JPH0769793A - ダイヤモンド結晶の選択成長法及び選択エピタキシャル成長法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 半導体基板上に絶縁性マスクを形成した後
に、少なくとも炭素を含有するプラズマ中で前記基体に
−２０Ｖ〜−４００Ｖまたは４０Ｖ〜４００Ｖのバイア
ス電圧を印加してダイヤモンド結晶核を形成するプラズ
マ処理を施した後に、気相合成法を用いて前記絶縁性マ
スクパターン以外の部分に選択的にダイヤモンド結晶を
形成する。 【効果】 ダイヤモンド結晶核を導電性の領域に形成す
る一方、ダイヤモンド結晶核を生じない絶縁性マスクの
形成された領域を作ることにより、多数のダイヤモンド
結晶核が存在する領域では選択的にダイヤモンド結晶の
成長が促進されるので、ダイヤモンド結晶の選択成長法
を実現することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ダイヤモンド結晶の選
択成長法または選択エピタキシャル成長法に関し、特
に、均一で平滑性の高いダイヤモンド結晶の選択単結晶
膜または選択エピタキシャル単結晶膜を形成する方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドは、大きなバンドキャップ
（５．５ｅＶ）、大きなキャリア移動度（電子１８００
ｃｍ² ／Ｖ・Ｓ、正孔１６００ｃｍ² ／Ｖ・Ｓ）、大き
な熱伝導度（２０Ｗ／ｃｍ・Ｋ）を持ち、更に高硬度で
耐摩耗性に優れる等の他の材料では得られない種々の特
性を有している。

【０００３】このため、近年、気相からダイヤモンド合
成、特に化学的気相析出法（ＣＶＤ法）での研究が進ん
でおり、選択成長法及び選択エピタキシャル成長法につ
いても報告がなされている。

【０００４】従来の、ＣＶＤ法で形成されるダイヤモン
ド結晶の選択成長法には以下のようなものがあった。 （１）特開昭６３−３１５５９８号公報に開示されてい
る方法によれば、基板に研磨により微細な凹凸を形成し
た後、マスクを形成し、更にマスク形成部位以外の凹凸
をイオンビームエッチングで除去した後、マスクを除去
し、マスクを形成した部位以外の部分に選択的にダイヤ
モンド結晶を形成する。 （２）特開昭６２−２９７２９８号公報に開示されてい
る方法によれば、基体に微細な傷を形成した後、アモル
ファス性材料をパターン状に形成し、前記パター以外の
部位に選択的にダイヤモンド結晶を形成する。

【０００５】また、従来のＣＶＤ法によるエピタキシャ
ル成長法及び選択エピタキシャル成長法には以下のよう
なものがあった。 （３）基体としては天然、または人工ダイヤモンド結晶
への、ホモエピタキシャル成長、およびダイヤモンド結
晶に近い結晶構造を持つ立方晶窒化ホウ素（ｃ−ＢＮ）
へのヘテロエピタキシャル成長によるもの。これらは共
に、下地基体とエピタキシャル関係を持ち、非常に平滑
性の高い単結晶膜が得られる。更に、ダイヤモンド基体
に酸化けい素膜よりなるマスクパターンを形成すること
により、マスクパターン形成部位以外の部分に選択エピ
タキシャル成長させることができる。 （４）基体としてニッケルを用いた場合、ダイヤモンド
結晶が粒子状にエピタキシャル成長する（第４回ダイヤ
モンドシンポジウム講演要旨集、１３ページ、平成３年
１月２２−２３日）。 （５）また、特開昭６３−２５２９９７号公報によれ
ば、ＳｉＣ基板上にダイヤモンド結晶がエピタキシャル
成長することが記載されている。また、Applied Physic
s Letter誌、第６２巻、１１号、１２１５ページ（１９
９３年）の、S.W.ウォルターらの報告によれば、炭素源
プラズマ中にＳｉＣ膜を形成した基体を設置し、更に基
体に負バイアスを引火することにより結晶配向性の高い
ダイヤモンド結晶が得られることが報告されている。

【０００６】しかしながら、上記従来例で形成されたダ
イヤモンド結晶の選択成長法及びエピタキシャル成長法
には以下のような問題点があった。 （１）及び（２）の選択成長法は、ダイヤモンド結晶核
の発生密度を向上させるために基体に対して微細な凹凸
を形成する「傷つけ処理」を行う必要がある。この処理
は通常、基体をダイヤモンド砥粒を用いて研磨する。又
砥粒を含有する液体中に基体をい入れ、超音波振動を印
加させる。等の方法で行う。この時、傷つけのムラが生
じ易く、更に再現性にも乏しいと言った問題点がる。 （３）ダイヤモンド及び立方晶窒化ホウ素基体へのエピ
タキシャル成長で得られる単結晶膜は、平滑で結晶性も
良好であるが、基体が非常に高価であり実用的でない。 （４）ニッケル基体上へのダイヤモンド結晶のエピタキ
シャル成長では、ダイヤモンド結晶核の発生密度が小さ
いため、均一なエピタキシャル膜が得られない。更に
は、ニッケルにダイヤモンド結晶が侵食されダイヤモン
ド結晶の成長が阻害される。 （５）ＳｉＣ上へのエピタキシャル成長においても、基
板に前処理を施さない場合、一般的にダイヤモンド結晶
核の発生密度が低く、均一で平坦性の良好なエピタキシ
ャルダイヤモンド結晶膜が得られない。プラズマ中での
バイアス処理によりダイヤモンド結晶核の形成密度が向
上するが、この方法を用いた選択成長法及び選択エピタ
キシャル成長法については、何等報告がされていない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来例
の問題点に鑑み、炭素源プラズマ中でのバイアスプラズ
マ処理によるダイヤモンド結晶核形成と基体材質の関係
について詳細な検討い、基板材質と基板上に形成したマ
スタパターン材質を特定の組み合わせにすることによ
り、ダイヤモンド砥粒を用いた「傷つけ処理」を用いる
ことなく、選択成長、更にはエピタキシャル成長を実現
することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明は、気相合成法を用いた、ダイヤモンド結晶の選択成
長法において、半導体基板上に絶縁性マスクを形成した
後に、少なくとも炭素を含有するプラズマ中で前記基体
に−２０Ｖ〜−４００Ｖまたは４０Ｖ〜４００Ｖのバイ
アス電圧を印加してダイヤモンド結晶核を形成するプラ
ズマ処理を施した後に、気相合成法を用いて前記絶縁性
マスクパターン以外の部分に選択的にダイヤモンド結晶
を形成することを特徴とするダイヤモンド結晶の選択成
長法である。基体上に、炭素源プラズマ中での基体のバ
イアスプラズマ処理の効果によりダイヤモンド結晶核を
導電性の領域（半導体結晶基体の露出した領域）に形成
する一方、バイアス処理の効果を生じず、ダイヤモンド
結晶核を生じない領域（絶縁性マスクの形成された領
域）を作ることにより、多数のダイヤモンド結晶核が存
在する領域では選択的にダイヤモンド結晶の成長が促進
されるので、「傷つけ処理」を実施することなくダイヤ
モンド結晶の選択成長法を実現することができる。

【０００９】また、本発明は、気相合成法を用いた、ダ
イヤモンド結晶の選択エピタキシャル成長法において、
半導体または絶縁体単結晶基体上にＳｉＣ層をエピタキ
シャル成長させた後に、前記ＳｉＣ層上に絶縁性マスク
パターンを形成し、更に少なくとも炭素を含有するプラ
ズマ中で前記基体に−２０Ｖ〜−４００Ｖまたは４０Ｖ
〜４００Ｖのバイアス電圧を印加してダイヤモンド結晶
核を形成するプラズマ処理を施し、更にその後に、気相
合成法を用いて前記絶縁性マスクパターン以外の部分に
選択的にダイヤモンド結晶のエピタキシャル層を形成す
ることを特徴とするダイヤモンド結晶の選択エピタキシ
ャル成長法である。前述の選択成長法と同様の原理に基
づき、更にダイヤモンド結晶核が形成される領域をＳｉ
Ｃ単結晶層とすることにより、マスタパターン以外の部
位に選択的にダイヤモンド結晶をエピタキシャル成長さ
せる選択エピタキシャル成長が可能となる。

【００１０】以下、本発明を模式図を用いて説明する。
図１は本発明の選択成長の模式図である。まず、基体１
上に絶縁性マスタパターン２を形成する［図１
（ａ）］。次に、バイアスプラズマ処理により、絶縁性
マスタパターン２が形成されていない領域にダイヤモン
ド結晶核３が形成され［図１（ｂ）］、更に通常のダイ
ヤモンド結晶形成を行うことにより、絶縁性マスタパタ
ーン２を形成されていない領域に多結晶ダイヤモンド結
晶層４が形成される［図１（ｃ）］。

【００１１】図２は本発明の選択エピタキシャル成長の
模式図である。まず、基体２１上に単結晶ＳｉＣ膜２２
を形成［図２（ａ）］した後、絶縁性マスタパターン２
３を形成する［図２（ｂ）］。次に、バイアスプラズマ
処理により、絶縁性マスタパターン２３が形成されてい
ない領域にダイヤモンドエピタキシャル結晶核２４が形
成され［図２（ｃ）］、更に通常のダイヤモンド結晶形
成を行うことにより、絶縁性マスタパターン２３が形成
されていない領域にダイヤモンド結晶エピタキシャル層
２５が形成される［図２（ｄ）］。

【００１２】本発明で言うエピタキシャル成長とは、下
地の単結晶基体上にその結晶方位と一定の方位関係を有
する結晶が成長することを言う。例えば、本発明で用い
られるＳｉＣ単結晶薄膜上においては、ＳｉＣ｛１０
０｝面上にはダイヤモンド結晶｛１００｝面が、またＳ
ｉＣ｛１１１｝面上にはダイヤモンド結晶｛１１１｝面
が形成される。

【００１３】また、本発明で言う炭素源プラズマ中で基
体にバイアスを印加するプラズマ処理とは、少なくとも
炭素を含有する原料ガスをプラズマ化し、そのプラズマ
中に基体を設置し、更にその基体にバイアスを印加し
て、基体表面を活性化してダイヤモンド結晶核を形成す
る方法である。このプラズマ処理により、ダイヤモンド
結晶核が多数形成されるためダイヤモンド結晶の析出量
が増加し、ダイヤモンド単結晶膜が形成される。

【００１４】プラズマ処理法の原料ガスとしては、炭素
源としてメタン、エタン、エチレン、アセチレン等の炭
化水素やエチルアルコール、メチルアルコール、アセト
ン等の酸素含有の有機化合物、更にはトリクロロエチレ
ン、四塩化炭素等のハロゲン化炭素を用いることがで
き、適宜、水素、酸素、アルゴン、ヘリウム等のガスを
添加する。このとき、炭素源ガスの添加量は、全原料ガ
スの４％から５０％程度にする。このとき、炭素源ガス
の添加量は、全原料ガスの４％から５０％程度にすると
よい。炭素源のガス添加量が、４％未満ではプラズマ処
理の効果がなく、結晶核形成が見られない。また５０％
を超えるとグラファイト結晶核が形成される等、ダイヤ
モンド結晶の結晶性劣化が観察される。

【００１５】プラズマの発生方法としては、公知の高周
波プラズマ発生装置、マイクロ波プラズマ発生装置、Ｅ
ＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマ発生装置等を
用いることができる。

【００１６】基板に印加するバイアスは正及び負どちら
でも良い。このバイアス印加によるダイヤモンド結晶核
形成の機構には不明な点が覆いが、負バイアスの場合、
炭素源イオンが基体に衝突し炭素が基体中に拡散してダ
イヤモンド結晶核を形成する、と考えられる。また正バ
イアスの場合、基体表面に電子照射が生じ、表面が活性
化されて反応性が進み、ダイヤモンド結晶核が形成され
易くなる、と考えられる。基体に印加するバイアスの値
は、負バイアスの場合、−２０Ｖ以上、−４００Ｖ以下
が好ましい。−２０Ｖ未満ではバイアス印加効果がな
く、更に−４００Ｖより大きい場合はニッケル層及び基
体のエッチングの効果が大きくなり、ダイヤモンド結晶
の結晶核形成が形成されず、ダイヤモンド結晶が析出し
なくなる。なお、基体に印加する負バイアスは、一般的
に直流バイアスであるが、高周波バイアスを印加しても
その自己バイアスにより、負バイアスが生じ、実質的に
直流の負バイアスを印加したのと同様な効果を有する。
この時、自己バイアスの値は、前記直流バイアスの場合
と同様にすることが好ましい。このため、例えば、１
３．５６ＭＨｚの高周波バイアスを基体に印加しながら
前記プラズマ処理を行っても良い。更に、正バイアスの
場合、４０Ｖ以上、４００Ｖ以下が好ましい。４０Ｖ未
満ではバイアス印加効果がなく、また４００Ｖより大き
い場合、基板が電子照射を受け、基体温度が上昇しダイ
ヤモンド結晶がグラファイト化し易くなる。

【００１７】プラズマ処理時間は、プラズマ出力及び炭
素源濃度、更にはバイアス電圧等で変化し、一概に言え
ないが、一般的には１分間から１時間程度である。

【００１８】上記プラズマ処理により基体上にダイヤモ
ンド結晶核が１０⁶ 個／ｃｍ² から１０¹⁰個／ｃｍ² 程
度形成され、その後、通常の気相合成ダイヤモンド形成
法を用いることによりダイヤモンド結晶膜が得られる。
このダイヤモンド結晶核の大きさは径が約１０〜１００
ｎｍのものであり、走査型電子顕微鏡等により確認する
ことができる。

【００１９】本発明で用いられる基体は、少なくとも表
面に半導体単結晶層を有する基体である。半導体単結晶
層としては、シリコン単結晶、ゲルマニウム単結晶、Ｓ
ｉＣ単結晶、ガリウムひ素単結晶、インジウム燐単結晶
等を用いることができる。更に、絶縁体基体上に前述の
半導体結晶層を形成しても良い。この場合の絶縁体基体
としては、水晶単結晶、アルミナ単結晶、酸化マグネシ
ウム単結晶、スピネル単結晶、ニオブ酸リチウム単結
晶、タンタル酸リチウム単結晶、チタン酸ストロンチウ
ム単結晶等を用いることができる。

【００２０】本発明ではダイヤモンド結晶のエピタキシ
ャル成長させるためには、ＳｉＣ単結晶膜を基体上に形
成することが必要である。この場合、その膜厚は１０ｎ
ｍ以上にすることが望ましい。これは１０ｎｍ未満では
プラズマ処理中にＳｉＣ膜が飛散する等、ＳｉＣ膜形成
の効果がなくなりダイヤモンド結晶のエピタキシャル成
長が見られなくなるためである。このため、ＳｉＣ膜厚
は１０ｎｍ以上、好ましくは５０ｎｍ以上とする。Ｓｉ
Ｃ膜の形成方法は特定の方法に限定されるものではな
く、基体上に単結晶ＳｉＣ層を形成することができれば
いかなる方法でも良いが、例えば、熱ＣＶＤ法、プラズ
マＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、イオンプレーティング蒸着
法、高周波スパッタ法、直流スパッタ法、マグネトロン
スパッタ法、対向スパッタ法等を用いることができる。
合成条件は各合成方法により異なり、一概には言えない
が、例えば、熱ＣＶＤ法の場合、Ｃ₃ Ｈ₈ −ＳｉＨ₂ Ｃ
ｌ₂ −Ｈ₂ 系混合ガスを原料ガスとして、圧力：常圧、
反応温度：１０５０℃とすることで、シリコン単結晶基
体上にＳｉＣ単結晶膜を形成することができる。

【００２１】次に、本発明で用いる絶縁性マスクパター
ンとしては、比抵抗が１０⁸Ω・ｃｍ程度以上のもので
あり、酸化けい素、窒化けい素、酸化アルミ、窒化けい
素、チタン酸ストロンチウム、酸化ジルコニア等、種々
の酸化物、窒化物及びこれらの含有物を用いることがで
きる。モリブデンや炭化けい素等は用いることができな
い。これらのマスクパターンの形成方法は、公知の光描
画法等を用いることができる。これらの絶縁性マスクパ
ターン上にはプラズマ処理時のバイアス印加の効果が生
じないため、ダイヤモンドの核発生が生じない。このた
めダイヤモンド結晶はマスクパターンを形成した以外の
部位（半導体結晶層領域）にのみ選択的に形成される。

【００２２】また、本発明において気相合成法によるダ
イヤモンド結晶は、以下で述べるＣＶＤ（化学的気相蒸
着法）法及び燃焼炎法を用いて形成することができる。

【００２３】ＣＶＤ法としては熱フィラメントＣＶＤ
法、マイクロ波ＣＶＤ法、有磁場マイクロ波ＣＶＤ法、
直流プラズマＣＶＤ法、ＲＦプラズマＣＶＤ法等を採用
することができる。

【００２４】上記ＣＶＤ法を用いる原料ガスの炭素源と
してはメタン、エタン、エチレン、アセチレン等の炭化
水素ガス、及びアルコール、アセトン等の液状有機化合
物、一酸化炭素またはハロゲン炭素などを用いることが
できる。さらに適宜、水素、酸素、塩素、フッ素を含む
ガスを添加することができる。

【００２５】しかしながら、高品質のダイヤモンド結晶
エピタキシャル単結晶膜を形成する場合、原料ガスは、
少なくとも水素、炭素及び酸素元素を含んでいることが
必要である。この場合、１種の原料ガス中に上記全元素
を含んでいてもよく、またいずれかの元素を含む原料ガ
スの複数種を組み合わせても良い。この場合、その原料
ガス中の炭素源濃度は２０％以下とするとよい。ここで
言う炭素源濃度とは、（炭素源ガス流量）×（炭素源ガ
ス中の炭素原子数）／（全原料ガス流量）×１００で表
わされる濃度である。炭素源ガス中の炭素原子数は、た
とえばメタン（ＣＨ ₄ ）なら１、プロパン（Ｃ₃ Ｈ₈ ）
なら３、アセトン（ＣＨ₃ ＣＯＣＨ₃ ）なら３となる。
この炭素源濃度を２０％以下とする理由は、ダイヤモン
ド結晶の過飽和度を抑え、アモルファス炭素の成長を抑
制するためである。下限は特にないが０．０１％以下で
は実用的なダイヤモンド結晶の形成速度が得られない場
合がある。

【００２６】更に、ＣＶＤ法において、原料ガス中の酸
素と炭素の原子数の比（Ｏ／Ｃ）を０．２≦Ｏ／Ｃ≦
１．２、望ましくは０．５≦Ｏ／Ｃ≦１．１とすること
が好ましい。０．２未満では添加効果がなく、良質のダ
イヤモンド結晶を得ることができず、また１．２を越え
ると酸素のエッチング効果で実用上使用可能なダイヤモ
ンド形成速度を得ることができないことがある。上記Ｏ
／Ｃ値を調節するには、例えば、Ｏ₂ ，Ｈ₂ Ｏ，Ｎ₂ Ｏ
などの酸素添加ガスを原料ガス中に添加することができ
る。

【００２７】燃焼炎法では、酸素−アセチレン炎を用い
るが、この主たる原料ガス中の酸素とアセチレンとのモ
ル比の値は０．８５≦Ｏ₂ ／Ｃ₂ Ｈ₂ ≦１．０となるよ
うに、好ましくは、０．９≦Ｏ₂ ／Ｃ₂ Ｈ₂ ≦０．９９
とすることで、良質な結晶性を有し、さらに比較的高い
成長速度（数十μｍ／ｈｒ）でダイヤモンド結晶膜を形
成することができる。

【００２８】本発明のダイヤモンド結晶選択成長膜及び
選択エピタキシャル膜は、特にヒートシンク（脱熱材）
及び半導体装置として好適である。ダイヤモンド結晶
は、常温で物質中一番の熱伝導率［２０００Ｗ／（ｍ・
ｋ）］を有しているため、ダイヤモンド結晶エピタキシ
ャル膜上に種々の半導体装置、例えば、マイクロ波発振
器、レーザーダイオード等を作成または装着することに
より、半導体装置の放熱効果を大幅に向上させることが
できる。また、自然界では、原子量１２の¹²Ｃと原子量
１３の¹³Ｃの２つの同位体がそれぞれ９８．９％と１．
１％の割合で存在している。上述したダイヤモンド結晶
の熱伝導率は、「自然界の炭素」を用いた場合である
が、原子量１２の¹²Ｃの割合を増やすことにより、更に
熱伝導率が向上する。例えば¹³Ｃの場合を０．１％程度
まで減らすことにより熱伝導率は、３０００Ｗ／（ｍ・
Ｋ）まで向上する。本発明においても、同位体的な純度
の高い炭素原料を用いることにより更に熱伝導率の高い
好適なヒートシンクを作成することができる。

【００２９】更に、ダイヤモンド結晶選択成長膜及び選
択エピタキシャル結晶膜中に適度なドーバンドを添加す
ることにより、半導体ダイヤモンド結晶を形成すること
ができる。この半導体ダイヤモンド結晶層は、基体上に
形成しても良いし、基体上に絶縁性ダイヤモンド結晶層
を形成した後に半導体ダイヤモンド結晶層を積層しても
良い。ダイヤモンド選択エピタキシャル結晶層は、単結
晶層であるので、電子及び正孔の移動度が大きく良好な
半導体特性を有する。なお、ｐ型半導体層を形成するた
めには、原料ガス中にホウ素を含有するガスを印加する
方法、またアルコール等に液体炭素源を用いる場合は液
体炭素源中にほう酸等のホウ素源を添加する方法、更に
はホウ素イオンをダイヤモンド結晶に注入するイオン注
入法等を用いることができる。また、ｎ型半導体層を形
成するためには、原料ガス中に燐、リチウム、ナトリウ
ムを含有するガスを印加する方法、またアルコール等の
液体炭素源を用いる場合は液体炭素源中に燐、リチウ
ム、ナトリウム等の含有物を添加する方法、更には燐、
リチウム、ナトリウムイオンをダイヤモンド結晶に注入
するイオン注入法等を用いることができる。

【００３０】

【実施例】次に、本発明を実施例に基づき詳細に説明す
る。

【００３１】＜実施例１＞本実施例において、プラズマ
処理及びダイヤモンド結晶の合成は図３に示すマイクロ
波プラズマＣＶＤ法を用いておこなった。

【００３２】図３中、３１は石英製反応管、３２は原料
ガス導入口で不図示のガスボンベ、ガス流量調節器、バ
ルブが接続されている。３３はガス排気口で不図示のタ
ーボ分子ポンプ、ドライポンプ、更にバルブ及び圧力調
整用バルブが接続されている。３４はマイクロ波導波管
で不図示のマイクロ波電源が接続されている。３５はメ
ッシュ電極でアースに接地されている。３６は基体、３
７は基体ホルダーで基体バイアス印加用電源３８が接続
されている。

【００３３】まず、シリコン単結晶基板（１インチ径、
｛１００｝面）上に公知の光描画法、及びプラズマＣＶ
Ｄ法を用いて酸化けい素マスクパターンを幅１０μｍ、
１０μｍピッチの間隔、厚さ２００ｎｍで形成した。こ
の基板をマイクロ波プラズマＣＶＤ装置に入れ、まず、
プラズマ処理を行う。プラズマ処理条件は、メタン（２
５％）−水素系ガスを用い、圧力：３０Torr、マイクロ
波出力：２５０Ｗ、基板バイアス：−７５Ｖ、処理時
間：３０分間とした。シリコン単結晶基板の露出した領
域に形成されたダイヤモンド結晶核を走査型電子顕微鏡
により観察した結果、径１０〜５０ｎｍのダイヤモンド
結晶核が約２×１０⁸個／ｃｍ²形成されていた。

【００３４】続いて、同一の装置を用いてダイヤモンド
結晶を形成した。ダイヤモンド結晶の形成条件は、エチ
ルアルコール（１％）−水素系で、圧力：５０Torr、マ
イクロ波出力：６００Ｗ、基板温度：８５０℃，合成時
間は５時間、基板電位はアースとした。以上のようにし
て得られたダイヤモンド結晶を走査型電子顕微鏡観察を
行った所、酸化けい素マスクパターン形成部以外の領域
に選択的にダイヤモンド膜が約４μｍ厚形成されている
ことが確認できた。

【００３５】＜実施例２−５，比較例１−２＞マスクパ
ターン材質を変化させる以外は、実施例１と同様にして
プラズマ処理及びダイヤモンド結晶を形成した。マスク
パターンは、いずれも公知のプラズマＣＶＤ、スパッタ
法、又は蒸着法等で形成したもので、アモルファス又は
多結晶の膜である。また、析出物したダイヤモンド結晶
は走査型電子顕微鏡で観察した。結果を表１に示す。

【００３６】

【表１】 表１に明らかなように、実施例２−４において、絶縁性
のマスクパターンを用いることによりマスクパターン以
外の領域で良好な選択性でダイヤモンド結晶形成され
た。また、比較例１及び２の金属又は半導体のマスクパ
ターンを用いた場合、選択性は見られず、基板表面全体
にダイヤモンド結晶が形成された。

【００３７】＜実施例５＞まず、シリコン単結晶基板
（１インチ径、｛１１１｝面）上に公知の熱ＣＶＤ法を
用いて炭化けい素単結晶膜を５００ｎｍの厚さで形成し
た。

【００３８】次に、この基板上に、公知の光描画法を用
いて、酸化けい素のパターンを形成する。パターン膜厚
は０．５μｍで、線幅：１０μｍｄｅ１０μｍピッチと
した。

【００３９】この基板を公知のＥＣＲプラズマＣＶＤ装
置に入れ、まず、プラズマ処理を行う。プラズマ処理条
件は、エチルアルコール（２０％）−水素−アルゴン系
ガスを用い、圧力：１Torr、マイクロ波出力：３００
Ｗ、基板バイアス：−７５Ｖ、処理時間：１時間とし
た。

【００４０】続いて、同一の装置を用いてダイヤモンド
結晶を形成した。ダイヤモンド結晶の形成条件は、一酸
化炭素（５％）−水素系で、圧力：０．５Torr、マイク
ロ波出力：８００Ｗ、基板温度：８５０℃、合成時間は
８時間、基板電位はアースとした。以上のようにして得
られたダイヤモンド結晶を走査型電子顕微鏡観察を行っ
た所、平坦性の良好なダイヤモンド結晶が酸化けい素パ
ターン以外の部分にのみ選択的に約４μｍ厚形成されて
いることが分かった。更に、このダイヤモンド結晶膜を
反射型電子線回析装置を用いて調べた所、ダイヤモンド
｛１１１｝面にエピタキシャル成長した単結晶膜である
ことが分かった。

【００４１】＜実施例６−１１，比較例３−５＞プラズ
マ処理時の基板バイアスを変化させる以外は実施例５と
同様にしてダイヤモンド結晶の形成を行った。なお、実
施例９においては、直流バイアスの換わりに、１３．５
６ＭＨｚの高周波バイアスを印加し、その自己バイアス
の値をバイアス電圧とした。なお、析出物は走査型電子
顕微鏡で観察し、更に結晶性は反射型電子線回析装置に
より評価した。結果を表２に示す。

【００４２】

【表２】 表２に明らかなように、実施例６−１１において、平坦
性の良好なダイヤモンド結晶エピタキシャルを得ること
ができた。また、比較例３−５に示すように基板バイア
スが０または低い場合、ダイヤモンド核発生の増加は認
められず、平坦性の良い均一膜を得ることができなかっ
た。

【００４３】

【発明の効果】以上、説明したように、基体上に、炭素
源プラズマ中での基体のバイアスプラズマ処理の効果に
よりダイヤモンド結晶核を導電性の領域（半導体結晶基
体の露出した領域）に形成する一方、バイアス処理の効
果を生じず、ダイヤモンド結晶核を生じない領域（絶縁
性マスクの形成された領域）を作ることにより、多数の
ダイヤモンド結晶核が存在する領域ではダイヤモンド結
晶の成長が促進されたので、「傷つけ処理」を実施する
ことなくダイヤモンド結晶の選択成長法を実現すること
ができた。

【００４４】また、前述の選択成長法と同様の原理に基
づき、更にダイヤモンド結晶核が形成される領域をＳｉ
Ｃ単結晶層とすることにより、マスタパターン以外の部
位に選択的にダイヤモンド結晶をエピタキシャル成長さ
せる選択エピタキシャル成長が可能となった。

【００４５】このようなダイヤモンド結晶は、特に電子
材料、ヒートシンクとして優れたものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるダイヤモンド結晶エピタキシャル
成長法の模式図である。

【図２】本発明によるダイヤモンド結晶の選択エピタキ
シャル成長法の模式図である。

【図３】本発明の実施例におけるマイクロ波プラズマＣ
ＶＤ法によるダイヤモンド形成の模式図である。

【符号の説明】

１，２１ 基体 ２．２３ 絶縁性マスクパターン ３ タイヤモンド結晶核 ４ 多結晶タイヤモンド層 ２２ ＳｉＣ単結晶層 ２４ ダイヤモンドエピタキシャル結晶核 ２５ ダイヤモンドエピタキシャル結晶層 ３１ 石英反応管 ３２ 原料ガス導入口 ３３ ガス排出口 ３４ マイクロ波導波管 ３５ メッシュ電極 ３６ 基体 ３７ 基体ホルダー ３８ バイアス印加用電源

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気相合成法を用いた、ダイヤモンド結晶
   の選択成長法において、半導体基板上に絶縁性マスクを
   形成した後に、少なくとも炭素を含有するプラズマ中で
   前記基体に−２０Ｖ〜−４００Ｖまたは４０Ｖ〜４００
   Ｖのバイアス電圧を印加してダイヤモンド結晶核を形成
   するプラズマ処理を施した後に、気相合成法を用いて前
   記絶縁性マスクパターン以外の部分に選択的にダイヤモ
   ンド結晶を形成することを特徴とするダイヤモンド結晶
   の選択成長法。
2. 【請求項２】 気相合成法を用いた、ダイヤモンド結晶
   の選択エピタキシャル成長法において、半導体または絶
   縁体単結晶基体上にＳｉＣ層をエピタキシャル成長させ
   た後に、前記ＳｉＣ層上に絶縁性マスクパターンを形成
   し、更に少なくとも炭素を含有するプラズマ中で前記基
   体に−２０Ｖ〜−４００Ｖまたは４０Ｖ〜４００Ｖのバ
   イアス電圧を印加してダイヤモンド結晶核を形成するプ
   ラズマ処理を施し、更にその後に、気相合成法を用いて
   前記絶縁性マスクパターン以外の部分に選択的にダイヤ
   モンド結晶のエピタキシャル層を形成することを特徴と
   するダイヤモンド結晶の選択エピタキシャル成長法。