JPH1012565A

JPH1012565A - ダイヤモンド半導体装置及びその製造方法

Info

Publication number: JPH1012565A
Application number: JP16033996A
Authority: JP
Inventors: Koichi Miyata; 浩一宮田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1996-06-20
Filing date: 1996-06-20
Publication date: 1998-01-16
Anticipated expiration: 2016-06-20
Also published as: JP3949192B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高温電子素子、大電力電子素子及び高集積回
路に適用されるＢが導入された半導体ダイヤモンド層で
あっても、その電子デバイス間を完全に素子分離するこ
とができ、これにより、同一基板上に複数の素子領域を
形成する場合に、素子同士の干渉による誤動作の発生を
防止することができるダイヤモンド半導体装置及びその
製造方法を提供する。【解決手段】ダイヤモンド半導体装置は、Ｂが導入さ
れたｐ型半導体ダイヤモンド層からなる電子素子領域間
に、１×１０¹⁴乃至１×１０²¹ｃｍ^-3の原子濃度で窒素
を含有する絶縁領域を有するものである。この窒素はイ
オン注入によりダイヤモンド層に導入することができ、
その場合、イオン注入の後に、真空中において８００℃
以上の温度で１分間以上の熱処理を施し、更に、イオン
注入により生成されたダイヤモンド層表面の非ダイヤモ
ンド層を除去することが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高温電子素子、大電
力電子素子及び高集積回路等が形成されるダイヤモンド
半導体装置及びその製造方法に関し、特に、素子間を完
全に絶縁化することができるダイヤモンド半導体装置及
びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドはバンドギャップが５．５
ｅＶと大きいと共に、絶縁破壊電界が高く、熱伝導率も
従来の半導体材料と比較して高いので、高温下又は放射
線下等の過酷な環境下においても動作する電子デバイス
として期待されている。また、電子及び正孔の移動度が
共に高いと共にキャリアの飽和速度が高く、低誘電率で
あるため、高周波電子デバイスとしても期待されてい
る。

【０００３】上述したように、ダイヤモンドは大きな可
能性を有しているため、１９８０年代の後半より、ダイ
ヤモンド電界効果トランジスタ（Field Effect Transis
tor：ＦＥＴ）についての研究開発が盛んに実施されて
おり、高温及び高周波領域における特性の評価も進めら
れている。

【０００４】そこで、このようなダイヤモンドＦＥＴの
特性を利用して、複数個のダイヤモンドＦＥＴを接続し
た論理回路の作製が提案されており、ダイヤモンド集積
回路素子への展開が始まっている（外園等、第９回ダイ
ヤモンドシンポジウム講演要旨集、p.136 及び伊藤等、
第９回ダイヤモンドシンポジウム講演要旨集、p.13
8）。これは、表面伝導層を使用した金属／半導体接合
（MEtal Semiconductor：ＭＥＳ）ＦＥＴを複数個接続
することにより、ＮＯＴ、ＮＡＮＤ、ＮＯＲ及びＲＳフ
リップフロップ回路等のダイヤモンド集積回路を作製し
たものである。

【０００５】ダイヤモンドの表面伝導層は、水素プラズ
マ処理等の水素化によって形成することができるが、こ
のような表面伝導層は、大気中で３５０℃以上の温度で
は消失することが明らかになっている。元来、ダイヤモ
ンドＦＥＴの適用が期待されている高温電子デバイス、
大電力電子デバイス及び高集積回路等を形成する場合、
動作雰囲気は高温であるか、又は大量の発熱を伴うの
で、このように熱的に不安定な表面伝導層を半導体層と
して使用することは困難である。

【０００６】また、水素化によって表面伝導層を形成す
る場合、ドーピング濃度及び膜厚を制御することは不可
能であり、各素子に必要となるダイヤモンド半導体層の
ドーピング濃度及び膜厚を任意に得ることはできない。
従って、ダイヤモンド層を有する半導体基板を使用し
て、高温、大電力及び高集積電子デバイスを作製する場
合には、Ｂをドープしたｐ型半導体ダイヤモンドを使用
する必要がある。

【０００７】ところで、水素化によって表面伝導層が形
成されたダイヤモンド集積回路においては、その作製工
程でＡｒ⁺イオンを注入し、ダイヤモンドＦＥＴの表面
伝導層の伝導起源である水素をダイヤモンド内から離脱
させて絶縁化することにより、ダイヤモンド電子デバイ
ス間を素子分離することができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
方法でＡｒ⁺イオンを注入すると、イオン注入による加
熱効果によって表面伝導層の水素を熱的に離脱させ、表
面伝導層を消失させることはできるが、Ｂをドープした
ダイヤモンド電子デバイス間を素子分離することはでき
ないという問題点がある。これは、ダイヤモンド中に注
入されたＡｒは正孔のトラップとしては働かないからで
ある。

【０００９】また、ダイヤモンド半導体層にＡｒ⁺イオ
ンを注入すると、Ａｒの重量が重いために、イオン衝撃
を受けたダイヤモンド表面は、グラファイト化して導電
性が付与される。従って、このグラファイト層を除去し
ない限り、完全にダイヤモンド電子デバイス間を素子分
離することは不可能である。

【００１０】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、高温電子素子、大電力電子素子及び高集積
回路に適用されるＢが導入された半導体ダイヤモンド層
であっても、その電子デバイス間を完全に素子分離する
ことができ、これにより、同一基板上に複数の素子領域
を形成する場合に、素子同士の干渉による誤動作の発生
を防止することができるダイヤモンド半導体装置及びそ
の製造方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係るダイヤモン
ド半導体装置は、Ｂが導入されたｐ型半導体ダイヤモン
ド層からなる電子素子領域間に、１×１０¹⁴乃至１×１
０²¹ｃｍ^-3の原子濃度で窒素を含有する絶縁領域を有す
ることを特徴とする。この窒素はイオン注入により前記
ダイヤモンド層に導入されていることが好ましい。ま
た、電子素子領域には、トランジスタ、サーミスタ、ダ
イオード、光センサ及び発光素子からなる群から選択さ
れた少なくとも１種の電子素子が形成されていることが
望ましい。

【００１２】本発明に係るダイヤモンド半導体装置の製
造方法は、Ｂが導入されたｐ型半導体ダイヤモンド層か
らなる電子素子領域間に、１×１０¹⁴乃至１×１０²¹ｃ
ｍ^-3の原子濃度で窒素を導入することにより絶縁領域を
形成することを特徴とする。

【００１３】この窒素はイオン注入により前記ダイヤモ
ンド層に導入することが好ましい。また、イオン注入の
後、真空中において８００℃以上の温度で１分間以上の
熱処理を施し、更に、前記イオン注入により生成された
ダイヤモンド層表面の非ダイヤモンド層を除去すること
が望ましい。また、前記非ダイヤモンド層は、酸素含有
雰囲気下における５００℃以上の温度での熱処理、酸洗
浄又は酸素プラズマ処理により除去することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】１対のＢドープｐ型半導体ダイヤ
モンド層が１乃至数μｍの距離で隔絶されて形成されて
いるとき、この２つのｐ型半導体ダイヤモンド層に挟ま
れた数μｍの領域が絶縁性ダイヤモンドであっても、こ
れらの半導体ダイヤモンド層間に電圧を印加すると、電
流が流れて絶縁性を維持することはできない。これは、
以下に示す理由による。

【００１５】図１は２つのＢドープ半導体ダイヤモンド
層とそれに挟まれた絶縁性のアンドープダイヤモンド層
とのエネルギーバンドを示す模式図である。図１（ａ）
に示すように、２つの半導体ダイヤモンド層に電圧が印
加されていない場合、アンドープ層は、Ｂドープ層内の
正孔に対して障壁になっており、両者の間には正孔の移
動が起こらないので、電流は流れない。

【００１６】しかしながら、図１（ｂ）に示すように、
両者の間に電圧を印加すると、Ｂドープダイヤモンド層
とアンドープダイヤモンド層とはホモ接合になってお
り、価電子帯の不連続がないので、電界によってＢドー
プダイヤモンド層内の正孔はアンドープダイヤモンド層
の領域に注入される。そして、この正孔は反対側のＢド
ープダイヤモンド層まで到達するので、電流が流れる。
これを空間電荷制限電流といい、その電流密度Ｊは下記
数式１により算出することができる。

【００１７】

【数１】Ｊ＝（９／８）με（Ｖ²／Ｌ³）Ｊ：電流密度（Ａ／ｃｍ²） μ：移動度（ｃｍ²／Ｖ・ｓ） ε：物質の誘電率（Ｆ／ｃｍ）Ｖ：印加電圧（Ｖ）Ｌ：電流が流れる領域の厚さ（ｃｍ）。

【００１８】例えば、ダイヤモンド中の正孔の移動度を
１６００（ｃｍ²／Ｖ・ｓ）、比誘電率を５．７（即
ち、誘電率ε＝５．７×８．８５×１０^-14（Ｆ／ｃ
ｍ））、Ｂドープ半導体層間のアンドープダイヤモンド
層の厚さを０．５（μｍ）、印加電圧を１Ｖとすると、
７．２７×１０³（Ａ／ｃｍ²）の空間電荷制限電流によ
る漏れ電流（リーク電流）が発生する。この電流密度の
値は、漏れ電流としては決して無視することができない
電流量であり、素子同士の干渉による誤動作が発生する
原因になる。

【００１９】従って、素子同士を完全に分離して誤動作
を防止するためには、アンドープダイヤモンド領域に正
孔のトラップを意図的に導入し、空間電荷制限電流によ
る漏れ電流を抑制する必要がある。ダイヤモンド半導体
中において、窒素はドナーとして働き、この窒素がアク
セプタとして働くＢを補償する作用を有することは、こ
れまでより明らかとなっていた。そこで、本願発明者等
は、ダイヤモンド内に導入された窒素が、ダイヤモンド
価電子帯を通過する正孔のトラップとして作用すること
を見い出した。注入によって、正孔がＢドープ半導体ダ
イヤモンド層側から窒素を含有する領域に流れ込んでき
た場合、トラップとして作用する窒素はその正孔を捕獲
するので、ダイヤモンド半導体層を素子分離することが
できる。

【００２０】通常、半導体層として使用されるＢドープ
半導体ダイヤモンド層のドーピング濃度は１×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3以上であり、室温における活性化率は０．１％程度
であるため、最も低い正孔のキャリア濃度としては、１
×１０¹⁴ｃｍ^-3と考えることができる。そこで、素子分
離領域に１×１０¹⁴ｃｍ^-3未満の原子濃度で窒素を導入
しても、この領域は正孔を完全に捕獲できるトラップと
して作用することができない。一方、ダイヤモンド中に
１×１０²¹ｃｍ^-3の原子濃度を超えて窒素を導入する
と、このダイヤモンド層はグラファイト化されてしま
い、ダイヤモンドとして存在することができなくなる。
従って、ダイヤモンド中の素子領域間に導入する窒素の
原子濃度は、１×１０¹⁴乃至１×１０²¹ｃｍ^-3とする。

【００２１】また、ダイヤモンド半導体層を素子分離す
るための絶縁領域は、ある特定の領域に形成する必要が
あるため、ダイヤモンド内に窒素を導入する方法として
は、イオン注入法を使用することが好ましい。イオン注
入法によると、適当なマスク材を使用することによって
微細な領域に窒素を導入することが可能になると共に、
加速エネルギー、ドーズ量（注入量）を制御することに
より、ダイヤモンド内の窒素の原子密度及び深さ方向プ
ロファイルを任意に設定することができる。また、加速
エネルギー及び注入量を変化させて複数回のイオン注入
を実施することにより、均一な濃度を有する窒素ドープ
ダイヤモンド領域を形成することもできる。

【００２２】更に、イオン注入後に、ダイヤモンド層に
対して真空中で高温熱処理を施すと、窒素イオン注入に
より発生したダイヤモンド層表面の欠陥を除去すること
ができると共に、窒素を格子置換位置に移動させること
ができ、これにより、トラップとして作用する窒素の割
合を増加させることができる。この熱処理の温度が８０
０℃未満であるか、又は熱処理時間が１分間未満である
と、窒素を正孔のトラップとして十分に作用させること
ができなくなる。従って、イオン注入により窒素をダイ
ヤモンド層に導入する場合、このイオン注入後に、真空
中において８００℃以上の温度で１分間以上の高温熱処
理を実施することが好ましい。

【００２３】更にまた、イオン注入による方法を使用す
ると、イオンの衝撃によって発生したダイヤモンド表面
近傍のグラファイト層（非ダイヤモンド層）は導電性を
有するので、ダイヤモンド層内の素子領域を分離するた
めには、このグラファイト層を除去することが望まし
い。しかし、Ｎの場合はＡｒよりも軽いので、そのイオ
ン衝撃は少なく、グラファイト層の形成は少ない。ダイ
ヤモンド表面に発生したグラファイト層は、酸化雰囲気
下における５００℃以上の温度での熱処理、酸洗浄又は
酸素プラズマ処理を実施すると、除去することができ
る。

【００２４】このように、本発明においては、素子領域
間を完全に絶縁することができるので、ダイヤモンドト
ランジスタ回路、ダイヤモンドトランジスタとダイヤモ
ンドセンサとの集積回路、ダイヤモンドダイオードによ
る論理回路及びダイヤモンド発光ダイオードアレイ等を
半導体ダイヤモンド層を有する１つの基板上に大量に形
成することができ、素子同士の干渉による誤動作が発生
することはない。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の実施例方法により半導体ダイ
ヤモンド層を素子分離した結果について説明する。

【００２６】図２は本実施例において使用した単結晶ダ
イヤモンド層へのＢ⁺イオンの注入領域の形状及びサイ
ズを示す平面図である。本実施例においては、例えば、
４ｍｍ×４ｍｍの単結晶（００１）絶縁性ダイヤモンド
層（Type Ia）１に、１ｍｍ×０．５ｍｍの１対の長方
形の素子領域２ａ及び２ｂにＢ⁺イオンを注入した。な
お、素子領域２ａと素子領域２ｂとの距離を０．５μｍ
とし、イオン注入時の加速電圧を６０ｋＶ、ドーズ量
（注入量）を４×１０¹⁶ｃｍ^-2とした。また、イオン注
入のマスクとしては、フォトリソグラフィにより形成し
た金（Ａｕ）のマスクを使用した。

【００２７】次に、Ａｕマスクを除去した後、Ｂをアク
セプタとして活性化させるために、真空中において１０
００℃の温度で１時間の熱処理を実施した。次いで、イ
オン注入のダメージにより発生したグラファイト層を除
去するために、大気中において、５００℃の温度で５分
間の熱処理を実施した。このとき、ダイヤモンド中のＢ
の原子密度を二次イオン質量分析（Secondary Ion Mass
Spectroscopy：ＳＩＭＳ）により測定すると、表層部
において、１×１０²⁰ｃｍ^-3のＢが検出された。

【００２８】その後、Ｂ⁺イオンが注入された領域（素
子領域２ａ及び２ｂ）をＡｕマスクで被覆し、Ｂ⁺イオ
ンが注入された領域を除く領域にＮ⁺イオンをイオン注
入することにより、絶縁領域を形成した。このときのイ
オン注入の加速電圧は６０ｋＶに固定し、ドーズ量（注
入量）を変化させて原子密度が異なる絶縁領域を有する
試料を形成した。そして、イオン注入を施した試料に対
しては、真空中において、８００℃の温度で１０分間の
熱処理を施した後、更に、大気中において５００℃の温
度で５分間の酸化処理を実施して、イオン注入により発
生したダイヤモンド層表面のグラファイト層を除去し
た。各試料の窒素のドーズ量と、グラファイト層の除去
後にＳＩＭＳにより測定したダイヤモンド層表面の窒素
の原子密度とを下記表１に示す。但し、試料Ｎｏ．４は
窒素イオンを注入しなかったものである。

【００２９】

【表１】

【００３０】その後、スパッタリング蒸着により、Ｂド
ープ半導体ダイヤモンド層（素子領域２ａ及び２ｂ）上
にＡｕ／Ｔｉ積層電極を作製し、電流−電圧（Ｉ−Ｖ）
特性を測定した。

【００３１】図３は縦軸に電流をとり、横軸に電圧をと
って、各試料の素子領域間の電流−電圧特性を対数値で
示すグラフ図である。グラフ中の数字は、試料のＮｏ．
を示している。図３に示すように、窒素が全く導入され
ていない試料Ｎｏ．４、ダイヤモンド層表層部の窒素の
原子密度が４×１０¹⁹ｃｍ^-3以下である試料Ｎｏ．２及
び３を比較すると、窒素の原子濃度を高くするに従っ
て、初めて漏れ電流が発生するときの電圧値も高くなっ
ている。即ち、高電圧を印加すると、素子領域間を電流
が流れてしまう。

【００３２】しかしながら、窒素の原子密度を５×１０
²⁰ｃｍ^-3とすると、高電圧の印加によっても、素子領域
間に漏れ電流が発生しなかった。このように、適切な濃
度で窒素をダイヤモンド中に導入すると、素子領域間が
完全に素子分離された優れた特性を有する半導体装置を
製造することができる。

【００３３】次いで、試料Ｎｏ．１と同様の条件で、Ｂ
ドープ半導体ダイヤモンド層（素子領域）を形成すると
共に、この素子領域間に窒素イオンを注入して、絶縁領
域を形成した。そして、このような３枚の試料に対し
て、下記表２に示す３種類のイオン注入後の処理を実施
した。

【００３４】

【表２】

【００３５】これらの熱処理及び酸化処理等の後、スパ
ッタリング蒸着により、Ｂドープ半導体ダイヤモンド層
（素子領域）上にＡｕ／Ｔｉ積層電極を作製し、電流−
電圧（Ｉ−Ｖ）特性を測定した。

【００３６】図４は縦軸に電流をとり、横軸に電圧をと
って、各試料の素子領域間の電流−電圧特性を対数値で
示すグラフ図である。グラフ中の数字は、試料のＮｏ．
を示している。図４に示すように、試料Ｎｏ．５は素子
領域間が完全に絶縁されており、漏れ電流は発生しなか
った。

【００３７】一方、試料Ｎｏ．６は熱処理の温度が８０
０℃未満であるので、素子領域間を完全に絶縁化するこ
とはできなかった。このことは、窒素を正孔トラップと
して作用させるためには、８００℃以上の熱処理を実施
することが必要であることを示している。また、試料Ｎ
ｏ．７は、イオン注入により形成されたグラファイト層
を除去するための酸化処理を実施していないので、素子
領域間を絶縁化することができず、大きな漏れ電流が発
生した。これは、窒素イオン注入のダメージが原因とな
ってダイヤモンド表面がグラファイトに変換し、これに
より、素子領域間に導電性が与えられたことを示してい
る。

【００３８】従って、イオン注入により窒素を導入する
場合、適切な温度で熱処理を実施すると共に、酸化処理
によりダイヤモンド層の表面に形成されたグラファイト
層を除去することにより、素子領域間が完全に除去され
た優れた特性を有する半導体装置を製造することができ
る。

【００３９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
Ｂが導入されたｐ型半導体ダイヤモンド層からなる電子
素子領域間に、適切な原子濃度で窒素が導入されている
ので、ダイヤモンド半導体装置の電子素子領域間を完全
に素子分離することができ、これにより、同一基板上に
複数の電子素子を形成しても、素子同士の干渉による誤
動作が発生することを防止することができる。また、こ
の電子素子領域にトランジスタ、サーミスタ、ダイオー
ド、光センサ及び発光素子等が形成されていると、高性
能のダイヤモンド集積回路を得ることができる。

【００４０】また、本発明方法によれば、イオン注入に
より電子素子領域間に窒素を導入すると、所望の原子濃
度及び微細領域で絶縁領域を形成することができ、この
場合、適切な熱処理及び酸化処理を実施すると、素子領
域間を完全に絶縁化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】２つのＢドープ半導体ダイヤモンド層とそれに
挟まれた絶縁性のアンドープダイヤモンド層とのエネル
ギーバンドを示す模式図である。

【図２】本実施例において使用した単結晶ダイヤモンド
層へのＢ⁺イオンの注入領域の形状及びサイズを示す平
面図である。

【図３】縦軸に電流をとり、横軸に電圧をとって、各試
料の素子領域間の電流−電圧特性を対数値で示すグラフ
図である。

【図４】縦軸に電流をとり、横軸に電圧をとって、各試
料の素子領域間の電流−電圧特性を対数値で示すグラフ
図である。

【符号の説明】

１；ダイヤモンド層２；素子領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｂが導入されたｐ型半導体ダイヤモンド
層からなる電子素子領域間に、１×１０¹⁴乃至１×１０
²¹ｃｍ^-3の原子濃度で窒素を含有する絶縁領域を有する
ことを特徴とするダイヤモンド半導体装置。
【請求項２】前記窒素はイオン注入により前記ダイヤ
モンド層に導入されていることを特徴とする請求項１に
記載のダイヤモンド半導体装置。
【請求項３】前記電子素子領域には、トランジスタ、
サーミスタ、ダイオード、光センサ及び発光素子からな
る群から選択された少なくとも１種の電子素子が形成さ
れていることを特徴とする請求項１又は２に記載のダイ
ヤモンド半導体装置。
【請求項４】Ｂが導入されたｐ型半導体ダイヤモンド
層からなる電子素子領域間に、１×１０¹⁴乃至１×１０
²¹ｃｍ^-3の原子濃度で窒素を導入することにより絶縁領
域を形成することを特徴とするダイヤモンド半導体装置
の製造方法。
【請求項５】前記窒素は、イオン注入により前記ダイ
ヤモンド層に導入することを特徴とする請求項４に記載
のダイヤモンド半導体装置の製造方法。
【請求項６】前記イオン注入の後、真空中において８
００℃以上の温度で１分間以上の熱処理を施し、更に、
前記イオン注入により生成されたダイヤモンド層表面の
非ダイヤモンド層を除去することを特徴とする請求項５
に記載のダイヤモンド半導体装置の製造方法。
【請求項７】前記非ダイヤモンド層は、酸素含有雰囲
気下において５００℃以上の温度で熱処理することによ
り除去するものであることを特徴とする請求項６に記載
のダイヤモンド半導体装置の製造方法。
【請求項８】前記非ダイヤモンド層は、酸洗浄により
除去するものであることを特徴とする請求項６に記載の
ダイヤモンド半導体装置の製造方法。
【請求項９】前記非ダイヤモンド層は、酸素プラズマ
処理により除去するものであることを特徴とする請求項
６に記載のダイヤモンド半導体装置の製造方法。