(57)【要約】【課題】  半導体として実用可能なダイヤモンド単結晶膜を備えたダイヤモンド単結晶基板およびこれを容易に得ることができる製造方法を提供する。【解決手段】  Ｓｉ単結晶基板１上に、厚さ１ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＳｒＯ単結晶層２をエピタキシャル成長させた後、厚さ１〜２原子のＳｒまたはＴｉ層３を成膜させ、その上に、活性化炭化水素原料によりダイヤモンド単結晶層４をエピタキシャル成長させることにより、Ｓｉ単結晶基板上に、ＳｒＯ単結晶層、Ｓｒ層またはＴｉ層、ダイヤモンド単結晶層が順次積層されているダイヤモンド単結晶基板を得る。【選択図】  図１
2006213578.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ単結晶基板上に、酸化ストロンチウム単結晶層、厚さ１〜２原子のストロンチウム層またはチタン層、ダイヤモンド単結晶層が順次積層されていることを特徴とするダイヤモンド単結晶基板。
【請求項２】
Ｓｉ単結晶基板上に、厚さ１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の酸化ストロンチウム単結晶層をエピタキシャル成長させた後、厚さ１〜２原子のストロンチウムまたはチタン層を成膜させ、その上に、活性化炭化水素原料によりダイヤモンド単結晶層をエピタキシャル成長させることを特徴とするダイヤモンド単結晶基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体として利用可能なダイヤモンド単結晶基板およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドは、宝石としての価値以外にも、物質中最も硬いという特性から、石の切断や半導体材料の研磨等の工業用途において利用されている。
さらに、高熱伝導率、広い光透過波長帯、低誘電率、化学的安定性等の優れた特性を有していることから、半導体デバイス、電子放出デバイス、バイオセンサ、発光素子等への幅広い応用が期待されている。特に、半導体としての応用が期待されており、そのためには、ダイヤモンドの上記のような優れた特性を活かすことができる単結晶が必要である。
【０００３】
従来の高温高圧合成法では、数ｍｍ以下の結晶を作る技術はあるものの、ダイヤモンドデバイス開発に必要な１０ｍｍを越える実用的な大きさのダイヤモンドを合成することは困難であった。
そのため、近年では、ガスからダイヤモンドを合成する気相合成法によるダイヤモンド単結晶の大型化を目指した検討が、種々行われている。
【０００４】
前記気相合成法は、基板上にダイヤモンドを気相成長させるものであるが、これまでに、天然または合成ダイヤモンド基板上にホモエピタキシャル成長させる方法以外にも、種々の基板を用いたヘテロエピタキシャル成長が試みられている。
【０００５】
しかしながら、Ｓｉ基板や３Ｃ−ＳｉＣ基板においては、モザイク結晶は得られるものの、単結晶膜は得られていない。
また、ｃ−ＢＮ上へのヘテロエピタキシャル成長も報告されているが、ｃ−ＢＮ自身を大型の結晶として得ることが困難であるという課題を有している。
また、イリジウム（Ｉｒ）上にヘテロエピタキシャル成長させるという報告もある。Ｉｒは、１０００℃以下では炭素と反応せず、また、格子定数が比較的よいとされているが、それでも約７％である。
【０００６】
上記のように、ヘテロエピタキシャル成長によりダイヤモンド単結晶を合成するためには、格子間不整合による薄膜内部応力が大きくならないような基板が好ましく、このような観点に基づく基板の選択は非常に重要である。
【０００７】
ところで、特許文献１には、Ｓｉ等の半導体基板上にストロンチウム（Ｓｒ）薄膜を成長させる際、ＳｒＯ薄膜を形成することにより、ＳｉＯ2やＳｒＳｉ2等の遷移層を含まない界面構造を形成することなく、薄膜内部応力を緩和させることができることが開示されている。
【特許文献１】特開２００３−２０９１０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように、ダイヤモンド単結晶は、高圧合成法や気相合成法により製造することは可能であるが、低抵抗のｎ型半導体の製造は未だなされておらず、また、大型単結晶が得られないことが、ダイヤモンドを用いた半導体の開発において大きな制約となっている。
【０００９】
そこで、本発明者らは、上記のような優れた特性を有するダイヤモンド単結晶を、半導体として実用可能なものとすべく研究を重ねた結果、上記特許文献１に開示されているような酸化物薄膜の形成を利用することにより、ダイヤモンドの大型単結晶膜を形成することができることを見出した。
【００１０】
本発明は、半導体として実用可能なダイヤモンド単結晶膜を備えたダイヤモンド単結晶基板およびこれを容易に得ることができる製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るダイヤモンド単結晶基板は、Ｓｉ単結晶基板上に、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）単結晶層、厚さ１〜２原子のストロンチウム（Ｓｒ）層またはチタン（Ｔｉ）層、ダイヤモンド単結晶層が順次積層されていることを特徴とする。
上記のような構成により、ダイヤモンド／ＳｒＯ／Ｓｉ（００１）のヘテロ接合が良好に形成され、半導体として実用可能なダイヤモンド単結晶基板とすることができる。
【００１２】
また、本発明に係るダイヤモンド単結晶基板の製造方法は、Ｓｉ単結晶基板上に、厚さ１ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＳｒＯ単結晶層をエピタキシャル成長させた後、厚さ１〜２原子のＳｒまたはＴｉ層を成膜させ、その上に、活性化炭化水素原料によりダイヤモンド単結晶層をエピタキシャル成長させることを特徴とする。
上記のように、Ｓｉ基板上に、ＳｒＯ単結晶層を形成した後、ダイヤモンド単結晶をエピタキシャル成長させることにより、複数の素子の集積化が可能なヘテロ接合を形成することができ、半導体として実用的なダイヤモンド単結晶基板を得ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
上述したとおり、本発明に係るダイヤモンド単結晶基板の製造方法によれば、従来の高圧合成法および気相合成法よりも、実用的なダイヤモンド半導体基板を容易に得ることができる。
また、上記製造方法により得られる本発明にダイヤモンド単結晶基板は、ダイヤモンド自体の優れた特性およびその半導体としての特性により、エネルギー、情報通信、耐環境のエレクトロニクス分野等におけるデバイス材料への応用以外にも、負性電子親和力の性質を利用した電子放出材料、大きな弾性率を利用したＳＡＷ（弾性表面波）フィルタ、生体構成元素であることに基づくバイオチップへの応用等も期待される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明についてより詳細に説明する。
図１に、本発明に係るダイヤモンド単結晶基板の製造方法の工程の概略を示す。
本発明に係る製造方法は、Ｓｉ単結晶基板１（図１（ａ））上に、厚さ１ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＳｒＯ単結晶層２をエピタキシャル成長させる工程（図１（ｂ））と、その上に、厚さ１〜２原子のＳｒまたはＴｉ層３を成膜させる工程（図１（ｃ））と、その上に、活性化炭化水素原料によりダイヤモンド単結晶層４をエピタキシャル成長させる工程（図１（ｄ））とを備えているものである。
すなわち、本発明に係るダイヤモンド単結晶基板の製造方法は、Ｓｉ上にＳｒＯをエピタキシャル成長させたものを基礎として、ダイヤモンド単結晶をエピタキシャル成長させるものである。
これにより、ダイヤモンド／ＳｒＯ／Ｓｉ（００１）のヘテロ接合を良好に形成することができ、複数の素子の集積化が可能な半導体基板を得ることができる。
【００１５】
このような本発明に係る製造方法によれば、Ｓｉ単結晶基板上に、ＳｒＯ単結晶層、Ｓｒ層またはチタンＴｉ層、ダイヤモンド単結晶層が順次積層されている本発明に係るダイヤモンド単結晶基板を容易に得られ、このダイヤモンド単結晶基板は、実用的な半導体として幅広く利用可能なものである。
【００１６】
本発明に係る製造方法においては、まず、Ｓｉ単結晶基板１上に、ＳｒＯ単結晶層２をエピタキシャル成長させる（図１（ｂ）参照）。
ＳｒＯは、格子定数が０．５１５ｎｍ程度の岩塩構造を有したイオン性結晶である。ＳｒＯ（００１）面を４５°回転させると、表面が面心立方構造であり、その辺の長さは、０．３８２ｎｍと、ダイヤモンドの格子定数である０．３６４ｎｍに非常に近い値である（格子ミスマッチ：約５％）。
このため、ＳｒＯ（００１）上には、４５°面内回転した状態で、ダイヤモンドが〈００１〉方向にエピタキシャル成長可能であると考えられる。
【００１７】
本発明におけるＳｉ単結晶基板１には、ＣＺ（チョクラルスキー）法により製造されたものに限られず、ＦＺ（フローティングゾーン）法により製造されたもの、および、これらのＳｉ単結晶基板に気相成長によりＳｉ単結晶層をエピタキシャル成長させたもの（Ｓｉエピ基板）等であってもよいが、結晶面方位（００１）のものを用いることが好ましい。
Ｓｉ単結晶は、大型のバルクとして容易に製造することができ、ウエハの加工技術も成熟しているため、素子形成の基板として好適に用いることができる。
なお、エピタキシャル成長は、結晶性に優れた単結晶層（エピ層）を得ることができ、基板の結晶面方位をエピ層に引き継ぐことができるという利点を有している。
また、本発明においては、ＳｒＯ単結晶層２の形成前に、Ｓｉ基板１表面の自然酸化膜の除去処理を施さなくてもよい。
【００１８】
ＳｒＯ単結晶層２の形成は、原料として焼結ＳｒＯターゲット、スパッタガスとしてＡｒとＯ2との混合気体を用い、基板温度７００〜９００℃で、ＲＦスパッタリング装置で成膜させることにより行うことができる（図１（ｂ）参照）。
このＳｒＯ単結晶層２の厚さは、ダイヤモンド／ＳｒＯ／Ｓｉ（００１）のヘテロ接合を良好に形成するためには、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００１９】
次に、前記ＳｒＯ単結晶層２の上に、厚さ１〜２原子のＳｒまたはＴｉ層３を成膜させる（図１（ｃ）参照）。
具体的には、基板温度を室温まで降温し、原料としてＳｒまたはＴｉの金属ターゲット、スパッタガスとしてＡｒを用いて、スパッタリングにより、厚さ１〜２原子のＳｒまたはＴｉ層３を成膜させることができる。
上記により形成されたＳｒＯ（００１）は、表面に酸素も露出するため、炭素（Ｃ）の付着が阻害されるおそれがあるため、その表面に、１〜２原子層のＳｒまたはＴｉ層を設けることにより、Ｃの吸着を促進させることができる。
【００２０】
そして、前記ＳｒまたはＴｉ層３上に、活性化炭化水素原料により、ダイヤモンド単結晶層４をエピタキシャル成長させる（図１（ｄ）参照）。
前記エピタキシャル成長においては、マイクロ波プラズマ、ＲＦプラズマまたはホットフィラメント等を用いて、炭素を含有する反応性ガスを活性化させることにより、良質なダイヤモンド単結晶薄膜を堆積させることができる。
このＣＶＤ法に使用される反応性ガスとしては、ＣＨ4、Ｃ3Ｈ8等の炭化水素、酸素を含むＣＨ3ＯＨ、Ｃ2Ｈ5ＯＨ、ＣＯ、ＣＯ2等の酸素を含む物質が用いられ、これを水素ガスで希釈し、次いで、マイクロ波プラズマ等により活性化させ、ダイヤモンド単結晶を析出させる。
具体的には、例えば、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置にて、水素気流中、１Ｔｏｒｒ程度で、活性化させたメタンを１００％換算で１ｓｃｍ供給し、７００〜１０００℃で、ダイヤモンド単結晶層４を厚さ１μｍ以上となるまでエピタキシャル成長させることが好ましい。
【実施例】
【００２１】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により制限されるものではない。
まず、ＲＦスパッタリング装置にて、Ｓｉ（００１）単結晶基板の自然酸化膜上に、原料として焼結ＳｒＯターゲット、スパッタガスとしてＡｒとＯ2を用い、８００℃で厚さ１００ｎｍのＳｒＯ単結晶層を形成した。
次に、室温まで降温し、原料としてＳｒターゲット、スパッタガスとしてＡｒを用いて、スパッタリングにより、厚さ１〜２原子のＳｒ層を成膜させた。
その上に、マイクロ波プラズマにより活性化されたメタンを１００％換算で１ｓｃｍ供給し、８００℃で、ダイヤモンド単結晶層を厚さ１μｍ以上となるまでエピタキシャル成長させることにより、所望のダイヤモンド単結晶半導体膜を形成した。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係るダイヤモンド単結晶基板の製造方法の工程の概略を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１    Ｓｉ単結晶基板
２    ＳｒＯ単結晶層
３    ＳｒまたはＴｉ層
４    ダイヤモンド単結晶層
【図１】
2006213578.tif 000003