JPH05109625A - 半導体の単結晶をエピタキシヤル成長させるための多結晶質ｃｖｄダイヤモンド基体 - Google Patents

半導体の単結晶をエピタキシヤル成長させるための多結晶質ｃｖｄダイヤモンド基体

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JPH05109625A
JPH05109625A JP3037700A JP3770091A JPH05109625A JP H05109625 A JPH05109625 A JP H05109625A JP 3037700 A JP3037700 A JP 3037700A JP 3770091 A JP3770091 A JP 3770091A JP H05109625 A JPH05109625 A JP H05109625A
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】多結晶質ＣＶＤダイヤモンド基体に密着した状
態で形成された単結晶半導体素子の製造に関する。 【構成】先ず最初に、高いＣＶＤダイヤモンド生成温度
に加熱されたシリコンの単結晶が反応室内に配置され
る。次いで、炭化水素−水素混合ガスを反応室内に供給
し、そしてそれを少なくとも部分的に分解することによ
り、シリコン上に多結晶質ＣＶＤダイヤモンド層が形成
される。かかる析出および成長工程中には、シリコンの
単結晶と多結晶質ＣＶＤダイヤモンド層との間に単結晶
ＳｉＣから成る中間層が生成する。次に、シリコンを除
去することにより、多結晶質ＣＶＤダイヤモンド層で支
持された単結晶ＳｉＣが露出させられる。最後に、露出
した単結晶ＳｉＣ上に半導体層を成長させることによ
り、単結晶半導体−多結晶質ＣＶＤダイヤモンド素子が
製造される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】本発明は単結晶半導体ウェーハの製造に
関するものであって、更に詳しく言えば、かかる目的の
ために多結晶質ＣＶＤダイヤモンド基体を形成しかつ利
用する方法に関する。
【０００２】各種の工業製品においてダイヤモンドが有
用である理由は、硬さおよび熱的性質をはじめとするそ
れの有利な特性に由来している。初期には、様々な研摩
用途において天然ダイヤモンドが使用されていた。しか
るに、ダイヤモンドが熱的に安定な炭素相となるような
条件下で触媒／焼結助剤を用いて実施される高圧高温
（ＨＰ／ＨＴ）技術によってダイヤモンドを合成するこ
とが可能になると、その他各種の製品が市場に出回るよ
うになった。更にまた、通例は円柱状または環状の炭化
タングステン支持体上に支持された多結晶質ダイヤモン
ド成形体の出現により、ダイヤモンド製品の種類は一層
豊富なものになった。とは言え、高圧および高温の要求
条件はたとえば製品の形態に制約を加えていた。
【０００３】最近に至り、ダイヤモンドが準安定状態に
あるような低圧下でダイヤモンドを成長させようとする
工業的な努力が劇的に増大した。低圧合成技術によって
ダイヤモンドを生成させ得ることは数十年間にわたって
知られていたが、極めて遅い成長速度をはじめとする欠
点の存在のため、この技術が商業的に広く受入れられる
には至らなかった。近年の研究成果はより早い成長速度
を可能にし、それによってこの分野に対する工業的な関
心に拍車をかけた。更にまた、「ダイヤモンド様」の炭
素および炭化水素として知られる全く新しい種類の固体
の発見もかかる最近の研究成果の１つである。
【０００４】ダイヤモンドの低圧成長技術は、当業界に
おいて「化学蒸着法」または「ＣＶＤ法」と呼ばれてい
る。文献中には、主として２種のＣＶＤ法が好んで使用
されている。第１のＣＶＤ法は炭化水素（通例はメタ
ン）と水素との希薄混合ガスを使用するものであって、
この場合の炭化水素含量は全容積流量の約０．１〜２．
５％の範囲内にあるのが通例である。かかる混合ガスは
約１７５０〜２４００℃の範囲内の温度にまで電気的に
加熱された高温のタングステンフィラメントの直ぐ上方
に配置された石英管を通して導入される。混合ガスがフ
ィラメントの表面で解離する結果、高温のタングステン
フィラメントの直ぐ下方に配置された加熱基体上にはダ
イヤモンドが析出する。基体は（通例はモリブデン製
の）抵抗加熱ボート内に保持され、そして約５００〜１
１００℃の範囲内の温度に加熱される。
【０００５】第２のＣＶＤ法は、上記のごときフィラメ
ント活性化法にプラズマ放電を付加したものである。か
かるプラズマ放電は核生成密度および成長速度を増大さ
せるために役立ち、従って離散状態のダイヤモンド粒子
ではなくダイヤモンドフィルムの形成を促進するものと
信じられている。かかる目的のために使用されてきたプ
ラズマ活性化法には、基本的に３つの方式がある。第１
のものはマイクロ波プラズマ方式、第２のものは（誘導
結合型または容量結合型の）高周波プラズマ方式、そし
て第３のものは直流プラズマ方式である。高周波プラズ
マ方式およびマイクロ波プラズマ方式は割合に複雑で高
価な装置を使用するものであって、発生されたプラズマ
に電気エネルギーを電気的に結合するための同調または
整合回路網が必要とされるのが通例である。更にまた、
これら２つの方式において得られるダイヤモンド成長速
度はかなり遅い場合がある。
【０００６】半導体業界においては、多結晶質ＣＶＤダ
イヤモンドにホウ素、アルミニウム、リチウム、リンな
どをドープしてｎ形またはｐ形の半導体素子を製造する
ことは公知である。このような技術の代表例としては、
米国特許第３６３６０７７、３６３６０７８、３６３６
０７９および４７６７６０８号並びに欧州特許第２８６
３０６号が挙げられる。欧州特許第２８２０５４号はま
た、シリコンもしくはＧａＡｓの単結晶基体をＳｉＣ中
間層で被覆し、そしてその上にＣＶＤダイヤモンドを単
結晶として析出させることにより、上記のごとき半導体
技術を更に発展させた。このような単結晶ダイヤモンド
には、たとえばホウ素、リンまたは硫黄をドープするこ
とができる。この特許の明細書中には、単結晶シリコン
基体上にＣＶＤダイヤモンドを直接に成長させた場合、
単結晶ダイヤモンドではなく多結晶質ＣＶＤダイヤモン
ドが生成し、従ってこの方法は半導体製造目的に適しな
いことが報告されている。
【０００７】
【発明の概要】本発明は多結晶質ＣＶＤダイヤモンド基
体に密着した状態で形成された単結晶半導体素子の製造
に関するものであって、かかる基体はダイヤモンドの高
い熱伝導率に基づいて該素子を低温に維持するために役
立つ。このような素子を製造するための方法について述
べれば、先ず最初に、高いＣＶＤダイヤモンド生成温度
に加熱されたシリコンの単結晶が反応室内に配置され
る。次いで、炭化水素−水素混合ガスを反応室内に供給
し、そしてそれを少なくとも部分的に分解することによ
り、シリコン上に多結晶質ＣＶＤダイヤモンド層が形成
される。かかる析出および成長工程中には、シリコンの
単結晶と多結晶質ＣＶＤダイヤモンド層との間に単結晶
ＳｉＣから成る中間層が生成することが判明した。次の
工程においては、シリコンを除去することにより、多結
晶質ＣＶＤダイヤモンド層で支持された単結晶ＳｉＣが
露出させられる。最後に、露出した単結晶ＳｉＣ上に半
導体層（たとえば、シリコン、ＳｉＣ、ＧａＡｓなど）
を成長させることにより、単結晶半導体−多結晶質ＣＶ
Ｄダイヤモンド素子が製造される。
【０００８】本発明の利点の１つは、多結晶質ダイヤモ
ンド層に密着した状態で半導体の単結晶を成長させるこ
とにより、ダイヤモンドの高い熱伝導率に基づいて素子
を低温に維持し得ることである。もう１つの利点は、実
効的にダイヤモンドの熱伝導率を示しながら半導体ウェ
ーハの電気的特性および加工特性を有するような半導体
素子を製造し得ることである。上記およびその他の利点
は、以下の説明を読むことによって当業者には一層容易
に理解されよう。
【０００９】
【発明の詳細】ＣＶＤダイヤモンドは、通例約５０ミク
ロンから１ミクロン未満までの範囲内の粒度を有する多
結晶質フィルムとして成長する。ダイヤモンド基体上に
半導体の単結晶を成長させる場合のごとき用途において
は、多結晶質のＣＶＤダイヤモンドは半導体単結晶の成
長を妨げる。他方、上記のごとく、ダイヤモンドに密着
した状態で半導体素子を形成することができれば、ダイ
ヤモンドの高い熱伝導率に基づいて該素子を低温に維持
することができるわけである。実際、高出力ＧａＡｓ素
子のごとき用途においては、ウェーハの耐熱性が素子の
制限因子を成している。それ故、多結晶質のＣＶＤダイ
ヤモンド上に半導体の単結晶を成長させるための方法を
考案することが課題となる。
【００１０】以前の研究者達は、シリコンの単結晶上に
ＣＶＤダイヤモンドを直接に成長させた場合、ダイヤモ
ンドとシリコンとの間に（約５〜１００原子の厚さを有
する）薄いＳｉＣ遷移層が生成するという事実を見落と
していた。このＳｉＣ遷移層は単結晶である。かかる発
見の意味を認識しさえすれば、本発明方法の残りの工程
の意味を理解すること、かつまた多結晶質のＣＶＤダイ
ヤモンド基体上に単結晶半導体ウェーハを直接に成長さ
せる目的における本発明方法の有用性を理解することは
当業者にとって容易であろう。
【００１１】本発明において有用な従来のＣＶＤ法につ
いて述べれば、先ず最初に、炭化水素−水素混合ガスが
ＣＶＤ反応器内に供給される。炭素源を成す炭化水素と
しては、メタン、エタンおよびプロパンのごときメタン
系炭化水素や、エチレン、アセチレン、シクロヘキセン
およびベンゼンのごとき不飽和炭化水素などが挙げられ
る。とは言え、メタンが好適である。炭化水素と水素と
のモル比は約１：１０から約１：１０００までの広い範
囲にわたって変化し得るが、約１：１００であることが
好ましい。所望ならば、このような混合ガスを不活性ガ
ス（たとえば、アルゴン）で希釈することもできる。か
かる混合ガスは、当業界において公知の様々な方法によ
って少なくとも部分的に熱分解される。かかる方法の一
例は、一般にタングステン、モリブデン、タンタルまた
はそれらの合金から成る高温のフィラメントを使用する
というものである。この方法は米国特許第４７０７３８
４号明細書中に記載されている。
【００１２】混合ガスの部分的分解はまた、米国特許第
４７４９５８７、４７６７６０８および４８３０７０２
号明細書中に記載のごとく、直流放電または高周波の使
用によって発生されたプラズマの助けを借りて行うこと
もできる。また、米国特許第４４３４１８８号明細書中
に記載のごとく、同様な目的のためにマイクロ波を使用
することもできる。更にまた、米国特許第４７４０２６
３号明細書中に記載のごとく、ＣＶＤ法の実施に際して
基体を電子で衝撃することもできる。
【００１３】部分的に分解された混合ガスを発生させる
ために使用する方法にかかわりなく、基体は通例約５０
０〜１１００℃の範囲内にある高いＣＶＤダイヤモンド
生成温度に維持される。なお、ダイヤモンド生成速度を
最大にして結晶粒度を最小にするためには、約８５０〜
９５０℃の範囲内の温度を使用することが好ましい。ま
た、約０．０１〜１０００Torr（好都合なのは約１００
〜８００Torr）の範囲内の圧力を使用し得ることが知ら
れているが、減圧の使用が好ましい。ＣＶＤ法に関する
詳細はまた、サイエンス(Science) 第２４１巻（１９８
８年８月１９日発行）の９１３〜９２１頁に収載された
アンガス(Angus) 等の論文「低圧下におけるダイヤモン
ド相および『ダイヤモンド様』相の準安定成長」、並び
にケミカル・エンジニアリング・ニューズ(Chemical En
gineering News) （１９８９年５月１５日発行）の２４
〜３９頁に収載されたバックマン(Bachmann)等の論文
「ダイヤモンド薄膜」中に見出すことができる。
【００１４】シリコンの単結晶上に成長した多結晶質の
ＣＶＤダイヤモンド層は、自立状態にあると共に、最終
の半導体素子において要求される熱伝導率を付与するの
に十分な厚さを有することが好ましい。多くの場合、約
１０〜１０００μｍの範囲内の厚さを有するＣＶＤダイ
ヤモンド層が有用であるが、通例は１００〜３００μｍ
の範囲内の厚さが使用される。ＣＶＤダイヤモンド層の
厚さが所望の値に達した後、ＣＶＤ操作は停止される。
【００１５】次の工程は、得られたシリコン−ＳｉＣ−
ダイヤモンド積層構造物からシリコンを選択的に除去す
ることである。その際には、シリコンは除去されるが単
結晶ＳｉＣの中間層は除去されないように注意を払わな
ければならない。かかる除去目的のために適したエッチ
ング剤としては、たとえば下記のものが挙げられる。
【００１６】ＨＦ、ＨＮＯ2 およびＨ2 Ｏの三成分混合
物（モル比１：３：１）、エッチング速度１０ミクロン
／分。
【００１７】ＨＦおよびＨＮＯ3 の二成分混合物（モル
比１：３）、エッチング速度２０ミクロン／分。
【００１８】ＨＦ、ＨＮＯ3 およびＣＨ3 ＣＯＯＨの三
成分混合物（モル比３：５：３）、エッチング速度２５
ミクロン／分。
【００１９】このようにして単結晶ＳｉＣが露出すれ
ば、それの厚さが数オングストロームに過ぎないにもか
かわらず、この単結晶ＳｉＣ上に通常の半導体を析出さ
せることによって半導体単結晶のエピタキシャル成長を
行わせることができる。すなわち、薄い単結晶ＳｉＣ上
にシリコン、ＳｉＣ、ＧａＡｓなどをエピタキシャル成
長させることができるのである。その結果、ダイヤモン
ド層に密着した半導体の単結晶から成る活性層を含む素
子が製造されると共に、ダイヤモンドの高い熱伝導率に
基づいて該素子を低温に維持することが可能となる。か
かる半導体の成長技術は当業界において公知であるか
ら、この工程に関する詳細をここで述べる必要はあるま
い。この点に関しては、たとえば、エル・アイ・マッセ
ルおよびアール・グラング(L.I. Massel & R. Glang)編
「ハンドブック・オブ・シン・フィルム・テクノロジー
(Handbook of Thin Film Technology)」（マグローヒル
・ブック・カンパニー発行、ニューヨーク州ニューヨー
ク市、１９７０年）中に収載されたジェイ・エル・ボッ
センおよびダブリュー・カーン(J.L. Vossen & W. Ker
n) の論文「薄膜プロセス」を参照されたい。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 (a) 高いＣＶＤダイヤモンド生成温度に
    加熱されたシリコンの単結晶を反応室内に配置し、(b)
    前記反応室内に炭化水素−水素混合ガスを供給し、(c)
    前記反応室内において前記混合ガスを少なくとも部分的
    に分解することにより、前記シリコン上に多結晶質ＣＶ
    Ｄダイヤモンド層を形成すると共に、それらの間に単結
    晶ＳｉＣから成る中間層を生成させ、(d) 前記シリコン
    を除去することにより、前記多結晶質ＣＶＤダイヤモン
    ド層で支持された前記単結晶ＳｉＣを露出させ、次いで
    (e) 前記単結晶ＳｉＣ上に半導体層を成長させることに
    よって単結晶半導体−多結晶質ＣＶＤダイヤモンド素子
    を製造する諸工程から成ることを特徴とする単結晶半導
    体素子の製造方法。
  2. 【請求項２】 前記混合ガス中における炭化水素と水素
    とのモル比が約１：１０〜１：１０００の範囲内にある
    請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記混合ガスが不活性ガスを追加含有す
    る請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記圧力が約０．０１〜１０００Torrの
    範囲内にある請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記シリコンの単結晶が約５００〜１１
    ００℃の範囲内の高いＣＶＤダイヤモンド生成温度に加
    熱される請求項１記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記混合ガス中の前記炭化水素がメタン
    である請求項１記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記シリコンがエッチングによって除去
    される請求項１記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記多結晶質ＣＶＤダイヤモンド層が約
    １０〜１０００μｍの範囲内の厚さを有する請求項１記
    載の方法。
  9. 【請求項９】 前記単結晶ＳｉＣ上に成長させられる前
    記半導体層がシリコン、ＳｉＣおよびＧａＡｓから成る
    群より選ばれる請求項１記載の方法。
JP3037700A 1990-02-13 1991-02-08 半導体の単結晶をエピタキシヤル成長させるための多結晶質ｃｖｄダイヤモンド基体 Withdrawn JPH05109625A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US07/479,486 US4981818A (en) 1990-02-13 1990-02-13 Polycrystalline CVD diamond substrate for single crystal epitaxial growth of semiconductors
US479,486 1990-02-13

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH05109625A true JPH05109625A (ja) 1993-04-30

Family

ID=23904216

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP3037700A Withdrawn JPH05109625A (ja) 1990-02-13 1991-02-08 半導体の単結晶をエピタキシヤル成長させるための多結晶質ｃｖｄダイヤモンド基体

Country Status (9)

Country Link
US (1) US4981818A (ja)
EP (1) EP0442304B1 (ja)
JP (1) JPH05109625A (ja)
KR (1) KR910016056A (ja)
AT (1) ATE115334T1 (ja)
CA (1) CA2034361A1 (ja)
DE (1) DE69105537D1 (ja)
IE (1) IE910010A1 (ja)
ZA (1) ZA91697B (ja)

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