JP2007191356A - Nitrogen-doped diamond film and its producing method - Google Patents

Nitrogen-doped diamond film and its producing method Download PDF

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Koji Kobashi
宏司 小橋
Yoshihiro Yokota
嘉宏 横田
Nobuyuki Kawakami
信之 川上
Takeshi Tachibana
武史 橘
Kazuyuki Hayashi
和志 林
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing an n-type semiconductor diamond film doped with highly concentrated nitrogen atoms using a microwave plasma CVD method. <P>SOLUTION: A mixed gas where one or more kinds of gases selected from among methylamine, dimethylamine and trimethylamine are diluted with hydrogen or a mixed gas where one or more kinds of gases selected from among methylamine, dimethylamine and trimethylamine, a hydrocarbon gas and a hydrogen gas are mixed is used as a raw material gas. A nitrogen-doped diamond film containing nitrogen atoms of 10<SP>20</SP>cm<SP>-3</SP>or more on a substrate surface is formed by the microwave plasma chemical vapor deposition method at gas pressure of 80 Torr (10,664 Pa) or more. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、高濃度の窒素ドープダイヤモンド膜の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a high concentration nitrogen-doped diamond film.

ダイヤモンドは耐熱性に優れ、バンドギャップが大きく(5.5eV)、通常は絶縁体であるが、不純物ドーピングにより半導体化できる。また、絶縁破壊電圧及び飽和ドリフト速度が大きく、誘電率が小さいという優れた電気的特性を有する。このような特徴により、ダイヤモンドは高温・高周波・高電界用の電子デバイス又はセンサ材料として期待されている。   Diamond is excellent in heat resistance, has a large band gap (5.5 eV), and is usually an insulator, but can be made into a semiconductor by impurity doping. In addition, it has excellent electrical characteristics such as high dielectric breakdown voltage and saturation drift velocity and low dielectric constant. Due to such characteristics, diamond is expected as an electronic device or sensor material for high temperature, high frequency, and high electric field.

ダイヤモンドの単結晶は天然ダイヤモンドの採掘か、又は高温高圧条件により人工的に合成することにより得られるが(これらはバルク・ダイヤモンドと呼ばれる)、天然でも高温高圧合成でも得られるバルク・ダイヤモンドはその結晶面の大きさは数ミリ角であり、しかも価格は極めて高い。このため、その工業的利用価値は研磨用砥粒又は精密切削用刃先等の特定の分野に限られている。   Single crystals of diamond can be obtained by mining natural diamonds or artificially synthesizing them under high temperature and high pressure conditions (these are called bulk diamonds). The size of the surface is a few millimeters, and the price is extremely high. For this reason, the industrial utility value is limited to specific fields such as abrasive grains for polishing or cutting edges for precision cutting.

これに対し、ダイヤモンド膜は、例えば、炭化水素と水素の混合ガスを原料として合成することができる。ダイヤモンドの気相合成法としては、例えば特許文献1又は特許文献2に記載されているように、マイクロ波CVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相蒸着法)法を用いた合成法が知られており、その他にも、高周波プラズマCVD法、熱フィラメントCVD法、直流プラズマCVD法、プラズマジェット法、燃焼法、及び熱CVD法等が知られている。   On the other hand, the diamond film can be synthesized using, for example, a mixed gas of hydrocarbon and hydrogen as a raw material. As a vapor phase synthesis method of diamond, for example, as described in Patent Document 1 or Patent Document 2, a synthesis method using a microwave CVD (Chemical Vapor Deposition) method is known. In addition, a high-frequency plasma CVD method, a hot filament CVD method, a direct current plasma CVD method, a plasma jet method, a combustion method, a thermal CVD method, and the like are known.

原料ガスに、例えばジボラン(B)を添加すると、B(ホウ素)原子がダイヤモンド膜中に取り込まれ、ダイヤモンド膜はp型半導体となり、導電性を有するようになる。ドーパントであるB原子はダイヤモンドの価電子帯より高エネルギー側0.37eVにアクセプター準位を形成する。原料ガスのB濃度(例えば、B濃度)を増やすと、ダイヤモンド中には最大1021cm-3程度までB原子が取り込まれ、ダイヤモンドが金属的な導電性を示すようになる。 For example, when diborane (B 2 H 6 ) is added to the source gas, B (boron) atoms are taken into the diamond film, and the diamond film becomes a p-type semiconductor and becomes conductive. The B atom as the dopant forms an acceptor level at 0.37 eV on the higher energy side of the valence band of diamond. When the B concentration (for example, B 2 H 6 concentration) of the source gas is increased, B atoms are taken into the diamond up to about 10 21 cm −3 , and the diamond exhibits metallic conductivity.

これに対し、ダイヤモンドを導電性の高いn型半導体とすることは容易ではない。周期律表からは、C(炭素)原子からなるダイヤモンドにN(窒素)原子をドーピングすればn型半導体となるはずであるが、実際には、N原子はダイヤモンドの電導帯より低エネルギー側0.14eVにドナー準位を形成し、室温(0.025eV)ではドナー準位から電導帯へ電子を熱励起することが不可能であり、N原子がドーピングされたダイヤモンドは電気的絶縁体である。   On the other hand, it is not easy to make diamond an n-type semiconductor with high conductivity. According to the periodic table, if N (nitrogen) atoms are doped into diamond composed of C (carbon) atoms, an n-type semiconductor should be formed. However, in reality, N atoms have a lower energy side than the conduction band of diamond. A donor level is formed at .14 eV, and at room temperature (0.025 eV), it is impossible to thermally excite electrons from the donor level to the conduction band, and N-doped diamond is an electrical insulator. .

特許文献3においては、ダイヤモンドを使用した電界効果型トランジスタを高温、高出力、高周波数に適するように、ゲート電極と動作層との間に窒素ドープしたダイヤモンド層(介在層)を形成した構造を開示しており、実施例では、N源としてNガスを用いた窒素ドープダイヤモンド膜の製造方法が記載されている。 In Patent Document 3, a diamond-doped diamond layer (intervening layer) is formed between a gate electrode and an operation layer so that a field effect transistor using diamond is suitable for high temperature, high output, and high frequency. In the disclosed example, a method for producing a nitrogen-doped diamond film using N 2 gas as an N source is described.

また、特許文献4に記載の半導体素子には、p型ダイヤモンドを主成分とする動作層とゲート電極との間に、窒素原子をドープしたダイヤモンドからなる介在層が設けられている。   Further, in the semiconductor element described in Patent Document 4, an intervening layer made of diamond doped with nitrogen atoms is provided between the operating layer mainly composed of p-type diamond and the gate electrode.

特許文献5においては、ダイヤモンド膜中に1019cm−3以上のN原子をドーピングする従来技術が提案されており、実施例では、N源としてNHを用いている。また、合成時のガス圧として、40Torr(5332Pa)という比較的低いガス圧を用いている。 Patent Document 5 proposes a conventional technique of doping a diamond film with N atoms of 10 19 cm −3 or more, and in the embodiment, NH 3 is used as an N source. In addition, a relatively low gas pressure of 40 Torr (5332 Pa) is used as the gas pressure during synthesis.

特公昭59−027754号公報Japanese Examined Patent Publication No.59-027754 特公昭61−003320号公報Japanese Patent Publication No. 61-003320 特開平5−29610号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-29610 特開平6−209014号公報JP-A-6-209014 特開平7−69794号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-69794

しかしながら、上述の従来の技術には以下に示すような問題点がある。   However, the conventional techniques described above have the following problems.

特許文献3の実施例に記載の製造方法によれば、ダイヤモンド膜中の窒素濃度は、5×1019cm−3であり、その濃度は低く、ダイヤモンド膜は半導体とはならない。また、同文献の請求項1には、窒素濃度として1015〜1021cm−3の窒素を含有したダイヤモンドからなる介在層についての記載があるが、実際に高濃度の窒素ドープダイヤモンドを開示した実験例はなく、1015〜1021cm−3の濃度で窒素ドーパントを含有したダイヤモンドからなる介在層をゲート電極と動作層との間に挟んだ構造の電界効果型トランジスタを提案しているのみである。 According to the manufacturing method described in the example of Patent Document 3, the nitrogen concentration in the diamond film is 5 × 10 19 cm −3 , the concentration is low, and the diamond film does not become a semiconductor. Further, in claim 1 of the same document, there is a description of an intervening layer made of diamond containing nitrogen of 10 15 to 10 21 cm −3 as a nitrogen concentration, but actually disclosed a high concentration nitrogen-doped diamond. There is no experimental example, and only a field effect transistor having a structure in which an intervening layer made of diamond containing a nitrogen dopant at a concentration of 10 15 to 10 21 cm −3 is sandwiched between a gate electrode and an operating layer is proposed. It is.

また、特許文献4の実施例においては、窒素原子のイオン注入により、p型ダイヤモンド層の一部に窒素原子を1019〜1021cm−3程度ドープして真性化した介在領域についての記載があり、また、NH(アンモニア)のプラズマ照射により、p型ダイヤモンド層に窒素原子を導入して真性化した介在層について記載されている。しかし、同文献に記載されている方法は、本発明で使用するマイクロ波プラズマCVD法を用いた製造方法とは異なる。また、同文献の実施例では、窒素原子濃度1019cm−3のn型ダイヤモンド層の形成について記載されているが、その窒素原子濃度は低い。 Moreover, in the Example of patent document 4, the description about the intervening area | region which doped about 10 < 19 > -10 < 21 > cm <-3 > nitrogen atoms to a part of p-type diamond layer by ion implantation of nitrogen atoms is described. In addition, there is described an intervening layer that is made intrinsic by introducing nitrogen atoms into a p-type diamond layer by NH 3 (ammonia) plasma irradiation. However, the method described in this document is different from the manufacturing method using the microwave plasma CVD method used in the present invention. Moreover, although the Example of the same document describes formation of an n-type diamond layer having a nitrogen atom concentration of 10 19 cm −3 , the nitrogen atom concentration is low.

また、本発明者らは、特許文献5の従来技術に従ってN原子がドーピングされたダイヤモンド膜を合成したが、抵抗率は減少したものの、ラマンスペクトルを測定したところ、グラファイトと思われる非ダイヤモンド導電性成分が多量に含まれていることが判明した。従って、特許文献5に記載の従来技術による抵抗率の低下は、実際にはグラファイトによるものであると結論した。   In addition, the present inventors synthesized a diamond film doped with N atoms according to the prior art of Patent Document 5, but the resistivity was reduced, but the Raman spectrum was measured. It was found that the component was contained in a large amount. Therefore, it was concluded that the decrease in resistivity by the prior art described in Patent Document 5 is actually due to graphite.

従来のダイヤモンド中への高濃度N原子ドーピングの問題点は、原料ガス中の、例えば、Nガス濃度を増やすにつれ、ダイヤモンド自体の結晶性が低下し、Nガスを数%添加すると、微結晶ダイヤモンドしかできないことであった。従って、高濃度にN原子をドーピングしつつ、母体であるダイヤモンドの結晶性を低下させない技術が必要とされている。 The problem with conventional high-concentration N atom doping in diamond is that, for example, as the N 2 gas concentration in the source gas increases, the crystallinity of the diamond itself decreases, and when N 2 gas is added at several percent, It was only possible to use crystalline diamond. Therefore, there is a need for a technique that does not decrease the crystallinity of the base diamond while doping N atoms at a high concentration.

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、マイクロ波プラズマCVD法を用いて、高濃度の窒素原子がドープされたn型半導体ダイヤモンド膜の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a method for producing an n-type semiconductor diamond film doped with a high concentration of nitrogen atoms using a microwave plasma CVD method. .

本発明に係る窒素ドープダイヤモンド膜の製造方法は、メチルアミン、ジメチルアミン、及びトリメチルアミン(以下、メチルアミン系物質とよぶ場合がある)から選ばれた1種類又は2種類以上のガスを水素で希釈した混合ガス、又はメチルアミン、ジメチルアミン、及びトリメチルアミンから選ばれた1種類又は2種類以上のガスと炭化水素と水素との混合ガスを原料ガスとして使用し、ガス圧80Torr(10664Pa)以上の条件下で、マイクロ波プラズマ化学気相蒸着法により、基板上に窒素をドープしたダイヤモンド膜を形成することを特徴とする。   In the method for producing a nitrogen-doped diamond film according to the present invention, one or more gases selected from methylamine, dimethylamine, and trimethylamine (hereinafter sometimes referred to as methylamine-based materials) are diluted with hydrogen. Or a mixed gas of one or more gases selected from methylamine, dimethylamine, and trimethylamine, a hydrocarbon, and hydrogen as a raw material gas, and a gas pressure of 80 Torr (10664 Pa) or higher. A diamond film doped with nitrogen is formed on a substrate by a microwave plasma chemical vapor deposition method.

本発明によれば、ダイヤモンド膜中の窒素原子濃度が1020乃至5×1021cm−3となるようにダイヤモンド膜を製造することができる。 According to the present invention, the diamond film can be manufactured so that the nitrogen atom concentration in the diamond film is 10 20 to 5 × 10 21 cm −3 .

原料ガス中の(N/C)比の値は、従来の常識的な値を大きく超える10乃至10ppmとする必要がある。 The value of the (N / C) ratio in the raw material gas needs to be 10 5 to 10 6 ppm which greatly exceeds the conventional common sense value.

ダイヤモンド膜形成中の基板温度は、700乃至1200℃である必要があり、900乃至1100℃がより好ましい。   The substrate temperature during diamond film formation needs to be 700 to 1200 ° C., and more preferably 900 to 1100 ° C.

ガス圧は、760Torr(101308Pa)以下であることが好ましい。   The gas pressure is preferably 760 Torr (101308 Pa) or less.

前記製造方法により製造されたダイヤモンド膜は、膜中に1020cm−3以上の窒素原子を含むことを特徴とする。 The diamond film manufactured by the manufacturing method includes nitrogen atoms of 10 20 cm −3 or more in the film.

本発明によれば、メチルアミン、ジメチルアミン、及びトリメチルアミンから選ばれた1種類又は2種類以上のガスを窒素源とし、高ガス圧のプラズマを用いたマイクロ波プラズマCVD法により、高濃度の窒素原子を含有するダイヤモンド膜を製造することができる。これにより、従来困難であったn型半導体ダイヤモンド膜を製造することが可能となる。   According to the present invention, high-concentration nitrogen is obtained by microwave plasma CVD using high-pressure plasma using one or more gases selected from methylamine, dimethylamine, and trimethylamine as a nitrogen source. A diamond film containing atoms can be produced. This makes it possible to produce an n-type semiconductor diamond film that has been difficult in the past.

次に、本発明について更に詳細に説明する。本発明者らの検討によれば、ダイヤモンドの適切なn型ドーパントとしては、原子半径の小さいN原子しか可能性がなく、ダイヤモンド膜中に含有量1020cm−3以上のN原子を含むことにより、ドナー準位が電導帯下1.4eVから大幅に上昇して、電導帯に近づくと推定した。この場合、ダイヤモンド中の電子密度は1018cm−3以上であり、ダイヤモンドはn型半導体となる。ダイヤモンド膜中に1020cm−3未満のN原子しか含まない場合には、ドナー準位が電導帯下1.4eV付近に留まり、ダイヤモンド膜の電気抵抗率は10Ω・cm以上の高抵抗絶縁体となる。 Next, the present invention will be described in more detail. According to the study by the present inventors, there is only a possibility that N atoms having a small atomic radius are suitable n-type dopants for diamond, and the diamond film contains N atoms having a content of 10 20 cm −3 or more. Thus, it was estimated that the donor level significantly increased from 1.4 eV below the conduction band and approached the conduction band. In this case, the electron density in diamond is 10 18 cm −3 or more, and diamond becomes an n-type semiconductor. When the diamond film contains only N atoms of less than 10 20 cm −3 , the donor level remains in the vicinity of 1.4 eV below the conduction band, and the diamond film has a high resistivity of 10 4 Ω · cm or more. It becomes an insulator.

含有量1020cm−3以上の高濃度のN原子をダイヤモンド中に導入するためには、メチルアミン((CH)NH)、ジメチルアミン((CH)NH)、及びトリメチルアミン((CH)N)から選ばれた1種類又は2種類以上のガスを水素で希釈したガスか、又は、メチルアミン、ジメチルアミン、及びトリメチルアミンから選ばれた1種類又は2種類以上のガスと炭化水素と水素とを混合したガスを原料ガスとして用い、ガス圧80Torr(10664Pa)以上の条件下で、マイクロ波プラズマCVD法を用いて合成することにより達成できることを見出した。 In order to introduce high-concentration N atoms having a content of 10 20 cm −3 or more into diamond, methylamine ((CH 3 ) NH 2 ), dimethylamine ((CH 3 ) 2 NH), and trimethylamine (( A gas obtained by diluting one or more gases selected from CH 3 ) 3 N) with hydrogen, or one or two or more gases selected from methylamine, dimethylamine, and trimethylamine and carbonization It has been found that this can be achieved by using a mixed gas of hydrogen and hydrogen as a raw material gas and synthesizing using a microwave plasma CVD method under a gas pressure of 80 Torr (10664 Pa) or higher.

また、N源としてメチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン以外の物質(例えば、窒素ガス、アンモニア、又は尿素等)を用いた場合には、ダイヤモンド膜にグラファイト成分が多量に含まれ、ダイヤモンドの膜質が劣化して、1020cm−3以上のNドーピングは困難であることを確認した。 In addition, when substances other than methylamine, dimethylamine, and trimethylamine are used as the N source (for example, nitrogen gas, ammonia, urea, etc.), the diamond film contains a large amount of graphite components, and the quality of the diamond film deteriorates. Then, it was confirmed that N doping of 10 20 cm −3 or more is difficult.

原料ガス中のNとCとの混合比(N/C)は、できるだけ大きいことが好ましい。(N/C)の最大値は、メチルアミンを水素で希釈した場合で(N/C)=1000000ppmとなる。また、メチルアミン系物質と炭化水素ガスと水素を混合したガスを原料ガスとした場合、(N/C)≧100000ppmが必要である。(N/C)<100000ppmであると、ダイヤモンド膜中に取り込まれるN原子数が減少し、ダイヤモンド膜が高抵抗となる。メチルアミン系物質は、1種類のみでも良いし、2種類、3種類と組み合わせても良く、用いる炭化水素等に応じて、N/C原子比を調整することができる。   The mixing ratio (N / C) of N and C in the raw material gas is preferably as large as possible. The maximum value of (N / C) is (N / C) = 1000000 ppm when methylamine is diluted with hydrogen. Further, when a gas obtained by mixing a methylamine-based material, a hydrocarbon gas, and hydrogen is used as a raw material gas, (N / C) ≧ 100,000 ppm is necessary. When (N / C) <100,000 ppm, the number of N atoms taken into the diamond film is reduced, and the diamond film has a high resistance. Only one type of methylamine-based material may be used, or two or three types may be combined, and the N / C atomic ratio can be adjusted according to the hydrocarbon used.

ダイヤモンド膜形成中の基板温度は、700乃至1200℃である必要があり、900乃至1100℃がより好ましい。   The substrate temperature during diamond film formation needs to be 700 to 1200 ° C., and more preferably 900 to 1100 ° C.

Nドープされたダイヤモンド膜の合成において、原料ガス圧が80Torr(1064Pa)以下の場合には、Nドーピングにより、ダイヤモンド膜が劣化することがわかった。原料ガス圧の上限値としては、760Torr(101308Pa)である。また、ガス圧が760Torr(101308Pa)よりも大きいと、プラズマ発生のために大電力のマイクロ波を投入する必要が生じ、また、基板温度の制御も困難であり、技術的困難が多くなる。より好ましくは、原料ガス圧は80乃至200Torr(10664乃至26660Pa)である。通常、ダイヤモンド膜のCVD合成は基板温度700乃至1200℃で行うので、原料ガス圧を80Torr(10664Pa)以上とすると、反応容器の規模にも依るが、50kW以上のマイクロ波を反応室に投入しなければならない。即ち、高ガス圧・高パワーのプラズマによりダイヤモンドを合成すれば、N原子ドーピング濃度が1020cm−3以上となり、しかも母体であるダイヤモンドの結晶性も失われないことを見出した。 In the synthesis of the N-doped diamond film, it was found that when the source gas pressure is 80 Torr (1064 Pa) or less, the diamond film deteriorates due to N doping. The upper limit of the raw material gas pressure is 760 Torr (101308 Pa). On the other hand, if the gas pressure is higher than 760 Torr (101308 Pa), it is necessary to input a high-power microwave for plasma generation, and it is difficult to control the substrate temperature, which increases technical difficulties. More preferably, the raw material gas pressure is 80 to 200 Torr (10664 to 26660 Pa). Normally, CVD synthesis of diamond film is performed at a substrate temperature of 700 to 1200 ° C. Therefore, if the source gas pressure is 80 Torr (10664 Pa) or higher, a microwave of 50 kW or higher is put into the reaction chamber, depending on the scale of the reaction vessel. There must be. That is, it has been found that if diamond is synthesized by plasma with high gas pressure and high power, the N atom doping concentration becomes 10 20 cm −3 or more and the crystallinity of the base diamond is not lost.

原料ガスに使用する炭化水素は例えばメタンであるが、その他にも、エタン、アセチレン、プロパン、エチレン、メタノール、エタノール、アセトン、コークスガス等を使用してもよい。   The hydrocarbon used for the raw material gas is, for example, methane, but in addition, ethane, acetylene, propane, ethylene, methanol, ethanol, acetone, coke gas, or the like may be used.

N原子が他のN原子と殆ど相互作用がない程希薄にダイヤモンド中にドーピングされている場合、上述のように、ドナー準位は価電子帯より1.4eV低エネルギー側に形成される。このように、低いエネルギーを有するドナー準位が形成される理由は、ダイヤモンド中にC原子と置換的にドーピングされたN原子が、C原子位置よりずれることにより、格子エネルギーが安定化するヤーン-テラー(Jahn-Teller)効果によるとされている。   When N atoms are so thinly doped in diamond that there is little interaction with other N atoms, the donor level is formed on the low energy side of 1.4 eV from the valence band as described above. The reason why the donor level having a low energy is formed in this way is that the N atom substitutionally doped with the C atom in the diamond shifts from the C atom position, thereby stabilizing the lattice energy. It is said to be due to the Jahn-Teller effect.

これに対し、本発明のように、N原子がダイヤモンド中に1020cm−3以上含まれている場合には、平均するとC(炭素)原子が10個並んだ立方体中に1個のN原子が存在することとなり、N原子間距離が小さいために原子間に強い電子的相互作用を生じ、N原子の位置がダイヤモンドのC原子とほぼ同じ位置となり、ヤーン-テラー効果は消滅する。 On the other hand, when N atoms are contained in diamond at 10 20 cm −3 or more as in the present invention, on average, one N atom in a cube in which 10 C (carbon) atoms are arranged on average. Since the distance between N atoms is small, a strong electronic interaction occurs between the atoms, the position of the N atom is almost the same as the C atom of diamond, and the yarn-teller effect disappears.

前述のごとく、本発明では、1020cm−3以上のN原子をダイヤモンド格子中に導入するために、N源としてメチルアミン、ジメチルアミン、及びトリメチルアミンから選ばれた1種類又は2種類以上のガスを使用し、高ガス圧・高パワーのプラズマを利用する。即ち、プラズマ中で高エネルギー化学反応が生じ、この結果、ダイヤモンド膜中のNドーピング濃度は高く、かつ基板表面に成長するダイヤモンド膜は高品質であり、グラファイト成分等は殆ど含まれない。 As described above, in the present invention, in order to introduce N atoms of 10 20 cm −3 or more into the diamond lattice, one or more gases selected from methylamine, dimethylamine, and trimethylamine as the N source are used. And use plasma with high gas pressure and high power. That is, a high energy chemical reaction occurs in the plasma. As a result, the N doping concentration in the diamond film is high, and the diamond film grown on the substrate surface is of high quality and contains almost no graphite component.

このような高品質のNドープ膜が合成された理由は、高ガス圧・高パワーのプラズマを用いた他に、メチルアミン、ジメチルアミン、及びトリメチルアミンを分解して生じる分子種(・CH)が、ダイヤモンド結晶性の向上に寄与していると考えられる。 The reason why such a high-quality N-doped film was synthesized is that molecular species (· CH 3 ) generated by decomposing methylamine, dimethylamine, and trimethylamine in addition to using plasma with high gas pressure and high power. However, it is thought that it contributes to the improvement of diamond crystallinity.

以上の条件で合成したダイヤモンド膜のホール測定を行い、ダイヤモンド膜中の電子密度を求めたところ、1018cm−3以上であることが判明した。即ち、本発明により合成されたダイヤモンド膜は、導電性の高いn型半導体であると結論された。 When the hole density of the diamond film synthesized under the above conditions was measured and the electron density in the diamond film was determined, it was found to be 10 18 cm −3 or more. That is, it was concluded that the diamond film synthesized according to the present invention is a highly conductive n-type semiconductor.

なお、ダイヤモンド膜中の窒素原子含有量の上限値は、5×1021cm−3である。窒素原子含有量が5×1021cm−3より大きいとダイヤモンドの結晶構造が維持されなくなる(ダイヤモンドでは炭素原子密度は〜1023cm−3)。また、好ましくは、1020乃至1021cm−3である。実測値では、室温におけるダイヤモンド膜中の電子密度は、1018乃至1021cm−3であった。 The upper limit of the nitrogen atom content in the diamond film is 5 × 10 21 cm −3 . When the nitrogen atom content is larger than 5 × 10 21 cm −3 , the crystal structure of diamond is not maintained (in carbon, the carbon atom density is −10 23 cm −3 ). Moreover, it is preferably 10 20 to 10 21 cm −3 . In actual measurement, the electron density in the diamond film at room temperature was 10 18 to 10 21 cm −3 .

以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。   Hereinafter, the effect of the Example of this invention is demonstrated compared with the comparative example which remove | deviates from the range of this invention.

Figure 2007191356
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まず、本発明の実施例として、以下の条件で窒素ドープダイヤモンド膜を合成した。ダイヤモンドの成膜には915MHzのマイクロ波を用いたCVD装置を使用した。基板には、厚さ5mm、直径6インチ(150mm)の多結晶Si(珪素)に多結晶アンドープダイヤモンド膜を厚さ20μmコーティングしたものを用いた。基板温度が900℃となるように、マイクロ波出力とガス圧を調整し、マイクロ波出力は60kWとし、ガス圧を100Torr(13330Pa)とした。原料ガスとしては、メチルアミン系物質、メタン(CH)、水素(H)の混合ガスを用い、ガス総流量を2000sccmとした。なお、本実施例では、基板として多結晶アンドープダイヤモンドを使用したが、多結晶アンドープ以外のダイヤモンドでもよく、その他、Si、SiC(シリコンカーバイド)、SiO(二酸化珪素)、CBN(立方晶窒化ホウ素)、Mo(モリブデン)、W(タングステン)、Ir(イリジウム)、Pt(白金)、Al(アルミナ、サファイア)、セラミックス、高融点金属等を用いることができる。 First, as an example of the present invention, a nitrogen-doped diamond film was synthesized under the following conditions. A CVD apparatus using a 915 MHz microwave was used for forming the diamond film. The substrate used was a polycrystalline Si (silicon) having a thickness of 5 mm and a diameter of 6 inches (150 mm) coated with a polycrystalline undoped diamond film having a thickness of 20 μm. The microwave output and the gas pressure were adjusted so that the substrate temperature was 900 ° C., the microwave output was 60 kW, and the gas pressure was 100 Torr (13330 Pa). As a source gas, a mixed gas of methylamine material, methane (CH 4 ), and hydrogen (H 2 ) was used, and the total gas flow rate was 2000 sccm. In this example, polycrystalline undoped diamond was used as the substrate, but diamond other than polycrystalline undoped may be used. In addition, Si, SiC (silicon carbide), SiO 2 (silicon dioxide), CBN (cubic boron nitride) ), Mo (molybdenum), W (tungsten), Ir (iridium), Pt (platinum), Al 2 O 3 (alumina, sapphire), ceramics, refractory metal, and the like.

合成は20時間行い、厚さが約2μmのダイヤモンド膜を合成した。表1には、種々の条件で合成したダイヤモンド膜に含まれるN原子含有量(SIM:Secondary Ion Mass Spectrometer 測定で決定)、電気抵抗率、及びホール測定により求めた電子密度を示す。高濃度にN原子をドーピングしたダイヤモンド膜は金属的な電気伝導性(低抵抗かつ温度上昇に対して電気抵抗が増大)を示した。   The synthesis was performed for 20 hours, and a diamond film having a thickness of about 2 μm was synthesized. Table 1 shows the N atom content (determined by SIM: Secondary Ion Mass Spectrometer measurement) contained in the diamond film synthesized under various conditions, the electrical resistivity, and the electron density obtained by hole measurement. The diamond film doped with N atoms at a high concentration exhibited metallic electrical conductivity (low resistance and increased electrical resistance with increasing temperature).

また、本実施例の比較例として、N源として窒素ガスを用いたが、グラファイトの含まれた低品質のダイヤモンド膜しか合成できなかった。更にまた、N源としてメチルアミン系物質を用いてダイヤモンド膜を合成したが、ガス圧は70Torr(9331Pa)とした。その他の合成条件は、実施例1と同じである。この場合もグラファイトの含まれた低品質のダイヤモンド膜しか合成されなかった。   As a comparative example of this example, nitrogen gas was used as the N source, but only a low-quality diamond film containing graphite could be synthesized. Furthermore, a diamond film was synthesized using a methylamine-based material as an N source, and the gas pressure was set at 70 Torr (9331 Pa). Other synthesis conditions are the same as in Example 1. In this case, only a low-quality diamond film containing graphite was synthesized.

Figure 2007191356
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更に、本発明の実施例として、実施例8ではガス圧力を80Torr(10664Pa)とし、また、実施例9では、ガス圧力を120Torr(15996Pa)として、窒素ドープダイヤモンド膜を合成した。その他の合成条件は、実施例1と同じである。表2には、これらの実施例に対して、ダイヤモンド膜に含まれるN原子含有量、電気抵抗率、及び電子密度を示す。   Further, as an example of the present invention, a nitrogen-doped diamond film was synthesized with a gas pressure of 80 Torr (10664 Pa) in Example 8 and a gas pressure of 120 Torr (15996 Pa) in Example 9. Other synthesis conditions are the same as in Example 1. Table 2 shows the N atom content, electrical resistivity, and electron density contained in the diamond film for these examples.

更にまた、本発明の実施例として、原料ガスとしてメチルアミン、ジメチルアミン、又はトリメチルアミンを水素で希釈した場合について、また、トリメチルアミンとメチルアミンを水素で希釈した場合について、窒素ドープダイヤモンド膜を合成した。合成条件は、原料ガスについての条件を除けば、その他は、実施例1と同じである。表3には、これらの実施例に対して、ダイヤモンド膜に含まれるN原子含有量、電気抵抗率、及び電子密度を示す。なお、上記実施例では、炭化水素としてメタンを用いているが、上述の他の炭化水素を用いることもでき、適宜、組み合わせて用いてもよい。   Furthermore, as an example of the present invention, a nitrogen-doped diamond film was synthesized when methylamine, dimethylamine, or trimethylamine was diluted with hydrogen as a source gas, and when trimethylamine and methylamine were diluted with hydrogen. . The synthesis conditions are the same as in Example 1 except for the conditions for the source gas. Table 3 shows the N atom content, electrical resistivity, and electron density contained in the diamond film for these examples. In the above embodiment, methane is used as the hydrocarbon, but other hydrocarbons described above may be used, and may be used in combination as appropriate.

本発明は、トランジスタ、ダイオード、及び各種センサ等の電子デバイス又は光学記録等に好適に使用される。

The present invention is suitably used for electronic devices such as transistors, diodes, and various sensors, or optical recording.

Claims (6)

メチルアミン、ジメチルアミン、及びトリメチルアミンから選ばれた1種類又は2種類以上のガスを水素で希釈した混合ガス、又はメチルアミン、ジメチルアミン、及びトリメチルアミンから選ばれた1種類又は2種類以上のガスと炭化水素と水素との混合ガスを原料ガスとして使用し、ガス圧80Torr(10664Pa)以上の条件下で、マイクロ波プラズマ化学気相蒸着法により、基板上に窒素をドープしたダイヤモンド膜を形成することを特徴とする窒素ドープダイヤモンド膜の製造方法。 A mixed gas obtained by diluting one or more gases selected from methylamine, dimethylamine, and trimethylamine with hydrogen, or one or more gases selected from methylamine, dimethylamine, and trimethylamine; Using a mixed gas of hydrocarbon and hydrogen as a source gas and forming a diamond film doped with nitrogen on a substrate by microwave plasma chemical vapor deposition under a gas pressure of 80 Torr (10664 Pa) or higher. A method for producing a nitrogen-doped diamond film characterized by 前記ダイヤモンド膜中の窒素原子濃度が1020乃至5×1021cm−3であることを特徴とする請求項1に記載の窒素ドープダイヤモンド膜の製造方法。 2. The method for producing a nitrogen-doped diamond film according to claim 1, wherein a nitrogen atom concentration in the diamond film is 10 20 to 5 × 10 21 cm −3 . 前記原料ガス中の(N/C)比の値は、10乃至10ppmであることを特徴とする請求項1又は2に記載の窒素ドープダイヤモンド膜の製造方法。 3. The method for producing a nitrogen-doped diamond film according to claim 1, wherein a value of the (N / C) ratio in the source gas is 10 5 to 10 6 ppm. ダイヤモンド膜形成中の基板温度が700乃至1200℃であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の窒素ドープダイヤモンド膜の製造方法。 4. The method for producing a nitrogen-doped diamond film according to claim 1, wherein the substrate temperature during the formation of the diamond film is 700 to 1200 ° C. 5. 前記ガス圧は、760Torr(101308Pa)以下であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の窒素ドープダイヤモンド膜の製造方法。 5. The method for producing a nitrogen-doped diamond film according to claim 1, wherein the gas pressure is 760 Torr (101308 Pa) or less. 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の方法により製造され膜中に1020cm−3以上の窒素原子を含むことを特徴とする窒素ドープダイヤモンド膜。

A nitrogen-doped diamond film produced by the method according to claim 1, wherein the film contains nitrogen atoms of 10 20 cm −3 or more.

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