JP2019019044A - ダイヤモンド積層シリコンウェーハの製造方法およびダイヤモンド積層シリコンウェーハ - Google Patents

ダイヤモンド積層シリコンウェーハの製造方法およびダイヤモンド積層シリコンウェーハ Download PDF

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Abstract

【課題】ダイヤモンド層におけるダイヤモンド粒子が小粒径化されたダイヤモンド積層シリコンウェーハの製造方法を提供する。
【解決手段】本発明のダイヤモンド積層シリコンウェーハ１００の製造方法は、酸素濃度が５×１０17ａｔｏｍ／ｃｍ3以下のシリコンウェーハ１０上に、ダイヤモンド粒子１４を付着させた後、化学気相成長法によりダイヤモンド粒子１４を核として、シリコンウェーハ１０上にダイヤモンド層１６を成長させることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコンウェーハ上にダイヤモンド層が形成されてなるダイヤモンド積層シリコンウェーハの製造方法およびダイヤモンド積層シリコンウェーハに関する。
ダイヤモンドは広いバンドギャップを有するため、シリコンウェーハ上にダイヤモンド層が形成されてなるダイヤモンド積層シリコンウェーハは、ガスセンサデバイス、温度センサデバイス、放射線・赤外線検出デバイス等に適したワイドバンドギャップ半導体に応用されている。
ダイヤモンド積層シリコンウェーハの製造方法としては、シリコンウェーハの表面にダイヤモンド粒子を付着させて、付着したダイヤモンド粒子を核としてダイヤモンド層を成長させる手法が一般的に採用されている。例えば、特許文献１では、５０ｎｍ以下の臨界核径に近いダイヤモンド粒子をシリコンウェーハの表面に付着させた後に、化学気相成長（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）法によりダイヤモンド層を成長させることが提案されている。特許文献１によれば、臨界核径に近いダイヤモンド粒子を用いるので、ダイヤモンド層の表面粗さが低減することが報告されている。
特開２００５−３０６６１７号公報
近年、ガスセンサデバイス、温度センサデバイス、放射線・赤外線検出デバイス等のデバイス特性をさらに向上させるために、ダイヤモンド層におけるダイヤモンド粒子が小粒径化されたダイヤモンド積層シリコンウェーハが求められている。また、ダイヤモンド積層シリコンウェーハを縦型デバイスとして使用する場合には、ダイヤモンド層の厚さを１０μｍ以上にすることが求められている。ところが、シリコンウェーハの表面に付着させるダイヤモンド粒子を特許文献１のような５０ｎｍ以下の微粒子として、この微粒子を核としてダイヤモンド層を成長させると、ダイヤモンド層を厚くするとダイヤモンド層におけるダイヤモンド粒子が小粒径化されず、このようなダイヤモンド層にデバイスを形成するとリーク電流が増加して、デバイス特性が悪化するおそれがあることがわかった。
そこで本発明は、上記課題に鑑み、ダイヤモンド層におけるダイヤモンド粒子が小粒径化されたダイヤモンド積層シリコンウェーハの製造方法およびダイヤモンド積層シリコンウェーハを提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討したところ、上記のリーク電流は、ダイヤモンド層におけるダイヤモンド粒子の粒径がデバイスのゲート幅（２μｍ程度）を超えると増加するおそれがあることがわかった。そして、本発明者らは、ダイヤモンド層におけるダイヤモンド粒子の小粒径化を目的として更なる検討を進めたところ、シリコンウェーハ中の酸素濃度とダイヤモンド層におけるダイヤモンド粒子の粒径との間に相関があることを見出し、酸素濃度が５×１０17ａｔｏｍ／ｃｍ3以下のシリコンウェーハをダイヤモンド層の下地基板として使用すると、ダイヤモンド層を厚くしても、ダイヤモンド層におけるダイヤモンド粒子の最大粒径を２μｍ以下にすることができることを知見した。
本発明は、上記知見に基づいて完成されたものであり、その要旨構成は以下のとおりである。
（１）酸素濃度が５×１０17ａｔｏｍ／ｃｍ3以下のシリコンウェーハ上に、ダイヤモンド粒子を付着させた後、化学気相成長法により前記ダイヤモンド粒子を核として、前記シリコンウェーハ上にダイヤモンド層を成長させることを特徴とするダイヤモンド積層シリコンウェーハの製造方法。
（２）前記シリコンウェーハ上にダイヤモンド粒子含有液を塗布した後に、又は前記シリコンウェーハをダイヤモンド粒子含有液に浸漬した後に、前記シリコンウェーハに熱処理を施すことにより、前記シリコンウェーハ上に前記ダイヤモンド粒子を付着させる、上記（１）に記載のダイヤモンド積層シリコンウェーハの製造方法。
（３）前記ダイヤモンド粒子含有液中のダイヤモンド粒子が負電荷に帯電している、上記（２）に記載のダイヤモンド積層シリコンウェーハの製造方法。
（４）前記ダイヤモンド粒子含有液中のダイヤモンド粒子の平均粒径が５０ｎｍ以下である、上記（２）または（３）に記載のダイヤモンド積層シリコンウェーハの製造方法。
（５）前記熱処理では、前記シリコンウェーハの温度が１００℃未満である、上記（２）〜（４）のいずれか一つに記載のダイヤモンド積層シリコンウェーハの製造方法。
（６）前記ダイヤモンド層におけるダイヤモンド粒子の最大粒径が２．０μｍ以下である、上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載のダイヤモンド積層シリコンウェーハの製造方法。
（７）前記ダイヤモンド層の厚さが１０μｍ以上である、上記（１）〜（６）のいずれか一つに記載のダイヤモンド積層シリコンウェーハの製造方法。
（８）前記シリコンウェーハの抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上である、上記（１）〜（７）のいずれか一つに記載のダイヤモンド積層シリコンウェーハの製造方法。
（９）酸素濃度が５×１０17ａｔｏｍ／ｃｍ3以下のシリコンウェーハと、前記シリコンウェーハ上に形成されたダイヤモンド層と、を有し、
前記ダイヤモンド層におけるダイヤモンド粒子の最大粒径が２．０μｍ以下であることを特徴とするダイヤモンド積層シリコンウェーハ。
（１０）前記ダイヤモンド層の厚さが１０μｍ以上である、上記（９）に記載のダイヤモンド積層シリコンウェーハ。
（１１）前記シリコンウェーハの抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上である、上記（９）または（１０）に記載のダイヤモンド積層シリコンウェーハ。
本発明によれば、ダイヤモンド層におけるダイヤモンド粒子が小粒径化されたダイヤモンド積層シリコンウェーハを得ることができる。
本発明の一実施形態によるダイヤモンド積層シリコンウェーハ１００の製造方法を説明する模式断面図である。 発明例１〜３及び比較例１において、ダイヤモンド層の表面の光学顕微鏡観察による写真である。 発明例７，８において、ダイヤモンド層の剥離の有無を示す写真である。
以下、図面を参照しつつ本発明の一実施形態を詳細に説明する。なお、図１では説明の便宜上、実際の厚さの割合とは異なり、シリコンウェーハ１０に対して、ダイヤモンド粒子塗布層１２の厚さ、ダイヤモンド粒子１４の粒径、及びダイヤモンド層１６の厚さを誇張して示す。
（ダイヤモンド積層シリコンウェーハの製造方法）
本発明のダイヤモンド積層シリコンウェーハの一実施形態を図１に示す。
図１を参照して、本発明の一実施形態によるダイヤモンド積層シリコンウェーハ１００の製造方法を説明する。まず、酸素濃度が５×１０17ａｔｏｍ／ｃｍ3以下のシリコンウェーハ１０を用意する（図１（Ａ））。次に、シリコンウェーハ１０上にダイヤモンド粒子含有液を塗布する（図１（Ａ），（Ｂ））。これにより、シリコンウェーハ１０上にダイヤモンド粒子塗布層１２が形成される（図１（Ｂ））。次に、シリコンウェーハ１０に熱処理を施すことにより、ダイヤモンド粒子塗布層１２中の溶媒を蒸発させ、かつシリコンウェーハ１０の表面とダイヤモンド粒子１４との結合力を強化して、シリコンウェーハ１０の表面にダイヤモンド粒子１４を付着させる（図１（Ｂ），（Ｃ））。次に、ＣＶＤ法により、付着したダイヤモンド粒子１４を核として、シリコンウェーハ１０上にダイヤモンド層１６を成長させる（図１（Ｃ），（Ｄ））。このようにして、ダイヤモンド積層シリコンウェーハ１００が作製される。以下では、本実施形態における各工程を詳細に説明する。
（シリコンウェーハの用意）
図１（Ａ）を参照して、まず、５×１０17ａｔｏｍ／ｃｍ3以下の酸素濃度のシリコンウェーハ１０を用意する。ここで、本明細書における「シリコンウェーハの酸素濃度」とは、ＦＴ−ＩＲ法（Old ASTM F121-1979）により測定した場合における、シリコンウェーハ１０の厚さ方向にわたる酸素濃度の平均値を意味する。詳細は後述するが、このような低酸素濃度のシリコンウェーハを用いることで、図１（Ｃ）,（Ｄ）に示すダイヤモンド層１６の成長の際に、シリコンウェーハ１０中の酸素がダイヤモンド層１６に外方拡散するのが抑制されるので、ダイヤモンド層１６におけるダイヤモンド粒子の最大粒径を２．０μｍ以下にすることができる。なお、シリコンウェーハ１０の厚さは、形成するダイヤモンド層１６の厚さに応じて設定すればよい。すなわち、ダイヤモンド層１６が厚くなるほど、ダイヤモンド積層シリコンウェーハ１００の反りが大きくなるため、反りを発生させないようにシリコンウェーハ１０を厚くすることが好ましい。具体的には、シリコンウェーハ１０の厚さは２８０μｍ以上１０ｃｍ以下とすることが好ましい。
また、シリコンウェーハ１０の抵抗率を１０００Ω・ｃｍ以上とすることが好ましい。このような高抵抗のシリコンウェーハは、ボロンやリン等のキャリアとなる不純物が少ないので、これらの不純物がダイヤモンド層１６の成長過程でダイヤモンド層１６に外方拡散するのを抑制することができ、ダイヤモンド層１６中の抵抗変動を抑制することができる。
（ダイヤモンド粒子含有液の塗布）
次に、図１（Ａ），（Ｂ）を参照して、シリコンウェーハ１０上にダイヤモンド粒子含有液を塗布して、ダイヤモンド粒子塗布層１２を形成する。以下では、ダイヤモンド粒子塗布層１２を形成するときの好適条件について詳細に説明する。
ダイヤモンド粒子含有液に含まれるダイヤモンド粒子の平均粒径は１ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましい。１ｎｍ以上であれば、ダイヤモンド層１６を成長させる初期段階において、ダイヤモンド粒子１４がスパッタリング作用によりシリコンウェーハ１０の表面から弾き飛ばされる現象を抑制することができ、５０ｎｍ以下であれば、ダイヤモンド層１６の厚さを１０μｍ以上とした場合でも、ダイヤモンド層１６におけるダイヤモンド粒子の最大粒径を２．０μｍ以下にすることができるからである。このようなダイヤモンド粒子は、公知の爆轟法や爆縮法や粉砕法によりグラファイトから好適に作製することができる。なお、「ダイヤモンド粒子含有液に含まれるダイヤモンド粒子の平均粒径」は、ＪＩＳ ８８１９−２に従って算出されるものであり、公知のレーザー回折式粒度分布測定装置によって測定された粒度分布が正規分布に従うと仮定して算出された平均粒径を意味する。
ダイヤモンド粒子含有液を塗布する前のシリコンウェーハ１０は、その表面に付着した金属不純物を除去するために、一般的にフッ酸などを用いて酸洗浄されるが、酸洗浄されたシリコンウェーハ１０の表面は、活性な撥水面であり、パーティクルが付着しやすい。このため、酸洗浄したシリコンウェーハ１０を純水などで洗浄して、シリコンウェーハ１０の表面を自然酸化膜が形成された親水性面とすることが好ましい。あるいは、酸洗浄したシリコンウェーハ１０をクリーンルーム内に長時間放置して、シリコンウェーハ１０の表面に自然酸化膜を形成することが好ましい。これにより、シリコンウェーハ１０の表面にパーティクルが付着するのを抑制することができる。このとき、自然酸化膜中には正電荷を有する固定電荷が発生する。そのため、正電荷に帯電した自然酸化膜上に、負電荷に帯電させたダイヤモンド粒子を含有するダイヤモンド粒子含有液を塗布すれば、シリコンウェーハ１０とダイヤモンド粒子１４とがクーロン引力により強固に結合し、これに起因してダイヤモンド層１６のシリコンウェーハ１０に対する密着性を向上させることができる。このように負電荷に帯電させたダイヤモンド粒子は、ダイヤモンド粒子に酸化処理を施すことによって、カルボキシル基やケトン基でダイヤモンド粒子を終端することで得られる。例えば、酸化処理としては、ダイヤモンド粒子を酸化熱する方法、あるいはオゾン溶液、硝酸溶液、過酸化水素水溶液、又は過塩素酸溶液にダイヤモンド粒子を浸漬する方法などが挙げられる。
ダイヤモンド粒子含有液の溶媒としては、水の他、メタノール、エタノール、２−プロパノ−ル、及びトルエン等の有機溶媒が挙げられる。これらの溶媒を単独で用いてもよく、２種以上組み合わせて用いてもよい。
ダイヤモンド粒子含有液におけるダイヤモンド粒子の含有量は、ダイヤモンド粒子含有液全体に対して０．０３質量％以上１０質量％以下とすることが好ましい。０．０３質量％以上であれば、図１（Ｂ）,（Ｃ）に示す熱処理によりシリコンウェーハ１０上に付着したダイヤモンド粒子１４をウェーハ面内均一に成長核として用いることができるからである。１０質量％以下であれば、付着したダイヤモンド粒子１４が、図１（Ｃ）,（Ｄ）に示すダイヤモンド層１６の成長過程で異常成長するのを抑制することができるからである。
ダイヤモンド粒子１４とシリコンウェーハ１０との密着性を向上させる観点から、ダイヤモンド粒子含有液はジェル状のものとすることが好ましく、ダイヤモンド粒子含有液に増粘剤を含有させてもよい。増粘剤としては、寒天、カラギーナン、キサンタンガム、ジェランガム、グアーガム、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸塩系増粘剤、水溶性セルロース類、ポリエチレンオキサイドなどが挙げられる。増粘剤を含有させる場合、ダイヤモンド粒子含有液のｐＨを６〜８の範囲とすることが好ましい。
ダイヤモンド粒子含有液の調製は、上記の溶媒にダイヤモンド粒子を混合して撹拌することにより、溶媒中にダイヤモンド粒子を分散させるようにして行えばよい。撹拌速度は５００〜３０００ｒｐｍとすることが好ましく、撹拌時間は１０分〜１時間とすることが好ましい。
このようにして調製したダイヤモンド粒子含有液をシリコンウェーハ１０に塗布する（図１（Ａ）,（Ｂ））。ここで、ダイヤモンド粒子含有液を塗布する方法として、例えば、公知のスピンコート法を用いることができる。スピンコート法によれば、ダイヤモンド粒子を付着させたいウェーハ面側のみに面内均一にダイヤモンド粒子含有液を塗布することができる。
（熱処理）
次に、図１（Ｂ）,（Ｃ）を参照して、シリコンウェーハ１０に熱処理を施す。これにより、ダイヤモンド粒子塗布層１２中の溶媒が蒸発し、シリコンウェーハ１０上にダイヤモンド粒子１４が付着する（図１（Ｃ））。熱処理を施すことで、ダイヤモンド粒子１４とシリコンウェーハ１０との結合を強化することができる。熱処理中のウェーハの温度は、１００℃未満とすることが好ましく、３０℃以上８０℃以下とすることがより好ましい。１００℃以上の温度では、ダイヤモンド粒子含有液が沸騰して泡が発生してしまい、シリコンウェーハ１０上にダイヤモンド粒子が部分的に存在しないダイヤモンド粒子非付着部位が生じてしまう。ダイヤモンド粒子非付着部位が生じると、この部位を起点としてダイヤモンド層１６が剥離してしまうおそれがある。３０℃未満では、ダイヤモンド粒子１４とシリコンウェーハ１０との結合が弱く、ＣＶＤ法によってダイヤモンド層１６を成長させる過程で、スパッタリング作用によりダイヤモンド粒子１４が弾き飛ばされてしまい、均一なダイヤモンド層の成長が困難となるおそれがある。また、熱処理時間は１〜３０分とすることが好ましい。熱処理装置としては、公知の熱処理装置を用いればよく、例えば、加熱したホットプレート上にシリコンウェーハ１０を載置することにより行うことができる。
（ダイヤモンド層の成長）
次に、図１（Ｃ）,（Ｄ）を参照して、シリコンウェーハ１０の表面に付着したダイヤモンド粒子１４を成長核として、シリコンウェーハ１０上にＣＶＤ法により一般的な条件でダイヤモンド層１６を成長させる。ＣＶＤ法としては、プラズマＣＶＤ法および熱フィラメントＣＶＤ法等を好適に用いることができる。
プラズマＣＶＤ法を用いる場合、例えば、水素をキャリアガスとして、メタン等のソースガスをチャンバー内に導入し、ウェーハの温度を７００〜１３００℃として、ダイヤモンド層１６を成長させる。ダイヤモンド層１６の厚さの均一性をさらに向上させる観点からは、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いることが好ましい。マイクロ波プラズマＣＶＤ法とは、プラズマチャンバー内でメタン等のソースガスをマイクロ波によって分解してプラズマ化し、これを加熱したシリコンウェーハ１０上に導くことにより、ダイヤモンド層１６を成長させる方法である。ここで、プラズマチャンバー内の圧力、マイクロ波の出力、及びウェーハの温度を以下のように設定することが好ましい。プラズマチャンバー内の圧力は、１０〜１０００Ｔｏｒｒとすることが好ましく、８０〜３００Ｔｏｒｒとすることがより好ましい。マイクロ波の出力は、０．１ｋ〜１００ｋＷとすることが好ましく、１ｋ〜１０ｋＷとすることがより好ましい。ウェーハの温度は、７００〜１３００℃とすることが好ましく、９００〜１２００℃とすることがより好ましい。
熱フィラメントＣＶＤ法を用いる場合、タングステン、タンタル、レニウム、モリブデン、イリジウム等からなるフィラメントを用いて、フィラメント温度を１９００〜２３００℃程度とし、メタン等の炭化水素系のソースガスから炭素ラジカルを生成する。この炭素ラジカルを加熱したシリコンウェーハ１０上に導くことにより、ダイヤモンド層１６を成長させる。熱フィラメントＣＶＤ法によれば、ウェーハの大口径化に容易に対応することができる。ここで、チャンバー内の圧力、フィラメントとシリコンウェーハ１０との距離、及びウェーハの温度を以下のように設定することが好ましい。チャンバー内の圧力は１０〜１０００Ｔｏｒｒとすることが好ましい。フィラメントとシリコンウェーハ１０との距離は５〜２０ｍｍとすることが好ましい。ウェーハの温度は７００〜１３００℃とすることが好ましい。
なお、成長させるダイヤモンド層１６の厚さは、ダイヤモンド積層シリコンウェーハ１００の用途に応じて適宜選択することができる。例えば、高周波デバイス向け用途など、横方向（水平方向）にデバイスを形成するための活性層としてダイヤモンド層１６を使用する場合は、０．１μｍ〜１ｍｍの厚さのダイヤモンド層が必要とされる。一方で、パワーデバイス向け用途など、縦方向（垂直方向）にデバイスを形成するための活性層としてダイヤモンド層１６を使用する場合は、１０μｍ〜１ｍｍの厚さのダイヤモンド層が必要とされる。
本実施形態の特徴的部分は、ダイヤモンド層１６の下地基板として酸素濃度が５．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下の低酸素のシリコンウェーハ１０を使用することにある。低酸素のシリコンウェーハを使用することで、ダイヤモンド層１６におけるダイヤモンド粒子が小粒径化するメカニズムは、以下のように推察される。
シリコンウェーハ１０の酸素濃度が５×１０17ａｔｏｍ／ｃｍ3を超えると、ダイヤモンド層の成長過程で、熱によってシリコンウェーハ１０から外方拡散した酸素は、成長するダイヤモンド粒子を構成する結合力の弱いグラファイト（ｓｐ2軌道）領域を優先的にエッチングし、結合力の強いダイヤモンド（ｓｐ3軌道）領域のみが急成長するものと推測される。そのため、ダイヤモンド粒子の粒径が大きくなり、ダイヤモンド粒子の表面の凹凸が大きくなるので、ダイヤモンド粒子間の隙間が大きくなり、ダイヤモンド層１６の緻密性が低下するものと考えられる。一方、低酸素のシリコンウェーハを用いると酸素の外方拡散が抑制されるので、グラファイト領域のエッチングが抑制され、グラファイト領域をプラズマでエッチングしながらダイヤモンド領域の成長が行われることにより、ダイヤモンド領域の急成長が緩和されるものと推測される。そのため、ダイヤモンド粒子の最大粒径が２．０μｍ以下である緻密なダイヤモンド層１６が得られるものと考えられる。この観点からは、ダイヤモンド層１６を成長させる際のキャリアガスとして酸素を含有しないものを用いて、グラファイト領域のエッチングを抑制することがより好ましい。
以上、本実施形態を例にして本発明のダイヤモンド積層シリコンウェーハの製造方法を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されず、特許請求の範囲内において適宜変更を加えることができる。
シリコンウェーハ上にダイヤモンド粒子を付着させる方法は、塗布法に限定されず、公知の浸漬法や傷付け法であってもよい。浸漬法による場合は、既述のダイヤモンド粒子含有液にシリコンウェーハを浸漬した後に、既述の熱処理を行うことによって、シリコンウェーハ上にダイヤモンド粒子を付着させることができる。傷付け法による場合は、シリコンウェーハの表面にダイヤモンド粒子を埋め込むことにより、シリコンウェーハ上にダイヤモンド粒子を付着させる。ダイヤモンド粒子を埋め込む方法としては、（１）乾燥した状態のダイヤモンド粉末をシリコンウェーハの表面に分布させて、ウェーハ表面に押圧力を印加する方法、（２）ダイヤモンド粒子を含む高速ガスをシリコンウェーハの表面に噴射する方法、（３）ダイヤモンド粒子の流動床中にシリコンウェーハを置く方法、（４）ダイヤモンド粒子を分散させた溶液中でシリコンウェーハを超音波洗浄する方法などが挙げられる。なお、傷付け法では、ダイヤモンド粒子の埋め込み深さにばらつきが生じることで、ダイヤモンド層の厚さが不均一になったり、ダイヤモンド粒子の埋め込みの際にシリコンウェーハの表面に生じる傷が大きいと、ダイヤモンド層の表面の平滑性が悪くなったりする傾向があるので、塗布法や浸漬法を用いることが好ましい。
また、シリコンウェーハ１０の面方位を（１００）とすることができる。この場合、ダイヤモンド層内に形成したデバイス領域以外のダイヤモンド層を除去（エッチング）して、シリコンウェーハ内にデバイス（例えば、ＣＭＯＳデバイス、メモリデバイス、ＣＩＳデバイス、ＩＧＢＴデバイス等）を作製することにより、ダイヤモンド層内に形成したデバイスとシリコンウェーハ内に形成したデバイスをＳｏＣ（System on Chip）化することができる。
（ダイヤモンド積層シリコンウェーハ）
図１（Ｄ）を参照して、上記製造方法によって得られるダイヤモンド積層シリコンウェーハ１００について説明する。ダイヤモンド積層シリコンウェーハ１００は、酸素濃度が５．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3のシリコンウェーハ１０と、シリコンウェーハ１０上に形成されたダイヤモンド層１６とを有する。さらに、ダイヤモンド層１６におけるダイヤモンド粒子の最大粒径が２．０μｍ以下である。
また、本明細書における「ダイヤモンド層におけるダイヤモンド粒子の最大粒径」は、以下の定義に従う。すなわち、ウェーハの中心点、及びウェーハの半径９５％の円周とウェーハの直径との２つの交点の３点をそれぞれ中心とする１０μｍ×１０μｍの３つの領域を光学顕微鏡にて観測し、これら３つの領域における全てのダイヤモンド粒子の粒径のうち最大のものを「ダイヤモンド層におけるダイヤモンド粒子の最大粒径」と定義する。なお、「ダイヤモンド粒子の粒径」とは、ダイヤモンド粒子の長軸の長さである。
シリコンウェーハ１０の厚さは２８０μｍ以上１０ｃｍ以下であることが好ましく、シリコンウェーハ１０の抵抗率は１０００Ω・ｃｍ以上であることが好ましく、シリコンウェーハ１０の面方位は（１００）であることが好ましい。また、ダイヤモンド層１６の厚さは、高周波デバイス向け用途など、横方向にデバイスを形成するための活性層としてダイヤモンド層１６を使用する場合は、０．１μｍ〜１ｍｍであることが好ましく、パワーデバイス向け用途など、縦方向にデバイスを形成するための活性層としてダイヤモンド層１６を使用する場合は、１０μｍ〜１ｍｍであることが好ましい。これらの理由の詳細については既述の説明を援用する。
以上、本実施形態を例にして本発明のダイヤモンド積層シリコンウェーハを説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されず、特許請求の範囲内において適宜変更を加えることができる。
＜実験１＞
実験１では、以下に説明する方法に従って、発明例１〜６及び比較例１，２のダイヤモンド積層シリコンウェーハを作製し、ダイヤモンド層の緻密性を調査した。
（発明例１）
図１（Ａ）〜（Ｄ）に示す工程を経て、発明例１のダイヤモンド積層シリコンウェーハを作製した。
まず、ＭＣＺ（Magnetic field applied Czochralski）法により育成されたシリコン単結晶インゴットから切り出し加工した、直径が２インチ、厚さが３ｍｍ、面方位が（１００）、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ、酸素濃度（ASTM F121-1979）が５．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であるシリコンウェーハを用意した（図１（Ａ））。
次に、ダイヤモンド粒子としては、爆轟法により作製した平均粒径が４ｎｍのダイヤモンド粒子を使用した。なお、このダイヤモンド粒子を過酸化水素水溶液に浸漬して、カルボキシル基（ＣＯＯＨ）で終端することで、ダイヤモンド粒子を負電荷に帯電させた。次に、溶媒をＨ2Ｏとして、この溶媒に、溶液全体に対して０．１質量％のダイヤモンド粒子を混合し、撹拌して、ダイヤモンド粒子含有液を調製した。なお、撹拌速度は１１００ｒｐｍ、撹拌時間は５０分とし、撹拌中のダイヤモンド粒子含有液の温度は２５℃とした。続いて、純粋により洗浄し、表面に自然酸化膜が形成されたシリコンウェーハ上に、スピンコート法によりダイヤモンド粒子含有液を塗布し、シリコンウェーハ上にダイヤモンド粒子塗布層を形成した（図１（Ａ）,（Ｂ））。
次に、８０℃に設定したホットプレート上にシリコンウェーハを３分間置くことにより、シリコンウェーハとダイヤモンド粒子との結合を強化する熱処理を施し、シリコンウェーハ上にダイヤモンド粒子を付着させた（図１（Ｂ）,（Ｃ））。
次に、水素をキャリアガス、メタンをソースガスとして、既述のマイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いて、シリコンウェーハ上に付着したダイヤモンド粒子を成長核として、シリコンウェーハ上に厚さ１０μｍのダイヤモンド層を成長させた（図１（Ｃ）,（Ｄ））。ダイヤモンド層の成長では、プラズマチャンバー内の圧力を１３５Ｔｏｒｒ、マイクロ波の出力を５ｋＷ、ウェーハの温度を１０５０℃、成長時間を２時間とした。このようにしてダイヤモンド積層シリコンウェーハを得た。
（発明例２）
発明例２としては、ＭＣＺ法により作製された酸素濃度が２×１０17ａｔｏｍ／ｃｍ3であるシリコンウェーハを用いた以外は、発明例１と同様の方法でダイヤモンド積層シリコンウェーハを作製した。
（発明例３）
発明例３としては、ＦＺ（Floating Zone）法により作製された酸素濃度が６×１０16ａｔｏｍ／ｃｍ3であるシリコンウェーハを用いた以外は、発明例１と同様の方法でダイヤモンド積層シリコンウェーハを作製した。
（発明例４）
発明例４としては、ダイヤモンド層の厚さを１０００μｍとした以外は、発明例１と同様の方法でダイヤモンド積層シリコンウェーハを作製した。
（発明例５）
発明例５としては、ダイヤモンド層の厚さを１０００μｍとした以外は、発明例２と同様の方法でダイヤモンド積層シリコンウェーハを作製した。
（発明例６）
発明例６としては、ダイヤモンド層の厚さを１０００μｍとした以外は、発明例３と同様の方法でダイヤモンド積層シリコンウェーハを作製した。
（比較例１）
比較例１としては、酸素濃度が１×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ3であるシリコンウェーハを用いた以外は、発明例１と同様の方法でダイヤモンド積層シリコンウェーハを作製した。
比較例２としては、ダイヤモンド層の厚さを１０００μｍとした以外は、比較例１と同様の方法でダイヤモンド積層シリコンウェーハを作製した。
（評価方法）
各発明例および比較例において、既述の方法にてダイヤモンド層におけるダイヤモンド粒子の最大粒径を測定し、ダイヤモンド層の緻密性を調査した。測定結果を表１に示す。また、図２には、発明例１〜３及び比較例１について、既述の方法で光学顕微鏡によりダイヤモンド層の表面の中心を観察したときの写真を示す。ここで、図２において、白い部分はダイヤモンド粒子であり、黒い部分は下地のシリコンウェーハである。
（評価結果の説明）
酸素濃度が５×１０17ａｔｏｍ／ｃｍ3を超えるシリコンウェーハを用いた比較例１，２では、ダイヤモンド層におけるダイヤモンド粒子の最大粒径が２．０μｍを超えていたのに対して、酸素濃度が５×１０17ａｔｏｍ／ｃｍ3以下のシリコンウェーハを用いた発明例１〜６では、ダイヤモンド層におけるダイヤモンド粒子の最大粒径が全て２．０μｍ以下であった。従って、発明例１〜６では、比較例１，２に比べて緻密なダイヤモンド層が得られていた。これは、酸素濃度が５×１０17ａｔｏｍ／ｃｍ3以下の低酸素シリコンウェーハを用いることで、シリコンウェーハからダイヤモンド層への酸素の外方拡散が抑制されたことに起因するものと考えられる。
＜実験２＞
実験２では、以下に説明する方法に従って、発明例７，８のダイヤモンド積層シリコンウェーハを作製し、ダイヤモンド層の密着性を調査した。具体的には、負電荷に帯電させたダイヤモンド粒子をシリコンウェーハに付着させた場合と、正電荷に帯電させたダイヤモンド粒子をシリコンウェーハに付着させた場合のそれぞれについて、ダイヤモンド層を成長させた後に研磨処理を行って、ダイヤモンド層の剥離の有無を調査した。
（発明例７）
発明例７としては、発明例１と同様の方法でダイヤモンド積層シリコンウェーハを作製した後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により、ダイヤモンド層の表面を１μｍ除去するように鏡面研磨した。すなわち、発明例７は、爆轟法で作製したダイヤモンド粒子を過酸化水素水溶液に浸漬して、ダイヤモンド粒子をカルボキシル基（ＣＯＯＨ）で終端させることにより、ダイヤモンド粒子を負電荷に帯電させたときの実験例である。
（発明例８）
発明例８では、ダイヤモンド粒子を正電荷に帯電させた以外は、発明例１と同様の方法でダイヤモンド積層シリコンウェーハを作製し、その後、発明例７と同様にして、ダイヤモンド層の表面を鏡面研磨した。なお、ダイヤモンド粒子を正電荷に帯電させるためには、水素やアミノ基でダイヤモンド粒子を終端すればよく、例えば、水素雰囲気でプラズマ処理する方法や、アンモニア雰囲気でプラズマ処理する方法などが挙げられる。発明例８では、爆轟法で作製したダイヤモンド粒子に対して、アンモニア雰囲気にてプラズマ処理を施して、ダイヤモンド粒子をアミノ基（ＮＨ2）で終端させることで、ダイヤモンド粒子を正電荷に帯電させた。
（評価方法）
発明例７、８において、ダイヤモンド層の表面におけるダイヤモンド層の剥離の有無を目視観察して、密着性を調査した。調査結果を図３に示す。
（評価結果の説明）
ダイヤモンド粒子を正電荷に帯電させた発明例８では、ダイヤモンド層の表面が剥離したのに対して、ダイヤモンド粒子を負電荷に帯電させた発明例７では、ダイヤモンド層の表面は剥離しなかった。これは、シリコンウェーハの表面に存在する正に帯電した自然酸化膜と、負に帯電したダイヤモンド粒子との間のクーロン力によってダイヤモンド層の密着性が向上したからであると推測される。
本発明によれば、ダイヤモンド層におけるダイヤモンド粒子が小粒径化されたダイヤモンド積層シリコンウェーハを得ることができる。
１００ ダイヤモンド積層シリコンウェーハ
１０ シリコンウェーハ
１２ ダイヤモンド粒子塗布層
１４ ダイヤモンド粒子
１６ ダイヤモンド層

Claims (11)

  1. 酸素濃度が５×１０17ａｔｏｍ／ｃｍ3以下のシリコンウェーハ上に、ダイヤモンド粒子を付着させた後、化学気相成長法により前記ダイヤモンド粒子を核として、前記シリコンウェーハ上にダイヤモンド層を成長させることを特徴とするダイヤモンド積層シリコンウェーハの製造方法。
  2. 前記シリコンウェーハ上にダイヤモンド粒子含有液を塗布した後に、又は前記シリコンウェーハをダイヤモンド粒子含有液に浸漬した後に、前記シリコンウェーハに熱処理を施すことにより、前記シリコンウェーハ上に前記ダイヤモンド粒子を付着させる、請求項１に記載のダイヤモンド積層シリコンウェーハの製造方法。
  3. 前記ダイヤモンド粒子含有液中のダイヤモンド粒子が負電荷に帯電している、請求項２に記載のダイヤモンド積層シリコンウェーハの製造方法。
  4. 前記ダイヤモンド粒子含有液中のダイヤモンド粒子の平均粒径が５０ｎｍ以下である、請求項２または３に記載のダイヤモンド積層シリコンウェーハの製造方法。
  5. 前記熱処理では、前記シリコンウェーハの温度が１００℃未満である、請求項２〜４のいずれか一項に記載のダイヤモンド積層シリコンウェーハの製造方法。
  6. 前記ダイヤモンド層におけるダイヤモンド粒子の最大粒径が２．０μｍ以下である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のダイヤモンド積層シリコンウェーハの製造方法。
  7. 前記ダイヤモンド層の厚さが１０μｍ以上である、請求項１〜６のいずれか一項に記載のダイヤモンド積層シリコンウェーハの製造方法。
  8. 前記シリコンウェーハの抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上である、請求項１〜７のいずれか一項に記載のダイヤモンド積層シリコンウェーハの製造方法。
  9. 酸素濃度が５×１０17ａｔｏｍ／ｃｍ3以下のシリコンウェーハと、前記シリコンウェーハ上に形成されたダイヤモンド層と、を有し、
    前記ダイヤモンド層におけるダイヤモンド粒子の最大粒径が２．０μｍ以下であることを特徴とするダイヤモンド積層シリコンウェーハ。
  10. 前記ダイヤモンド層の厚さが１０μｍ以上である、請求項９に記載のダイヤモンド積層シリコンウェーハ。
  11. 前記シリコンウェーハの抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上である、請求項９または１０に記載のダイヤモンド積層シリコンウェーハ。
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