JP2008130725A - Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device capable of improving an yield of a device characteristic and enabling its practical application. <P>SOLUTION: The semiconductor device (FET) has a semiconductor film (an active layer) comprising a diamond single crystal, and the surface 13a of the semiconductor film (the active layer) is inclined from at an angle of not smaller than 2° and not larger than 10° from a ä001} surface to a direction from a [110] direction within a direction at an angle of not smaller than -15° and not larger than 15° at the surface 13a of the semiconductor film (the active layer). The semiconductor film (the active layer) has a channel in the surface vertical to the off-directin of the semiconductor film (the active layer). <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関し、たとえば電界効果トランジスタ等のダイヤモンドを用いた半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device, for example, a semiconductor device using diamond such as a field effect transistor and a method for manufacturing the semiconductor device.

ダイヤモンドは、ブレークダウン電界、熱伝導度、飽和速度およびキャリア移動度などが高いため、ダイヤモンドを用いた半導体は、ハイパワー、高周波および高集積におけるデバイスの性能指標が、他の半導体と比べて著しく高い。そのため、これらの特性を活かしたダイヤモンド電子デバイスは、ハイパワー素子および高周波素子等への応用が期待されている。   Diamond has a high breakdown electric field, thermal conductivity, saturation rate, carrier mobility, etc., so that semiconductors using diamond have significantly higher device performance indicators at high power, high frequency, and high integration than other semiconductors. high. For this reason, diamond electronic devices utilizing these characteristics are expected to be applied to high power elements, high frequency elements and the like.

ダイヤモンドを用いた電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor:FET)としては、たとえば硼素をドープしたp型ダイヤモンド薄膜層をチャネル層としたものが挙げられる。このような電界効果トランジスタとして、特開平3−94429号公報(特許文献1)には、チャネル層の上にショットキー接合、オーミック接合を形成するゲート電極およびソース電極を形成した金属−半導体接合型(MES型)電界効果トランジスタが開示されている。また、特開平1−158774号公報(特許文献2)には、パルスドープを用いた2次元的な空間分布を形成したMIS型電界効果トランジスタが開示されている。また、特開平8−88236号公報(特許文献3)には、ゲート電極と動作層である活性層との間に絶縁層であるキャップ層を挿入した絶縁ゲート型(MIS型)の電界効果トランジスタが開示されている。   As a field effect transistor (FET) using diamond, for example, a p-type diamond thin film layer doped with boron is used as a channel layer. As such a field effect transistor, Japanese Patent Laid-Open No. 3-94429 (Patent Document 1) discloses a metal-semiconductor junction type in which a gate electrode and a source electrode for forming a Schottky junction and an ohmic junction are formed on a channel layer. A (MES type) field effect transistor is disclosed. Japanese Patent Laid-Open No. 1-158774 (Patent Document 2) discloses a MIS field effect transistor having a two-dimensional spatial distribution using pulse doping. Japanese Patent Laid-Open No. 8-88236 (Patent Document 3) discloses an insulated gate (MIS type) field effect transistor in which a cap layer as an insulating layer is inserted between a gate electrode and an active layer as an operating layer. Is disclosed.

また、不純物導入によるキャリアではなく、表面に形成される水素終端表面のp型電気伝導層の高いキャリア密度とp型電気伝導層の低い表面準位密度とを用いたエンハンスまたはデプレッション型のFETがある。たとえば特開平8−88235号公報(特許文献4)には、エンハンスモードで動作する水素終端ホモエピタキシャルダイヤモンドを用いたFETが開示されている。また特開2003−188191号公報(特許文献5)には、水素終端ダイヤモンドデプレッション型MESFETが開示されている。   In addition, an enhanced or depletion type FET using a high carrier density of the p-type conductive layer on the hydrogen termination surface formed on the surface and a low surface state density of the p-type conductive layer, instead of carriers due to impurity introduction, is provided. is there. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 8-88235 (Patent Document 4) discloses an FET using hydrogen-terminated homoepitaxial diamond that operates in an enhanced mode. Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-188191 (Patent Document 5) discloses a hydrogen-terminated diamond depletion type MESFET.

上記特許文献1〜5に開示のダイヤモンド電子デバイスは、通常ダイヤモンド単結晶基板の上にエピタキシャル成長、電極形成、酸化膜形成、エッチング等のプロセスを経て作製される。しかしながら、上記特許文献1〜5に開示のダイヤモンドを用いた電子デバイスでは、デバイスを作製する際に用いるダイヤモンド基板の表面の研磨不良による傷や凹凸等の影響を受けやすく、個々のダイヤモンド基板に依存してしまう。そのため、ダイヤモンドを用いた電子デバイスの特性に大きな差が出るという問題があった。特性に大きな差が出ると歩留まりが悪くなり、実用化は困難であるという問題がある。   The diamond electronic devices disclosed in Patent Documents 1 to 5 are usually produced on a diamond single crystal substrate through processes such as epitaxial growth, electrode formation, oxide film formation, and etching. However, the electronic devices using diamond disclosed in Patent Documents 1 to 5 are easily affected by scratches and unevenness due to poor polishing of the surface of the diamond substrate used when manufacturing the device, and depend on the individual diamond substrate. Resulting in. Therefore, there has been a problem that a large difference appears in the characteristics of the electronic device using diamond. If there is a large difference in characteristics, the yield will deteriorate and there will be a problem that it will be difficult to put to practical use.

また、特開平5−24989号公報(特許文献6)には、平坦な表面形状を有するダイヤモンドをエピタキシャル成長させる気相合成法を提供することを目的としたダイヤモンドの合成方法が開示されている。しかしながら、特許文献6に開示のダイヤモンド合成方法では、結晶性および表面平滑性に優れた単結晶ダイヤモンドを合成することができるが、当該ダイヤモンドを用いた電子デバイスへの応用については開示がされていない。そのため、実用化は困難であるという問題がある。
特開平3−94429号公報 特開平1−158774号公報 特開平8−88236号公報 特開平8−88235号公報 特開2003−188191号公報 特開平5−24989号公報
Japanese Laid-Open Patent Publication No. 5-24989 (Patent Document 6) discloses a diamond synthesis method for the purpose of providing a vapor phase synthesis method for epitaxially growing diamond having a flat surface shape. However, the diamond synthesis method disclosed in Patent Document 6 can synthesize single crystal diamond having excellent crystallinity and surface smoothness, but has not been disclosed for application to electronic devices using the diamond. . Therefore, there is a problem that practical application is difficult.
Japanese Patent Laid-Open No. 3-94429 Japanese Patent Laid-Open No. 1-158774 JP-A-8-88236 JP-A-8-88235 JP 2003-188191 A JP-A-5-24989

それゆえ本発明の目的は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、デバイス特性の歩留まりを向上して、実用化を可能とする半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することである。   SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device that can improve the device characteristic yield and can be put into practical use. That is.

本発明の半導体装置は、ダイヤモンド単結晶からなる半導体膜を備えている。半導体膜の表面は、{001}面内において、<110>方向から±15度の範囲内にある方向から、{001}面に対して2度以上10度以下傾斜していることを特徴としている。   The semiconductor device of the present invention includes a semiconductor film made of a diamond single crystal. The surface of the semiconductor film is characterized in that, in the {001} plane, the surface is inclined by 2 degrees or more and 10 degrees or less with respect to the {001} plane from a direction within a range of ± 15 degrees from the <110> direction. Yes.

本発明の半導体装置によれば、{001}面に対して2度以上10度以下傾斜しているため、半導体膜の表面は大きなステップが形成されるので原子レベルで平坦にできるとともに、ステップの間隔が短くなりすぎないので安定にできる。また、<110>方向から±15度の範囲内にある方向としているので、ステップが直線上に並びやすくなる。そのため、表面の凹凸により生じる散乱を減少できるので、キャリアの移動度が向上する。よって、デバイス特性の歩留まりを向上して、実用化を可能とする。   According to the semiconductor device of the present invention, since the surface of the semiconductor film is inclined at 2 degrees or more and 10 degrees or less with respect to the {001} plane, a large step is formed, so that it can be flattened at the atomic level. Since the interval does not become too short, it can be stabilized. In addition, since the direction is within ± 15 degrees from the <110> direction, the steps are easily arranged on a straight line. Therefore, scattering caused by surface irregularities can be reduced, and carrier mobility is improved. Therefore, it is possible to improve the device characteristic yield and put it to practical use.

上記半導体装置において好ましくは、半導体膜は、半導体膜のオフ方向と垂直な面内にチャネルを有していることを特徴としている。   In the semiconductor device, the semiconductor film preferably has a channel in a plane perpendicular to the off direction of the semiconductor film.

これにより、原子レベルで平坦な半導体膜の表面に形成されたステップに平行なチャネルを形成できる。そのため、絶縁膜を形成した場合の界面準位密度は、多数のステップを横切る方向にチャネルを形成した従来の半導体装置の界面準位密度よりも低減できる。よって、界面準位密度に制限されるチャネルのキャリアの移動度を向上できる。   As a result, a channel parallel to the step formed on the surface of the semiconductor film flat at the atomic level can be formed. Therefore, the interface state density when the insulating film is formed can be lower than the interface state density of the conventional semiconductor device in which the channel is formed in the direction across many steps. Therefore, carrier mobility of a channel limited by the interface state density can be improved.

上記半導体装置において好ましくは、半導体膜は、不純物をドーピングされたn型またはp型のエピタキシャル膜であることを特徴としている。これにより、キャリアがp型およびn型のいずれであっても、キャリアの移動度を向上できる。   In the semiconductor device, the semiconductor film is preferably an n-type or p-type epitaxial film doped with impurities. Thereby, the carrier mobility can be improved regardless of whether the carrier is p-type or n-type.

上記半導体装置において好ましくは、半導体膜は、アンドープダイヤモンドからなり、チャネルは、水素終端表面近傍に形成されることを特徴としている。   In the semiconductor device, preferably, the semiconductor film is made of undoped diamond, and the channel is formed in the vicinity of the hydrogen termination surface.

表面に形成される水素終端表面のp型電気伝導層を用いることによって、不純物をドーピングしない場合であってもp型のキャリアを有する半導体装置にできる。   By using the p-type conductive layer formed on the surface of the hydrogen-terminated surface, a semiconductor device having p-type carriers can be obtained even when impurities are not doped.

上記半導体装置において好ましくは、半導体膜の表面は、シングルドメインの2×1構造が形成されていることを特徴としている。   In the semiconductor device, preferably, the surface of the semiconductor film has a single domain 2 × 1 structure.

これにより、ステップの形状が直線的となるためキャリアの散乱が起こりにくくなる。
上記半導体装置において好ましくは、半導体膜の表面は、10原子層以上のマクロなステップが形成されていることを特徴としている。
Thereby, since the step shape is linear, carrier scattering hardly occurs.
In the semiconductor device, preferably, the surface of the semiconductor film is formed with a macro step of 10 atomic layers or more.

これにより、半導体膜の表面をより平坦にできる。そのため、キャリアの移動度をより向上できる。   Thereby, the surface of the semiconductor film can be made flatter. Therefore, carrier mobility can be further improved.

本発明の半導体装置の製造方法は、上記半導体装置の製造方法であって、ダイヤモンド単結晶からなる基板を準備する工程と、基板上に窒素原子を含むガスを供給して半導体膜をホモエピタキシャル気相成長させる工程とを備えている。   A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: preparing a substrate made of a diamond single crystal; and supplying a gas containing nitrogen atoms on the substrate to form a semiconductor film in a homoepitaxial atmosphere. And a phase growth step.

本発明の半導体装置の製造方法によれば、表面に大きなステップが形成されて原子レベルで平坦な半導体膜を備える半導体装置を製造できる。そのため、表面の凹凸により生じる散乱を減少してキャリアの移動度を向上する。よって、デバイス特性の歩留まりを向上して、実用化を可能とする半導体装置を製造できる。   According to the semiconductor device manufacturing method of the present invention, it is possible to manufacture a semiconductor device having a large step on the surface and including a semiconductor film flat at an atomic level. Therefore, scattering caused by surface irregularities is reduced and carrier mobility is improved. Therefore, it is possible to manufacture a semiconductor device that can improve the device characteristic yield and can be put to practical use.

上記半導体装置の製造方法において好ましくは、ホモエピタキシャル成長させる工程により得られた半導体膜に、半導体膜のオフ方向と垂直の方向にチャネルを形成する工程をさらに備えている。   Preferably, the semiconductor device manufacturing method further includes a step of forming a channel in a direction perpendicular to the off direction of the semiconductor film in the semiconductor film obtained by the homoepitaxial growth step.

これにより、原子レベルで平坦な半導体膜の表面に形成されたステップに平行なチャネルを形成できる。そのため、絶縁膜を形成した場合の界面準位密度は、多数のステップを横切る方向にチャネルを形成した従来の半導体装置の界面準位密度よりも低減できる。よって、界面準位密度に制限されるチャネルのキャリアの移動度を向上できる半導体装置を製造できる。   As a result, a channel parallel to the step formed on the surface of the semiconductor film flat at the atomic level can be formed. Therefore, the interface state density when the insulating film is formed can be lower than the interface state density of the conventional semiconductor device in which the channel is formed in the direction across many steps. Therefore, a semiconductor device that can improve carrier mobility of a channel limited by the interface state density can be manufactured.

本発明の半導体装置によれば、デバイス特性の歩留まりを向上して、実用化を可能にできる。   According to the semiconductor device of the present invention, it is possible to improve the device characteristic yield and to put it to practical use.

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。また、本明細書中においては、個別方位を[]、集合方位を<>、個別面を()、集合面を{}でそれぞれ示している。また、負の指数については、結晶学上、”−”(バー)を数字の上に付けることになっているが、本明細書中では、数字の前に負の符号を付けている。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated. In the present specification, the individual orientation is indicated by [], the collective orientation is indicated by <>, the individual plane is indicated by (), and the collective plane is indicated by {}. As for the negative index, “−” (bar) is attached on the number in crystallography, but in this specification, a negative sign is attached before the number.

図1は、本発明の実施の形態における半導体装置を示す概略上面図である。図2は、図1における線分II−IIに沿う概略断面図である。図3は、本発明の実施の形態における半導体装置の活性層の表面の結晶方位を示す模式図である。図4は、本発明の実施の形態における半導体装置の活性層の表面の結晶方位を説明するための図である。図1〜図4を参照して、本発明の実施の形態における半導体装置を説明する。図1および図2に示すように、実施の形態における半導体装置(FET10)は、ダイヤモンド単結晶からなる半導体膜(活性層13)を備え、半導体膜(活性層13)の表面13aは、{001}面内において、<110>方向から±15度の範囲内にある方向から、{001}面に対して2度以上10度以下傾斜している。   FIG. 1 is a schematic top view showing a semiconductor device in an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along line II-II in FIG. FIG. 3 is a schematic diagram showing the crystal orientation of the surface of the active layer of the semiconductor device in the embodiment of the present invention. FIG. 4 is a diagram for explaining the crystal orientation of the surface of the active layer of the semiconductor device in the embodiment of the present invention. A semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIGS. 1 and 2, the semiconductor device (FET 10) in the embodiment includes a semiconductor film (active layer 13) made of a diamond single crystal, and the surface 13a of the semiconductor film (active layer 13) is {001 } In the plane, it is inclined at 2 degrees or more and 10 degrees or less with respect to the {001} plane from the direction within ± 15 degrees from the <110> direction.

詳細には、図2に示すように、FET10は、基板11と、バッファ層12と、活性層13と、キャップ層14と、ゲート電極15と、ソース電極16と、ドレイン電極17とを備えている。   Specifically, as shown in FIG. 2, the FET 10 includes a substrate 11, a buffer layer 12, an active layer 13, a cap layer 14, a gate electrode 15, a source electrode 16, and a drain electrode 17. Yes.

基板11は、ダイヤモンドの単結晶からなる。バッファ層12は、基板11上に形成され、ダイヤモンドの単結晶からなる。活性層13は、バッファ層12上に形成され、たとえばp型のダイヤモンドからなる。キャップ層14は、活性層13上に形成され、アンドープのダイヤモンドからなる。   The substrate 11 is made of a single crystal of diamond. The buffer layer 12 is formed on the substrate 11 and is made of a single crystal of diamond. The active layer 13 is formed on the buffer layer 12 and is made of, for example, p-type diamond. The cap layer 14 is formed on the active layer 13 and is made of undoped diamond.

なお、活性層13は、p型に限られず、n型であってもよいし、不純物を導入しないアンドープダイヤモンドであって表面13aに形成される水素終端表面のp型電気伝導層を用いてもよい。p型の半導体を形成させるドーパントとしては、たとえば硼素(B)が挙げられる。n型のドーパントとしては、たとえば燐(P)や硫黄(S)が挙げられる。   The active layer 13 is not limited to the p-type, and may be an n-type, or may be an undoped diamond that does not introduce impurities and may be a p-type electrically conductive layer with a hydrogen termination surface formed on the surface 13a. Good. An example of a dopant for forming a p-type semiconductor is boron (B). Examples of the n-type dopant include phosphorus (P) and sulfur (S).

ゲート電極15は、キャップ層14上に形成され、たとえばアルミニウム(Al)からなる。ソース電極16およびドレイン電極17は、キャップ層14上にゲート電極を挟んで形成され、たとえばチタン(Ti)からなる。   The gate electrode 15 is formed on the cap layer 14 and is made of, for example, aluminum (Al). The source electrode 16 and the drain electrode 17 are formed on the cap layer 14 with the gate electrode interposed therebetween, and are made of, for example, titanium (Ti).

活性層13におけるソース電極16とドレイン電極17に挟まれた領域は、FET10のチャネル18となる。   A region sandwiched between the source electrode 16 and the drain electrode 17 in the active layer 13 becomes a channel 18 of the FET 10.

次に、FET10の活性層13の表面13aについて説明する。図3に示すように、実施の形態における表面13aは、(001)面内において、[110]方向から±15度の範囲内にある方向から、{001}面に対して2度以上10度以下傾斜している。   Next, the surface 13a of the active layer 13 of the FET 10 will be described. As shown in FIG. 3, the surface 13a in the embodiment is 2 degrees or more and 10 degrees with respect to the {001} plane from the direction within ± 15 degrees from the [110] direction in the (001) plane. Inclined below.

表面13aは、図4(A)に示すように、(001)面に対して2度以上10度以下、好ましくは3度以上7度以下、より好ましくは3.5度以上5度以下傾斜している。通常のダイヤモンド表面は完全に平坦ではなく、多少のうねりをもった表面であるため、傾斜角度が2度よりも小さいと、傾斜のない表面と同様の表面となる。3度以上とすることによって、凹凸のある表面であっても、再現性よく一方向のステップからなる表面が得られるため、電子の移動度を向上できる。3.5度以上とすることによって、ステップがより多くなり、基板全面わたって確実な一方向のステップからなる表面を形成できる。一方、傾斜角度が10度よりも大きいと、ステップの間隔が短くなりすぎて、他の結晶面が現れ、表面形状が不安定になってしまう。7度以下とすることによって、ステップの間隔が短くなりすぎないので、他の結晶面が現れず、表面形状が安定する。5度以下とすることによって、表面形状がより安定する。   As shown in FIG. 4A, the surface 13a is inclined at 2 degrees or more and 10 degrees or less, preferably 3 degrees or more and 7 degrees or less, more preferably 3.5 degrees or more and 5 degrees or less with respect to the (001) plane. ing. Since a normal diamond surface is not completely flat and has a surface with some undulations, when the inclination angle is smaller than 2 degrees, the surface is similar to the surface without inclination. By setting it to 3 degrees or more, even if the surface is uneven, a surface composed of steps in one direction can be obtained with high reproducibility, so that the electron mobility can be improved. By setting the angle to 3.5 degrees or more, the number of steps is increased, and a surface composed of a reliable step in one direction can be formed over the entire surface of the substrate. On the other hand, if the tilt angle is larger than 10 degrees, the step interval becomes too short, and other crystal planes appear and the surface shape becomes unstable. By setting it to 7 degrees or less, the step interval does not become too short, so that other crystal planes do not appear and the surface shape is stabilized. By setting it to 5 degrees or less, the surface shape becomes more stable.

実施の形態では、(001)面に対して2度以上10度以下傾斜しているが、{001}面に対して2度以上10度以下傾斜していれば特に限定されない。表面13aは、良好なエピタキシャル成長の条件が知られている{001}面から傾斜している。なお、{001}面とは、(001)面、(010)面、(100)面、(00−1)面、(0−10)面および(−100)面を意味する。   In the embodiment, the inclination is not less than 2 degrees and not more than 10 degrees with respect to the (001) plane, but is not particularly limited as long as the inclination is not less than 2 degrees and not more than 10 degrees with respect to the {001} plane. The surface 13a is inclined from the {001} plane where conditions for good epitaxial growth are known. The {001} plane means (001) plane, (010) plane, (100) plane, (00-1) plane, (0-10) plane, and (-100) plane.

また、実施の形態における表面13aは、図4(B)に示すように、[110]方向から±15度の範囲内にある方向であり、好ましくは、±7度の範囲内の方向であり、より好ましくは±3度の範囲内の方向である。[110]方向に傾斜させることによって、ダイヤモンドの{001}面上のステップは、<110>方向と<−1−10>方向に平行に伸びているため、ステプを直線状に並べることができる。表面13aが[110]方向から±15度の範囲を超える方向とすると、ステップがギザギザした形状となり、半導体装置を形成するとキャリアがステップエッジでの散乱を強く受けてしまい、キャリアの移動度が悪化してしまう。±7度の範囲内の方向とすることによって、ステップの形状が滑らかになり、素子を形成する際にキャリアがステップエッジでの散乱を受けにくくなり、キャリアの移動度を向上できる。±3度の範囲内の方向とすることによって、キャリアの移動度をより向上できる。   Further, as shown in FIG. 4B, the surface 13a in the embodiment is a direction within a range of ± 15 degrees from the [110] direction, and preferably a direction within a range of ± 7 degrees. More preferably, the direction is within a range of ± 3 degrees. By inclining in the [110] direction, the steps on the {001} plane of the diamond extend in parallel to the <110> direction and the <-1-10> direction, so that the steps can be arranged linearly. . If the surface 13a is in a direction exceeding the range of ± 15 degrees from the [110] direction, the step has a jagged shape, and when a semiconductor device is formed, the carriers are strongly scattered at the step edge, and the carrier mobility deteriorates. Resulting in. By setting the direction within a range of ± 7 degrees, the shape of the step becomes smooth, carriers are less likely to be scattered at the step edge when forming an element, and the mobility of the carrier can be improved. By setting the direction within a range of ± 3 degrees, carrier mobility can be further improved.

なお、実施の形態では、[110]方向から±15度の範囲内にある方向としているが、<110>方向から±15度の範囲内にある方向であれば特に限定されない。<110>方向とは、[110]方向、[1−10]方向、[−110]方向および[−1−10]方向を意味する。   In the embodiment, the direction is within a range of ± 15 degrees from the [110] direction, but is not particularly limited as long as the direction is within a range of ± 15 degrees from the <110> direction. The <110> direction means a [110] direction, a [1-10] direction, a [−110] direction, and a [−1-10] direction.

表面13aは、シングルドメインの2×1構造が形成されていることが好ましい。2×1構造であることは、低エネルギー電子回折(low-energy electron diffraction:LEED)や反射高速電子回折(reflection high-energy electron diffraction:RHEED)などの電子回折またはトンネル顕微鏡(Scanning Tunneling Microscopy:STM)などにより確認できる。通常、ダイヤモンド(001)表面は、CVD成長後、2×1と1×2の2つのドメインが形成されているが、一方のドメインだけからなるシングルドメインの表面とすることで、ステップ形状がジグザグではなく、直線的な形状となる。   The surface 13a preferably has a single domain 2 × 1 structure. The 2 × 1 structure means that electron diffraction such as low-energy electron diffraction (LEED) and reflection high-energy electron diffraction (RHEED) or a tunneling microscope (Scanning Tunneling Microscopy: STM). ) Etc. Usually, the diamond (001) surface has two domains of 2x1 and 1x2 formed after CVD growth. By making it a single domain surface consisting of only one domain, the step shape is zigzag. Instead, it has a linear shape.

また、表面13aは、10原子層以上、好ましくは50原子層以上1000原子層以下のマクロなステップが形成されていることが好ましい。通常、半導体膜である活性層13にオフがあると、オフ方位に向かって1〜数原子層のステップが見られるが、表面13aを上記方位にすることによって、階段状のステップが集合するステップバンチングにより10原子層以上数100原子層のマクロなステップを形成できる。10原子層以上とすることによって、表面13aにより広いテラスを形成でき、キャリアの移動度をより向上できる。50原子層以上とすることによって、表面13aをより一層平坦にできる。一方、1000原子層以下とすることによって、ステップ斜面から非単結晶成分の発生を抑制できる。   The surface 13a is preferably formed with a macro step of 10 atomic layers or more, preferably 50 atomic layers or more and 1000 atomic layers or less. Normally, when the active layer 13 which is a semiconductor film is turned off, steps of one to several atomic layers can be seen toward the off direction. However, when the surface 13a is set to the above direction, stepped steps are gathered. Macro steps of 10 to several hundred atomic layers can be formed by bunching. By using 10 atomic layers or more, a wider terrace can be formed on the surface 13a, and carrier mobility can be further improved. By using 50 atomic layers or more, the surface 13a can be made even more flat. On the other hand, by setting it to 1000 atomic layers or less, generation | occurrence | production of a non-single crystal component can be suppressed from a step slope.

次に、FET10の動作について説明する。FETは、ゲート電極15に印加される電圧によってチャネル18に電子を蓄積し、これによってソース電極16とドレイン電極17との間に電流が流れるようになる。このとき、チャネル18は、表面13aのステップ間の平坦な部分となる。そのため、キャリアはステップを横切ることがないので、ステップによる界面準位密度の高い領域および散乱の多い領域を通過しない。よって、キャリアの移動度が制限されず、チャネル18全体の抵抗も増加しない。   Next, the operation of the FET 10 will be described. The FET accumulates electrons in the channel 18 by the voltage applied to the gate electrode 15, whereby a current flows between the source electrode 16 and the drain electrode 17. At this time, the channel 18 becomes a flat portion between steps of the surface 13a. Therefore, carriers do not cross the step, and thus do not pass through a region where the interface state density is high due to the step and a region where scattering is high. Therefore, the carrier mobility is not limited, and the resistance of the entire channel 18 does not increase.

実施の形態では、ソース電極16およびドレイン電極17の間の電流は、活性層13のオフ方向と垂直な面内に有しているチャネル18を流れる。そのため、オフ方向と垂直な方向に形成されるステップの延びる方向は、キャリアの移動方向と平行となる。そのため、キャリアの移動度がより高くなる。   In the embodiment, the current between the source electrode 16 and the drain electrode 17 flows through a channel 18 that is in a plane perpendicular to the off direction of the active layer 13. Therefore, the extending direction of the step formed in the direction perpendicular to the off direction is parallel to the carrier moving direction. As a result, the carrier mobility is higher.

次に、実施の形態におけるFET10の製造方法について説明する。まず、ダイヤモンド単結晶からなる基板11を準備する工程を実施する。   Next, a method for manufacturing the FET 10 in the embodiment will be described. First, a step of preparing a substrate 11 made of a diamond single crystal is performed.

この工程では、基板11の表面を、{001}面内において、<110>方向から±15度の範囲内にある方向から、{001}面に対して2度以上10度以下傾斜するように研磨する。   In this step, the surface of the substrate 11 is inclined 2 degrees or more and 10 degrees or less with respect to the {001} plane from the direction within ± 15 degrees from the <110> direction in the {001} plane. Grind.

次に、基板11上にエピタキシャル成長させる工程を実施する。この工程では、たとえばプラズマCVD(chemical vapor deposition)装置に、メタン(CH4)および水素(H2)を供給して行なう。これにより、高抵抗ダイヤモンドからなるバッファ層12を形成する。また、バッファ層12の表面は、{001}面内において、<110>方向から±15度の範囲内にある方向から、{001}面に対して2度以上10度以下傾斜している。 Next, a process of epitaxial growth on the substrate 11 is performed. In this step, for example, methane (CH 4 ) and hydrogen (H 2 ) are supplied to a plasma CVD (chemical vapor deposition) apparatus. Thereby, the buffer layer 12 made of high resistance diamond is formed. Further, the surface of the buffer layer 12 is inclined at 2 degrees or more and 10 degrees or less with respect to the {001} plane from the direction within ± 15 degrees from the <110> direction in the {001} plane.

次に、バッファ層12上に硼素原子を含むガスを供給してホモエピタキシャルさせる工程を実施する。この工程では、たとえばプラズマCVD装置に、メタン、水素およびジボラン(B)を供給して行なう。これにより、活性層13を形成する。活性層13の表面13aは、{001}面内において、<110>方向から±15度の範囲内にある方向から、{001}面に対して2度以上10度以下傾斜している。なお、硼素は、ドーパントとして用いるためにプラズマCVD装置に供給されている。そのため、活性層13は、p型となる。 Next, a step of supplying a gas containing boron atoms onto the buffer layer 12 to make it homoepitaxial is performed. In this step, for example, methane, hydrogen, and diborane (B 2 H 6 ) are supplied to a plasma CVD apparatus. Thereby, the active layer 13 is formed. The surface 13a of the active layer 13 is inclined at 2 degrees or more and 10 degrees or less with respect to the {001} plane from the direction within ± 15 degrees from the <110> direction in the {001} plane. Note that boron is supplied to a plasma CVD apparatus for use as a dopant. Therefore, the active layer 13 is p-type.

そして、ホモエピタキシャル成長させる工程により得られた半導体膜である活性層13に、活性層13の表面13aのオフ方向と垂直の方向にチャネル18を形成する工程を実施する。   Then, a step of forming a channel 18 in the direction perpendicular to the off direction of the surface 13a of the active layer 13 is performed in the active layer 13 which is a semiconductor film obtained by the homoepitaxial growth step.

次に、活性層13上にホモエピタキシャル成長させる工程を実施する。この工程では、たとえばプラズマCVD装置に、メタンおよび水素を供給して行なう。これにより、高抵抗ダイヤモンドからなるキャップ層14を形成する。   Next, a step of homoepitaxial growth on the active layer 13 is performed. In this step, for example, methane and hydrogen are supplied to a plasma CVD apparatus. Thereby, the cap layer 14 made of high resistance diamond is formed.

次に、バッファ層12、活性層13およびキャップ層14を順次積層した基板11を所定の大きさのチップとして分割する工程を実施する。具体的には、バッファ層12、活性層13およびキャップ層14を順次積層した基板11をプラズマCVD装置の内部から取り出して、通常のフォトリソグラフィーに基づいてバッファ層12上に所定のパターンのエッチングマスク層を形成する。このように加工された基板11をRIE(Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング)装置内に移動させる。そして、内部にアルゴン(Ar)などのエッチングガスを導入してエッチングを行なう。なお、この工程は省略されてもよい。   Next, a step of dividing the substrate 11 on which the buffer layer 12, the active layer 13, and the cap layer 14 are sequentially laminated into chips of a predetermined size is performed. Specifically, the substrate 11 on which the buffer layer 12, the active layer 13, and the cap layer 14 are sequentially stacked is taken out from the inside of the plasma CVD apparatus, and an etching mask having a predetermined pattern is formed on the buffer layer 12 based on normal photolithography. Form a layer. The substrate 11 processed in this way is moved into an RIE (Reactive Ion Etching) apparatus. Etching is performed by introducing an etching gas such as argon (Ar) into the interior. Note that this step may be omitted.

次に、キャップ層14上にゲート電極15を形成する工程を実施する。具体的には、RIE装置から取り出して、エッチングマスク層を除去する。このように加工されたチップを通常の電子ビーム蒸着装置内に移動させる。そして、高真空状態で蒸着物質に電子ビームを照射して加熱する。これにより、キャップ層14上に蒸発したAlなどの蒸着物質を付着させてゲート電極15を形成する。そして、このチップを電子ビーム蒸着装置から取り出して、通常のフォトリソグラフィーに基づいてゲート電極15上に所定のパターンのセミコクリンなどからなるエッチングマスク層を形成する。そして、通常のウエットエッチングに基づいてゲート電極15を所定のパターンに成形する。   Next, a step of forming the gate electrode 15 on the cap layer 14 is performed. Specifically, the etching mask layer is removed from the RIE apparatus. The chip thus processed is moved into a normal electron beam evaporation apparatus. Then, the evaporation material is irradiated with an electron beam and heated in a high vacuum state. As a result, a vapor deposition material such as evaporated Al is deposited on the cap layer 14 to form the gate electrode 15. Then, the chip is taken out from the electron beam evaporation apparatus, and an etching mask layer made of semicocrine or the like having a predetermined pattern is formed on the gate electrode 15 based on normal photolithography. Then, the gate electrode 15 is formed into a predetermined pattern based on normal wet etching.

次に、ソース電極16およびドレイン電極17を形成する工程を実施する。具体的には、上記チップからエッチングマスク層を除去して、通常の抵抗加熱蒸着装置内に移動させる。そして、高真空状態にしてヒータの稼動に基づいて蒸着物質を加熱する。これにより、キャップ層14上に蒸着したTiなどの蒸着物質を付着させて、ソース電極16およびドレイン電極17を形成する。このチップを抵抗過熱蒸着装置から取り出した後に、通常のフォトリソグラフィーに基づいてソース電極16およびドレイン電極17を上に所定パターンのバッファードフッ酸などからなるエッチングマスク層を形成し、通常のウエットエッチングに基づいてソース電極16およびドレイン電極17を所定パターンに成形する。そして、エッチングマスク層を除去する。   Next, a step of forming the source electrode 16 and the drain electrode 17 is performed. Specifically, the etching mask layer is removed from the chip and moved into a normal resistance heating vapor deposition apparatus. Then, the vapor deposition material is heated based on the operation of the heater in a high vacuum state. Thereby, a deposition material such as Ti deposited on the cap layer 14 is attached to form the source electrode 16 and the drain electrode 17. After this chip is taken out from the resistance overheating vapor deposition apparatus, an etching mask layer made of buffered hydrofluoric acid or the like having a predetermined pattern is formed on the source electrode 16 and the drain electrode 17 on the basis of ordinary photolithography, and ordinary wet etching is performed. Then, the source electrode 16 and the drain electrode 17 are formed into a predetermined pattern. Then, the etching mask layer is removed.

以上の工程を実施することにより、本発明の実施の形態におけるFET10を製造することができる。なお、実施の形態では、半導体膜を活性層13としたが、特にこれに限定されない。また、半導体装置としてFETを例にして説明したが、FETに特に限定されない。   By performing the above steps, the FET 10 in the embodiment of the present invention can be manufactured. In the embodiment, the semiconductor film is the active layer 13, but the present invention is not limited to this. Further, although the FET has been described as an example of the semiconductor device, it is not particularly limited to the FET.

以上説明したように、本発明の実施の形態における半導体装置によれば、ダイヤモンド単結晶からなる半導体膜(活性層13)を備え、活性層13の表面13aは、{001}面内において、<110>方向から±15度の範囲内にある方向から、{001}面に対して2度以上10度以下傾斜していることを特徴としている。ダイヤモンド単結晶からなるため、表面13aは、結晶性に優れたダイヤモンドからなる。また、結晶方位を特定することにより、表面13aは大きなステップが形成され、原子レベルで平坦にできる。そのため、表面13aにおいて凹凸により生じる散乱を減少できるので、キャリアの移動度が向上する。よって、デバイス特性の歩留まりを向上して、実用化を可能とする。   As described above, according to the semiconductor device in the embodiment of the present invention, the semiconductor film (active layer 13) made of diamond single crystal is provided, and the surface 13a of the active layer 13 is < It is characterized in that it is inclined at 2 degrees or more and 10 degrees or less with respect to the {001} plane from a direction within a range of ± 15 degrees from the 110> direction. Since it consists of a diamond single crystal, the surface 13a consists of diamond excellent in crystallinity. Further, by specifying the crystal orientation, a large step is formed on the surface 13a and it can be made flat at the atomic level. Therefore, scattering caused by unevenness on the surface 13a can be reduced, so that carrier mobility is improved. Therefore, it is possible to improve the device characteristic yield and put it to practical use.

上記FET10において好ましくは、活性層13は、活性層13のオフ方向と垂直な面内にチャネル18を有していることを特徴としている。これにより、原子レベルで平坦な活性層13の表面13aに形成されたステップに平行なチャネル18を形成できる。そのため、絶縁膜を形成した場合の界面準位密度は、多数のステップを横切る方向にチャネルを形成した従来の半導体装置の界面準位密度によりも低減できる。よって、界面準位密度に制限されるチャネル18のキャリアの移動度を向上できる。   In the FET 10, the active layer 13 preferably has a channel 18 in a plane perpendicular to the off direction of the active layer 13. Thereby, the channel 18 parallel to the step formed on the surface 13a of the active layer 13 flat at the atomic level can be formed. Therefore, the interface state density when the insulating film is formed can also be reduced by the interface state density of the conventional semiconductor device in which the channel is formed in the direction crossing many steps. Therefore, the carrier mobility of the channel 18 limited by the interface state density can be improved.

上記FET10において好ましくは、活性層13は、不純物をドーピングされたn型またはp型のエピタキシャル膜であることを特徴としている。これにより、キャリアがp型およびn型のいずれであっても、キャリアの移動度を向上できる。   In the FET 10, the active layer 13 is preferably an n-type or p-type epitaxial film doped with impurities. Thereby, the carrier mobility can be improved regardless of whether the carrier is p-type or n-type.

上記FET10において好ましくは、活性層13は、アンドープダイヤモンドからなり、チャネル18は、水素終端表面近傍に形成されることを特徴としている。表面13aに形成される水素終端表面のp型電気伝導層を用いることによって、不純物をドーピングしない場合であってもp型のキャリアを有する半導体装置にできる。   In the FET 10, the active layer 13 is preferably made of undoped diamond, and the channel 18 is formed in the vicinity of the hydrogen termination surface. By using the p-type conductive layer on the hydrogen-terminated surface formed on the surface 13a, a semiconductor device having p-type carriers can be obtained even when impurities are not doped.

上記FET10において好ましくは、活性層13の表面13aは、シングルドメインの2×1構造が形成されていることを特徴としている。これにより、表面の形状がより直線状となる。   In the FET 10, the surface 13a of the active layer 13 is preferably formed with a single domain 2 × 1 structure. Thereby, the shape of the surface becomes more linear.

上記FET10において好ましくは、活性層13の表面13aは、10原子層以上のマクロなステップが形成されていることを特徴としている。これにより、活性層13の表面13aをより平坦にできる。そのため、キャリアの移動度をより向上できる。   In the FET 10, the surface 13a of the active layer 13 is preferably characterized in that a macro step of 10 atomic layers or more is formed. Thereby, the surface 13a of the active layer 13 can be made flatter. Therefore, carrier mobility can be further improved.

本発明のFET10の製造方法は、ダイヤモンド単結晶からなる基板11を準備する工程と、基板11上に窒素原子を含むガスを供給してホモエピタキシャル成長させる工程とを備えている。これにより、ホモエピタキシャル成長させる工程後の半導体膜である活性層13の表面13aを、{001}面内において、<110>方向から±15度の範囲内にある方向から、{001}面に対して2度以上10度以下傾斜させることができる。そのため、表面13aに大きなステップが形成されて原子レベルで平坦な活性層13を備えるFET10を製造できるので、表面13aの凹凸により生じる散乱を減少してキャリアの移動度を向上する。よって、デバイス特性の歩留まりを向上して、実用化を可能とするFET10を製造できる。   The method for manufacturing the FET 10 of the present invention includes a step of preparing a substrate 11 made of a diamond single crystal, and a step of homoepitaxial growth by supplying a gas containing nitrogen atoms on the substrate 11. As a result, the surface 13a of the active layer 13 which is the semiconductor film after the homoepitaxial growth process is directed to the {001} plane from the direction within ± 15 degrees from the <110> direction in the {001} plane. 2 degrees or more and 10 degrees or less. As a result, a large step is formed on the surface 13a and the FET 10 including the active layer 13 flat at the atomic level can be manufactured. Therefore, scattering caused by the unevenness of the surface 13a is reduced, and carrier mobility is improved. Therefore, it is possible to manufacture the FET 10 that improves the device characteristic yield and enables practical use.

上記FET10の製造方法において好ましくは、ホモエピタキシャル成長させる工程により得られた活性層13に、活性層13のオフ方向と垂直の方向にチャネル18を形成する工程をさらに備えている。これにより、原子レベルで平坦な活性層13の表面13aに形成されたステップに平行なチャネル18を形成できる。そのため、絶縁膜を形成した場合の界面準位密度は、多数のステップを横切る方向にチャネルを形成した従来の半導体装置の界面準位密度よりも低減できる。よって、界面準位密度に制限されるチャネル18のキャリアの移動度を向上できるFET10を製造できる。   Preferably, the method for manufacturing the FET 10 further includes a step of forming a channel 18 in a direction perpendicular to the off direction of the active layer 13 in the active layer 13 obtained by the homoepitaxial growth step. Thereby, the channel 18 parallel to the step formed on the surface 13a of the active layer 13 flat at the atomic level can be formed. Therefore, the interface state density when the insulating film is formed can be lower than the interface state density of the conventional semiconductor device in which the channel is formed in the direction across many steps. Therefore, the FET 10 that can improve the carrier mobility of the channel 18 limited by the interface state density can be manufactured.

[実施例]
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
[Example]
EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these.

(実施例1)
実施例1の半導体装置(FET)は、実施の形態1における半導体装置の製造方法にしたがって製造した。具体的には、まず、高圧合成法により得られた4mm四方のダイヤモンド単結晶からなる基板を準備した。そして、基板の表面の法線方向が<001>方向から<110>方向に5度ずれた方位となるように研磨した。すなわち、{001}面内において、<110>方向から、{001}面に対して5度傾斜するように研磨した。そして、当該基板上に、0.2μmのバッファ層、0.04μmの活性層および0.05μmのキャップ層の順に、メタン−水素系のマイクロ波プラズマCVD法によりエピタキシャル成長を行なった。
(Example 1)
The semiconductor device (FET) of Example 1 was manufactured according to the manufacturing method of the semiconductor device in the first embodiment. Specifically, first, a substrate made of 4 mm square diamond single crystal obtained by a high pressure synthesis method was prepared. And it grind | polished so that the normal line direction of the surface of a board | substrate might become the azimuth | direction which shifted | deviated 5 degrees from the <001> direction to the <110> direction. That is, in the {001} plane, polishing was performed so as to be inclined by 5 degrees with respect to the {001} plane from the <110> direction. Then, epitaxial growth was performed on the substrate in the order of a 0.2 μm buffer layer, a 0.04 μm active layer, and a 0.05 μm cap layer by a methane-hydrogen microwave plasma CVD method.

なお、プラズマCVD法の条件は、圧力を40Torr、基板温度を880度、マイクロ波パワーを400Wとして行なった。また、バッファ層およびキャップ層の導入ガスは、3sccmのメタンおよび500sccmの水素とした。また、活性層の導入ガスは、3sccmのメタン、500sccmの水素および硼素(B)をドープするために10000ppmのB仕込量(導入ガス中のB原子数のC原子数に対しての比率)となるようなジボラン(B26)とした。 The conditions for the plasma CVD method were a pressure of 40 Torr, a substrate temperature of 880 degrees, and a microwave power of 400 W. The gas introduced into the buffer layer and the cap layer was 3 sccm of methane and 500 sccm of hydrogen. In addition, the introduced gas of the active layer is doped with 3 sccm of methane, 500 sccm of hydrogen and boron (B), and charged with 10,000 ppm of B (ratio of the number of B atoms in the introduced gas to the number of C atoms) Diborane (B 2 H 6 ) was used.

そして、成長後の活性層の表面をノルマルスキー型顕微鏡を用いて観察した。その結果、2次的な粒成長の密度は1個/mm2以下であり、平坦であることが確認できた。 Then, the surface of the active layer after growth was observed using a normalsky microscope. As a result, the density of secondary grain growth was 1 / mm 2 or less, and it was confirmed that the grain was flat.

また、当該表面をLEEDで観察したところ、シングルドメインの2×1構造が1方向に形成されていることが確認できた。なお、シングルドメインの2×1構造がLEEDで確認できることは、たとえばApplied Physics Letter.Appl.Phys.Lett.64,572(1994)などに示されている。   Further, when the surface was observed by LEED, it was confirmed that a single domain 2 × 1 structure was formed in one direction. The fact that the 2 × 1 structure of a single domain can be confirmed by LEED is shown, for example, in Applied Physics Letter. Appl. Phys. Lett. 64, 572 (1994).

また、当該表面を走査トンネル顕微鏡(STM)およびRHEED(反射高速電子線回折:Reflection High Energy Electron Diffraction)を用いて観察したところ、1つの方位に揃ったシングルドメインの2×1構造が確認できた。   Moreover, when the surface was observed using a scanning tunneling microscope (STM) and RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction), a single domain 2 × 1 structure aligned in one direction could be confirmed. .

また、当該表面は原子状水素を含む雰囲気で処理を経たので、当該表面は水素終端された表面であることが推定される。   Further, since the surface has been treated in an atmosphere containing atomic hydrogen, it is estimated that the surface is a hydrogen-terminated surface.

次に、得られた基板、バッファ層、活性層およびキャップ層が積層されたチップの上に、フォトリソグラフィーを用いて、ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を形成した。ゲート電極は、材質をアルミニウム、厚みを150nm、ゲート長を5μm、ゲート幅を40μmとした。ソース電極は、材質をチタン、厚みを120nmとした。ドレイン電極は、材質をチタン、厚みを100nmとした。また、チャネル方向を[100]として、FET素子を基板上に0.2mm間隔で正方格子状に100個形成した。そして、それぞれをフォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングを用いて、表面から0.35μmの溝を彫り込むことにより分割した。なお、エッチングの際の導入ガスは、アルゴンと酸素(O)とし、酸素のアルゴンに対する体積比は1%とした。   Next, a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode were formed on the chip on which the obtained substrate, buffer layer, active layer, and cap layer were stacked using photolithography. The gate electrode was made of aluminum, the thickness was 150 nm, the gate length was 5 μm, and the gate width was 40 μm. The source electrode was made of titanium and the thickness was 120 nm. The drain electrode was made of titanium and had a thickness of 100 nm. In addition, with the channel direction set to [100], 100 FET elements were formed in a square lattice pattern at intervals of 0.2 mm on the substrate. And each was divided | segmented by engraving a 0.35-micrometer groove | channel from the surface using photolithography and reactive ion etching. Note that the gas introduced during the etching was argon and oxygen (O), and the volume ratio of oxygen to argon was 1%.

(実施例2)
実施例2では、基本的には実施例1と同様にしてFETを製造したが、チャネル方向をオフに垂直な方向である[110]方向とした点においてのみ異なる。
(Example 2)
In the second embodiment, an FET is manufactured basically in the same manner as in the first embodiment, but the only difference is that the channel direction is the [110] direction, which is a direction perpendicular to off.

(比較例1)
比較例1では、基本的には実施例1と同様にしてFETを製造したが、基板の表面を(001)面から±0.5度以内とした点においてのみ異なる。具体的には、基板の表面を、{001}面内において、<110>方向から、{001}面に対して2度以上10度以下傾斜するように研磨した。そして、実施例1と同様にして基板上にバッファ層、活性層およびキャップ層を形成した。なお、活性層の表面は基板の表面と同方向の傾斜を有していた。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, an FET was manufactured basically in the same manner as in Example 1. However, the difference was only in that the surface of the substrate was within ± 0.5 degrees from the (001) plane. Specifically, the surface of the substrate was polished in the {001} plane so as to be inclined at 2 degrees or more and 10 degrees or less with respect to the {001} plane from the <110> direction. Then, a buffer layer, an active layer, and a cap layer were formed on the substrate in the same manner as in Example 1. Note that the surface of the active layer had an inclination in the same direction as the surface of the substrate.

(測定方法)
実施例1、2および比較例1のFETについて、ゲート電圧を−2V、ソース−ドレイン電圧を±50Vとしたときの整流比を100素子について測定した。
(Measuring method)
For the FETs of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, the rectification ratio was measured for 100 elements when the gate voltage was −2 V and the source-drain voltage was ± 50 V.

(測定結果)
100素子のうち、300倍以上の整流比が得られた素子数は、実施例1では92素子、実施例2では98素子、比較例1では59素子であった。そのため、実施例1,2は、比較例1と比較してデバイス特性の歩留まりを向上できることがわかった。
(Measurement result)
Of the 100 elements, the number of elements having a rectification ratio of 300 times or more was 92 elements in Example 1, 98 elements in Example 2, and 59 elements in Comparative Example 1. Therefore, it was found that Examples 1 and 2 can improve the device characteristic yield as compared with Comparative Example 1.

以上説明したように、実施例1によれば、半導体膜である活性層の表面は、{001}面内において、<110>方向から±15度の範囲内にある方向から、{001}面に対して2度以上10度以下傾斜しているため、デバイス特性の歩留まりを向上して、実用化を可能とする半導体装置となることが確認できた。   As described above, according to Example 1, the surface of the active layer, which is a semiconductor film, is in the {001} plane from the direction within ± 15 degrees from the <110> direction in the {001} plane. Therefore, it was confirmed that the semiconductor device can be put into practical use by improving the yield of device characteristics because it is tilted by 2 degrees or more and 10 degrees or less.

また、実施例2によれば、半導体膜である活性層のオフ方向と垂直な面内にチャネルを有しているため、デバイス特性の歩留まりを実施例1よりもさらに向上して、実用化を可能とする半導体装置となることが確認できた。   In addition, according to the second embodiment, since the channel is provided in the plane perpendicular to the off direction of the active layer that is a semiconductor film, the device characteristic yield is further improved compared to the first embodiment, and the practical use is improved. It was confirmed that the semiconductor device was made possible.

(実施例3)
実施例3では、まず、表面が{001}面内において、<110>方向から±2度の範囲内にある方向から、{001}面に対して3±1度傾斜しており、5mm×3mmの基板を準備した。そして、基板上に窒素を添加したガスを供給して、マイクロ波プラズマCVD法によりエピタキシャル成長を行なった。導入ガスを2.5sccmのメタン、500sccmの水素および2.5sccmの水素中に1%希釈した窒素、圧力を60Torr、基板の温度を870度で、30分間成膜を行なった。成膜した膜厚は0.5μmと推定される。
(Example 3)
In Example 3, first, the surface is inclined 3 ± 1 degree with respect to the {001} plane from the direction within the range of ± 2 degrees from the <110> direction in the {001} plane, and 5 mm × A 3 mm substrate was prepared. And the gas which added nitrogen was supplied on the board | substrate, and the epitaxial growth was performed by the microwave plasma CVD method. Film formation was performed for 30 minutes at an introduction gas of 2.5 sccm of methane, 500 sccm of hydrogen, nitrogen diluted 1% in 2.5 sccm of hydrogen, a pressure of 60 Torr, and a substrate temperature of 870 degrees. The film thickness formed is estimated to be 0.5 μm.

そして、当該表面を走査トンネル顕微鏡を用いて観察した。その結果、50nm〜100nmの間隔で、2〜3nmの高さのステップが平行に形成されていた。また、テラス領域は、原子レベルの平坦さであった。また、単原子ステップまたは2原子ステップなどのステップのほか、単原子層および2原子層のアイランドも多数あった。   And the said surface was observed using the scanning tunnel microscope. As a result, steps having a height of 2 to 3 nm were formed in parallel at intervals of 50 nm to 100 nm. Further, the terrace region was flat at the atomic level. In addition to steps such as monoatomic steps or diatomic steps, there were many islands of monoatomic layers and diatomic layers.

そして、当該表面上に、導入ガスを2.5sccmのメタンと500sccmの水素、圧力を60Torr、基板温度を870度で、30分間成膜を行なった。これにより、半導体膜を形成した。   Then, a film was formed on the surface for 30 minutes at 2.5 sccm of methane and 500 sccm of hydrogen, a pressure of 60 Torr, and a substrate temperature of 870 degrees. Thereby, a semiconductor film was formed.

そして、当該表面を走査トンネル顕微鏡を用いて観察した。その結果、マクロなステップははほぼ維持でき、テラス上の単原子層および2原子層のアイランドはほとんど観察できなかった。   And the said surface was observed using the scanning tunnel microscope. As a result, the macro step was almost maintained, and the monoatomic layer and diatomic islands on the terrace were hardly observed.

また、当該表面は原子状水素を含む雰囲気で処理を経たので、当該表面は水素終端された表面であることが推定される。   Further, since the surface has been treated in an atmosphere containing atomic hydrogen, it is estimated that the surface is a hydrogen-terminated surface.

そして、半導体膜の表面上にスパッタ法により酸化ケイ素膜を形成し、これをマスクとして、酸素プラズマ処理を行なった。なお、図1において、点線で示した内側は、酸素プラズマ処理中にマスクで覆っていたので、水素終端表面を維持した。その後に、酸化ケイ素膜をフッ酸(HF)処理により除去し、リソグラフィー技術を用いてソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を形成した。具体的には、ソース電極およびドレイン電極の材質を白金(Pt)とした。ゲート電極は、材質をニッケル(Ni)、ゲート長を5μm、ゲート幅を60μmとした。また、チャネル方向は、ステップに垂直と(半導体膜のオフ方向と垂直な面内にチャネルを有する)なるように、半導体膜に0.1μmの間隔で100個形成した。   Then, a silicon oxide film was formed on the surface of the semiconductor film by sputtering, and oxygen plasma treatment was performed using this as a mask. In FIG. 1, the inner side indicated by a dotted line was covered with a mask during the oxygen plasma treatment, so that the hydrogen-terminated surface was maintained. Thereafter, the silicon oxide film was removed by hydrofluoric acid (HF) treatment, and a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode were formed using a lithography technique. Specifically, the source electrode and drain electrode were made of platinum (Pt). The gate electrode was made of nickel (Ni), the gate length was 5 μm, and the gate width was 60 μm. In addition, 100 channels were formed in the semiconductor film at intervals of 0.1 μm so as to be perpendicular to the steps (having channels in a plane perpendicular to the off direction of the semiconductor film).

そして、100個全てについて、ゲート−ソース電圧を0Vおよび0.4Vとして、ドレイン−ソース間のVI特性(Vds−Ids)を測定した。その結果、100個全てについて、明確な飽和特性を有するデプレッション型の動作を確認できた。   For all 100, the gate-source voltage was set to 0 V and 0.4 V, and the drain-source VI characteristics (Vds-Ids) were measured. As a result, a depletion type operation having a clear saturation characteristic was confirmed for all 100 pieces.

以上説明したように、実施例3によれば、半導体膜の表面は、{001}面内において、<110>方向から±15度の範囲内にある方向から、{001}面に対して2度以上10度以下傾斜しているので、デバイス特性の歩留まりを向上して、実用化を可能とする半導体装置となることが確認できた。   As described above, according to the third embodiment, the surface of the semiconductor film is 2 with respect to the {001} plane from the direction within ± 15 degrees from the <110> direction in the {001} plane. Since the inclination is not less than 10 degrees and not more than 10 degrees, it has been confirmed that the yield of device characteristics is improved and the semiconductor device can be put into practical use.

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is shown not by the above-described embodiment but by the scope of claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.

本発明の実施の形態における半導体装置を示す概略上面図である。1 is a schematic top view showing a semiconductor device in an embodiment of the present invention. 図1における線分II−IIに沿う概略断面図である。It is a schematic sectional drawing in alignment with line segment II-II in FIG. 本発明の実施の形態における半導体装置の活性層の表面の結晶方位を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the crystal orientation of the surface of the active layer of the semiconductor device in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における半導体装置の活性層の表面の結晶方位を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the crystal orientation of the surface of the active layer of the semiconductor device in embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 FET、11 基板、12 バッファ層、13 活性層、13a 表面、14 キャップ層、15 ゲート電極、16 ソース電極、17 ドレイン電極、18 チャネル。   10 FET, 11 substrate, 12 buffer layer, 13 active layer, 13a surface, 14 cap layer, 15 gate electrode, 16 source electrode, 17 drain electrode, 18 channel.

Claims (8)

ダイヤモンド単結晶からなる半導体膜を備え、
前記半導体膜の表面は、{001}面内において、<110>方向から±15度の範囲内にある方向から、前記{001}面に対して2度以上10度以下傾斜していることを特徴とする、半導体装置。
It has a semiconductor film made of diamond single crystal,
The surface of the semiconductor film is inclined at 2 degrees or more and 10 degrees or less with respect to the {001} plane from a direction within ± 15 degrees from the <110> direction in the {001} plane. A semiconductor device is characterized.
前記半導体膜は、前記半導体膜のオフ方向と垂直な面内にチャネルを有していることを特徴とする、請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor film has a channel in a plane perpendicular to an off direction of the semiconductor film. 前記半導体膜は、不純物をドーピングされたn型またはp型のエピタキシャル膜であることを特徴とする、請求項1または2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor film is an n-type or p-type epitaxial film doped with impurities. 前記半導体膜は、アンドープダイヤモンドからなり、
前記チャネルは、水素終端表面近傍に形成されることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。
The semiconductor film is made of undoped diamond,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the channel is formed in the vicinity of a hydrogen termination surface.
前記半導体膜の表面は、シングルドメインの2×1構造が形成されていることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。   5. The semiconductor device according to claim 1, wherein a surface of the semiconductor film is formed with a single domain 2 × 1 structure. 6. 前記半導体膜の表面は、10原子層以上のマクロなステップが形成されていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the surface of the semiconductor film is formed with a macro step of 10 atomic layers or more. 請求項1〜6のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、
ダイヤモンド単結晶からなる基板を準備する工程と、
前記基板上に窒素原子を含むガスを供給して前記半導体膜をホモエピタキシャル気相成長させる工程とを備える、半導体装置の製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1,
Preparing a substrate made of a diamond single crystal;
Supplying a gas containing nitrogen atoms onto the substrate to homoepitaxially grow the semiconductor film.
前記半導体膜に、前記半導体膜のオフ方向と垂直の方向にチャネルを形成する工程をさらに備える、請求項7に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7, further comprising forming a channel in the semiconductor film in a direction perpendicular to an off direction of the semiconductor film.
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