JP2001064094A - 半導体ダイヤモンドの製造方法 - Google Patents
半導体ダイヤモンドの製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ダイヤモンドへの粒子線照射により、確実に
半導体ダイヤモンドを得ることが出来る半導体ダイヤモ
ンドの製造方法を提供する。 【解決手段】 ダイヤモンド基板8に粒子線を照射して
半導体ダイヤモンドを製造する方法において、粒子線を
照射する際、ダイヤモンド基板8の温度を300℃以上
2000℃以下に保ち、ダイヤモンド基板8の被照射面
とダイヤモンド基板8の(001)結晶面とがなす角度
を−20°〜+20°とし、かつ粒子線が照射される方
向とダイヤモンド基板8の<001>結晶方位とがなす
角度を−20°〜+20°とする。
半導体ダイヤモンドを得ることが出来る半導体ダイヤモ
ンドの製造方法を提供する。 【解決手段】 ダイヤモンド基板8に粒子線を照射して
半導体ダイヤモンドを製造する方法において、粒子線を
照射する際、ダイヤモンド基板8の温度を300℃以上
2000℃以下に保ち、ダイヤモンド基板8の被照射面
とダイヤモンド基板8の(001)結晶面とがなす角度
を−20°〜+20°とし、かつ粒子線が照射される方
向とダイヤモンド基板8の<001>結晶方位とがなす
角度を−20°〜+20°とする。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ダイヤモン
ドの製造方法に関し、特に、電子工業において耐環境性
素子などの半導体材料として用いられる半導体ダイヤモ
ンドを粒子線照射によるダイヤモンドの半導体化によっ
て製造する方法に関する。
ドの製造方法に関し、特に、電子工業において耐環境性
素子などの半導体材料として用いられる半導体ダイヤモ
ンドを粒子線照射によるダイヤモンドの半導体化によっ
て製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】一般にSiやGeを半導体化する方法と
して、イオン注入が広く用いられている。イオン注入で
は注入領域にダメージが残るため、熱処理を行う必要が
ある。SiやGeではダイヤモンド型の結晶構造が最も
安定であり、熱処理を行えば元の結晶に回復させること
が出来る。
して、イオン注入が広く用いられている。イオン注入で
は注入領域にダメージが残るため、熱処理を行う必要が
ある。SiやGeではダイヤモンド型の結晶構造が最も
安定であり、熱処理を行えば元の結晶に回復させること
が出来る。
【0003】一方、ダイヤモンドについても、イオン注
入およびアニールにより、半導体化する方法が考えられ
る。しかし、炭素からなる結晶構造について、ダイヤモ
ンドは常圧では準安定相であり、最安定相はグラファイ
トである。このため、SiやGeと同じプロセスで半導
体化を行なうと、注入領域のグラファイト化が起こり、
半導体ダイヤモンドを得ることが出来ない。
入およびアニールにより、半導体化する方法が考えられ
る。しかし、炭素からなる結晶構造について、ダイヤモ
ンドは常圧では準安定相であり、最安定相はグラファイ
トである。このため、SiやGeと同じプロセスで半導
体化を行なうと、注入領域のグラファイト化が起こり、
半導体ダイヤモンドを得ることが出来ない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、粒子線
照射時に、ダイヤモンド基板または基板素材上に堆横さ
れたダイヤモンド薄膜の温度を高温に保ち、照射によっ
て生じた結晶欠陥を回復させる方法を検討してきた。
照射時に、ダイヤモンド基板または基板素材上に堆横さ
れたダイヤモンド薄膜の温度を高温に保ち、照射によっ
て生じた結晶欠陥を回復させる方法を検討してきた。
【0005】本発明の目的は、この方法に基づき、さら
に確実に半導体ダイヤモンドを得ることが出来る半導体
ダイヤモンドの製造方法を提供することである。
に確実に半導体ダイヤモンドを得ることが出来る半導体
ダイヤモンドの製造方法を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、粒子線照射に
よるダイヤモンドの半導体化プロセスにおいて、温度の
他に、ダイヤモンド結晶面の配置、および粒子線の照射
方位が、結晶性の回復に関係していることを見出した。
そして、ダイヤモンド結晶配列の回復に適した温度、ダ
イヤモンド結晶面の配置、および粒子線の照射方向の組
合わせを見出し、本発明に至った。
よるダイヤモンドの半導体化プロセスにおいて、温度の
他に、ダイヤモンド結晶面の配置、および粒子線の照射
方位が、結晶性の回復に関係していることを見出した。
そして、ダイヤモンド結晶配列の回復に適した温度、ダ
イヤモンド結晶面の配置、および粒子線の照射方向の組
合わせを見出し、本発明に至った。
【0007】すなわち、本発明では、ダイヤモンド基板
または基板素材上に堆積されたダイヤモンド薄膜に粒子
線を照射して半導体ダイヤモンドを製造する方法におい
て、粒子線を照射する際、該ダイヤモンド基板または該
ダイヤモンド薄膜の温度を300℃以上2000℃以下
に保ち、該ダイヤモンド基板または該ダイヤモンド薄膜
の粒子線が照射される面と該ダイヤモンド基板または該
ダイヤモンド薄膜の(001)結晶面とがなす角度を−
20°〜+20°とし、かつ粒子線が照射される方向と
該ダイヤモンド基板または該ダイヤモンド薄膜の<00
1>結晶方位とがなす角度を−20°〜+20°とす
る。この条件により、粒子線による照射損傷をさらに効
率良く回復することができ、より確実に半導体ダイヤモ
ンドを得ることができるようになる。
または基板素材上に堆積されたダイヤモンド薄膜に粒子
線を照射して半導体ダイヤモンドを製造する方法におい
て、粒子線を照射する際、該ダイヤモンド基板または該
ダイヤモンド薄膜の温度を300℃以上2000℃以下
に保ち、該ダイヤモンド基板または該ダイヤモンド薄膜
の粒子線が照射される面と該ダイヤモンド基板または該
ダイヤモンド薄膜の(001)結晶面とがなす角度を−
20°〜+20°とし、かつ粒子線が照射される方向と
該ダイヤモンド基板または該ダイヤモンド薄膜の<00
1>結晶方位とがなす角度を−20°〜+20°とす
る。この条件により、粒子線による照射損傷をさらに効
率良く回復することができ、より確実に半導体ダイヤモ
ンドを得ることができるようになる。
【0008】また、粒子線を照射する際の該ダイヤモン
ド基板または該ダイヤモンド薄膜の温度は800℃以上
であることが好ましい。照射する粒子は、III族元
素、V族元素、Li、S、およびClのいずれか、また
はそれらの組合わせとすることができる。粒子線の照射
レートは、1×1011個/cm2・sec以上1×101
6個/cm2・sec以下であることが好ましい。粒子線
の照射エネルギーは100eV以上10MeV以下であ
ることが好ましい。
ド基板または該ダイヤモンド薄膜の温度は800℃以上
であることが好ましい。照射する粒子は、III族元
素、V族元素、Li、S、およびClのいずれか、また
はそれらの組合わせとすることができる。粒子線の照射
レートは、1×1011個/cm2・sec以上1×101
6個/cm2・sec以下であることが好ましい。粒子線
の照射エネルギーは100eV以上10MeV以下であ
ることが好ましい。
【0009】本発明の好ましい態様において、p−ドー
パント、およびn−ドーパントとなる粒子をダイヤモン
ド基板またはダイヤモンド薄膜の深さ方向に近接した頷
域に導入することで、pn接合素子を作製することがで
きる。
パント、およびn−ドーパントとなる粒子をダイヤモン
ド基板またはダイヤモンド薄膜の深さ方向に近接した頷
域に導入することで、pn接合素子を作製することがで
きる。
【0010】
【発明の実施の形態】本発明では、ダイヤモンドにドー
パントとなる元素を含む粒子を加速し照射する。このプ
ロセスにおいて、図4に示すように、ドーピングすべき
ダイヤモンド40の(001)結晶面に対して粒子線の
被照射面40aがなす角度θ(オフ角)が、−20°〜
+20°の範囲内にあるようなダイヤモンドを使用す
る。さらに、照射する粒子線42の方向は、ダイヤモン
ド1の<001>方位から±20°の範囲に設定する。
そして、ダイヤモンドの温度は300℃以上2000℃
以下に保つ。これらの条件により、粒子照射によって生
じた欠陥は、後から照射された粒子によって再配列さ
れ、ダイヤモンドにアモルファス化やグラファイト化を
起こさせることなく、ダイヤモンド結晶中にドーパント
を取り込ませることが出来る。
パントとなる元素を含む粒子を加速し照射する。このプ
ロセスにおいて、図4に示すように、ドーピングすべき
ダイヤモンド40の(001)結晶面に対して粒子線の
被照射面40aがなす角度θ(オフ角)が、−20°〜
+20°の範囲内にあるようなダイヤモンドを使用す
る。さらに、照射する粒子線42の方向は、ダイヤモン
ド1の<001>方位から±20°の範囲に設定する。
そして、ダイヤモンドの温度は300℃以上2000℃
以下に保つ。これらの条件により、粒子照射によって生
じた欠陥は、後から照射された粒子によって再配列さ
れ、ダイヤモンドにアモルファス化やグラファイト化を
起こさせることなく、ダイヤモンド結晶中にドーパント
を取り込ませることが出来る。
【0011】基板温度が300℃以上2000℃以下で
あれば上記再配列が誘起されダイヤモンド結晶の回復が
効率良く起こる。基板温度が300℃以下であれば、再
配列が起こるために必要な原子の熱運動が活発でなく、
再配列は誘起されにくい。また逆に2000℃以上では
ダイヤモンドがグラファイトに相転移してしまう。より
好ましい基板温度は、800℃以上2000℃以下であ
る。その理由は、この温度領域ではダイヤモンド結晶中
に導入されたドーパント元素が電気的に活性になるサイ
トに最終的に落ち着く割合が大きいからである。
あれば上記再配列が誘起されダイヤモンド結晶の回復が
効率良く起こる。基板温度が300℃以下であれば、再
配列が起こるために必要な原子の熱運動が活発でなく、
再配列は誘起されにくい。また逆に2000℃以上では
ダイヤモンドがグラファイトに相転移してしまう。より
好ましい基板温度は、800℃以上2000℃以下であ
る。その理由は、この温度領域ではダイヤモンド結晶中
に導入されたドーパント元素が電気的に活性になるサイ
トに最終的に落ち着く割合が大きいからである。
【0012】また、上述したように、本発明では、ダイ
ヤモンド結晶の粒子線被照射面を、ダイヤモンド結晶の
(001)面から、±20°以内にする。通常、被照射
面がそのような範囲にあるダイヤモンドを使用するが、
必要であれば、研磨等により、そのような範囲にある被
照射面を調製してもよい。ダイヤモンドの(001)結
晶面の再配列は効率良く起こり、また再配列後のダイヤ
モンド結晶の構造は粒子線照射前と同じであることが見
出された。これに対し、(111)面、(110)面等
では再配列が起こりにくいか、起こる場合でも多結晶に
なってしまうおそれがある。被照射面の(001)面か
らのオフ角が大きくなるにしたがい、(001)面以外
の再配列の影響が出る。
ヤモンド結晶の粒子線被照射面を、ダイヤモンド結晶の
(001)面から、±20°以内にする。通常、被照射
面がそのような範囲にあるダイヤモンドを使用するが、
必要であれば、研磨等により、そのような範囲にある被
照射面を調製してもよい。ダイヤモンドの(001)結
晶面の再配列は効率良く起こり、また再配列後のダイヤ
モンド結晶の構造は粒子線照射前と同じであることが見
出された。これに対し、(111)面、(110)面等
では再配列が起こりにくいか、起こる場合でも多結晶に
なってしまうおそれがある。被照射面の(001)面か
らのオフ角が大きくなるにしたがい、(001)面以外
の再配列の影響が出る。
【0013】また、本発明では、照射粒子の方位をダイ
ヤモンドの<001>方位から±20°の範囲に定め
る。上述と同様に照射粒子の方位がダイヤモンドの<0
01>方位から離れるにしたがい、(001)面以外の
再配列の影響が出る。照射粒子の方位を、<001>方
位に近づけることによって、結晶面の再配列を効率良く
起こすことができる。
ヤモンドの<001>方位から±20°の範囲に定め
る。上述と同様に照射粒子の方位がダイヤモンドの<0
01>方位から離れるにしたがい、(001)面以外の
再配列の影響が出る。照射粒子の方位を、<001>方
位に近づけることによって、結晶面の再配列を効率良く
起こすことができる。
【0014】このように、被照射面の(001)面から
のオフ角を±20°の範囲内とし、照射粒子の方位を<
001>方位から±20°の範囲内とすることによっ
て、結晶面の再配列の効率をさらに高め、より確実に半
導体ダイヤモンドを得ることができる。粒子線照射後の
ダイヤモンド上に気相でダイヤモンドを追成長させる場
合のことを考慮すると、被照射面はできる限り(00
1)面に近いほうが良く、オフ角は5°以内がより好ま
しい。一方、照射粒子の方位は、<001>方位から3
°以上10°以下であるのがより好ましい。この角度を
3°以上にすることによって、注入元素によるチャネリ
ングの発生が抑制され、ドーパントの深さ制御が容易と
なる。また、この角度を10°以下にすることで、再配
列の効率をより高めることができる。
のオフ角を±20°の範囲内とし、照射粒子の方位を<
001>方位から±20°の範囲内とすることによっ
て、結晶面の再配列の効率をさらに高め、より確実に半
導体ダイヤモンドを得ることができる。粒子線照射後の
ダイヤモンド上に気相でダイヤモンドを追成長させる場
合のことを考慮すると、被照射面はできる限り(00
1)面に近いほうが良く、オフ角は5°以内がより好ま
しい。一方、照射粒子の方位は、<001>方位から3
°以上10°以下であるのがより好ましい。この角度を
3°以上にすることによって、注入元素によるチャネリ
ングの発生が抑制され、ドーパントの深さ制御が容易と
なる。また、この角度を10°以下にすることで、再配
列の効率をより高めることができる。
【0015】本発明では、ダイヤモンドをp型半導体化
するため照射する粒子として、III族元素の単体、イ
オン、あるいはそれらの化合物、混合物を使用すること
ができる。好ましいIII族元素には、B、Al、G
a、In、およびTlが含まれる。また、n型半導体化
するために照射する粒子として、V族元素、Li、S、
Clの単体、イオン、あるいはそれらの化合物、混合物
を使用することができる。好ましいV族元素には、N、
P、As、Sb、およびBiが含まれる。III族元
素、およびV族元素は、ダイヤモンドの格子位置に置換
し、それぞれ電気的に活性なアクセプター、ドナーとし
て作用する。Li、S、Clに関してはドナーになる理
由は明らかではないが、Liは格子間サイトに入り電気
的に活性になるようである。
するため照射する粒子として、III族元素の単体、イ
オン、あるいはそれらの化合物、混合物を使用すること
ができる。好ましいIII族元素には、B、Al、G
a、In、およびTlが含まれる。また、n型半導体化
するために照射する粒子として、V族元素、Li、S、
Clの単体、イオン、あるいはそれらの化合物、混合物
を使用することができる。好ましいV族元素には、N、
P、As、Sb、およびBiが含まれる。III族元
素、およびV族元素は、ダイヤモンドの格子位置に置換
し、それぞれ電気的に活性なアクセプター、ドナーとし
て作用する。Li、S、Clに関してはドナーになる理
由は明らかではないが、Liは格子間サイトに入り電気
的に活性になるようである。
【0016】またこのときの照射粒子のエネルギーは、
100eV(102eV)以上10MeV(107eV)
以下が望ましい。100eV(102eV)以下ではエ
ネルギーが低すきるため、ダイヤモンド中にドーパント
を十分に導入することが困難になってくる。10MeV
(107eV)以上では照射によって生じた欠陥の密度
が高くなり、欠陥の複合体が形成されるようになる。照
射粒子のエネルギーが1keV(103eV)以下では
スパッタリングが支配的になってしまうという問題や、
2MeV(2×106MeV)以上では装置が大掛かり
になってしまうという間題を考慮すると、照射粒子のエ
ネルギーは1keV(103eV)以上2MeV(2×
106MeV)以下がより好ましい。
100eV(102eV)以上10MeV(107eV)
以下が望ましい。100eV(102eV)以下ではエ
ネルギーが低すきるため、ダイヤモンド中にドーパント
を十分に導入することが困難になってくる。10MeV
(107eV)以上では照射によって生じた欠陥の密度
が高くなり、欠陥の複合体が形成されるようになる。照
射粒子のエネルギーが1keV(103eV)以下では
スパッタリングが支配的になってしまうという問題や、
2MeV(2×106MeV)以上では装置が大掛かり
になってしまうという間題を考慮すると、照射粒子のエ
ネルギーは1keV(103eV)以上2MeV(2×
106MeV)以下がより好ましい。
【0017】また粒子線照射時の照射レートは、1×1
011個/cm2・sec以上1×1016個/cm2・se
c以下であることが望ましい。1×1011個/cm2・
sec以下では粒子線照射に時間がかかりすぎるため実
用的でなくなってくる。逆に1×1016個/cm2・s
ec以上では欠陥が高密度になりすぎるために再配列が
首尾よく進行しなくなってくる。この範囲内にあるとき
結晶の再配列が効率良く行われるが、粒子線照射量を時
間で制御する場合には、1×1011個/cm2・sec
以上1×1013個/cm2・sec以下であることがよ
り好ましい。上述の通り、1×1011個/cm2・se
c以下では粒子線照射に時間がかかりすきるためで、1
×1013個/cm2・sec以上では照射時間が10秒
程度以下になるため、ぱらつきが大きくなる。
011個/cm2・sec以上1×1016個/cm2・se
c以下であることが望ましい。1×1011個/cm2・
sec以下では粒子線照射に時間がかかりすぎるため実
用的でなくなってくる。逆に1×1016個/cm2・s
ec以上では欠陥が高密度になりすぎるために再配列が
首尾よく進行しなくなってくる。この範囲内にあるとき
結晶の再配列が効率良く行われるが、粒子線照射量を時
間で制御する場合には、1×1011個/cm2・sec
以上1×1013個/cm2・sec以下であることがよ
り好ましい。上述の通り、1×1011個/cm2・se
c以下では粒子線照射に時間がかかりすきるためで、1
×1013個/cm2・sec以上では照射時間が10秒
程度以下になるため、ぱらつきが大きくなる。
【0018】また本発明では、粒子線照射時の加速エネ
ルギーを制御することでドーパントの深さ分布を正確に
制御することができるので、結晶表面から浅い領域にp
層を、それに近接した深い領域にn層を形成するか、あ
るいは結晶表面から浅い領域にn層を、それに近接した
深い領域にp層を形成することで、pn接合素子を容易
に作製することも可能である。以下、実施例を挙げて本
発明をさらに説明する。
ルギーを制御することでドーパントの深さ分布を正確に
制御することができるので、結晶表面から浅い領域にp
層を、それに近接した深い領域にn層を形成するか、あ
るいは結晶表面から浅い領域にn層を、それに近接した
深い領域にp層を形成することで、pn接合素子を容易
に作製することも可能である。以下、実施例を挙げて本
発明をさらに説明する。
【0019】
【実施例】(実施例1)本発明の第1の実施例を図1お
よび図2を用いて説明する。図1のイオン注入装置20
の基板加熱ホルダー9に装着する試料8として、被照射
面が(001)面から4°オフしたアンドープダイヤモ
ンド単結晶基板を用い、基板温度を1100℃に保持し
た。この試料8に60keVに加速された、p−ドーパ
ントであるBのイオンを、試料の被照射面に対する法線
方向から、照射レート3×1012個/cm2・sec
で、3×1014個/cm2照射した。照射に用いたBイ
オンは、フリーマン型イオン源1にBF3ガスを原料と
してプラズマを立てることにより発生させた。イオン源
1で発生したBイオンは引出電極2で30keVのエネ
ルギーで引きだし、分析電磁石3によりBの同位体のう
ちの11Bのみを透過させた。その後Bイオンを加速管4
で60keVまで加速し、Qレンズ5でビーム形状を整
え、スキャナ部6でXY方向にビームをスキャンしながら
試料8中に導入した。
よび図2を用いて説明する。図1のイオン注入装置20
の基板加熱ホルダー9に装着する試料8として、被照射
面が(001)面から4°オフしたアンドープダイヤモ
ンド単結晶基板を用い、基板温度を1100℃に保持し
た。この試料8に60keVに加速された、p−ドーパ
ントであるBのイオンを、試料の被照射面に対する法線
方向から、照射レート3×1012個/cm2・sec
で、3×1014個/cm2照射した。照射に用いたBイ
オンは、フリーマン型イオン源1にBF3ガスを原料と
してプラズマを立てることにより発生させた。イオン源
1で発生したBイオンは引出電極2で30keVのエネ
ルギーで引きだし、分析電磁石3によりBの同位体のう
ちの11Bのみを透過させた。その後Bイオンを加速管4
で60keVまで加速し、Qレンズ5でビーム形状を整
え、スキャナ部6でXY方向にビームをスキャンしながら
試料8中に導入した。
【0020】照射後のダイヤモンド結晶の照射損傷が回
復しているか確認するため、ラザフォード後方散乱法
(RBS)によるチャンネリング分析を行った。本分析
では試料のチャンネリングの方位から1.6MeVに加
速された4He+を入射し、入射ピームと170°の角を
なす方向に散乱される4He+の個数と、それぞれのイオ
ンのエネルギーを固体検出器で検出した。試料が完全な
緒晶であればチャンネリングの方位から入射された4H
e+は散乱する原子がないために、後方に散乱される4H
e+の量はランダムな方位から入射した場合の1〜5%
程度に減少する。逆に結晶にダメージがあり格子間に原
子が存在すると、チャンネリング方位から4He+を入射
した場合でも格子間原子による散乱の効果で後方散乱さ
れる4He+が増加する。この減少を利用して試料表面か
ら数ミクロン程度の深さの結晶性を見積もることが出来
る。
復しているか確認するため、ラザフォード後方散乱法
(RBS)によるチャンネリング分析を行った。本分析
では試料のチャンネリングの方位から1.6MeVに加
速された4He+を入射し、入射ピームと170°の角を
なす方向に散乱される4He+の個数と、それぞれのイオ
ンのエネルギーを固体検出器で検出した。試料が完全な
緒晶であればチャンネリングの方位から入射された4H
e+は散乱する原子がないために、後方に散乱される4H
e+の量はランダムな方位から入射した場合の1〜5%
程度に減少する。逆に結晶にダメージがあり格子間に原
子が存在すると、チャンネリング方位から4He+を入射
した場合でも格子間原子による散乱の効果で後方散乱さ
れる4He+が増加する。この減少を利用して試料表面か
ら数ミクロン程度の深さの結晶性を見積もることが出来
る。
【0021】本実施例で作製した試料の炭素の<001
>チャンネリングスペクトルを図2に示す。参考のた
め、基板を加熱せず、それ以外は同条件でB注入を行っ
た試料についての分析結果も示す。図2の中で高エネル
ギー側の立ち上がりが試料表面に対応し、エネルギーの
低い部分が試料表面から深い部分に対応する。この結果
から基板加熱を行わないときは表面から100nm程度
の深さまでアモルファス化しているのに対し、本実施例
の条件では原子変位濃度換算で3%程度まで回復してい
ることがわかった。炭素の<111>チャンネリング分
析の結果からも同様の結論が得られ、結晶の照射損傷が
回復していることが確認できた。また赤外吸収スペクト
ルで格子位置に入ったBの吸収が見られ、Bが格子位置
に入っていることも確認された。このダイヤモンドの電
気特性評価を行ったところ、活性化エネルキーは0.3
5eV、室温でのホール移動度1500cm2/V・s
と非常に良好なp型特性を示した。またIII族元素で
あるAlを照射した場合も同様に良好なp型半導体ダイ
ヤモンドを得ることができた。また、アンドープダイヤ
モンド単結晶基板のかわりにBN、Pt等の基板上にヘ
テロエピタキシャル成長したダイヤモンド薄膜を用いた
場合も同様の結果を得た。またアンドープダイヤモンド
単結晶基板のかわりにn型ダイヤモンドを用いることで
pn接合を作製することも可能である。 (実施例2)本発明の第2の実施例を図1を用いて説明
する。実施例1同様、図1のイオン注入装置20の基板
加熱ホルダー9に装着する試料8として、被照射面が
(001)面から10°オフしたBドーブp型ダイヤモ
ンド単結晶基板を用い、基板温度を1000℃に保持し
た。この試料8に150keVに加速された、n−ドー
パントであるSのイオンを試料法線方向から照射レート
1×1012個/cm2・secで、5×1014個/cm2
照射した。照射に用いたSイオンは、フリーマン型イオ
ン源1にSF6ガスを原料としてプラズマを立てること
により発生させた。イオン源1で発生したSイオンは引
出電極2で30keVのエネルギーで引きだし、分析電
磁石3によりSの同位体のうちの32Sのみを透過させ
た。その後Sイオンを加速管4で150keVまで加速
し、Qレンズ5でビーム形状を整え、スキャナ部6でX
Y方向にビームをスキャンしながら試料8中に導入し
た。実施例1同様、炭素のRBSチャンネリング分析を
行った結栗、図2と同様のRBSチャンネリングスペク
トルが得られ、<001>方位、<111>方位とも
に、表面近傍の照射損傷は原子変位濃度換算で4%程度
に抑えられていることがわかった。また、電気特性評価
の緒果、良好な整流特牲を示すことが分かり、n−ドー
パントを注入した領域が良好なn型ダイヤモンドにな
り、pn接合を形成出来ていることが確認できた。
>チャンネリングスペクトルを図2に示す。参考のた
め、基板を加熱せず、それ以外は同条件でB注入を行っ
た試料についての分析結果も示す。図2の中で高エネル
ギー側の立ち上がりが試料表面に対応し、エネルギーの
低い部分が試料表面から深い部分に対応する。この結果
から基板加熱を行わないときは表面から100nm程度
の深さまでアモルファス化しているのに対し、本実施例
の条件では原子変位濃度換算で3%程度まで回復してい
ることがわかった。炭素の<111>チャンネリング分
析の結果からも同様の結論が得られ、結晶の照射損傷が
回復していることが確認できた。また赤外吸収スペクト
ルで格子位置に入ったBの吸収が見られ、Bが格子位置
に入っていることも確認された。このダイヤモンドの電
気特性評価を行ったところ、活性化エネルキーは0.3
5eV、室温でのホール移動度1500cm2/V・s
と非常に良好なp型特性を示した。またIII族元素で
あるAlを照射した場合も同様に良好なp型半導体ダイ
ヤモンドを得ることができた。また、アンドープダイヤ
モンド単結晶基板のかわりにBN、Pt等の基板上にヘ
テロエピタキシャル成長したダイヤモンド薄膜を用いた
場合も同様の結果を得た。またアンドープダイヤモンド
単結晶基板のかわりにn型ダイヤモンドを用いることで
pn接合を作製することも可能である。 (実施例2)本発明の第2の実施例を図1を用いて説明
する。実施例1同様、図1のイオン注入装置20の基板
加熱ホルダー9に装着する試料8として、被照射面が
(001)面から10°オフしたBドーブp型ダイヤモ
ンド単結晶基板を用い、基板温度を1000℃に保持し
た。この試料8に150keVに加速された、n−ドー
パントであるSのイオンを試料法線方向から照射レート
1×1012個/cm2・secで、5×1014個/cm2
照射した。照射に用いたSイオンは、フリーマン型イオ
ン源1にSF6ガスを原料としてプラズマを立てること
により発生させた。イオン源1で発生したSイオンは引
出電極2で30keVのエネルギーで引きだし、分析電
磁石3によりSの同位体のうちの32Sのみを透過させ
た。その後Sイオンを加速管4で150keVまで加速
し、Qレンズ5でビーム形状を整え、スキャナ部6でX
Y方向にビームをスキャンしながら試料8中に導入し
た。実施例1同様、炭素のRBSチャンネリング分析を
行った結栗、図2と同様のRBSチャンネリングスペク
トルが得られ、<001>方位、<111>方位とも
に、表面近傍の照射損傷は原子変位濃度換算で4%程度
に抑えられていることがわかった。また、電気特性評価
の緒果、良好な整流特牲を示すことが分かり、n−ドー
パントを注入した領域が良好なn型ダイヤモンドにな
り、pn接合を形成出来ていることが確認できた。
【0022】n型半導体ダイヤモンド領域のみの特性を
調べるため、Bドープp型ダイヤモンド単結晶基板のか
わりにアンドーブ単結晶ダイヤモンド基板を用いて同様
の実験を行い、電気特性を評価したところ、活性化エネ
ルギー一は0.32eV、室温でのホール移動度700
cm2/V・sと非常に良好なn型特性を示した。ま
た、n−ドーパントとして注入する元素として、他のV
族元素、LiあるいはClの元素単体、イオン、あるい
はそれらの化合物、混合物を照射することも可能であ
る。注入に用いる基板は単結晶ダイヤモンド基板だけで
なく、ホモエピタキシャル成長したダイヤモンド薄膜、
ヘテロエピタキシャル成長したダイヤモンド薄膜を用い
た場合も、n−ドーパントを注入した領域に良好なn型
伝導層を形成することが出来た。 (実施例3)本発明によりpn接合を形成する方法につ
いて図1、図3を用いて説明する。図1のイオン注入装
置20の基板加熱ホルダー9に装着する試料8として、
ダイヤモンド単結晶基板上にホモエピタキシャル成長さ
せたアンドープダイヤモンド薄膜(その表面の(00
1)面に対するオフ角は5°)を固定し、基板温度を7
00℃に保持した。試料8の拡大図を図3に示す。この
アンドープダイヤモンド薄膜15に、100keVに加
速されたp−ドーパントであるAlのイオン16を、試
料表面に対する法線から10°オフの方向から、照射レ
ート1×1012個/cm2・secで、2×1014個/
cm2照射した。その後、250keVに加速された、
n−ドーパントであるPのイオン17を試料法線から1
0°オフの方向から照射レート2×1012個/cm2・
secで、4×1014個/cm2照射した。照射に用い
たAlイオンは、フリーマン型イオン源にAl単体を原
料として蒸発させることにより発生させた。イオン源1
で発生したAlイオンは引出電極2で30keVのエネ
ルギーで引きだし、分析電磁石3により27Alを透過さ
せた。その後Alイオンを加速管4で100keVまで
加速し、Qレンズ5でビーム形状を整え、スキャナ部6
でXY方向にビームをスキャンしながら試料8中に導入
した。また次に用いたPイオンはフリーマン型イオン源
に固体のPをオーブンで加熱することで発生させた。イ
オン源1で発生したPイオンは引出電極2で30keV
のエネルギーで引きだし、分析電磁石3により31Pを透
過させた。その後Pイオンを加速管4で250keVま
で加速し、Qレンズ5でビーム形状を整え、スキャナ部
6でXY方向にビームをスキャンしながら試料中に導入
した。図3に試料中のp、nドーパントの導入位置を示
す。Alの原子18は試料の表面の浅い領域に導入さ
れ、またP原子19はAl18よりも深い領域に導入さ
れている。
調べるため、Bドープp型ダイヤモンド単結晶基板のか
わりにアンドーブ単結晶ダイヤモンド基板を用いて同様
の実験を行い、電気特性を評価したところ、活性化エネ
ルギー一は0.32eV、室温でのホール移動度700
cm2/V・sと非常に良好なn型特性を示した。ま
た、n−ドーパントとして注入する元素として、他のV
族元素、LiあるいはClの元素単体、イオン、あるい
はそれらの化合物、混合物を照射することも可能であ
る。注入に用いる基板は単結晶ダイヤモンド基板だけで
なく、ホモエピタキシャル成長したダイヤモンド薄膜、
ヘテロエピタキシャル成長したダイヤモンド薄膜を用い
た場合も、n−ドーパントを注入した領域に良好なn型
伝導層を形成することが出来た。 (実施例3)本発明によりpn接合を形成する方法につ
いて図1、図3を用いて説明する。図1のイオン注入装
置20の基板加熱ホルダー9に装着する試料8として、
ダイヤモンド単結晶基板上にホモエピタキシャル成長さ
せたアンドープダイヤモンド薄膜(その表面の(00
1)面に対するオフ角は5°)を固定し、基板温度を7
00℃に保持した。試料8の拡大図を図3に示す。この
アンドープダイヤモンド薄膜15に、100keVに加
速されたp−ドーパントであるAlのイオン16を、試
料表面に対する法線から10°オフの方向から、照射レ
ート1×1012個/cm2・secで、2×1014個/
cm2照射した。その後、250keVに加速された、
n−ドーパントであるPのイオン17を試料法線から1
0°オフの方向から照射レート2×1012個/cm2・
secで、4×1014個/cm2照射した。照射に用い
たAlイオンは、フリーマン型イオン源にAl単体を原
料として蒸発させることにより発生させた。イオン源1
で発生したAlイオンは引出電極2で30keVのエネ
ルギーで引きだし、分析電磁石3により27Alを透過さ
せた。その後Alイオンを加速管4で100keVまで
加速し、Qレンズ5でビーム形状を整え、スキャナ部6
でXY方向にビームをスキャンしながら試料8中に導入
した。また次に用いたPイオンはフリーマン型イオン源
に固体のPをオーブンで加熱することで発生させた。イ
オン源1で発生したPイオンは引出電極2で30keV
のエネルギーで引きだし、分析電磁石3により31Pを透
過させた。その後Pイオンを加速管4で250keVま
で加速し、Qレンズ5でビーム形状を整え、スキャナ部
6でXY方向にビームをスキャンしながら試料中に導入
した。図3に試料中のp、nドーパントの導入位置を示
す。Alの原子18は試料の表面の浅い領域に導入さ
れ、またP原子19はAl18よりも深い領域に導入さ
れている。
【0023】ここでダイヤモンドの結晶性を確認するた
め、実施例1および2と同様、炭素のRBSチャンネリ
ング分析を行った結果、<001>チャンネリング、<
111>チャンネリングともに、表面近傍の照射損傷は
原子変位濃度換算で9%程度に抑えられていることがわ
かった。また電気特性評価を行ったところ、整流性を示
し、p−ドーパントであるAlのイオンを注入した領域
がp型に、n−ドーパントであるPのイオンを注入した
領域がn型になっていることがわかった。
め、実施例1および2と同様、炭素のRBSチャンネリ
ング分析を行った結果、<001>チャンネリング、<
111>チャンネリングともに、表面近傍の照射損傷は
原子変位濃度換算で9%程度に抑えられていることがわ
かった。また電気特性評価を行ったところ、整流性を示
し、p−ドーパントであるAlのイオンを注入した領域
がp型に、n−ドーパントであるPのイオンを注入した
領域がn型になっていることがわかった。
【0024】ここでp−ドーパントとしてAlのイオン
のかわりに他のIII族元素であるBを用いた場合も同
様の結果を得た。またn−ドーパントとしてPのイオン
のかわりに他のV族元素であるAs、あるいは、Li、
SあるいはClを用いることも可能である。また、ここ
ではドーピングすべきダイヤモンドとして、ダイヤモン
ド単結晶基板上にホモエピタキシャル成長させたアンド
ープダイヤモンド薄膜を用いたが、BN、Pt等の基板
上にヘテロエピタキシャル成長させたダイヤモンド薄膜
や、ダイヤモンド単結晶基板をかわりに用いることもで
きる。また本実施例では、粒子線照射時の基板温度を7
00℃としたが、800℃以上にすることでさらに良好
な整流性を示すpn接合を得ることが可能である。
のかわりに他のIII族元素であるBを用いた場合も同
様の結果を得た。またn−ドーパントとしてPのイオン
のかわりに他のV族元素であるAs、あるいは、Li、
SあるいはClを用いることも可能である。また、ここ
ではドーピングすべきダイヤモンドとして、ダイヤモン
ド単結晶基板上にホモエピタキシャル成長させたアンド
ープダイヤモンド薄膜を用いたが、BN、Pt等の基板
上にヘテロエピタキシャル成長させたダイヤモンド薄膜
や、ダイヤモンド単結晶基板をかわりに用いることもで
きる。また本実施例では、粒子線照射時の基板温度を7
00℃としたが、800℃以上にすることでさらに良好
な整流性を示すpn接合を得ることが可能である。
【0025】
【発明の効果】本発明によれば、粒子線照射により、制
御性良くダイヤモンド中に不純物を導入することが出
来、歩留まりよくダイヤモンドを半導体化することが出
来るようになるため、ダイヤモンドを用いた半導体デパ
イスの製造が容易になる。
御性良くダイヤモンド中に不純物を導入することが出
来、歩留まりよくダイヤモンドを半導体化することが出
来るようになるため、ダイヤモンドを用いた半導体デパ
イスの製造が容易になる。
【図1】 実施例に用いたイオン注入装置を示す概略図
である。
である。
【図2】 実施例1でBをイオン注入したダイヤモンド
の<001>RBSチャンネリングスペクトルを示す図
である。
の<001>RBSチャンネリングスペクトルを示す図
である。
【図3】 実施例3で作製した試料を示す概略図であ
る。
る。
【図4】 本発明において、粒子線が照射される面の配
置および粒子線の照射方向を示す模式図である。
置および粒子線の照射方向を示す模式図である。
1 イオン源、2 引出電極、3 分析電磁石、4 加
速管、5 Qレンズ、6 スキャナ部、7 注入室、8
試料、9 基板加熱ホルダー、10 イオン経路、1
1 ランダム方位から4He+を入射した時のRBSスペ
クトル、12Bイオン注入前のダイヤモンド基板のチャ
ンネリングスペクトル、13 実施例1の条件でBイオ
ン注入を行ったダイヤモンド基板のチャンネリングスペ
クトル、14 基板を加熱せずにBイオン注入を行った
ダイヤモンド基板のチャンネリングスベクトル、15
(001)面から5°オフしたダイヤモンド単結晶基板
上にホモエピタキシャル成長させたアンドープダイヤモ
ンド薄膜、16 p−ドーパントであるAlイオン、1
7 n−ドーパントであるPイオン、18 Al原子、
19 P原子、20 イオン注入装置、40 ダイヤモ
ンド、42 粒子線。
速管、5 Qレンズ、6 スキャナ部、7 注入室、8
試料、9 基板加熱ホルダー、10 イオン経路、1
1 ランダム方位から4He+を入射した時のRBSスペ
クトル、12Bイオン注入前のダイヤモンド基板のチャ
ンネリングスペクトル、13 実施例1の条件でBイオ
ン注入を行ったダイヤモンド基板のチャンネリングスペ
クトル、14 基板を加熱せずにBイオン注入を行った
ダイヤモンド基板のチャンネリングスベクトル、15
(001)面から5°オフしたダイヤモンド単結晶基板
上にホモエピタキシャル成長させたアンドープダイヤモ
ンド薄膜、16 p−ドーパントであるAlイオン、1
7 n−ドーパントであるPイオン、18 Al原子、
19 P原子、20 イオン注入装置、40 ダイヤモ
ンド、42 粒子線。
Claims (7)
- 【請求項1】 ダイヤモンド基板または基板素材上に堆
積されたダイヤモンド薄膜に粒子線を照射して半導体ダ
イヤモンドを製造する方法であって、 前記粒子線を照射する際、前記ダイヤモンド基板または
前記ダイヤモンド薄膜の温度を300℃以上2000℃
以下に保ち、 前記ダイヤモンド基板または前記ダイヤモンド薄膜の前
記粒子線が照射される面と前記ダイヤモンド基板または
前記ダイヤモンド薄膜の(001)結晶面とがなす角度
を−20°〜+20°とし、かつ前記粒子線が照射され
る方向と前記ダイヤモンド基板または前記ダイヤモンド
薄膜の<001>結晶方位とがなす角度を−20°〜+
20°とすることを特徴とする、半導体ダイヤモンドの
製造方法。 - 【請求項2】 前記粒子線を照射する際の前記ダイヤモ
ンド基板または前記ダイヤモンド薄膜の温度が800℃
以上であることを特徴とする、請求項1に記載の半導体
ダイヤモンドの製造方法。 - 【請求項3】 前記粒子線が、少なくともIII族元素
を含むことを特徴とする、請求項1または2に記載の半
導体ダイヤモンドの製造方法。 - 【請求項4】 前記粒子線が、V族元素、Li、S、お
よびClの少なくとも一つを含むことを特徴とする、請
求項1または2に記載の半導体ダイヤモンドの製造方
法。 - 【請求項5】 前記粒子線の照射レートが1×1011個
/cm2・sec以上1×1016個/cm2・sec以下
であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項
に記載の半導体ダイヤモンドの製造方法。 - 【請求項6】 前記粒子線の照射エネルギーが100e
V以上10MeV以下であることを特徴とする、請求項
1〜5のいずれか1項に記載の半導体ダイヤモンドの製
造方法。 - 【請求項7】 p−ドーパント、およびn−ドーパント
となる粒子を前記ダイヤモンド基板または前記ダイヤモ
ンド薄膜の深さ方向に近接した頷域に導入することで、
pn接合素子を作製することを特徴とする、請求項1〜
6のいずれか1項に記載の半導体ダイヤモンドの製造方
法。
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