JP2017057090A - グラファイト積層ダイヤモンド基板及びその製造方法、並びに半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置に適したグラファイト積層ダイヤモンド基板及びその製造方法、並びに半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ダイヤモンド基板１１を５００℃に加熱し、この加熱された状態のダイヤモンド基板１１の基板表面１１ａにアルミニウムイオンを照射して、イオン注入する。このイオン注入の後に、基板表面１１ａに保護層などを形成することなく、ダイヤモンド基板１１を１７００℃に加熱し、この１７００℃を２時間維持する。これにより、ダイヤモンド基板１１の基板表面１１ａにグラファイト層１２が形成される。グラファイト層１２は、基板表面１１ａに起立した複数のグラフェン１２ａからなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、グラファイト積層ダイヤモンド基板及びその製造方法、並びに半導体装置及びその製造方法に関するものである。

半導体装置の微細化にともない、炭素系材料が注目されている。このような炭素系材料としては、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ：Carbon Nano Tube）やグラフェンが挙げられる。例えばカーボンナノチューブは、バリスティック伝導によってその軸心方向に高い電気伝導度を示し、銅（Ｃｕ）配線等の既存の金属材料よりも低抵抗の高い配線としての利用が期待されている。グラフェンは、周知のように炭素原子が1個の厚みで六角形の格子状に並んだ２次元平面構造を持つ結晶であり、その面内においてカーボンナノチューブと同様に高い電気伝導度を示すため、やはり既存の金属材料よりも低抵抗な配線等としての利用が期待されている。グラフェンについては、例えばダイヤモンド基板を高温で加熱することにより、ダイヤモンド基板の基板表面に、それに沿った平面構造のグラフェンを形成することができる（例えば、特許文献１を参照）。

また、ダイヤモンドは、熱伝導率、絶縁破壊電界強度が高く、高電圧、大電流動作が必要とされる大電力半導体装置に適した半導体材料として、またその高いキャリアの移動度から高周波半導体装置に適した半導体材料として期待されている。

特開２０１２−１２１７５１号公報

ところで、グラフェンは、上記のように面内において高い電気伝導度を持つため、基板表面に沿った平面構造を持つグラフェンは、半導体装置の基板に垂直な方向の縦配線に不向きであった。また、軸心を基板に垂直な方向に形成したカーボンナノチューブは、縦配線とすることができるが、カーボンナノチューブの単体では、十分な伝導率が得られないためカーボンナノチューブの密度を高くするなどの改善の必要があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、半導体装置に適したグラファイト積層ダイヤモンド基板及びその製造方法、並びに半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明のグラファイト積層ダイヤモンド基板の製造方法は、（１００）面または（１１０）面を基板表面とする単結晶のダイヤモンド基板の基板表面に高エネルギー線を照射する照射ステップと、高エネルギー線が照射されたダイヤモンド基板を、基板表面を露呈させた状態で加熱することによって、基板表面に起立した複数のグラフェンからなるグラファイト層を形成する加熱ステップとを有するものである。

本発明のグラファイト積層ダイヤモンド基板は、（１００）面または（１１０）面を基板表面とする単結晶のダイヤモンド基板の基板表面に、基板表面に起立した複数のグラフェンからなるグラファイト層を備えるものである。

本発明の半導体装置の製造方法は、（１００）面または（１１０）面を基板表面とする単結晶のダイヤモンド基板上に、導体層を形成すべき部分が開口したマスクを形成するマスク形成ステップと、基板表面に向けて高エネルギー線を照射することによって、開口を介して基板表面に高エネルギー線を照射する照射ステップと、高エネルギー線が照射されたダイヤモンド基板を、少なくとも高エネルギー線が照射された基板表面の部分を露呈させた状態で加熱することによって、導体層として、基板表面に起立した複数のグラフェンからなるグラファイト層を形成する加熱ステップとを有するものである。

本発明の半導体装置では、（１００）面または（１１０）面を基板表面とする単結晶のダイヤモンド基板と、基板表面上に形成され、基板表面に起立した複数のグラフェンからなるグラファイトで構成される導体層とを有するものである。

本発明のグラファイト積層ダイヤモンド基板の製造方法によれば、グラファイト層を形成したグラファイト積層ダイヤモンド基板を製造することができる。グラファイト層は、基板表面に起立した複数のグラフェンからなる低抵抗の配線層などの導体層として利用可能であり、半導体装置に適したグラファイト積層ダイヤモンド基板が製造できる。しかも、高エネルギーを基板表面に照射する照射ステップとダイヤモンド基板を加熱する加熱ステップとによって半導体装置に適したグラファイト積層ダイヤモンド基板を容易に作製することができる。

また、本発明のグラファイト積層ダイヤモンド基板は、単結晶のダイヤモンド基板の基板表面に、基板表面に対して垂直に起立した複数のグラフェンからなるグラファイト層を備えており、このグラファイト層を特に縦配線に好適な導体層として利用することができる。

本発明の半導体装置の製造方法によれば、ダイヤモンド基板上に、導体層としてのグラファイト層が形成され、グラファイト層は、基板表面に起立した複数のグラフェンからなるので、キャリア移動度が高くまた低抵抗の導体層となり、特に大電力半導体装置、高周波半導体装置を製造することができる。また、導体層は、高エネルギーを基板表面に照射する照射ステップとダイヤモンド基板を加熱する加熱ステップとで製造されるので容易にその製造を行うことができる。

また、本発明の半導体装置では、導体層が、ダイヤモンド基板の基板表面上に、その基板表面に起立した複数のグラフェンからなるグラファイトで構成されるので、導体層が特に縦配線に好適なものとなる。

第１実施形態に係るグラファイト積層ダイヤモンド基板を模式的に示す斜視図である。 グラファイト積層ダイヤモンド基板の作成手順を示すフローチャートである。 第２実施形態に係るＭＥＳＦＥＴの構造を示す断面図である。 イオン注入ステップによる半導体前駆層の形成を示す説明図である。 イオン照射ステップによる高濃度領域の形成を示す説明図である。 加熱ステップによるグラファイト層の形成を示す説明図である。 ドレイン電極、ソース電極を形成した状態を示す説明図である。 ゲート電極を形成した状態を示す説明図である。 ダイヤモンド基板内のイオン濃度の計算上の分布を示すグラフである。 グラファイト積層ダイヤモンド基板の断面を示すＴＥＭ像である。 グラファイト積層ダイヤモンド基板の別の位置の断面を示すＴＥＭ像である。 ＦＦＴ図形を作成した領域を示すＴＥＭ像である。 グラファイト層中の像から作成したＦＦＴ図形である。 ダイヤモンド基板の像から作成したＦＦＴ図形である。 グラファイトに対する回折シミュレーションの結果を示す回折パターンである。 ダイヤモンドに対する回折シミュレーションの結果を示す回折パターンである。

［第１実施形態］
図１に、第１実施形態に係るグラファイト積層ダイヤモンド基板（以下、グラファイト積層基板という）１０を示す。グラファイト積層基板１０は、ダイヤモンド基板１１と、そのダイヤモンド基板１１の基板表面１１ａに一体に形成されたグラファイト層１２とを有する。ダイヤモンド基板１１は、（１００）面または（１１０）面が基板表面１１ａとなるように、ダイヤモンドの単結晶を板状に形成したものである。このダイヤモンド基板１１としては、その他の基板上に形成された適当な厚みを有した薄膜などであってもよい。なお、以下の説明では、図１に示すように、基板表面１１ａを互いに直交するＸ方向、Ｙ方向に平行な面とし、Ｘ方向、Ｙ方向にそれぞれ直交する向きをＺ方向として説明する。

グラファイト層１２は、多数のグラフェン１２ａから構成されている。グラフェン１２ａは、周知のように、各炭素原子がｓｐ^２結合した六角形の格子状に並んだ２次元平面構造を持つシート状の単層の結晶であり、炭素原子1個分の厚みを有している。各グラフェン１２ａは、基板表面１１ａに垂直に配向した状態で形成されている。すなわち、各グラフェン１２ａは、それの格子面（ＹＺ面）が基板表面１１ａ（ＸＹ面）に垂直に起立した姿勢で、その格子面の法線方向（Ｘ方向）に稠密に配列している。グラファイト層１２におけるグラフェン１２ａ同士の面間隔Ｌ１は、０．３３５ｎｍである。グラファイト層１２は、厚みＬ２を１００ｎｍ以下とし、表面抵抗率は、３ｋΩ以下とすることができる。なお、表面抵抗は、グラファイト層１２の表面（ＸＹ面）で電子線顕微鏡の電子線回折により得られた格子像より測定算出した値である。また、グラフェン１２ａが基板表面１１ａに起立していればよく、厳密に垂直である必要はない。さらに、図１では、Ｘ方向に配列したグラフェン１２ａだけを描いてあるが、グラフェン１２ａの配列方向が異なる領域が基板表面１１ａ上に混在してもよい。

上記のグラファイト積層基板１０の製造手順について説明する。グラファイト積層基板１０は、図２に示すように、ダイヤモンド基板１１に対して、グラファイト層形成処理を施すことによって作製される。このグラファイト層形成処理は、照射ステップＳ１と、加熱ステップＳ２とからなる。

照射ステップＳ１は、ダイヤモンド基板１１の基板表面１１ａに高エネルギー線を照射する。この例では、高エネルギー線としては、加速したイオンを用いており、そのイオンをダイヤモンド基板１１に照射することによってイオン注入している。イオン化して照射する元素としては、アルミニウム（Ａｌ）を用いているが、これに限らない。アルミニウムの他、ホウ素（Ｂ），ガリウム（Ｇａ）などのＩＩＩ族（第１３族）の元素や、窒素（Ｎ），リン（Ｐ），ヒ素（Ａｓ）などのＶ族（第１５族）の元素、ヘリウム（Ｈｅ）、水素（Ｈ）、炭素（Ｃ）のいずれか１つまたは複数の元素の組み合わせであってもよい。また、高エネルギー線としては、例えば電子線、Ｘ線，ガンマ線，中性子線を用いてもよい。さらには、これらを組み合わせて照射してもよい。例えば、ダイヤモンド基板にアルミニウムやホウ素などの不純物の注入量を多くすることなく、グラファイト層１２の形成に十分なイオン注入を行う場合、アルミニウムやホウ素などと、炭素や電子線、ガンマ線とを組み合わせることは有用である。

照射ステップＳ１では、イオン注入する際には、ダイヤモンド基板１１を加熱温度Ｔ１に加熱し、この加熱されたダイヤモンド基板１１の基板表面１１ａにイオン照射している。この例では５００℃である。この加熱温度Ｔ１は、４００℃〜１０００℃の範囲内とすることが好ましい。４００℃以上であれば、イオン注入時にダイヤモンドが意図せずグラファイト化するのを抑制することができ、１０００℃以下であればイオン注入時における注入原子の拡散を抑制することができる。イオンの照射角度は、基板表面１１ａに対して０°〜３０°の範囲内とするのがよい。

上記のようにイオン注入する場合、ドーズ量は、イオン注入によって形成される格子間原子となった炭素原子の密度（イオン注入によって形成される空孔密度）が２．５×１０^１７ｃｍ^−３から１．２５×１０^２０ｃｍ^−３の範囲内となるように、イオン注入で用いる元素、打ち込み角度等を考慮して決められる。炭素原子の密度が、２．５×１０^１７ｃｍ^−３以上の場合には、結晶中でとどまることなく表面に拡散しグラファイト層１２を形成することができ、１．２５×１０^２０ｃｍ^−３以下であれば、下地ダイヤモンド層の結晶性を阻害することなくグラファイト層１２を形成することができる。また、このイオン注入を行う場合には、イオン注入量を調整しながら、イオンの加速エネルギーを段階的に落としてイオンを多段階注入することが好ましい。これにより、ダイヤモンド基板１１の深い領域から浅い領域まで均一にイオンを注入し、格子間原子となった炭素原子の密度の均一化を図る。イオン注入によって形成される格子間原子となった炭素原子の密度は、ラザフォード後方散乱分析（ＲＢＳ: Rutherford Back Scattering; RBS）法から算出したイオン注入によってダイヤモンド基板１１のアモルファス化割合から推定される値である。より具体的には格子間原子となった炭素原子の密度＝アモルファス化割合×ドーピング量とした。

加熱ステップＳ２は、照射ステップＳ１の後に実施する。加熱ステップＳ２では、不活性ガスの雰囲気下でダイヤモンド基板１１を加熱温度Ｔ２で加熱した状態を所定時間維持する。この例では、ダイヤモンド基板１１を１７００℃（＝Ｔ２）に加熱し、この１７００℃を２時間維持する。また、この加熱ステップＳ２では、基板表面１１ａに保護膜（キャップ層）を形成することなく、基板表面１１ａを露呈させた状態で加熱する。

加熱ステップＳ２におけるダイヤモンド基板１１の加熱温度Ｔ２は、１０００℃〜１９００℃の範囲内であることが好ましく、加熱時間は、１０分〜４時間の範囲内であることが好ましい。圧力は大気圧または減圧下であればよい。また、不活性ガスとしては、アルゴン（Ａｒ）ガスを用いているが、これに限られるものではない。さらに、ダイヤモンド基板１１を加熱する際には、加熱された炉にダイヤモンド基板１１を投入することによって、最大５分程度で所定温度にまで達する高速昇温とすることが望ましい。

上記のようにグラファイト層形成処理によって作製されるグラファイト積層基板１０では、処理前のダイヤモンド基板１１よりも空孔の増加が見られることから、グラファイト層１２のグラフェン１２ａは、次のような機序によって形成されるものと推測される。すなわち、イオン注入されたダイヤモンド基板１１の領域において、イオン注入によって結合が切られて弾き出された格子点上の炭素原子が格子間原子になり、これら格子間原子がダイヤモンド基板１１の加熱によって基板表面１１ａに向かって拡散する。そして、拡散した炭素原子が、基板表面１１ａで、それに垂直な方向に順次結合することによってグラフェン１２ａが形成される。なお、空孔の増加は、フォトルミネッセンス測定を用い、空孔に起因するＮＶセンタ、Ｓｉ−Ｖセンタの信号強度を注入していないものと注入したものとを測定して、それらを比較することによって確認した。

上記のようにして、ダイヤモンド基板１１の基板表面１１ａ上にグラファイト層１２が形成されたグラファイト積層基板１０が作製される。このようにグラファイト積層基板１０は、照射ステップＳ１、加熱ステップＳ２によって形成されるので、このグラファイト積層基板１０の作製は容易である。また、照射ステップＳ１、加熱ステップＳ２を実施する際には、半導体装置の製造に用いられるイオン注入装置、アニール装置を利用することができるので、これまでの半導体装置の製造手法との親和性も高い。

さらに、上記のようにして作製されたグラファイト積層基板１０のグラファイト層１２は、その基板表面１１ａに起立した稠密な複数のグラフェン１２ａから構成されているので、低抵抗の導体層として利用することができるとともに、基板表面１１ａに垂直な方向の縦配線として好適である。また、グラファイト層１２は、垂直方向に対するキャリア移動度が高く、高周波半導体装置の導体層としても適している。さらには、各グラフェン１２ａは、ダイヤモンド基板１１内の炭素原子と結合しているので、ダイヤモンド基板１１内に形成された半導体層などと接続された導体層としても有利である。

［第２実施形態］
図３に、第２実施形態に係るＦＥＴ３０を示す。なお、後述する第２実施形態における照射ステップと加熱ステップとは、第１実施形態の各ステップと同じであるから、その詳細な説明を省略する。

ＦＥＴ３０は、ショットキー接触を用いたＭＥＳＦＥＴ(Metal-Semiconductor Field-Effect Transistor)である。ＦＥＴ３０は、ダイヤモンド基板３１の基板表面３１ａに形成されており、半導体層３２、ドレイン領域３３、ソース領域３４、グラファイト層３５、ドレイン電極３６、ソース電極３７、ゲート電極３８を有している。この例のダイヤモンド基板３１は、単結晶ダイヤモンドの基板であり、基板表面３１ａは、（１００）面であるが（１１０）面であってもよい。また、ダイヤモンド基板３１としては、その他の基板上にダイヤモンド膜を形成した基板であってもよい。

半導体層３２は、ダイヤモンド基板３１の基板表面３１ａ側の表層に、ドーパントとして例えばホウ素（Ｂ）をドープすることによって形成されており、ｐ型の半導体領域となっている。半導体層３２内にドレイン領域３３とソース領域３４とが形成されている。これらドレイン領域３３とソース領域３４とは、半導体層３２よりもドーパントの濃度を高くしたｐ＋型の半導体領域である。グラファイト層３５は、ドレイン領域３３及びソース領域３４に接続するための導体層であり、ドレイン領域３３及びソース領域３４に対応する基板表面３１ａ上に形成されている。各グラファイト層３５は、第１実施形態のグラファイト層１２（図１参照）と同様に、基板表面３１ａに垂直に配向した多数のグラフェンから構成されている。なお、半導体層３２のドーパントとしては、ホウ素以外に、例えばｎ型のドーパントであるリン（Ｐ）を用いることができる。また、グラファイト層３５は、グラフェンが基板表面３１ａに起立していればよく、厳密に垂直である必要はない。

ドレイン電極３６、ソース電極３７は、グラファイト層３５の端部（図中の上端）に形成されている。これらドレイン電極３６、ソース電極３７は、例えばＡｕ（金）とＴｉ（チタン）との２層構造とされており、グラファイト層３５に対してオーミック接触している。ゲート電極３８は、ドレイン領域３３とソース領域３４との間の基板表面３１ａ上に形成されている。このゲート電極３８は、例えばプラチナ（Ｐｔ）とアルミニウムとの２層構造であり、半導体層３２に対してショットキー接触している。

上記のように各電極３６、３７とドレイン領域３３、ソース領域３４との間をグラファイト層３５で接続した構造とすることにより、これらの間の配線抵抗を低減することができる。また、各電極３６、３７とグラファイト層３５との接触抵抗、ドレイン領域３３、ソース領域３４とグラファイト層３５との接触抵抗を低減することができる。

次にＦＥＴ３０の製造手順を示す。まず、半導体層３２の形成のためのイオン注入ステップを行う。このイオン注入ステップでは、図４に示すように、ドーパントとなるホウ素のイオンを、加熱されたダイヤモンド基板３１の基板表面３１ａの全体に照射することによって、イオン注入を行って半導体前駆層４１を形成する。このイオン注入ステップでは、ダイヤモンド基板３１を、例えば５００℃に加熱する。また、イオンを多段階注入することによって、ダイヤモンド基板３１の深い箇所から浅い箇所まで、均一に注入した半導体前駆層４１を形成する。ホウ素が注入される深さは、基板表面３１ａから１０〜４００ｎｍ程度とすることが好ましい。

この第２実施形態では、後述するグラフェン形成のための加熱ステップを行うため、イオン注入ステップの直後ではアニールのための加熱処理を行っていない。もちろん、イオン注入ステップの直後にアニールのための加熱処理を行ってもよい。また、半導体層３２または半導体前駆層４１が予め形成されたダイヤモンド基板３１を用いてもよい。

続いて、マスク形成ステップを行い、図５に示すように、ダイヤモンド基板３１の基板表面３１ａを覆うマスク４２を形成する。マスク形成ステップでは、マスク４２に対して、例えばフォトリソグラフィを用いてパターニングしてからエッチングを行うことで、ドレイン領域３３とソース領域３４との範囲を画定する開口部４２ａを形成する。開口部４２ａは、ドレイン領域３３とソース領域３４との範囲を画定すると同時に、各グラファイト層３５を形成する範囲を画定する。また、マスク４２は、開口部４２ａ以外の部分が次の加熱ステップの際の保護膜（キャップ層）となる。このようなマスク４２としては、例えば、レジスト炭化膜、ＳｉＯ_２，Ｓｉ_３Ｎ_４などを用いることができる。

マスク形成ステップの後、照射ステップを行う。照射ステップでは、ダイヤモンド基板３１を所定温度Ｔ１に加熱してから、そのダイヤモンド基板３１の基板表面３１ａにホウ素のイオンを照射する。この照射ステップで照射するイオンは、ドレイン領域３３とソース領域３４のドーパントであると同時に、グラファイト層１２を形成するための高エネルギー線である。各開口部４２ａを通して、半導体前駆層４１の一部にホウ素が注入されることにより、半導体前駆層４１よりもホウ素の濃度が高い高濃度領域４３、４４が形成される。高濃度領域４３、４４は、ドレイン領域３３とソース領域３４に対応した前駆層である。

照射ステップにおけるイオン注入時の加速エネルギーと、加速エネルギーごとのイオン注入量を制御した多段階注入によって、高濃度領域の表面から高濃度領域４３、４４における濃度が均一になるように制御される。また、照射ステップによるイオン注入後の高濃度領域４３、４４のホウ素の濃度は、次の加熱ステップでの加熱にともなう濃度低下を考慮して、ドレイン領域３３とソース領域３４の最終的な濃度よりも高くする。なお、加速エネルギーごとのイオン注入量は、半導体前駆層４１に既に注入されている量を加味して決められる。また、この例では、半導体前駆層４１のドーパントと同じ元素（この例ではホウ素）をイオン注入しているが、別の元素、例えばアルミニウムをイオン注入してもよい。

照射ステップの完了後に、加熱ステップを行う。この加熱ステップによって、ダイヤモンド基板３１が１７００℃で２時間加熱された状態にされる。これにより、図６に示すように、高濃度領域４３、４４の各表面にグラファイト層３５がそれぞれ形成される。このときに、高濃度領域４３、４４では、一部のホウ素が拡散して昇華するが、それでもなお十分な濃度のドーパントとしてのホウ素が残る。また、高濃度領域４３、４４は、加熱によりアニールされる。結果として、高濃度領域４３、４４は、半導体層３２よりもドーパントの濃度が高いドレイン領域３３、ソース領域３４となり、マスク４２の各開口部４２ａから露呈したドレイン領域３３、ソース領域３４の表面には、基板表面３１ａに対して垂直に配向した複数のグラフェンから構成されたグラファイト層３５がそれぞれ形成される。

また、加熱ステップによる加熱によって、半導体前駆層４１がアニールされ、半導体前駆層４１から半導体層３２が形成される。すなわち、加熱ステップによって、半導体前駆層４１内のホウ素が結晶格子位置に変位されて活性化するとともに、壊れた結晶格子が回復される。半導体前駆層４１から半導体層３２が形成される。

加熱ステップの完了後、スパッタリングやＣＶＤ、フォトリソグラフィ、エッチング等の周知の技術を用いて、ドレイン電極３６、ソース電極３７、ゲート電極３８を形成する。図７に示すように、例えばマスク４２を電極作成用のマスクとして用い、各グラファイト層３５の端部に、金とチタンとを積層した構造のドレイン電極３６、ソース電極３７とが形成される。また、マスク４２の除去後、図８に示すように、ドレイン電極３６とソース電極３７との間に開口４７ａを設けた新たなマスク４７を基板表面３１ａに形成する。この後に、スパッタリングやＣＶＤによって、図８に示すように、プラチナとアルミニウムを積層した構造のゲート電極３８を半導体層３２上に形成し、ゲート電極３８の形成後にマスク４７を除去する。

以上のようにして、ダイヤモンド基板３１にＦＥＴ３０を作製することができる。作製したＦＥＴ３０は、大電力半導体装置や高周波半導体装置に適している。しかも、導体層であるグラファイト層３５は、ドレイン領域３３、ソース領域３４と低抵抗での接続となるため、大電力半導体装置などに有利となる。また、イオン注入と加熱とによってグラファイト層３５を形成できるので、半導体装置の製造工程を簡単なものにできる。

この例では、ドレイン領域３３、ソース領域３４と各電極３６、３７の間の配線層をグラファイト層３５としたが、導体層としては、これに限定されるものではなく、例えば半導体層、電極層などに利用することができるが、特に縦配線となる配線層間をつなぐプラグ（Plug）やビアホール（Via hole）などに好適である。

［実施例］
以下にダイヤモンド基板上にグラファイト層を形成した実施例について説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。また、以下の説明では、第１実施形態と同じ符号を付して説明する。この実施例では、基板表面１１ａが（１００）面とされた、ダイヤモンド基板１１を用いた。ダイヤモンド基板１１のサイズは、基板表面１１ａが５ｍｍ×５ｍｍであり、厚みは０．５ｍｍであった。

照射ステップＳ１では、上記ダイヤモンド基板１１を５００℃に加熱して、表１に示す加速エネルギーとイオンの注入量とに基づいて、真空中で、アルミニウムのイオンを基板表面１１ａにオフ角０°から照射することによって多段階注入によるイオン注入を行った。表１に示す加速エネルギーとイオンの注入量を用いた場合の、ダイヤモンド基板１１におけるアルミニウムの濃度の分布を図９に示す。図９の横軸は、ダイヤモンド基板１１の基板表面１１ａからの深さであり、縦軸はアルミニウムの濃度である。また、図９には、加速エネルギー毎のイオン濃度を併せて描いてある。

加熱ステップＳ２では、イオン注入されたダイヤモンド基板１１を、基板表面１１ａを露呈させた状態でアルゴンガスの雰囲気下大気圧で１７００℃に加熱し、この１７００℃を２時間維持した。この加熱の際には、予め加熱された加熱炉にダイヤモンド基板１１を投入することによって高速昇温した。加熱終了後、ダイヤモンド基板１１を冷却してから加熱炉から取り出し、試料のグラファイト積層基板１０とした。

上記のようにして得られたグラファイト積層基板１０から集束イオンビーム(ＦＩＢ:Focused Ion Beam）マイクロサンプリングを用いて断面小切片を作成し、断面小切片をナノメッシュに固定して、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ；Transmission Electron Microscope、ＦＥＩ社製 Tecnai F20）にて観察した。図１０、図１１は、得られた観察位置の異なるＴＥＭ像であり、いずれも基板表面１１ａ上にグラファイト層１２と推測される膜が形成されていることを確認することができた。また、その膜は、基板表面１１ａ上に垂直配向したグラフェン１２ａのものと推定される縦縞を確認することができ、縦縞の間隔が０．３３５ｎｍであった。

さらに、ＦＦＴ図形から結晶構造とその格子定数を評価した。図１２に示すＴＥＭ像中において、グラファイト層１２と推測される領域Ａの高速フーリエ変換（ＦＦＴ:Fast Fourier Transform）図形を図１３に、またダイヤモンド基板１１と推測される領域ＢのＦＦＴ図形を図１４にそれぞれ示す。図１３に示すＦＦＴ図形は、図１５に示すグラファイトについての回折パターンのシミュレーション結果と一致しており、これにより基板表面１１ａに、それに垂直に起立した複数のグラフェン１２ａからなるグラファイト層１２が形成されていることが確認された。一方、図１４に示すＦＦＴ図形は、図１６に示すダイヤモンドについての回折パターンのシミュレーション結果と一致しており、ダイヤモンドの結晶であることが分かった。なお、図１５は、グラファイトの(００２)、(００−２)面の回折パターンをシミュレーションしたものであり、図１６は、ダイヤモンドの(１−１１)，(１−１−１)，(−１１１)，(−１１−１)面の回折パターンをシミュレーションしたものである。図１３と図１５、図１４と図１６が一致しており、それぞれの、各面の回折パターンと一致することで、ダイヤモンド（１００）基板の断面を［１１０］方向から見た回折像であることを特定した。

以上の結果から、グラフェン１２ａが基板表面１１ａに垂直に配向したグラファイト層１２が基板表面１１ａ上に形成されていることが確認された。

また、上記と同じ条件で作成した別の試料のグラファイト層１２の表面抵抗を測定したところ、３ｋΩであった。この測定では、デジタルマルチメータ（カスタム社、ＣＤＭ−６０００）や半導体パラメータアナライザ（キーサイトテクノロジー社、Ｂ１５００Ａ）などを用い、デジタルマルチメータでは直接的に、半導体パラメータアナライザでは電流−電圧の相関より抵抗値を見積もった。表面抵抗は、グラファイト層１２がない場合には、１ＭΩ以上で、グラファイト層１２がある場合には、サンプルによっても異なるが３ｋΩ以下（４０〜５０Ω、３００〜４００Ω、２０００〜３０００Ω）であった。

１０ グラファイト積層ダイヤモンド基板
１１，３１ ダイヤモンド基板
１２，３５ グラファイト層
１２ａ グラフェン
３０ ＭＥＳＦＥＴ
３２ 半導体層
３３ ドレイン領域
３４ ソース領域
３６ ドレイン電極
３７ ソース電極
３８ ゲート電極

Claims (8)

1. （１００）面または（１１０）面を基板表面とする単結晶のダイヤモンド基板の前記基板表面に高エネルギー線を照射する照射ステップと、
   前記高エネルギー線が照射された前記ダイヤモンド基板を、前記基板表面を露呈させた状態で加熱することによって、前記基板表面に起立した複数のグラフェンからなるグラファイト層を形成する加熱ステップと
   を有することを特徴とするグラファイト積層ダイヤモンド基板の製造方法。
2. 前記照射ステップは、前記高エネルギー線としてイオン化された元素を前記ダイヤモンド基板に照射してイオン注入を行うことを特徴とする請求項１記載のグラファイト積層ダイヤモンド基板の製造方法。
3. 前記照射ステップは、ＩＩＩ族の元素、Ｖ族の元素、及びヘリウム、水素、炭素のいずれか１つまたは複数の元素をイオン化して前記ダイヤモンド基板に照射することを特徴とする請求項２記載のグラファイト積層ダイヤモンド基板の製造方法。
4. 前記照射ステップは、前記高エネルギー線として、電子線、Ｘ線、ガンマ線、中性子線のいずれかを前記ダイヤモンド基板に照射することを特徴とする請求項１記載のグラファイト積層ダイヤモンド基板の製造方法。
5. （１００）面または（１１０）面を基板表面とする単結晶のダイヤモンド基板の前記基板表面に、前記基板表面に起立した複数のグラフェンからなるグラファイト層を備えることを特徴とするグラファイト積層ダイヤモンド基板。
6. 前記グラファイト層は、厚みが１００ｎｍ以下であり、面抵抗が３ｋΩ以下であることを特徴とする請求項５に記載のグラファイト積層ダイヤモンド基板。
7. （１００）面または（１１０）面を基板表面とする単結晶のダイヤモンド基板上に、導体層を形成すべき部分が開口したマスクを形成するマスク形成ステップと、
   前記基板表面に向けて高エネルギー線を照射することによって、前記開口を介して前記基板表面に前記高エネルギー線を照射する照射ステップと、
   前記高エネルギー線が照射された前記ダイヤモンド基板を、少なくとも前記高エネルギー線が照射された前記基板表面の部分を露呈させた状態で加熱することによって、導体層として、前記基板表面に起立した複数のグラフェンからなるグラファイト層を形成する加熱ステップと
   を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
8. （１００）面または（１１０）面を基板表面とする単結晶のダイヤモンド基板と、
   前記基板表面上に形成され、前記基板表面に起立した複数のグラフェンからなるグラファイトで構成される導体層と
   を有することを特徴とする半導体装置。