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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