(57)【要約】【課題】表面に結晶粒界がない高配向ダイヤモンド膜を、一定の形状及び寸法で規則的に配列することができ、意図せぬ方位の結晶が発生しないようにした低コストの高配向ダイヤモンド膜の製造方法を提供する。【解決手段】（００１）オフ面基板上に、［１００］方向に成長するように、第１の高配向ダイヤモンド膜１を成長させる。次いで、格子状のマスク２を第１の高配向ダイヤモンド膜１上に形成し、その後、平坦化膜としての第２の高配向ダイヤモンド膜をステップフロー成長により成長させる。その後、マスクを除去する。【選択図】図６
2011162373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
オフ面基板を使用し、この基板上に第１の高配向ダイヤモンド膜を形成する工程と、
前記第１の高配向ダイヤモンド膜上に格子状にマスクを形成する工程と、
前記第１の高配向ダイヤモンド膜上に平坦化層としての第２の高配向ダイヤモンド膜をステップフロー成長により形成する工程と、
前記マスクを除去する工程と、
を有することを特徴とする高配向ダイヤモンド膜の製造方法。
【請求項２】
オフ面基板を使用し、この基板上に第１の高配向ダイヤモンド膜を形成する工程と、
前記第１の高配向ダイヤモンド膜の表面に格子状に溝を形成する工程と、
前記第１の高配向ダイヤモンド膜上に平坦化層としての第２の高配向ダイヤモンド膜をステップフロー成長により形成する工程と、
を有することを特徴とする高配向ダイヤモンド膜の製造方法。
【請求項３】
オフ面基板を使用し、この基板の表面に格子状に溝を形成する工程と、
前記オフ面基板の上に第１の高配向ダイヤモンド膜を形成する工程と、
前記第１の高配向ダイヤモンド膜上に平坦化層としての第２の高配向ダイヤモンド膜をステップフロー成長により形成する工程と、
を有することを特徴とする高配向ダイヤモンド膜の製造方法。
【請求項４】
ジャスト面基板を使用し、この基板上に第１の高配向ダイヤモンド膜を形成する工程と、
前記第１の高配向ダイヤモンド膜をオフ面研磨する工程と、
前記第１の高配向ダイヤモンド膜上に格子状にマスクを形成する工程と、
前記第１の高配向ダイヤモンド膜上に平坦化層としての第２の高配向ダイヤモンド膜をステップフロー成長により形成する工程と、
を有することを特徴とする高配向ダイヤモンド膜の製造方法。
【請求項５】
ジャスト面基板を使用し、この基板上に第１の高配向ダイヤモンド膜を形成する工程と、
前記第１の高配向ダイヤモンド膜をオフ面研磨する工程と、
前記第１の高配向ダイヤモンド膜の表面に格子状に溝を形成する工程と、
前記第１の高配向ダイヤモンド膜上に平坦化層としての第２の高配向ダイヤモンド膜をステップフロー成長により形成する工程と、
を有することを特徴とする高配向ダイヤモンド膜の製造方法。
【請求項６】
前記オフ面基板の面方位は（００１）であり、オフ角の傾斜方向は＜１００＞であり、前記マスク又は溝の方向は＜１１０＞であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高配向ダイヤモンド膜の製造方法。
【請求項７】
前記ジャスト面基板の基準面は（００１）であり、前記第１の高配向ダイヤモンド膜のオフ角の傾斜方向は＜１００＞であり、前記マスク又は溝の方向は＜１１０＞であることを特徴とする請求項４又は５に記載の高配向ダイヤモンド膜の製造方法。
【請求項８】
オフ角は３乃至１１°であることを特徴とする請求項６又は７に記載の高配向ダイヤモンド膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶に近いキャリアの高速移動が可能な高配向ダイヤモンド膜を得るための高配向ダイヤモンド膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高配向ダイヤモンド膜は、気相合成によって形成されたダイヤモンド薄膜であって、薄膜表面積の８０％以上がダイヤモンドの（１００）結晶面から構成されていると共に、隣接する（１００）結晶面の結晶面方位を表すオイラー角｛α，β，γ｝の差｛Δα，Δβ，Δγ｝が｜△α｜≦５°、｜△β｜≦１０°、｜△γ｜≦５°を同時に満足するものである（特許文献１）。
【０００３】
即ち、図１７は（１００）結晶面が高度に配向したダイヤモンド薄膜表面の構造を模式的に示すものである。薄膜面内に相互に直交するＸ軸及びＹ軸を定義し、薄膜表面の法線方向をＺ軸と定義する。ｉ番目及びそれに隣接するｊ番目のダイヤモンド結晶面の結晶面方位を表すオイラー角を夫々｛αi，βi，γi｝、｛αj，βj，γj｝とし、両者の角度差を｛△α，△β，△γ｝とする。オイラー角｛α，β，γ｝は基準結晶面を基準座標のX、Ｙ、Ｚ軸の周りに角度α、β、γの順に回転して得られる結晶面の配向を表す。
【０００４】
このように、｜△α｜≦５°、｜△β｜≦１０°、｜△γ｜≦５°を同時に満足する高配向性ダイヤモンド薄膜は、結晶が高度に配向し、単結晶膜と同様にキャリアの移動度が高い。
【０００５】
この高配向ダイヤモンド膜は、概略、Ｓｉの(００１)基板を炭化処理し、バイアス印加による核発生を行い、＜１００＞方向の成長が最も速く、＜１１１＞方向の成長が最も遅くなる条件で、配向成長を行い、＜１１１＞方向の成長が最も速く、＜１００＞方向の成長が最も遅くなる条件で平坦化成長を行うというこれらの４工程により作製することができる。核発生は、島状に１０９／ｃｍ２以上の高密度になる。そして、配向成長と、平坦化成長により、核から成長した結晶粒子のうち、＜１００＞方位が基板と垂直に近いものが、そうでないものを覆うように淘汰しながら成長する。成長のある時点では、粒径が１０〜２０μｍの結晶粒が寄せ集まった表面になる。各結晶粒は同じ方位のものもあるが、１０°程度傾いている場合が多い。これは、ダイヤモンドとＳｉとの格子定数のミスマッチによる。
【０００６】
２個の結晶粒の相互間には、結晶粒界があるが、この結晶粒界は電子デバイスの動作の阻害要因となるため、できることなら除去したい。即ち、結晶粒界は、トランジスタ及びダイオード等の半導体デバイスにおいては、キャリア散乱による移動度低下及びキャリアの自由行程の短縮による抵抗増大並びに応答速度低下、発光デバイス及び導光路においては、光散乱による透過率の低下及び光路の乱れ、光センサにおいては、暗電流の増加及び長波長のカットオフ不全、熱伝導率低下及び表面平坦性低下等の種々の問題点を引き起こす。
【０００７】
高配向ダイヤモンド膜は、そのまま成長を続ければ徐々に粒界が減少していくが、膨大な時間を必要とする。また、仮に、平均粒径が大きくなっても、粒界の位置がランダムに存在する状態では、粒界を避けてデバイスを配置することが困難であり、デバイスを大量生産することができない。
【０００８】
これを解消するためには、核発生位置又は成長再開位置を決めることにより、粒界を規則的に配置するようにすればよい。このとき、酸化物又は金属マスクで核発生位置又は成長再開位置を制限し、その中間地点での核発生、即ちマスク上から意図しない核発生を完全に防止する必要がある。しかしながら、実際のダイヤモンドの成長条件は、７００〜１１００℃の高温であり、しかも水素が９０％以上のプラズマ中に数時間も曝されるため、マスクの損傷がある。従って、核発生位置又は成長再開位置の間隔を広くしようとすればするほど、その中間を埋めるために長時間を要する。このため意図しない核発生を抑制することが困難である。つまり、最終の結晶粒界を大きくしようとすればするほど、中間のエリアが広くなるため、意図しない核発生の抑制がますます困難となる。意図しない核は、非配向のため、最終的に非配向の結晶が残ってしまう。
【０００９】
これを回避する方法として、高配向ダイヤモンド膜を作製した後、リソグラフィとエッチングにより柱状ダイヤモンドを一定の間隔で配置する方法がある。柱の先端は単結晶になっているので、これを横方向に成長させれば、タイル状のダイヤモンド膜を形成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第３１５０４８８号公報
【特許文献２】特開２００８−１０８８２４号公報
【特許文献３】特開平６−１７２０８８号公報
【特許文献４】特開平７−８９７９３号公報
【特許文献５】特開２００６−１７６３８９号公報
【特許文献６】特開２００２−７５９６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上述の柱状ダイヤモンドを一定の間隔で配置する方法は、柱状突起を残してほとんどの部分をエッチング除去しなければならず、製造コストが高くなるという問題点がある。
【００１２】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、表面に結晶粒界がない高配向ダイヤモンド膜を、一定の形状及び寸法で規則的に配列することができ、意図せぬ方位の結晶が発生しないようにした低コストの高配向ダイヤモンド膜の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本願第１発明に係る高配向ダイヤモンド膜の製造方法は、
オフ面基板を使用し、この基板上に第１の高配向ダイヤモンド膜を形成する工程と、
前記第１の高配向ダイヤモンド膜上に格子状にマスクを形成する工程と、
前記第１の高配向ダイヤモンド膜上に平坦化層としての第２の高配向ダイヤモンド膜をステップフロー成長により形成する工程と、
前記マスクを除去する工程と、
を有することを特徴とする。
【００１４】
本願第２発明に係る高配向ダイヤモンド膜の製造方法は、
オフ面基板を使用し、この基板上に第１の高配向ダイヤモンド膜を形成する工程と、
前記第１の高配向ダイヤモンド膜の表面に格子状に溝を形成する工程と、
前記第１の高配向ダイヤモンド膜上に平坦化層としての第２の高配向ダイヤモンド膜をステップフロー成長により形成する工程と、
を有することを特徴とする。
【００１５】
本願第３発明に係る高配向ダイヤモンド膜の製造方法は、
オフ面基板を使用し、この基板の表面に格子状に溝を形成する工程と、
前記オフ面基板の上に第１の高配向ダイヤモンド膜を形成する工程と、
前記第１の高配向ダイヤモンド膜上に平坦化層としての第２の高配向ダイヤモンド膜をステップフロー成長により形成する工程と、
を有することを特徴とする。
【００１６】
本願第４発明に係る高配向ダイヤモンド膜の製造方法は、
ジャスト面基板を使用し、この基板上に第１の高配向ダイヤモンド膜を形成する工程と、
前記第１の高配向ダイヤモンド膜をオフ面研磨する工程と、
前記第１の高配向ダイヤモンド膜上に格子状にマスクを形成する工程と、
前記第１の高配向ダイヤモンド膜上に平坦化層としての第２の高配向ダイヤモンド膜をステップフロー成長により形成する工程と、
を有することを特徴とする。
【００１７】
本願第５発明に係る高配向ダイヤモンド膜の製造方法は、
ジャスト面基板を使用し、この基板上に第１の高配向ダイヤモンド膜を形成する工程と、
前記第１の高配向ダイヤモンド膜をオフ面研磨する工程と、
前記第１の高配向ダイヤモンド膜の表面に格子状に溝を形成する工程と、
前記第１の高配向ダイヤモンド膜上に平坦化層としての第２の高配向ダイヤモンド膜をステップフロー成長により形成する工程と、
を有することを特徴とする。
【００１８】
本願第１乃至第３発明において、前記オフ面基板の面方位は（００１）であり、オフ角の傾斜方向は＜１００＞であり、前記マスク又は溝の方向は＜１１０＞であることが好ましい。また、本願第４及び第５発明において、前記ジャスト面基板の面方位は（００１）であり、前記第１の高配向ダイヤモンド膜のオフ角の傾斜方向は＜１００＞であり、前記マスク又は溝の方向は＜１１０＞であることが好ましい。この場合に、オフ角は３乃至１１°、更に好ましくは、５乃至９°であることが好ましい。
【００１９】
なお、ステップフロー成長とは、結晶が原子層毎に成長するとき、成長表面にテラスと呼ぶ平坦な面と１原子層だけ異なる階段状の構造が形成され、成長がステップ端のところで生じ、あたかもステップが流れる様に動くことによって結晶成長することをいう。
【００２０】
また、基板としては、ダイヤモンドのヘテロエピタキシャル成長が可能な基板であれば使用することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、平坦化のためのステップフロー成長が、格子状のマスク又は溝により規制されてそれを超えて成長することはなく、これらのマスク又は溝で区切られた領域内に粒界がない平坦化表面が得られる。この平坦化表面は、格子状のマスク又は溝により区切られた領域に形成されるので、このマスク又は溝により決められた特定の場所に、同一形状及び同一サイズで形成される。このため、この場所にトランジスタを作り込むことにより、単結晶基板にトランジスタを設けた場合と同様に、極めて高速の動作が可能なトランジスタを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の参考例であり、ストライプ状のマスクを使用した場合の高配向ダイヤモンド膜を形成した状態を示す平面図（ａ）、断面図（ｂ）である。
【図２】同じくこの参考例におけるステップフロー成長の過程を示す平面図（ａ）、断面図（ｂ）である。
【図３】同じくこの参考例におけるステップフロー成長の完成後の状態を示す平面図（ａ）、断面図（ｂ）である。
【図４】同じく、マスクを除去した後の平坦化膜を示す平面図（ａ）、断面図（ｂ）である。
【図５】本発明の第１実施形態における［１００］方向オフ角基板上に成長させた高配向ダイヤモンド膜を示す平面図である。
【図６】同じく格子状マスクを形成した後の高配向ダイヤモンド膜を示す平面図である。
【図７】ステップフロー成長の過程を示す模式図である。
【図８】同じくステップフロー成長が完了した後の表面を示す平面図である。
【図９】同じくマスクを除去した後の表面を示す平面図である。
【図１０】本発明の第２実施形態における溝形成後（ａ）、及びステップフロー成長後（ｂ）の状態を示す断面図である。
【図１１】本発明の第３実施形態におけるオフ面Ｓｉ基板（ａ）に溝を形成した後（ｂ）、高配向ダイヤモンドを成長させる（ｃ）工程を示す断面図である。
【図１２】同じく、ステップフロー成長させた後（ａ）、デバイスを作製する（ｂ）工程を示す断面図である。
【図１３】本発明の第４実施形態におけるジャストＳｉ基板に高配向ダイヤモンド膜を成長させた後（ａ）、オフ面研磨する（ｂ）工程を示す断面図である。
【図１４】同じく、マスクを形成して高配向ダイヤモンド膜をステップフロー成長させる工程を示す断面図である。
【図１５】本発明の第５実施形態を示し、図１３の工程の後に、溝を形成する工程を示す断面図である。
【図１６】従来例１のＳｉ（００１）基板上に高配向ダイヤモンド膜を形成する工程を示す断面図である。
【図１７】従来例２の［１−１０］方向オフ角基板上に成長させた高配向ダイヤモンド膜の結晶面を示す平面図である。
【図１８】同じくそのオフ角との関係を示す顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、参考例について説明する。単結晶の厚膜及び単結晶バルク結晶をホモエピタキシャル成長させる場合、オフ面基板を使用すると、欠陥の抑制及び成長速度の向上に効果があることが公知である。この場合には、単結晶内の原子層ステップに着目してステップフロー成長を行う。このステップの上段と下段は、完全に同じ方位である。また、単結晶であるために、ステップ端に平行な方向には段差が存在しないため、図１（ａ）に示すようなストライプ状のマスク３０でも結晶性が優れた面を得ることができる（特許文献２）。
【００２４】
本願発明者等は、この原理を高配向ダイヤモンド膜の成長に適用することにより、結晶粒界の低減に有効であることを見いだした。図１（ａ）、（ｂ）に示すように、（００１）面から［１１０］方向に傾斜して研磨した面のＳｉ基板を使用し、従来の方法で高配向ダイヤモンド膜２０を形成する。これにより、傾斜方向に沿って階段状の高配向ダイヤモンド膜が得られる。このまま高配向ダイヤモンド膜の成長を続けても、階段の平坦部（テラス２１）の斜面方向の長さは、最上位の段を除いてほとんど変化せず、その位置が斜面方向に平行移動するだけである。
【００２５】
この場合に、図１に示すように、斜面が延びる方向に垂直な方向、即ち、［−１１０］方向にストライプ状のマスク３０を形成し、マスク３０を超えてテラス２１が成長しないように成長を制限しながら、高配向ダイヤモンド膜２０を横方向（マスク３０の長手方向）に成長させる。そうすると、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、高配向ダイヤモンド膜からなる平坦化膜４０は、ステップフロー成長する。これにより、マスク３０間の領域毎に、最上位テラス（平坦化膜４０の斜面）の長さが伸び、下位のテラスが覆われていく。このステップフロー成長が終了すると、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、表面には、平坦化膜４０の最上位テラスの結晶がマスク３０間の大きさまで広がり、下位のテラスを全て覆う。そして、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、マスク３０を除去すると、平坦化膜４０の広大な面積のテラスが形成される。
【００２６】
しかしながら、このストライプ状のマスク３０を使用した場合は、高配向ダイヤモンド膜が単結晶膜ではないことに起因して問題点がある。即ち、高配向ダイヤモンド膜では、Ｓｉ基板に対して個々の粒子はヘテロエピタキシャル成長の関係にあるのであるが、実際には、個々の粒子は、基板方位から若干のずれがあり、少し離れた位置の粒子は元来相互に繋がっていない関係にあるから、ストライプ状のマスク３０と平行の方向にも結晶粒界に起因する段差が存在する。この段差の数は、成長を続けていけば、マスクなしで成長させた高配向ダイヤモンド膜で見られるように、徐々に少なくなっていくのであるが、段差の間隔及び位置はランダムのままであり、完全に消失させることはできない。
【００２７】
そこで、本発明においては、格子状のマスク又は溝を使用して、高配向ダイヤモンド膜を形成する。図５乃至図８は本発明の第１実施形態（マスク使用）の高配向ダイヤモンド膜の製造方法を示す平面図である。先ず、図５に示すように、［１００］方向のオフ角のＳｉ基板上に、高配向ダイヤモンド膜１を成長させる。なお、紙面に垂直の方向を［００１］方向とする。この［００１］方向は、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標軸でＺ軸に相当し、［１００］方向は、Ｘ軸に相当する。この高配向ダイヤモンド膜１は、［００１］方向に着目すると、図５における左下に位置する結晶面ほど、上位にある（高い）。
【００２８】
そして、この高配向ダイヤモンド膜１上に、図６に示すように、格子状のマスク２を形成する。このマスク２を形成した後、図７に示すように、平坦化膜としての第２の高配向ダイヤモンド膜３をステップフロー成長で形成する。そうすると、図７（ａ）に示すように、この第２の高配向ダイヤモンド膜３は、マスク２に囲まれた領域内で、その左下の位置から、［１００］方向に成長する。この第２の高配向ダイヤモンド膜３は、図７（ｂ）、図７（ｃ）、図７（ｄ）に示すように、ステップフロー成長で、原子層の階段状のステップ端で連続的に成長し、このステップ端が［１１０］方向、［１００］方向及び［１−１０］方向に移動していく。この平坦化膜のステップフロー成長において、マスク２は、ステップフロー成長を止めてマスク２からはみ出た成長が起きないようにするものである。本実施形態においては、格子状のマスク２によりステップフロー成長が規制されるので、最終的に、マスク２の格子に囲まれた領域内で成長するように規制された平坦化膜が得られる。
【００２９】
従って、図８に示すように、このステップフロー成長が完了すると、マスク３で囲まれた全ての領域は、平坦化膜として成長させた第２の高配向ダイヤモンド膜３の唯一の結晶で覆われる。つまり、マスク２により囲まれた各領域には、第２の高配向ダイヤモンド膜の１個のテラスが形成される。
【００３０】
そして、図９に示すように、マスク２を除去すると、表面は単結晶の第２の高配向ダイヤモンド膜３が、全て同一の大きさの矩形の形状及び大きさを有して、規則的に碁盤目状に配置された高配向ダイヤモンド膜が得られる。そして、マスク２が存在していた領域には、平坦化成長するまえの第１の高配向ダイヤモンド膜１が露出する。
【００３１】
本実施形態においては、矩形の第２の高配向ダイヤモンド膜３にトランジスタを作り込むことにより、単結晶のダイヤモンド膜上にトランジスタを設けた場合と同様に、高速動作が可能なトランジスタを得ることができる。そして、この矩形の第２の高配向ダイヤモンド膜３は、碁盤目状に規則正しく配置され、その形状は、矩形で、全て同一の形状を有しているため、トランジスタを形成する際の回路設計が容易である。
【００３２】
本実施形態においては、オフ面基板を使用し、格子状のマスクを形成することにより、第１の高配向性ダイヤモンド膜の表面を区切り、２方向（例えば、［１１０］方向及び［１−１０］方向）の平坦化層となる第２の高配向ダイヤモンド膜のステップフロー成長を制限する。このように、マスクにより囲まれた制限領域内でステップフロー成長を止め、隣の領域にステップフロー成長が延びないようにすることが本発明の特徴である。その結果、マスクにより決められた同一形状及び同一サイズの粒界がない表面、即ち、単結晶表面をもつ高配向ダイヤモンド膜を規則的に配列させることができる。よって、単結晶領域が規則的に配置されているので、トランジスタ等のデバイスを大量生産しやすいという利点がある。また、制限領域と、制限領域との間にのみ、粒界が存在するので、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のように、全体の大きさに比べてアクティブ領域が小さい場合は、アクティブ領域のみを制限領域内におけば、実質のデバイス動作は単結晶と同等にすることができる。
【００３３】
本実施形態のように、マスクを使用する場合は、第２の高配向ダイヤモンド膜の平坦化成長まで行い、これによりほとんどの領域を｛１００｝面で覆った後、そのままマスクを形成してもよいが、表面を研磨した後、マスクを形成することが好ましい。高配向ダイヤモンド膜で平坦化すると、通常、各粒子の高さは種々ばらつく。また、オフ角が大きければ、段差も大きくなる。一般的に段差の凹凸が大きいと、リソグラフィの歩留が低下し、設計どおりのパターンを形成することが困難であるので、好ましくない。このため、平坦化成長した高配向ダイヤモンド膜の表面を、一旦、研磨して、例えば、表面粗度Ｒａを５０ｎｍ以下にした後、マスクを形成して、更に、平坦化膜を形成すれば、上述の問題点が解消される。
【００３４】
オフ面基板の基準面は、（００１）面である。オフ面Ｓｉ基板を使用して高配向ダイヤモンド膜を成膜したものを基板としても良いし、ジャスト面Ｓｉ基板上に成膜した高配向ダイヤモンド膜をオフ面研磨したものを使用してもよい。（００１）面を基準に高配向ダイヤモンドを成長させると、四角形の｛１００｝面が出現するので、四角形の制限領域で、表面を規則的に覆い尽くすには、基準面を（００１）面とした方が好都合である。
【００３５】
（００１）面に対し、オフ角の傾斜方向は＜１００＞とし、マスクの方向は＜１１０＞とすることが好ましい。オフ角の傾斜方向を制限領域の対角線の方向、即ち、［１００］方向に一致させることにより、最上位の面を制限領域内の１点、即ち、角付近（例えば、図７の左下）に位置させることができる。その後、＜１１０＞方向に制限領域の端までステップ端が到達したとき、ステップ端と制限領域の縁とが平行なために一致し、制限領域を１個の結晶面で覆い尽くすには、最も効率が良い。ステップ端と制限領域の縁とがずれていると、最終的に単一の（１００）面で覆うとき、結晶面とパターンが傾いている分、ステップフロー成長時間が長くなるというロスが生じる。
【００３６】
オフ角は、３乃至１１°、より望ましくは５乃至９°である。オフ角は小さい方がＳｉ基板を効率的に使用できる。しかし、オフ角が小さすぎると、各結晶粒の上下方向の位置関係が乱れやすくなり、一方向のステップフロー成長に移行させるのが困難になる。一方、オフ角を大きくすると、ステップフローの方向が定まりやすいが、上位の面がマスクパターンの端まで成長するまでに、オフ方向に沿った断面をもって考えるとすると、ジャスト面よりｒ２・θ／２（ｒはマスクパターンの端から端までの距離、θはオフ角の大きさ）の面積分だけ多く成長させなければならない。即ち、オフ角θの大きさが大きいと、成膜時間が長くなり、製造コストが増加すると共に、隣の制限領域との間の段差が大きくなり、その後のデバイス作製時のリソグラフィにおいて、焦点距離の差が大きくなる。そうすると、微細加工が困難になる。このため、適切なオフ角は、上記事情を勘案して決めるものであり、３乃至１１°、より好ましくは、５乃至９°が好ましい。
【００３７】
基板としては、ダイヤモンドのヘテロエピタキシャル成長が可能なものであれば、種々の基板を使用することができる。Ｓｉ（００１）、ＳｉＣ（００１）、Ｉｒ（００１）及びＰｔ（００１）等の基板を使用することができるが、この中で、Ｓｉ（００１）基板が最も好ましい。
【００３８】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図１０（ａ）、（ｂ）は本発明の第２実施形態（溝使用）を示す模式的断面図である。本実施形態は、Ｓｉ基板（図示せず）上に第１の高配向ダイヤモンド膜５を配向成長させた後、ダイヤモンド膜をドライエッチングすることにより溝７を形成する。この溝７は、平面視で格子状をなす。その後、溝７が形成された第１の高配向ダイヤモンド５上にステップフロー成長で平坦化膜としての第２の高配向ダイヤモンド膜６を形成する。この第２の高配向ダイヤモンド膜６は、その成長が格子状の溝７により阻止されて、溝７を超えて成長することはない。これにより、第１実施形態と同様に、平坦化のステップフロー成長が完了すると、溝７により囲まれた制限領域内に、表面に粒界がなく、表面が単結晶と同様の特性をもつ第２の高配向ダイヤモンド膜６が形成される。
【００３９】
本実施形態は、第１実施形態のマスクの代わりに、溝を格子状に形成したものであるが、この溝によっても、ステップフロー成長を停止させて制限領域を区画することができ、この溝により決められた制限領域内に同一形状及び同一サイズの粒界がない表面、即ち、単結晶表面をもつ領域を規則的に配列させることができる。
【００４０】
溝の場合は、Ｓｉ基板に予め溝を形成しておくか、高配向ダイヤモンド膜の形成の途中に溝を形成するか、平坦化のための第２の高配向ダイヤモンド膜の形成後に溝を形成することができる。この中で、平坦化後に溝を形成することが最も好ましく、次いで、高配向ダイヤモンド膜の形成途中のバイアス核発生後が好ましく、次いで、Ｓｉ基板に予め溝を形成しておくことが好ましい。Ｓｉ基板への溝形成又はバイアス核発生後の溝形成は、ダイシングソーで行ってもよく、また、Ｓｉをエッチングできる液剤を使用してもよく、更に、プラズマでエッチングすることにより形成してもよい。Ｓｉ基板が第１の高配向ダイヤモンド膜で覆われた後の溝形成は、酸素を含むプラズマでダイヤモンドをエッチングすればよい。その他の処理条件は、第１実施形態のマスク使用の場合と同様である。
【００４１】
図１１及び図１２は本発明の第３実施形態を示す断面図である。本実施形態は、オフ面Ｓｉ基板に溝を形成するものである。図１１（ａ）に示すように、（１００）面のオフ面を有するＳｉ基板８に、図１１（ｂ）に示すように、ダイシングソー等により溝７を格子状に形成し、更に、図１１（ｃ）に示すように、溝７が形成されたＳｉ基板８の上に、高配向ダイヤモンド膜９を形成する。その後、図１２（ａ）に示すように、平坦化膜として第２の高配向ダイヤモンド膜１０をステップフロー成長により形成する。この第２の高配向ダイヤモンド膜１０は、ステップフロー成長する結果、格子状の溝７により囲まれた領域の表面において、粒界が消え、表面は単結晶と同様の特性を有する高配向ダイヤモンド膜が得られる。図１２（ｂ）に示すように、この単結晶に近い表面を有する平坦化膜としての高配向ダイヤモンド膜１０上に、デバイスを作成する。このデバイスの作成後は、溝７の位置で、各デバイスを分割してもよい。
【００４２】
本実施形態も、溝７により囲まれた領域に、表面に粒界がない高配向ダイヤモンド膜を形成することができる。
【００４３】
図１３（ａ）、（ｂ）及び図１４は、本発明の第４実施形態に係る高配向ダイヤモンド膜の成長過程を示す模式的断面図である。図１３（ａ）に示すように、Ｓｉ（００１）基板１１上に、第１の高配向ダイヤモンド膜１２を形成し、その後、この高配向ダイヤモンド膜１２上に平坦化膜として、第２の高配向ダイヤモンド膜１３を形成する。この第２の高配向ダイヤモンド膜１３は、その表面がＳｉ（００１）基板１１の表面に平行な結晶粒として成長する。
【００４４】
次に、図１３（ｂ）に示すように、この第２の高配向ダイヤモンド膜１３の表面をオフ面研磨して、オフ面１４を形成する。その後、図１４に示すようにして、このオフ面１４の上に、マスク１５を格子状に形成する。次いで、平坦化膜として高配向ダイヤモンド膜１７をステップフロー成長で形成する。これにより、格子状のマスク１５に囲まれた領域内に、粒界がない高配向ダイヤモンド膜１７が形成される。
【００４５】
また、図１５に示すように、このマスク１５の代わりに、高配向ダイヤモンド膜１３に溝１６を格子状に形成しても良い。溝１６の形成後、平坦化膜としての高配向ダイヤモンド膜１７をステップフロー成長で形成することにより、この高配向ダイヤモンド膜１７はステップフロー成長が溝１６により阻止され、この溝１６を超えて平坦化膜が成長することはない。これにより、格子状の溝１６に囲まれた領域内に、粒界がない高配向ダイヤモンド膜１７が形成される。
【実施例】
【００４６】
次に、本発明の実施例について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。下記表１は、従来例、比較例及び実施例の各工程を示す。高配向ダイヤモンド膜は、下記表２に記載の方法で作製した。これらの高配向ダイヤモンド膜の形成方法は、特許文献３及び４に記載されている方法と同様の方法である。
【００４７】
【表１】
2011162373.tif 000003
【００４８】
【表２】
2011162373.tif 000004
【００４９】
この高配向ダイヤモンド膜の形成工程における代表的なものは、例えば、Ｓｉ（１００）ウエハを基板とし、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置を使用し、上記表２の条件で表面炭化工程を３０分間、バイアス核発生工程を１５分間、配向成長工程を１５時間、平坦化成長工程は、３０時間実施した。この平坦化成長工程の粒径拡大条件は、例えば、特許文献５にも開示されている。
【００５０】
次に、マスクの形成方法について説明する。先ず、高配向ダイヤモンド膜の表面上に、ＣＶＤ（化学気相成長）法によりＳｉＯ２膜を形成した。なお、ＣＶＤの代わりに、蒸着法を使用してもよい。このＳｉＯ２膜の厚さは５００ｎｍである。次に、全面にレジストを塗布し、このレジストをフォトリソグラフィによりストライプ状（比較例）又は格子状（実施例）にパターニングした。このレジストパターンの幅は、５〜１０μｍ、ストライプ又は格子のピッチは５０〜２００μｍとした。次に、ＣＦ４＋５体積％Ａｒを使用した誘導結合プラズマにより、レジストをマスクとしてＳｉＯ２膜をエッチングし、既にパターニングされているレジストパターンをＳｉＯ２膜に転写した。これは、特許文献６に記載された方法と同様である。
【００５１】
ＳｉＯ２の代わりに、Ａｌ２Ｏ３等の酸化物、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ等の炭素を固溶する金属を使用することもできる。各素材のエッチングによるパターニングは、既知の方法によればよい。エッチングによるパターニングの代わりに、リフトオフ法も使用できる。このリフトオフ法は、レジストをパターニング形成した後、全面にマスク材料を蒸着し、その後、レジストを除去することにより、レジスト上のマスク材料も除去するものである。このリフトオフ法による場合は、レジストの耐久性の点から、ＣＶＤではなく蒸着によりマスク材料を形成することが好ましい。
【００５２】
なお、マスクを形成した後、高配向ダイヤモンド膜のステップフロー成長を行うが、その途中で、マスク上に意図せずにダイヤモンド粒子が成長したり、マスクが減少したりする。これにより、マスクには、ピンホール等の損傷が生じる可能性がある。このため、マスクは、定期的に、例えば、ステップフロー成長の１０時間毎に形成し直すことが好ましい。
【００５３】
次に、高配向ダイヤモンド膜に溝を形成する方法について説明する。段落００５０及び００５１と同様の方法で、但し、パターンは反転させたマスクを形成した後、Ｏ２に少量（１〜１０体積％）のＡｒを添加したガスを使用した誘導結合プラズマにより、高配向ダイヤモンド膜にバイアスを−１９００Ｖ印加した状態で、この高配向ダイヤモンド膜をエッチングした。この方法は、特許文献６に記載された方法と同様である。その結果、高配向ダイヤモンド膜がその表面に垂直の方向にエッチングされ、溝が形成された。
【００５４】
ステップフロー成長の条件は、表２の平坦化成長の条件と同一である。
【００５５】
次に、Ｓｉ基板の溝形成方法について説明する。核発生後の溝形成も同様の方法である。Ｓｉ基板上にレジストを形成した後、これをフォトリソグラフィでパターニングし、このレジストパターンをマスクとして、Ｓｉ用プラズマエッチング方法によりＳｉ基板をエッチングして溝を形成した。なお、このＳｉ基板に対する溝の形成は、上記プラズマエッチングではなく、ダイシングソーを使用しても良い。溝の深さは５０〜２００μｍ、溝の幅は２０〜５０μｍ、溝のピッチは５０〜２００μｍである。但し、溝の幅は溝ピッチの１／２を超えないようにした。溝形状は断面がＵ字形又は矩形のいずれでもよい。しかし、溝形状は、断面がＶ字形になるようにした方が、溝間に残る台地の上縁（台地上面と溝側面との間の角度）が鈍角になり、高配向ダイヤモンド膜の成長時にプラズマ電界が集中せず、上縁からの非配向結晶の成長を抑制できるため好ましい。核発生後でも、Ｓｉ基板の表面には高硬度ダイヤモンド膜は殆ど成長していないので、Ｓｉ基板の表面に溝を形成する場合と同様の方法で溝を形成できる。
【００５６】
Ｓｉ基板は、Ｓｉのインゴットに対し、ジャスト面（００１）で、又はジャスト面（００１）に対して傾斜させてスライスし、スライスした面を研磨し、更に、ＣＭＰ（化学的機械的研磨）を実施し、研磨面をバッファードフッ酸で洗浄した。その後、このＳｉ基板上に高配向ダイヤモンド膜を成長させる。
【００５７】
高配向ダイヤモンド膜のオフ面研磨は、既知のスカイフ板を使用する方法で、ジャスト面（００１）の基板面に対し、［１００］方向に傾斜させて研磨した後、研磨による歪み及び欠陥を除去するために、全面を、Ｏ２に少量（１〜１０体積％）のＡｒを添加したガスを使用した誘導結合プラズマにより、０．１〜０．５μｍの深さにエッチング除去した。
【００５８】
以上の方法により、表１に記載の従来例、比較例、実施例の各方法で、高配向ダイヤモンド膜を形成した。従来例１においては、図１６（ａ）に示すように、ジャスト（００１）面Ｓｉ基板１００上に、高配向ダイヤモンド層を成長させた。この高配向ダイヤモンド層は、基板１００上の配向成長層１０１と配向成長層１０１上の平坦化層１０２である。平坦化層１０２の結晶面は、基板面にほぼ平行であり、｛１００｝面である。但し、実際は、配向成長層１０１を形成する前に、表面炭化層と核発生層を形成するが、これらは極めて薄いため、図示していない。これらの各層の形成条件は、表２に記載の条件範囲内にある。配向成長層１０１では高配向ダイヤモンド層が成長し、この配向成長層１０１の表面を平坦化するようにして平坦化層１０２が成長している。
【００５９】
その後、平坦化成長を継続すると、図１６（ｂ）に示すように、高配向ダイヤモンド層がステップフロー成長し、単層のダイヤモンド層の端部で成長が生じ、上層にいくほど、結晶粒子が大きくなっていく。
【００６０】
そして、平坦化成長を続けると、図１６（ｃ）に示すように、ステップフロー成長により上位の粒子が拡大し、粒界はある程度減少していくが、その粒界の位置はランダムである。このように、従来例１の場合は、粒界がない領域を規則的な位置に設けることはできなかった。
【００６１】
従来例２の場合は、（００１）面から［１−１０］方向へオフしたオフ面Ｓｉ基板上に高配向ダイヤモンド膜を成長し、その後、ステップフローで平坦化層を成長させた。このときの高配向ダイヤモンド膜の結晶粒界を図１７に模式的に示す。左縁の結晶面ほど高位にある。しかし、この従来例２の場合は、結晶面が均一に成長することがなく、粒界がない領域を規則的な位置に設けることができなかった。図１８はオフ角が２°（図１８（ａ））、３°（図１８（ｂ））、５°（図１８（ｃ））、７°（図１８（ｄ））、９°（図１８（ｅ））の場合のオフ面Ｓｉ基板上に成膜した高配向ダイヤモンド膜の結晶面を示す。このように、いずれのオフ角においても、結晶粒界がない領域を規則正しい位置に設けることはできなかった。なお、図１８は、走査型電子顕微鏡により、図中に記載のスケールで、結晶の表面を撮影したものである。
【００６２】
また、比較例の場合は、図１乃至図４に示すように、ストライプ状のマスクにて平坦化膜のステップフロー成長は停止するが、マスクに対して垂直の方向には、結晶粒界がない領域が不規則に並んでいた。
【００６３】
これに対し、実施例１の場合は、図５乃至図９に示すように、粒界がない領域が規則的に並んだ高配向ダイヤモンド膜が得られた。また、実施例２の場合は、高配向ダイヤモンド膜に格子状の溝を形成したものであり、図１０に示すように、粒界がないダイヤモンド表面が格子状の溝に囲まれた領域に形成された。更に、実施例３の場合は、オフ面Ｓｉ基板に格子状の溝を形成したものであり、図１１及び図１２に示すように、粒界がないダイヤモンド表面が格子状の溝に囲まれた領域に形成された。実施例４の場合は、バイアス核発生後に溝を形成したものであり、実施例３の図１１及び図１２と同様であった。実施例５の場合は、図１３及び図１４に示すように、ジャスト（００１）面Ｓｉ基板を使用し、高配向ダイヤモンド膜にオフ面研磨を施した上でマスクを形成したものであるが、実施例１の図９と同様に、粒界がない領域が規則的に配列した高配向ダイヤモンド膜が得られた。実施例６の場合は、図１３及び図１５に示すように、ジャスト（００１）面Ｓｉ基板を使用し、高配向ダイヤモンド膜にオフ面研磨を施した上で溝を形成したものであるが、実施例２と同様に、粒界がない領域が規則的に配列した高配向ダイヤモンド膜が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、高配向ダイヤモンド膜を形成する際に、表面に結晶粒界がない領域を同一の大きさ形状で、規則的に配列することができ、単結晶ダイヤモンドにトランジスタ等のデバイスを形成した場合と同様の高速動作が可能となり、ダイヤモンド基板上にデバイスを形成する技術の応用に多大の貢献をなす。
【符号の説明】
【００６５】
１、３、５、６、９、１０、１２、１３、１０１、１０２：高配向ダイヤモンド膜
２、１５：格子状マスク
７、１６：溝
８、１１、１００：オフ面Ｓｉ基板
１４：オフ面
【図１】
2011162373.tif 000005
【図２】
2011162373.tif 000006
【図３】
2011162373.tif 000007
【図４】
2011162373.tif 000008
【図５】
2011162373.tif 000009
【図６】
2011162373.tif 000010
【図７】
2011162373.tif 000011
【図８】
2011162373.tif 000012
【図９】
2011162373.tif 000013
【図１０】
2011162373.tif 000014
【図１１】
2011162373.tif 000015
【図１２】
2011162373.tif 000016
【図１３】
2011162373.tif 000017
【図１４】
2011162373.tif 000018
【図１５】
2011162373.tif 000019
【図１６】
2011162373.tif 000020
【図１７】
2011162373.tif 000021
【図１８】
2011162373.tif 000022