JPH06321687A

JPH06321687A - 高配向性ダイヤモンド薄膜の形成方法

Info

Publication number: JPH06321687A
Application number: JP11252893A
Authority: JP
Inventors: Rie Nakamura; 理枝中村; Koji Kobashi; 宏司小橋
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1993-05-14
Filing date: 1993-05-14
Publication date: 1994-11-22

Abstract

(57)【要約】【目的】粒界が少なく、キャリアの移動度及び降伏電
界が高いと共に、漏れ電流が少なく、電子デバイスに使
用するのに好適の大面積のダイヤモンド薄膜を得ること
ができる高配向性ダイヤモンド薄膜の形成方法を提供す
る。【構成】高配向性ダイヤモンド薄膜の形成は、マイク
ロ波化学気相蒸着法を使用して行う。前記合成工程の初
期段階に、原料ガスとして水素で希釈した０．１〜５０
容量％の炭化水素を使用し、ガス圧を１〜７５Torr、基
板温度を６５０〜１１００℃とし、１ＭＨｚ以下で１〜
５００Ｗの交流電界を１〜９０分間基板に印加すること
によりダイヤモンド薄膜を合成する。これにより、基板
に対してエピタキシャルに成長した高配向性ダイヤモン
ド薄膜を基板上に合成することができる。なお、原料ガ
スにＢ含有ガスを添加することにより、半導体の高配向
性ダイヤモンド薄膜を形成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はトランジスタ及びダイオ
ード等の電子部品又は電子デバイス及びヒートシンク等
に使用される高配向性ダイヤモンド薄膜の形成方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドは耐熱性が優れており、ま
たバンドギャップが大きく、通常は絶縁体であるが、不
純物を添加すれば半導体となる。このような優れた特性
を有するために、ダイヤモンドは高温、高周波及び高電
界用の電子部品及び電子デバイス材料として極めて有用
である。

【０００３】電子デバイスにおいてダイヤモンドの優れ
た特性を最大限活用するためには、不純物制御された高
品質の単結晶を合成することが必要である。しかし、従
来の高温高圧合成によって得られる単結晶ダイヤモンド
は、サイズに制限があり、不純物の制御も不可能であ
る。また、高温高圧合成とは別にダイヤモンドの合成方
法として、マイクロ波化学気相蒸着法、熱フィラメント
法、直流プラズマ化学気相蒸着法及び燃焼法等の気相合
成法も知られている。気相合成は不純物制御に有利であ
るばかりでなく、薄膜状のダイヤモンドを得ることがで
きるため、電子材料用のダイヤモンドを合成する方法と
して注目されている。

【０００４】しかし、ダイヤモンド以外の基板を使用し
てダイヤモンドを気相合成した場合には、高密度の粒界
を含む多結晶ダイヤモンドしか得られない。また、基板
に単結晶ダイヤモンド(Fujimori, T.Imai, H.Nakahata,
H.Shiomi, and Y.Nishibayashi in Diamond,Silicon C
arbide and Related Wide Bandgap Semiconductors (Ma
terials Research Society symposium proceedings 16
2), edited by J.T.Glass, R.Messier and N,Fujimori
(Materials Research Society, Pittsburgh, Pennsylva
nia, 1990), pp.23-33)、単結晶立方晶窒化ホウ素（ｃ
ＢＮ）(S.Koizumi, T.Murakami, T.Inuzuka and K.Suzu
ki, Applied Physics Letters, Vol.57, pp,563-565 (1
990))、単結晶ニッケル(Y.Sato, I.Yashima, H.Fujita,
T.Ando and M.Kamo, Second International Conferenc
e on New Diamond Science and Technology, edited by
R.Messier, J.T.Glass, J.E.Butler and R.Roy(Materi
alsResearch Society, Pittsburgh, Pennsylvania, 199
1), pp.371-376.)、又は単結晶炭化硅素(B.R.Stoner an
d J.T.Glass, Applied Physics Letters, Vol.60,pp.69
8-700(1992))を用いた場合には、基板に対してエピタキ
シャル成長させることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、単結晶ダイヤ
モンド及びｃＢＮ基板にはサイズの制限があり、電子デ
バイスに応用できるほどの大面積化は困難である。ま
た、基板に単結晶ニッケル及び単結晶炭化硅素を用いた
場合は、従来、島状の不連続膜しか合成することができ
ないという難点がある。

【０００６】上述の如く、通常気相合成されるダイヤモ
ンド多結晶膜は、欠陥を多く含む粒界が存在するため
に、電子（正孔）の移動度及び降伏電界の低下並びに漏
れ電流の増大など、電子デバイスに応用する場合に、多
くの問題点が生じる。基板に単結晶ダイヤモンド又はｃ
ＢＮを使用する場合も、基板サイズの制限のために、電
子デバイスの作製に必要な大面積を得ることができな
い。単結晶ニッケル又は単結晶炭化硅素を基板に使用し
た場合は、充分な膜厚の連続膜を得ることができない。

【０００７】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、粒界が少なく、キャリアの移動度及び降伏
電界が高いと共に、漏れ電流が少なく、電子デバイスに
使用するのに好適の大面積のダイヤモンド薄膜を得るこ
とができる高配向性ダイヤモンド薄膜の形成方法を提供
することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る高配向性ダ
イヤモンド薄膜の形成方法は、マイクロ波化学気相蒸着
法によりダイヤモンド薄膜を合成する高配向性ダイヤモ
ンド薄膜の形成方法において、前記合成工程の初期段階
に、１ＭＨｚ以下の交流電界を基板に印加することによ
り、基板に対してエピタキシャルに成長した高配向性ダ
イヤモンド薄膜を基板上に合成することを特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明においては、ダイヤモンド薄膜をマイク
ロ波化学気相蒸着法により気相合成する際に、初期段階
である核発生過程において一定時間基板に交流電界を印
加する。この電界印加時の成膜条件の一例としては、容
量割合が０．１〜５０％で水素により希釈した炭化水素
を原料ガスとして使用し、ガス圧を１〜７５Torr、基板
温度を６５０〜１１００℃とし、基板に印加する電界を
１ＭＨｚ以下として１〜５００Ｗの交流電界とし、電界
印加時間を１〜９０分間とするものがある。次いで、こ
の核を成長させることにより、高配向性ダイヤモンドを
合成する。

【００１０】基板用材料としては、単結晶炭化硅素（Ｓ
ｉＣ）の他に、種々の炭化物及びシリサイドがある。こ
れらの炭化物又はシリサイドを基板とする場合には、そ
れらを形成する単結晶シリコン、単結晶チタン、単結晶
タングステン又は単結晶タンタル等からなる基板の上に
これらの炭化物又はシリサイドを形成することができ
る。また、炭化物又はシリサイドを有しないシリコン、
チタン、タングステン又はタンタル自体を基板として使
用することもできる。更に、ダイヤモンドと格子定数が
近い単結晶ニッケル、単結晶銅及びそれらの合金も基板
用材料として有用である。この場合は、通常のダイヤモ
ンド薄膜を気相合成する前に、基板上に配向した結晶核
を形成する必要がある。

【００１１】本発明においては、ダイヤモンド合成の初
期段階で一定時間のみ基板に交流電界を印加し、続いて
合成することにより高配向性ダイヤモンドを得る。交流
電界を基板に印加することにより、プラズマが更に効率
よく電離され、基板表面に正負のイオン衝撃により充分
なエネルギが与えられ、高配向した核を形成できる。こ
のとき、電子も基板表面に到達するので、基板表面を活
性化し、効率的に核発生させることができる。また、交
流電界は直流電界と異なり、基板が高抵抗又は絶縁体で
あっても印加することができ、基板内の電場の均一性も
よい。また、この高配向性ダイヤモンド薄膜を基板とし
てダイヤモンドをエピタキシャル成長することもでき
る。更に、非ダイヤモンド基板を除去し高配向性ダイヤ
モンド薄膜を単体で得ることも容易である。

【００１２】

【実施例】以下、添付の図面を参照して本発明の実施例
について具体的に説明する。先ず、図１を参照して、本
発明方法の実施に使用することができるマイクロ波化学
気相蒸着装置について説明する。チャンバ６内に、支持
棒に支持された基板ホルダ１０がその面を水平にして配
置されている。この基板ホルダ１０上には、基板１１が
載置されるようになっている。そして、このチャンバ６
内の基板１１の近傍にマイクロ波を照射するためのマイ
クロ波導波管４がその長手方向を水平にしてチャンバ６
外に設置されている。この導波管４の一端部には、マイ
クロ波電源１と、このマイクロ波電源１から発振された
マイクロ波の反射波がマイクロ波電源１に入ることを防
止するアイソレータ２と、この反射波が最小となるよう
調整するチューナ３とが設置されている。また、導波管
４の他端部には、マイクロ波の共振位置を調整するか、
又はプラズマ位置を調整するプランジャ５が配置されて
いる。そして、チャンバ６の上端部には原料ガスの導入
口７が設けられており、その下端部には真空ポンプに連
結された排気口８が設けられている。これにより、排気
口８を介してチャンバ６内を真空排気すると共に、導入
口７を介して原料ガスをチャンバ６内に供給する。ま
た、チャンバ６内の基板ホルダ１０の近傍には、平板状
の電極１２が基板ホルダ１０上の基板１１と対向するよ
うに配置されている。そして、この基板ホルダ１０と対
向電極１２とは、外部の交流電源１４に接続されてい
て、これにより、基板１１と電極１２との間には交流電
圧が印加されるようになっている。

【００１３】このように構成された合成装置において
は、チャンバ６内を所定の減圧下の原料ガス雰囲気に
し、基板１１に交流電圧を印加しつつ、マイクロ波を照
射すると、原料ガスが電離してプラズマ１３が基板１１
の近傍に発生する。これにより、ダイヤモンド粒子が基
板１１上に形成され、高配向性ダイヤモンド薄膜が基板
上に形成される。

【００１４】実施例１図１に示すマイクロ波化学気相蒸着装置を使用して以下
に示す条件で高配向性ダイヤモンド薄膜を合成した。基
板１１には方位（１００）の単結晶シリコンを用いた。
なお、図１は対向電極１２を使用しているが、この対向
電極がなくても同様の効果が得られる。

【００１５】［電界印加時］反応ガス；ＣＨ₄／Ｈ₂（３％比）ガス流量；１００ｓｃｃｍ基板温度；７００℃ ガス圧；２５Ｔｏｒｒ印加電界；１５０Ｗ電界印加時間；１５分［電界印加終了後］反応ガス；ＣＨ₄／Ｈ₂（５％比）、Ｏ₂（２％
比）ガス流量；１００ｓｃｃｍ基板温度；８２０℃ ガス圧；６０Ｔｏｒｒ合成時間；２０時間。

【００１６】得られたダイヤモンド薄膜は、膜厚が約２
０μｍで、表面の９５％が（１００）結晶面で覆われて
いる高配向性ダイヤモンド薄膜であった。また、薄膜の
断面写真から各結晶面の高低差は０．３μｍ以下である
ことがわかった。更に、断面写真の解析により、基板と
ダイヤモンド薄膜の間に炭化硅素が形成されており、基
板上に炭化硅素が、また炭化硅素上にダイヤモンド薄膜
が夫々エピタキシャル成長していることが確認された。

【００１７】実施例２実施例１と同様に図１に示す装置を使用し、次に示す条
件で高配向性ダイヤモンド薄膜を合成した。基板として
方位（１１１）の単結晶ニッケルを使用した。［電界印加時］反応ガス；ＣＯ／Ｈ₂（５％比）ガス流量；１００ｓｃｃｍ基板温度；７００℃ ガス圧；２５Ｔｏｒｒ印加電界；１００Ｗ電界印加時間；２０分［電界印加終了後］反応ガス；ＣＯ／Ｈ₂（１％比）ガス流量；１００ｓｃｃｍ基板温度；８００℃ ガス圧；３０Ｔｏｒｒ合成時間；２時間。

【００１８】得られたダイヤモンド粒子は粒子表面の９
５％が（１１１）結晶面である高配向性ダイヤモンドで
あった。更に、断面写真の解析によりダイヤモンド粒子
が基板に対してエピタキシャルに成長していることが確
認された。

【００１９】実施例３実施例１と同様に図１に示す装置を用い、次に示す条件
で高配向性ｐ型半導体ダイヤモンド薄膜を合成した。基
板には方位（１００）の単結晶シリコンを用いた。

【００２０】［電界印加時］反応ガス；ＣＨ₄／Ｈ₂（３％比）、Ｂ₂Ｈ₆：１pp
m添加ガス流量；１００ｓｃｃｍ基板温度；７００℃ ガス圧；２５Ｔｏｒｒ印加電界；１５０Ｗ電界印加時間；１５分［電界印加終了後］反応ガス；ＣＨ₄／Ｈ₂（２％比）、Ｂ₂Ｈ₆：１pp
m添加、Ｏ₂（２％比）ガス流量；１００ｓｃｃｍ基板温度；８２０℃ ガス圧；６０Ｔｏｒｒ合成時間；２０時間。

【００２１】この結果、高配向した厚さ６μｍのＰ型半
導体ダイヤモンド薄膜が得られた。基板をエッチング除
去した後、この半導体ダイヤモンド層のホール移動度を
測定した結果、１００ｃｍ²／Ｖ・ｓであった。この値
は通常の多結晶ダイヤモンド薄膜（約１ｃｍ²／Ｖ・
ｓ）の約１００倍である。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
非ダイヤモンド基板上に疑似単結晶といえる高配向性ダ
イヤモンドを形成することができる。従って、粒界が少
なく、キャリアの移動度及び降伏電界が高いと共に、漏
れ電流が少なく、電子デバイスに使用するのに好適の大
面積のダイヤモンド薄膜を得ることができる。このた
め、本発明により形成した高配向性ダイヤモンド薄膜を
使用することにより、電子部品及び電子デバイスを低コ
ストで容易に作製することができる。このように、本発
明の高配向性ダイヤモンド薄膜は、大面積化及び経済性
の点で、単結晶ダイヤモンド又は単結晶ｃＢＮ基板を用
いた場合に比して有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法の実施に使用する高配向性ダイヤモ
ンド薄膜合成装置の一例を示す図である。

【符号の説明】

１；マイクロ波電源２；アイソレータ３；チューナー４；導波管５；プランジャ６；チャンバ７；原料ガス導入口８；真空ポンプ排気口９；支持棒１０；基板ホルダ１１；基板１２；電極１３；プラズマ１４；交流電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波化学気相蒸着法によりダイヤ
モンド薄膜を合成する高配向性ダイヤモンド薄膜の形成
方法において、前記合成工程の初期段階に、１ＭＨｚ以
下の交流電界を基板に印加することにより、基板に対し
てエピタキシャルに成長した高配向性ダイヤモンド薄膜
を基板上に合成することを特徴とする高配向性ダイヤモ
ンド薄膜の形成方法。
【請求項２】前記高配向性ダイヤモンド薄膜は、前記
合成工程の初期段階において、原料ガスとして水素で希
釈した０．１〜５０容量％の炭化水素を使用し、ガス圧
を１〜７５Torr、基板温度を６５０〜１１００℃とし、
１ＭＨｚ以下で１〜５００Ｗの交流電界を１〜９０分間
基板に印加して合成するものであることを特徴とする請
求項１に記載の高配向性ダイヤモンド薄膜の形成方法。
【請求項３】前記高配向性ダイヤモンド薄膜は、前記
合成工程の初期段階において、原料ガスとして水素で希
釈した０．１〜５０容量％の炭化水素にＢ含有ガスを添
加したものを使用して合成する半導体ダイヤモンドであ
ることを特徴する請求項１に記載の高配向性ダイヤモン
ド薄膜の形成方法。
【請求項４】前記基板が単結晶シリコンであることを
特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高配
向性ダイヤモンド薄膜の形成方法。
【請求項５】前記基板は、単結晶チタン、単結晶タン
グステン及び単結晶タンタルからなる群から選択された
物質よりなるものであり、この基板上に炭化チタン、炭
化タングステン、炭化タンタル、チタニウムシリサイ
ド、タングステンシリサイド又はタンタルシリサイドが
形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいず
れか１項に記載の高配向性ダイヤモンド薄膜の形成方
法。
【請求項６】前記基板は単結晶ニッケル、単結晶銅及
びニッケル−銅合金からなる群から選択された物質より
なるものであることを特徴とする請求項１乃至３のいず
れか１項に記載の高配向性ダイヤモンド薄膜の形成方
法。
【請求項７】前記基板上に形成された炭化物層の一部
又は全てが基板とエピタキシャルな関係にあることを特
徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高配向
性ダイヤモンド薄膜の形成方法。
【請求項８】前記合成されたダイヤモンド薄膜が基板
上に形成された炭化物層とエピタキシャルな関係にある
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
の高配向性ダイヤモンド薄膜の形成方法。