JP2014527715A5

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Publication number: JP2014527715A5
Application number: JP2014522910A
Authority: JP
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2016-01-07
Anticipated expiration: 2032-07-20

Description

本明細書に開示されるダイヤモンド半導体を作製するためのシステム及び方法の他のシステム、方法、態様、特徴、実施形態、および利点は、以下の添付図面と詳細説明を検討すると当業者には明らかであるまたは明らかとなる。このようなすべての追加的システム、方法、態様、特徴、実施形態、および利点は本明細書に含まれ、添付の特許請求範囲に入るように意図されている。

図２Ａは、真性ダイヤモンド薄膜ウェハ２００のモデルの斜視図である。いかなる特定のダイヤモンド材料にも限定されないが、一実施形態では、方法１００のダイヤモンド材料は真性ダイヤモンド薄膜ウェハ２００である。真性ダイヤモンド薄膜ウェハ２００は、ダイヤモンド層２０２、二酸化珪素層（ＳｉＯ₂）２０４、シリコンウェハ層２０６を含み得る。ダイヤモンド層２０２は、これに限定しないが超ナノ結晶ダイヤモンドであり得る。真性ダイヤモンド薄膜ウェハ２００は直径１００ｍｍであり得る。ダイヤモンド層２０２は、約２００〜３００ｎｍの粒径を有する１μｍ多結晶ダイヤモンドであり得る。二酸化珪素層（ＳｉＯ₂）２０４は約１μｍであり得る。シリコンウェハ層２０６は、ＡｄｖａｎｃｅｄＤｉａｍｏｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．から入手可能なＡｑｕａ１００などの約５００μｍＳｉであり得る。方法１００の第１番目の工程１０２は、これに限定しないが真性ダイヤモンド薄膜ウェハ２００の例示的ダイヤモンド層２０２などの様々なダイヤモンドベース材料を選択する工程を含み得る。

方法１００の第３番目の工程１０６は、イオン飛跡を介し置換ドーパント原子をダイヤモンド格子へ導入する工程を含み得る。例えば、第３番目の工程１０６は、５００ｋｅＶ未満のエネルギーインプラントのための好ましくは約７８度Ｋ以下のイオンインプラントを利用して、より大きな置換ドーパント原子を導入する工程を含み得る。７８度Ｋ未満のインプラントは、置換ドーパント原子の置換インプラントを最大化する一方で、ダイヤモンド格子内の空孔と格子間の凍結を可能にし得る。より大きな置換ドーパント原子は、これらに限定しないが例えばリン、窒素、硫黄、および酸素であり得る。

図３Ａは、真性ダイヤモンド薄膜ウェハ２００を方法１００に付すことにより作製され得るものなどのドープダイヤモンド薄膜ウェハ３００のモデルの斜視図である。ドープダイヤモンド薄膜ウェハ３００は、ドープダイヤモンド層３０２、二酸化珪素層（ＳｉＯ₂）２０４、およびシリコンウェハ層２０６を含み得る。

図３Ｂは、ダイヤモンド層２０２を方法１００に付した結果であり得るものなどのドープダイヤモンド格子構造３０４のモデルである。ドープダイヤモンド格子構造３０４は、複数の炭素原子３１４、複数のリン原子３０６、複数の空孔３０８、およびホウ素原子３１２を含み得る。

方法４００の第２番目の工程４０２は、表面汚染物質を除去するためにダイヤモンド材料を洗浄する工程を含み得る。例えば、第２番目の工程４０２は真性ダイヤモンド薄膜ウェハ２００を洗浄する工程を含み得る（図２を参照）。洗浄は、強力洗浄、例えばこれらに限定しないが当業者には公知の標準的拡散洗浄であり得る。このような拡散洗浄の一例は、１０分間Ｈ₂ＳＯ₄／Ｈ₂Ｏ₂の４：１溶液を適用する工程と、２．５分間Ｈ₂Ｏ₂の溶液を適用する工程と、１０分間Ｈ₂Ｏ／Ｈ₂Ｏ₂／ＨＣＬの５：１：１溶液を適用する工程と、２．５分間Ｈ₂Ｏ₂の溶液を適用する工程と、５分間の熱スピン乾燥工程とを含む。

他の実施形態では、第６番目の工程４０６のマスクエッチングは、反応性イオンエッチング（Ａｒ（３５ＳＣＣＭ）／Ｏ₂（１０ＳＣＣＭ）、Ｖ_BIAS５７６Ｖ、２５０Ｗ電力、総エッチング厚２５ｎｍ、５０ｍＴｏｒｒ加圧下）を使用したブランケットエッチングであり得る。Ａｒ／Ｏ₂エッチングは、ダイヤモンド材料表面のエッチングと研磨／終端の２つの機能を有し得る。初期エッチングに加えて、同じ処理レシピは、最終アプリケーション利用（すなわちＭＯＳＦＥＴ、ダイオード、ＬＥＤなど）による必要に応じて、装置アーキテクチャを形成し、ダイヤモンドの様々な活性及び非活性領域を画定するために後で実施される。エッチマスキング層（例えば２００ｎｍ厚アルミニウム蒸着）は、標準的電子ビーム蒸着を介し形成され得る。エッチングは、ＯｘｆｏｒｄＳｙｓｔｅｍ１００ＰｌａｓｍａｌａｂＥｑｕｉｐｍｅｎｔ（ＯｘｆｏｒｄＤｅｅｐＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｅｒ）上で行われ得る。エッチング条件は、ＲＩＥ電力：２００Ｗ、ＩＣＰ電力：２，０００Ｗ、圧力：９ｍＴｏｒｒ、Ｏ₂フロー：５０ｓｃｃｍ、Ａｒフロー：１ｓｃｃｍであり得る。エッチング速度は、ダイヤモンド層については１５５ｎｍ／分、アルミニウムマスキング層については３４ｎｍ／分であり得る。

方法４００の第６番目の工程４０６は、ダイヤモンド材料を、ダイヤモンド格子の一部の上で前置換マスク蒸着に付す工程を含み得る。前置換マスク蒸着はアルミニウム前インプラントマスク蒸着であり得る。前置換マスク蒸着は、７．５ｋＷの電力、２．５×１０^-3Ｔｏｒｒ圧力で、２１〜２４秒の蒸着時間、９９．９９９９９％（６Ｎ）純度のアルミニウムを使用しＧｒｙｐｈｏｎＭｅｔａｌＳｐｕｔｔｅｒＳｙｓｔｅｍを利用して、３０ｎｍ厚まで行われ得る。

図６は、方法５００に従って作製され得るＰ⁺−ｉ−Ｎダイオード６００の例示的モデルの上面図を示す。Ｐ⁺−ｉ−Ｎダイオード６００は、ｐ⁺型半導体領域６０８とｎ型半導体領域６０６間に、低ドープ半導体領域（ｉ）（例えば、図８、８０４を参照）を含み得る。ＳＲＩＭ（ＳｔｏｐｐｉｎｇａｎｄＲａｎｇｅｏｆＩｏｎｓｉｎＭａｔｔｅｒ）モデリングによる５００の方法は理論的予測に近づくＰ⁺−ｉ−Ｎダイオードを作製するための経路を提供する。一実施形態では、Ｐ⁺−ｉ−Ｎダイオード６００は、約１５０ｎｍ深さのｐ型半導体（例えば、図８、８０６を参照）と、約１００ｎｍ深さのｐ⁺型半導体領域６０８と、約１００ｎｍ深さのｎ型半導体領域６０６との間に、約１０ｎｍ深さの低ドープ半導体領域（ｉ）８０４を含み得る。図６はまた、ｐ⁺型半導体領域６０８へ接続するための金属接触／ボンディングパッド６０４を示す。

方法５００の第３番目の工程５０２は、ダイヤモンド材料をダイヤモンド格子の非Ｐ⁺部分上で前Ｐ⁺マスク蒸着に付す工程を含み得る。前Ｐ⁺マスク蒸着は、Ｐ⁺イオンインプラント中にダイヤモンド材料の非Ｐ⁺部分を保護し得る。前Ｐ⁺マスク蒸着はアルミニウム前インプラントマスク蒸着であり得る。前イオン飛跡マスク蒸着は、７．５ｋＷの電力、２．５×１０^-3Ｔｏｒｒ圧力で、２１〜２４秒の蒸着時間、９９．９９９９９％（６Ｎ）純度のアルミニウムを使用しＧｒｙｐｈｏｎＭｅｔａｌＳｐｕｔｔｅｒＳｙｓｔｅｍを利用して、３０ｎｍ厚まで行われ得る。

方法５００の第４番目の工程５０４は、ダイヤモンド材料のＰ ⁺層インプラントを含み得る。Ｐ ⁺層インプラントは、１００ｎｍのＰ ⁺層を生成するために、０．０４μＡのビーム電流、５５ｋｅＶのビームエネルギー、１×１０²⁰原子／ｃｍ²のビームドーズ量、６度の入射角、約７８度Ｋ以下で１１Ｂ ⁺のドーパントにより行われ得る。

方法５００の第６番目の工程５０６は、ダイヤモンド材料をダイヤモンド格子の非Ｐ部分上で前Ｐマスク蒸着に付す工程を含み得る。前Ｐマスク蒸着は、Ｐイオンインプラント中にダイヤモンド材料の非Ｐ部分を保護し得る。前Ｐマスク蒸着はアルミニウム前インプラントマスク蒸着であり得る。前Ｐマスク蒸着は、７．５ｋＷの電力、２．５×１０^-3Ｔｏｒｒ圧力で、２１〜２４秒の蒸着時間、９９．９９９９９％（６Ｎ）純度のアルミニウムを使用しＧｒｙｐｈｏｎＭｅｔａｌＳｐｕｔｔｅｒＳｙｓｔｅｍを利用して、３０ｎｍ厚まで行われ得る。

方法５００の第９番目の工程は、ダイヤモンド材料をダイヤモンド格子の第１の部分上で前イオン飛跡マスク蒸着に付す工程を含む方法４００の第３番目の工程４０４と同じでよい。

方法５００の第１９番目の工程５２２はウェハ表面ダイシングを含み得る。

図１０は、室温、陰極負、順バイアス時の、方法５００に従って作製されたＰ⁺−ｉ−Ｎダイオード６００などのＰ⁺−ｉ−Ｎダイオードの電流−電圧特性のグラフ１０００である。電流−電圧曲線１００２は、方法５００に従って作製され得るようなＰ⁺−ｉ−Ｎダイオードの電流−電圧特性を示す。電流−電圧曲線１００２は、室温での伝導に利用可能な大きな電子濃度を示す。電流−電圧曲線１００２の低電圧空乏領域１００４は、電荷キャリアがｎ層とＰ層から真性領域中に拡散される、例えば電荷キャリアがｎ型半導体領域６０６とｐ⁺型半導体領域６０８から低ドープ半導体領域（ｉ）８０４中に拡散されるということを示す。低ドープ半導体領域（ｉ）８０４において、電荷キャリアは再結合し得る。再結合は瞬時に発生しないので、電荷は低ドープ半導体領域（ｉ）８０４中に蓄積され得、したがって抵抗率を低下させる。

新規な装置は、限定するものではないが、室温で少なくとも部分的に活性化されたｎ型ダイヤモンド半導体を含む。すなわち、装置材料は、活性化し伝導に関与するのに十分なキャリア濃度、高電子移動度を有するｎ型ダイヤモンド、高温（室温を越えた）または高電界の存在を必要しない高キャリア移動度と高キャリア濃度の両方を有するｎ型ダイヤモンド、室温／周囲温度において１，０００ｃｍ²／Ｖｓを越える推定電子移動度と約１×１０¹⁶電子／ｃｍ ³のキャリア濃度を有するｎ型ダイヤモンド半導体、バイポーラダイヤモンド半導体装置、単一ダイヤモンドウェハ上にｐ型およびｎ型領域を有する装置、ダイヤモンドダイオード装置、高温または強電界の存在のいずれも必要とすることなく高電流を搬送するバイポーラダイヤモンド半導体装置、室温および０．２８Ｖ電界の存在下で１ミリアンペア電流を運ぶことができるバイポーラダイヤモンド半導体装置、多結晶ダイヤモンド上のｎ型ダイヤモンド材料、低コスト薄膜多結晶「ダイヤモンド−オン−シリコン」キャリア、他のキャリアタイプ（例えば融解石英、石英、サファイア、酸化珪素または他の酸化物など）上のダイヤモンド半導体、ダイヤモンド電力ＲＦ減衰器、多結晶ダイヤモンド電力ＲＦ減衰器チップ、多結晶ダイヤモンド電力ＲＦ減衰器装置、ダイヤモンド発光ダイオードまたは／レーザダイオード（ＬＥＤ）、同一チップ上に高電力素子（例えばＬＥＤ）を有するモノリシック集積化ダイヤモンドベース論理駆動器、酸素の存在下で安定したｎ型ダイヤモンド材料（すなわち、無視できない量の酸素が表面上に存在する場合（ウェハが外気に接する場合など）、ｎ型半導体の導電率と性能は連続する）を有する。

Claims

８×１０ ¹⁷ ／ｃｍ ³ 〜２×１０ ¹⁸ ／ｃｍ ³ の濃度のｎ型ドナー原子とダイヤモンド格子とを有するダイヤモンド材料を含む半導体システムであって、前記ｎ型ドナー原子の少なくとも０．１６％は、１００ｋＰａ、３００Ｋで前記ダイヤモンド格子に対して７７０ｃｍ²／Ｖｓより高い移動度を有する伝導電子に寄与する、半導体システム。
前記ｎ型ドナー原子の少なくとも０．１６％は浅いイオン化エネルギーを有する伝導電子に寄与する、請求項１に記載の半導体システム。
前記浅いイオン化エネルギーは０．２５ｅＶ以下である、請求項２に記載の半導体システム。
前記ダイヤモンド材料はダイオードに組み込まれる、請求項１に記載の半導体システム。
ダイヤモンド格子を有するダイヤモンド材料を選択する工程と、
イオン飛跡を生成するために最少量のアクセプタドーパント原子を前記ダイヤモンド格子へ導入する工程と、
前記イオン飛跡を介し置換ドーパント原子を前記ダイヤモンド格子へ導入する工程と、
前記ダイヤモンド格子をアニールする工程とを含むダイヤモンド半導体を作製する方法であって、
前記最少量のアクセプタドーパント原子の導入は臨界密度の空孔を生成せず、前記最少量のアクセプタドーパント原子の導入は前記ダイヤモンド格子の抵抗圧能力を低下させる、方法。
前記ダイヤモンド材料は真性ダイヤモンドである、請求項５に記載の方法。
前記アクセプタドーパント原子は２９３〜２９８ケルビン温度で導入される、請求項５に記載の方法。
前記アクセプタドーパント原子はホウ素である、請求項５に記載の方法。
アクセプタドーパント原子の前記最少量は５×１０⁸／ｃｍ²〜５×１０¹⁰／ｃｍ²である、請求項５に記載の方法。
前記置換ドーパント原子は７８ケルビン温度以下で導入される、請求項５に記載の方法。
前記置換ドーパント原子は５００ｋｅＶ未満で導入される、請求項５に記載の方法。
前記置換ドーパント原子は１４０ｋｅＶ未満、６度オフセットで導入される、請求項５に記載の方法。
前記置換ドーパント原子はリンである、請求項５に記載の方法。
前記置換ドーパント原子は９×１０¹⁷／ｃｍ³より高い濃度で導入される、請求項５に記載の方法。
前記アニールは摂氏１０００度以上で行われる、請求項５に記載の方法。
請求項５に記載の方法に従って作製される半導体。