JP2003243314A - ダイヤモンド膜の製造方法およびそれを用いた電子デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 正孔の移動度を飛躍的に増加させることを可
能にするダイヤモンド膜の製造方法、および、それを用
いた電子デバイスの製造方法を提供する。 【解決手段】 （００１）面方位を有する高温高圧合成
ダイヤモンド単結晶基板１上にマイクロ波プラズマ化学
気相堆積法で成長するダイヤモンド膜２の製造方法であ
って、ダイヤモンド膜２の成長時の基板温度を摂氏６４
０度から６８０度までの範囲にし、成長後のダイヤモン
ド膜２の厚さを１μmから３μmの範囲にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超高周波（例えば
２００ＧHz帯）で動作する、あるいは高温（例えば４０
０℃）で動作するダイヤモンド膜の製造方法、このダイ
ヤモンドを用いた電子デバイス（電界効果トランジスタ
ー）の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドは、正孔の飽和速度が１×
１０^７cm/s、絶縁破壊電界が１０^７Ｖ/cmである（D.L.D
reifus and B.A.Fox, Mark A.Prelas著、Handbook of i
ndustrial diamonds and diamond films, Marcel Dekke
r, Inc. New York 1998, 1043ページ）。ダイヤモンド
膜を用いた、GaAsの１０倍の遮断周波数をもつ電子デバ
イス（電界効果トランジスター）の実現が期待されてい
る。

【０００３】ダイヤモンド膜の最も簡便なp型ドーピン
グ法は、水素パッシベーションと称する方法である。つ
まり、マイクロ波プラズマ化学気相堆積法による成長中
のダイヤモンド表面は、水素ラジカルにさらされてい
る。その水素ラジカルは、ダイヤモンド表面原子と化学
結合し、それがアクセプターになるため、ダイヤモンド
膜中に正孔を供給するというものである。その方法を用
いた電界効果トランジスターの作製は、川原田らのグル
ープなどによって既に発表されている（応用物理学会
誌、２００１年５月号５３６頁）。

【０００４】しかし、この方法によって作製したダイヤ
モンドの正孔移動度は、室温で高々３０cm^２/Ｖ・ｓま
たは７０cm^２/Ｖ・ｓであり、また電界効果トランジス
ターのゲート電圧・ドレイン電流特性から求められた移
動度も１００cm^２/Ｖ・ｓ程度であった。これらの値
は、価電子帯を正孔が走行するという理想的な場合の正
孔移動度の理論的予想値である１５００〜２０００cm^２
/Ｖ・ｓより極めて低いといえる。

【０００５】このような従来の技術による作製例を、図
１１および図１２に示す。図１１（ａ）に示すように、
（００１）面方位の高温高圧合成ダイヤモンド単結晶基
板２０１（以下、基板２０１という）を反応管内に導入
する。前記反応管内に、炭素源としてのＣＨ_４ガスを供
給し、水素源としてのＨ_２ガスを供給する。また、前記
反応管内に、マイクロ波を導入することにより、プラズ
マ２２１を発生させる。基板２０１の表面をプラズマ２
２１にさらす。これをマイクロ波プラズマ化学気相堆積
（以下、マイクロ波ＣＶＤという）法と呼ぶ。

【０００６】図１１（ｂ）に示すように、基板２０１上
にＣＶＤダイヤモンド層２０２が成長する。成長中のＣ
ＶＤダイヤモンド層２０２の表面には、水素ラジカル２
２２が吸着する。水素ラジカル２２２は、正孔を供給す
るアクセプターとなる。ＣＶＤダイヤモンド層２０２の
膜厚をｄとする。従来の技術では、成長時の基板温度が
７５０℃または８００℃、膜厚ｄが２μm以下であった
（山中貞則他、電子技術総合研究所彙報、第６３巻、第
１，２号、２１頁）。

【０００７】図１１（ｃ）に示すように、ＣＶＤダイヤ
モンド層２０２上にＭＩＳトランジスターを作製するた
めに、SiＯ_２膜などの絶縁膜２０３をスパッタ法などに
より堆積する。この際、供給原料のエネルギーなどによ
り、基板２０１の温度が摂氏３００度以上に上昇してし
まう。すると、温度の上昇によって、表面に吸着してい
た水素ラジカル２２２が蒸発してしまった。

【０００８】図１２（ａ）に示すように、図１１（ｃ）
のＣＶＤダイヤモンド層２０２および絶縁膜２０３に、
ソース電極２０４、ゲート電極２０５、およびドレイン
電極２０６を作成するために金属を蒸着する。この際、
供給原料のエネルギーなどにより、基板２０１の温度は
摂氏３００度以上に上昇してしまう。すると、ＣＶＤダ
イヤモンド層２０２の表面上に吸着していた水素ラジカ
ル２２２が蒸発してしまった。

【０００９】こうして作成して完成した電界効果トラン
ジスターの構造を、図１２（ｂ）に示す。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】先に述べた、ＣＶＤダ
イヤモンド層２０２による電界効果トランジスターに
は、次のような課題がある。つまり、従来のＣＶＤダイ
ヤモンド層２０２では、（１００）面の場合、膜厚ｄが
２μm以下と薄かった。従来の技術で作製されたＣＶＤ
ダイヤモンド層２０２を正孔が走行する様子を、図１３
に表す。表面の水素ラジカルはアクセプターとして働
き、ＣＶＤダイヤモンド層２０２内に正孔２２３を生成
する。しかし、正孔２２３がＣＶＤダイヤモンド層２０
２内を走行する際に、前記水素ラジカルがイオン不純物
散乱を起こすので、正孔２２３が非常に低い移動度しか
出すことができなかった。

【００１１】また、従来の技術の絶縁膜２０３の堆積
（図１１（ｃ））、金属膜の蒸着の工程（図１２
（ａ））においては、ＣＶＤダイヤモンド層２０２の温
度が上昇し、表面の水素ラジカルが蒸発してしまった。
水素ラジカルの面密度が低下すると、生成する正孔の密
度が減少し、移動度も大幅に減少しまう。

【００１２】この発明は、前記の課題を解決し、正孔の
移動度を飛躍的に増加させることを可能にするダイヤモ
ンド膜の製造方法、および、それを用いた電子デバイス
の製造方法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項１の発明は、（００１）面方位を有する高温
高圧合成ダイヤモンド単結晶基板上にマイクロ波プラズ
マ化学気相堆積法で成長するダイヤモンド膜の製造方法
であって、前記ダイヤモンド膜の成長時の基板温度を摂
氏６４０度から６８０度までの範囲にし、成長後の前記
ダイヤモンド膜の厚さを１μmから３μmの範囲にしたこ
とを特徴とするダイヤモンド膜の製造方法である。

【００１４】請求項２の発明は、（００１）面方位を有
する高温高圧合成ダイヤモンド単結晶基板上にマイクロ
波プラズマ化学気相堆積法で成長したダイヤモンド膜の
製造方法であって、前記ダイヤモンド膜の成長時の基板
温度を摂氏６４０度から６８０度までの範囲にし、成長
後の前記ダイヤモンド膜の厚さを３μmから１１μmの範
囲にしたことを特徴とするダイヤモンド膜の製造方法で
ある。

【００１５】請求項３の発明は、（００１）面方位を有
する高温高圧合成ダイヤモンド単結晶基板上にマイクロ
波プラズマ化学気相堆積法で成長したダイヤモンド膜の
製造方法であって、前記ダイヤモンド膜の成長時の基板
温度を摂氏６４０度から６８０度までの範囲にし、成長
後の前記ダイヤモンド膜の厚さを１１μmから２６μmの
範囲にしたことを特徴とするダイヤモンド膜の製造方法
である。

【００１６】請求項４の発明は、（００１）面方位を有
する高温高圧合成ダイヤモンド単結晶基板上にマイクロ
波プラズマ化学気相堆積法で成長したダイヤモンド膜の
製造方法であって、前記ダイヤモンド膜の成長時の基板
温度を摂氏６８０度から７６０度までの範囲にし、成長
後の前記ダイヤモンド膜の厚さを３μmから８μmの範囲
にしたことを特徴とするダイヤモンド膜の製造方法であ
る。

【００１７】請求項５の発明は、（００１）面方位を有
する高温高圧合成ダイヤモンド単結晶基板上にマイクロ
波プラズマ化学気相堆積法で成長したダイヤモンド膜の
製造方法であって、前記ダイヤモンド膜の成長時の基板
温度を摂氏６８０度から７６０度までの範囲にし、成長
後の前記ダイヤモンド膜の厚さを８μmから２０μmの範
囲にしたことを特徴とするダイヤモンド膜の製造方法で
ある。

【００１８】請求項６の発明は、（００１）面方位を有
する高温高圧合成ダイヤモンド単結晶基板上にマイクロ
波プラズマ化学気相堆積法で成長したダイヤモンド膜の
製造方法であって、前記ダイヤモンド膜の成長時の基板
温度を摂氏７６０度から７９０度までの範囲にし、成長
後の前記ダイヤモンド膜の厚さを１μmから３μmの範囲
にしたことを特徴とするダイヤモンド膜の製造方法であ
る。

【００１９】請求項７の発明は、（００１）面方位を有
する高温高圧合成ダイヤモンド単結晶基板上にマイクロ
波プラズマ化学気相堆積法で成長したダイヤモンド膜の
製造方法であって、前記ダイヤモンド膜の成長時の基板
温度を摂氏７６０度から７９０度までの範囲にし、成長
後の前記ダイヤモンド膜の厚さを３μmから１０μmの範
囲にしたことを特徴とするダイヤモンド膜の製造方法で
ある。

【００２０】請求項８の発明は、（００１）面方位を有
する高温高圧合成ダイヤモンド単結晶基板上にマイクロ
波プラズマ化学気相堆積法で成長したダイヤモンド膜の
製造方法であって、前記ダイヤモンド膜の成長時の基板
温度を摂氏７６０度から７９０度までの範囲にし、成長
後の前記ダイヤモンド膜の厚さを１０μmから２０μmの
範囲にしたことを特徴とするダイヤモンド膜の製造方法
である。

【００２１】請求項９の発明は、（１１１）面方位を有
する高温高圧合成ダイヤモンド単結晶基板上にマイクロ
波プラズマ化学気相堆積法で成長したダイヤモンド膜の
製造方法であって、前記ダイヤモンド膜の成長時の基板
温度を摂氏６３５度から７００度までの範囲にし、成長
後の前記ダイヤモンド膜の厚さを０.７５μmから３μm
までの範囲にしたことを特徴とするダイヤモンド膜の製
造方法である。

【００２２】請求項１０の発明は、（１１１）面方位を
有する高温高圧合成ダイヤモンド単結晶基板上にマイク
ロ波プラズマ化学気相堆積法で成長したダイヤモンド膜
の製造方法であって、前記ダイヤモンド膜の成長時の基
板温度を摂氏６３５度から７００度までの範囲にし、前
記ダイヤモンド膜の厚さを３μmから１６μmまでの範囲
にしたことを特徴とするダイヤモンド膜の製造方法であ
る。

【００２３】請求項１１の発明は、高温高圧合成ダイヤ
モンド単結晶基板上に、マイクロ波プラズマ化学気相堆
積法で成長したダイヤモンド膜の表面に絶縁膜を堆積す
る、ダイヤモンド膜を用いた電子デバイスの製造方法で
あって、前記絶縁膜を堆積するプロセスで、前記ダイヤ
モンド膜を冷却して、前記ダイヤモンド膜の温度を摂氏
１００度以下にすることを特徴とする電子デバイスの製
造方法である。

【００２４】請求項１２の発明は、高温高圧合成ダイヤ
モンド単結晶基板上に、マイクロ波プラズマ化学気相堆
積法で成長したダイヤモンド膜表面に金属膜を蒸着す
る、電子デバイスの製造方法であって、前記金属膜を蒸
着するプロセスで、前記ダイヤモンド膜を冷却して、前
記ダイヤモンド膜の温度を摂氏１００度以下にすること
を特徴とする電子デバイスの製造方法である。

【００２５】請求項１３の発明は、高温高圧合成ダイヤ
モンド単結晶基板上に、マイクロ波プラズマ化学気相堆
積法で成長したダイヤモンド膜表面に、少なくとも1
回、金属膜を蒸着するプロセスまたは絶縁膜を堆積する
プロセスを施し、この後、再び水素雰囲気のプラズマに
前記ダイヤモンド膜表面をさらすプロセスを施すことを
特徴とする電子デバイスの製造方法である。

【００２６】請求項１から請求項１０においては、ダイ
ヤモンド膜の膜厚を適度に増加させることにより、正孔
が走行する領域と水素ラジカルの存在する表面とを空間
的に離すことことができ、正孔の走行に影響を及ぼすイ
オン散乱を抑制することができ、極めて高い正孔移動度
を実現することができる。また、請求項９および請求項
１０の発明においては、（１１１）面方位のダイヤモン
ド基板を用いることにより、ＣＶＤダイヤモンド膜は高
い正孔移動度を保ったままで、高い正孔濃度を得ること
ができる。

【００２７】また、請求項１１、１２の発明において
は、絶縁膜の堆積、金属膜の蒸着時における水素ラジカ
ルの蒸発を抑制することができるので、正孔濃度の減少
を抑制することができる。請求項１３の発明では、従来
の絶縁膜の堆積、金属膜の蒸着時に一旦減少した水素ラ
ジカルを回復することができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】つぎに、本発明の実施の形態につ
いて、図面を参照して詳しく説明する。

【００２９】［実施の形態１］本実施の形態では、（０
０１）面方位を有する基板を使っている。本実施の形態
による作製工程を図１に示す。図１（ａ）に示すよう
に、支持台１０１の基板１は、（００１）面方位を有す
る高温高圧合成ダイヤモンド単結晶基板である。基板１
上に、マイクロ波ＣＶＤ法によりＣＶＤダイヤモンド膜
を成長する。つまり、反応管内に、炭素源としてＣＨ_４
ガスを供給し、水素源としてＨ_２ガスを供給する。ま
た、前記反応管内にマイクロ波を導入することにより、
プラズマ１２１を発生させて、基板１の表面をプラズマ
１２１にさらす。

【００３０】このとき、前記反応管内の圧力が５０Torr
であり、６Ｎ（シックスナイン、９９.９９９９％以
上）の純化した水素ガスと６Ｎの高純度メタンガスとを
１００：１の割合で供給する。マイクロ波の出力は１３
００Ｗである。

【００３１】成長中の基板温度を次のようにして測定す
る。つまり、基板面に対して約４５度の角度からビユー
ポート（窓の素材、石英ガラス）１０２を通して、波長
１.８８μmで測定したパイロメーター温度計１０３でモ
ニターした測定値を用いる。支持台１０１の素材はモリ
ブデンであるので、放射率０.１６で測定した値を用い
る。

【００３２】図１（ｂ）に示すように、基板１にダイヤ
モンド膜２が成長する。基板１上に成長したＣＶＤダイ
ヤモンド膜２（以下、ダイヤモンド膜２という）、の膜
厚をd１とする。ダイヤモンド膜２の表面には水素ラジ
カル１２２が吸着している。

【００３３】成長時の基板温度と、得られたダイヤモン
ド膜の各膜厚とにおける、室温での正孔移動度を計測し
た。正孔のホール移動度（以下、単に正孔移動度とい
う）の計測は、van der Pauw法と呼ばれる方法によって
行われた。この方法の詳細は、例えば、「半導体評価技
術」河東田隆編著、産業図書、２１７ページから２３２
ページに記されている。先端の曲率半径が５μmの尖っ
たSus３０４の材質の四探針を、各々、ほぼ正方形の形
状を持った試料の表面上の角の近くに接触させる。表面
に垂直に磁場を印加し、四探針のうち対角の２探針間に
微小電流を流し、もう一方の対角の２探針間に現れる電
圧を測定する。そして、測定した値から移動度（正確に
はホール移動度）を算出する方法である。

【００３４】実際の測定においては、磁場の大きさを
０.３２４テスラ、微小電流値を１０マイクロアンペア
で測定した。しかし、異なる磁場の大きさ、微小電流値
で測定した場合でも、実際に得られた移動度はほとんど
変化せず、その変動は、たかだか２％であった。

【００３５】正孔移動度の計測結果を図２に示す。図２
では、符号◎、○、△、×は次のとおりである。 ◎…正孔移動度が１２００cm^２/Ｖ・ｓ以上の場合 ○…正孔移動度が１２００cm^２/Ｖ・ｓ未満、１０００c
m^２/Ｖ・ｓ以上の場合 △…正孔移動度が１０００cm^２/Ｖ・ｓ未満、８００cm
^２/Ｖ・ｓ以上の場合 ×…正孔移動度が８００cm^２/Ｖ・ｓ未満の場合

【００３６】図２の領域Ｉ（請求項１に対応）は、基板
温度が摂氏６４０度から６８０度までの範囲、厚さが１
μmから３μmの範囲である。領域Ｉは、正孔移動度が１
０００〜１２００cm^２/Ｖ・ｓであり、正孔移動度の高
い領域である。

【００３７】領域II（請求項２に対応）は、基板温度が
摂氏６４０度から６８０度までの範囲、厚さが３μmか
ら１１μmの範囲である。領域IIは、正孔移動度が１２
００cm ^２/Ｖ・ｓ以上であり、正孔移動度の非常に高い
領域である。

【００３８】領域III（請求項３に対応）は、基板温度
が摂氏６４０度から６８０度までの範囲、厚さが１１μ
mから２６μmの範囲である。領域IIIは、正孔移動度が
およそ８００〜１０００cm^２/Ｖ・ｓであり、正孔移動
度が高い領域である。

【００３９】領域IV（請求項４に対応）は、基板温度が
摂氏６８０度から７６０度までの範囲、厚さが３μmか
ら８μmの範囲である。領域IVは、正孔移動度がおよそ
１０００cm^２/Ｖ・ｓ以上であり、正孔移動度の非常に
高い領域である。

【００４０】領域Ｖ（請求項５に対応）は、基板温度が
摂氏６８０度から７６０度までの範囲、厚さが８μmか
ら２０μmの範囲である。領域Ｖでは、およそ１０００
〜１２００cm^２/Ｖ・ｓの正孔移動度があり、高い正孔
移動度の領域である。

【００４１】領域VI（請求項６に対応）は、基板温度が
摂氏７６０度から７９０度までの範囲、厚さが１μmか
ら３μmの観囲である。領域VIでは、およそ１０００〜
１２００cm^２/Ｖ・ｓであり、正孔移動度の高い領域で
ある。

【００４２】領域ＶII（請求項７に対応）は、基板温度
が摂氏７６０度から７９０度までの範囲、厚さが３μm
から１０μmの範囲である。領域ＶIIでは、１２００cm
^２/Ｖ・ｓ以上の正孔移動度があり、非常に高い正孔移
動度の領域である。

【００４３】領域VIII（請求項８に対応）は、基板温度
が摂氏７６０度から７９０度までの範囲、厚さが１０μ
mから２０μmの範囲にある。領域VIIIは、およそ１００
０〜１２００cm^２/Ｖ・ｓであり、正孔移動度の高い領
域である。

【００４４】これらの領域Ｉ〜VIIIは、従来の正孔移動
度３０〜１００cm^２/Ｖ・ｓに比べると、正孔移動度が
格段に高い値を示す。

【００４５】このように正孔移動度が飛躍的に増加する
原理を、図３を用いて説明する。図３（ａ）に示すよう
に、従来の技術で作られた、基板１３１のダイヤモンド
膜１３２では、（１００）面の場合、膜厚ｄ２が２μm
以下と薄かった。表面の水素ラジカルはアクセプターと
して働き、ダイヤモンド膜１３２内に正孔１３２Ａを生
成する。しかし、前記水素ラジカルは、正孔１３２Ａが
ダイヤモンド膜１３２内を走行する際にイオン不純物散
乱を起こすので、正孔１３２Ａは、１００cm^２/Ｖ・ｓ
以下という非常に低い移動度しか出すことができなかっ
た。

【００４６】しかし、本実施の形態の場合、図３（ｂ）
に示すように、基板１４１のダイヤモンド膜１４２の厚
さｄ１は適度に厚くしている。この場合、正孔１４１Ａ
は、表面のアクセプターである水素ラジカルと空間的に
離れて走行できる。つまり、正孔１４１Ａは、水素ラジ
カルから受けるイオン不純物散乱の影響を受けずに走行
することができるので、極めて高い移動度を出すことが
できる。

【００４７】しかし、図３（ｃ）に示すように、基板１
５１のダイヤモンド膜１５２の厚さｄ３が厚すぎると、
ダイヤモンド膜１５２内では、欠陥が表面に対して垂直
方向に生じ、これが正孔１５２Ａの走行の障害となる。
この結果、正孔移動度は急激に減少する。

【００４８】基板温度７７０℃、膜厚７μmのＣＶＤダ
イヤモンド膜を用いて、ゲート長が１μmのＭＩＳＦＥ
Ｔを作製したところ、図４に示すように、従来の技術で
は１.５mSmm^−１であった増幅率が、１２０mSmm^−１に
飛躍的に増加した。

【００４９】［実施の形態２］本実施の形態による作製
工程を、実施の形態１で使用した図１を用いて説明す
る。本実施の形態では、（１１１）面方位を有する基板
を使っている。図１（ａ）に示すように、支持台１０１
の基板１は、（１１１）面方位を有する高温高圧合成ダ
イヤモンド単結晶基板である。基板１上に、マイクロ波
ＣＶＤ法によりダイヤモンド膜を成長する。つまり、反
応管内に、炭素源としてのＣＨ_４ガスを供給し、水素源
としてのＨ_２ガスを供給する。また、前記反応管内に、
マイクロ波を導入することにより、プラズマ１２１を発
生させて、基板１の表面をプラズマ１２１にさらす。

【００５０】このとき、前記反応管内圧力は５０Torrで
あり、６Ｎ（シックスナイン、９９.９９９９％以上）
の純化した水素ガスと６Ｎの高純度メタンガスとを１０
０：１の割合で供給する。マイクロ波の出力は１３００
Ｗである。

【００５１】成長中の基板温度を次のようにして測定す
る。つまり、基板面に対して約４５度の角度からビユー
ポート１０２を通して波長１.８８μmで測定したパイロ
メーター温度計１０３でモニターした測定値を用いる。
支持台１０１の素材はモリブデンであるので、放射率
０.１６で測定した値を用いる。

【００５２】図１（ｂ）に示すように、基板１にダイヤ
モンド膜２が成長する。基板１上に成長したダイヤモン
ド膜２の膜厚をｄとする。ダイヤモンド膜２の表面には
水素ラジカル１２２が吸着している。

【００５３】成長時の基板温度と、得られたダイヤモン
ド膜の各膜厚における室温での正孔移動度を計測した。
測定は実施の形態１と同様である。測定結果を図５に示
す。図５では、符号◎、○、△、×は次のとおりであ
る。 ◎…正孔移動度が３００cm^２/Ｖ・ｓ以上の場合 ○…正孔移動度が３００cm^２/Ｖ・ｓ未満、１００cm^２/
Ｖ・ｓ以上の場合 △…正孔移動度が１００cm^２/Ｖ・ｓ未満、５０cm^２/Ｖ
・ｓ以上の場合 ×…正孔移動度が５０cm^２/Ｖ・ｓ未満の場合

【００５４】図５の領域IX（請求項９に対応）は、基板
温度が摂氏６３５度から７００度までの範囲、厚さが
０.７５μmから３μmの範囲である。領域IXは、正孔移
動度が３００cm^２/Ｖ・ｓ以上であり、正孔移動度の非
常に高い領域である。

【００５５】領域Ｘ（請求項１０に対応）は、基板温度
が摂氏６３５度から７００度までの範囲、厚さが３μm
から１６μmの範囲である。領域Ｘは、正孔移動度が５
０cm^２/Ｖ・ｓ程度から３００cm^２/Ｖ・ｓ程度まで広く
分布しており、正孔移動度の高い領域である。

【００５６】従来の技術と比較して、ＣＶＤダイヤモン
ド膜の厚さが適度に厚くなった時に、正孔移動度が飛躍
的に増加する原理は、実施の形態１で説明した原理（図
３）と同様である。実施の形態１の（１００）面方位の
場合より本実施の形態の（１１１）面方位の方が優れて
いるのは、正孔移動度がそれほど違いがないのに、正孔
濃度が１桁ほど高いことである。たとえば、（１００）
では、１×１０^１２cm ^−２程度であるが、（１１１）で
は１×１０^１３cm^−２である。

【００５７】基板温度６５０℃、膜厚１μmのＣＶＤダ
イヤモンド膜を用いて、ゲート長が１μmのＭＩＳＦＥ
Ｔを作製したところ、図６に示すように、従来の技術で
は１.５mSmm^−１であった増幅率が、４３０mSmm^−１に
飛躍的に増加した。

【００５８】［実施の形態３］本実施の形態では、絶縁
膜を堆積するプロセス時に基板を冷却する。つまり、本
実施の形態は請求項１１に対応する。本実施の形態によ
る作成工程を図７に示す。なお、図７では、先に説明し
た図１と同一もしくは同一と見なされる構成要素には、
それと同じ参照符号を付けて、重複説明を省略する。

【００５９】図７（ａ）に示すように、基板１は、（０
０１）面方位を有する高温高圧合成ダイヤモンド単結晶
基板である。基板１上に、マイクロ波ＣＶＤ法によりダ
イヤモンド膜を成長する。このときの反応管内の圧力は
５０Torrであり、６Ｎ（シックスナイン、９９.９９９
９％以上）の純化した水素ガスと６Ｎの高純度メタンガ
スとを１００：１の割合で供給する。マイクロ波の出力
は１３００Ｗである。

【００６０】成長中の基板温度を次のようにして測定す
る。つまり、基板面に対して約４５度の角度からビュー
ポート１０２を通して波長１.８８μmで測定したパイロ
メーター温度計１０３でモニターした測定値を用いる。
支持台１０１の素材はモリブデンであるので、放射率
０.１６で測定した値を用いる。

【００６１】図７（ｂ）に示すように、膜厚ｄ１が７μ
mのダイヤモンド膜２を（００１）面方位を有する基板
１上に基板温度７７０℃で成長する。ダイヤモンド膜２
の表面には水素ラジカル１２２が吸着している。

【００６２】図７（ｃ）に示すように、ＭＩＳＦＥＴを
作製するために、SiＯ_２などの絶縁膜３を堆積する。こ
の際に、ＥＣＲプラズマ成膜法などを用い、支持台１０
１に冷却水１０１Ａ（または液体窒素）を流すなどし
て、基板温度が摂氏１００度以下になるように冷却す
る。各基板温度に対して得られた室温での正孔移動度
を、表１に示す。

【００６３】本実施の形態による正孔移動度の回復を示
す表である表１から明らかなように、基板温度を摂氏１
００度以下にすると、正孔移動度が上昇することがわか
る。従来の技術では、正孔移動度は１３００cm^２/Ｖ・
ｓから２cm^２/Ｖ・ｓに減少していた。しかし、本実施
の形態では、基板温度を１００℃に冷却することによっ
て、正孔移動度が１３００cm^２/Ｖ・ｓのままで、減少
は全く見られなかった。

【００６４】［実施の形態４］本実施の形態では、（１
００）または（１１１）面方位を有する基板を使い、金
属膜蒸着時に基板を冷却する。つまり、本実施の形態は
請求項１２に対応する。本実施の形態による作製工程
を、図８を用いて説明する。なお、図８では、先に説明
した図７と同一もしくは同一と見なされる構成要素に
は、それと同じ参照符号を付けて、重複説明を省略す
る。

【００６５】図８（ａ）に示すように、基板１は、（１
００）面方位を有する高温高圧合成ダイヤモンド単結晶
基板である。基板１上に、マイクロ波ＣＶＤ法によりダ
イヤモンド膜を成長する。このときの反応管内圧力は５
０Torrであり、６Ｎ（シックスナイン、９９.９９９９
％以上）の純化した水素ガスと６Ｎの高純度メタンガス
とを１００：１の割合で供給する。マイクロ波の出力は
１３００Ｗである。

【００６６】成長中の基板温度を次のようにして測定す
る。つまり、基板面に対して約４５度の角度からビュー
ポート１０２を通して波長１.８８μmで測定したパイロ
メーター温度計１０３でモニターした測定値を用いる。
支持台の１０１素材はモリブデンであるので、放射率
０.１６で測定した値を用いる。

【００６７】図８（ｂ）に示すように、膜厚ｄ１が７μ
mのダイヤモンド膜２を（１００）面方位を有する基板
１上に基板温度７７０℃で成長する。ダイヤモンド膜２
の表面には水素ラジカル１２２が吸着している。（１１
１）面方位を有する高温高圧合成ダイヤモンド基板上に
ダイヤモンド膜２を成長する場合は、膜厚ｄ１を１μm
にし、基板温度を６５０℃に設定する。この後、ＭＩＳ
ＦＥＴを作製するために、絶縁膜３を堆積する。

【００６８】図８（ｃ）に示すように、ソース電極４、
ゲート電極５、ドレイン電極６の材料である金属膜を蒸
着する。その際に、支持台１０１に冷却水１０１Ａ（ま
たは液体窒素）を流すようにして、基板温度が摂氏１０
０度以下になるように冷却する。各基板温度に対して得
られた室温での正孔移動度を、表２に示す。

【００６９】本実施の形態による正孔移動度の回復を示
す表である表２から明らかなように、従来の技術では、
正孔移動度が１３００cm^２/Ｖ・ｓから１cm^２/Ｖ・ｓに
減少していた。これに対して、本実施の形態によって、
基板温度を１００℃に冷却することによって、正孔移動
度が１３００cm^２/Ｖ・ｓのままで、減少は全く見られ
なかった。

【００７０】［実施の形態５］本実施の形態では、（１
００）または（１１１）面方位を有する基板を使い、絶
縁膜および金属膜堆積時に基板をしない。つまり、本実
施の形態は請求項１３に対応する。本実施の形態による
作製工程を、図９を用いて説明する。なお、図９では、
先に説明した図８と同一もしくは同一と見なされる構成
要素には、それと同じ参照符号を付けて、重複説明を省
略する。

【００７１】図９（ａ）に示すように、基板１は、（１
００）面方位を有する高温高圧合成ダイヤモンド単結晶
基板である。基板１上に、マイクロ波ＣＶＤ法によりダ
イヤモンド膜を成長する。このときの反応管内の圧力は
５０Torrであり、６Ｎ（シックスナイン、９９.９９９
９％以上）の純化した水素ガスと６Ｎの高純度メタンガ
スを１００：１の割合で供給する。マイクロ波の出力は
１３００Ｗである。

【００７２】成長中の基板温度を次のようにして測定す
る。つまり、基板面に対して約４５度の角度からビュー
ポート１０２を通して波長１.８８μmで測定したパイロ
メーター温度計１０３でモニターした測定値を用いる。
支持台１０１の素材はモリブデンであるので、放射率
０.１６で測定した値を用いる。

【００７３】図９（ｂ）に示すように、膜厚ｄ１が７μ
mのダイヤモンド膜２を（１００）面方位を有する基板
１上に基板温度７７０℃で成長する。ダイヤモンド膜２
の表面には水素ラジカル１２２が吸着している。（１１
１）面方位を有する高温高圧合成ダイヤモンド基板上に
ダイヤモンド膜２を成長する場合は、膜厚を１μmに
し、基板温度を６５０℃に設定する。

【００７４】図９（ｃ）に示すように、金属膜蒸着、絶
縁膜堆積時に基板１を全く冷却せずに、金属膜蒸着、絶
縁膜堆積を行なう。これによって絶縁膜３、ソース電極
４、ゲート電極５、およびドレイン電極６が形成され
る。金属膜蒸着、絶縁膜堆積を行なうと、最初１３００
cm^２/Ｖ・ｓであった正孔移動度は、各々、２cm^２/Ｖ・
ｓまたは１cm^２/Ｖ・ｓに減少する。

【００７５】この後で、ダイヤモンド膜２を再びマイク
ロ波ＣＶＤの反応管内に入れ、水素ガスのみを供給し
て、マイクロ波によってプラズマ１６１を発生させる。
ダイヤモンド膜２の表面をプラズマ１６１にさらすこと
により、水素ラジカル１６２をダイヤモンド膜２表面に
再度吸着させる。反応管中の圧力は５０Torr、マイクロ
波出力は１３００Ｗ、水素流量は３００ccm、時間は３
０分である。基板温度は実施の形態１で記述した方法に
より測定した。

【００７６】水素ラジカル１６２の再度吸着により、正
孔移動度は元の１３００cm^２/Ｖ・ｓに回復した。本工
程による正孔移動度の回復を表３と表４とに示す。

【００７７】本実施の形態による正孔移動度の回復を示
す表である表３および表４から明らかなように、必ずし
もマイクロ波ＣＶＤ反応管内でこの工程を行なう必要は
ない。たとえば、水素ガスを導入した反応管内で、フィ
ラメントを１０００℃程度まで通電加熱し、水素ガスが
分解して生成した水素ラジカルをダイヤモンド膜２に供
給することもできる。

【００７８】本実施の形態により作製した電子デバイス
の完成図を図１０に示す。

【００７９】［実施の形態６］実施の形態６では、実施
の形態１から実施の形態５までを組み合わせることによ
り、優れた増幅特性を有する電子デバイスであるＭＩＳ
ＦＥＴを作製する。つまり、本実施の形態では、下記の
工程を組み合わせる。 （あ）図１（ａ）に示す工程、つまり、実施の形態１ま
たは実施の形態２で述べた条件（特に基板温度）で高温
高圧合成ダイヤモンド基板である基板１上に成長を行な
う。 （い）図１（ｂ）に示す工程、つまり、実施の形態１ま
たは実施の形態２で述べたような厚さｄ１になるよう
に、高温高圧合成ダイヤモンド基板である基板１上にダ
イヤモンド膜２を成長する。 （う）図７（ｃ）に示す工程、つまり、実施の形態３で
述べたような条件で、高温高圧合成ダイヤモンド基板で
ある基板１とダイヤモンド膜２とから構成される試料を
冷却しながら、絶縁膜３をダイヤモンド膜２表面上に堆
積させる。 （え）図８（ｃ）に示す工程、つまり、基板１、ダイヤ
モンド膜２、絶縁膜３から構成される試料を冷却しなが
ら、ソース電極４、ゲート電極５、ドレイン電極６の材
料である金属膜を蒸着する。 （お）図９（ｃ）に示す工程、つまり、基板１、ダイヤ
モンド膜２、絶縁膜３、ソース電極４、ゲート電極５、
ドレイン電極６から構成される試料を、再びマイクロ波
ＣＶＤ装置の反応管内に入れ、試料表面を水素プラズマ
にさらす。

【００８０】これらの工程（あ）〜（お）を組み合わせ
ることにより、優れた増幅特性を有するＭＩＳＦＥＴが
完成する。

【００８１】以上、本発明の実施の形態１〜６を詳述し
てきたが、具体的な構成はこれら実施の形態に限られる
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の
変更等があっても、本発明に含まれる。

【００８２】

【発明の効果】以上、説明したように、請求項１から請
求項８の発明によれば、極めて高い正孔移動度を実現す
ることができる。また、請求項９および請求項１０の発
明によれば、高い正孔移動度を保ったままで、高い正孔
濃度を得ることができる。請求項１１および請求項１２
の発明によれば、デバイスプロセスにおける正孔濃度の
減少を抑制することができる。請求項１３の発明によれ
ば、一旦減少した水素ラジカルを回復することができ
る。

【００８３】また、そのいずれの場合によっても、従来
の場合に比べて、正孔移動度を増加させ、電子デバイス
の増幅率を飛躍的に増加させることができる。正孔の蝕
和速度が極めて高く、破壊電界強度が極めて高いとい
う、従来の半導体では実現し得ないダイヤモンドの優れ
た内因的物性を生かした、超高速、超高周波、あるいは
高温動作可能な電子素子を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１を説明する電子素子の工程図であ
る。

【図２】実施の形態１を説明する（１００）基板上に成
長したダイヤモンド膜の成長中の基板温度、膜厚に対す
る室温での正孔移動度の相図である。

【図３】実施の形態１の原理を説明する図である。

【図４】実施の形態１による正孔移動度の向上を示す、
正孔移動度の測定温度特性である。

【図５】実施の形態２を説明する（１１１）基板上に成
長したダイヤモンド膜の成長中の基板温度、膜厚に対す
る室温での正孔移動度の相図である。

【図６】実施の形態２による正孔移動度の向上を示す、
正孔移動度の測定温度特性である。

【図７】実施の形態３を説明する電子素子の工程図であ
る。

【図８】実施の形態４を説明する電子素子の工程図であ
る。

【図９】実施の形態５を説明する電子素子の工程図であ
る。

【図１０】実施の形態５により作製した電子デバイスの
完成図である。

【図１１】従来の技術を説明する電子素子の工程図であ
る。

【図１２】従来の技術を説明する電子素子の工程図であ
る。

【図１３】従来技術による正孔移動の様子を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ 基板 ２ ダイヤモンド膜 ３ 絶縁膜 ４ ソース電極 ５ ゲート電極 ６ ドレイン電極 １０１ 支持台 １０１Ａ 冷却水 １０２ ビユーポート １０３ パイロメーター温度計 １２１、１６１ プラズマ １２２、１６２ 水素ラジカル １３１、１４１、１５１ 基板 １３２、１４２、１５２ ダイヤモンド膜 １３２Ａ、１４１Ａ、１５２Ａ 正孔

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Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （００１）面方位を有する高温高圧合成
   ダイヤモンド単結晶基板上にマイクロ波プラズマ化学気
   相堆積法で成長するダイヤモンド膜の製造方法であっ
   て、 前記ダイヤモンド膜の成長時の基板温度を摂氏６４０度
   から６８０度までの範囲にし、成長後の前記ダイヤモン
   ド膜の厚さを１μmから３μmの範囲にしたことを特徴と
   するダイヤモンド膜の製造方法。
2. 【請求項２】 （００１）面方位を有する高温高圧合成
   ダイヤモンド単結晶基板上にマイクロ波プラズマ化学気
   相堆積法で成長したダイヤモンド膜の製造方法であっ
   て、 前記ダイヤモンド膜の成長時の基板温度を摂氏６４０度
   から６８０度までの範囲にし、成長後の前記ダイヤモン
   ド膜の厚さを３μmから１１μmの範囲にしたことを特徴
   とするダイヤモンド膜の製造方法。
3. 【請求項３】 （００１）面方位を有する高温高圧合成
   ダイヤモンド単結晶基板上にマイクロ波プラズマ化学気
   相堆積法で成長したダイヤモンド膜の製造方法であっ
   て、 前記ダイヤモンド膜の成長時の基板温度を摂氏６４０度
   から６８０度までの範囲にし、成長後の前記ダイヤモン
   ド膜の厚さを１１μmから２６μmの範囲にしたことを特
   徴とするダイヤモンド膜の製造方法。
4. 【請求項４】 （００１）面方位を有する高温高圧合成
   ダイヤモンド単結晶基板上にマイクロ波プラズマ化学気
   相堆積法で成長したダイヤモンド膜の製造方法であっ
   て、 前記ダイヤモンド膜の成長時の基板温度を摂氏６８０度
   から７６０度までの範囲にし、成長後の前記ダイヤモン
   ド膜の厚さを３μmから８μmの範囲にしたことを特徴と
   するダイヤモンド膜の製造方法。
5. 【請求項５】 （００１）面方位を有する高温高圧合成
   ダイヤモンド単結晶基板上にマイクロ波プラズマ化学気
   相堆積法で成長したダイヤモンド膜の製造方法であっ
   て、 前記ダイヤモンド膜の成長時の基板温度を摂氏６８０度
   から７６０度までの範囲にし、成長後の前記ダイヤモン
   ド膜の厚さを８μmから２０μmの範囲にしたことを特徴
   とするダイヤモンド膜の製造方法。
6. 【請求項６】 （００１）面方位を有する高温高圧合成
   ダイヤモンド単結晶基板上にマイクロ波プラズマ化学気
   相堆積法で成長したダイヤモンド膜の製造方法であっ
   て、 前記ダイヤモンド膜の成長時の基板温度を摂氏７６０度
   から７９０度までの範囲にし、成長後の前記ダイヤモン
   ド膜の厚さを１μmから３μmの範囲にしたことを特徴と
   するダイヤモンド膜の製造方法。
7. 【請求項７】 （００１）面方位を有する高温高圧合成
   ダイヤモンド単結晶基板上にマイクロ波プラズマ化学気
   相堆積法で成長したダイヤモンド膜の製造方法であっ
   て、 前記ダイヤモンド膜の成長時の基板温度を摂氏７６０度
   から７９０度までの範囲にし、成長後の前記ダイヤモン
   ド膜の厚さを３μmから１０μmの範囲にしたことを特徴
   とするダイヤモンド膜の製造方法。
8. 【請求項８】 （００１）面方位を有する高温高圧合成
   ダイヤモンド単結晶基板上にマイクロ波プラズマ化学気
   相堆積法で成長したダイヤモンド膜の製造方法であっ
   て、 前記ダイヤモンド膜の成長時の基板温度を摂氏７６０度
   から７９０度までの範囲にし、成長後の前記ダイヤモン
   ド膜の厚さを１０μmから２０μmの範囲にしたことを特
   徴とするダイヤモンド膜の製造方法。
9. 【請求項９】 （１１１）面方位を有する高温高圧合成
   ダイヤモンド単結晶基板上にマイクロ波プラズマ化学気
   相堆積法で成長したダイヤモンド膜の製造方法であっ
   て、 前記ダイヤモンド膜の成長時の基板温度を摂氏６３５度
   から７００度までの範囲にし、成長後の前記ダイヤモン
   ド膜の厚さを０.７５μmから３μmまでの範囲にしたこ
   とを特徴とするダイヤモンド膜の製造方法。
10. 【請求項１０】 （１１１）面方位を有する高温高圧合
    成ダイヤモンド単結晶基板上にマイクロ波プラズマ化学
    気相堆積法で成長したダイヤモンド膜の製造方法であっ
    て、 前記ダイヤモンド膜の成長時の基板温度を摂氏６３５度
    から７００度までの範囲にし、前記ダイヤモンド膜の厚
    さを３μmから１６μmまでの範囲にしたことを特徴とす
    るダイヤモンド膜の製造方法。
11. 【請求項１１】 高温高圧合成ダイヤモンド単結晶基板
    上に、マイクロ波プラズマ化学気相堆積法で成長したダ
    イヤモンド膜の表面に絶縁膜を堆積する、ダイヤモンド
    膜を用いた電子デバイスの製造方法であって、 前記絶縁膜を堆積するプロセスで、前記ダイヤモンド膜
    を冷却して、前記ダイヤモンド膜の温度を摂氏１００度
    以下にすることを特徴とする電子デバイスの製造方法。
12. 【請求項１２】 高温高圧合成ダイヤモンド単結晶基板
    上に、マイクロ波プラズマ化学気相堆積法で成長したダ
    イヤモンド膜表面に金属膜を蒸着する、電子デバイスの
    製造方法であって、 前記金属膜を蒸着するプロセスで、前記ダイヤモンド膜
    を冷却して、前記ダイヤモンド膜の温度を摂氏１００度
    以下にすることを特徴とする電子デバイスの製造方法。
13. 【請求項１３】 高温高圧合成ダイヤモンド単結晶基板
    上に、マイクロ波プラズマ化学気相堆積法で成長したダ
    イヤモンド膜表面に、少なくとも1回、金属膜を蒸着す
    るプロセスまたは絶縁膜を堆積するプロセスを施し、 この後、再び水素雰囲気のプラズマに前記ダイヤモンド
    膜表面をさらすプロセスを施すことを特徴とする電子デ
    バイスの製造方法。