(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンド基板と、前記ダイヤモンド基板表面の異常成長粒子や成長丘の原因である転位、研磨傷等の欠陥部分の成長を抑制する物質をドープしてなる欠陥部分成長抑制ダイヤモンド薄膜層と、前記ダイヤモンド薄膜上に、p+ダイヤモンド層を備え、前記ダイヤモンド薄膜にドープされる物質はホウ素であり、濃度は1020〜1022atoms/cm3であり、前記ダイヤモンド薄膜上又は前記p+ダイヤモンド層表面の凹凸において、基板の欠陥に起因する前記凹凸は103cm-2以下であることを特徴とするダイヤモンド薄膜積層体。
【請求項２】
前記ダイヤモンド薄膜及び前記p+ダイヤモンド層はマイクロ波プラズマ化学気相成長法(CVD)により得られたことを特徴とする請求項１記載のダイヤモンド薄膜積層体。
【請求項３】
前記ダイヤモンド基板は、｛００１｝、｛１１０｝又は｛１１１｝面を備えることを特徴とする請求項１記載のダイヤモンド薄膜積層体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤモンドのエピタキシャル成長に関し、より詳しくは半導体デバイス特性を改善できるダイヤモンドをエピタキシャル成長して形成されるダイヤモンド薄膜を有するダイヤモンド薄膜積層体。
【背景技術】
【０００２】
従来、ホモエピタキシャル成長させたダイヤモンド膜表面は、異常成長粒子や成長丘、マクロバンチング、そしてエッチピットといった欠陥が形成されやすいことが知られている。
これらの欠陥は表面の平坦性を劣化させるだけではなく、デバイス特性も劣化させる。他の材料を見てもデバイス特性において表面の平坦性は非常に重要であり、ダイヤモンドを用いたデバイス作製においても、これらの欠陥が発生しない基板が必要である。
ダイヤモンド(001)基板上において、マイクロ波プラズマCVDを用いて炭素源ガスの供給量を供給ガス全体の0.025%として成長した表面はステップテラス構造の形成が報告されている（非特許文献1参照）。その技術を用いてそのような層をバッファー層としてまず形成し、その上に目的の膜を形成する2段階成長により異常成長粒子等が低減することが報告されている（非特許文献２参照）が、実際は103 cm-2以下を達成することは難しい。
【０００３】
一方、電極となるような低抵抗のダイヤモンド薄膜を下地電極として用いることで擬似縦型デバイスが開発されている（非特許文献３、４参照）。我々は高濃度にホウ素をドープすることで抵抗率5mΩcmのダイヤモンド薄膜の形成に成功している（非特許文献５参照）。その際、気相中のホウ素/炭素の比を上げることで異常成長粒子等の密度を103 cm-2オーダーまで低減することにも成功している。
しかし、ダイヤモンドを用いたデバイス作製において、異常成長粒子等の密度が103 cm-2以下の平坦なダイヤモンド膜を形成する技術が求められている。
【０００４】
【非特許文献１】H. Watanabe, D. Takeuchi, S. Yamanaka, H. Okushi, K. Kajimura, T.Sekiguchi, Diamond and Related Materials 8 (1999) 1272-1276.
【非特許文献２】S. Yamanaka, D. Takeuchi, H.Watanabe, H. Okushi, K. Kajimura, Diamond and Related Materials 9 (2000)956-959.
【非特許文献３】T. Makino, N. Tokuda, H. Kato, M.Ogura, H. Watanabe, S.-G. Ri, S. Yamasaki, H. Okushi, Japanese Journal ofApplied Physics 45 (2006) L1042-L1044.
【非特許文献４】H. Umezawa, T. Saito, N. Tokuda,M. Ogura, S.-G. Ri, H. Yoshikawa, S. Shikata, Applied Physics Letters 90(2007) 073506-1 - 073506-3.
【非特許文献５】N. Tokuda, T. Saito, H. Umezawa,H. Okushi, S. Yamasaki,Diamond and Related Materials 16 (2007) 409-411.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
通常、ホモエピタキシャル成長させたダイヤモンド膜表面上に異常成長粒子や成長丘等が103 cm-2以上形成される。これらは表面の平坦性を劣化させるだけではなく、その基板上に作製したデバイス特性を劣化させる。そのため、異常成長粒子や成長丘等が103 cm-2以下の平坦面を有するダイヤモンド膜が成長可能な基板が必要とされており、本発明はこれを課題とした。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ダイヤモンド基板と、前記ダイヤモンド基板表面の異常成長粒子や成長丘の原因である転位、研磨傷等の欠陥部分の成長を抑制する物質をドープしてなる欠陥部分成長抑制ダイヤモンド薄膜層と、前記ダイヤモンド薄膜上に、p+ダイヤモンド層を備え、前記ダイヤモンド薄膜にドープされる物質はホウ素であり、濃度は1020〜1022atoms/cm3であり、前記ダイヤモンド薄膜上又は前記p+ダイヤモンド層表面の凹凸において、基板の欠陥に起因する前記凹凸は103cm-2以下であることを特徴とするダイヤモンド薄膜積層体である。
また、本発明においては、前記ダイヤモンド薄膜及び前記p+ダイヤモンド層はマイクロ波プラズマ化学気相成長法(CVD)により得ることができる。
さらに、本発明においては、前記ダイヤモンド基板は、｛００１｝、｛１１０｝又は｛１１１｝面を備えることができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の平坦面を有するダイヤモンド基板は、その表面上に異常成長粒子や成長丘等が103 cm-2以下であり、その上にダイヤモンド層を成長しても異常成長粒子や成長丘が103 cm-2以下の平坦面を備えるダイヤモンド膜が成長可能であることが判明した。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明で用いるダイヤモンド表面は、結晶構造が{001}、{110}又は{111}のダイヤモンドを用いることができ、実施例では結晶構造(001)を用いたが、実施例には示さなかった結晶構造{110}及び{111}表面においても、同様に実施できることを確認している。
本発明における異常成長粒子や成長丘の原因である転位、研磨傷等の欠陥部分からの成長を抑制する物質をドープしてなるダイヤモンド薄膜は、成長中に高濃度のホウ素をドーピングすることにより得られる。そのダイヤモンド膜中のホウ素濃度は1020〜1022 atoms/cm3であり、用いるダイヤモンド表面の種類{001}、{110}又は{111}に応じて、炭素及びホウ素源ガスの濃度などの成長条件を制御する必要がある。またドープする元素はホウ素だけに限らず、アルミニウムや窒素、リン等も可能である。
本発明においては、ダイヤモンド薄膜成長する条件に際して、炭素源ガスの供給量を供給ガス全体の0.5〜10%とし、ホウ素/炭素比を0.1~50%とすることで成長した膜中のホウ素濃度が1020〜1022 atoms/cm3を備えるダイヤモンド層を薄膜成長させることができる。
このようにすることにより、本発明では、ダイヤモンド基板表面の異常成長粒子や成長丘の原因である転位、研磨傷等の欠陥部分からの成長を抑制する物質をドープしてなるダイヤモンド薄膜上に異常成長粒子や成長丘等が103 cm-2以下の平坦面を備えるp+ダイヤモンド層を設けることができる。
本発明で用いる炭素源ガスは、メタン、エタン等の炭化水素や、一酸化炭素、二酸化炭素及び水素の混合物を用いる。その際、酸素や希ガスが混合された状態でも可能である。
本発明で用いるホウ素源ガスは、ジボランやトリメチルホウ素及び水素の混合物を用いる。その際、酸素や希ガスが混合された状態でも可能である。
本発明のダイヤモンド成長の手段としては、CVDを用いることができる。特に、マイクロ波プラズマCVDを用いることが望ましい。
本発明においては、異常成長粒子や成長丘の原因である転位、研磨傷等の欠陥部分からの成長を抑制する物質をドープしてなるダイヤモンド薄膜を用いることにより、その基板上に異常成長粒子や成長丘等が103 cm-2以下の平坦なダイヤモンド膜を得ることができる。
本発明について実施例を用いてさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【０００９】
手順を図１に示す。プロセス１は異常成長粒子や成長丘の原因である転位、研磨傷等の欠陥部分からの成長を抑制する物質をドープしてなるダイヤモンド薄膜をバッファー層として用いた場合である。まず、高温/高圧合成によるIbダイヤモンド(001)基板を、マイクロ波プラズマCVD装置の反応器に導入し、その表面の欠陥を低減する目的で水素プラズマエッチングを行った。その時の条件は1300 W、80Torr、基板温度900℃、プラズマ体積400cm3であった。その後、その反応器内でバッファー層のダイヤモンド膜の成長を行った。その時の成長条件は800W、30Torr、基板温度700℃、プラズマ体積400cm3、水素濃度99%、メタン濃度1%、ホウ素/炭素比は10%であった。
その後、そのバッファー層上にp+ダイヤモンド層を1200W、50Torr、基板温度800℃、プラズマ体積500cm3、水素濃度99%、メタン濃度0.6%、ホウ素/炭素比は1.6%の成長条件で形成した。SIMSで測定したバッファー層、低抵抗ダイヤモンド膜中のホウ素濃度はそれぞれ1021と4×1020 atoms/cm3であった。またp+ダイヤモンド層の300Kで測定された抵抗率は5 mΩcmであった。その断面構造の模式図を図２に示す。
すなわち、ダイヤモンド基板上にバッファー層として異常成長粒子や成長丘の原因である転位、研磨傷等の欠陥部分からの成長を抑制する物質をドープしてなるダイヤモンド薄膜を形成し、その上に300Kで測定された抵抗率が5mΩcmのダイヤモンド膜の表面が平坦になることが確認できた。
【００１０】
図１のプロセス１により得られたダイヤモンド膜表面を光学顕微鏡で観察した結果を図３に示す。
また、比較のためバッファー層として水素濃度99.95%、メタン濃度0.025%、ホウ素は意図的にドープしていない成長条件で形成したダイヤモンド薄膜上に抵抗率5mΩcmのダイヤモンド膜を形成した表面の結果を図４に示す。その基板中心付近では104 cm-2、基板端付近では106 cm-2の異常成長粒子や成長丘が観察された。
【００１１】
異常成長粒子や成長丘の原因である転位、研磨傷等の欠陥部分からの成長を抑制する物質をドープしてなるダイヤモンド薄膜表面は荒れている。水素濃度96%、メタン濃度4%、ホウ素/炭素比25%の条件で７時間成長したダイヤモンド膜表面の原子間力顕微鏡像を図５に示す。その表面の平均二乗粗さは5.4 nmであった。つまり、巨視的には平坦にできるが微視的には荒れている。しかし、バッファー層上に形成したp+ダイヤモンド層の表面は図６に示すように平坦化されている。その理由は、p+ダイヤモンド層の成長機構によるものと考えられる。具体的には、p+ダイヤモンド層の成長機構は２次元核形成を伴うステップフロー成長である。荒れている表面は微視的に見るとステップで構成されている。ステップフロー成長はそのステップから横方向に選択的に成長する。ステップフロー成長のみであれば、ステップテラス構造を持つ原子的に平坦な表面が得られるが、p+ダイヤモンド層の成長機構は２次元核形成を伴うため図６に示したような表面ラフネスを持つ。その表面の平均二乗粗さは0.11 nmであり、これは図４に示した試料の異常成長粒子や成長丘以外の部分のp+ダイヤモンド層表面と同等である。
【産業上の利用可能性】
【００１２】
本発明は、低抵抗ダイヤモンド膜の表面上を平坦にするだけはなく、バッファー層として用いることで平坦な表面を持つあらゆるタイプのダイヤモンド膜を提供することが期待できる。また、高濃度ホウ素により基板に存在する転位などの結晶欠陥を不活性化させその上に形成した膜の欠陥密度を低減することも期待できる。あらゆるダイヤモンド膜を用いたデバイスの特性を向上させることが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明を用いた手順
【図２】本発明を用いて作製した試料の断面図の一例
【図３】本発明を用いて作製した試料の光学顕微鏡像
【図４】通常の２段階成長法（プロセス２：メタン濃度0.025%をバッファー層）を用いて作製した試料の光学顕微鏡像
【図５】高濃度ホウ素ドープ（水素濃度96%、メタン濃度4%、ホウ素/炭素比25%の条件で７時間成長）により得られたダイヤモンド薄膜表面の原子間力顕微鏡像
【図６】本発明を用いて作製した試料の原子間力顕微鏡像
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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