロエピタキ
シャル成長技術は工業的に見ると次の様な利用が考えら
れ、ここ数年その成長に関する研究が盛んになってきて
いる。

■大面積で低価格なＧ、Ａ、ＩＣや太陽電池用基板の作
成。

■Ｓ、ＩＣの上にＧ−Ａｓデバイスを形成したＧ、Ａ、
／Ｓｉ複合集積回路の実現。

ここで、Ｓ、基板上へＧ−Ａｓ薄膜を成長させる際、Ｃ
，、Ａ、の熱膨張係数は２．６Ｘ１０−６°ｃ−１で、
Ｓ、の熱膨張係数は５．９　Ｘ　１０−”Ｃ−’であり
、その差のために例えばＭ　ＯＣＶ　Ｄ　（Ｍｅｔａｌ
　ＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅ
ｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、Ｓｉ基板上へＧ、　Ａｓ
薄膜を直接結晶成長した場合、Ｇ、Ａｓ薄膜には強い引
張り応力が働き第２図（ａ）のグラフに示すように反り
が発生する。尚、第２図（ａ）は基板の径が５ｍｍ、Ｓ
、基板の厚さが５００μｍ、Ｇ＊　Ａｓ薄膜の厚さが４
．６μｍで、触針式の段差針を用いて基板の反りを測定
した結果であり、同図■）の断面図にも示すように、Ｇ
、Ａ、薄膜側が凹形状となるように反っている。そして
、Ｇ＊　Ａｓ　薄膜の厚さが３′〜４μｍ以上になると
クラックが生じるという事もあり問題となっている。

そこで従来では、上述した熱膨張係数の差によるクラン
クの発生の問題、及びＧ−ＡｓとＳえとの間の約４％の
格子不整合を緩和するために、Ｓｔ基基土上直接Ｇ　−
Ａ　ｓを結晶成長せずに、各々の厚みが２０００人程度
のｃ、ｐ／ｃ、Ａｓ　Ｐ及びＧ、Ａ３Ｐ／Ｇ、Ａ、の歪
超格子を中間層として介して成長する技術が提案されて
いる。

〔発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記の歪超格子を中間層として介する技
術においては、Ｇ１１Ａ、薄膜の厚さが６μｍ程度まで
はクラックが発生しないものの、やはり基板の反りは生
じており、基板の反りは基板に形成される素子が発光素
子の場合にはその寿命を低下させ、電界効果トランジス
タの場合にはそのしきい値電圧を変化させる等といった
悪影響を与えることが知られており問題となっている。

又、この技術は製造工程が非常に複雑であり、ＩＣを形
成する上で有効に利用されない中間層の厚みが比較的厚
いので、その分コストが高いという問題もある。

そこで本発明は上記の問題点に鑑みなされたものであっ
て、半導体基板上に熱膨張係数の異なる半導体薄膜を形
成した際に、それらの熱膨張係数の差による反りを比較
的単純な構成にて実用上問題のない程度に低減する事が
可能な半導体装置及びその形成方法を提供する事を目的
としている。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成する為に、第１発明である半導体装置
は、半導体基板の一主面上に形成され、該半導体基板の
熱膨張係数とは異なる熱膨張係数の半導体薄膜と、 前記半導体基板の他主面上に形成され、前記半導体薄膜
の熱膨張係数と略同等の熱膨張係数の第２の薄膜とを備
える事を特徴としている。

又、第２発明である半導体装置の形成方法は、半導体基
板の一主面、及び該一主面に対向する他主面上に、前記
半導体基板の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数の半導体
薄膜を同時に形成する事を特徴としている。

（実施例） 以下、図面に示す実施例を用いて本発明の詳細な説明す
る。

第１図は本発明の第１実施例としての半導体装置の断面
図である。図において１はその厚さが例えば５００　ｕ
ｍのｓ、基板であり、２．３はＳ’を基板１の一主面及
び他主面上に各々形成されるＧ、Ａ、薄膜である。尚、
Ｇ、Ａ、薄膜２とＧ。

Ａ、薄）Ｉ！３は略同等の厚さ、例えは４．６μｍ程度
に形成されている。　次に、第１図における半導体装置
の形成方法としての第２実施例を説明する。

第４図はその形成方法にて使用する気相成長装置であり
、Ｓ、基板の両主面上にＧ、Ａ、薄膜をＭＯＣＶＤ法に
より形成するものの構成図である。

図において、１１は石英等から成る反応容器、１２はＳ
、基板、１３は反応容器１１の周囲に配置し、３１基板
１２及びグラファイト製のサセプタ２１を所定の温度に
加熱するための高周波誘導コイル、１４は原料ガスをＳ
＋基板１２付近に導入するためのノズルであり、石英管
あるいは５ＵＳ（ステンレス鋼）管より成る。１６は排
気口であり、Ｇ、Ａ、薄膜の成長時の圧力を大気圧（常
圧）以下にする場合は、この排気口１６より排気し、圧
力を所定の値に設定する。１７はワークコイルであり、
モータ等により基板１２を所定の位置に移動させると共
にＳｉ基板１２を支持するための支持棒を構成している
。２２は流量調整器（ＭＦＣ）であり、原料ガスの流量
を精度よく調整する。

尚、Ｓｉ基板１２は例えばサセプタ２１上に凹部を形成
し、その凹部にＳｉ基板１２の端部を装入する事により
固定している。又、ノズル１４の開口部は、原料ガスが
Ｓｉ基板１２の両主面に均等に供給される様に、Ｓ、基
板１２の真上に所定の間隔をもって配置している。

そして、この装置を用いて、まず、高周波誘導コイル１
３によりＳｉ基板１２を４５０℃程度に加熱し、ノズル
１４から原料ガスであるＴＭＧ（トリメチルガリウム）
／Ｈ２とＡ、Ｈ，（アルシン）／Ｈ２とＨ２を各々所定
量だけ反応容器１１内に導入する。この原料ガスはＳ、
基板１２の両主面に均等に分流し、略等しい膜厚の中間
層としてのＧ、Ａ、薄膜（以下、ｒＧ、Ａ、中間層」と
いう）をＳｉ基板１２の両主面上に堆積する。

尚、この状態におけるＧ、Ａ、中間層は双晶を含むアモ
ルファスか多結晶であり、又、その厚さは、後工程でこ
のＧ、Ａ、中間層上にＧａ　Ａｓ　薄膜を所望の厚さ成
長させる際に、そのＧ、Ａ、薄膜の結晶性を良好にする
ために２００Å以下の例えば１００人程度にするのが良
い。その後、ＴＭＧ／Ｈ２を流すのを中止し、Ａ　−Ｈ
ａ　／　ＨｚとＨ２だけ流し、高周波誘導コイル１３に
よりＳｉ基板１２を７５０°Ｃ程度に加熱する。そして
この温度にて所定時間、例えば５分程度かそれ以上の熱
処理を行ないＧ、Ａ、中間層に単結晶核を形成する。

しかる後にＴＭＧ／Ｈ，を再び流し、単結晶のＧ、Ａ、
ｉ膜を所定の厚さ、例えば４．６μｍまで成長させる。

成長終了後は、ただちにＴＭＧ／Ｈ。

の流れを止め、高周波誘導コイル１３の駆動電源を停止
し、温度を下げる。尚、この時もＡ−Ｈｓ／　ＨｚとＨ
２は流しておく。Ｓｉ基板１２が十分に低温になった後
Ａ−Ｈ３／Ｈｚの供給を停止する。この後、反応容器１
１内のガスを十分に排気し、Ｓｉ基板１２を取り出して
工程を終える。

尚、成長するＧ、Ａ、薄膜の膜厚は、原料ガスの供給量
、成長時の温度、成長時間の兼合いにより決定される。

そこで本実施例によると、Ｓｉ基板１２の両主面上に同
じ条件にて略同じ厚さのＧ、Ａ、薄膜を同時に形成でき
、又、その際に使用する原料ガスは、Ｓｉ基板１２の一
主面上だけにＧｍ　Ａ、　薄膜を形成する場合と比較し
て、Ｓｉ基板１２の両生面上にＧａ　Ａｔ　薄膜を形成
しているために、他主面の面積だけ、原料ガスが熱分解
反応して結晶を成長させるべくＳｚ基板１２の面積が大
きくなるので、排気口１６より排気処理される無駄なキ
ャリアガスとしてのＨｚ及び未反応ガスは低減し、原料
ガスの供給量はＳｉ基板１２の一主面上だけにＧ、Ａ、
薄膜を形成する場合と略同量でよくなり、コスト的に有
効である。又、Ｓｉ基板１２を７５０℃程度に加熱した
状態で所定時間の熱処理を行なっているのでＳｌとＧ、
Ａ、の格子不整合を緩和でき、良好な単結晶のＧａ　Ａ
ｔ　ｆｊｔ膜を形成できる。

又、本実施例の形成方法にて形成される第１図に示す半
導体装置は、Ｓｉ基板１の両主面上に略同じ厚さのＧ、
Ａ、薄膜２．３を有しており、それらは当然同じ熱膨張
係数を有しており、ＳｉとＧ、Ａ、との熱膨張係数の違
いからＧ、Ａ、薄膜に引張り応力が働いたとしても、そ
の応力は互いに緩和し合うので基板の反りを低減できる
。又、Ｇ、Ａ、薄膜２，３をＳｉ基板１の表面に形成す
る中間層として、何ら膜厚の比較的厚い（４０００人程
度）歪超格子を用いる事なくｉｏｏ人程度のアモルファ
スか多結晶のＧ、Ａ、中間層を介しているだけであり、
その分コストを低減する事ができる。

本発明者等の実験による測定結果を第３図のグラフに示
す。第３図は横軸のＧ、Ａ、薄膜の膜厚に対する対数目
盛りである縦軸の曲率半径を表わしており、図中、実線
が本発明のＳｉ基板の両生面上にＧｍ　Ａｔ　薄膜を成
長したものであり、点線は、Ｓ！基板の一主面上だけに
成長したもので、一点鎖線は従来の歪超格子を中間層と
して介しＳ。

基板の一主面上だけに成長したものである。通常使用さ
れるＧａ　Ａｓ　ｉ！膜の膜厚は３〜５μｍであり、図
から明確であるように、本発明によるとその範囲におい
て従来の技術と比較して曲率半径にして約１桁も大きく
なっており、この値における反りの程度は実用上全く問
題はない。

尚、本発明によると半導体基板め一主面上にその膜中に
ＩＣを形成する為の半導体薄膜を形成し、他主面上に反
りを低減する為の薄膜を形成するわけであるが、その他
主面上に形成される薄膜は半導体基板に対して１／１０
０程度の膜厚であり、この薄膜により基板の熱伝導性が
悪化する事はない。又、その薄膜中にもＩＣを形成する
事により集積化してもよい。

又、本発明は上記実施例に限定される事なく、その主旨
を逸脱しない限り種々変形可能であり、例えば、３遍基
板の両生面上に形成される薄膜はＧ、Ａ、でなくてもよ
（、Ｓｉと熱膨張係数の異なる■、ＩＰ（熱膨張係数は
４．５　Ｘ　１０−”Ｃ−”ｌ　。

ＡＮ、Ｇ、、、Ａ、（熱膨張係数は（６−４−１，２ｘ
）ｘｔｏ−’″ｃ−１）等でも本発明は適用可能であり
、同様に反りを低減できる。又、基板もＳＮに限定され
る事なく、その両生面上に形成される薄膜と熱膨張係数
の異なるものであればよく、例えば１、Ｐ薄膜とＧ、Ａ
、基板、Ｇ、Ａ、薄膜とα−Ａｆｆｆｉ　０３基板等の
組合せであってもよい。

又、上記第１実施例においてＳｉ基板１の両生面上にＧ
ｓ　Ａｆｉ　ｍ膜２．３を形成しているが、Ｓ１基板１
の一主面上にＧａ　Ａｓ　薄膜を形成し、他主面上には
Ｇ、Ａ、と略同等の熱膨張係数の他の薄膜、例えばＡｊ
！、Ｏ，薄膜（熱膨張係数は５．９×１０−”Ｃ−’）
　、　Ｇ、薄膜（熱膨張係数は５．７×１０−６°Ｃ弓
）、Ｚ、Ｓ薄膜（熱膨張係数は６．３×１０−”Ｃ−’
）等を形成してもよい。尚、この事は言うまでもなくＳ
ｉ基板とＧ、Ａ、薄膜の組合せ以外でも適用可能である
。又、この場合、Ｇ、Ａ。

薄膜が気相成長法で形成されるのに対し、他の薄膜は例
えば真空蒸着法、スパッタリング法により形成されるの
で上記第２実施例の様に同時に形成する事は出来ず、各
々の１ｍを形成するための別の装置が必要となる。

又、本発明は半導体基板の表面上にその材質の異なる２
ｍ以上の薄膜を形成する場合にも適用可能であり、例え
ばコスト的な面を無視した場合、Ｓ、基板の両生面上に
まず中間層としてのＧｅｍ膜を形成し、引続きＧ、Ａ、
薄膜を成長させる構造のものや、従来の技術で示したよ
うな３１基板の表面上に歪超格子を介してｃｍ　Ａｓ　
＊膜を成長させる構造のものにおいても、その薄膜をＳ
ｔ基板の両生面上に形成する事により基板の反りを低減
する事ができるものである。

又、上記第２実施例において使用する気相成長装置は例
えば以下の如くの構成でもよい。

（１）第５図の構成図に示すように、反応容器１１が横
型構造のものでもよい。尚、図では省略しているがこの
場合Ｓ　ｔ　基板１２は、ワークコイル１７に接続され
るホルダー等により固定すればよい。

（２）第６図の構成図に示すように、Ｓｉ基板１２の両
生面のＧａ　Ａｓ　薄膜は別々のノズル１４．１５によ
り同一の原料ガスを供給して形成してもよい。この場合
、原料ガスによる乱流の発生を防止するために、各々の
面側におけるガス流が互いに影響を及ぼさないように、
ガス供給量と排気量。

ノズル１４．１５及び反応容器１１の形状、配置を制御
する必要がある。又、Ｓｉ基板１２を加熱する手段とし
て高周波誘導コイルのかわりに赤外線ランプ１３ａを使
用してもよく、この場合、反応容器１１の材質はＳＵＳ
　（ステンレス鋼）であってもよい。

（３）第７図の構成図に示すように、枚葉式の気相成長
装置を使用してもよい、この場合、まず予備室２０にＳ
ｉ基板１２を導入する。予備室２０はターボ分子ポンプ
と油回転ポンプにより排気される。この時、到達真空度
は１０−’Ｔａｒｔ程度である。

その後、予備室２０はＨ！置換され、反応室１１ａと同
一圧力になる。そして、Ｓｉ基板１２はゲートバルブ１
８を開にして、基板搬送機構により反応室１１ａに送ら
れる。この基板搬入機構はベルト式のものやＨｚガスを
利用するものが用いられる。反応室１１ａでは、ノズル
１４と１５から原料ガスが供給され、Ｓｉ基板１２の両
生面にＧａ　Ａｓ　１１膜が成長する。成長終了後、基
板搬送機構により、ゲートパルプ１９を開は予備室２１
に送られ、取り出される。

尚、第５図乃至第７図に示す構成図において、第４図に
示す装置の構成要素と同一機能を有する構成要素には、
同一符号を付してその説明は省略する。又、上記実施例
はＭＯＣＶＤ法によって半導体薄膜を形成しているが、
分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ）、　クロライド法に
よる気相成長によって形成してもよい。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によると、半導体基板の一主面
に該半導体基板の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数の半
導体薄膜を形成する際に、半導体基板の他主面にも該半
導体薄膜の熱膨張係数と略同等の熱膨張係数の第２の薄
膜を形成するという比較的単純な構成により、半導体基
板と半導体薄膜との熱膨張係数の差から生じる半導体薄
膜への応力は第２の薄膜へ同様に作用する応力により互
いに緩和し合い、基板の反りを低減できるという効果が
ある。

又、その半導体薄膜と第２の薄膜とを同一材料にして、
同時に形成する事により、それらの薄膜の原料ガスを有
効に使用する事ができ、コスト的に優れるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例である半導体装置の断面図
、第２図（ａ）は従来の技術の反りの状態を表わすグラ
フ、第２図（ｂ）は従来の技術の反りの状態を表わす断
面図、第３図はＧｍ　Ａｓ　ｆ３１膜の膜厚に対する曲
率半径を表わすグラフ、第４図は本発明の第２実施例で
ある半導体装置の形成方法にて使用する気相成長装置の
構成図、第５図乃至第７図は第２実施例で使用する他の
気相成長装置の構成図である。 １・・・Ｓム基板、２，３・・・Ｇ、Ａ、薄膜。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板の一主面上に形成され、該半導体基板
   の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数の半導体薄膜と、 前記半導体基板の他主面上に形成され、前記半導体薄膜
   の熱膨張係数と略同等の熱膨張係数の第２の薄膜とを備
   える事を特徴とする半導体装置。
2. （２）前記第２の薄膜は、前記半導体薄膜と略同等の厚
   さである特許請求の範囲第１項記載の半導体装置。
3. （３）前記第２の薄膜は、前記半導体薄膜と同一材料で
   ある特許請求の範囲第１項又は第２項記載の半導体装置
   。
4. （４）前記半導体基板は元素半導体より成り、前記半導
   体薄膜は化合物半導体より成る特許請求の範囲第１項乃
   至第３項のいずれかに記載の半導体装置。
5. （５）半導体基板の一主面、及び該一主面に対向する他
   主面上に、前記半導体基板の熱膨張係数とは異なる熱膨
   張係数の半導体薄膜を同時に形成する事を特徴とする半
   導体装置の形成方法。
6. （６）前記半導体薄膜の形成は、前記半導体基板の一主
   面及び他主面上に低温にて、アモルファス及び多結晶の
   うちいずれか１つの状態の半導体薄膜を中間層として堆
   積し、次に所定の時間熱処理する事により該半導体薄膜
   に単結晶核を形成し、その後に、所望の厚みの単結晶の
   前記半導体薄膜を成長させるものである特許請求の範囲
   第５項記載の半導体装置の形成方法。