JP6636239B2 - Method for producing single crystal diamond, single crystal diamond, method for producing single crystal diamond substrate, single crystal diamond substrate and semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、単結晶ダイヤモンドの製造方法、単結晶ダイヤモンド、単結晶ダイヤモンド基板の製造方法、単結晶ダイヤモンド基板及び半導体デバイス、特に、熱膨張係数の異なる材料の基板を用いた場合であっても、悪影響を生じることなく大面積且つ高品質の単結晶ダイヤモンド膜を形成できる、単結晶ダイヤモンドの製造方法、並びに、該単結晶ダイヤモンドの製造方法によって得られた単結晶ダイヤモンド、単結晶ダイヤモンド基板の製造方法、単結晶ダイヤモンド基板及び単結晶ダイヤモンド半導体デバイスに関する。 The present invention provides a method for producing a single-crystal diamond, a method for producing a single-crystal diamond, a method for producing a single-crystal diamond substrate, a single-crystal diamond substrate and a semiconductor device, especially when using substrates of materials having different coefficients of thermal expansion, Method for producing single-crystal diamond capable of forming a large-area and high-quality single-crystal diamond film without causing adverse effects, and method for producing single-crystal diamond and single-crystal diamond substrate obtained by the method for producing single-crystal diamond A single crystal diamond substrate and a single crystal diamond semiconductor device.
近年、エネルギー・環境問題を背景として、スマートグリッドや電気自動車（EV）といった大電力・省エネ制御を目的としたパワーデバイスの要求が高まっているが、これまでのSiを中心とするパワーデバイスでは、大電力化にともない電力効率の低下がみられる。これは、Siの小さなバンドギャップでは、高電圧に対し電界強度を低く抑えるため素子長を長くする必要があり、それに伴ったジュール熱が電力効率の低下を引き起こすと考えられるためである。
現在では、バンドギャップの大きなSiCを適用したパワーデバイスの開発が進められ実用段階に入っている。また、経産省のロードマップによれば、SiCパワーデバイスの後継候補として、ダイヤモンド・パワーデバイスの実現が期待されている。ダイヤモンド・デバイスの研究開発は、ホモエピタキシャル成長が現在主流となっており、デバイス開発と並行してダイヤモンド基板の作製・大型化の研究が進められているものの、未だ十分に要件を満たすものはなかった。
In recent years, with the background of energy and environmental issues, the demand for power devices for high power and energy saving control such as smart grids and electric vehicles (EV) has been increasing. A decrease in power efficiency is seen with the increase in power. This is because in a small band gap of Si, it is necessary to increase the element length in order to keep the electric field intensity low with respect to a high voltage, and it is considered that Joule heat accompanying this causes a decrease in power efficiency.
At present, the development of power devices using SiC with a large band gap has been promoted and is in the practical stage. According to the Ministry of Economy, Trade and Industry's roadmap, the realization of diamond power devices is expected as a successor candidate for SiC power devices. Currently, homoepitaxial growth is the mainstream in research and development of diamond devices, and research on the fabrication and enlargement of diamond substrates is ongoing in parallel with device development, but none has yet fully satisfied the requirements. .
デバイス作製に適した大面積のダイヤモンド結晶基板を得ることを目的とした技術として、例えば特許文献１及び２には、複数個の小型ダイヤモンド単結晶基板を、その結晶方位を一致させるように配置し、気相合成法により前記種基板上にダイヤモンド単結晶を成長させて全面一体化するダイヤモンド単結晶基板の製造技術が開示されている。
しかしながら、特許文献１及び２に記載された技術を用いた場合であっても、上述したように、大面積のダイヤモンド単結晶基板を得ること自体が困難であることから、所望のダイヤモンド単結晶基板を得るためには長時間を要するという問題があった。
As a technique aimed at obtaining a large-area diamond crystal substrate suitable for device fabrication, for example, in Patent Documents 1 and 2, a plurality of small diamond single-crystal substrates are arranged so that their crystal orientations match. Also disclosed is a technique for manufacturing a diamond single crystal substrate in which a diamond single crystal is grown on the seed substrate by a vapor phase synthesis method and integrated over the entire surface.
However, even when the techniques described in Patent Documents 1 and 2 are used, as described above, it is difficult to obtain a large-area diamond single-crystal substrate. There is a problem that it takes a long time to obtain the above.
一方、本発明者らは、従来の単結晶ダイヤモンドのホモエピタキシャル成長技術とは異なる切り口から、例えば、Si基板上にダイヤモンド単結晶膜を形成するような、単結晶ダイヤモンドのヘテロエピタキシャル成長技術の開発を行っている。
1992年には、本発明者らのグループが、ダイヤモンド核発生時にプラズマ中のSi基板への負バイアス印加が有効であることを示し、その方法はバイス法（BEN法：Bias Enhanced Nucleation）として、ダイヤモンド結晶核を形成するための世界的な標準プロセスとなっている（非特許文献１）。
On the other hand, the present inventors have developed a hetero-epitaxial growth technique for single-crystal diamond, such as forming a diamond single-crystal film on a Si substrate, from a different perspective than the conventional single-crystal diamond homo-epitaxial growth technique. ing.
In 1992, the group of the present inventors showed that the application of a negative bias to a Si substrate in plasma during the generation of diamond nuclei was effective, and the method was a vice method (BEN method: Bias Enhanced Nucleation). It has become a worldwide standard process for forming diamond crystal nuclei (Non-Patent Document 1).
また、大面積ダイヤモンドを得る技術として、例えば非特許文献２には、複数個の小型ダイヤモンド単結晶基板を、配置し、気相合成法により前記種基板上にダイヤモンド単結晶を成長させて一体化させる技術（モザイク法）が開示されている。 As a technique for obtaining a large-area diamond, for example, in Non-Patent Document 2, a plurality of small diamond single crystal substrates are arranged, and a diamond single crystal is grown on the seed substrate by a vapor phase synthesis method to be integrated. A technique (mosaic method) for performing the method is disclosed.
さらに、特許文献３には、従来よりも大型のダイヤモンド単結晶を得る為に、ダイヤモンド基板上に結晶を成長させ、更に側面や上面に結晶を成長させる、ことで最終的に大面積のダイヤモンド単結晶を作製し、得られたダイヤモンド単結晶をスライスして種基板とし、これを基板の上で接合させ、この上にダイヤモンド単結晶を成長させる（モザイク法）技術が開示されている。
この方法によれば従来のダイヤモンド単結晶より大型の単結晶が得られる利点がある。
Further, Patent Document 3 discloses that in order to obtain a diamond single crystal larger than the conventional one, a crystal is grown on a diamond substrate, and further a crystal is grown on a side surface or an upper surface. A technique is disclosed in which a crystal is produced, the obtained diamond single crystal is sliced to form a seed substrate, which is joined on the substrate, and a diamond single crystal is grown thereon (mosaic method).
According to this method, there is an advantage that a single crystal larger than a conventional diamond single crystal can be obtained.
しかしながら、従来のBEN法を用いたダイヤモンド結晶核の形成技術）では、基板の結晶方位に対し形成されたダイヤモンド結晶核の配向性がなく、ランダムに形成されるため、成長させて得られるダイヤモンド結晶の方位にばらつきが生じ多結晶となり、デバイス作製に必要とされる大きさの単結晶を得ることができない、という問題があった。
さらに、ヘテロエピタキシャル成長技術を用いた場合、基板と形成されたダイヤモンド結晶との熱膨張係数の差によって、エピタキシャル成長後の、基板の反りや割れ、ダイヤモンド結晶膜の剥離が生じるという問題があった。
However, in the conventional diamond crystal nucleus forming technology using the BEN method, the diamond crystal nuclei formed in the crystal orientation of the substrate have no orientation and are formed at random, so that the diamond crystal nuclei obtained by growth are obtained. There is a problem that the orientation is varied and becomes polycrystalline, and a single crystal of a size required for device fabrication cannot be obtained.
Further, when the heteroepitaxial growth technique is used, there is a problem that the substrate may be warped or cracked and the diamond crystal film may be peeled off after epitaxial growth due to a difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the formed diamond crystal.
そのため、本発明は、熱膨張係数の異なる材料の基板を用いた場合であっても、悪影響を生じることなく、大面積且つ高品質の単結晶ダイヤモンド膜を形成できる、単結晶ダイヤモンドの製造方法を提供すること、また、該単結晶ダイヤモンドの製造方法によって得られた大面積且つ高品質の単結晶ダイヤモンド、単結晶ダイヤモンド基板の製造方法、単結晶ダイヤモンド基板及びハイパワーデバイスの要求に対応した単結晶ダイヤモンド半導体デバイスを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a method for producing a single-crystal diamond that can form a large-area and high-quality single-crystal diamond film without adverse effects even when substrates of materials having different coefficients of thermal expansion are used. Providing a large-area and high-quality single-crystal diamond obtained by the method for manufacturing a single-crystal diamond, a method for manufacturing a single-crystal diamond substrate, a single-crystal diamond substrate, and a single crystal that meets the requirements of a high-power device It is an object to provide a diamond semiconductor device.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、基板上に複数の配向した微小単結晶ダイヤモンドを成長させ、該微小単結晶ダイヤモンドからなるダイヤモンド結晶核群を選択的に成長及び一体化させることによって、ダイヤモンド結晶の方位にばらつきが生じた多結晶となることなく高品質の単結晶が得られることを見出した。
さらに、単結晶基板（例えばSi（100）基板）上に複数の原子状Siを分散吸着させると同時にBEN法を適用し、この原子状Siを発生中心として選択的にダイヤモンド結晶核を形成することによって、基板結晶方位に配向したダイヤモンド結晶核を形成できること、さらに、基板上に配向したダイヤモンド結晶核からなるダイヤモンド結晶核郡パターンを形成することによって、基板結晶方位に配向した微小単結晶ダイヤモンドを並べて配置し、基板材料とダイヤモンドとの熱膨張率を考慮した上でダイヤモンド単結晶を成長及び一体化(モザイク成長)させることができるため、エピタキシャル成長後の、基板の反りや割れ、ダイヤモンド結晶膜の剥離を抑えることができることを見出した。
The present inventors have conducted intensive studies to solve the above problems, and as a result, grown a plurality of oriented single-crystal diamonds on a substrate, and selectively grown a group of diamond crystal nuclei composed of the single-crystal diamonds. Further, it has been found that a high-quality single crystal can be obtained without being formed into a polycrystal in which the orientation of the diamond crystal varies due to the integration.
In addition, a plurality of atomic Si atoms are dispersed and adsorbed on a single crystal substrate (for example, Si (100) substrate), and at the same time, the BEN method is applied to selectively form diamond crystal nuclei centering on the atomic Si atoms. By forming diamond crystal nuclei oriented in the crystal orientation of the substrate, and by forming a diamond crystal nucleus group pattern composed of diamond nuclei oriented on the substrate, by aligning small single crystal diamond oriented in the crystal orientation of the substrate Since the diamond single crystal can be grown and integrated (mosaic growth) in consideration of the coefficient of thermal expansion between the substrate material and the diamond, the substrate is warped or cracked after the epitaxial growth, and the diamond crystal film is separated. Can be suppressed.
本発明は、このような知見に基づきなされたもので、その要旨は以下の通りである。
本発明の第１の実施形態に係る単結晶ダイヤモンドの製造方法は、基板上に複数の配向した微小単結晶ダイヤモンドを成長する工程と、該微小単結晶ダイヤモンドからなるダイヤモンド結晶核群を選択的に成長及び一体化させる工程と、を備えることを特徴とする。
The present invention has been made based on such knowledge, and the gist is as follows.
The method for producing a single-crystal diamond according to the first embodiment of the present invention includes the steps of: growing a plurality of oriented micro-single-crystal diamonds on a substrate; Growing and integrating.
また、本発明の第２の実施形態に係る単結晶ダイヤモンドの製造方法は、基板上に複数の原子状Siを分散吸着させ、少なくとも炭素を含有するプラズマ中で前記基板にバイアス電圧を印加することで、前記基板上に、前記原子状Siを発生中心としたダイヤモンド結晶核を形成する工程と、前記基板上に、前記ダイヤモンド結晶核からなるダイヤモンド結晶核郡パターンを形成する工程と、該パターンを形成したダイヤモンド結晶核郡から、ダイヤモンド結晶を選択的に成長させることで、単結晶ダイヤモンドを形成する工程と、を備えることを特徴とする。 The method for producing a single crystal diamond according to the second embodiment of the present invention includes dispersing and adsorbing a plurality of atomic Si on a substrate, and applying a bias voltage to the substrate in a plasma containing at least carbon. Forming, on the substrate, a diamond crystal nucleus having the atomic Si as a generation center; and, on the substrate, forming a diamond crystal nucleus group pattern composed of the diamond crystal nuclei. Forming a single crystal diamond by selectively growing diamond crystals from the formed diamond crystal nuclei.
また、前記単結晶ダイヤモンドの製造方法は、前記ダイヤモンド結晶の選択的な成長を、横方向エピタキシャル成長によって行うことが好ましい。 In the method for producing a single crystal diamond, it is preferable that the selective growth of the diamond crystal is performed by lateral epitaxial growth.
さらに、前記単結晶ダイヤモンドの製造方法は、前記ダイヤモンド結晶核郡パターン形成を、前記基板上に複数の前記ダイヤモンド結晶核を形成した後、該ダイヤモンド結晶核の一部を除去することによって行うことが好ましい。 Further, in the method for producing a single crystal diamond, the diamond crystal nucleus pattern formation may be performed by forming a plurality of the diamond crystal nuclei on the substrate and then removing a part of the diamond crystal nuclei. preferable.
また、前記単結晶ダイヤモンドの製造方法は、前記基板として、SOI基板を用いることが好ましい。 In the method for producing a single crystal diamond, it is preferable that an SOI substrate is used as the substrate.
本発明の単結晶ダイヤモンドは、本発明の単結晶ダイヤモンドの製造方法によって得られたものである。 The single crystal diamond of the present invention is obtained by the method for producing a single crystal diamond of the present invention.
本発明の半導体デバイスは、本発明の単結晶ダイヤモンドを用いたものである。
また、本発明の半導体デバイスは、ダイヤモンド単結晶が縦型のハイパワーデバイス活性領域として用い、基板上には信号制御及び前記パワーデバイスのドライブ回路を集積することが好ましい。
The semiconductor device of the present invention uses the single crystal diamond of the present invention.
In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that a diamond single crystal is used as a vertical high power device active region, and a signal control and a drive circuit of the power device are integrated on a substrate.
本発明によれば、熱膨張係数の異なる材料の基板を用いた場合であっても、悪影響を生じることなく、大面積且つ高品質の単結晶ダイヤモンド膜を形成できる、単結晶ダイヤモンドの製造方法、該単結晶ダイヤモンドの製造方法によって得られた大面積且つ高品質の単結晶ダイヤモンド、単結晶ダイヤモンド基板の製造方法、単結晶ダイヤモンド基板、及び、ハイパワーデバイスの要求に対応した半導体デバイスを提供することができる。 According to the present invention, even when a substrate of a material having a different coefficient of thermal expansion is used, a single-crystal diamond manufacturing method capable of forming a large-area and high-quality single-crystal diamond film without causing adverse effects, Provided are a large-area and high-quality single-crystal diamond obtained by the method for manufacturing a single-crystal diamond, a method for manufacturing a single-crystal diamond substrate, a single-crystal diamond substrate, and a semiconductor device that meets the requirements of a high-power device. Can be.
以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。
＜単結晶ダイヤモンドの製造方法＞
本発明の第１の実施形態に係る単結晶ダイヤモンドの製造方法は、基板上に複数の配向した微小単結晶ダイヤモンドを成長する工程と、該微小単結晶ダイヤモンドからなる群を選択的に成長及び一体化させる工程とを備える。
基板上に配向した微小単結晶ダイヤモンドを成長させることによって、成長の際にダイヤモンド結晶の方位にばらつきが生じて多結晶となることを抑制し、高品質の単結晶を得ることができる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described.
<Method of manufacturing single crystal diamond>
The method for producing a single-crystal diamond according to the first embodiment of the present invention includes the steps of: growing a plurality of oriented micro-single-crystal diamonds on a substrate; and selectively growing and integrating a group consisting of the micro-single-crystal diamonds. And a step of converting
By growing oriented single-crystal diamond on a substrate, it is possible to suppress the occurrence of variations in the orientation of the diamond crystal during the growth and suppress the formation of the polycrystal, and obtain a high-quality single crystal.
また、本発明の第２の実施形態に係る単結晶ダイヤモンドの製造方法は、図１に示すように、基板２０上に複数の原子状Siを分散吸着させ、少なくとも炭素を含有するプラズマ中で前記基板２０にバイアス電圧を印加することで、前記基板２０上に、前記原子状Siを発生中心としたダイヤモンド結晶核１０を形成する工程（図１（ａ））と、
前記基板上に、前記ダイヤモンド結晶核１０からなるダイヤモンド結晶核郡パターン１１を形成する工程（図１（ｂ））と、
前記ダイヤモンド結晶核郡パターン１１を形成したダイヤモンド結晶核１０から、ダイヤモンド結晶を選択的に成長および一体化(モザイク成長)させることで、単結晶ダイヤモンド３０を形成する工程（図１（ｃ））と、を備える。
上記構成を備えることで、配向したダイヤモンド結晶核を用い、基板材料とダイヤモンドとの熱膨張率を考慮した上でデバイスサイズのダイヤモンド単結晶を部分的に成長させることができるため、ダイヤモンドとは熱膨張係数の異なる材料からなる基板２０を用いた場合であっても、基板２０の反りや割れ、ダイヤモンド単結晶３０の剥離等の悪影響を生じることなく、デバイスサイズの大面積且つ高品質の単結晶ダイヤモンド膜を形成できる。
In addition, as shown in FIG. 1, the method for producing a single crystal diamond according to the second embodiment of the present invention comprises dispersing and adsorbing a plurality of atomic Si on a substrate 20 and performing the dispersion in a plasma containing at least carbon. Forming a diamond crystal nucleus 10 with the atomic Si as a generation center on the substrate 20 by applying a bias voltage to the substrate 20 (FIG. 1A);
Forming a diamond crystal nucleus group pattern 11 composed of the diamond crystal nuclei 10 on the substrate (FIG. 1B);
A step of forming a single crystal diamond 30 by selectively growing and integrating (mosaic growth) a diamond crystal from the diamond crystal nucleus 10 on which the diamond crystal nucleus group pattern 11 has been formed (FIG. 1C). , Is provided.
With the above structure, a diamond single crystal having a device size can be partially grown using an oriented diamond crystal nucleus in consideration of a coefficient of thermal expansion between the substrate material and the diamond. Even when the substrate 20 made of a material having a different expansion coefficient is used, the device 20 has a large area and a high quality single crystal with no adverse effects such as warpage and cracking of the substrate 20 and peeling of the diamond single crystal 30. A diamond film can be formed.
一方、従来のBEN法のみを用いた単結晶ダイヤモンドの製造方法では、図２に示すように、ダイヤモンド結晶核１２は、配向のない状態で基板２０上に形成される（図２（ａ））。そのため、それぞれの結晶核１２から自由に成長が始まるため、図２（ｂ）に示すように、得られた単結晶ダイヤモンド３１は、サイズが小さく、配向性がない状態で凝集している。 On the other hand, in the conventional method for producing a single crystal diamond using only the BEN method, as shown in FIG. 2, the diamond crystal nucleus 12 is formed on the substrate 20 without any orientation (FIG. 2A). . Therefore, since the growth starts freely from each crystal nucleus 12, the obtained single crystal diamond 31 is agglomerated with a small size and no orientation as shown in FIG. 2 (b).
なお、前記基板については、特に限定はされず、例えば、Si、SiC、GaN等の単結晶基板を用いることができる。
その中でも、前記基板として、SOI基板を用いることが好ましく、酸化膜層が緩衝層となり単結晶ダイヤモンド膜とSi基板との熱膨張率の差を緩和する効果が得られる。これにより単結晶ダイヤモンド膜３０と薄厚のSi基板２２とからなるウェハを得ることができる。
The substrate is not particularly limited, and for example, a single crystal substrate of Si, SiC, GaN, or the like can be used.
Among them, it is preferable to use an SOI substrate as the substrate, and the effect of reducing the difference in the coefficient of thermal expansion between the single crystal diamond film and the Si substrate can be obtained by using the oxide film layer as a buffer layer. Thus, a wafer composed of the single crystal diamond film 30 and the thin Si substrate 22 can be obtained.
また前記部分的に形成した単結晶ダイヤモンド膜をさらに成長及び一体化させ基板と同程度の大きさの単結晶ダイヤモンド膜を形成した場合、Si基板との熱膨張率の差を利用し埋込み酸化膜層を犠牲層として、単結晶ダイヤモンド膜３０と薄厚のSi基板２２とからなるウェハを得ることができる。
例えば、図７に示すように、酸化膜２１ｂを有するSOI基板２１を用意し（図７（ａ））、ダイヤモンド単結晶３０を成長させる（図７（ｂ））。成長後、ダイヤモンドとSiとの熱膨張率の差によって、前記SOI基板２１は変形し、酸化膜２１ｂに応力がかかり（図７（ｃ））、その後、前記酸化膜２１ｂの部分を境にSOI基板２１は割れ、単結晶ダイヤモンド膜３０と薄厚のSi基板２２とからなるウェハを得ることができる（図７（ｄ））。
Further, when the partially formed single-crystal diamond film is further grown and integrated to form a single-crystal diamond film of the same size as the substrate, a buried oxide film is formed by utilizing the difference in the coefficient of thermal expansion from the Si substrate. By using the layer as a sacrificial layer, a wafer including the single crystal diamond film 30 and the thin Si substrate 22 can be obtained.
For example, as shown in FIG. 7, an SOI substrate 21 having an oxide film 21b is prepared (FIG. 7A), and a diamond single crystal 30 is grown (FIG. 7B). After the growth, the SOI substrate 21 is deformed due to the difference in the coefficient of thermal expansion between diamond and Si, and stress is applied to the oxide film 21b (FIG. 7C). The substrate 21 is broken, and a wafer composed of the single crystal diamond film 30 and the thin Si substrate 22 can be obtained (FIG. 7D).
（ダイヤモンド結晶核形成工程）
本発明に係る単結晶ダイヤモンドの製造方法は、図１（ａ）に示すように、前記基板２０上に、原子状Siを発生中心としたダイヤモンド結晶核１０を形成する工程（ダイヤモンド結晶核形成工程）を備える。
前記基板２０上に、原子状Siを分散吸着させ、その原子状Siを発生中心とすることで、基板２０に配向したダイヤモンド結晶核１０を形成できる。
(Diamond crystal nucleus forming step)
As shown in FIG. 1A, the method for producing a single crystal diamond according to the present invention includes a step of forming a diamond crystal nucleus 10 having atomic Si as a generation center on the substrate 20 (a diamond crystal nucleus forming step). ).
By dispersing and adsorbing atomic Si on the substrate 20 and using the atomic Si as a generation center, the diamond crystal nuclei 10 oriented on the substrate 20 can be formed.
従来のBEN法のみを用いてダイヤモンド結晶核を形成する場合には、アモルファス炭素の塊からのダイヤモンド臨界核が自然発生するため、基板の面方位とは独立してランダムな結晶核を形成し、ダイヤモンド結晶核の配向性は得られなかった。
一方、本発明の前記結晶核形成工程では、例えば図３に示すように、基板２０上に複数の原子状Siを分散吸着させ（図３（ａ））、少なくとも炭素を含有するプラズマ（図３ではSiH3ラジカル）雰囲気中で、前記基板２０にバイアス電圧を印加することで、SiにC原子を接合させ、ダイヤモンド結晶核を形成できる。
When diamond diamond nuclei are formed using only the conventional BEN method, since diamond critical nuclei are naturally generated from a lump of amorphous carbon, random crystal nuclei are formed independently of the plane orientation of the substrate, No orientation of diamond crystal nuclei was obtained.
On the other hand, in the crystal nucleus forming step of the present invention, for example, as shown in FIG. 3, a plurality of atomic Si are dispersed and adsorbed on the substrate 20 (FIG. 3A), and a plasma containing at least carbon (FIG. By applying a bias voltage to the substrate 20 in a (SiH 3 radical) atmosphere, C atoms can be bonded to Si to form diamond crystal nuclei.
ここで、前記基板上に、前記原子状Siを分散吸着させる方法としては、特に限定はされず、例えば、真空蒸着や、スパッタ法、また、バイアス印加時に炭素を含有するプラズマに原子状Siを同時に添加することで、前記基板２０と前記原子状Siとを結合させ、Siを吸着させることができる。その中でも図３に示すように、核形成初期に炭素を含有するプラズマにSi、SiHラジカルを添加することが好ましい。前記ダイヤモンド結晶核１０を効率的に形成できるからである。 Here, the method for dispersing and adsorbing the atomic Si on the substrate is not particularly limited.For example, vacuum deposition, sputtering, or applying atomic Si to a plasma containing carbon at the time of bias application. The simultaneous addition allows the substrate 20 and the atomic Si to be bonded to each other, thereby adsorbing Si. Among them, as shown in FIG. 3, it is preferable to add Si and SiH radicals to the plasma containing carbon in the early stage of nucleation. This is because the diamond crystal nuclei 10 can be formed efficiently.
また、前記基板に印加するバイアス電圧についても、特に限定はされないが、前記ダイヤモンド結晶核１０を効率的に形成する点から、−70〜−100V程度であることが好ましい。
さらにまた、前記バイアス電圧の印加時間についても、特に限定はされないが、30秒〜3分程度であることが好ましい。
The bias voltage applied to the substrate is not particularly limited, but is preferably about -70 to -100 V from the viewpoint of efficiently forming the diamond crystal nuclei 10.
Further, the application time of the bias voltage is not particularly limited, but is preferably about 30 seconds to 3 minutes.
（ダイヤモンド結晶核郡パターン形成工程）
本発明に係る単結晶ダイヤモンドの製造方法は、前記ダイヤモンド結晶核形成工程の後、図１（ｂ）に示すように、前記基板上に、前記ダイヤモンド結晶核からなるダイヤモンド結晶核郡パターン１１を形成する工程（ダイヤモンド結晶核郡パターン形成工程）を備える。
前記ダイヤモンド結晶核郡パターン１１を形成することで、基板材料とダイヤモンドとの熱膨張率を考慮した上でダイヤモンド単結晶を成長させることができる。
(Diamond crystal core group pattern formation process)
In the method for producing a single crystal diamond according to the present invention, after the diamond crystal nucleus forming step, as shown in FIG. 1B, a diamond crystal nucleus group pattern 11 composed of the diamond crystal nuclei is formed on the substrate. (A diamond crystal nucleus group pattern forming step).
By forming the diamond crystal core group pattern 11, a diamond single crystal can be grown in consideration of the coefficient of thermal expansion between the substrate material and diamond.
ここで、前記ダイヤモンド結晶核郡パターンとは、１つ又は複数の前記ダイヤモンド結晶核から構成された形状のことをいい、例えば図１（ｂ）では、複数のダイヤモンド結晶核１０によって、複数の正方形からなるパターンが形成されている。ただし、必ずしも規則的なパターン形状が必要であるというのではなく、基板材料とダイヤモンドとの熱膨張率を考慮した上で配向したダイヤモンド単結晶同士の距離を開けてランダムに配置するような場合も本発明でのパターンに含まれる。つまり、「ダイヤモンド結晶核郡パターン」とは、任意の条件となるように配置させたダイヤモンド結晶核群の状態のことをいう。 Here, the diamond crystal nucleus group pattern means a shape composed of one or a plurality of the diamond crystal nuclei. For example, in FIG. Is formed. However, it is not always necessary to have a regular pattern shape.In some cases, the diamond single crystals oriented in consideration of the coefficient of thermal expansion between the substrate material and the diamond are spaced apart from each other and randomly arranged. It is included in the pattern of the present invention. That is, the “diamond crystal nucleus group pattern” refers to a state of the diamond crystal nucleus group arranged so as to satisfy an arbitrary condition.
前記ダイヤモンド結晶核郡パターンの形状については、例えば図１（ｂ）に示すように、複数の正方形からなるパターンを形成することもできるし、ストライプ状、格子状等、任意の形状を採用することができる。また、上記ダイヤモンド結晶核郡パターン形状の中でも、大面積の単結晶ダイヤモンドへ成長させやすいという点からは、図１（ｂ）に示すように、複数の正方形からなるパターンを形成することが好ましい。
なお、前記ダイヤモンド結晶核郡パターンのサイズについても特に限定はされず、目的とする単結晶ダイヤモンドのサイズに応じて、任意に設定することができる。
Regarding the shape of the diamond crystal nucleus group pattern, for example, as shown in FIG. 1 (b), a pattern consisting of a plurality of squares can be formed, or an arbitrary shape such as a stripe shape or a lattice shape can be adopted. Can be. In addition, among the above-mentioned diamond crystal nucleus group pattern shapes, it is preferable to form a pattern composed of a plurality of squares as shown in FIG.
The size of the diamond crystal nucleus group pattern is not particularly limited, either, and can be arbitrarily set according to the size of the target single crystal diamond.
なお、前記ダイヤモンド結晶核郡パターン形成工程は、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、一旦、前記基板２０上にダイヤモンド結晶核１０を満遍なく形成し、その後、前記ダイヤモンド結晶核１０の一部を除去することでパターンを形成することもできるし、予めマスク等によって前記基板２０を覆った状態で、ダイヤモンド結晶核１０を形成することで、パターン状にダイヤモンド結晶核１０を形成することや、分散吸着させるSiの数を減らして予めダイヤモンド結晶核１０同士の間隔を空けた状態で形成すること、つまり、ダイヤモンド結晶核形成工程と結晶核パターン形成工程とを同時に行うこともできる。
ただし、前記結晶核郡パターンを高精度に描ける点からは、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、一旦、前記基板２０上にダイヤモンド結晶核１０を満遍なく形成し、その後、前記ダイヤモンド結晶核１０の一部を除去することでダイヤモンド結晶核郡パターンを形成することが好ましい。
In the diamond crystal nucleus group pattern forming step, as shown in FIGS. 1A and 1B, the diamond crystal nuclei 10 are once formed evenly on the substrate 20, and then the diamond crystal nuclei 10 It is also possible to form a pattern by removing a part, or to form the diamond crystal nucleus 10 in a pattern by forming the diamond crystal nucleus 10 in a state where the substrate 20 is covered with a mask or the like in advance. Alternatively, it is also possible to reduce the number of Si to be dispersed and adsorbed and form the diamond nuclei 10 in a state in which the diamond nuclei 10 are spaced in advance, that is, to perform the diamond nucleus forming step and the crystal nucleus pattern forming step simultaneously.
However, from the point that the crystal nucleus group pattern can be drawn with high accuracy, as shown in FIGS. 1A and 1B, the diamond crystal nuclei 10 are once formed evenly on the substrate 20, and then the diamond nuclei 10 are formed. It is preferable to form a diamond crystal nucleus group pattern by removing a part of the crystal nucleus 10.
ここで、前記ダイヤモンド結晶核１０の一部を除去する方法としては、特に限定はされない。例えば、フォトリソグラフィを行った後のエッチングや、スパッタリング等の方法を、パターン形状やサイズに応じて選択することができる。 Here, the method of removing a part of the diamond crystal nucleus 10 is not particularly limited. For example, a method such as etching or sputtering after performing photolithography can be selected according to the pattern shape and size.
（単結晶ダイヤモンド成長工程）
本発明に係る単結晶ダイヤモンドの製造方法は、前記ダイヤモンド結晶核郡パターン形成工程の後、図１（ｃ）に示すように、前記パターン１１を形成したダイヤモンド結晶核郡から、ダイヤモンド結晶を選択的に成長及び一体化させることで、単結晶ダイヤモンド３０を形成する工程（単結晶ダイヤモンド成長工程）を備える。
この工程によって、所望の単結晶ダイヤモンド３０へと成長させることができる。
(Single crystal diamond growth process)
In the method for producing a single crystal diamond according to the present invention, after the diamond crystal nucleus pattern forming step, as shown in FIG. And a step of forming a single crystal diamond 30 (single crystal diamond growth step).
By this step, a desired single crystal diamond 30 can be grown.
また、前記ダイヤモンド結晶の成長は、種々の成長方法を用いて行うことができるが、効率的に大面積の単結晶ダイヤモンド３０を形成できる点からは、横方向エピタキシャル成長によって行うことが好ましい。 The diamond crystal can be grown by various growth methods. However, it is preferable that the diamond crystal be grown by lateral epitaxial growth from the viewpoint that a large-area single crystal diamond 30 can be efficiently formed.
ここで、前記横方向エピタキシャル成長は、図４（ａ）に示すように、成長しやすい結晶方位を考慮し、横方向（基板の延在方向）へ成長するように配向させた後、成長を行うことで、横方向へ結晶を成長させる方法である。この方法を用いることで、大面積の単結晶ダイヤモンドを得ることができる。
具体的には、図４（ｂ）に示すように、横方向にダイヤモンド結晶が複数並んでいる場合には、隣り合う結晶がない高い位置から横方向へ結晶成長が行われることとなる。このような結晶成長を繰り返すことで、横方向へ成長し、一体化した大面積の単結晶ダイヤモンドを得ることができる。
Here, in the lateral epitaxial growth, as shown in FIG. 4 (a), in consideration of a crystal orientation that is easy to grow, the crystal is oriented so as to grow in the lateral direction (the direction in which the substrate extends), and then growth is performed. This is a method of growing crystals in the lateral direction. By using this method, a large-area single crystal diamond can be obtained.
Specifically, as shown in FIG. 4B, when a plurality of diamond crystals are arranged in the horizontal direction, crystal growth is performed in the horizontal direction from a high position where there is no adjacent crystal. By repeating such crystal growth, a large-area single-crystal diamond that grows in the lateral direction and is integrated can be obtained.
なお、前記横方向エピタキシャル成長の条件については、特に限定はされず、公知のエピタキシャル成長条件を採用することができる。 The conditions for the lateral epitaxial growth are not particularly limited, and known epitaxial growth conditions can be adopted.
＜単結晶ダイヤモンド＞
次に、本発明の単結晶ダイヤモンドについて説明する。
本発明に係る単結晶ダイヤモンドは、上述した本発明に係る単結晶ダイヤモンドの製造方法によって得られたものである。
なお、本発明の単結晶ダイヤモンドについては、前記基板上に成長した状態のまま、基板と共に用いることもできるし、基板から切り離して用いることもできる。
<Single crystal diamond>
Next, the single crystal diamond of the present invention will be described.
The single crystal diamond according to the present invention is obtained by the above-described method for producing a single crystal diamond according to the present invention.
The single crystal diamond of the present invention can be used together with the substrate as it is grown on the substrate, or can be used separately from the substrate.
また、前記単結晶ダイヤモンドのサイズは、特に限定はされないが、本発明の効果によって、面積が20μm2以上、厚さが10μm以上の単結晶ダイヤモンドを得ることができる。 Although the size of the single crystal diamond is not particularly limited, a single crystal diamond having an area of 20 μm 2 or more and a thickness of 10 μm or more can be obtained by the effects of the present invention.
＜単結晶ダイヤモンド基板＞
次に、本発明の単結晶ダイヤモンド基板について説明する。
本発明に係る単結晶ダイヤモンド基板は、上述した本発明に係る配向した単結晶ダイヤモンドを同一基板上に複数配置し、それぞれ選択的に成長及び一体化させることを特徴とする。
<Single-crystal diamond substrate>
Next, the single crystal diamond substrate of the present invention will be described.
The single-crystal diamond substrate according to the present invention is characterized in that a plurality of the above-described oriented single-crystal diamonds according to the present invention are arranged on the same substrate, and selectively grown and integrated, respectively.
また、前記単結晶ダイヤモンドを配置する基板は、SOI基板であることが好ましい。Si基板との熱膨張率の差を利用し埋込み酸化膜層を犠牲層として、成長及び一体化した単結晶ダイヤモンド膜と薄厚のSi基板とからなるウェハを得ることができる。 Further, the substrate on which the single crystal diamond is arranged is preferably an SOI substrate. By utilizing the difference in the coefficient of thermal expansion from that of the Si substrate and using the buried oxide film layer as a sacrificial layer, a wafer comprising a single crystal diamond film grown and integrated and a thin Si substrate can be obtained.
＜半導体デバイス＞
次に、本発明の単半導体デバイスについて説明する。
本発明に係る半導体デバイスは、上述した本発明に係る単結晶ダイヤモンド又は単結晶ダイヤモンド基板を用いたものである。本発明に係る単結晶ダイヤモンドを用いることで、ハイパワーデバイスの要求に対応した半導体デバイスを実現できる。
<Semiconductor device>
Next, the single semiconductor device of the present invention will be described.
A semiconductor device according to the present invention uses the above-described single crystal diamond or single crystal diamond substrate according to the present invention. By using the single crystal diamond according to the present invention, a semiconductor device meeting the demand for a high power device can be realized.
また、本発明に係る半導体デバイスは、図９に示すように、ダイヤモンド単結晶３０を縦型のハイパワーデバイス活性領域として用い、基板上には信号制御及び前記パワーデバイスのドライブ回路を集積することが好ましい。
上記構成とすることで、本発明に係る単結晶ダイヤモンドを基板と接合した状態で集積システムを見据えたプラットフォームとして有効利用できることに加え、ハイパワーデバイスの要求に対応しつつ、低コスト化にも寄与できるからである。
In the semiconductor device according to the present invention, as shown in FIG. 9, a single crystal diamond 30 is used as a vertical high power device active region, and signal control and a drive circuit of the power device are integrated on a substrate. Is preferred.
With the above configuration, the single crystal diamond according to the present invention can be effectively used as a platform with an integrated system in a state of being bonded to the substrate, and also contributes to cost reduction while responding to the demand for high power devices. Because you can.
以下に、実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.
（実施例）
実施例では、反応容器にSiからなる基板を載置し、メタン及びモノメチルシランを導入し、原子状Si及びCH3ラジカルを含有するプラズマ中で、Si基板にバイアス電圧（−100V）を180秒印加することで、前記原子状Siを発生中心としたダイヤモンド結晶核を前記Si基板上に満遍なく形成した（ダイヤモンド結晶核形成工程）後、前記Si基板上に、前記ダイヤモンド結晶核の一部をUVリソグラフィ及びICPエッチングによって除去することで、ストライプ状（ストライプ同士の間隔3μm）のダイヤモンド結晶核郡パターンを形成した（ダイヤモンド結晶核郡パターン形成工程）。その後、前記パターンを形成したダイヤモンド結晶核郡から、ダイヤモンド結晶を、横方向エピタキシャル成長させ、一体化することで（雰囲気圧力：15kPa、メタン／水素比：3％、成長時間：２時間）、サンプルの単結晶ダイヤモンドを得た（単結晶ダイヤモンド成長工程）。
なお、前記ダイヤモンド結晶核から30分成長した際の状態を図５（ａ）、成長後の状態を図５（ｂ）に示す。
(Example)
In this example, a substrate made of Si was placed in a reaction vessel, methane and monomethylsilane were introduced, and a bias voltage (−100 V) was applied to the Si substrate for 180 seconds in a plasma containing atomic Si and CH 3 radicals. By applying, the diamond crystal nuclei having the atomic Si as a generation center are uniformly formed on the Si substrate (diamond crystal nucleus forming step), and then a part of the diamond crystal nuclei is UV-coated on the Si substrate. By removing by lithography and ICP etching, a stripe-shaped (interval between stripes 3 μm) diamond crystal nucleus group pattern was formed (diamond crystal nucleus group pattern forming step). Thereafter, a diamond crystal is laterally epitaxially grown and integrated from the diamond crystal nuclei group on which the pattern is formed (atmospheric pressure: 15 kPa, methane / hydrogen ratio: 3%, growth time: 2 hours) to obtain a sample. A single crystal diamond was obtained (single crystal diamond growth step).
FIG. 5 (a) shows the state after the growth from the diamond crystal nucleus for 30 minutes, and FIG. 5 (b) shows the state after the growth.
（比較例）
比較例では、ダイヤモンド結晶核郡パターン形成工程を行わなかったこと以外は、実施例と同様の条件によって、サンプルの単結晶ダイヤモンドを得た。
(Comparative example)
In the comparative example, a sample single crystal diamond was obtained under the same conditions as in the example except that the diamond crystal nucleus group pattern forming step was not performed.
＜評価＞
実施例及び比較例のそれぞれで得られた単結晶ダイヤモンドについて、以下の点に基づいて評価を行った。
（１）単結晶ダイヤモンドの面積
単結晶ダイヤモンドの状態を、走査型電子顕微鏡（SEM）によって観察し、面積の大きさについて確認を行った。実施例のサンプルの観察した単結晶ダイヤモンドの状態を図５（ｂ）、比較例のサンプルの観察した単結晶ダイヤモンドの状態を図６に示す。
（２）単結晶ダイヤモンドの結晶性
単結晶ダイヤモンドについて、ラマン散乱スペクトルから単結晶ダイヤモンド特有の1332cm-1に鋭いピークをもつスペクトルを観測した。結晶性を示すピーク半値幅はSi基板上で6cm-1、SOI基板上で4cm-1である。ホモエピタキシャル成長によって得られるダイヤモンド単結晶の半値幅（2cm-1）と比べても遜色ないことがわかった。実施例の使用基板の異なる単結晶ダイヤモンドのラマン散乱スペクトルを比較したものを図８に示す。
<Evaluation>
The single-crystal diamond obtained in each of the examples and comparative examples was evaluated based on the following points.
(1) Area of Single Crystal Diamond The state of the single crystal diamond was observed with a scanning electron microscope (SEM) to confirm the size of the area. FIG. 5B shows the state of the single crystal diamond observed in the sample of the example, and FIG. 6 shows the state of the single crystal diamond observed in the sample of the comparative example.
(2) Crystallinity of Single-Crystal Diamond For a single-crystal diamond, a spectrum having a sharp peak at 1332 cm −1 specific to single-crystal diamond was observed from Raman scattering spectrum. The peak half width indicating crystallinity is 6 cm -1 on the Si substrate and 4 cm -1 on the SOI substrate. It was found that it was comparable to the half width (2 cm -1 ) of a diamond single crystal obtained by homoepitaxial growth. FIG. 8 shows a comparison of Raman scattering spectra of single-crystal diamonds of different substrates used in Examples.
図５（ｂ）及び図６の結果から、実施例のサンプルの単結晶ダイヤモンドは、比較例のサンプルの単結晶ダイヤモンドに比べて、面積が大きい。さらに、SOI基板上単結晶ダイヤモンドについて、成長を10時間とすることで20μm2程度の単結晶ダイヤモンドが得られた。この実施例では、成長後基板温度の降下により熱膨張係数の差が生じ、酸化膜部分からのダイヤモンド膜の剥離が見られた。剥離基板の結晶性については、単結晶ダイヤモンドのラマンピーク半値幅は4cm-1であり、結晶性についてはホモエピタキシャル・ダイヤモンドに比べても遜色ないことがわかった。 From the results of FIGS. 5B and 6, the single-crystal diamond of the sample of the example has a larger area than the single-crystal diamond of the sample of the comparative example. Furthermore, a single crystal diamond of about 20 μm 2 was obtained by growing the single crystal diamond on the SOI substrate for 10 hours. In this example, a difference in thermal expansion coefficient occurred due to a decrease in the substrate temperature after growth, and peeling of the diamond film from the oxide film portion was observed. Regarding the crystallinity of the peeled substrate, the Raman peak half width of the single crystal diamond was 4 cm −1 , and it was found that the crystallinity was comparable to that of homoepitaxial diamond.
本発明によれば、熱膨張係数の異なる材料の基板を用いた場合であっても、悪影響を生じることなく、大面積且つ高品質の単結晶ダイヤモンド膜を形成できる、単結晶ダイヤモンドの製造方法、並びに、該単結晶ダイヤモンドの製造方法によって得られた大面積且つ高品質の単結晶ダイヤモンド及びハイパワーデバイスの要求に対応した半導体デバイスを提供できる。 According to the present invention, even when a substrate of a material having a different coefficient of thermal expansion is used, a single-crystal diamond manufacturing method capable of forming a large-area and high-quality single-crystal diamond film without causing adverse effects, In addition, it is possible to provide a large-area and high-quality single-crystal diamond obtained by the method for producing a single-crystal diamond and a semiconductor device that meets the demand for high-power devices.
１０、１２ ダイヤモンド結晶核
１１ ダイヤモンド結晶核郡パターン
２０ 基板
２１ SOI基板
２２ Si基板
３０ 単結晶ダイヤモンド
10, 12 diamond crystal nucleus 11 diamond crystal nucleus group pattern 20 substrate 21 SOI substrate 22 Si substrate 30 single crystal diamond
Claims (7)
前記基板上に、前記ダイヤモンド結晶核からなるダイヤモンド結晶核郡パターンを形成する工程と、
前記パターンを形成したダイヤモンド結晶核郡から、ダイヤモンド結晶を選択的に成長及び一体化させることで、単結晶ダイヤモンドを形成する工程と、
を備えることを特徴とする単結晶ダイヤモンドの製造方法。 By dispersing and adsorbing a plurality of atomic Si on a substrate and applying a bias voltage to the substrate in a plasma containing at least carbon, a diamond crystal oriented with the atomic Si as a generation center on the substrate Forming a nucleus;
Forming a diamond crystal nucleus group pattern comprising the diamond crystal nuclei on the substrate;
A step of forming a single crystal diamond by selectively growing and integrating a diamond crystal from the diamond crystal nuclei group having formed the pattern,
A method for producing a single crystal diamond, comprising:
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