JP2006100721A - Semiconductor element and its manufacturing method - Google Patents

Semiconductor element and its manufacturing method Download PDF

Info

Publication number
JP2006100721A
JP2006100721A JP2004287590A JP2004287590A JP2006100721A JP 2006100721 A JP2006100721 A JP 2006100721A JP 2004287590 A JP2004287590 A JP 2004287590A JP 2004287590 A JP2004287590 A JP 2004287590A JP 2006100721 A JP2006100721 A JP 2006100721A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor
layer
semiconductor layer
layers
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2004287590A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Nobuyuki Kawakami
信之 川上
Yoshihiro Yokota
嘉宏 横田
Kazuyuki Hayashi
和志 林
Takeshi Tachibana
武史 橘
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kobe Steel Ltd filed Critical Kobe Steel Ltd
Priority to JP2004287590A priority Critical patent/JP2006100721A/en
Publication of JP2006100721A publication Critical patent/JP2006100721A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor element which has an excellent carrier controllability in a channel region and has less leakage current, and also a method for manufacturing the semiconductor element. <P>SOLUTION: In the method for manufacturing a semiconductor element, a low-concentration doped diamond layer 4 which has a cross section including a direction perpendicular to a surface of a substrate 1 and having a trapezoidal shape of an upper bottom side shorter than a lower bottom side, is formed on the substrate 1 by an epitaxial growth method. High-concentration doped diamond layers 7a and 7b having an impurity concentration higher than that of the low-concentration diamond layer 4 are formed by the epitaxial growth method on both sides of the low-concentration doped diamond layer 4. Metallic electrodes 8a and 8b are formed on the high-concentration diamond layers 7a and 7b, silicon oxide insulating layers 9a and 9b are formed, and then a gate electrode 11 is formed on the low-concentration diamond layer 4 with aluminum oxide insulating layer 10 disposed therebetween so that a distance between the high-concentration diamond layers 7a and 7b is shorter as the distance goes away from the substrate 1. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、電界効果トランジスタ、センサ及び発光ダイオード等に適用可能な半導体素子及びその製造方法に関し、特に、ダイヤモンド薄膜を使用した半導体素子及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device applicable to a field effect transistor, a sensor, a light emitting diode, and the like and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device using a diamond thin film and a manufacturing method thereof.

ダイヤモンドは、熱伝導率が20W/cm・K、バンドギャップが5.47eV、電子の移動度が2000cm/V・秒、ホール移動度が2100cm/V・秒と、優れたデバイス特性を示す。このため、これらの特性を生かしたハイパワーデバイス、高周波デバイス、高温又は放射線等に曝される過酷な環境下でも動作する電子デバイス等への応用が期待されている。 Diamond shows thermal conductivity of 20W / cm · K, the band gap 5.47 eV, electron mobility is 2000 cm 2 / V · sec, and 2100 cm 2 / V · sec hole mobility, excellent device characteristics . For this reason, application to high power devices, high-frequency devices, and electronic devices that operate even in harsh environments exposed to high temperatures or radiation is expected.

従来、ダイヤモンド薄膜を使用した電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor:FET)としては、例えば、ゲート電極と動作層であるチャネル層との間に絶縁体層を挿入した絶縁ゲート型FET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor:MISFET)がある(例えば、特許文献1及び2参照。)。   Conventionally, as a field effect transistor (FET) using a diamond thin film, for example, an insulated gate FET (Metal Insulator Semiconductor Field) in which an insulator layer is inserted between a gate electrode and a channel layer which is an operation layer. Effect Transistor: MISFET) (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

図12は特許文献1に記載のMISFETの構造を示す断面図であり、図13は特許文献2に記載のMISFETの構造を示す断面図である。図12に示すように、特許文献1に記載のMISFET100は、絶縁性ダイヤモンド単結晶基板101上に、ホウ素が高濃度でドープされ、ソース及びドレインとなる高ドープp型半導体ダイヤモンド層102a及び102bが形成されている。また、絶縁性ダイヤモンド単結晶基板101上における高ドープp型半導体ダイヤモンド層102aと高ドープp型半導体ダイヤモンド層102bとの間には、これら高ドープp型半導体ダイヤモンド層102a及び102bよりも低濃度でホウ素がドープされたチャネル層である低ドープp型半導体ダイヤモンド層103が形成されている。更に、高ドープp型半導体ダイヤモンド層102a及び102b上には、夫々ソース電極104及びドレイン電極105が形成されており、低ドープp型半導体ダイヤモンド層103上には、絶縁体層となるアンドープダイヤモンド層106を介して、ゲート電極107が形成されている。   12 is a cross-sectional view showing the structure of the MISFET described in Patent Document 1, and FIG. 13 is a cross-sectional view showing the structure of the MISFET described in Patent Document 2. As shown in FIG. 12, the MISFET 100 described in Patent Document 1 includes highly doped p-type semiconductor diamond layers 102a and 102b doped with boron at a high concentration on an insulating diamond single crystal substrate 101 to serve as a source and a drain. Is formed. In addition, between the highly doped p-type semiconductor diamond layer 102a and the highly doped p-type semiconductor diamond layer 102b on the insulating diamond single crystal substrate 101, the concentration is lower than those of the highly doped p-type semiconductor diamond layers 102a and 102b. A lightly doped p-type semiconductor diamond layer 103 which is a channel layer doped with boron is formed. Further, a source electrode 104 and a drain electrode 105 are formed on the highly doped p-type semiconductor diamond layers 102a and 102b, respectively, and an undoped diamond layer serving as an insulator layer is formed on the low-doped p-type semiconductor diamond layer 103. A gate electrode 107 is formed via 106.

このMISFET100は、ゲート電圧Vが印加されていないときにチャネル領域が存在してドレイン電流Iが流れ、ゲート電極107にソース電圧Vに対して正の電圧を印加することにより、ドレイン電流Iが抑制されるノーマリーオン型のFETである。このようなノーマリーオン型のFETにおいて、僅かなゲート電圧Vでドレイン電流Iを大きく変化させるため、即ち、ゲート電圧Vの変化量とドレイン電流Iの変化量との比である相互コンダクタンスg(=dV/dI)を大きくするためには、ゲート電圧Vの影響がチャネル層の深い領域まで及ぶようにして、キャリアの空乏領域を大きく広げることが有効である。具体的には、ソース及びドレイン間に形成されたチャネル層におけるドナー又はアクセプタとなる不純物の濃度を低くすると共に、厚さをゲート電位の影響が及ぶ範囲にまで薄くすればよい。しかしながら、ドレイン電流Iを確保するためには、チャネル層の不純物の濃度を高くして、キャリア濃度を高くしなければならない。 This MISFET100, by a channel region is the drain current I D flows exist, a positive voltage is applied to the gate electrode 107 with respect to the source voltage V S when the gate voltage V G is not applied, the drain current This is a normally-on type FET in which ID is suppressed. In such a normally-on type FET, for greatly change the drain current I D with little gate voltage V G, i.e., is the ratio of the amount of change in the gate voltage V G and the variation of the drain current I D transconductance g m in order to increase the (= dV G / dI D) is the influence of the gate voltage V G is as extends to deep channel layer region, it is effective to widen the depletion region of the carrier increases. Specifically, the concentration of an impurity serving as a donor or acceptor in the channel layer formed between the source and the drain may be reduced and the thickness may be reduced to a range affected by the gate potential. However, in order to secure the drain current ID , the impurity concentration of the channel layer must be increased to increase the carrier concentration.

このため、一般的なMISFETにおいては、チャネル層における不純物濃度を原子比で10乃至数百ppm程度にしている。例えば、特許文献1に記載のMISFET100においては、その実施例に記載されている合成条件に基づいて計算すると、チャネル層である低ドープp型半導体ダイヤモンド層103におけるホウ素(B)と炭素(C)との原子比(B/C)は、200ppmとなる。   For this reason, in a general MISFET, the impurity concentration in the channel layer is set to about 10 to several hundred ppm by atomic ratio. For example, in the MISFET 100 described in Patent Document 1, boron (B) and carbon (C) in the lightly doped p-type semiconductor diamond layer 103 as a channel layer are calculated based on the synthesis conditions described in the examples. The atomic ratio (B / C) is 200 ppm.

また、図13に示すように、特許文献2に記載のMISFET110は、シリコン基板111上にダイヤモンドからなる下地層112が形成されており、この下地層112上にソース及びドレインとなるn型半導体ダイヤモンド層113a及び113bと、チャネル層であるp型半導体ダイヤモンド層114とが形成されている。また、n型半導体ダイヤモンド層113a及び113b上には、夫々ソース電極115及びドレイン電極116が形成されており、p型半導体ダイヤモンド層114上には、ダイヤモンドからなる絶縁体層117を介してゲート電極118が形成されている。この特許文献2に記載のMISFET110は、ダイヤモンド単結晶基板を使用せず、シリコン基板111上に下地層112を形成し、この下地層112上に各層を形成することにより、量産性の向上を図ったものであり、前述の特許文献1に記載のMISFET100と同様に、ノーマリーオン型のFETである。   As shown in FIG. 13, in the MISFET 110 described in Patent Document 2, a base layer 112 made of diamond is formed on a silicon substrate 111, and an n-type semiconductor diamond serving as a source and a drain is formed on the base layer 112. Layers 113a and 113b and a p-type semiconductor diamond layer 114 which is a channel layer are formed. A source electrode 115 and a drain electrode 116 are formed on the n-type semiconductor diamond layers 113a and 113b, respectively, and a gate electrode is formed on the p-type semiconductor diamond layer 114 via an insulator layer 117 made of diamond. 118 is formed. The MISFET 110 described in Patent Document 2 is intended to improve mass productivity by forming a base layer 112 on a silicon substrate 111 without using a diamond single crystal substrate and forming each layer on the base layer 112. Similar to the MISFET 100 described in Patent Document 1, it is a normally-on type FET.

一方、前述したような高い移動度(2000cm/V・秒)は、ダイヤモンド層中に不純物及び結晶欠陥が殆どない状態で得られる値であり、特許文献1及び2に記載のMISFETのように、チャネル層のキャリア源を確保するために、ダイヤモンド層にドナー又はアクセプタとなる不純物をドープした場合、不純物濃度に依存してキャリア移動度が低くなるため、高周波応答性が劣化する。 On the other hand, the high mobility (2000 cm 2 / V · second) as described above is a value obtained in a state in which there are almost no impurities and crystal defects in the diamond layer, as in the MISFETs described in Patent Documents 1 and 2. When a diamond layer is doped with an impurity serving as a donor or acceptor in order to secure a carrier source for the channel layer, the carrier mobility is lowered depending on the impurity concentration, so that the high frequency response is deteriorated.

そこで、従来、チャネル層の不純物濃度を極力低くすることにより、高周波用トランジスタへの応用を可能にしたダイヤモンドFETも提案されている(特許文献3参照)。図14は特許文献3に記載のダイヤモンドFETの動作原理を示す模式図である。図14に示すように、特許文献3に記載のFET120においては、半導体ダイヤモンド層121と半導体ダイヤモンド層123との間に、比抵抗が100Ω・cm以上である高抵抗ダイヤモンド層122が設けられている。そして、半導体ダイヤモンド層121及び123上には、夫々ソース電極124及びドレイン電極126が形成されており、高抵抗ダイヤモンド層122上にはゲート電極125が形成されている。   In view of this, a diamond FET that can be applied to a high-frequency transistor by reducing the impurity concentration of the channel layer as much as possible has been proposed (see Patent Document 3). FIG. 14 is a schematic diagram showing the operation principle of the diamond FET described in Patent Document 3. As shown in FIG. 14, in the FET 120 described in Patent Document 3, a high resistance diamond layer 122 having a specific resistance of 100 Ω · cm or more is provided between the semiconductor diamond layer 121 and the semiconductor diamond layer 123. . A source electrode 124 and a drain electrode 126 are formed on the semiconductor diamond layers 121 and 123, respectively, and a gate electrode 125 is formed on the high resistance diamond layer 122.

このダイヤモンドFET120においては、ソース電極124からドレイン電極126に到達するキャリアが、半導体ダイヤモンド層121、高抵抗ダイヤモンド層122及び半導体ダイヤモンド層123をこの順に流れる。そして、ゲート電極125に印加する電圧Vを変化させることにより、高抵抗ダイヤモンド層122のポテンシャルを変化させ、ソース電極124が接触する半導体ダイヤモンド層121から高抵抗ダイヤモンド層122へのキャリア注入量を制御している。このFET120は、前述のMISFETとは異なり、チャネル層に空乏層を拡げてドレイン電流Iを制御するものではないため、不純物濃度が低く且つ膜厚が薄い連続したダイヤモンドチャネル層を形成する必要がない。 In the diamond FET 120, carriers that reach the drain electrode 126 from the source electrode 124 flow through the semiconductor diamond layer 121, the high resistance diamond layer 122, and the semiconductor diamond layer 123 in this order. By varying the voltage V G applied to the gate electrode 125, by changing the potential of the high-resistivity diamond layer 122, the amount of carrier injected from the semiconductor diamond layer 121 where the source electrode 124 is in contact to the high-resistivity diamond layer 122 I have control. Unlike the above-described MISFET, the FET 120 does not control the drain current ID by expanding a depletion layer in the channel layer. Therefore, it is necessary to form a continuous diamond channel layer having a low impurity concentration and a small film thickness. Absent.

特許文献3に記載のFETのような構造、即ち、チャネル領域を挟んでソース電極及びドレイン電極が設けられ、チャネル領域に接してゲート電極が設けられている半導体素子においては、金属材料からなるソース電極及びドレイン電極とチャネル領域との接触抵抗が電力損失の原因となる。そのため、このような半導体素子においては、一般に、ソース電極及びドレイン電極とチャネル領域とが接する領域に、高濃度に不純物がドープされた半導体層を設けることにより、オーミック接合が形成されている。また、このような半導体素子においては、チャネル領域とゲート電極間に漏れ電流が生じると、増幅率低下等の性能低下を引き起こすため、一般に、チャネル領域とゲート電極間に、絶縁層を設けるか又はショットキー接合界面が形成されている。   In a semiconductor element in which a source electrode and a drain electrode are provided across a channel region, and a gate electrode is provided in contact with the channel region, the structure as the FET described in Patent Document 3 is provided. Contact resistance between the electrode and drain electrode and the channel region causes power loss. Therefore, in such a semiconductor element, generally, an ohmic junction is formed by providing a semiconductor layer doped with an impurity at a high concentration in a region where a source electrode and a drain electrode are in contact with a channel region. Further, in such a semiconductor element, if leakage current is generated between the channel region and the gate electrode, it causes a decrease in performance such as a decrease in amplification factor. Therefore, in general, an insulating layer is provided between the channel region and the gate electrode, or A Schottky junction interface is formed.

特開平1−158774号公報Japanese Patent Laid-Open No. 1-158774 特開平3−263872号公報JP-A-3-263872 特開平6−232388号公報JP-A-6-232388

しかしながら、前述の従来の技術には、以下に示す問題点がある。通常、FETの性能指標としては、ドレイン電流I及びゲート電圧Vによるチャネル層内を流れるキャリアの制御性が挙げられる。ドレイン電流Iは単位時間あたりにソース電極及びドレイン電極間に流れる電荷数であるため、高いドレイン電流Iを得るためにはチャネル領域の幅を狭く、即ち、ソース・ドレイン間の距離を短くすることが有効であるが、特許文献3に記載されているようなFET構造の半導体素子においては、単純にチャネル領域の幅を狭くすると、ゲート電圧Vによるキャリアの制御性が劣化するという問題点がある。これは、チャネル領域の幅が狭くなることにより、ソース・ドレイン間の電界が強くなり、ゲート電圧Vによってチャネル層へ与えられる電界の影響が相対的に弱くなるためである。この現象は、ゲート電極から遠くなるに従い顕著になる。更に、ゲート電極により制御できないチャネル部分が存在すると、ゲート電圧によりオフ状態となるべき場合においても、余分な電流、即ち、リーク電流が流れてしまうことにもなる。 However, the conventional techniques described above have the following problems. Usually, as the performance index of the FET, the control of the carrier flowing through the channel layer due to the drain current I D and the gate voltage V G and the like. Since the drain current ID is the number of charges flowing between the source electrode and the drain electrode per unit time, in order to obtain a high drain current ID , the width of the channel region is narrowed, that is, the distance between the source and the drain is shortened. problem that it is effective to, in the semiconductor device of the FET structure as described in Patent Document 3, simply when narrowing the width of the channel region, the controllability of the carriers by the gate voltage V G is degraded There is a point. This is because the width of the channel region becomes narrow, the electric field between the source and the drain becomes strong, because the influence of the electric field applied to the channel layer is relatively weakened by the gate voltage V G. This phenomenon becomes more prominent as the distance from the gate electrode increases. Further, if there is a channel portion that cannot be controlled by the gate electrode, an extra current, that is, a leakage current flows even when the gate voltage should be turned off.

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、チャネル領域内のキャリア制御性が優れると共にリーク電流が少ない半導体素子及びその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device having excellent carrier controllability in a channel region and a low leakage current, and a method for manufacturing the same.

本願第1発明に係る半導体素子は、基板と、この基板上に局所的に形成された第1の半導体層と、前記第1の半導体層の両側に夫々形成され少なくとも一部が前記第1の半導体層に接触し、前記第1の半導体層よりも不純物濃度が高い第2及び第3の半導体層と、前記第2及び第3の半導体層間に流れる電流を制御する制御層と、を有し、前記第1の半導体層と接触している部分における前記第2及び第3の半導体層間の距離は、前記第1の半導体層の厚さ方向において前記制御層から最も遠い部分よりも前記制御層に最も近い部分の方が短いことを特徴とする。   A semiconductor element according to the first invention of the present application is formed on a substrate, a first semiconductor layer locally formed on the substrate, and both sides of the first semiconductor layer, and at least a part of the first semiconductor layer is formed on the first semiconductor layer. A second semiconductor layer that contacts the semiconductor layer and has a higher impurity concentration than the first semiconductor layer; and a control layer that controls a current flowing between the second and third semiconductor layers. The distance between the second semiconductor layer and the third semiconductor layer in the portion in contact with the first semiconductor layer is greater than the portion farthest from the control layer in the thickness direction of the first semiconductor layer. It is characterized in that the part closest to is shorter.

本発明においては、第2及び第3の半導体層間の距離が、第1の半導体層の厚さ方向において制御層から最も遠い部分よりも制御層に最も近い部分の方が短いため、第2及び第3の半導体層間に形成された第1の半導体層中の電界強度が、制御層に最も近い部分よりも制御層から最も遠い部分の方が低くなる。これにより、制御層によるキャリア制御性を向上させることができる。また、第2及び第3の半導体層に、第1の半導体層よりも高濃度で不純物をドープしているため、第2又は第3の半導体層から第1の半導体層に高密度の電荷を注入することができると共に、第1の半導体層中における電荷の移動を妨げる欠陥及び不純物量を少なくすることができる。その結果、第1の半導体層における電荷移動速度を向上することができると共に、制御性が優れた半導体素子が得られる。更に、この半導体素子は、制御層によるキャリア制御性が優れているため、制御層に印加する電圧を調節することにより、リーク電流を減少させることができる。   In the present invention, the distance between the second and third semiconductor layers is shorter in the portion closest to the control layer than in the portion farthest from the control layer in the thickness direction of the first semiconductor layer. The electric field strength in the first semiconductor layer formed between the third semiconductor layers is lower in the portion farthest from the control layer than in the portion closest to the control layer. Thereby, carrier controllability by the control layer can be improved. In addition, since the second and third semiconductor layers are doped with impurities at a higher concentration than the first semiconductor layer, a high-density charge is applied from the second or third semiconductor layer to the first semiconductor layer. In addition to being able to be implanted, it is possible to reduce the amount of defects and impurities that hinder the movement of charges in the first semiconductor layer. As a result, a charge transfer rate in the first semiconductor layer can be improved, and a semiconductor element with excellent controllability can be obtained. Furthermore, since this semiconductor element has excellent carrier controllability by the control layer, the leakage current can be reduced by adjusting the voltage applied to the control layer.

この半導体素子は、例えば、前記制御層が絶縁層又はショットキー隔壁を介して前記第1の半導体層と電気的に接続されたゲート電極であり、前記第2及び第3の半導体層が夫々ソース及びドレインとなる電界効果トランジスタである。   The semiconductor element is, for example, a gate electrode in which the control layer is electrically connected to the first semiconductor layer via an insulating layer or a Schottky partition, and the second and third semiconductor layers are respectively a source. And a field effect transistor to be a drain.

本願第2発明に係る半導体素子は、基板と、この基板上に局所的に形成された第1の半導体層と、前記第1の半導体層の両側に夫々形成され少なくとも一部が前記第1の半導体層に接触し、前記第1の半導体層よりも不純物濃度が高い第2及び第3の半導体層と、を有し、前記第1の半導体層と接触している部分における前記第2及び第3の半導体層間の距離は、前記第1の半導体層の厚さ方向において前記基板に最も近い部分よりも前記基板から最も遠い部分の方が短いことを特徴とする。   A semiconductor device according to the second invention of the present application is formed on a substrate, a first semiconductor layer locally formed on the substrate, and both sides of the first semiconductor layer, and at least a part of the first semiconductor layer is formed on the first semiconductor layer. Second and third semiconductor layers that are in contact with the semiconductor layer and have an impurity concentration higher than that of the first semiconductor layer, and the second and second semiconductor layers are in contact with the first semiconductor layer. 3 is characterized in that the portion farthest from the substrate is shorter than the portion closest to the substrate in the thickness direction of the first semiconductor layer.

本発明においては、第2及び第3の半導体層間の距離が、第1の半導体層の厚さ方向において基板に最も近い部分よりも基板から最も遠い部分の方が短いため、第1の半導体層中の電界強度は、基板に最も近い部分が最も低く、基板に最も遠い部分が最も高くなる。これにより、キャリア制御性が向上することができる。また、第2及び第3の半導体層に、第1の半導体層よりも高濃度で不純物をドープしているため、第1の半導体層における電荷移動速度を高めると共にキャリア制御性を向上させることができる。更に、この半導体素子は、第1の半導体層の表面から遠い部分、即ち、基板に近い部分では、第2及び第3の半導体層間の距離が長いため、基板の余分なリーク電流を減少させることができる。   In the present invention, the distance between the second and third semiconductor layers is shorter in the portion farthest from the substrate than in the portion closest to the substrate in the thickness direction of the first semiconductor layer. The electric field strength inside is the lowest at the part closest to the substrate and the highest at the part farthest from the substrate. Thereby, carrier controllability can be improved. In addition, since the second and third semiconductor layers are doped with impurities at a higher concentration than the first semiconductor layer, the charge transfer speed in the first semiconductor layer can be increased and the carrier controllability can be improved. it can. Further, this semiconductor element reduces the excess leakage current of the substrate because the distance between the second and third semiconductor layers is long in the portion far from the surface of the first semiconductor layer, that is, in the portion close to the substrate. Can do.

この半導体素子は、例えば、前記第1の半導体層上には絶縁層又はショットキー障壁を介してゲート電極が形成されており、前記第2及び第3の半導体層が夫々ソース及びドレインとなる電界効果トランジスタである。これにより、ゲート電極によるキャリア制御性が優れた電界効果トランジスタが得られる。又は、前記半導体素子は、センサ又はダイオードとしても使用することができる。この半導体素子は、ガス、水分及びイオン等の吸着又は光照射等によって生じる第1の半導体層の表面状態の変化によりキャリアが制御されるため、感度が高いセンサを得ることができる。   In this semiconductor element, for example, a gate electrode is formed on the first semiconductor layer via an insulating layer or a Schottky barrier, and the second and third semiconductor layers serve as a source and a drain, respectively. It is an effect transistor. Thereby, a field effect transistor excellent in carrier controllability by the gate electrode can be obtained. Alternatively, the semiconductor element can be used as a sensor or a diode. In this semiconductor element, carriers are controlled by a change in the surface state of the first semiconductor layer caused by adsorption of gas, moisture, ions, or the like, or light irradiation. Therefore, a highly sensitive sensor can be obtained.

また、前記絶縁層は、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物、金属弗化物及び窒素ドープダイヤモンドからなる群から選択された少なくとも1種の材料により形成することができる。更に、前記第1乃至第3の半導体層のうち少なくとも1つの半導体層は、ダイヤモンドにより形成されていてもよい。これにより、耐高電圧性、耐熱性、耐放射線性、高速動作性を向上させることができる。   The insulating layer can be formed of at least one material selected from the group consisting of metal oxides, metal nitrides, metal oxynitrides, metal fluorides, and nitrogen-doped diamond. Furthermore, at least one semiconductor layer of the first to third semiconductor layers may be formed of diamond. Thereby, high voltage resistance, heat resistance, radiation resistance, and high-speed operability can be improved.

本願第3発明に係る半導体素子の製造方法は、基板上に局所的に第1の半導体層を形成する工程と、前記第1の半導体層の両側に少なくとも一部が前記第1の半導体層に接触し前記第1の半導体層よりも不純物濃度が高い第2及び第3の半導体層を夫々形成する工程と、前記第2及び第3の半導体層間に流れる電流を制御する制御層を形成する工程と、を有し、前記第1の半導体層と接触している部分における前記第2及び第3の半導体層間の距離を、前記第1の半導体層の厚さ方向において前記制御層から最も遠い部分よりも前記制御層に最も近い部分の方が短くなるようにすることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: a step of locally forming a first semiconductor layer on a substrate; and at least a part of the first semiconductor layer on both sides of the first semiconductor layer. Forming a second and third semiconductor layers in contact with each other and having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor layer; and forming a control layer for controlling a current flowing between the second and third semiconductor layers. And the distance between the second and third semiconductor layers in the portion in contact with the first semiconductor layer is the portion farthest from the control layer in the thickness direction of the first semiconductor layer. The portion closest to the control layer is shorter than the control layer.

本発明においては、第1の半導体層を形成した後で、第2及び第3の半導体層を形成しているため、第1の半導体層と接触している部分における第2及び第3の半導体層間の距離を、容易に制御層から最も遠い部分よりも制御層に最も近い部分の方が短くなるようにすることができる。その結果、第1の半導体層中の電界強度分布が狭く、制御層によるキャリア制御性が優れた半導体素子を製造することができる。また、第2及び第3の半導体層に、第1の半導体層よりも高濃度で不純物をドープしているため、第2又は第3の半導体層から第1の半導体層に高密度の電荷を注入することができ、更に第1の半導体層中における欠陥及び不純物量を少なくすることができるため、第1の半導体層中の電荷移動速度が速く、制御性が優れた半導体素子が得られる。   In the present invention, since the second and third semiconductor layers are formed after the first semiconductor layer is formed, the second and third semiconductors in the portion in contact with the first semiconductor layer are formed. The distance between the layers can easily be made shorter in the portion closest to the control layer than in the portion farthest from the control layer. As a result, a semiconductor element having a narrow electric field intensity distribution in the first semiconductor layer and excellent carrier controllability by the control layer can be manufactured. In addition, since the second and third semiconductor layers are doped with impurities at a higher concentration than the first semiconductor layer, a high-density charge is applied from the second or third semiconductor layer to the first semiconductor layer. Since it can be implanted and the amount of defects and impurities in the first semiconductor layer can be reduced, a semiconductor element having a high charge transfer rate in the first semiconductor layer and excellent controllability can be obtained.

本願第4発明に係る半導体素子の製造方法は、基板上に局所的に第1の半導体層を形成する工程と、前記第1の半導体層の両側に少なくとも一部が前記第1の半導体層に接触し前記第1の半導体層よりも不純物濃度が高い第2及び第3の半導体層を夫々形成する工程と、を有し、前記第1の半導体層と接触している部分における前記第2及び第3の半導体層間の距離を、前記第1の半導体層の厚さ方向において前記基板に最も近い部分よりも前記基板から最も遠い部分の方が短くなるようにすることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor element, comprising: a step of locally forming a first semiconductor layer on a substrate; and at least a part of the first semiconductor layer on both sides of the first semiconductor layer. Forming second and third semiconductor layers that are in contact with each other and have an impurity concentration higher than that of the first semiconductor layer, and the second and third semiconductor layers are in contact with the first semiconductor layer. The distance between the third semiconductor layers is characterized in that the portion farthest from the substrate is shorter than the portion closest to the substrate in the thickness direction of the first semiconductor layer.

本発明においては、基板上に第1の半導体層を形成した後で、第2及び第3の半導体層を形成しているため、第1の半導体層と接触している部分における第2及び第3の半導体層間の距離を、容易に基板に最も近い部分よりも基板から最も遠い部分の方が短くなるようにすることができる。これにより、第1の半導体層表面における電界強度が高くなり、キャリア制御性が優れた半導体素子を製造することができる。また、第2及び第3の半導体層に、第1の半導体層よりも高濃度で不純物をドープしているため、第2又は第3の半導体層から第1の半導体層に高密度の電荷を注入することができ、更に第1の半導体層中における欠陥及び不純物量を少なくすることができるため、第1の半導体層中の電荷移動速度が速く、制御性が優れた半導体素子が得られる。   In the present invention, since the second and third semiconductor layers are formed after the first semiconductor layer is formed on the substrate, the second and second portions in the portion in contact with the first semiconductor layer are formed. The distance between the three semiconductor layers can be easily made shorter in the portion farthest from the substrate than in the portion closest to the substrate. Thereby, the electric field strength on the surface of the first semiconductor layer is increased, and a semiconductor element with excellent carrier controllability can be manufactured. In addition, since the second and third semiconductor layers are doped with impurities at a higher concentration than the first semiconductor layer, a high-density charge is applied from the second or third semiconductor layer to the first semiconductor layer. Since it can be implanted and the amount of defects and impurities in the first semiconductor layer can be reduced, a semiconductor element having a high charge transfer rate in the first semiconductor layer and excellent controllability can be obtained.

前記半導体素子の製造方法においては、前記第1の半導体層をエピタキシャル成長により形成することができる。これにより、第1の半導体層における基板に対して垂直な方向を含む断面の形状を、下底よりも上底が短い台形形状にすることができる。また、前記第2及び第3の半導体層をエピタキシャル成長により形成してもよい。これにより、第1の半導体層と第2及び第3の半導体層との界面部分における欠陥の発生を抑制することができる。その場合、前記第2及び第3の半導体層をエピタキシャル成長により形成しているときに、この第2及び第3の半導体層に不純物を高濃度でドープしてもよい。   In the method for manufacturing a semiconductor element, the first semiconductor layer can be formed by epitaxial growth. Thereby, the shape of the cross section including the direction perpendicular to the substrate in the first semiconductor layer can be a trapezoidal shape having an upper base shorter than the lower base. Further, the second and third semiconductor layers may be formed by epitaxial growth. Thereby, generation | occurrence | production of the defect in the interface part of a 1st semiconductor layer and a 2nd and 3rd semiconductor layer can be suppressed. In that case, when the second and third semiconductor layers are formed by epitaxial growth, the second and third semiconductor layers may be doped with impurities at a high concentration.

又は、イオン注入法により前記第2及び第3の半導体層に不純物を高濃度でドープしてもよい。これにより、イオン注入を行わない第1の半導体層と、イオン注入した第2及び第3の半導体層との境界部分には、なだらかな濃度分布が生じる。この不純物濃度は第1の半導体層から第2及び第3の半導体層に向かうに従い、また表面から内部に向かうに従い減少する。その結果、第1の半導体層と接触している部分における第2及び第3の半導体層間の距離が、第1の半導体層の厚さ方向において基板に最も近い部分よりも基板から最も遠い部分の方が短いか、又は、制御層から最も遠い部分よりも制御層に最も近い部分の方が短い半導体素子を容易に形成することができる。   Alternatively, the second and third semiconductor layers may be doped with a high concentration by ion implantation. As a result, a gentle concentration distribution is generated at the boundary between the first semiconductor layer that is not ion-implanted and the second and third semiconductor layers that are ion-implanted. The impurity concentration decreases from the first semiconductor layer toward the second and third semiconductor layers and from the surface toward the inside. As a result, the distance between the second and third semiconductor layers in the portion in contact with the first semiconductor layer is the portion farthest from the substrate than the portion closest to the substrate in the thickness direction of the first semiconductor layer. It is possible to easily form a semiconductor element that is shorter or shorter in the portion closest to the control layer than in the portion farthest from the control layer.

また、前記第1乃至第3の半導体層のうち少なくとも1つの半導体層をダイヤモンドにより形成することもできる。これにより、耐高電圧性、耐熱性、耐放射線性、高速動作性等が優れた半導体素子が得られる。   In addition, at least one of the first to third semiconductor layers can be formed of diamond. Thereby, a semiconductor element excellent in high voltage resistance, heat resistance, radiation resistance, high-speed operation, etc. can be obtained.

なお、前記半導体素子においては、キャリアは第1の半導体層を経由して第2及び第3の半導体層間を移動するため、基板を形成する材料の選択の自由度は高い。しかしながら、例えば、電荷移動経路を限定し、安定性を向上させるためには、第1の半導体層以外の領域を電荷が経由しないように、絶縁性の基板を使用することが望ましい。基板材料は、その上に第1の半導体層を形成可能な材料の中から適宜選択することができるが、材料によっては、チャネル領域となる第1の半導体層を形成している際に、結晶欠陥の発生を誘発する場合がある。例えば、石英ガラス、窒化珪素及びアルミナ焼結体のように、単結晶でない材料を使用した場合、その上に高品質な単結晶膜を形成することは困難であり、第1の半導体層中にキャリア移動の障害になる粒界が生じてしまう。そこで、基板として第1の半導体層を形成している材料と同じ材料の単結晶を使用し、その上に第1の半導体層をホモエピタキシャル成長させるか、又は、第1の半導体層をヘテロエピタキシャル成長させることが可能な基板を使用することが好ましい。これにより、第1の半導体層中における結晶欠陥の発生を抑制し、高品質な単結晶膜を形成することができる。   In the semiconductor element, since carriers move between the second and third semiconductor layers via the first semiconductor layer, the degree of freedom in selecting a material for forming the substrate is high. However, for example, in order to limit the charge transfer path and improve stability, it is desirable to use an insulating substrate so that charges do not pass through regions other than the first semiconductor layer. The substrate material can be selected as appropriate from materials capable of forming the first semiconductor layer thereover. Depending on the material, the crystal material may be used when the first semiconductor layer to be a channel region is formed. It may induce the occurrence of defects. For example, when a non-single crystal material such as quartz glass, silicon nitride, and alumina sintered body is used, it is difficult to form a high-quality single crystal film on the first semiconductor layer. Grain boundaries that impede carrier movement occur. Therefore, a single crystal of the same material as the material forming the first semiconductor layer is used as the substrate, and the first semiconductor layer is homoepitaxially grown thereon, or the first semiconductor layer is heteroepitaxially grown. It is preferable to use a substrate capable of this. Thereby, generation | occurrence | production of the crystal defect in a 1st semiconductor layer can be suppressed, and a high quality single crystal film can be formed.

本発明によれば、第2及び第3の半導体層の不純物濃度を第1の半導体層よりも高くし、更に第1の半導体層と接触している部分における第2及び第3の半導体層間の距離を、第1の半導体層の厚さ方向において制御層から最も遠い部分よりも制御層に最も近い部分の方が短くなるように、又は、基板に最も近い部分よりも基板から最も遠い部分の方が短くなるようにしているため、チャネル領域内のキャリア制御性が向上すると共に、リーク電流を減少させることができる。   According to the present invention, the impurity concentration of the second and third semiconductor layers is made higher than that of the first semiconductor layer, and further, between the second and third semiconductor layers in the portion in contact with the first semiconductor layer. The distance is set so that the portion closest to the control layer is shorter than the portion farthest from the control layer in the thickness direction of the first semiconductor layer, or the portion farthest from the substrate than the portion closest to the substrate. Therefore, the carrier controllability in the channel region is improved and the leakage current can be reduced.

以下、本発明の実施形態に係る半導体素子について、添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第1の実施形態に係る半導体素子について説明する。図1は本実施形態の半導体素子の構造を示す断面図である。本実施形態の半導体素子は、基板1上に低濃度ドープダイヤモンド層4が局所的に形成されており、この低濃度ドープダイヤモンド層4の両側には、夫々低濃度ドープダイヤモンド層4よりも不純物濃度が高い高濃度ドープダイヤモンド層7a及び7bが、低濃度ドープダイヤモンド層4に接するように形成されている。そして、この高濃度ドープダイヤモンド層7a及び7b上には、夫々ソース電極及びドレイン電極となる金属電極8a及び8bが形成されている。   Hereinafter, a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings. First, a semiconductor element according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device of this embodiment. In the semiconductor device of this embodiment, a lightly doped diamond layer 4 is locally formed on a substrate 1, and the impurity concentration is higher than that of the lightly doped diamond layer 4 on both sides of the lightly doped diamond layer 4. The high-concentration doped diamond layers 7 a and 7 b are formed in contact with the low-concentration doped diamond layer 4. On the heavily doped diamond layers 7a and 7b, metal electrodes 8a and 8b serving as a source electrode and a drain electrode are formed.

また、金属電極8aの一部、高濃度ドープダイヤモンド層7a及び低濃度ドープダイヤモンド層4の一部を覆うように酸化シリコン絶縁層9aが形成されており、金属電極8bの一部、高濃度ドープダイヤモンド層7b及び低濃度ドープダイヤモンド層4の一部を覆うように酸化シリコン絶縁層9bが形成されている。更に、低濃度ドープダイヤモンド層4、金属電極8a及び8bの一部並びに酸化シリコン絶縁層9a及び9bを覆うように、酸化アルミニウム絶縁層10が形成されており、低濃度ドープダイヤモンド層4の上方の酸化アルミニウム絶縁層10上には、アルミニウムからなるゲート電極11が形成されている。   Further, a silicon oxide insulating layer 9a is formed so as to cover a part of the metal electrode 8a, a part of the high-concentration doped diamond layer 7a, and a part of the low-concentration doped diamond layer 4, and a part of the metal electrode 8b A silicon oxide insulating layer 9b is formed so as to cover a part of the diamond layer 7b and the lightly doped diamond layer 4. Further, an aluminum oxide insulating layer 10 is formed so as to cover the lightly doped diamond layer 4, a part of the metal electrodes 8a and 8b, and the silicon oxide insulating layers 9a and 9b, and above the lightly doped diamond layer 4. A gate electrode 11 made of aluminum is formed on the aluminum oxide insulating layer 10.

この半導体素子における低濃度ドープダイヤモンド層4は、高濃度ドープダイヤモンド層7a及び7bが対向する方向と平行で基板1の表面に対して垂直な断面の形状が、下底よりも上底が短い台形形状になっており、低濃度ドープダイヤモンド層4における高濃度ドープダイヤモンド層7a及び7b側の側面は、基板1の表面に対して垂直ではなく、傾斜している。このため、本実施形態の半導体素子は、低濃度ドープダイヤモンド層4の両側に形成されている高濃度ドープダイヤモンド層7a及び7b間の距離が、基板1から遠ざかるに従い、即ち、ゲート電極11に近づくに従い短くなっている。その結果、従来のダイヤモンド半導体素子に比べて、ゲート電圧の影響をチェネル層である低濃度ドープダイヤモンド層4の深い部分にまで及ぼすことができるため、キャリア制御性を向上させることができる。   The lightly doped diamond layer 4 in this semiconductor device has a trapezoidal shape in which the shape of the cross section perpendicular to the surface of the substrate 1 is parallel to the direction in which the heavily doped diamond layers 7a and 7b face each other and the upper base is shorter than the lower base. The side surfaces of the lightly doped diamond layer 4 on the side of the heavily doped diamond layers 7 a and 7 b are not perpendicular to the surface of the substrate 1 but are inclined. For this reason, in the semiconductor element of the present embodiment, the distance between the highly doped diamond layers 7 a and 7 b formed on both sides of the lightly doped diamond layer 4 is closer to the substrate 1, that is, closer to the gate electrode 11. It has become shorter. As a result, as compared with the conventional diamond semiconductor element, the influence of the gate voltage can be exerted on the deep portion of the lightly doped diamond layer 4 which is a channel layer, so that the carrier controllability can be improved.

また、本実施形態の半導体素子においては、低濃度ドープダイヤモンド層4の両側に高濃度ドープダイヤモンド層7a及び7bを形成しているため、この高濃度ドープダイヤモンド層7a又は高濃度ドープダイヤモンド層7bから、電荷の移動を妨げる欠陥及び不純物量が少ない低濃度ドープダイヤモンド層4に、高密度の電荷を注入することができる。その結果、低濃度ドープダイヤモンド層4における電荷移動速度を向上することができると共に、キャリア制御性が優れた半導体素子が得られる。更に、本実施形態の半導体素子においては、ゲート電極11によるキャリア制御性が優れているため、ゲート電圧を調節することにより、リーク電流を減少させることができる。   Further, in the semiconductor element of this embodiment, since the high-concentration doped diamond layers 7a and 7b are formed on both sides of the low-concentration doped diamond layer 4, the high-concentration doped diamond layer 7a or the high-concentration doped diamond layer 7b is used. A high-density charge can be injected into the lightly doped diamond layer 4 having a small amount of defects and impurities that hinder the movement of the charge. As a result, a charge transfer rate in the lightly doped diamond layer 4 can be improved, and a semiconductor element with excellent carrier controllability can be obtained. Furthermore, in the semiconductor element of this embodiment, since the carrier controllability by the gate electrode 11 is excellent, the leakage current can be reduced by adjusting the gate voltage.

なお、本実施形態の半導体素子においては、少なくとも低濃度ドープダイヤモンド層4と接触している部分における高濃度ドープダイヤモンド層7a及び7b間の距離が、低濃度ドープダイヤモンド層4の厚さ方向において基板1に最も近い部分よりも基板1から最も遠い部分の方が短くなっていればよい。このため、例えば、低濃度ドープダイヤモンド層4の側面が階段状になっていたり、又は、低濃度ドープダイヤモンド層4と高濃度ドープダイヤモンド層7a及び7bとが接触していない部分において、高濃度ドープダイヤモンド層7a及び7b間の距離が、基板1に近い部分よりも基板1から遠い部分の方が長くなっていたりしても、前述の第1の実施形態の半導体素子と同様の効果が得られる。   In the semiconductor device of the present embodiment, the distance between the high-concentration doped diamond layers 7 a and 7 b at least in the portion in contact with the low-concentration doped diamond layer 4 is the substrate in the thickness direction of the low-concentration doped diamond layer 4. It is only necessary that the portion farthest from the substrate 1 is shorter than the portion closest to 1. For this reason, for example, the side surface of the lightly doped diamond layer 4 has a stepped shape, or the lightly doped diamond layer 4 is not in contact with the lightly doped diamond layer 4 and the heavily doped diamond layers 7a and 7b. Even if the distance between the diamond layers 7a and 7b is longer in the portion far from the substrate 1 than in the portion close to the substrate 1, the same effect as the semiconductor element of the first embodiment described above can be obtained. .

次に、本実施形態の半導体素子の動作について説明する。本実施形態の半導体素子はFETであり、例えば、高濃度ドープダイヤモンド層7aの電位を0とし、高濃度ドープダイヤモンド層7bに負の電位を印加することにより、キャリアが高濃度ドープダイヤモンド層7aから低濃度ドープダイヤモンド層4を経由して高濃度ドープダイヤモンド層7bに移動し、ドレイン電流Iが流れる。そして、この状態でゲート電圧Vを調節することにより、ドレイン電流Iを自在に変化させることができる。 Next, the operation of the semiconductor element of this embodiment will be described. The semiconductor element of the present embodiment is an FET. For example, by setting the potential of the highly doped diamond layer 7a to 0 and applying a negative potential to the highly doped diamond layer 7b, carriers are transferred from the highly doped diamond layer 7a. It moves to the high-concentration doped diamond layer 7b via the low-concentration doped diamond layer 4, and the drain current ID flows. Then, by adjusting the gate voltage V G in this state, it can be changed freely drain current I D.

次に、本実施形態の半導体素子の製造方法について説明する。図2(a)乃至(d)、図3(a)乃至(d)及び図4(a)乃至(e)は、本実施形態の半導体素子の製造方法をその工程順に示す断面図である。先ず、図2(a)に示すように、例えば不純物として窒素を10乃至300ppm含有する絶縁性の高圧合成ダイヤモンド単結晶等からなる基板1上に、電子ビームリソグラフィによりレジスト2をパターニングした後、図2(b)に示すように、蒸着法等により、基板1上に厚さが例えば0.2μmの酸化アルミニウム膜3a及び3bを形成する。次に、図2(c)に示すように、レジスト2及びその上に形成された酸化アルミニウム膜3bをリフトオフすることにより、酸化アルミニウム膜3aからなるマスクパターンを形成する。   Next, a method for manufacturing the semiconductor element of this embodiment will be described. 2A to 2D, FIGS. 3A to 3D, and FIGS. 4A to 4E are cross-sectional views showing the method of manufacturing the semiconductor device of this embodiment in the order of the steps. First, as shown in FIG. 2A, a resist 2 is patterned by electron beam lithography on a substrate 1 made of, for example, an insulating high-pressure synthetic diamond single crystal containing 10 to 300 ppm of nitrogen as an impurity. As shown in FIG. 2B, aluminum oxide films 3a and 3b having a thickness of, for example, 0.2 μm are formed on the substrate 1 by vapor deposition or the like. Next, as shown in FIG. 2C, the resist 2 and the aluminum oxide film 3b formed thereon are lifted off to form a mask pattern made of the aluminum oxide film 3a.

その後、この酸化アルミニウム膜3aをエピタキシャルマスクにして、マイクロ波プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)法により、基板1上に、厚さが例えば0.1μmのBドープp型半導体ダイヤモンド薄膜をエピタキシャル成長させる。その際、原料ガスとしては、例えばCHが0.3体積%、Hが99.7体積%である混合ガス中に、ドーピングガスとしてBを添加したものを使用し、原料ガス中のB及びCの原子比(B/C)を、例えば5ppm未満とする。また、成膜時のガスの総流量は例えば100標準cm/分(sccm)、ガス圧力は例えば6.6kPa(50Torr)、基板温度は例えば800℃とする。これにより、図2(d)に示すように、基板1表面の酸化アルミニウム膜3aが形成されていない領域上にのみ、選択的に基板1の表面に対して垂直な方向を含む断面が下底よりも上底が短い台形状の低濃度ドープダイヤモンド層4が形成される。エピタキシャル成長法においては、結晶面方位によって結晶成長の速度が変わるため、ダイヤモンド結晶は、あるファセット(切り子面)を形成しながら成長する。このため、エピタキシャル成長法を利用する場合、成長条件、基板1の面方位等を調節することにより、低濃度ドープダイヤモンド層4の端部に容易に傾斜面を形成することができる。なお、傾斜面が形成される端部は面方位によって決まり、傾斜面が形成されない端部には、基板表面に対して垂直な端面が形成される。 Thereafter, a B-doped p-type semiconductor diamond thin film having a thickness of, for example, 0.1 μm is formed on the substrate 1 by microwave plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) using the aluminum oxide film 3a as an epitaxial mask. Is epitaxially grown. At that time, as the raw material gas, for example, a mixed gas in which CH 4 is 0.3% by volume and H 2 is 99.7% by volume and B 2 H 6 is added as a doping gas is used. The atomic ratio (B / C) of B and C in the inside is, for example, less than 5 ppm. The total gas flow rate during film formation is, for example, 100 standard cm 3 / min (sccm), the gas pressure is, for example, 6.6 kPa (50 Torr), and the substrate temperature is, for example, 800 ° C. As a result, as shown in FIG. 2 (d), the cross section including the direction perpendicular to the surface of the substrate 1 is selectively formed only on the region where the aluminum oxide film 3a on the surface of the substrate 1 is not formed. Thus, a trapezoidal lightly doped diamond layer 4 having a shorter upper base is formed. In the epitaxial growth method, the speed of crystal growth varies depending on the crystal plane orientation, so that the diamond crystal grows while forming a certain facet (facet plane). Therefore, when the epitaxial growth method is used, an inclined surface can be easily formed at the end of the lightly doped diamond layer 4 by adjusting the growth conditions, the plane orientation of the substrate 1 and the like. Note that the end portion where the inclined surface is formed is determined by the plane orientation, and an end surface perpendicular to the substrate surface is formed at the end portion where the inclined surface is not formed.

次に、図3(a)に示すように、リン酸により酸化アルニウム膜3aをエッチングする。なお、低濃度ドープダイヤモンド層4を形成する際に、マスクである酸化アルミニウム3a上にも僅かにダイヤモンド膜が形成されることがあるが、この酸化アルミニウム3a上のダイヤモンド膜は、このエッチング工程の際に、酸化アルミニウム膜3aと共に除去される。   Next, as shown in FIG. 3A, the aluminum oxide film 3a is etched with phosphoric acid. When the lightly doped diamond layer 4 is formed, a diamond film may be slightly formed on the aluminum oxide 3a as a mask. The diamond film on the aluminum oxide 3a is formed by this etching process. At this time, it is removed together with the aluminum oxide film 3a.

次に、図3(b)に示すように、基板1及び低濃度ドープダイヤモンド層4の傾斜面上にレジスト5をパターニングする。その際、低濃度ドープダイヤモンド層4の上面及びその近傍の傾斜面上にはレジスト5が形成されないようにアライメントする。引き続き、図3(c)に示すように、低濃度ドープダイヤモンド層4及びレジスト5上に、夫々蒸着法等により、厚さが例えば0.2μmの酸化アルミニウム膜6a及び6bを形成する。次に、図3(d)に示すように、レジスト5及びその上に形成された酸化アルミニウム膜6aをリフトオフすることにより、酸化アルミニウム膜6bからなるマスクパターンを形成する。   Next, as shown in FIG. 3B, a resist 5 is patterned on the inclined surfaces of the substrate 1 and the lightly doped diamond layer 4. At that time, alignment is performed so that the resist 5 is not formed on the upper surface of the lightly doped diamond layer 4 and the inclined surface in the vicinity thereof. Subsequently, as shown in FIG. 3C, aluminum oxide films 6a and 6b having a thickness of, for example, 0.2 μm are formed on the lightly doped diamond layer 4 and the resist 5 by vapor deposition or the like. Next, as shown in FIG. 3D, the resist 5 and the aluminum oxide film 6a formed thereon are lifted off to form a mask pattern made of the aluminum oxide film 6b.

次に、この酸化アルミニウム膜6bをマスクにして、マイクロ波プラズマCVD法により、基板1上に、厚さが例えば0.1μmのBドープp型半導体ダイヤモンド薄膜をエピタキシャル成長させる。その際、原料ガスとしては、例えばCHが0.3体積%、Hが99.7体積%である混合ガス中に、ドーピングガスとしてBを添加したものを使用し、原料ガス中のB及びCの原子比(B/C)を、例えば5000ppmとする。また、成膜時のガスの総流量は例えば100標準cm/分(sccm)、ガス圧力は例えば6.6kPa(50Torr)、基板温度は例えば800℃とする。これにより、図4(a)に示すように、基板1上における酸化アルミニウム膜6bが形成されていない部分、即ち、低濃度ドープダイヤモンド層4の両側に夫々高濃度ドープダイヤモンド層7a及び7bが形成される。 Next, a B-doped p-type semiconductor diamond thin film having a thickness of, for example, 0.1 μm is epitaxially grown on the substrate 1 by microwave plasma CVD using the aluminum oxide film 6b as a mask. At that time, as the raw material gas, for example, a mixed gas in which CH 4 is 0.3% by volume and H 2 is 99.7% by volume and B 2 H 6 is added as a doping gas is used. The atomic ratio (B / C) of B and C in the inside is, for example, 5000 ppm. The total gas flow rate during film formation is, for example, 100 standard cm 3 / min (sccm), the gas pressure is, for example, 6.6 kPa (50 Torr), and the substrate temperature is, for example, 800 ° C. As a result, as shown in FIG. 4A, highly doped diamond layers 7a and 7b are formed on the substrate 1 where the aluminum oxide film 6b is not formed, that is, on both sides of the lightly doped diamond layer 4, respectively. Is done.

その後、図4(b)に示すように、リン酸により酸化アルニウム膜6bをエッチングする。なお、高濃度ドープダイヤモンド層7a及び7bを形成する際に、マスクである酸化アルミニウム6b上にも僅かにダイヤモンド膜が形成されることがあるが、この酸化アルミニウム6b上のダイヤモンド膜は、このエッチング工程の際に、酸化アルミニウム膜3aと共に除去される。そして、図4(c)に示すように、フォトリソグラフィー及びリフトオフにより、高濃度ドープダイヤモンド層7a及び7b上に、夫々ソース及びドレン電極となる金属電極8a及び8bを形成する。この金属電極8a及び8bは、例えば、Pt、Au、Ti及びW等のオーム性接合特性を示す金属材料により形成することが好ましい。   Thereafter, as shown in FIG. 4B, the aluminum oxide film 6b is etched with phosphoric acid. When the highly doped diamond layers 7a and 7b are formed, a diamond film may be slightly formed on the aluminum oxide 6b as a mask. The diamond film on the aluminum oxide 6b is etched. In the process, it is removed together with the aluminum oxide film 3a. Then, as shown in FIG. 4 (c), metal electrodes 8a and 8b to be source and drain electrodes are formed on the heavily doped diamond layers 7a and 7b by photolithography and lift-off, respectively. The metal electrodes 8a and 8b are preferably formed of a metal material exhibiting ohmic bonding characteristics such as Pt, Au, Ti and W.

次に、CVD法により、厚さが例えば0.2μmの酸化シリコン膜を形成した後、図4(d)に示すように、電子ビームリソグラフィ及びエッチングによってパターニングして、金属電極8a及び8bの一部、高濃度ドープダイヤモンド層7a及び7b、並びに低濃度ドープダイヤモンド層4の一部を覆うように酸化シリコン絶縁層9a及び9bを形成する。引き続き、電子ビーム蒸着法により、低濃度ドープダイヤモンド層4、金属電極8a及び8b並びに酸化シリコン絶縁層9a及び9b上に、厚さが例えば50nmの酸化アルミニウム膜を形成した後、図4(e)に示すように、金属電極8a及び8bの一部が露出するようにパターニングして、酸化アルミニウム絶縁層10を形成する。その後、フォトリソグラフィーによりパターニングして、低濃度ドープダイヤモンド層4の上方の酸化アルミニウム絶縁層10上に、アルミニウムからなるゲート電極11を形成し、図1に示す半導体素子とする。   Next, after a silicon oxide film having a thickness of, for example, 0.2 μm is formed by a CVD method, as shown in FIG. 4D, patterning is performed by electron beam lithography and etching to form one of the metal electrodes 8a and 8b. The silicon oxide insulating layers 9a and 9b are formed so as to cover the portion, the highly doped diamond layers 7a and 7b, and a part of the lightly doped diamond layer 4. Subsequently, after an aluminum oxide film having a thickness of, for example, 50 nm is formed on the lightly doped diamond layer 4, the metal electrodes 8a and 8b, and the silicon oxide insulating layers 9a and 9b by an electron beam evaporation method, FIG. As shown in FIG. 2, the aluminum oxide insulating layer 10 is formed by patterning so that the metal electrodes 8a and 8b are partially exposed. Thereafter, patterning is performed by photolithography to form a gate electrode 11 made of aluminum on the aluminum oxide insulating layer 10 above the lightly doped diamond layer 4 to obtain the semiconductor element shown in FIG.

本実施形態の半導体素子の製造方法においては、エピタキシャル成長により、基板1の表面に対して垂直な方向を含む断面が下底よりも上底が短い台形形状の低濃度ドープダイヤモンド層4を形成した後、高濃度ダイヤモンド層7a及び7bを形成しているため、容易に高濃度ドープダイヤモンド層7a及び7b間の距離を基板から遠ざかるに従い短くすることができる。また、この半導体素子の製造方法においては、低濃度ドープダイヤモンド層4、高濃度ドープダイヤモンド層7a及び7bをエピタキシャル成長により形成しているため、これらの境界部における欠陥の発生を抑制することができる。   In the method for manufacturing a semiconductor device of this embodiment, after the trapezoidal lightly doped diamond layer 4 having a trapezoidal shape in which the cross section including the direction perpendicular to the surface of the substrate 1 is shorter than the lower base is formed by epitaxial growth. Since the high-concentration diamond layers 7a and 7b are formed, the distance between the high-concentration doped diamond layers 7a and 7b can be easily shortened as the distance from the substrate increases. Further, in this method for manufacturing a semiconductor element, since the low-concentration doped diamond layer 4 and the high-concentration doped diamond layers 7a and 7b are formed by epitaxial growth, the generation of defects at these boundary portions can be suppressed.

なお、本実施形態の半導体素子の製造方法においては、低濃度ドープダイヤモンド層4、高濃度ダイヤモンド層7a及び7bを形成する際に、不純物としてBをドープしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、アルミニウム、ガリウム、インジウム、窒素、燐、砒素、アンチモン、酸素及び硫黄等をドープしてもよい。また、本実施形態の半導体素子の製造方法においては、低濃度ドープダイヤモンド層4を形成する際には原料ガス中のB及びCの原子比(B/C)を5ppm未満とし、高濃度ドープダイヤモンド層7a及び7bを形成する際には原料ガス中のB及びCの原子比(B/C)を5000ppmとすることにより、低濃度ドープダイヤモンド層4と高濃度ドープダイヤモンド層7a及び7bとの間に濃度差を設けている。この濃度差は、デバイスの動作特性に寄与するため、対象とするデバイスが目的とする動作によって適宜設定することができる。   In the semiconductor element manufacturing method of this embodiment, B is doped as an impurity when forming the low-concentration doped diamond layer 4 and the high-concentration diamond layers 7a and 7b, but the present invention is not limited to this. For example, aluminum, gallium, indium, nitrogen, phosphorus, arsenic, antimony, oxygen and sulfur may be doped. In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment, when the low-concentration doped diamond layer 4 is formed, the atomic ratio (B / C) of B and C in the source gas is less than 5 ppm, and the high-concentration doped diamond is formed. When forming the layers 7a and 7b, the atomic ratio (B / C) of B and C in the source gas is set to 5000 ppm, so that the space between the lightly doped diamond layer 4 and the heavily doped diamond layers 7a and 7b is increased. A difference in density is provided. Since this density difference contributes to the operating characteristics of the device, it can be set as appropriate according to the intended operation of the target device.

更に、本実施形態の半導体素子においては、低濃度ドープ半導体層4とゲート電極11との間に、ゲート絶縁層として酸化アルミニウム絶縁層10を設けているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ゲート絶縁層は、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物、金属弗化物及び窒素ドープダイヤモンド等の材料により形成することができる。具体的には、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物に含まれる金属元素としては、シリコン、アルミニウム、マグネシウム、チタニウム、ジルコニウム、ハフニウム、スカンジウム、イットリウム、ランタン、バナジウム、ニオブ及びタンタル等が挙げられる。これらの金属元素の中でも、特に、シリコン、アルミニウム、ハフニウム及びジルコニウムが好ましい。なお、ゲート絶縁層は、これらの金属元素が単独で含まれる金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物により形成してもよく、又は2種類以上の金属を含む金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物により形成してもよい。   Furthermore, in the semiconductor device of this embodiment, the aluminum oxide insulating layer 10 is provided as a gate insulating layer between the lightly doped semiconductor layer 4 and the gate electrode 11, but the present invention is limited to this. Instead, the gate insulating layer can be formed of a material such as metal oxide, metal nitride, metal oxynitride, metal fluoride, and nitrogen-doped diamond. Specifically, examples of metal elements contained in metal oxides, metal nitrides, and metal oxynitrides include silicon, aluminum, magnesium, titanium, zirconium, hafnium, scandium, yttrium, lanthanum, vanadium, niobium, and tantalum. Can be mentioned. Among these metal elements, silicon, aluminum, hafnium and zirconium are particularly preferable. Note that the gate insulating layer may be formed using a metal oxide, metal nitride, or metal oxynitride containing these metal elements alone, or a metal oxide or metal nitride containing two or more metals. The metal oxynitride may be used.

また、金属弗化物に含まれる金属元素としては、カルシウム、バリウム、マグネシウム及びストロンチウムが挙げられる。更に、窒素ドープダイヤモンドは窒素による深い準位が存在するため、窒素ドープダイヤモンドを使用することにより、高抵抗なゲート絶縁層を形成することができる。   Examples of the metal element contained in the metal fluoride include calcium, barium, magnesium and strontium. Furthermore, since nitrogen-doped diamond has a deep level due to nitrogen, a high-resistance gate insulating layer can be formed by using nitrogen-doped diamond.

更にまた、本実施形態の半導体素子においては、低濃度ドープダイヤモンド層4上に酸化アルミニウム絶縁層10及びゲート電極11を形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ゲート電極11はゲート絶縁層を介して低濃度ドープダイヤモンド層4に電気的に接続されていればよい。又は、絶縁層の代わりに、金属層を介してゲート電極と低濃度ドープ半導体層4とを接続してもよい。これにより、低濃度ドープ半導体層4とゲート電極11との間にショットキー障壁が形成され、このショットキー障壁を介して、絶縁層を設けた場合と同様に、ゲート電圧により第1の半導体層中の電界を制御することができる。   Furthermore, in the semiconductor element of this embodiment, the aluminum oxide insulating layer 10 and the gate electrode 11 are formed on the lightly doped diamond layer 4, but the present invention is not limited to this, and the gate electrode 11 may be electrically connected to the lightly doped diamond layer 4 through the gate insulating layer. Alternatively, the gate electrode and the lightly doped semiconductor layer 4 may be connected via a metal layer instead of the insulating layer. As a result, a Schottky barrier is formed between the lightly doped semiconductor layer 4 and the gate electrode 11, and the first semiconductor layer is formed by the gate voltage in the same manner as in the case where the insulating layer is provided via the Schottky barrier. The electric field inside can be controlled.

前述の第1の実施形態においては、酸化アルミニウム絶縁層10を介してゲート電極11が形成され、高濃度ドープダイヤモンド層7a及び7bが夫々ソース及びドレインとなるFETについて述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ゲート電極形成前の図4(c)に示す構造の半導体素子をダイオードとして使用することもできる。次に、本発明の第1の実施形態の変形例に係る半導体素子について説明する。本変形例の半導体素子は、図4(c)に示すように、基板1上に低濃度ドープダイヤモンド層4が局所的に形成されている。また、この低濃度ドープダイヤモンド層4の両側には、夫々低濃度ドープダイヤモンド層4よりも不純物濃度が高い高濃度ドープダイヤモンド層7a及び7bが、低濃度ドープダイヤモンド層4に接するように形成されている。そして、この高濃度ドープダイヤモンド層7a及び7b上には、夫々金属電極8a及び8bが形成されている。   In the first embodiment described above, the FET in which the gate electrode 11 is formed via the aluminum oxide insulating layer 10 and the heavily doped diamond layers 7a and 7b serve as the source and drain has been described. For example, a semiconductor element having a structure shown in FIG. 4C before forming the gate electrode can be used as a diode. Next, a semiconductor element according to a modification of the first embodiment of the present invention will be described. In the semiconductor element of this modification, as shown in FIG. 4C, a lightly doped diamond layer 4 is locally formed on a substrate 1. Further, on both sides of the lightly doped diamond layer 4, heavily doped diamond layers 7 a and 7 b having a higher impurity concentration than the lightly doped diamond layer 4 are formed so as to be in contact with the lightly doped diamond layer 4. Yes. Metal electrodes 8a and 8b are formed on the heavily doped diamond layers 7a and 7b, respectively.

本変形例の半導体素子は、低濃度ドープダイヤモンド層4の両側に形成されている高濃度ドープダイヤモンド層7a及び7b間の距離が、基板1から遠ざかるに従い短くなっているため、低濃度ドープダイヤモンド層4における電界強度は、基板1に最も近い部分が最も低く、基板1から最も遠い部分が最も高くなる。これにより、従来のダイヤモンド半導体素子に比べて、チャネル領域内のキャリア制御性が向上する。また、本実施形態の半導体素子においては、低濃度ドープダイヤモンド層4を挟むように高濃度ドープダイヤモンド層7a及び7bを形成しているため、この高濃度ドープダイヤモンド層7a又は高濃度ドープダイヤモンド層7bから、高密度の電荷を注入することができる。その結果、低濃度ドープダイヤモンド層4における電荷移動速度を向上することができると共に、低濃度ドープダイヤモンド層4の表面状態によるキャリア制御性が優れた半導体素子が得られる。更に、本実施形態の半導体素子においては、基板1に近い部分では、高濃度ドープダイヤモンド層7a及び7b間の距離が長いため、基板1のリーク電流を減少させることができる。   In the semiconductor element of this modification, the distance between the high-concentration doped diamond layers 7a and 7b formed on both sides of the low-concentration doped diamond layer 4 decreases as the distance from the substrate 1 increases. The electric field strength at 4 is the lowest at the part closest to the substrate 1 and the highest at the part farthest from the substrate 1. Thereby, carrier controllability in the channel region is improved as compared with the conventional diamond semiconductor element. In the semiconductor device of this embodiment, since the highly doped diamond layers 7a and 7b are formed so as to sandwich the lightly doped diamond layer 4, the highly doped diamond layer 7a or the highly doped diamond layer 7b is formed. Therefore, a high-density charge can be injected. As a result, a charge transfer rate in the lightly doped diamond layer 4 can be improved, and a semiconductor element excellent in carrier controllability due to the surface state of the lightly doped diamond layer 4 can be obtained. Furthermore, in the semiconductor element of this embodiment, the portion between the heavily doped diamond layers 7a and 7b is long near the substrate 1, so that the leakage current of the substrate 1 can be reduced.

次に、本変形例の半導体素子の動作について説明する。この半導体素子はダイオードであり、例えば、高濃度ドープダイヤモンド層7aの電位を0とし、高濃度ドープダイヤモンド層7bに負の電位を印加することにより、キャリアが高濃度ドープダイヤモンド層7aから低濃度ドープダイヤモンド層4を経由して高濃度ドープダイヤモンド層7bを移動する。これにより、高濃度ドープダイヤモンド層7a及び7b間に電流が流れる。   Next, the operation of the semiconductor element of this modification will be described. This semiconductor element is a diode. For example, the potential of the heavily doped diamond layer 7a is set to 0 and a negative potential is applied to the highly doped diamond layer 7b, so that carriers are doped from the highly doped diamond layer 7a to the lightly doped layer. The highly doped diamond layer 7b is moved through the diamond layer 4. Thereby, a current flows between the heavily doped diamond layers 7a and 7b.

また、この半導体素子は、物質の吸着及び光の入射等による低濃度ドープダイヤモンド層4の表面状態の変化に応じて、キャリアが制御される。即ち、低濃度ドープダイヤモンド層4の表面に、ガス、水分及びイオン等が吸着したり、又は紫外線等の光が照射されたりすると、低濃度ドープダイヤモンド層4中の電界又はキャリア数が変化して高濃度ドープダイヤモンド層7a及び7b間を流れる電流値が変化する。この特性を利用し、本変形例の半導体素子を物質の吸着量及び紫外線照射量を検知するセンサとして使用することもできる。更に、この半導体素子は、半導体材料を適宜選択することにより、発光ダイオードとしても利用することができる。   Further, in this semiconductor element, carriers are controlled in accordance with a change in the surface state of the low-concentration doped diamond layer 4 due to adsorption of a substance and incidence of light. That is, when gas, moisture, ions, etc. are adsorbed on the surface of the lightly doped diamond layer 4 or light such as ultraviolet rays is irradiated, the electric field or the number of carriers in the lightly doped diamond layer 4 changes. The value of the current flowing between the heavily doped diamond layers 7a and 7b changes. By utilizing this characteristic, the semiconductor element of this modification can also be used as a sensor for detecting the amount of adsorbed substance and the amount of ultraviolet irradiation. Furthermore, this semiconductor element can also be used as a light emitting diode by appropriately selecting a semiconductor material.

なお、前述の第1の実施形態及びその変形例の半導体素子においては、半導体層をダイヤモンドにより形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、窒化ガリウム、インジウムリン、インジウムヒ素及び炭化シリコン等の半導体材料により形成してもよい。ダイヤモンド以外の材料を使用する場合においても、エピタキシャル法を利用することにより、基板表面に対して垂直な方向を含む断面が下底よりも上底が短い台形状の半導体層を形成することができる。   In the semiconductor device of the first embodiment and the modification thereof, the semiconductor layer is formed of diamond. However, the present invention is not limited to this, for example, silicon, germanium, gallium arsenide. Alternatively, a semiconductor material such as gallium nitride, indium phosphide, indium arsenide, or silicon carbide may be used. Even when a material other than diamond is used, a trapezoidal semiconductor layer whose cross section including the direction perpendicular to the substrate surface is shorter than the lower base can be formed by using the epitaxial method. .

次に、本発明の第2の実施形態の半導体素子について説明する。図5は本実施形態の半導体素子の構造を示す断面図である。図5に示すように、本実施形態の半導体素子は、基板21上に低濃度ドープダイヤモンド層22が形成されており、この低濃度ドープダイヤモンド層22の表面には、低濃度ドープダイヤモンド層22よりも不純物濃度が高い高濃度ドープダイヤモンド層29a及び29bが、相互に分離して形成されている。この高濃度ドープダイヤモンド層29a及び29bは、表面に近い部分よりも表面から遠い部分の方が不純物濃度が低くなっている。即ち、高濃度ドープダイヤモンド層29a及び29bには、夫々、表面側に高濃度領域24a及び24bが形成され、基板21側に低濃度領域23a及び23bが形成されている。また、高濃度ドープダイヤモンド層29a及び29b間の距離は、高濃度領域24a及び24b間よりも低濃度領域23a及び23b間の方が長くなっている。   Next, the semiconductor element of the 2nd Embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device of this embodiment. As shown in FIG. 5, in the semiconductor element of the present embodiment, a lightly doped diamond layer 22 is formed on a substrate 21, and the surface of the lightly doped diamond layer 22 is less than the lightly doped diamond layer 22. Highly doped diamond layers 29a and 29b having a high impurity concentration are formed separately from each other. The heavily doped diamond layers 29a and 29b have a lower impurity concentration in a portion far from the surface than a portion near the surface. That is, the high-concentration doped diamond layers 29a and 29b are respectively formed with high-concentration regions 24a and 24b on the surface side and low-concentration regions 23a and 23b on the substrate 21 side. Further, the distance between the high-concentration doped diamond layers 29a and 29b is longer between the low-concentration regions 23a and 23b than between the high-concentration regions 24a and 24b.

この高濃度ドープダイヤモンド層29a及び29a上には、夫々ソース電極及びドレイン電極となる金属電極25a及び25bが形成されている。更に、金属電極25aの一部、高濃度ドープダイヤモンド層29a及び低濃度ドープダイヤモンド層22の一部を覆うように酸化シリコン絶縁層26aが形成されており、金属電極25bの一部、高濃度ドープダイヤモンド層29b及び低濃度ドープダイヤモンド層22の一部を覆うように酸化シリコン絶縁層26bが形成されている。更に、その上には、低濃度ドープダイヤモンド層22、金属電極25a及び25bの一部並びに酸化シリコン絶縁層26a及び26bを覆うように、酸化アルミニウム絶縁層27が形成されており、低濃度ドープダイヤモンド層22の高濃度ドープダイヤモンド層29a及び29b間の部分、即ち、チャネル領域の上方の酸化アルミニウム絶縁層27上には、アルミニウムからなるゲート電極28が形成されている。   On the heavily doped diamond layers 29a and 29a, metal electrodes 25a and 25b to be a source electrode and a drain electrode are formed. Furthermore, a silicon oxide insulating layer 26a is formed so as to cover a part of the metal electrode 25a, a part of the highly doped diamond layer 29a and a part of the lightly doped diamond layer 22, and a part of the metal electrode 25b, a highly doped element. A silicon oxide insulating layer 26 b is formed so as to cover a part of the diamond layer 29 b and the lightly doped diamond layer 22. Further thereon, an aluminum oxide insulating layer 27 is formed so as to cover the lightly doped diamond layer 22, a part of the metal electrodes 25a and 25b, and the silicon oxide insulating layers 26a and 26b. A gate electrode 28 made of aluminum is formed on the portion of the layer 22 between the heavily doped diamond layers 29a and 29b, that is, on the aluminum oxide insulating layer 27 above the channel region.

本実施形態の半導体素子は、チャネル領域の両側に形成されている高濃度ドープダイヤモンド層29a及び29b間の距離が、基板21から遠ざかるに従い、即ち、ゲート電極28に近づくに従い短くなっているため、チャネル領域における電界強度が、ゲート電極28に最も近い部分よりもゲート電極28から最も遠い部分の方が低くなり、従来のダイヤモンド半導体素子に比べて、キャリア制御性を向上させることができる。また、本実施形態の半導体素子においては、ゲート電極28によるキャリア制御性が優れているため、ゲート電圧を調節することにより、リーク電流を減少させることができる。   In the semiconductor element of the present embodiment, the distance between the heavily doped diamond layers 29a and 29b formed on both sides of the channel region decreases as the distance from the substrate 21 increases, that is, as the distance from the gate electrode 28 increases. The electric field intensity in the channel region is lower in the portion farthest from the gate electrode 28 than in the portion closest to the gate electrode 28, and carrier controllability can be improved as compared with the conventional diamond semiconductor element. In the semiconductor device of this embodiment, since the carrier controllability by the gate electrode 28 is excellent, the leakage current can be reduced by adjusting the gate voltage.

次に、本実施形態の半導体素子の動作について説明する。本実施形態の半導体素子はトランジスタであり、例えば、高濃度ドープダイヤモンド層29aの電位を0とし、高濃度ドープダイヤモンド層29bに負の電位を印加することにより、キャリアが高濃度ドープダイヤモンド層29aから低濃度ドープダイヤモンド層22を経由して高濃度ドープダイヤモンド層29bに移動し、ドレイン電流Iが流れる。そして、この状態でゲート電圧Vを調節することにより、ドレイン電流Iを自在に変化させることができる。 Next, the operation of the semiconductor element of this embodiment will be described. The semiconductor element of the present embodiment is a transistor. For example, the potential of the highly doped diamond layer 29a is set to 0 and a negative potential is applied to the highly doped diamond layer 29b, whereby carriers are transferred from the highly doped diamond layer 29a. It moves to the high-concentration doped diamond layer 29b via the low-concentration doped diamond layer 22, and the drain current ID flows. Then, by adjusting the gate voltage V G in this state, it can be changed freely drain current I D.

次に、本実施形態の半導体素子の製造方法について説明する。図6(a)乃至(d)及び図7(a)乃至(c)は本実施形態の半導体素子の製造方法をその工程順に示す断面図である。先ず、図6(a)に示すように、例えば不純物として窒素を10乃至300ppm含有する絶縁性の高圧合成ダイヤモンド単結晶等からなる基板21上に、マイクロ波プラズマCVD法により、厚さが例えば0.5μmのBドープp型半導体ダイヤモンド薄膜を合成して、低濃度ドープダイヤモンド層22を形成する。その際、原料ガスとしては、例えばCHが0.3体積%、Hが99.7体積%である混合ガス中に、ドーピングガスとしてBを添加したものを使用し、原料ガス中のB及びCの原子比(B/C)を、例えば5ppm未満とする。また、成膜時のガスの総流量は例えば100標準cm/分(sccm)、ガス圧力は例えば6.6kPa(50Torr)、基板温度は例えば800℃とする。 Next, a method for manufacturing the semiconductor element of this embodiment will be described. 6A to 6D and FIGS. 7A to 7C are cross-sectional views showing the method of manufacturing the semiconductor device of this embodiment in the order of the steps. First, as shown in FIG. 6A, a thickness of, for example, 0 is formed on a substrate 21 made of insulating high-pressure synthetic diamond single crystal containing 10 to 300 ppm of nitrogen as an impurity by a microwave plasma CVD method. A .5 μm B-doped p-type semiconductor diamond thin film is synthesized to form a lightly doped diamond layer 22. At that time, as the raw material gas, for example, a mixed gas in which CH 4 is 0.3% by volume and H 2 is 99.7% by volume and B 2 H 6 is added as a doping gas is used. The atomic ratio (B / C) of B and C in the inside is, for example, less than 5 ppm. The total gas flow rate during film formation is, for example, 100 standard cm 3 / min (sccm), the gas pressure is, for example, 6.6 kPa (50 Torr), and the substrate temperature is, for example, 800 ° C.

次に、図6(b)に示すように、リソグラフィにより、低濃度ドープダイヤモンド層22上にレジスト30をパターニングする。そして、レジスト30をマスクにして、例えば、加速電圧が30kV、イオンドース(単位面積あたりのイオン数)が2×1016/cmの条件でBイオンを照射する。これにより、図6(c)に示すように、低濃度ドープダイヤモンド層22表面のレジスト23が形成されていない領域にのみBイオンが注入され、低濃度ドープダイヤモンド層22の表面に相互に分離された高濃度領域24a及び24bが形成される。引き続き、レジスト30をマスクにして、例えば、加速電圧が60kV、イオンドースが1×1016/cmの条件でBイオンを照射し、図6(d)に示すように、高濃度領域24a及び24bよりも基板21側の部分に、夫々高濃度領域24a及び24bよりもBイオン濃度が低い低濃度領域23a及び23bを形成して、高濃度ドープダイヤモンド層29a及び29bを形成する。このとき、マスクであるレジスト30の下部へもBイオンが注入されるが、このBイオンが横方向に広がる量は、Bイオン注入量に相関して増減するため、高濃度領域24a及び24b間の距離よりも、低濃度領域23a及び23b間の距離の方が長くなる。 Next, as shown in FIG. 6B, a resist 30 is patterned on the lightly doped diamond layer 22 by lithography. Then, using the resist 30 as a mask, for example, B + ions are irradiated under the conditions of an acceleration voltage of 30 kV and an ion dose (number of ions per unit area) of 2 × 10 16 / cm 2 . As a result, as shown in FIG. 6C, B + ions are implanted only in the region where the resist 23 is not formed on the surface of the lightly doped diamond layer 22 and separated from each other on the surface of the lightly doped diamond layer 22. The high concentration regions 24a and 24b thus formed are formed. Subsequently, using the resist 30 as a mask, for example, B + ions are irradiated under the conditions of an acceleration voltage of 60 kV and an ion dose of 1 × 10 16 / cm 2 , and as shown in FIG. Low-concentration regions 23a and 23b having a B + ion concentration lower than that of the high-concentration regions 24a and 24b are formed in the portion closer to the substrate 21 than 24b, and the high-concentration doped diamond layers 29a and 29b are formed. At this time, since although B + ions are also implanted into the lower portion of the resist 30 is a mask, the amount of the B + ions spreads laterally to increase or decrease in correlation with the B + ion implantation dose, the high concentration region 24a The distance between the low concentration regions 23a and 23b is longer than the distance between the low concentration regions 23b and 24b.

その後、低濃度ドープダイヤモンド層22並びに高濃度ドープダイヤモンド層29a及び29bが形成された基板21を真空中において、例えば1000℃程度で熱処理することにより、高濃度ドープダイヤモンド層29a及び29bに注入されたBイオンを活性化する。これにより、Bイオンはアクセプタとして作用する。なお、この半導体素子におけるホール測定により見積もったキャリア濃度は、1×1019/cm以上である。また、Bイオンを注入した直後は、低濃度ドープダイヤモンド層22と高濃度ドープダイヤモンド層29a及び29bとの境界部分に欠陥が生成されるが、Bイオンを活性化するのための熱処理により、この欠陥は解消される。 Thereafter, the substrate 21 on which the low-concentration doped diamond layer 22 and the high-concentration doped diamond layers 29a and 29b are formed is heat-treated in a vacuum at, for example, about 1000 ° C. to be injected into the high-concentration doped diamond layers 29a and 29b. Activates B + ions. Thereby, the B + ion acts as an acceptor. Note that the carrier concentration estimated by hole measurement in this semiconductor element is 1 × 10 19 / cm 3 or more. Immediately after the implantation of B + ions, defects are generated at the boundary between the low-concentration doped diamond layer 22 and the high-concentration doped diamond layers 29a and 29b. However, heat treatment for activating the B + ions is performed. This defect is eliminated.

次に、熱処理によって高濃度ドープダイヤモンド層29a及び29bの表面に形成された炭化層を除去した後、図7(a)に示すように、フォトリソグラフィにより、高濃度ドープダイヤモンド層29a及び29b上に、夫々金属電極25a及び25bを形成する。この金属電極25a及び25bは、例えば、Pt、Au、Ti及びW等のオーム性接合特性を示す金属材料により形成することができる。   Next, after removing the carbonized layer formed on the surfaces of the highly doped diamond layers 29a and 29b by heat treatment, as shown in FIG. 7A, photolithography is performed on the highly doped diamond layers 29a and 29b. The metal electrodes 25a and 25b are formed respectively. The metal electrodes 25a and 25b can be formed of a metal material having ohmic bonding characteristics such as Pt, Au, Ti, and W, for example.

次に、CVD法により、厚さが例えば0.2μmの酸化シリコン膜を形成した後、図7(b)に示すように、電子ビームリソグラフィ及びエッチングによってパターニングして、金属電極25a及び25bの一部、高濃度ドープダイヤモンド層29a及び29b、並びに低濃度ドープダイヤモンド層22の一部を覆うように酸化シリコン絶縁層26a及び26bを形成する。引き続き、電子ビーム蒸着法により、低濃度ドープダイヤモンド層22、金属電極25a及び25b並びに酸化シリコン絶縁層26a及び26b上に、厚さが例えば50nmの酸化アルミニウム膜を形成した後、図7(c)に示すように、金属電極25a及び25bの一部が露出するようにパターニングして、酸化アルミニウム絶縁層27を形成する。その後、フォトリソグラフィーによりパターニングして、低濃度ドープダイヤモンド層22におけるチャネル領域上方の酸化アルミニウム絶縁層27上に、アルミニウムからなるゲート電極28を形成し、図5に示す半導体素子とする。   Next, after a silicon oxide film having a thickness of, for example, 0.2 μm is formed by a CVD method, as shown in FIG. 7B, patterning is performed by electron beam lithography and etching to form one of the metal electrodes 25a and 25b. The silicon oxide insulating layers 26a and 26b are formed so as to cover the portion, the heavily doped diamond layers 29a and 29b, and a part of the lightly doped diamond layer 22. Subsequently, after an aluminum oxide film having a thickness of, for example, 50 nm is formed on the lightly doped diamond layer 22, the metal electrodes 25a and 25b, and the silicon oxide insulating layers 26a and 26b by an electron beam evaporation method, FIG. As shown in FIG. 2, the aluminum oxide insulating layer 27 is formed by patterning so that the metal electrodes 25a and 25b are partially exposed. Thereafter, patterning is performed by photolithography to form a gate electrode 28 made of aluminum on the aluminum oxide insulating layer 27 above the channel region in the lightly doped diamond layer 22 to obtain the semiconductor device shown in FIG.

本実施形態の半導体素子の製造方法においては、イオン注入法により、低濃度ドープダイヤモンド層22の表面に、高濃度ドープダイヤモンド層29a及び29bを形成しているため、イオン注入を行わない低濃度ドープダイヤモンド層22と、イオン注入した高濃度ドープダイヤモンド層29a及び29bとの間には、なだらかな濃度分布が生じる。更に、高濃度ドープダイヤモンド層29a及び29bを形成する際は、条件を変えて2回イオン注入するため、高濃度ドープダイヤモンド層29a及び29bには、表面側に高濃度領域24a及び24b、基板21側に低濃度領域23a及び23bが夫々形成される。図8は横軸に表面からの距離をとり、縦軸にBイオン濃度をとって、高濃度ドープダイヤモンド層の濃度分布を示すグラフ図である。このため、図8に示すように、高濃度ドープダイヤモンド層29a及び29における不純物濃度は、表面から遠くなるに従い減少する。同様に、レジスト30の下部へ注入される不純物の量も表面から遠くなるに従い減少するため、基板21から遠ざかるに従い高濃度ドープダイヤモンド層29a及び29b間の距離が短くなる半導体素子を容易に形成することができる。 In the manufacturing method of the semiconductor device of this embodiment, since the high-concentration doped diamond layers 29a and 29b are formed on the surface of the low-concentration doped diamond layer 22 by the ion implantation method, the low-concentration doping without ion implantation is performed. A gentle concentration distribution is generated between the diamond layer 22 and the ion-implanted heavily doped diamond layers 29a and 29b. Further, when the highly doped diamond layers 29a and 29b are formed, ion implantation is performed twice under different conditions. Therefore, the heavily doped diamond layers 29a and 29b have high concentration regions 24a and 24b on the surface side, and a substrate 21. Low concentration regions 23a and 23b are respectively formed on the side. FIG. 8 is a graph showing the concentration distribution of the highly doped diamond layer, with the horizontal axis representing the distance from the surface and the vertical axis representing the B + ion concentration. For this reason, as shown in FIG. 8, the impurity concentration in the heavily doped diamond layers 29a and 29 decreases as the distance from the surface increases. Similarly, since the amount of impurities implanted into the lower portion of the resist 30 also decreases as the distance from the surface increases, a semiconductor element in which the distance between the heavily doped diamond layers 29a and 29b decreases as the distance from the substrate 21 decreases. be able to.

前述の第2の実施形態においては、酸化アルミニウム絶縁層27を介してゲート電極28が形成され、高濃度ドープダイヤモンド層24a及び24bが夫々ソース及びドレインとなるFETについて述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ゲート電極形成前の図7(a)に示す構造の半導体素子をダイオードとして使用することもできる。次に、本発明の第2の実施形態の変形例について説明する。本変形例の半導体素子は、図7(a)に示すように、基板21上に形成された低濃度ドープダイヤモンド層22の表面に、低濃度ドープダイヤモンド層22よりも不純物濃度が高い高濃度ドープダイヤモンド層29a及び29bが、相互に分離して形成されている。この高濃度ドープダイヤモンド層29a及び29bには、夫々、表面側に高濃度領域24a及び24bが形成され、基板21側に低濃度領域23a及び23bが形成されており、高濃度ドープダイヤモンド層29a及び29b間の距離は、高濃度領域24a及び24b間よりも低濃度領域23a及び23b間の方が長くなっている。更に、高濃度ドープダイヤモンド層29a及び29b上には、夫々金属電極8a及び8bが形成されている。   In the above-described second embodiment, the FET in which the gate electrode 28 is formed via the aluminum oxide insulating layer 27 and the heavily doped diamond layers 24a and 24b serve as the source and drain has been described. For example, the semiconductor element having the structure shown in FIG. 7A before forming the gate electrode can be used as the diode. Next, a modification of the second embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 7A, the semiconductor element of the present modification has a high concentration doping with a higher impurity concentration than the low concentration doping diamond layer 22 on the surface of the low concentration doping diamond layer 22 formed on the substrate 21. Diamond layers 29a and 29b are formed separately from each other. In the high-concentration doped diamond layers 29a and 29b, high-concentration regions 24a and 24b are formed on the surface side, and low-concentration regions 23a and 23b are formed on the substrate 21, respectively. The distance between 29b is longer between the low concentration regions 23a and 23b than between the high concentration regions 24a and 24b. Further, metal electrodes 8a and 8b are formed on the heavily doped diamond layers 29a and 29b, respectively.

この半導体素子は、高濃度ドープダイヤモンド層29a及び29b間の距離が、基板1から遠ざかるに従い短くなっているため、低濃度ドープダイヤモンド層22の表面、即ち、チャネル領域における電界強度は、基板21に最も近い部分が最も低く、基板21から最も遠い部分が最も高くなる。その結果、低濃度ドープダイヤモンド層22の表面状態に応じて敏感にキャリアが制御性されるため、従来のダイヤモンド半導体素子に比べて、キャリア制御性が向上する。更に、本変形例の半導体素子においては、高濃度領域24a及び24b間の距離よりも低濃度領域23a及び23b間の距離の方が長いため、リーク電流を減少させることができる。   In this semiconductor device, since the distance between the highly doped diamond layers 29a and 29b becomes shorter as the distance from the substrate 1 increases, the electric field strength at the surface of the lightly doped diamond layer 22, that is, in the channel region, is applied to the substrate 21. The closest part is the lowest and the part farthest from the substrate 21 is the highest. As a result, since the carrier is sensitively controlled in accordance with the surface state of the lightly doped diamond layer 22, the carrier controllability is improved as compared with the conventional diamond semiconductor element. Furthermore, in the semiconductor element of this modification, the leakage current can be reduced because the distance between the low concentration regions 23a and 23b is longer than the distance between the high concentration regions 24a and 24b.

次に、本変形例の半導体素子の動作について説明する。本実施形態の半導体素子はダイオードであり、例えば、高濃度ドープダイヤモンド層29aの電位を0とし、高濃度ドープダイヤモンド層29bに負の電位を印加することにより、キャリアが高濃度ドープダイヤモンド層29aから低濃度ドープダイヤモンド層22を経由して高濃度ドープダイヤモンド層29bに移動し、これにより電流が流れる。この電流は低濃度ダイヤモンド層22の表面状態により変化する。このため、本変形例の半導体素子は、前述の第1の実施形態の変形例と同様に、表面状態を検知するセンサとして利用することができる。更に、前述の第1の実施形態の変形例の半導体素子と同様に、発光ダイオード等にも利用することが可能である。   Next, the operation of the semiconductor element of this modification will be described. The semiconductor element of the present embodiment is a diode. For example, the potential of the highly doped diamond layer 29a is set to 0, and a negative potential is applied to the highly doped diamond layer 29b, so that carriers can be generated from the highly doped diamond layer 29a. It moves to the high-concentration doped diamond layer 29b via the low-concentration doped diamond layer 22, thereby causing a current to flow. This current varies depending on the surface state of the low-concentration diamond layer 22. For this reason, the semiconductor element of this modification can be used as a sensor for detecting the surface state, similarly to the modification of the first embodiment described above. Further, it can also be used for a light emitting diode or the like, similar to the semiconductor element of the modified example of the first embodiment described above.

なお、前述の第2の実施形態及びその変形例の半導体素子においては、半導体層をダイヤモンドにより形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、窒化ガリウム、インジウムリン、インジウムヒ素及び炭化シリコン等の半導体材料により形成することもできる。   In the semiconductor device of the second embodiment and its modification, the semiconductor layer is formed of diamond. However, the present invention is not limited to this, for example, silicon, germanium, gallium arsenide. Alternatively, it can be formed of a semiconductor material such as gallium nitride, indium phosphide, indium arsenide, or silicon carbide.

次に、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。先ず、本発明の実施例として、前述の第1実施形態の半導体素子と同様の構造のトランジスタについて、デバイスシミュレータMEDICIにより、そのデバイス特性をシミュレーションした。図9(a)はシミュレーションで使用した実施例のトランジスタの構造を示す図であり、図9(b)は図9(a)に示すトランジスタの正孔濃度分布を示す図である。シミュレーションする際は、トランジスタの構造を、図9(a)に示すように模式的にした。具体的には、基板30上に形成された低濃度ドープダイヤモンド層31の両側に高濃度ドープダイヤモンド層32及び33が形成され、これらの上には絶縁層34が形成され、低濃度ドープダイヤモンド層31上には絶縁層34を介してゲート電極35が形成されている構造とした。このトランジスタにおける高濃度ドープダイヤモンド層42及び33間の距離は、基板30から遠ざかるに従い短くなっている。このような構造の実施例のトランジスタについて、ゲート電極35に−10Vの電圧を印加すると共に、ドレイン電極に−20Vの電圧を印加した場合について正孔濃度分布を計算したところ、図9(b)に示すように、正孔濃度が1×1015乃至1×1018である正孔領域36はほとんど低濃度ドープダイヤモンド層31内に存在し、正孔の分布がゲート電極35側表面付近の狭い領域に抑えられており、ゲート電圧によりキャリア制御性が優れていた。 Next, effects of the embodiment of the present invention will be described in comparison with a comparative example that is out of the scope of the present invention. First, as an example of the present invention, device characteristics of a transistor having the same structure as the semiconductor element of the first embodiment described above were simulated by a device simulator MEDICI. FIG. 9A is a diagram showing the structure of the transistor of the example used in the simulation, and FIG. 9B is a diagram showing the hole concentration distribution of the transistor shown in FIG. 9A. In the simulation, the structure of the transistor was schematically shown as shown in FIG. Specifically, highly doped diamond layers 32 and 33 are formed on both sides of a lightly doped diamond layer 31 formed on the substrate 30, and an insulating layer 34 is formed thereon, and the lightly doped diamond layer 31. A gate electrode 35 is formed on 31 via an insulating layer 34. The distance between the heavily doped diamond layers 42 and 33 in this transistor decreases as the distance from the substrate 30 increases. With respect to the transistor of the embodiment having such a structure, the hole concentration distribution was calculated when a voltage of −10 V was applied to the gate electrode 35 and a voltage of −20 V was applied to the drain electrode. As shown in FIG. 3, the hole region 36 having a hole concentration of 1 × 10 15 to 1 × 10 18 is almost present in the low-concentration doped diamond layer 31, and the distribution of holes is narrow near the surface on the gate electrode 35 side. The carrier controllability was excellent due to the gate voltage.

また、比較例として、高濃度ドープダイヤモンド層間の距離が基板から遠ざかるに従い長くなる構造のトランジスタについても同様に、デバイス特性をシミュレーションした。図10(a)はシミュレーションで使用した比較例のトランジスタの構造を示す図であり、図10(b)は図10(a)に示すトランジスタの正孔濃度分布を示す図である。図10(a)に示すように、本比較例においては、基板40上に形成された低濃度ドープダイヤモンド層41の両側に高濃度ドープダイヤモンド層42及び43が形成され、これらの上には絶縁層44が形成され、低濃度ドープダイヤモンド層41上には絶縁層44を介してゲート電極45が形成されている構造とした。このトランジスタにおける高濃度ドープダイヤモンド層42及び43間の距離は、基板40から遠ざかるに従い長くなっている。なお、このような構造のトランジスタは、低濃度ドープダイヤモンド層を形成する前に、高濃度ドープダイヤモンド層をエピタキシャル成長により形成することにより、作製することができる。この比較例のトランジスタについて、ゲート電極45に−10Vの電圧を印加すると共に、ドレイン電極に−20Vの電圧を印加した場合について正孔濃度分布を計算したところ、図10(b)に示すように、正孔濃度が1×1015乃至1×1018である正孔領域46が基板40にまで存在しており、前述の実施例のトランジスタに比べて正孔の分布が広がっており、更に乱れていた。 As a comparative example, the device characteristics were similarly simulated for a transistor having a structure in which the distance between the heavily doped diamond layers becomes longer as the distance from the substrate increases. FIG. 10A is a diagram illustrating the structure of a comparative transistor used in the simulation, and FIG. 10B is a diagram illustrating the hole concentration distribution of the transistor illustrated in FIG. As shown in FIG. 10A, in this comparative example, heavily doped diamond layers 42 and 43 are formed on both sides of a lightly doped diamond layer 41 formed on a substrate 40, and an insulating layer is formed thereon. A layer 44 is formed, and a gate electrode 45 is formed on the lightly doped diamond layer 41 with an insulating layer 44 interposed therebetween. The distance between the heavily doped diamond layers 42 and 43 in this transistor increases as the distance from the substrate 40 increases. Note that a transistor having such a structure can be manufactured by forming a heavily doped diamond layer by epitaxial growth before forming the lightly doped diamond layer. With respect to the transistor of this comparative example, when the voltage of −10 V was applied to the gate electrode 45 and the voltage of −20 V was applied to the drain electrode, the hole concentration distribution was calculated, as shown in FIG. The hole region 46 having a hole concentration of 1 × 10 15 to 1 × 10 18 exists up to the substrate 40, and the distribution of holes is wider than that of the transistor of the above-described embodiment, and is further disturbed. It was.

次に、この実施例及び比較例のトランジスタについて、ソース電極は接地とし、ドレイン電極に一定の電圧(ドレイン電圧:−20V)を印加した状態で、ゲート電極35及び45に印加する電圧(ゲート電圧)を夫々変化させ、ポアソン方程式、電流連続の式を計算させた。図10は横軸にゲート電圧をとり、縦軸にドレイン電流をとって、実施例及び比較例のトランジスタのシミュレーション結果を示すグラフ図である。トランジスタオフの状態、即ち、ゲート電極に印加する電圧が0Vの場合における電流がリーク電流であるが、図11に示すように、実施例のトランジスタは、比較例のトランジスタに比べて、このリーク電流が低く抑えられていた。   Next, for the transistors of this example and the comparative example, the voltage applied to the gate electrodes 35 and 45 (gate voltage) with the source electrode being grounded and a constant voltage (drain voltage: −20 V) applied to the drain electrode. ) Were changed, and the Poisson equation and the equation of current continuity were calculated. FIG. 10 is a graph showing the simulation results of the transistors of the example and the comparative example, with the gate voltage on the horizontal axis and the drain current on the vertical axis. In the transistor off state, that is, when the voltage applied to the gate electrode is 0 V, the current is a leakage current. However, as shown in FIG. Was kept low.

本発明の第1の実施形態の半導体素子の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the semiconductor element of the 1st Embodiment of this invention. (a)乃至(d)本発明の第1の実施形態の半導体素子の製造方法をその工程順に示す断面図である。(A) thru | or (d) It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor element of the 1st Embodiment of this invention in the order of the process. (a)乃至(d)本発明の第1の実施形態の半導体素子の製造方法をその工程順に示す断面図であり、図2(d)の次の工程を示す。(A) thru | or (d) It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor element of the 1st Embodiment of this invention in order of the process, and shows the process following FIG.2 (d). (a)乃至(e)本発明の第1の実施形態の半導体素子の製造方法をその工程順に示す断面図であり、図3(d)の次の工程を示す。(A) thru | or (e) It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor element of the 1st Embodiment of this invention in order of the process, and shows the process following FIG.3 (d). 本発明の第2の実施形態の半導体素子の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the semiconductor element of the 2nd Embodiment of this invention. (a)乃至(d)は本発明の第2の実施形態の半導体素子の製造方法をその工程順に示す断面図である。(A) thru | or (d) are sectional drawings which show the manufacturing method of the semiconductor element of the 2nd Embodiment of this invention in the order of the process. (a)乃至(c)は本発明の第2の実施形態の半導体素子の製造方法をその工程順に示す断面図であり、図6(d)の次の工程を示す。(A) thru | or (c) are sectional drawings which show the manufacturing method of the semiconductor element of the 2nd Embodiment of this invention in order of the process, and show the process following FIG.6 (d). 横軸に表面からの距離をとり、縦軸にBイオン濃度をとって、高濃度ドープダイヤモンド層の濃度分布を示すグラフ図である。It is a graph which shows the density | concentration distribution of a high concentration dope diamond layer, taking the distance from the surface on a horizontal axis, and taking B + ion concentration on the vertical axis | shaft. (a)はシミュレーションで使用した実施例のトランジスタの構造を示す図であり、(b)は(a)に示すトランジスタの正孔濃度分布を示す図である。(A) is a figure which shows the structure of the transistor of the Example used by simulation, (b) is a figure which shows the hole concentration distribution of the transistor shown to (a). (a)はシミュレーションで使用した比較例のトランジスタの構造を示す図であり、(b)は(a)に示すトランジスタの正孔濃度分布を示す図である。(A) is a figure which shows the structure of the transistor of the comparative example used by simulation, (b) is a figure which shows the hole concentration distribution of the transistor shown to (a). 横軸にゲート電圧をとり、縦軸にドレイン電流をとって、実施例及び比較例のトランジスタのシミュレーション結果を示すグラフ図である。It is a graph which shows the simulation result of the transistor of an Example and a comparative example by taking a gate voltage on a horizontal axis and taking a drain current on a vertical axis | shaft. 特許文献1に記載のMISFETの構造を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing the structure of a MISFET described in Patent Document 1. FIG. 特許文献2に記載のMISFETの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of MISFET of patent document 2. As shown in FIG. 特許文献3に記載のダイヤモンドFETの動作原理を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the operation principle of the diamond FET described in Patent Document 3.

符号の説明Explanation of symbols

1、21、30、40;基板
2、5、30;レジスト
3a、3b、6a、6b;酸化アルミニウム膜
4、22、31、41;低濃度ドープダイヤモンド層
7a、7b、29a、29b、32、33、42、43;高濃度ドープダイヤモンド層
8a、8b、25a、25b;金属電極
9a、9b、26a、26b;酸化シリコン絶縁層
10、27;酸化アルミニウム絶縁層
11、28、35、45、107、118、125;ゲート電極
23a、23b;低濃度領域
24a、24b;高濃度領域
34;絶縁層
36、46;正孔領域
100、110;MISFET
101;絶縁性ダイヤモンド基板
102a、102b;高ドープp型半導体ダイヤモンド層
103;低ドープp型半導体ダイヤモンド層
104、115、124;ソース電極
105、116、126;ドレイン電極
106;アンドープダイヤモンド層
111;シリコン基板
112;下地層
113a、113b;n型半導体ダイヤモンド層
114;p型半導体ダイヤモンド層
117;ダイヤモンド絶縁体層
120;FET
121、123;半導体ダイヤモンド層
122;高抵抗ダイヤモンド層
1, 2, 30, 30; substrate 2, 5, 30; resist 3a, 3b, 6a, 6b; aluminum oxide film 4, 22, 31, 41; lightly doped diamond layer 7a, 7b, 29a, 29b, 32; 33, 42, 43; highly doped diamond layers 8a, 8b, 25a, 25b; metal electrodes 9a, 9b, 26a, 26b; silicon oxide insulating layers 10, 27; aluminum oxide insulating layers 11, 28, 35, 45, 107 118, 125; gate electrodes 23a, 23b; low concentration regions 24a, 24b; high concentration regions 34; insulating layers 36, 46; hole regions 100, 110;
101; Insulating diamond substrate 102a, 102b; Highly doped p-type semiconductor diamond layer 103; Low-doped p-type semiconductor diamond layer 104, 115, 124; Source electrode 105, 116, 126; Drain electrode 106; Undoped diamond layer 111; Silicon Substrate 112; base layer 113a, 113b; n-type semiconductor diamond layer 114; p-type semiconductor diamond layer 117; diamond insulator layer 120; FET
121, 123; semiconductor diamond layer 122; high resistance diamond layer

Claims (14)

基板と、この基板上に局所的に形成された第1の半導体層と、前記第1の半導体層の両側に夫々形成され少なくとも一部が前記第1の半導体層に接触し、前記第1の半導体層よりも不純物濃度が高い第2及び第3の半導体層と、前記第2及び第3の半導体層間に流れる電流を制御する制御層と、を有し、前記第1の半導体層と接触している部分における前記第2及び第3の半導体層間の距離は、前記第1の半導体層の厚さ方向において前記制御層から最も遠い部分よりも前記制御層に最も近い部分の方が短いことを特徴とする半導体素子。 A substrate, a first semiconductor layer locally formed on the substrate, and formed on both sides of the first semiconductor layer, at least part of which is in contact with the first semiconductor layer; A second and third semiconductor layer having an impurity concentration higher than that of the semiconductor layer; and a control layer for controlling a current flowing between the second and third semiconductor layers, and in contact with the first semiconductor layer. The distance between the second semiconductor layer and the third semiconductor layer in the portion where the first semiconductor layer is located is shorter in the portion closest to the control layer than in the portion farthest from the control layer in the thickness direction of the first semiconductor layer. A featured semiconductor element. 前記制御層は絶縁層又はショットキー隔壁を介して前記第1の半導体層と電気的に接続されたゲート電極であり、前記第2及び第3の半導体層が夫々ソース及びドレインとなる電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。 The control layer is a gate electrode electrically connected to the first semiconductor layer via an insulating layer or a Schottky barrier, and the second and third semiconductor layers serve as a source and a drain, respectively. The semiconductor device according to claim 1, wherein: 基板と、この基板上に局所的に形成された第1の半導体層と、前記第1の半導体層の両側に夫々形成され少なくとも一部が前記第1の半導体層に接触し、前記第1の半導体層よりも不純物濃度が高い第2及び第3の半導体層と、を有し、前記第1の半導体層と接触している部分における前記第2及び第3の半導体層間の距離は、前記第1の半導体層の厚さ方向において前記基板に最も近い部分よりも前記基板から最も遠い部分の方が短いことを特徴とする半導体素子。 A substrate, a first semiconductor layer locally formed on the substrate, and formed on both sides of the first semiconductor layer, at least part of which is in contact with the first semiconductor layer; A second semiconductor layer having a higher impurity concentration than the semiconductor layer, and a distance between the second semiconductor layer and the third semiconductor layer in a portion in contact with the first semiconductor layer is A semiconductor element characterized in that a portion farthest from the substrate is shorter than a portion closest to the substrate in the thickness direction of one semiconductor layer. 前記第1の半導体層上には絶縁層又はショットキー障壁を介してゲート電極が形成されており、前記第2及び第3の半導体層が夫々ソース及びドレインとなる電界効果トランジスタであることを特徴とする特徴とする請求項3に記載の半導体素子。 A gate electrode is formed on the first semiconductor layer via an insulating layer or a Schottky barrier, and the second and third semiconductor layers are field effect transistors respectively serving as a source and a drain. The semiconductor device according to claim 3, wherein: センサ又はダイオードとして使用されることを特徴とする請求項3に記載の半導体素子。 The semiconductor device according to claim 3, wherein the semiconductor device is used as a sensor or a diode. 前記絶縁層は、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物、金属弗化物及び窒素ドープダイヤモンドからなる群から選択された少なくとも1種の材料からなることを特徴とする請求項2又は4に記載の半導体素子。 5. The insulating layer according to claim 2, wherein the insulating layer is made of at least one material selected from the group consisting of metal oxide, metal nitride, metal oxynitride, metal fluoride, and nitrogen-doped diamond. The semiconductor element as described. 前記第1乃至第3の半導体層のうち少なくとも1つの半導体層は、ダイヤモンドにより形成されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体素子。 7. The semiconductor device according to claim 1, wherein at least one of the first to third semiconductor layers is formed of diamond. 基板上に局所的に第1の半導体層を形成する工程と、前記第1の半導体層の両側に少なくとも一部が前記第1の半導体層に接触し前記第1の半導体層よりも不純物濃度が高い第2及び第3の半導体層を夫々形成する工程と、前記第2及び第3の半導体層間に流れる電流を制御する制御層を形成する工程と、を有し、前記第1の半導体層と接触している部分における前記第2及び第3の半導体層間の距離を、前記第1の半導体層の厚さ方向において前記制御層から最も遠い部分よりも前記制御層に最も近い部分の方が短くなるようにすることを特徴とする半導体素子の製造方法。 A step of locally forming a first semiconductor layer on a substrate; and at least a part of the first semiconductor layer on both sides of the first semiconductor layer is in contact with the first semiconductor layer and has an impurity concentration higher than that of the first semiconductor layer. A step of forming high second and third semiconductor layers, respectively, and a step of forming a control layer for controlling a current flowing between the second and third semiconductor layers, wherein the first semiconductor layer includes: The distance between the second and third semiconductor layers in the contacting portion is shorter in the portion closest to the control layer than in the portion farthest from the control layer in the thickness direction of the first semiconductor layer. A method for manufacturing a semiconductor element, characterized by comprising: 基板上に局所的に第1の半導体層を形成する工程と、前記第1の半導体層の両側に少なくとも一部が前記第1の半導体層に接触し前記第1の半導体層よりも不純物濃度が高い第2及び第3の半導体層を夫々形成する工程と、を有し、前記第1の半導体層と接触している部分における前記第2及び第3の半導体層間の距離を、前記第1の半導体層の厚さ方向において前記基板に最も近い部分よりも前記基板から最も遠い部分の方が短くなるようにすることを特徴とする半導体素子の製造方法。 A step of locally forming a first semiconductor layer on a substrate; and at least a part of the first semiconductor layer on both sides of the first semiconductor layer is in contact with the first semiconductor layer and has an impurity concentration higher than that of the first semiconductor layer. Forming high second and third semiconductor layers, respectively, and the distance between the second and third semiconductor layers in a portion in contact with the first semiconductor layer is set to the first semiconductor layer. A method of manufacturing a semiconductor element, wherein a portion farthest from the substrate is shorter than a portion closest to the substrate in a thickness direction of the semiconductor layer. 前記第1の半導体層をエピタキシャル成長により形成することを特徴とする請求項8又は9に記載の半導体素子の製造方法。 10. The method of manufacturing a semiconductor element according to claim 8, wherein the first semiconductor layer is formed by epitaxial growth. 前記第2及び第3の半導体層をエピタキシャル成長により形成することを特徴とする請求項8乃至10のいずれか1項に記載の半導体素子の製造方法。 11. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the second and third semiconductor layers are formed by epitaxial growth. 前記第2及び第3の半導体層をエピタキシャル成長により形成する際に、この第2及び第3の半導体層に不純物を高濃度でドープすることを特徴とする請求項11に記載の半導体素子の製造方法。 12. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11, wherein when the second and third semiconductor layers are formed by epitaxial growth, the second and third semiconductor layers are doped with impurities at a high concentration. . イオン注入法により前記第2及び第3の半導体層に不純物を高濃度でドープすることを特徴とする請求項8乃至11のいずれか1項に記載の半導体素子の製造方法。 12. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein an impurity is doped in the second and third semiconductor layers at a high concentration by an ion implantation method. 前記第1乃至第3の半導体層のうち少なくとも1つの半導体層をダイヤモンドにより形成することを特徴とする請求項8乃至13のいずれか1項に記載の半導体素子の製造方法。 14. The method of manufacturing a semiconductor element according to claim 8, wherein at least one semiconductor layer of the first to third semiconductor layers is formed of diamond.
JP2004287590A 2004-09-30 2004-09-30 Semiconductor element and its manufacturing method Pending JP2006100721A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004287590A JP2006100721A (en) 2004-09-30 2004-09-30 Semiconductor element and its manufacturing method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004287590A JP2006100721A (en) 2004-09-30 2004-09-30 Semiconductor element and its manufacturing method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2006100721A true JP2006100721A (en) 2006-04-13

Family

ID=36240208

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004287590A Pending JP2006100721A (en) 2004-09-30 2004-09-30 Semiconductor element and its manufacturing method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2006100721A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008198947A (en) * 2007-02-15 2008-08-28 Fujitsu Ltd Semiconductor device and its manufacturing method
JP2017045897A (en) * 2015-08-27 2017-03-02 学校法人早稲田大学 Diamond field effect transistor and manufacturing method therefor
JP2017092398A (en) * 2015-11-16 2017-05-25 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Diamond electronic element

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03155676A (en) * 1989-07-31 1991-07-03 Canon Inc Thin film transistor and manufacture and device therefor
JP2002076369A (en) * 2000-09-01 2002-03-15 Kobe Steel Ltd Electronic element, and diode, transistor and thyristor using the same

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03155676A (en) * 1989-07-31 1991-07-03 Canon Inc Thin film transistor and manufacture and device therefor
JP2002076369A (en) * 2000-09-01 2002-03-15 Kobe Steel Ltd Electronic element, and diode, transistor and thyristor using the same

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008198947A (en) * 2007-02-15 2008-08-28 Fujitsu Ltd Semiconductor device and its manufacturing method
US8603903B2 (en) 2007-02-15 2013-12-10 Fujitsu Limited Semiconductor device manufacturing method
JP2017045897A (en) * 2015-08-27 2017-03-02 学校法人早稲田大学 Diamond field effect transistor and manufacturing method therefor
JP2017092398A (en) * 2015-11-16 2017-05-25 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Diamond electronic element
WO2017086253A1 (en) * 2015-11-16 2017-05-26 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Diamond electronic element

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4309967B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
US8829608B2 (en) Semiconductor device
US9875908B2 (en) LDMOS device
JP4435847B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP5234927B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
JP6766512B2 (en) Semiconductor devices and methods for manufacturing semiconductor devices
JP4857697B2 (en) Silicon carbide semiconductor device
JP6479533B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
WO2017138221A1 (en) Silicon carbide semiconductor device and method for manufacturing same
JP2009158788A (en) Vertical mosfet and manufacturing method of the vertical mosfet
WO2008018432A1 (en) Silicon carbide semiconductor device and method for manufacturing the same
JP4153984B2 (en) Transistor
JP2013530527A (en) Self-aligned semiconductor device with reduced gate-source leakage under reverse bias and fabrication method
JP4532853B2 (en) Semiconductor device
JP2002057167A (en) Semiconductor element and manufacturing method thereof
JPH0444328A (en) Semiconductor device and manufacture thereof
JP5953675B2 (en) Electronic equipment
JP3714803B2 (en) Method for manufacturing diamond field effect transistor
JP4857698B2 (en) Silicon carbide semiconductor device
US6977406B2 (en) Short channel insulated-gate static induction transistor and method of manufacturing the same
JP2007115861A (en) Hetero junction transistor
JP2006100721A (en) Semiconductor element and its manufacturing method
JP4450719B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
JP6866619B2 (en) Semiconductor device
US20210367070A1 (en) Semiconductor device and method for manufacturing same

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Effective date: 20070724

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

A977 Report on retrieval

Effective date: 20090331

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

A131 Notification of reasons for refusal

Effective date: 20110419

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

A02 Decision of refusal

Effective date: 20110927

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02