JP2009200343A - ダイヤモンド電子素子 - Google Patents

Abstract

【課題】低抵抗値であり高剛性のダイヤモンド電子素子を提供する。
【解決手段】第１の表面Ｍ１と第１の表面Ｍ１の反対側にある第２の表面Ｍ２とを有し、第１の表面Ｍ１から第２の表面Ｍ２に貫通する一または複数のコンタクトホール１２の形成されたダイヤモンド基板２と、ダイヤモンド基板２の第１の表面Ｍ１上に設けられ、ダイヤモンドを含むｐ型のバルク層８またはバルク層２０と、バルク層８またはバルク層２０上に設けられ、ダイヤモンドを含むドリフト層１０と、ドリフト層１０上に設けられたショットキー電極１６と、コンタクトホール１２内に設けられ、バルク層８またはバルク層２０に接続されたオーミック電極１４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイヤモンド電子素子に関する。

非特許文献１には、オーミック電極の設けられたｐ型のバルクダイヤモンド層上に、ショットキー電極の設けられたドリフト層の形成されたダイヤモンド電子素子が開示されている。
S.J. Rashid, A. Tajani, L. Coulbeck, M.Brezeanu, A. Garraway, T. Butler, N.L. Rupesinghe, D.J. Twitchen, G.A.J.Amaratunga, F. Udrea, P. Taylor, M. Dixon and J. Isberg、"Modelling of single-crystal diamond Schottky diodes for high-voltage applications Diamondand Related Materials"、DIAMOND AND RELATED MATERIALS、Volume 15、Issues 2-3、February-March 2006、Pages 317-323

ダイヤモンドはＳｉ等の材料に比較して脆いので、このようなダイヤモンド電子素子の剛性を確保するには、例えばバルクダイヤモンド層等の厚みをある程度確保する必要がある。しかし、バルクダイヤモンド層を厚くすると、ダイヤモンド電子素子自体の抵抗値が高くなり、実用的なデバイスとしての提供が困難となる。そこで本発明の目的は、低抵抗値であり高剛性のダイヤモンド電子素子を提供することである。

本発明のダイヤモンド電子素子は、第１の表面と該第１の表面の反対側にある第２の表面とを有し、前記第１の表面から前記第２の表面に貫通する一または複数のコンタクトホールの形成されたダイヤモンド基板と、前記ダイヤモンド基板の前記第１の表面上に設けられ、ダイヤモンドを含む所定の導電型のバルク層と、前記バルク層上に設けられ、ダイヤモンドを含むドリフト層と、前記ドリフト層上に設けられたショットキー電極と、前記コンタクトホール内に設けられ、前記バルク層に接続されたオーミック電極とを備える、ことを特徴とする。本発明によれば、バルク層がダイヤモンド基板上に設けられているので、低抵抗値を実現するためにバルク層を薄化してもダイヤモンド電子素子の剛性を確保できる。

本発明では、前記バルク層は、不純物濃度の異なる複数のダイヤモンド層を含み、前記複数のダイヤモンド層は、前記ダイヤモンド基板上に順次設けられ、該ダイヤモンド基板に近いほど不純物濃度が低いのが好ましい。従って、バルク層における不純物添加による格子定数の伸長がダイヤモンド基板との距離に応じて異なるので、バルク層にかかる応力を緩和できる。よって、ダイヤモンド電子素子の変形や割れが回避可能となる。

本発明では、前記コンタクトホールは、前記ダイヤモンド基板を貫通すると共に、前記バルク層内であって前記複数のダイヤモンド層のなかで最も不純物濃度の高いダイヤモンド層に至り、前記オーミック電極は、前記最も不純物濃度の高いダイヤモンド層に接続しているのが好ましい。従って、オーミック電極とバルク層との接触抵抗が低減できる。

本発明では、前記コンタクトホール内に設けられた導電性部材を更に備えるのが好ましい。このように導電性部材をコンタクトホール内に設けることによって、コンタクトホールの形成により低下するダイヤモンド基板の剛性を補うことが可能となる。

本発明では、前記ショットキー電極は、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｐｔ、ＩｒおよびＡｕの少なくとも一種類の金属を含むのが好ましい。よって、高温でも安定したショットキー特性が実現できる。

本発明では、前記第２の表面に設けられた前記一または複数のコンタクトホールの全開口が該第２の表面に占める割合は、１０％以上５０％以下が好ましい。よって、ダイヤモンド基板に複数のコンタクトホールを設けた場合であっても、ダイヤモンド電子素子に十分な剛性が確保可能となる。

本発明によれば、低抵抗値であり高剛性のダイヤモンド電子素子が提供できる。

以下、図面を参照して、本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、可能な場合には、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図１は、実施形態に係るダイヤモンド電子素子１の断面構造を示す図である。ダイヤモンド電子素子１は、ダイヤモンド基板２、バルク層８、ドリフト層１０、オーミック電極１４およびショットキー電極１６を備えるショットキーダイオードである。

ダイヤモンド基板２は、第１の表面Ｍ１と、第１の表面Ｍ１の反対側にある第２の表面Ｍ２とを有し、第１の表面Ｍ１から第２の表面Ｍ２に貫通する一または複数のコンタクトホール１２が形成されている。ダイヤモンド基板２は、例えば、高温高圧の環境下で合成されたＩｂタイプのダイヤモンドや、気相合成されたダイヤモンド等の単結晶ダイヤモンドから成る。第１の表面Ｍ１は、（１００）となっているが、（１１１）、（１１０）または（１１３）等であってもよい。ダイヤモンド基板２の厚み（第１の表面Ｍ１と第２の表面Ｍ２との間隔）は、３００〜５００マイクロメートルであるが、３００マイクロメートル未満であってもよいし、更に、１００マイクロメートル以下であってもよいが、薄くなりすぎると剛性が不足して割れる危険性があるため、５０マイクロメートル以上が望ましい。

バルク層８は、ダイヤモンド基板２の第１の表面Ｍ１上に設けられ、ダイヤモンドを含む。バルク層８は、不純物にホウ素を含んでおり、ｐ型の導電型を有する。バルク層８は、例えばホウ素源としてジボランやトリメチルボロン等を用いたマイクロ波プラズマＣＶＤ法等の気相合成により形成される。この気相合成時のガスは、水素を主体として炭素を含有する例えばメタンガス等である。また、この気相合成時の合成圧力は２０〜１５０Ｔｏｒｒ程度であり、基板温度は摂氏８５０〜１１００度程度である。

バルク層８は、ｐ型ダイヤモンド緩和層４およびｐ型ダイヤモンド層６を有する。ｐ型ダイヤモンド緩和層４は、０．５〜２０マイクロメートル（好ましくは１マイクロメートル程度）の厚みを有し、ダイヤモンド基板２の第１の表面Ｍ１上に設けられている。ｐ型ダイヤモンド緩和層４のホウ素濃度は、１０^１７〜１０^１９ｃｍ^−３程度（気相合成中のガスのホウ素と炭素との濃度比（Ｂ／Ｃ比）は０．１〜１００ｐｐｍ程度）である。ｐ型ダイヤモンド層６は、５〜５０マイクロメートル程度の厚みを有し、ｐ型ダイヤモンド緩和層４上に設けられている。ｐ型ダイヤモンド層６は、ｐ型ダイヤモンド緩和層４よりも高いホウ素濃度を有しており、１０^１９〜１０^２１ｃｍ^−３程度（好ましくは１０^２０ｃｍ^−３程度であり、気相合成中のガスのホウ素と炭素との濃度比（Ｂ／Ｃ比）は５〜５００００ｐｐｍ程度）となっている。このようなｐ型ダイヤモンド緩和層４およびｐ型ダイヤモンド層６を有するバルク層８は、金属的な伝導性を有し、よって低抵抗値を有する。

なお、ｐ型ダイヤモンド緩和層４は、単層であってもよいし、複層であってもよい。ｐ型ダイヤモンド緩和層４が複層の場合、各層の不純物（ホウ素）濃度は異なっており、ダイヤモンド基板２に近いほど不純物濃度が低い。

このように、バルク層８は、不純物濃度の異なる複数のダイヤモンド層、すなわちｐ型ダイヤモンド層６や単層または複層のｐ型ダイヤモンド緩和層４を含み、これらの複数のダイヤモンド層は、ダイヤモンド基板２上に順次設けられ、ダイヤモンド基板２に近いほど不純物濃度が低い。

ドリフト層１０は、バルク層８上（ｐ型ダイヤモンド層６上）に設けられ、ダイヤモンドを含む。ドリフト層１０は、１〜５０マイクロメートル程度の厚みを有する。ドリフト層１０は、例えばホウ素源としてジボランやトリメチルボロン等を用いたマイクロ波プラズマＣＶＤ法等の気相合成により形成される。この気相合成時のガスは、水素を主体として炭素を含有する例えばメタンガス等であるが、ダイヤモンド膜の結晶性を高めるためにＯ_２やＣＯ_２等の酸素を含むガスを更に含有してもよい。

コンタクトホール１２は、ダイヤモンド基板２およびバルク層８に形成される。コンタクトホール１２は、ダイヤモンド基板２を貫通すると共に、バルク層８の複数のダイヤモンド層（ｐ型ダイヤモンド緩和層４やｐ型ダイヤモンド層６）のなかで最も不純物濃度の高いｐ型ダイヤモンド層６に至る。このような不純物濃度の高いｐ型ダイヤモンドは、不純物を含まないダイヤモンドよりも大きな格子定数を有するので、不純物濃度の高いｐ型ダイヤモンドとダイヤモンド基板２との間には大きな応力が生じる。このため、ｐ型ダイヤモンド層６とダイヤモンド基板２との間にｐ型ダイヤモンド緩和層４が設けられていないと、コンタクトホール１２の端部に応力が集中するのでｐ型ダイヤモンド層６に割れが生じる虞があり、電子素子の作製が困難となる。これに対し、ｐ型ダイヤモンド層６とダイヤモンド基板２との間にｐ型ダイヤモンド緩和層４が設けられていれば、ダイヤモンドの格子定数の変動が緩やかになるので、上記応力が抑制され、ｐ型ダイヤモンド層６における割れ不良が回避可能となる。コンタクトホール１２は、例えばＯ_２ガスとＣＦ_４ガスとを用いたＩＣＰもしくは並行平板型などのドライエッチング法を用いて形成される。このＩＣＰドライエッチング法では、まず、ダイヤモンド基板２の第２の表面Ｍ２上にＡｌやＳｉＯ_２等のマスク材料が蒸着され、フォトリソグラフィとウェットエッチングとによってコンタクトホール１２に対応した孔がこのマスク材料に形成される。そして、Ｏ_２ガスとＣＦ_４ガスとを用いたＩＣＰドライエッチング法によって、ダイヤモンド基板２を貫通しバルク層８内のｐ型ダイヤモンド層６（バルク層８内において最も不純物濃度の高いダイヤモンド層）に至るコンタクトホール１２が形成される。なお、コンタクトホール１２は、ＹＡＧレーザ等を用いて形成されてもよい。

コンタクトホール１２の形成時には、バルク層８のうちコンタクトホール１２の設けられた箇所に比較的大きな応力が生じる。このような応力はコンタクトホール１２が大きいほど増大する。よって、コンタクトホール１２の断面径（断面の直径）は、このような応力を低減しダイヤモンド基板２の変形やバルク層８の割れを低減するために、５００マイクロメートル以下が好ましく、十分な接触面積を確保するために、１０マイクロメートル以上が好ましい。第２の表面Ｍ２に設けられた一または複数のコンタクトホール１２の全ての開口が第２の表面Ｍ２に占める割合を１０％以上５０％以下とするのが好ましい。特に、２００〜３００マイクロメートル程度の断面径の複数のコンタクトホール１２が例えば５００マイクロメートル程度のピッチでダイヤモンド基板２に形成されるのが好ましい。この場合例えば３ｍｍ角のダイヤモンド基板２の場合、第１の表面Ｍ１や第２の表面Ｍ２の面積に対しコンタクトホール１２の開口面積は１．４４〜３．２４ｍｍ^２と占める割合は１６〜３６％となる。

オーミック電極１４は、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ等が用いられる。オーミック電極１４は、コンタクトホール１２内に形成され、バルク層８の複数のダイヤモンド層（ｐ型ダイヤモンド緩和層４やｐ型ダイヤモンド層６）のなかで最も不純物濃度の高いｐ型ダイヤモンド層６に接続している。従って、バルク層８に対するオーミック電極１４のオーミック接触抵抗は最も低減される。

オーミック電極１４は、コンタクトホール１２内の底壁であるｐ型ダイヤモンド層６の表面上に設けられている。オーミック電極１４は、図１に示すように、コンタクトホール１２の側壁（底壁から延びる壁）に更に設けられていてもよく（すなわち、コンタクトホール１２の底壁および側壁に設けられていてもよく）、ダイヤモンド基板２の第２の表面Ｍ２上に更に設けられていてもよい。この場合、第２の表面Ｍ２上のオーミック電極１４は、コンタクトホール１２の内壁（底壁および側壁）に設けられたオーミック電極１４と接続する。

また、ダイヤモンド電子素子１は、コンタクトホール１２内に設けられた導電性部材を更に備えてもよい。この導電性部材は、例えば、メッキにより設けられたＣｕや、はんだにより設けられたＩｎまたはＡｕＳｉ等であり、オーミック電極１４に接続する。このような導電性部材が、プローブの接触やワイヤーボンディング等による応力をダイヤモンド基板２と共に受け止めることができるので、剛性が向上し、バルク層８等の割れの発生が低減される。コンタクトホール１２の内壁にオーミック電極１４が設けられている場合、導電性部材は、コンタクトホール１２内のうちこの内壁に設けられたオーミック電極１４により囲まれた領域に充填される。

ショットキー電極１６は、ドリフト層１０上に設けられている。ショットキー電極１６は、例えば穴あきメタルマスクやフォトリソグラフィによるリフトオフによって形成される。ショットキー電極１６は、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）および金（Ａｕ）の少なくとも一種類の金属を有する。ショットキー電極１６は、これらの金属を有することによって、高温や高電流密度等の高負荷環境下においても高いショットキー特性を発揮する。

図２は、他の実施形態に係るダイヤモンド電子素子１８の断面構造を示す図である。ダイヤモンド電子素子１８は、ダイヤモンド基板２、バルク層２０、ドリフト層１０、オーミック電極１４およびショットキー電極１６を備える。バルク層２０はダイヤモンド基板２上に設けられ、ドリフト層１０はバルク層２０上に設けられ、ショットキー電極１６はドリフト層１０上に設けられている。

ここで、ダイヤモンド電子素子１８とダイヤモンド電子素子１との相違点を説明する。ダイヤモンド電子素子１８は、ダイヤモンド電子素子１のバルク層８に替えて設けられたバルク層２０を備える。更に、ダイヤモンド電子素子１のコンタクトホール１２は、ダイヤモンド基板２を貫通すると共に、バルク層８の複数のダイヤモンド層（ｐ型ダイヤモンド緩和層４やｐ型ダイヤモンド層６）のなかで最も不純物濃度の高いｐ型ダイヤモンド層６に至る構成であるが、これに対し、ダイヤモンド電子素子１８のコンタクトホール１２は、ダイヤモンド基板２を貫通しバルク層２０内に至る構成である。更に、ダイヤモンド電子素子１のオーミック電極１４は、コンタクトホール１２内に形成され、コンタクトホール１２内の底壁であるｐ型ダイヤモンド層６の表面上に設けられ、バルク層８の複数のダイヤモンド層（ｐ型ダイヤモンド緩和層４やｐ型ダイヤモンド層６）のなかで最も不純物濃度の高いｐ型ダイヤモンド層６に接続する構成であるが、これに対し、ダイヤモンド電子素子１８のオーミック電極１４は、コンタクトホール１２内に形成され、コンタクトホール１２内の底壁であるバルク層２０の表面上に設けられ、バルク層２０に接続する構成である。以上のような相異点を除けば、ダイヤモンド電子素子１８はダイヤモンド電子素子１と同様の構成を有している。なお、ダイヤモンド電子素子１８は、ダイヤモンド電子素子１と同様に、コンタクトホール１２内に設ける導電性部材を更に備えてもよい。

そこでバルク層２０について説明する。バルク層２０は、バルク層８のｐ型ダイヤモンド層６に対応している。バルク層２０は、ダイヤモンド基板２の第１の表面Ｍ１上に設けられ、ダイヤモンドを含む。バルク層２０は、５〜７０マイクロメートル程度の厚みを有する。バルク層２０は、不純物にホウ素を含んでおり、ｐ型の導電型を有する。バルク層２０は、例えばホウ素源としてジボランやトリメチルボロン等を用いたマイクロ波プラズマＣＶＤ法等の気相合成により形成される。この気相合成時のガスは、水素を主体として炭素を含有する例えばメタンガス等である。また、この気相合成時の合成圧力は２０〜１５０Ｔｏｒｒ程度であり、基板温度は摂氏８５０〜１１００度程度である。バルク層２０のホウ素濃度は、１０^１８〜１０^２１ｃｍ^−３程度（好ましくは１０^２０ｃｍ^−３程度であり、気相合成中のガスのホウ素と炭素との濃度比（Ｂ／Ｃ比）は１〜５００００ｐｐｍ程度）となっている。

次に、実施形態に係るダイヤモンド電子素子１の第１実施例について説明する。ダイヤモンド電子素子１の第１実施例は、工程Ａ１〜工程Ｆ１を有する第１の製造方法によって製造された。

工程Ａ１では、まず、ダイヤモンド基板２として、高温高圧の環境下で合成されたＩｂタイプの単結晶ダイヤモンド基板を用意した。このダイヤモンド基板２の第１の表面Ｍ１は（１００）面であった。また、ダイヤモンド基板２は、５０〜１０００マイクロメートル程度の厚みを有するが、ここでは１００マイクロメートルのダイヤモンド基板２が用いられた。そして、ダイヤモンド基板２を熱濃硫酸およびフッ酸に浸した後に純水を用いてリンスし、アセトンやイソプロピルアルコール等の有機溶剤及び純水を用いて超音波洗浄した（以上、工程Ａ１）。

工程Ｂ１では、工程Ａ１後のダイヤモンド基板２をマイクロ波プラズマＣＶＤ装置内にセットし、バルク層８を形成した。まず、水素ガスのみを、５０Ｔｏｒｒ程度の圧力のもとで合計流量が４００ｓｃｃｍ程度となるように導入し、この後、１２００Ｗ程度のマイクロ波パワーのもとで基板温度を摂氏９００度程度に保ちつつ６０分間程度処理した。次に、５０Ｔｏｒｒ程度の圧力のもとで基板温度を摂氏９５０度程度に保ちつつ、水素ガスにメタンおよびトリメチルボロンを含めた混合ガス（メタン濃度は０．４％程度であり、トリメチルボロン濃度はメタンに対して１０ｐｐｍ程度である）を供給し、５マイクロメートル程度の膜厚のｐ型ダイヤモンド緩和層４をダイヤモンド基板２上に形成した。次に、２５Ｔｏｒｒ程度の圧力のもとで基板温度を摂氏９５０度程度に保ちつつ、水素ガスにメタンおよびトリメチルボロンを含めた混合ガス（メタン濃度は０．６％程度であり、トリメチルボロン濃度はメタンに対して１．６％程度である）を供給し、１０マイクロメートル程度の膜厚のｐ型ダイヤモンド層６をｐ型ダイヤモンド緩和層４上に形成した（以上、工程Ｂ１）。

工程Ｃ１では、工程Ｂ１の後に、２５Ｔｏｒｒ程度の圧力と７５０Ｗ程度のマイクロ波パワーとのもとで基板温度を摂氏９５０度程度に保ちつつ、水素ガスにメタンを含めた混合ガス（メタン濃度は０．５％程度）を供給し、３マイクロメートル程度の膜厚のドリフト層１０を形成した（以上、工程Ｃ１）。

工程Ｄ１では、工程Ｃ１の後に、マスクの材料であるＳｉＯ_２をダイヤモンド基板２の第２の表面Ｍ２に蒸着し、リフトオフによるパターニングを行った。このパターニングにより、コンタクトホール１２に対応した孔を有するマスクが形成された。次に、酸素とＣＦ_４とを含む混合ガス（ＣＦ_４濃度は５％程度）を用いて、ＩＣＰエッチング装置により、１０７マイクロメートル程度分をエッチングした。このエッチングにより、ダイヤモンド基板２を貫通しｐ型ダイヤモンド緩和層４に到達するコンタクトホール１２が形成された（以上、工程Ｄ１）。

工程Ｅ１では、工程Ｄ１によって形成されたコンタクトホール１２の全内壁（側壁および底壁）にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着し、このＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを摂氏４００度程度のもとでアニールすることにより、オーミック電極１４を形成した（以上、工程Ｅ１）。

工程Ｆ１では、工程Ｅ１の後に、ドリフト層１０上にフォトレジストを塗布し、リフトオフによるパターニングを行って電極パターンを形成した後に、Ｐｔを蒸着し、ショットキー電極１６を形成した（以上、工程Ｆ１）。

以上のようにして製造したダイヤモンド電子素子１の第１実施例のバルク層８のＯＮ抵抗値は、１．３ｍΩｃｍ^２程度であり、低抵抗値であった。

次に、実施形態に係るダイヤモンド電子素子１の第２実施例について説明する。ダイヤモンド電子素子１の第２実施例は、工程Ａ２〜工程Ｆ２を有する第２の製造方法によって製造された。工程Ａ２〜工程Ｆ２は、工程Ａ１〜工程Ｆ１にそれぞれ対応している。工程Ａ２は工程Ａ１と同様である。

工程Ｂ２では、工程Ａ２後のダイヤモンド基板２をマイクロ波プラズマＣＶＤ装置内にセットし、バルク層８を形成した。まず、水素ガスのみを、５０Ｔｏｒｒ程度の圧力のもとで合計流量が４００ｓｃｃｍ程度となるように導入し、この後、１２００Ｗ程度のマイクロ波パワーのもとで基板温度を摂氏９００度程度に保ちつつ６０分間程度処理した。次に、５０Ｔｏｒｒ程度の圧力のもとで基板温度を摂氏９５０度程度に保ちつつ、水素ガスにメタンおよびトリメチルボロンを含めた混合ガス（メタン濃度は０．４％程度であり、トリメチルボロン濃度はメタンに対して１００ｐｐｍ程度である）を供給し、１０マイクロメートル程度の膜厚のｐ型ダイヤモンド緩和層４をダイヤモンド基板２上に形成した。次に、２５Ｔｏｒｒ程度の圧力のもとで基板温度を摂氏９５０度程度に保ちつつ、水素ガスにメタンおよびトリメチルボロンを含めた混合ガス（メタン濃度は０．６％程度であり、トリメチルボロン濃度はメタンに対して１．６％程度である）を供給し、２０マイクロメートル程度の膜厚のｐ型ダイヤモンド層６をｐ型ダイヤモンド緩和層４上に形成した（以上、工程Ｂ２）。

工程Ｃ２では、工程Ｂ２の後に、１２０Ｔｏｒｒ程度の圧力と４０００Ｗ程度のマイクロ波パワーとのもとで基板温度を摂氏１０００度程度に保ちつつ、水素ガスにメタンおよび酸素を含めた混合ガス（メタン濃度は４％程度であり、酸素濃度はメタンに対して２０％程度である）を供給し、３マイクロメートル程度の膜厚のドリフト層１０を形成した（以上、工程Ｃ２）。

工程Ｄ２では、工程Ｃ２の後に、マスクの材料であるＳｉＮをダイヤモンド基板２の第２の表面Ｍ２に蒸着し、リフトオフによるパターニングを行った。このパターニングにより、コンタクトホール１２に対応した孔を有するマスクが形成された。次に、酸素とＣＦ_４とを含む混合ガス（ＣＦ_４濃度は５％程度）を用いて、ＩＣＰエッチング装置により、１１５マイクロメートル程度分をエッチングした。このエッチングにより、ダイヤモンド基板２を貫通しｐ型ダイヤモンド緩和層４に到達するコンタクトホール１２が形成された（以上、工程Ｄ２）。

工程Ｅ２では、工程Ｄ２によって形成されたコンタクトホール１２の全内壁（側壁および底壁）にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着し、このＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを摂氏４００度のもとでアニールすることにより、オーミック電極１４を形成した。次に、Ｃｕを含む導電性部材をコンタクトホール１２内にメッキにより設け（より具体的には、コンタクトホール１２内の内壁に設けられたオーミック電極１４により囲まれる空間にＣｕを含む導電性部材をメッキにより充填し）、コンタクトホール１２の開口にある導電性部材の表面を研磨してオーミック電極１４との平坦性を確保した（以上、工程Ｅ２）。

工程Ｆ２では、工程Ｅ２の後に、ドリフト層１０上にフォトレジストを塗布し、リフトオフによるパターニングを行って電極パターンを形成した後に、Ｒｕを蒸着し、ショットキー電極１６を形成した（以上、工程Ｆ２）。

以上のようにして製造したダイヤモンド電子素子１の第２実施例は、コンタクトホール１２内にＣｕを含む導電性部材が設けられているので、高剛性を有する。よって、ショットキー電極１６に対するワイヤーボンディング時に圧力が加えられても、ダイヤモンド電子素子１の変形や割れ等が回避できる。これにより、寿命試験におけるワイヤーボンドの脱落が低減した。また、バルク層８のＯＮ抵抗値は、１．１ｍΩｃｍ^２程度であり、低抵抗値であった。

次に、ダイヤモンド電子素子１８の実施例について説明する。ダイヤモンド電子素子１８の実施例は、工程Ａ３〜工程Ｆ３を有する第３の製造方法によって製造された。工程Ａ３〜工程Ｆ３は、工程Ａ１〜工程Ｆ１にそれぞれ対応している。工程Ａ３は工程Ａ１と同様である。

工程Ｂ３では、工程Ａ３後のダイヤモンド基板２をマイクロ波プラズマＣＶＤ装置内にセットし、バルク層２０を形成した。まず、水素ガスのみを、５０Ｔｏｒｒ程度の圧力のもとで合計流量が４００ｓｃｃｍ程度となるように導入し、この後、１２００Ｗ程度のマイクロ波パワーのもとで基板温度を摂氏９００度程度に保ちつつ６０分間程度処理した。次に、２５Ｔｏｒｒ程度の圧力のもとで基板温度を摂氏９５０度程度に保ちつつ、水素ガスにメタンおよびトリメチルボロンを含めた混合ガス（メタン濃度は０．６％程度であり、トリメチルボロン濃度はメタンに対して１．６％程度である）を供給し、１０マイクロメートル程度の膜厚のバルク層２０をダイヤモンド基板２上に形成した（以上、工程Ｂ３）。

工程Ｃ３では、工程Ｂ３の後に、２５Ｔｏｒｒ程度の圧力と７５０Ｗ程度のマイクロ波パワーとのもとで基板温度を摂氏９５０度程度に保ちつつ、水素ガスにメタンを含めた混合ガス（メタン濃度は０．５％程度）を供給し、３マイクロメートル程度の膜厚のドリフト層１０を形成した（以上、工程Ｃ３）。

工程Ｄ３では、工程Ｃ３の後に、マスクの材料であるＡｌをダイヤモンド基板２の第２の表面Ｍ２に蒸着し、リフトオフによるパターニングを行った。このパターニングにより、コンタクトホール１２に対応した孔を有するマスクが形成された。次に、酸素とＣＦ_４とを含む混合ガス（ＣＦ_４濃度は５％）を用いて、ＩＣＰエッチング装置により、１０２マイクロメートル程度分をエッチングした。このエッチングにより、ダイヤモンド基板２を貫通しｐ型ダイヤモンド緩和層４に到達するコンタクトホール１２が形成された（以上、工程Ｄ３）。

工程Ｅ３では、工程Ｄ３によって形成されたコンタクトホール１２の全内壁（側壁および底壁）にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着し、このＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを摂氏４００度程度のもとでアニールすることにより、オーミック電極１４を形成した（以上、工程Ｅ３）。

工程Ｆ３では、工程Ｅ３の後に、ドリフト層１０上に穴あきメタルマスクを設けてＭｏを蒸着し、ショットキー電極１６を形成した（以上、工程Ｆ３）。

以上のようにして製造したダイヤモンド電子素子１８の実施例のバルク層２０のＯＮ抵抗値は、１．２ｍΩｃｍ^２程度であり、低抵抗値であった。

次に、上記の第１〜第３実施例に対する比較例について説明する。図３は、比較例に係るダイヤモンド電子素子２２の断面構造を示す図である。ダイヤモンド電子素子２２は、ｐ型ダイヤモンド層２４、ドリフト層２６、オーミック電極２８およびショットキー電極３０を備えるショットキーダイオードである。ｐ型ダイヤモンド層２４は、ドリフト層２６とオーミック電極２８とに挟まれており、ダイヤモンドを含む。ドリフト層２６とオーミック電極２８とは何れもｐ型ダイヤモンド層２４に接続している。

ｐ型ダイヤモンド層２４は、不純物にホウ素を含んでおり、ｐ型の導電型を有する。ドリフト層２６は、ｐ型ダイヤモンド層２４上に設けられ、ダイヤモンドを含む。オーミック電極２８は、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ等が用いられ、ドリフト層２６上に形成される。ショットキー電極３０は、例えば、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｐｔ、ＩｒおよびＡｕの少なくとも一種類の金属を有する。

この比較例のダイヤモンド電子素子２２を、工程Ａ４〜工程Ｆ４を有する第４の製造方法によって製造した。工程Ａ４は工程Ａ１と同様である。

工程Ｂ４では、工程Ａ４後のダイヤモンド基板２をマイクロ波プラズマＣＶＤ装置内にセットし、ｐ型ダイヤモンド層２４を形成した。まず、水素ガスのみを、５０Ｔｏｒｒ程度の圧力のもとで合計流量が４００ｓｃｃｍ程度となるように導入し、この後、１２００Ｗ程度のマイクロ波パワーのもとで基板温度を摂氏９００度程度に保ちつつ６０分間程度処理した。次に、２５Ｔｏｒｒ程度の圧力のもとで基板温度を摂氏９５０度程度に保ちつつ、水素ガスにメタンおよびトリメチルボロンを含めた混合ガス（メタン濃度は０．６％程度であり、トリメチルボロン濃度はメタンに対して１．６％程度である）を供給し、１５０マイクロメートル程度の膜厚のバルク層２０をダイヤモンド基板２上に形成した（以上、工程Ｂ４）。

工程Ｃ４では、工程Ｂ４の後、酸素とＣＦ_４とを含む混合ガス（ＣＦ_４濃度は５％）を用いて、ＩＣＰエッチング装置によりダイヤモンド基板２を除去した（以上、工程Ｃ４）。

工程Ｄ４では、工程Ｃ４の後に、２５Ｔｏｒｒ程度の圧力と７５０Ｗ程度のマイクロ波パワーとのもとで基板温度を摂氏９５０度程度に保ちつつ、水素ガスにメタンを含めた混合ガス（メタン濃度は０．５％程度）を供給し、５マイクロメートル程度の膜厚のドリフト層１０を形成した（以上、工程Ｄ４）。

工程Ｅ４では、工程Ｄ４の後に、ｐ型ダイヤモンド層２４上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着し、このＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを摂氏４００度のもとでアニールすることにより、オーミック電極１４を形成した（以上、工程Ｅ４）。

工程Ｆ４では、工程Ｅ４の後に、ドリフト層２６上にフォトレジストを塗布し、リフトオフによるパターニングを行って電極パターンを形成した後に、Ｍｏを蒸着し、ショットキー電極１６を形成した（以上、工程Ｆ４）。

以上のようにして製造したダイヤモンド電子素子２２のｐ型ダイヤモンド層２４は、剛性を確保するために第１実施例〜第３実施例のバルク層８やバルク層２０と比較して１０倍程度の厚みを有している。このため、ｐ型ダイヤモンド層２４のＯＮ抵抗値は、２．７ｍΩｃｍ^２程度と高い値になった。

なお、第４の製造方法の工程Ｃ４では、ダイヤモンド基板２のみをエッチングにより除去したが、この工程Ｃ４において、ダイヤモンド基板２だけでなくｐ型ダイヤモンド層２４もエッチングし、１０マイクロメートル程度の厚みのｐ型ダイヤモンド層２４を有するダイヤモンド電子素子２２も製造した。このダイヤモンド電子素子２２は、ｐ型ダイヤモンド層２４の厚みが、第１実施例〜第３実施例のバルク層８やバルク層２０と同程度の１０マイクロメートル程度であり、第１実施例〜第３実施例と同程度の１．３ｍΩｃｍ^２程度のＯＮ抵抗値であった。しかし、ｐ型ダイヤモンド層２４がこのように薄いと十分な剛性を確保できず、ショットキー電極３０に対するプローブのコンタクト中、ワイヤボンディング中またはパッケージへの固定中に、ダイヤモンド電子素子２２の変形や割れが頻発し、歩留りが大幅に低下した。

以上説明したように、ダイヤモンド電子素子１およびダイヤモンド電子素子１８は、第１の表面Ｍ１と第１の表面Ｍ１の反対側にある第２の表面Ｍ２とを有し、第１の表面Ｍ１から第２の表面Ｍ２に貫通する一または複数のコンタクトホール１２の形成されたダイヤモンド基板２と、ダイヤモンド基板２の第１の表面Ｍ１上に設けられ、ダイヤモンドを含むｐ型のバルク層８またはバルク層２０と、バルク層８またはバルク層２０上に設けられ、ダイヤモンドを含むドリフト層１０と、ドリフト層１０上に設けられたショットキー電極１６と、コンタクトホール１２内に設けられ、バルク層８またはバルク層２０に接続されたオーミック電極１４とを備える。従って、バルク層８またはバルク層２０がダイヤモンド基板２上に設けられているので、低抵抗値を実現するためにバルク層８またはバルク層２０を薄化してもダイヤモンド電子素子１やダイヤモンド電子素子１８の剛性を確保できる。

ダイヤモンド電子素子１のバルク層８は、不純物濃度の異なる複数のダイヤモンド層（ｐ型ダイヤモンド緩和層４およびｐ型ダイヤモンド層６）を含み、これらの複数のダイヤモンド層は、ダイヤモンド基板２上に順次設けられ、ダイヤモンド基板２に近いほど（すなわちｐ型ダイヤモンド緩和層４のほうがｐ型ダイヤモンド層６よりも）不純物濃度が低い。従って、バルク層８における不純物添加による格子定数の伸長がダイヤモンド基板２との距離に応じて異なるので、バルク層８にかかる応力を緩和できる。よって、ダイヤモンド電子素子１の変形や割れが回避可能となる。

ダイヤモンド電子素子１のコンタクトホール１２は、ダイヤモンド基板２を貫通すると共に、バルク層８内の複数のダイヤモンド層（ｐ型ダイヤモンド緩和層４およびｐ型ダイヤモンド層６）のなかで最も不純物濃度の高いｐ型ダイヤモンド層６に至り、オーミック電極１４は、この最も不純物濃度の高いｐ型ダイヤモンド層６に接続している。従って、オーミック電極１４とバルク層８との接触抵抗が低減できる。

ダイヤモンド電子素子１およびダイヤモンド電子素子１８は、コンタクトホール１２内に設けられた導電性部材を備えてもよい。このように導電性部材をコンタクトホール１２内に設けることによって、コンタクトホール１２の形成により低下するダイヤモンド基板２の剛性を補うことが可能となる。

ダイヤモンド電子素子１およびダイヤモンド電子素子１８は、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｐｔ、ＩｒおよびＡｕの少なくとも一種類の金属を含むショットキー電極１６を有する。よって、高温でも安定したショットキー特性が実現できる。

ダイヤモンド電子素子１およびダイヤモンド電子素子１８において、第２の表面Ｍ２に設けられた一または複数のコンタクトホール１２の全開口が第２の表面Ｍ２に占める割合は、１０％以上５０％以下である。よって、ダイヤモンド基板２に複数のコンタクトホール１２を設けた場合であっても、ダイヤモンド電子素子１およびダイヤモンド電子素子１８に十分な剛性が確保可能となる。

以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

実施形態に係るダイヤモンド電子素子の構成を示す図である。 実施形態に係る他のダイヤモンド電子素子の構成を示す図である。 比較例のダイヤモンド電子素子の構成を示す図である。

符号の説明

１，１８，２２…ダイヤモンド電子素子、１０，２６…ドリフト層、１２…コンタクトホール、１４，２８…オーミック電極、１６，３０…ショットキー電極、２…ダイヤモンド基板、２０，８…バルク層、２４，６…ｐ型ダイヤモンド層、４…ｐ型ダイヤモンド緩和層

Claims (6)

1. 第１の表面と該第１の表面の反対側にある第２の表面とを有し、前記第１の表面から前記第２の表面に貫通する一または複数のコンタクトホールの形成されたダイヤモンド基板と、
   前記ダイヤモンド基板の前記第１の表面上に設けられ、ダイヤモンドを含む所定導電型のバルク層と、
   前記バルク層上に設けられ、ダイヤモンドを含むドリフト層と、
   前記ドリフト層上に設けられたショットキー電極と、
   前記コンタクトホール内に設けられ、前記バルク層に接続されたオーミック電極と
   を備える、ことを特徴とするダイヤモンド電子素子。
2. 前記バルク層は、不純物濃度の異なる複数のダイヤモンド層を含み、
   前記複数のダイヤモンド層は、前記ダイヤモンド基板上に順次設けられ、該ダイヤモンド基板に近いほど不純物濃度が低い、
   ことを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド電子素子。
3. 前記コンタクトホールは、前記ダイヤモンド基板を貫通すると共に、前記バルク層内であって前記複数のダイヤモンド層のなかで最も不純物濃度の高いダイヤモンド層に至り、
   前記オーミック電極は、前記最も不純物濃度の高いダイヤモンド層に接続している、
   ことを特徴とする請求項２に記載のダイヤモンド電子素子。
4. 前記コンタクトホール内に設けられた導電性部材を更に備える、ことを特徴とする請求項１〜３のうち何れか一項に記載のダイヤモンド電子素子。
5. 前記ショットキー電極は、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｐｔ、ＩｒおよびＡｕの少なくとも一種類の金属を含む、ことを特徴とする請求項１〜４のうち何れか一項に記載のダイヤモンド電子素子。
6. 前記第２の表面に設けられた前記一または複数のコンタクトホールの全開口が該第２の表面に占める割合は、１０％以上５０％以下である、ことを特徴とする請求項１〜５のうち何れか一項に記載のダイヤモンド電子素子。
   

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