JPH06267845A

JPH06267845A - 半導体素子およびその製造法

Info

Publication number: JPH06267845A
Application number: JP4951893A
Authority: JP
Inventors: Keiji Hirabayashi; 敬二平林; Atsushi Yamagami; 敦士山上
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-03-10
Filing date: 1993-03-10
Publication date: 1994-09-22

Abstract

(57)【要約】【構成】ＣＶＤ法、燃焼炎法等の方法を用い、原料ガ
スの炭素源濃度、基体温度および各ダイヤモンド結晶間
の間隔を制御しながら平板ダイヤモンド結晶の発生、成
長、合体および柱状成長を行なうことにより、絶縁性ダ
イヤモンド膜を形成し、そのダイヤモンド膜状に半導体
膜形成を行なう。【効果】絶縁性の優れたダイヤモンド結晶膜上に配向
性の高い半導体膜が形成され、電子材料として非常に優
れた素子を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、絶縁層上への半導体結
晶の形成方法、特に電子原料として優れた特性を持つ絶
縁性ダイヤモンド結晶上への半導体結晶の形成方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】絶縁体上への半導体結晶の形成（ＳＯＩ
技術、Semiconductor on Insulatorまたは、Silicon on
Insulator）は、素子の応答速度の高速化のために重要
な技術である。

【０００３】また、ダイヤモンドは、常温で物質中最大
の熱伝導度［２０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、高い絶縁性
（１０¹⁶Ω・ｃｍ以上）等の他の材料では得られない特
性を有している。

【０００４】このため、特に最近では、ダイヤモンド絶
縁体上へのシリコン半導体層形成が知られるようにな
り、例えば特開平２−１１０９６８号公報に開示されて
いる。

【０００５】前記公報によれば、ダイヤモンド絶縁体上
へのシリコン半導体層形成は、１）基体表面へのエッチング停止材料の拡散による拡散
処理層の形成後、その上でのシリコンのエピタキシャル
成長、２）ダイヤモンド多結晶膜の堆積およびその後の支持体
形成、ならびに３）エッチング処理による基体の除去および拡散処理層
の選択的除去、の工程で行なわれる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例で形成された絶縁体ダイヤモンド結晶上のシリコン
結晶には、例えば拡散処理層形成、基体のエッチング処
理、拡散処理層の除去等の数多くの工程が必要で、それ
が製造コスト上昇および歩留まり低下の原因となる。

【０００７】また、通常の条件で形成されたダイヤモン
ド多結晶膜は、膜中にアモルファス炭素およびグラファ
イト構造の炭素を含有し易く、それが絶縁性低下の原因
となる。

【０００８】本発明は、上記従来例の問題点を解決し、
絶縁性の良好な絶縁体ダイヤモンド結晶上に比較的低い
製造コスト、かつ高い歩留まりで半導体結晶膜を形成す
るために鋭意検討した結果なされたものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に平板
状形状を有する平板ダイヤモンド結晶を多数形成し、そ
の平板ダイヤモンド結晶を成長合体させ膜状成長させて
絶縁性ダイヤモンド結晶膜を形成し、その膜上に半導体
結晶膜を形成する半導体素子製造方法およびその方法に
よって得られる半導体素子を提供する。

【００１０】以下、本発明を詳細に述べる。本発明の絶
縁性ダイヤモンド結晶膜上に半導体結晶層を形成して得
られる半導体素子の模式的断面図を図１に示す。図中、
１は基体、２は後述の多数の平板ダイヤモンド結晶を成
長合体させた絶縁性ダイヤモンド膜、３は半導体結晶層
である。

【００１１】本発明の方法で形成されるダイヤモンド結
晶の断面の模式図を図２に、また従来の方法で形成され
るダイヤモンド結晶の断面の模式図を図３に示す。

【００１２】図２中２１は基体で、その上面に本発明に
かかる平板ダイヤモンド結晶２２が形成されている。こ
の平板ダイヤモンド結晶２２の基体面に垂直な方向の長
さ（高さ）ｈと、基体面に平行な方向の長さ（横幅）Ｌ
の比（ｈ／Ｌ）は１／４以下、一般的には１／４．５以
下、好ましくは、１／５〜１／１０００である。また、
結晶上面２２ａは｛１１１｝面であり、基体面２１ａと
なす角（図中θ）は０から１０度であってこの２つの面
は実質的に平行になっている。

【００１３】以下、このような形態を持つダイヤモンド
結晶を平板ダイヤモンド結晶と言う。

【００１４】また、図３に示した従来例の粒子状ダイヤ
モンド結晶３２は、ｈ／Ｌが１／３以上、一般的には１
／２以上となる。なお、３１は基体である。

【００１５】以下、このような形態のダイヤモンド結晶
を粒子状ダイヤモンド結晶と言う。このとき、粒子上面
と基体３１とがなす角θは、一般的にはランダムとな
る。

【００１６】本発明者らは、平板ダイヤモンド結晶表面
を走査型電子顕微鏡等を用いて詳細に観察したところ、
上面の表面にらせん成長のためと思われる非常に微細な
（単原子から数原子層と思われる）ステップを見いだし
た。これらの微細なステップは、グラフォエピタキシャ
ル成長（基体表面に段差、ステップ等を形成して単結晶
層を形成する方法）に有用ではないかと考えられたの
で、この平板ダイヤモンド結晶上にシリコン等の半導体
層形成を試みたところ、非常に低い基体温度、例えばシ
リコン結晶の場合３００℃以上で単結晶層を形成できる
ことが判明した。

【００１７】本発明の平板ダイヤモンド結晶は、例え
ば、以下で述べるＣＶＤ法、燃焼炎法等の非常に高品質
な結晶を形成するのに適した方法によってのみ形成する
ことができる。

【００１８】ＣＶＤ法には熱フィラメントＣＶＤ法、マ
イクロ波ＣＶＤ法、有磁場マイクロ波ＣＶＤ法、直流プ
ラズマＣＶＤ法、ＲＦプラズマＣＶＤ法等がある。

【００１９】上記気相合成法に用いる原料ガスの炭素源
（炭素源ガス）としては、メタン、エタン、エチレン、
アセチレン等の炭化水素ガス、アルコール、アセトン等
の常温で液状の有機化合物および一酸化炭素またはハロ
ゲン化炭素等を用いることができる。更に適宜、組成式
中に水素、酸素、塩素、フッ素原子を含むガスを添加す
ることができる。

【００２０】（１）ＣＶＤ法による平板ダイヤモンド結晶の形成原料ガスは、少なくとも水素、炭素および酸素原子を含
んでいることが必要で、原料ガスの１成分の組成式中に
上記の原子全てが含まれていてもよく、また組成式中に
これら原子のいずれかを含む成分を複数組み合わせても
良い。この場合、その原料ガス中の炭素源濃度は１０％
以下とする必要がある。ここで言う炭素源濃度とは、（炭素源ガス流量）×（炭素源ガスの組成式中の炭素原
子数）／（全原料ガス流量）×１００の式で計算される
値である。炭素源ガス組成式中の炭素原子数は、例えばメ
タン（ＣＨ₄ ）なら１、プロパン（Ｃ₃ Ｈ₈ ）なら３、
アセトン（ＣＨ₃ ＣＯＣＨ₃ ）なら３となる。この炭素
源濃度を１０％以下とする理由は、ダイヤモンド結晶の
過飽和度、特に高さ方向の結晶成長を抑制するためであ
る。炭素源濃度の下限は特にないが０．０１％以下では
平板ダイヤモンド結晶の実用的な形成速度が得られない
場合がある。

【００２１】更に、ＣＶＤ法においては、原料ガス中の
酸素原子数と炭素原子数の比（Ｏ／Ｃ）を０．５≦Ｏ／
Ｃ≦１．２、望ましくは０．７≦Ｏ／Ｃ≦１．１とす
る。０．５未満では酸素添加の効果がなく、また１．２
を越えると酸素のエッチング効果のため実用上使用可能
なダイヤモンド形成速度を得ることができない。上記Ｏ
／Ｃ値の調節は、例えばＯ₂ 、Ｈ₂ Ｏ、Ｎ₂ Ｏ等の酸素
添加ガスを原料ガス中に添加することで行なうことがで
きる。

【００２２】また、アルコール等の酸素含有有機化合物
を炭素源として用いる場合は、比較的低いＯ／Ｃ値でも
平板ダイヤモンド結晶が形成可能である。例えば、原料
ガスとして水素とエタノール（Ｃ₂ Ｈ₅ ＯＨ）を用いた
場合、Ｏ／Ｃ＝０．５で、良質の平板ダイヤモンド結晶
が形成可能である。この理由の詳細は不明であるが、酸
素含有化合物は、酸素の活性種（ＯＨラジカル）が形成
されやすいためと考えられる。

【００２３】また、本発明の平板ダイヤモンド結晶は、
比較的核発生密度が低いときに形成される。プラズマＣ
ＶＤ法および熱フィラメントＣＶＤ法では、２×１０⁶
個／ｍｍ² 以下のときのみ、平板ダイヤモンド結晶が形
成される。この理由の詳細は不明であるが、本発明の平
板ダイヤモンド結晶の形成には、高さ方向の成長を抑え
るために、十分な量のエッチングガス（水素ラジカル、
またはＯＨラジカル）が必要であり、また横方向の成長
を促進させるため、側面にも十分な量のダイヤモンド形
成に関与する活性種（ＣＨ_X ラジカル種等）が到達する
ことが必要であるために、核発生密度を低くしなければ
ならないと考えられる。

【００２４】また、基体温度は４００から９００℃とす
ることにより、｛１１１｝面を上面とする平板ダイヤモ
ンド結晶が形成される。

【００２５】（２）燃焼炎法による平板ダイヤモンド結晶の形成燃焼炎法では、酸素−アセチレン炎を用いるが、原料ガ
ス中の酸素とアセチレンとのモル比の値は０．９≦Ｏ₂
／Ｃ₂ Ｈ₂ ≦１．０となるように、好ましくは、０．９
５≦Ｏ₂ ／Ｃ₂ Ｈ₂ ≦０．９９とすることで、再現性よ
く、比較的高い成長速度（数十μｍ／ｈｒ：横方向の成
長速度）でダイヤモンド結晶を形成することができる。

【００２６】上述の燃焼炎法の場合、ダイヤモンド結晶
の核発生密度は１×１０⁵ 個／ｍｍ ² 以下、好ましくは
１×１０² 〜１×１０⁵ 個／ｍｍ² とする。燃焼炎法
で、特に核発生密度を下げなければならない理由は、燃
焼炎法では熱フィラメントＣＶＤ法やマイクロ波ＣＶＤ
法に比べて、平板ダイヤモンド結晶の横方向成長速度が
１０倍以上大きい（数十μｍ／ｈｒ）ためである。

【００２７】熱フィラメントＣＶＤ法や種々のプラズマ
ＣＶＤ法においても、平板ダイヤモンド結晶間の間隔を
十分開ける必要がある。必要な間隔は、形成条件によっ
て変わり得るため一概には言えないが、通常は、形成さ
れる単一平板ダイヤモンド結晶の横幅程度である（横幅
が１０μｍなら１０μｍ間隔）。

【００２８】また、基体温度を４００から９００℃、好
適には５００から７５０℃、更に好適には６００から７
００℃とすることにより、上面が３角形または６角形の
モルフォロジィーの｛１１１｝面よりなる平板ダイヤモ
ンド結晶が形成される。

【００２９】本発明の平板ダイヤモンド結晶は、単結
晶、または平板中に双晶面が形成された双晶結晶である
が、平板ダイヤモンド結晶には、上面に平行に双晶面の
形成されているものが多い。これは、双晶面の形成によ
り凹入角が形成され、凹入角効果と呼ばれる働きにより
その凹入角のある方向に結晶の成長が促進されやすく、
平板ダイヤモンド結晶の形成が進むためと考えられる。
なお、上面に平行に形成された双晶面は一つだけでな
く、２個以上形成されることもある。

【００３０】本発明において用いられる絶縁性ダイヤモ
ンド膜は、少なくとも結晶成長初期には平板状形状を有
する多数の平板ダイヤモンド結晶が成長合体して膜状成
長したものである必要がある。このダイヤモンド結晶膜
は、粒子同士の高さが比較的揃った多数の平板ダイヤモ
ンドの横方向への成長が促進され、それらが成長合体し
たものであるので、膜は柱状構造を示し、更に、膜の凹
凸が小さく、例えば最大表面粗さが１００ｎｍ以下の平
滑性の高い膜である。また更に、本発明の絶縁性ダイヤ
モンド膜は、結晶性の良好な平板ダイヤモンド結晶が成
長合体して形成されたものであるため、アモルファス相
およびグラファイト相をほとんど含まず、そのために絶
縁性が非常に高い。

【００３１】平板ダイヤモンド結晶の成長合体によって
得られたこのダイヤモンド膜は、結晶性が良好であるた
め熱伝導率が非常に良好である。天然ダイヤモンド結晶
（タイプIIａ）は、常温で物質中最大の熱伝導率［２０
００Ｗ／（ｍ・Ｋ）］を有しているが、本発明のダイヤ
モンド膜も、ほぼこれに近い値を与える。

【００３２】また、この自然界では、原子量１２の¹²Ｃ
と原子量１３の¹³Ｃの２つの同位体がそれぞれ９８．９
％と１．１％の割合で存在している。前記のダイヤモン
ド結晶の熱伝導率は、「自然界の同位体比の炭素」を原
料として用いたダイヤモンド結晶の場合であるが、原子
量１２の¹²Ｃの割合を増やすことにより、更に熱伝導率
が向上する。例えば¹³Ｃの割合を０．１％程度まで減ら
すことにより熱伝導率は、３０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）まで
向上する。本発明においても、同位体純度の高い炭素原
料を用いることにより更に熱伝導率の高い好適なダイヤ
モンド膜を作成することができる。

【００３３】本発明で用いられる基体には、シリコン、
ゲルマニウム、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の半導体基板、アル
ミナ・ジルコニアのような酸化物系セラミックス、炭化
珪素・窒化珪素・炭化チタン・窒化チタン・炭化タング
ステン等の炭化物・窒化物系セラミックス、等を用いる
ことができる。

【００３４】また、平板ダイヤモンド結晶は、例えば特
開平２−３０６９７号公報に基づくダイヤモンド結晶の
選択堆積法により希望する部位のみに形成してもかまわ
ない。また、上記特開平２−３０６９７号公報に基づ
き、核発生サイトを１０μｍ²以下と十分小さくするこ
とにより、単一核よりなるダイヤモンド結晶としてもよ
い。ただし、燃焼炎法において単一核よりなるダイヤモ
ンド結晶を形成する場合は、その他の合成法より核発生
密度が小さいことから核発生サイトを１０μｍ²以下と
すると析出抜けが生じ易いため、核発生サイトを１００
μｍ² 以下１０μｍ² を越えた値とすることが好まし
く、更に好ましくは２５μｍ² から８０μｍ ² とする。

【００３５】ダイヤモンドの選択堆積法は、例えば上記
特開平２−３０６９７号公報に開示の方法を挙げること
ができるが、特にかかる方法に限定されるものではな
い。

【００３６】特開平２−３０６９７号公報に開示の方法
は、基体表面に傷つけ処理を施した後、基体にパターン
状マスクを形成し、エッチング処理を行ない、次にマス
クを除去することにより傷つけ処理した部位をパターン
状に形成する方法である。なお、基体にパターン状にマ
スクを行ない、基体表面に傷つけ処理を施し、次にマス
ク部位からマスク材料を除去することにより、傷つけ処
理した部位をパターン状に形成する方法でもよい。ま
た、基体表面に傷つけ処理を施した後、耐熱性を有する
材料によるマスクをパターン状に施すことにより傷つけ
処理した部位をパターン状に形成する方法でもよい。ダ
イヤモンド砥粒を用いた傷つけ処理の方法は、特定の方
法に限定されるものではなく、例えばダイヤモンド砥粒
を用いる研磨、超音波処理、サンドブラスト等の方法が
ある。

【００３７】ダイヤモンド砥粒を用いて傷つけ処理した
部位を基体上にパターン状に形成することでダイヤモン
ドの選択堆積を行なう方法の一例について、図４Ａ〜図
４Ｆの模式図にしたがって説明する。まず、基体４１表
面にダイヤモンド砥粒を用いて均一に傷つけ処理を施す
（図４Ａ）。この基体表面にマスク４２を形成する（図
４Ｂ）。このマスクの材料としてはどのようなものでも
かまわないが、例えばポリメチルメタクリレート（ＰＭ
ＭＡ）が挙げられる。またマスクとしては、フォトリソ
グラフィー法（光描画法）を用いてパターン状に形成さ
れたレジスト等が挙げられる。次にマスク４２を施した
基体４１をエッチングすることにより、基体表面にパタ
ーンを形成する（図４Ｃ）。上記エッチングは、ドライ
エッチングおよびウェットエッチングのどちらでもよ
い。ウェットエッチングの場合、例えばフッ酸、硝酸混
液によるエッチング等を挙げることができる。またドラ
イエッチングの場合、プラズマエッチング、イオンビー
ムエッチング等を挙げることができる。プラズマエッチ
ングのエッチングガスとしては、ＣＦ₄ ガスあるいはＣ
Ｆ₄ ガスに酸素・アルゴン等のガスを加えたものを用い
ることができる。イオンビームエッチングのエッチング
ガスとしてはＡｒ、Ｈｅ、Ｎｅ等の希ガスや酸素、フッ
素、水素ＣＦ₄ 等のガスも可能である。エッチング深さ
は１０ｎｍ以上、望ましくは５０〜１０００ｎｍ、最適
には８０〜２００ｎｍ程度である。次に、マスク４２を
除去し（図４Ｄ）、気相合成法を用いて平板ダイヤモン
ドを形成すると、傷つけ処理を施した部位のみに選択的
に平板ダイヤモンド４３が形成される（図４Ｅ）。更
に、この選択形成させた平板ダイヤモンド結晶を成長合
体させることにより、結晶は柱状に成長し、かつ表面の
平坦性の高い膜状結晶４４を形成することができる（図
４Ｆ）。

【００３８】本発明で用いられる絶縁性ダイヤモンド結
晶層上の半導体の材料としては、シリコン、ゲルマニウ
ム、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、等を用いることができる。この
半導体層の形成には、公知の真空蒸着法、スパッタ法、
熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法（有機金
属を原料ガスとするＣＶＤ法）、ＭＢＥ法（分子線エピ
タキシャル法）等を用いることができる。

【００３９】形成条件の設定については、圧力、原料、
形成方法等により異なるため一概に言えないが、基体温
度に関しては、通常の高品質結晶成長条件より低めに設
定することが可能である。

【００４０】また、半導体層としてダイヤモンド半導体
層を用いることもできる。この場合、前述した絶縁性ダ
イヤモンド結晶の合成装置と同様な装置を用いることが
できるが、ｐ型半導体の場合はホウ素を、ｎ型半導体の
場合はリン、リチウムまたはナトリウムを含有するガス
を原料ガス中に添加して半導体層を形成する。

【００４１】析出する半導体層は、単一の平板ダイヤモ
ンド結晶上に形成されるものについては基本的には単結
晶となる。このため、本発明の多数の平板ダイヤモンド
結晶を成長合体させて形成したダイヤモンド結晶膜上で
は、半導体結晶層は下地に平板ダイヤモンド結晶の大き
さに依存した粒径を持つ結晶が集合した形の多結晶膜と
なる。このため、本発明においては、前記選択堆積法を
用いて平板ダイヤモンド結晶の析出位置および間隔（こ
の間隔が各平板ダイヤモンド結晶の粒子径、更には各半
導体結晶の粒子径となる）を制御することが望ましい。
平板ダイヤモンド結晶の析出間隔は、用いる用途によっ
て異なるが、一般的には１０μｍ以上、好ましくは２０
μｍ以上である。

【００４２】また、析出させる半導体結晶層の厚さは、
用いる用途によって異なるが、一般的には２μｍ以下、
好ましくは１μｍ以下である。

【００４３】

【実施例】次に本発明を実施例に基づき詳細に説明す
る。＜実施例１＞ダイヤモンド結晶の合成を図５に示す燃焼
炎法を用いて行なった。

【００４４】図５は酸素−アセチレン炎バーナーを用い
た燃焼炎法を示す模式図であり、５１はバーナー、５２
は基体、５３は内炎、５４は外炎、５５は基体ホルダー
である。なお基体ホルダーを水冷にすることにより基体
は冷却されている。

【００４５】基体として、シリコン単結晶基板（｛１０
０｝面、１インチΦ×０．５ｍｍ^t）を用いた。この基
板を平均粒径１５μｍのダイヤモンド粒子を分散させた
エチルアルコール中に入れ、超音波振動を印加して傷つ
け処理を行なった。次いでこの基板上に露光装置を用い
て、直径３μｍのＰＭＭＡレジストパターンを２０μｍ
ピッチで形成した。この基板をアルゴンイオンビームエ
ッチング装置を用いて約１００ｎｍの深さでエッチング
した。なお、その際のエッチング条件は、加速電圧：５
００Ｖ、エッチング時間１０分であった。次いで有機溶
媒を用いてレジストを除去して基体を図５の燃焼炎法装
置に設置した。

【００４６】ガス流量はアセチレン：２リットル／ｍｉ
ｎ、酸素：１．９リットル／ｍｉｎとし、基板温度は７
００℃、合成時間は４時間とした。以上のようにして得
られたダイヤモンド結晶膜は、平坦性の高い、膜厚約１
０μｍの柱状成長した多結晶膜であった。

【００４７】なお、合成時間を３０分とする以外は前記
と同様の条件で観察用サンプルを形成し、走査型電子顕
微鏡を用いて表面の観察を行なったところ、６角形の
｛１１１｝面が基板に対して平行に配向成長した平均粒
子径約１２μｍの平板ダイヤモンド粒子が観察された。

【００４８】前者のダイヤモンド結晶膜上に、公知のス
パッタ法によりシリコン結晶を形成した。形成条件は、
ターゲット：ｐ型半導体シリコン、圧力：１Ｐａ、スパ
ッタガス：Ａｒ、基板温度：４００℃、周波数：１００
ＭＨｚ、出力：４００Ｗ、形成時間：１０分間で行なっ
た。これにより膜厚約１μｍのシリコン結晶膜が形成さ
れた。このシリコン膜についてホール効果の測定を行な
ったところ、ｐ型半導体であることがわかった。

【００４９】このサンプルについて、Ｘ線回折法を用い
て結晶配向性を測定したところ、｛１１１｝面に強く配
向したシリコン結晶であることがわかった。

【００５０】更に、同様の条件で作成したサンプルを用
いて、断面の透過型電子顕微鏡観察を行なったところ、
ダイヤモンド結晶が成長しているのが観察され、更に単
一の柱状成長ダイヤモンド結晶上に成長したシリコン結
晶は単結晶であることがわかった。この柱状成長ダイヤ
モンド結晶およびシリコン結晶の、基体に平行な方向の
大きさは約２０μｍであった。これは基板前処理時に作
成したレジストパターンの間隔とほぼ同一であった。

【００５１】＜比較例１＞ダイヤモンド結晶形成時の酸
素の流量を１．７５リットル／ｍｉｎ（Ｏ₂ ／Ｃ ₂ Ｈ₂
＝０．８７５）とする以外は、実施例１と同様にして基
板前処理およびダイヤモンド結晶形成を行なった。この
とき得られたダイヤモンド結晶膜は、凹凸の大きい多結
晶膜であった。

【００５２】なお、合成時間を３０分とする以外は前記
と同様の条件で観察用サンプルを形成し、走査型電子顕
微鏡を用いて表面の観察を行なったところ、ランダムな
方向を向いた平均粒子径約１５μｍの粒子状ダイヤモン
ド結晶が観察された。

【００５３】前者のダイヤモンド結晶膜上に、公知のス
パッタ法によりシリコン結晶を形成した。形成条件は、
ターゲット：ｐ型半導体シリコン、圧力：１Ｐａ、スパ
ッタガス：Ａｒ、基板温度：４００℃、周波数：１００
ＭＨｚ、出力：４００Ｗ、形成時間：１０分間で行なっ
た。これにより約１μｍの厚さのシリコン結晶膜が形成
された。このシリコン膜についてホール効果の測定を行
なったところ、ｐ型半導体であることがわかった。

【００５４】このサンプルについてＸ線回折法を用いて
結晶配向性を測定したところ、結晶配向性を示さない多
結晶シリコン膜であることがわかった。＜実施例２＞本実施例においては、ダイヤモンド結晶の
合成は図６に示す熱フィラメントＣＶＤ法を用いて行な
った。

【００５５】図６は、水素−エチルアルコールを原料ガ
スとする熱フィラメントＣＶＤ法の例を示す模式図であ
る。６１は石英反応管、６２は電気炉、６３はタンタル
製フィラメント、６４は基体、６５は原料ガス導入口
で、不図示のガスボンベおよびアルコール気化装置、流
量調整器、バルブ等が接続されている。６６はガス排気
口で、不図示の圧力調整用バルブおよび排気系（メカニ
カルブ−スターポンプにロータリーポンプを接続したも
の）が接続されている。

【００５６】基体としては、実施例１と同様なシリコン
単結晶｛１００｝面基体を用いた。この基板を平均粒径
１５μｍのダイヤモンド粒子を分散させたエチルアルコ
ール中に入れ、超音波振動を印加して傷つけ処理を行な
った。次いでこの基板上に、露光装置を用いて、直径２
μｍのＰＭＭＡレジストパターンを４０μｍピッチで形
成した。この基板をアルゴンイオンビームエッチング装
置を用いて約１００ｎｍの深さでエッチングした。な
お、その際のエッチング条件は、加速電圧：５００Ｖ、
エッチング時間１０分であった。次いで有機溶媒を用い
てレジストを除去し、その基体を図６の熱フィラメント
ＣＶＤ法装置に設置した。

【００５７】原料ガス流量は、水素：２００ｍｌ／ｍｉ
ｎ、エチルアルコール：４ｍｌ／ｍｉｎで、フィラメン
ト温度：２０００℃、基体温度：６５０℃、圧力１．３
×１０⁴ Ｐａ、合成時間：２０時間とした。以上のよう
にして得られたダイヤモンド結晶は、平坦性の高い、膜
厚約１５μｍの多結晶膜であった。

【００５８】なお、合成時間を１時間とする以外は前記
と同様の条件で観察用サンプルを形成し、走査型電子顕
微鏡を用いて表面の観察を行なったところ、６角形の
｛１１１｝面が基板に対して平行に配向成長した平均粒
子径約５μｍの平板ダイヤモンド粒子が観察された。

【００５９】前者のシリコン結晶上に形成されたダイヤ
モンド結晶膜上に、公知のスパッタ法によりシリコン結
晶を形成した。形成条件は、ターゲット：ｐ型半導体シ
リコン結晶、圧力：１Ｐａ、スパッタガス：Ａｒ、基板
温度：３００℃、周波数：１００ＭＨｚ、出力：４５０
Ｗ、形成時間：８分間で行なった。これにより膜厚約１
μｍのシリコン結晶膜が形成された。

【００６０】このサンプルについて、Ｘ線回折法を用い
て結晶配向性を測定したとろ、｛１１１｝面に強く配向
したシリコン結晶であることがわかった。このシリコン
膜についてホール効果の測定を行なったところ、ｐ型半
導体であることがわかった。

【００６１】更に、同様の条件で作成したサンプルを用
いて、断面の透過型電子顕微鏡観察を行なったところ、
ダイヤモンド結晶が柱状に成長しているのが観察され、
更に単一の柱状成長ダイヤモンド結晶上に成長したシリ
コン結晶は、単結晶であることがわかった。この柱状成
長ダイヤモンド結晶およびシリコン結晶の基体に平行な
方向の大きさは、約４０μｍであった。これは、基板前
処理時に作成したレジストパターンの間隔とほぼ同一で
あった。

【００６２】＜実施例３＞本実施例においては、ダイヤ
モンド結晶の合成を公知のマイクロ波プラズマＣＶＤ法
で行なった。まず、実施例２と同様にしてシリコン基板
に前処理（傷つけ処理、パターニング、露光およびレジ
ストの除去）を行なった。ダイヤモンド合成条件とし
て、原料ガス流量は、水素：１００ｍｌ／ｍｉｎ、一酸
化炭素：５ｍｌ／ｍｉｎで、マイクロ波出力：４００
Ｗ、基体温度：６３０℃、圧力：６．６５×１０³ Ｐ
ａ、合成時間：１２時間とした。このとき得られたダイ
ヤモンド結晶を走査型電子顕微鏡で観察したところ、平
坦性の良好な（最大面粗さ約８０ｎｍ以下）均一膜であ
ることがわかった。

【００６３】なお、合成時間を３時間とする以外は前記
と同様の条件で観察用サンプルを形成し、走査型電子顕
微鏡を用いて表面の観察を行なったところ、６角形の
｛１１１｝面が基板に対して平行に配向成長した平均粒
子径約５μｍの平板ダイヤモンド粒子が観察された。

【００６４】前者のシリコン結晶上に形成されたダイヤ
モンド結晶膜上に、公知のスパッタ法によりシリコン結
晶を形成した。形成条件は、ターゲット：ｐ型半導体シ
リコン結晶、圧力：１Ｐａ、スパッタガス：Ａｒ、基板
温度：３００℃、周波数：１００ＭＨｚ、出力：４５０
Ｗ、形成時間：８分間で行なった。これにより膜厚約１
μｍのシリコン結晶膜が形成された。

【００６５】このサンプルについて、Ｘ線回折法を用い
て結晶配向性を測定したとろ、｛１１１｝面に強く配向
したシリコン結晶であることがわかった。このシリコン
膜についてホール効果の測定を行なったところ、ｐ型半
導体であることがわかった。

【００６６】更に、同様の条件で作成したサンプルを用
いて、断面の透過型電子顕微鏡観察を行なったところ、
ダイヤモンド結晶が柱状に成長しているのが観察され、
更に単一の柱状成長ダイヤモンド結晶上に成長したシリ
コン結晶は、単結晶であることがわかった。この柱状成
長ダイヤモンド結晶およびシリコン結晶の基体に平行な
方向の大きさは、約４０μｍであった。これは、基板前
処理時に作成したレジストパターンの間隔とほぼ同一で
あった。＜比較例２＞ダイヤモンド結晶形成時の一酸化炭素の流
量を１５ｍｌ／ｍｉｎとする以外は実施例３と同様の条
件で、基板前処理およびダイヤモンド結晶形成を行なっ
た。このとき得られたダイヤモンド結晶膜は、凹凸の大
きい多結晶膜であった。

【００６７】なお、合成時間を４時間とする以外は前記
と同様の条件で観察用サンプルを形成し、走査型電子顕
微鏡を用いて表面の観察を行なったところ、ランダムな
方向を向いた平均粒子径約８μｍの粒子状ダイヤモンド
結晶が観察された。

【００６８】前者のダイヤモンド結晶膜上に、公知のス
パッタ法によりシリコン結晶を形成した。形成条件は、
ターゲット：ｐ型半導体シリコン、圧力：１Ｐａ、スパ
ッタガス：Ａｒ、基板温度：３００℃、周波数：１００
ＭＨｚ、出力：４５０Ｗ、形成時間：８分間で行なっ
た。これにより膜厚約１μｍのシリコン結晶膜が形成さ
れた。

【００６９】このサンプルについてＸ線回折法を用いて
結晶性を測定したところ、結晶配向性を示さないアモル
ファスシリコン膜であることがわかった。＜実施例４＞本実施例においては、本発明の絶縁性ダイ
ヤモンド結晶膜上にｐ型ダイヤモンド結晶膜およびｎ型
シリコン結晶膜を形成した。

【００７０】まず、実施例３と同様にして絶縁性のダイ
ヤモンド結晶膜を形成した。

【００７１】次に、このダイヤモンド結晶膜上に実施例
３と同様なマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用いてｐ型
ダイヤモンド結晶を形成した。ｐ型ダイヤモンド結晶合
成条件として、原料ガス流量は、水素：１００ｍｌ／ｍ
ｉｎ、一酸化炭素：５ｍｌ／ｍｉｎで、ジボランガス
（濃度１００ｐｐｍ、水素希釈）：３ｍｌ／ｍｉｎ、マ
イクロ波出力：４００Ｗ、基体温度：６５０℃、圧力：
６．６５×１０³ Ｐａ、合成時間：１時間とした。

【００７２】このｐ型ダイヤモンド結晶膜上に、公知の
スパッタ法により、シリコン結晶を形成した。形成条件
は、ターゲット：ｎ型半導体シリコン結晶、圧力：１Ｐ
ａ、スパッタガス：Ａｒ、基板温度：３００℃、周波
数：１００ＭＨｚ、出力：４５０Ｗ、形成時間：８分間
で行なった。これにより膜厚約１μｍのシリコン結晶膜
が形成された。

【００７３】これにより、ダイヤモンド結晶とシリコン
結晶のヘテロのｐｎ接合が形成された。これに、適宜、
エッチング処理およびメタライジング処理、更に別の半
導体層形成により種々の電子回路を形成することができ
る。

【００７４】このサンプルについてＸ線回折法を用いて
結晶配向性を測定したところ、｛１１１｝面に強く配向
したシリコン結晶であることがわかった。

【００７５】更に、同様の条件で作成したサンプルを用
いて、断面の透過型電子顕微鏡観察を行なったところ、
ダイヤモンド結晶が柱状に成長しているのが観察され、
更に単一の柱状成長ダイヤモンド結晶上に成長したシリ
コン結晶は単結晶であることがわかった。この柱状成長
ダイヤモンド結晶およびシリコン結晶の基体に平行な方
向の大きさは約４０μｍであった。これは基板前処理時
に作成したレジストパターンの間隔とほぼ同一であっ
た。

【００７６】

【発明の効果】本発明により、絶縁性の優れたダイヤモ
ンド結晶膜を得、非常に低い温度下でそのダイヤモンド
結晶膜上に配向性の高い半導体シリコン結晶膜を形成す
ることができ、そのようにして得られた素子は、電子材
料として非常に優れたものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のダイヤモンド結晶膜上に半導体結晶層
を形成して得られる素子の模式的断面図である。

【図２】本発明の平板ダイヤモンド結晶の一例を示す模
式的断面図である。

【図３】従来法により形成される粒子状ダイヤモンド結
晶の模式的断面図である。

【図４】ダイヤモンドの選択的堆積を示す模式図であ
り、Ａは傷つけ処理を施した基体、ＢはＡの基体表面に
マスク形成したもの、ＣはＢの基体をエッチング処理し
たもの、ＤはＣの基体のマスクを除去したもの、ＥはＤ
の基体表面に選択的ダイヤモンド形成を行なったもの、
およびＦはＥの基体表面でダイヤモンド結晶が柱状成長
したもの、の各断面図である。

【図５】燃焼炎法装置のダイヤモンド結晶形成時の結晶
形成部分周辺の模式的断面図である。

【図６】ダイヤモンド形成に用いる熱フィラメントＣＶ
Ｄ装置の模式的断面図である。

【符号の説明】

１，２１，３１，４１，５２，６４基体２絶縁性ダイヤモンド結晶膜３半導体結晶層２２平板ダイヤモンド結晶３２粒子状ダイヤモンド結晶４２マスク４３平板ダイヤモンド結晶４４ダイヤモンド膜５１バーナー５３内炎５４外炎５５基体ホルダー６１石英反応管６２電気炉６３フィラメント６５原料ガス導入口６６ガス排気口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基体上に絶縁性ダイヤモンド結晶膜およ
び半導体結晶膜を堆積させる半導体素子製造法におい
て、基板上に平板状形状を有する平板ダイヤモンド結晶
を多数形成し、該平板ダイヤモンド結晶を成長合体させ
膜状成長させて絶縁性ダイヤモンド結晶膜を形成し、該
絶縁性ダイヤモンド結晶膜上に半導体結晶膜を形成する
ことを特徴とする半導体素子製造法。
【請求項２】形成される平板ダイヤモンド結晶が、該
結晶の基体表面に垂直な方向の長さの該結晶の基体表面
に平行な方向の長さに対する比が１／４ないし１／１０
００であり、しかも該結晶の上面が該基体表面と０ない
し１０度の角度をなして実質上該基体表面に平行な結晶
である、請求項１記載の半導体素子製造法。
【請求項３】平板ダイヤモンド結晶形成時の基体温度
を４００℃ないし９００℃とする、請求項１または２に
記載の半導体素子製造法。
【請求項４】平板ダイヤモンド結晶間の間隔を１０μ
ｍ以上とする、請求項１ないし３のうちいずれか１つに
記載の半導体素子製造法。
【請求項５】平板ダイヤモンド結晶の形成を、原料ガ
スの炭素源濃度を１０％以下とし、該原料ガス中の炭素
原子数に対する酸素原子数の比を０．５ないし１．２と
して、ＣＶＤ法によって行う、請求項１ないし４のいず
れか１つに記載の半導体素子製造法。
【請求項６】平板ダイヤモンド結晶の形成を、原料ガ
ス中のアセチレンに対する酸素のモル比が０．９ないし
１．０とし、燃焼炎法によって行なう、請求項１ないし
４のいずれか１つに記載の半導体素子製造法。
【請求項７】請求項１ないし６のいずれか１つに記載の
製造法によって製造される半導体素子。