JP2021044460A - Ｍｉｓ型半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイヤモンド半導体による移動度の高いＭＩＳ型半導体装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】半導体層２２と絶縁体層２３と導電体層２４がこの順で積層されたｐ型のＭＩＳ型半導体装置１０１であって、半導体層は少なくとも絶縁体層と接する部分の一部が水素終端されたダイヤモンドからなり、閾値電圧が負電圧である。絶縁体層は、窒化ホウ素からなるのが好ましい。製造方法は、第１主表面が水素で終端された半導体層を形成することと、水素終端ダイヤモンド層に接して窒化ホウ素からなる絶縁体層を形成することと、絶縁体層の少なくとも一部の上に導電体層を形成することと、を含む。水素終端半導体層を形成すること、絶縁体層を形成すること及びその両者の間の雰囲気は、真空、水素ガス、不活性ガス及び不活性ガスが添加された水素ガスの何れかとする。【選択図】図１

Description

本発明はＭＩＳ型半導体装置およびその製造方法に係り、特にダイヤモンド半導体を用いたセーフティ、省エネルギー、かつ移動度が高くて高速動作に適するＭＩＳ型半導体装置およびその製造方法に関する。

半導体ダイヤモンドは、広いバンドギャップエネルギー（５．４７ｅＶ）、低い比誘電率（５．７）、高い絶縁破壊電界強度（１０ＭＶ／ｃｍ）、高いキャリア飽和速度（電子および正孔についてそれぞれ１．５〜２．７×１０^７ｃｍ／ｓおよび０．８５〜１．２×１０^７ｃｍ／ｓ）、高い熱伝導率（２２Ｗ／ｃｍ・Ｋ）および高いキャリア移動度（電子および正孔についてそれぞれ４５００ｃｍ^２／Ｖ・ｓおよび３８００ｃｍ^２／Ｖ・ｓ）といったいくつかの際立った物理的特性を有している。ここで、上記の特性値は室温での値である。
このため、半導体としてダイヤモンドを用いた電子デバイスは、大電力動作、高速・高周波動作、高耐圧および高い熱限界を示すとして期待されている。
特に、ダイヤモンドを半導体として用いたＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型半導体装置は、高性能インバーターや高出力高周波増幅器を構成する上でのコア素子として注目されている。

ダイヤモンド半導体は、現在のパワーデバイス用材料の主流として用いられているシリコン（Ｓｉ）やシリコンカーバイド（ＳｉＣ）に比べてキャリアの移動度が高い。この高移動度のため、ダイヤモンドを半導体として用いたＭＩＳ型半導体装置は、オン抵抗が低くなって損失が抑えられ、またスイッチング時間が短くなって素子を高速に動作させるポテンシャルをもつ。

近年、水素終端のダイヤモンド半導体が盛んに検討されている（非特許文献１参照）。
これは、ダイヤモンド半導体では、ドーパントの活性化エネルギーが大きく高いキャリア密度と移動度を両立するのが容易ではないのが１つの要因になっている。
また、ダイヤモンドを気相合成で製造する場合、気相合成の工程で必須のプロセスガスである水素原子の関係で、自動的にダイヤモンドの表面がほぼ完全に水素終端されることももう１つの要因として挙げることができる。
水素終端ダイヤモンド半導体は、工程数を削減できるという製造面での優位性に加え、水素終端がほぼ完全になされるため、高い品質を得やすいという特徴がある。
ダイヤモンド半導体の表面が水素終端されると、ダイヤモンド半導体の表面近傍に電気伝導領域が存在するようになり、ｐ型の半導体になる。

近年の研究では、水素終端のダイヤモンド半導体の表面近傍の電気伝導の発現は、ダイヤモンド半導体の表面に吸着した、あるいはダイヤモンド半導体に接して形成された絶縁膜中に存在した負の電荷の寄与によるものとされており、この負の電荷の起源としては、例えば、吸着ガスとしては二酸化窒素（ＮＯ_２）、オゾン（Ｏ_３）、固体としては酸化タングステン（ＷＯ_３）、酸化モリブデン（ＭｏＯ_３）、酸化バナジウム（Ｖ_２Ｏ_５）、酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_３）および酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）が挙げられている（非特許文献２）。
非特許文献３では、ダイヤモンドの表面に形成されたＡｌ_２Ｏ_３膜の酸素点欠陥やＡｌ欠損などによる非占有準位が負に帯電することにより、ダイヤモンド表面近傍にホールを誘起して電気伝導が発現することが開示されている。
さらに、非特許文献４には、ダイヤモンドの表面近傍に高濃度のホールを蓄積すべくダイヤモンドをＮＯ_２ガスに晒した後、Ａｌ_２Ｏ_３膜で封止してＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を作製した例が開示されている。

ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔｅｒｓ，３９，１３７３（２０１８） Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔｕｓ Ｓｏｌｉｄｉ Ａ，１８００６８１（２０１８） Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｐｏｒｔｓ，７，４２３６８（２０１７） Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，５６，０１ＡＡ０１（２０１７） ＡＰＬ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，６，１１１１０５（２０１８） Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔｕｓ Ｓｏｌｉｄｉ ＲＲＬ，１７００４０１（２０１８）

上記のように、ダイヤモンド半導体は、ＭＩＳ型半導体装置用として優れた材料特性を有し、水素終端により生産性や品質の課題も解決しつつある。
しかし、水素終端されたダイヤモンド半導体層を用いたＭＩＳ型半導体装置を製造してみると、製造されたＭＩＳ型半導体装置は、ホールの移動度が不十分で低消費電力および高速動作に資さないという問題があった。また、非電圧印加時に電流が流れることは消費電力上もセーフティ上も好ましくないが、この電流の低減と移動度の向上は両立しなかった。

本発明が解決しようとする課題は、セーフティ、省エネルギー、かつ移動度が高くて高速動作に適するダイヤモンド半導体によるＭＩＳ型半導体装置およびその製造方法を提供することである。

本発明の構成を下記に示す。
（構成１）
半導体層と絶縁体層と導電体層を有し、前記絶縁体層が前記半導体層と前記導電体層で挟まれたｐ型のＭＩＳ型半導体装置であって、
前記半導体層は少なくとも前記絶縁体層と接する部分の一部が水素終端されたダイヤモンドからなり、
閾値電圧Ｖ_ＴＨが負電圧である、ＭＩＳ型半導体装置。
（構成２）
前記絶縁体層は窒化ホウ素からなる、構成１記載のＭＩＳ型半導体装置。
（構成３）
前記絶縁体層は窒化ホウ素の単結晶からなる、構成１または２記載のＭＩＳ型半導体装置。
（構成４）
前記絶縁体層は六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）からなる、構成１から３の何れか１記載のＭＩＳ型半導体装置。
（構成５）
前記半導体層と前記絶縁体層との界面に存在する荷電不純物の密度が０ｃｍ^−２以上５×１０^１１ｃｍ^−２以下である、構成１から４の何れか１記載のＭＩＳ型半導体装置。
（構成６）
前記半導体層と前記絶縁体層との界面に存在する荷電不純物の密度が０ｃｍ^−２以上１×１０^１１ｃｍ^−２以下である、構成１から４の何れか１記載のＭＩＳ型半導体装置。
（構成７）
前記導電体層はグラファイトからなる、構成１から６の何れか１記載のＭＩＳ型半導体装置。
（構成８）
水素で終端されたダイヤモンドからなる第１主表面を有する半導体層を形成することと、
前記半導体層の水素で終端された面の少なくとも一部に接して絶縁体層を形成することと、
前記絶縁体層の少なくとも一部の上に導電体層を形成することを有し、
前記半導体層を形成することの直後から前記絶縁体層を形成することの直前に至るまで間の雰囲気が、真空、水素ガス、不活性ガスおよび不活性ガスが添加された水素ガスからなる群より選ばれる何れかの１つである、ＭＩＳ型半導体装置の製造方法。
（構成９）
第１主表面の少なくとも一部にダイヤモンドからなる半導体層が露出している部分を有する部材を準備する部材準備することと、
前記半導体層が露出している部分の少なくとも一部を水素処理することと、
前記半導体層の前記水素処理された部分の少なくとも一部に接して絶縁体層を形成することと、
前記絶縁体層の少なくとも一部の上に導電体層を形成することを有し、
前記水素処理することの直後から前記絶縁体層を形成することの直前に至るまで間の雰囲気が、真空、水素ガス、不活性ガスおよび不活性ガスが添加された水素ガスからなる群より選ばれる何れかの１つである、ＭＩＳ型半導体装置の製造方法。
（構成１０）
前記絶縁体層を形成することの雰囲気が真空、水素ガス、不活性ガスおよび不活性ガスが添加された水素ガスからなる群より選ばれる何れかの１つである、構成８または９記載のＭＩＳ型半導体装置の製造方法。
（構成１１）
前記絶縁体層は窒化ホウ素からなる、構成８から１０の何れか１記載のＭＩＳ型半導体装置の製造方法。
（構成１２）
前記絶縁体層は窒化ホウ素の単結晶からなる、構成８から１１の何れか１記載のＭＩＳ型半導体装置の製造方法。
（構成１３）
前記絶縁体層は六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）からなる、構成８から１２の何れか１記載のＭＩＳ型半導体装置の製造方法。
（構成１４）
前記半導体層と前記絶縁体層との界面に存在する荷電不純物の密度が０ｃｍ^−２以上５×１０^１１ｃｍ^−２以下である、構成８から１３の何れか１記載のＭＩＳ型半導体装置の製造方法。
（構成１５）
前記半導体層と前記絶縁体層との界面に存在する荷電不純物の密度が０ｃｍ^−２以上１×１０^１１ｃｍ^−２以下である、構成８から１３の何れか１記載のＭＩＳ型半導体装置の製造方法。
（構成１６）
前記不活性ガスはアルゴンガスである、構成８から１５の何れか１記載のＭＩＳ型半導体装置の製造方法。
（構成１７）
前記雰囲気の圧力は大気圧である、構成８または９に記載のＭＩＳ型半導体装置の製造方法。

本発明によれば、セーフティ、省エネルギー、かつ移動度が高くて高速動作に適するダイヤモンド半導体によるＭＩＳ型半導体装置およびその製造方法を提供することが可能になる。

本発明のＭＩＳ型半導体装置の構造を示す断面図。 本発明の半導体層とゲート絶縁体層の結晶構造を示す鳥瞰図。 本発明のＭＩＳ型半導体装置の製造工程を断面図にて示した製造工程図。 本発明のＭＩＳ型半導体装置の製造工程を断面図にて示した製造工程図。 本発明のＭＩＳ型半導体装置の製造工程を説明するフローチャート図。 本発明のＭＩＳ型半導体装置の製造工程を説明するフローチャート図。 実施例１のＭＩＳ型半導体装置の構造を示す断面図。（ａ）は上面から見た平面視図、（ｂ）は（ａ）のＡとＡ′を結ぶ線で断面をとったときの断面図、（ｃ）は（ａ）のＢとＢ′を結ぶ線で断面をとったときの断面図。 実施例１のＭＩＳ型半導体装置の製造工程を断面図にて示した製造工程図。 実施例１のＭＩＳ型半導体装置の製造工程を断面図にて示した製造工程図。 実施例１のＭＩＳ型半導体装置の製造工程を断面図にて示した製造工程図。 実施例１のＭＩＳ型半導体装置の製造工程を断面図にて示した製造工程図。 実施例１のＭＩＳ型半導体装置の製造工程を断面図にて示した製造工程図。 実施例１のＭＩＳ型半導体装置の製造工程を断面図にて示した製造工程図。 実施例１で使用した処理装置構成の概要図。 実施例１で使用した処理装置構成の概要図。 実施例１で作製したＭＩＳ型半導体装置の上面写真。 実施例１で作製したＭＩＳ型半導体装置の電気特性を示す特性図。 実施例１で作製したＭＩＳ型半導体装置の電気特性を示す特性図。 実施例１で作製したＭＩＳ型半導体装置の電気特性を示す特性図。 実施例１で作製したＭＩＳ型半導体装置の電気特性を示す特性図。 実施例１で作製したＭＩＳ型半導体装置の電気特性を示す特性図。 実施例１で作製したＭＩＳ型半導体装置の電気特性を示す特性図。 実施例１で作製したＭＩＳ型半導体装置の電気特性を示す特性図。 実施例１で作製したＭＩＳ型半導体装置の電気特性を示す特性図。

（実施の形態１）
以下本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。

＜コンセプト＞
前述のように、これまでの水素終端ダイヤモンド半導体では、水素終端された半導体表面近傍の電気伝導にはダイヤモンド半導体の表面に付着した、あるいはダイヤモンド半導体に接した絶縁膜中の負電荷が必要と考えられてきた。
それに対し、発明者は、この負電荷は必ずしも必要ではなく、むしろ負電荷はクーロン散乱によって電荷キャリアの移動度を低下させるとともに、ノーマリオン動作（すなわち、正の閾値電圧Ｖ_ＴＨ）を引き起こす要因になると考えた。そこで、水素終端ダイヤモンド表面形成後大気に暴露することなく、水素終端されたダイヤモンド半導体に接した絶縁膜を形成することで、負電荷密度を低減し、高いキャリア移動度（ホール移動度）と負の閾値電圧Ｖ_ＴＨを両立して得られることを見出した。
なお、本発明では、閾値電圧Ｖ_ＴＨは、ＭＩＳ型半導体装置において、ソースに対してゲートに印加したゲート電圧Ｖ_Ｇに対するソースとドレイン間に流れるドレイン電流Ｉ_Ｄの絶対値の平方根（｜Ｉ_Ｄ｜^１／２）の特性曲線を直線近似し、Ｉ_Ｄ＝０に外挿したときのゲート電圧Ｖ_Ｇの値のことをいう。

ここで、ゲート絶縁膜は、材料を限定されるものではなく、例えば、窒化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタンアルミニウム、フッ化カルシウムからなる単層膜またはこれらの膜からなる複合膜を挙げることができる。
この中で、ゲート絶縁膜は、窒化ホウ素が好ましく、単結晶の窒化ホウ素がより好ましく、六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）がより一層好ましい。また、絶縁膜を複合膜とするときは、水素終端ダイヤモンド層に接する面の膜を窒化ホウ素からなる膜とすることが好ましく、単結晶の窒化ホウ素からなる膜とすることがより好ましく、六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）からなる膜とすることがより一層好ましい。
ゲート絶縁膜として、窒化ホウ素、好ましくは単結晶の窒化ホウ素、より一層好ましくは六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）を用いた場合は、よりホール移動度を高めることができ、また、閾値電圧Ｖ_ＴＨはより大きな負電圧となって制御性も向上するという効果が得られる。

実験およびシミュレーションを駆使して詳細に検討した結果、本発明の方法では、水素終端された半導体表面近傍の電気伝導にはダイヤモンド半導体の表面に付着した、およびダイヤモンド半導体に接した絶縁膜中の負電荷は少なく、ゲートに印加した電圧で水素終端近傍のダイヤモンド半導体層の伝導が制御でき、しかも負電荷による散乱が抑えられる。また、例えば、ゲート絶縁膜としてｈ−ＢＮを用いた場合、移動度は５×１０^２ｃｍ^２Ｖ^−１ｓ^−１以上という高いものであった。

閾値電圧Ｖ_ＴＨが負電位であるｐ型のＭＩＳ半導体装置において、ゲート電圧Ｖ_Ｇが０のときドレイン電流Ｉ_Ｄは必ずしも０になるとは限らない。ゲート電圧Ｖ_Ｇに対するドレイン電流Ｉ_Ｄ特性がＶ_Ｇ＝０近傍で裾を引くように変化している場合、すなわち上記｜Ｉ_Ｄ｜^１／２の特性曲線が近似直線からＩ_Ｄ＝０近傍で解離する場合は、Ｖ_Ｇ＝０でドレイン電流Ｉ_Ｄが流れることがある。

しかしながら本発明の構成では、例えばゲート絶縁膜として六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）を用いた場合、｜Ｉ_Ｄ｜^１／２の近似直線は｜Ｉ_Ｄ｜^１／２の実測とよく一致し、Ｖ_Ｇ＝０でドレイン電流Ｉ_Ｄは４×１０^−４ｍＡ・ｍｍ^−１より少なくなった。すなわち、本発明のＭＩＳ型半導体装置は、ノーマリーオフ、すなわちゲート電極に電圧が印加されていない状態では電流が流れない省エネルギーに好適な特性を有する。ゲート電極に電圧を印加しない待機状態では、ドレイン電流Ｉ_Ｄが流れないため、セーフティ上も優れる。また、上述のようにホール移動度が高いため、オン抵抗を下げることができ、これによって導通損失を抑えることができるため、動作時も省エネルギーになる。

また、発明者は、水素終端ダイヤモンド半導体層表面に接してゲート絶縁膜を形成し、閾値電圧Ｖ_ＴＨを負電圧とする１つの方法として、水素終端半導体層形成工程直後から絶縁体層形成工程直前までの間の雰囲気が真空、水素ガス、不活性ガスおよび不活性ガスが添加された水素ガスからなる群より選ばれる何れかの１つとすればよいことを発見した。なお、水素終端半導体層形成工程と絶縁体層形成工程の両工程間の工程としては、例えば、試料の搬送工程や試料の一時保管工程を挙げることができる。ここで、絶縁膜としては、上記のように、窒化ホウ素が好ましく、単結晶の窒化ホウ素がより好ましく、六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）がより一層好ましい。

＜構造と特徴＞
本発明のＭＩＳ型半導体装置１０１は、図１に示すように、ダイヤモンド基板２１、ダイヤモンド半導体層２２、ゲート絶縁体層（ゲート絶縁膜）２３および導電体層（ゲート電極）２４を基本構成要素とし、他に、ソース電極およびその配線２８、ドレイン電極およびその配線２９、ゲート電極配線２７、絶縁膜２５、低抵抗化層２６を有する構造をもつ。ここで、ダイヤモンド半導体層２２の少なくとも第１主表面は、後述のように水素終端処理されている。
ここで、基板がダイヤモンド以外であっても基板上にダイヤモンドからなる薄膜を形成し、それをダイヤモンド半導体層２２としてもよい。また、ダイヤモンド基板２１を半導体層として利用し、ダイヤモンド基板２１の表層部をダイヤモンド半導体層２２としてもよい。肝要なことは、ダイヤモンドからなる半導体層がゲート絶縁膜２３と接していることである。ここで、ダイヤモンドからなる半導体層（ダイヤモンド半導体層）２２には、ドーパントが含まれていてもよい。

本発明は材料的に優れた電気的特性を有するダイヤモンドからなる半導体層を有するＭＩＳ型半導体装置に関するものであるが、本発明のＭＩＳ型半導体装置の構造で、よりその効果を高めるための特徴的なことの１つは、ゲート絶縁体層２３が窒化ホウ素からなること、より好ましくは窒化ホウ素の単結晶からなること、さらにより一層好ましくは六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）からなることである。

窒化ホウ素の構造体としては、アモルファス構造のアモルファス窒化ホウ素（ａ−ＢＮ）、ｃ軸方向の積層構造の乱れた乱層窒化ホウ素（ｔ−ＢＮ）、立方晶系閃亜鉛鉱型の立方晶窒化ホウ素（ｃ−ＢＮ）、六方晶系グラファイト構造の六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）および六方晶系ウルツ鉱型構造のウルツ鉱窒化ホウ素（ｗ−ＢＮ）が知られている。
これらの窒化ホウ素（ＢＮ）の中で、ゲート絶縁体層２３としては、ゲート絶縁体層２３中の電荷トラップを減らす観点から、六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）が一番好ましく、それが単結晶となっていることがより好ましい。

これまでに報告されたダイヤモンド半導体を用いたＭＩＳ型半導体装置（ダイヤモンド電界効果トランジスタ）では、ゲート絶縁体層（ゲート絶縁膜）は、多くは非晶質の膜で、主に蒸着法や原子層堆積法（ＡＬＤ法）によって形成されていた。これらの方法によって形成されたゲート絶縁体層は、原子欠損等に起因する電荷トラップ密度が比較的高く、ダイヤモンド半導体層との界面にも比較的高い界面準位が形成される。このようなトラップ（準位）に捕獲された電荷は、キャリアの移動度を低下する要因となる。

ダイヤモンドは各炭素原子が周りの４つの原子と共有結合で結び付いた結晶からなる。ダイヤモンドの表面では、結合手が余る。この未結合手は不安定で、表面準位として振る舞う。
未結合手は水素と結合させ安定化することができる。この状態を水素終端と呼ぶ。
例えば、化学気相合成したダイヤモンドの表面は、合成中に水素プラズマに晒されるため水素終端となる。このような水素終端ダイヤモンド表面を使えば、ダイヤモンド側の表面準位密度を低減できる。
一方、ｈ−ＢＮの表面は構造上、未結合手をもたない。そのため、ｈ−ＢＮと水素終端ダイヤモンドの接合界面の界面準位密度は低い。さらに、単結晶ｈ−ＢＮからなる絶縁体層（絶縁膜）中のトラップ密度は小さい。これらのことから、絶縁体層中のトラップや界面準位に捕獲された電荷によるキャリア散乱を低減できる。

また、ｈ−ＢＮの絶縁破壊電界（ｃ軸平行）は約１２ＭＶ／ｃｍと大きいため、高密度キャリアの誘起によって低オン抵抗も得られる。さらに、ｈ−ＢＮと水素終端ダイヤモンド（１１１）表面との格子不整合は約０．７％であり、格子欠陥や歪みの少ない界面形成に向いている。これも、ＭＩＳ型半導体装置の特性向上に利する。ここで、参考までに、ｈ−ＢＮと水素終端ダイヤモンド結晶（１１１）の結晶構造鳥瞰模式図を図２に示す。図２中の１１は炭素、１２は水素、１３はホウ素そして１４は窒素の各原子である。

ゲート絶縁体層２３は、ホウ素と窒素からなる１原子ペア層以上３００ｎｍ以下の厚さが好ましく、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下がより好ましい。
１原子ペア層以上の稠密な膜になるとリーク電流が抑えられ、ゲート絶縁体層として機能しやすくなる。トンネル電流を含めたリーク電流を抑制するためには１ｎｍ以上の厚さが好ましい。
また、ゲート絶縁体層２３の厚さが３００ｎｍ以下の場合、ＭＩＳ型半導体装置として十分な静電容量を得やすくなる。

ダイヤモンド半導体層２２は、結晶面が（１００）または（１１１）の単結晶であることが好ましい。

ダイヤモンド半導体層２２とゲート絶縁体層２３との界面に存在する荷電不純物の密度(界面の濃度)は、０ｃｍ^−２以上５×１０^１１ｃｍ^−２以下、より好ましくは０ｃｍ^−２以上１×１０^１１ｃｍ^−２以下とすることが好ましい。荷電不純物の密度がこの範囲にあると、ダイヤモンド半導体層２２の水素終端された表面近傍に形成されるチャネル層を移動するホールの荷電不純物による散乱が抑制されて、高い移動度を有するＭＩＳ型半導体装置１０１を供給することが可能となる。
ここで、ＭＩＳ型半導体装置１０１は、ゲート電極２４に印加する負電位によって前記チャネル層にホールを誘起する。一方、ゲート電極２４に電圧が印加されない場合は、シャットオフの状態になり、ＭＩＳ型半導体装置１０１はノーマリーオフ動作となる。荷電不純物の密度が上記範囲に収まっている場合は、その荷電不純物によって誘起されるホールは極少量のため、ゲート電極２４に電圧が印加されないときのソースドレイン間のリーク電流は大変小さい。

発明者は、水素終端後からゲート絶縁体層２３によって水素終端面が覆われるまでの間、試料を真空やＡｒガスなどの不活性ガス環境に置いておくという比較的簡単な処理により、荷電不純物の密度を０ｃｍ^−２以上５×１０^１１ｃｍ^−２以下の範囲に収めることが可能であることを見出した。洗浄、クリーニング熱処理および表面処理を必要としないで荷電不純物の密度を上記範囲に収めることが可能である。

ダイヤモンドおよびｈ−ＢＮはどちらもワイドバンドギャップ（５．４７ｅＶおよび５．９７ｅＶ）をもつことから、高温動作に向いている。ｈ−ＢＮが室温で４Ｗ／ｃｍ・Ｋという銅に匹敵する高い熱伝導率をもつことも、ダイヤモンドの高い熱伝導率（室温で２２Ｗ／ｃｍ・Ｋ）と合わせて、チャネル部分からの優れた放熱に寄与する。さらに、ｈ−ＢＮは１０００℃の高温において酸化を防ぐコーティング材として働くことが知られている。そのため、ダイヤモンド表面の水素終端を高温で保護する機能も果たす。一方、ダイヤモンドおよびｈ−ＢＮの低い比誘電率（５．７および５．１（ｃ軸平行））は、高速・高周波動作に望ましい特性である。

なお、ゲート絶縁体層２３は、終端処理されたダイヤモンド半導体層２２の表面に直接接して、水、炭化水素やレジスト残渣などの層を挟まないことが好ましい。このような層を挟むと、界面準位が発生しやすいためである。

ゲート絶縁体層２３としてＡｌ_２Ｏ_３などの非晶質膜を用いた従来構造では、ゲート絶縁体層２３中およびゲート絶縁体層２３とダイヤモンド半導体層２２との界面にトラップ（電荷トラップ）が多く含まれる傾向がある。このため、キャリア伝導は散乱を受け、キャリア移動度は低いものとなる。
一方、ゲート絶縁体層（ゲート絶縁膜）として窒化ホウ素、好ましくは単結晶の窒化ホウ素、より好ましくはｈ−ＢＮ、さらに一層好ましくは単結晶のｈ−ＢＮを用いた本発明の構造では、ゲート絶縁体層２３中の電荷トラップは少ない傾向がある。このため、キャリア伝導は散乱が少なく、高いキャリア移動度が得られる。

ダイヤモンド基板２１は、その上に形成するダイヤモンド半導体層２２が欠陥の少ない高品質な結晶になるように、結晶欠陥が少なく、清浄度が高く、平坦、平滑な表面をもつことが好ましい。また、表面ラフネス散乱の影響を低減するため、半導体層の表面も平坦、平滑であることが好ましい。

ゲート電極２４は、閾値電圧Ｖ_ＴＨが負電圧になるような仕事関数をもつ導電材料からなる。具体的には、金属、グラファイト（Ｃ）またはドーパントが添加されたポリシリコンなどの導電膜を挙げることができる。金属としては、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）およびタンタル（Ｔａ）などを挙げることができる。また、ＡｌＣｕ、ＣｕＮｉＦｅおよびＮｉＣｒなどの合金、ＷＳｉ、ＴｉＳｉなどのシリサイドおよびポリサイド、ＷＮ、ＴｉＮ、ＣｒＮおよびＴａＮなどの金属化合物も用いることができる。ゲート電極２４は、このような材料の中から導電率、仕事関数、加工性などを適宜勘案して適当な材料を選択すればよい。
なお、閾値電圧Ｖ_ＴＨは、ゲート電極２４の材料、ゲート絶縁体層２３の材料とその膜厚、半導体チャネル層の材料、不純物およびその密度などに左右される。
また、集積回路として本発明のＭＩＳ半導体装置を用いる場合は、インテグレーションとしての各種熱処理が加わることから、それらの熱処理も勘案した材料の拡散を考慮の上、材料を選択する。

ソース電極とその配線２８、ドレイン電極とその配線２９およびゲート電極配線２７は、金属、グラファイト、あるいはドーパントが添加されたポリシリコンなどの導電膜からなる。金属としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、Ｃｕ、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌ、ＣｒおよびＴａなどを挙げることができる。また、ＡｌＣｕ、ＣｕＮｉＦｅおよびＮｉＣｒなどの合金、ＷやＴｉなどを用いたポリサイド、ＷＮ、ＴｉＮ、ＣｒＮおよびＴａＮなどの金属化合物も用いることができる。
これらの導電膜は、ダイヤモンド半導体層２２と接する部分でオーミックコンタクトが取れることが好ましい。例えば、導電膜として、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）などの高い仕事関数を有する金属を用いることが好ましい。これらの高仕事関数の金属は直接接触でオーミックコンタクトがとれるという特徴がある。また、チタン（Ｔｉ）を用いることもできる。ここで、Ｔｉは、アニールしてダイヤモンドと反応させてＴｉＣを形成しておくことが好ましい。一方で、Ｔｉは酸化されやすいので、ダイヤモンド半導体層２２と電気的接触をとる場合は、ダイヤモンド半導体層２２側からＴｉ、その上にＰｔやＡｕやＷといった材料が積層された導電膜構造とすることが好ましい。

また、ソース電極２８およびドレイン電極２９とのオーミックコンタクトを確実にとり、ダイヤモンド半導体層２２のチャネル部以外の抵抗を下げるために、低抵抗化層２６をダイヤモンド半導体層２２とソース電極２８やドレイン電極２９との界面に形成しておくことが好ましい。例えば、ソース電極２８およびドレイン電極２９がＴｉからなるときの低抵抗化層としてはアニール形成によるＴｉＣを挙げることができる。

絶縁膜２５は、電気的に絶縁するとともに水分や不純物の拡散を防止して、ＭＩＳ半導体装置１０１の安定動作に一役を担うものである。その材料としては、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜、酸化窒化シリコン（ＳｉＮＯ）膜、炭化シリコン（ＳｉＣ）膜、炭化窒化シリコン（ＳｉＣＮ）膜、炭化窒化酸化シリコン（ＳｉＣＮＯ）膜、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）膜、窒化ホウ素（ＢＮ）膜およびポリイミドなどの有機膜などを挙げることができる。

＜製造方法＞
次に、このＭＩＳ型半導体装置１０１の製造方法を、断面構造を示した図３、４およびフローチャートで示した図５を用いて説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、ダイヤモンド基板２１を準備する。ダイヤモンド基板としては、例えば、ＩｂタイプあるいはＩＩａタイプで、結晶面が１００あるいは１１１のものを好んで用いることができる。
ここで、ダイヤモンド基板２１の表面は、平坦（平面）で原子レベルの平滑な面であることが好ましい。電界効果トランジスタの電気特性としては、ダイヤモンド半導体層２２とゲート絶縁体層２３との界面の平坦性、平滑性が重要であるが、その界面の平坦性、平滑性を十分高いものにするためには、ダイヤモンド基板２１表面の平坦度、平滑度および清浄度を十分に高めておく必要がある。

その後、図３（ｂ）に示すように、ダイヤモンド基板２１上に終端が水素になっているダイヤモンド半導体層をエピタキシャル成長させて、水素終端されたダイヤモンド半導体層２２を形成する（図５のＳ１）。
水素終端されたダイヤモンド半導体層２２は、例えば、ＣＨ_４ガスとＨ_２ガスを用いたマイクロ波プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により成膜することができる。
ダイヤモンド半導体層２２の厚さは１０ｎｍ以上が好ましい。厚さが１０ｎｍ以上であると、特にＩｂ基板の場合に、基板からの不純物の混入を抑制することができる。

ダイヤモンド半導体層２２には、ドーパントが添加されていてもよい。ホール系のドーパントとしてはホウ素（Ｂ）を、また電子系のドーパントとしてはリン（Ｐ）を挙げることができる。ドーパントの添加量としては、１０^１６／ｃｍ^３以上１０^１９／ｃｍ^３以下が好ましい。１０^１６／ｃｍ^３未満ではドーパント添加の効果が小さく、１０^１９／ｃｍ^３を超えるとキャリア散乱要因となって移動度などの性能が低下する。

次に、ダイヤモンド半導体層２２の表面（少なくとも第１主表面）が水素終端された直後から、試料の置かれている環境が真空、水素ガス、不活性ガスおよび不活性ガスが添加された水素ガスからなる群より選ばれる何れかの１つになるように、排気または／および不活性ガス置換を行う（図５のＳ２）。不活性ガスとしては、Ａｒガス、Ｋｒガス、Ｘｅガス等の貴ガスおよびＮ_２ガスを挙げることができる。ここで、この真空、水素ガス、不活性ガスおよび不活性ガスが添加された水素ガスからなる群より選ばれる何れかの１つの環境は、少なくとも後述の絶縁膜２３ａを形成する直前まで維持されるようにする。このようにすることにより、ダイヤモンド半導体層２２と絶縁膜２３ａとの界面の荷電不純物は少なくなり、高いホール移動度が得られるようになる。

なお、次工程の絶縁膜２３ａ形成がＣＶＤなど、一旦真空環境下においてなされる処理の場合は、試料環境を真空に置いておくことが効率的で好ましく、絶縁膜２３ａ形成が貼り合わせなどの場合は、作業効率の観点から不活性ガス環境に置くことが好ましい。なお、不活性ガスとしては、不活性度、純度の確保およびコストを総合的に勘案して、Ａｒガスが最も好ましい。

真空に置かれる場合は、その効果と設備負担を鑑みて真空度は１×１０^−５Ｐａ程度が好ましい。
不活性ガスを使用する場合は、大気圧が取り扱いの容易さから好ましい。ここで、大気圧とは、低気圧、高気圧、高所を含む大気環境下での圧力、およびグローブボックス等で外気が混入しないように与圧にした状態を含む圧力を指す。
また、環境中の酸素ガス（Ｏ_２ガス）の濃度は０．５ｐｐｍ以下、露点は−８０℃以下が好ましい。
水素終端されたダイヤモンドの表面は化学的に安定であり、このレベルの環境で荷電不純物が少なく、荷電不純物散乱の少ない高いホール移動度を得るに好適な半導体層としての表面状態を得ることができる。

その後、図３（ｃ）に示すように、水素などで終端処理されたダイヤモンド半導体層２２上に、絶縁膜２３ａを形成する（図５のＳ３）。ここで、絶縁膜２３ａとしては、窒化ホウ素が好ましく、窒化ホウ素の単結晶が特に好ましく、ｈ−ＢＮがより一層好ましく、ｈ−ＢＮの単結晶がさらに一層好ましい。以下、効果の高い、絶縁膜が窒化ホウ素の場合を例にして説明する。
絶縁膜２３ａは、劈開して得られた窒化ホウ素薄膜の貼り合わせ法、熱ＣＶＤやプラズマＣＶＤなどの化学的気相成長法、スパッタリングなどの物理的気相成長法、および物理化学的気相成長法などにより形成することができる。具体例としては、トリエチルボラン（ＴＥＢ）とアンモニア（ＮＨ_３）を原料ガスとし、キャリアガスに水素（Ｈ_２）を用いた有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＲＦプラズマにより作製した活性窒素と電子銃により加熱供給されたホウ素を用いた分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）などを挙げることができる。
なお、絶縁膜２３ａを劈開して得られた窒化ホウ素薄膜の貼り合わせで形成する場合は、その貼り合わせ環境が、真空、水素ガス、不活性ガスおよび不活性ガスが添加された水素ガスからなる群より選ばれる何れかの１つであることが好ましい。すなわち、絶縁膜２３ａの形成工程の環境が、真空、水素ガス、不活性ガスおよび不活性ガスが添加された水素ガスからなる群より選ばれる何れかの１つであることが好ましい。

なお、ダイヤモンド半導体層２２と絶縁膜２３ａとの界面の吸着物の除去と絶縁膜２３ａ表面の清浄化のため、絶縁膜２３ａを形成した後に、不活性ガスと水素（Ｈ_２）ガスとの混合ガスを用いたアニールを行うことが好ましい。ここで、不活性ガスとしては、例えば、アルゴン（Ａｒ）を挙げることができる。

その後、図３（ｄ）に示すようにゲート電極２４を形成する（図５のＳ４）。
このゲート電極２４の形成方法としては、ゲート電極２４を構成する導電材料をスパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法および貼り合わせ法などで絶縁膜２３ａ上に被着させた後、リソグラフィによってレジストパターンを形成し、引き続きエッチングを行って形成する方法が挙げられる。このエッチングとしては、微細加工性の観点からドライエッチングが好んで用いることができるが、ウェットエッチングを用いることもできる。ウェットエッチングの場合は、作製されるＭＩＳ型半導体装置１０１へのダメージを抑制しやすいという特徴がある。
また、リフトオフ用のレジストパターンを絶縁膜２３ａ上に形成した後、ゲート電極２４を構成する導電材料をスパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法などで堆積させ、リフトオフする方法も挙げることができる。

ここで、スパッタリング法としては、ＤＣスパッタリング法、ＲＦスパッタリング法などを挙げることができるが、スループットの観点からはＲＦスパッタリング法がより好ましい。蒸着法としては、加熱蒸着法や電子線蒸着法などを挙げることができる。ゲート電極２４の材料としてポリシリコンを用いるときは、ポリシリコンの成膜法としてＣＶＤ法を好んで用いることができる。この際、リン（Ｐ）などのドーパントを添加して、低抵抗化しておくことが好ましい。

その後、絶縁膜２５ａをスパッタリング法、ＡＬＤ法、ＣＶＤ法、貼り合わせ法、またはＳＯＧ（Ｓｐｉｎ ｏｎ Ｇｌａｓｓ）などの塗布法によって形成する（図４（ａ））。
ここで、成膜した絶縁膜２５ａには、電気特性の安定化に妨げとなる空孔や所望ではない水が含まれることが多いので、アニールを施しておくことが好ましい。

引き続き、リソグラフィとエッチングによって絶縁膜２５ａおよびゲート絶縁膜２３ａに所望の開口を形成して、それぞれ絶縁膜２５およびゲート絶縁体層（ゲート絶縁膜）２３とする（図４（ｂ））。

その後、電極と半導体層とのオーミック接触をとり、かつ低抵抗とする低抵抗化層２６を開口部のダイヤモンド半導体層２２露出面に形成する（図４（ｃ））。低抵抗化層２６は、ＴｉやＭｏなどダイヤモンドと炭化物を形成する金属を堆積させたのちに、アニールによって金属炭化物を形成することで得ることができる。また、水素終端半導体層に対しては、堆積させたＡｕ，Ｐｄ，Ｐｔなどの高仕事関数金属を低抵抗化層とすることができる。

しかる後、導電膜の堆積、リソグラフィおよびエッチングを行ってゲート電極配線２７、ソース電極およびその配線２８、ドレイン電極およびその配線２９を形成する（図４（ｄ））。
なお、前述の低抵抗化層２６は、これらの電極または／および配線を形成した後にアニールを施すなどして形成してもよい。
以上の工程により、ダイヤモンド半導体層２２とｈ−ＢＮからなるゲート絶縁体層２３を有するＭＩＳ型半導体装置１０１が作製される。

本発明のＭＩＳ型半導体装置１０１は、キャリア移動度（ホール移動度）が高く、ノーマリーオフ動作によりオフ時（待機時）の消費電力が少ないとともに、オン時も相互コンダクタンスｇ_ｍが高く、オン抵抗も少ないので消費電力が少ない省エネルギーに好適な半導体装置である。待機時は殆ど通電しないため、セキュリティ上も好ましい。
したがって、本発明により、移動度とキャリア密度の両特性を高いレベルで兼ね備えた高性能ＭＩＳ型半導体装置が提供される。

上記では、単体のＭＩＳ型半導体装置１０１の作製方法を説明したが、ＭＩＳ型半導体装置１０１が複数載置されて集積化されたＭＩＳ型半導体装置も同様にして作製することができる。この場合、各ＭＩＳ型半導体装置１０１間に絶縁層を設け、必要に応じて素子分離を行う。

（実施の形態２）
実施の形態１では、水素終端ダイヤモンド半導体層形成工程Ｓ１、すなわちダイヤモンド基板２１上に終端が水素になっているダイヤモンド半導体層２２を形成する工程を経てＭＩＳ型半導体装置１０１を製造する方法を説明した。
実施の形態２では、水素終端ダイヤモンド半導体層形成工程Ｓ１に代えて、図６に示すように、ダイヤモンド半導体露出部材準備工程Ｓ１１と水素終端処理工程Ｓ１２とし、他の工程は実施の形態１と同様にしてＭＩＳ型半導体装置を提供する。

実施の形態２では、最初に、ダイヤモンド半導体が露出した部材を準備する（工程Ｓ１１）。ダイヤモンド半導体が露出した部材としては、ダイヤモンド半導体基板、およびダイヤモンド半導体の第１主表面の一部が露出し、一部に導電層または／および素子分離用などの絶縁層が形成された部材を挙げることができる。
その後、露出したダイヤモンド半導体の少なくとも一部を水素終端処理する（工程Ｓ１２）。
水素終端処理の方法としては、水素ガス下でのプラズマ、または熱処理を挙げることができる。プラズマを用いた場合を例にとると、ＭＰ−ＣＶＤ装置を用い、Ｈ_２流量５００ｓｃｃｍ、圧力４ＫＰａ、ヒーター設定温度６００℃およびマイクロ波出力３００Ｗの条件で１０分処理する方法を挙げることができる。
以下、真空ｏｒ不活性ガス環境処置（Ｓ１３）は実施の形態１の真空ｏｒ不活性ガス環境処置（Ｓ２）、窒化ホウ素絶縁体層形成工程（Ｓ１４）は実施の形態１の窒化ホウ素絶縁体層形成工程（Ｓ３）、および導電体層形成工程（Ｓ１５）は実施の形態１の導電体層形成工程（Ｓ４）と同様とすればよい。
以上により、実施の形態１と同様の特性を有するＭＩＳ型半導体装置を提供することができる。

以下では実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、この実施例はあくまで本発明の理解を助けるためここに挙げたものであり、本発明をこれに限定するものではない。

（実施例１）
＜素子構造＞
実施例１のＭＩＳ型半導体装置２０１の素子構造を要部断面構造図である図７を参照しながら説明する。ここで、図７（ａ）は、上面から見た平面視図で、図７（ｂ）および図７（ｃ）は、それぞれ図７（ａ）のＡとＡ′およびＢとＢ′を結んだ線で断面をとったときの断面図を示す。また、図７では構成をわかりやすく説明するために、その構成要素を矩形などで単純化して示している。
このＭＩＳ型半導体装置２０１は、ダイヤモンド基板３１、水素終端層３２、ゲート絶縁膜３３、ゲート電極３４_Ｇ、ソース電極３７_Ｓおよびドレイン電極３７_Ｄ、ゲート電極配線６２_Ｇ、ソース電極配線６２_Ｓ、ドレイン電極配線６２_Ｄおよび絶縁膜６１からなる。
ここで、ソース電極３７_Ｓおよびドレイン電極３７_Ｄは、上から厚さ５ｎｍの白金（Ｐｔ）からなる導電膜３６、厚さ５ｎｍのＴｉからなる導電膜３５、およびダイヤモンド基板３１と導電膜３５のＴｉとの界面に生成される炭化チタン（ＴｉＣ）からなる低抵抗化層４２で構成される。
ゲート絶縁膜３３は、六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）で、その膜厚は２３ｎｍである。

ダイヤモンド基板３１には、ゲート絶縁膜３３の直下に位置するチャネル部に水素終端層３２、導電膜３５の直下に位置するＴｉＣからなる低抵抗化層４２、および残りの表層部に酸素終端層４３の各領域が形成されている。

ゲート電極３４_Ｇは、厚さ２０ｎｍのグラファイトからなる。そして、そのゲート電極３４_Ｇに厚さ１０ｎｍのＴｉおよび厚さ１００ｎｍのＡｕが順次積層されたゲート電極配線（ボンディングパッド配線）６２_Ｇが形成されている。

ソースは、厚さ５ｎｍのＴｉおよび厚さ５ｎｍの白金（Ｐｔ）からなるオーミック接触用の導電膜（それぞれ図７中の３５、３６）とソース電極配線（ボンディングパッド配線）６２_Ｓからなる。ここで、ソース電極配線６２_Ｓは厚さ５ｎｍのＴｉ、厚さ５ｎｍのＰｔ、厚さ１０ｎｍのＴｉおよび厚さ１００ｎｍのＡｕが順次積層された構造となっている。また、導電膜３５とダイヤモンド基板３１の境界領域には、ＴｉＣからなる低抵抗化層４２が形成されている。
同様にドレインは、厚さ５ｎｍのＴｉおよび厚さ５ｎｍのＰｔからなるオーミック接触用の導電膜（それぞれ図７中の３５、３６）とドレイン電極配線（ボンディングパッド配線）６２_Ｄからなる。ここで、ドレイン電極配線６２_Ｄは厚さ５ｎｍのＴｉ、厚さ５ｎｍのＰｔ、厚さ１０ｎｍのＴｉおよび厚さ１００ｎｍのＡｕが順次積層された構造となっており、導電膜３５とダイヤモンド基板３１の境界領域には、ＴｉＣからなる低抵抗化層４２が形成されている。

また、チャネル層３２がゲート電極配線（ボンディングパッド配線）６２_Ｇと十分絶縁されるように、ゲート電極配線６２_Ｇが形成されるゲート絶縁膜３３の縁の部分（酸素終端と水素終端の領域の境界）７１を覆うように素子分離用の絶縁膜６１が形成されている。絶縁膜６１も六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）で、その膜厚は６３ｎｍである。

＜作製方法＞
以下、素子作製工程を断面図である図８から図１３を参照しながら説明する。ここで、図８−１０は図７（ａ）のＡとＡ′を結んだ線での断面図、および図１１−１３は図７（ａ）のＢとＢ′を結んだ線での断面図である。

１．基板の準備
ダイヤモンド基板３１としてロシアＴＩＳＮＣＭ研究所製の高温高圧合成ＩＩａ（１１１）ダイヤモンド単結晶基板を準備し、通常の方法で熱混酸および有機洗浄により基板の清浄化を行った。ここで、用いたダイヤモンド基板３１の大きさは２．５ｍｍ×２．５ｍｍ×０．３ｍｍである。

２．アライメントマークの作製
レーザーリソグラフィにより、アライメントマークをダイヤモンド基板３１上に形成した（図示なし）。
ここで、アライメントマークの形成工程を以下に示す。
最初に、ダイヤモンド基板３１の表面に下層レジストＰＭＧＩ−ＳＦ６Ｓ（Ｍｉｃｒｏｃｈｅｍ製）をスピンコートし、１８０℃で５分ベークした。その後、フォトレジストＡＺ−５２１４Ｅ（メルクパフォーマンスマテリアルズ製）をスピンコートし、１１０℃で２分ベークした。
次に、高速マスクレス露光装置（ナノシステムソリューションズ製、ＤＬ−１０００／ＮＣ２Ｐ）を用いて、アライメントマークパターンを描画した。ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）２．３８％で合計１５０秒現像した後、純水で合計１２０秒洗浄し、その後窒素ブローを行った。

しかる後、電子銃型蒸着装置によって、厚さ１０ｎｍのＴｉ、厚さ１５ｎｍのＰｔ、厚さ６０ｎｍのＡｕおよび厚さ２５ｎｍのＰｔを順次蒸着した。
その後、８０℃設定のウォーターバスで加熱したＮＭＰ中に試料を漬け、リフトオフを行った。
最後に、アセトンとＩＰＡでダイヤモンド基板３１をリンスした後、窒素ブローを行ってダイヤモンド基板３１の所定の場所にアライメントマークを形成した。

３．オーミック電極の作製
ダイヤモンド表面に電子線レジストｇＬ−２０００ＤＲ２．０（Ｇｌｕｏｎ Ｌａｂ製）をダイヤモンド基板３１上にスピンコートし、１８０℃で５分ベークした。
その後、エスペーサー３００Ｚ（昭和電工製）をスピンコートし、１００ｋＶ電子線描画装置（エリオニクス製、ＥＬＳ−７０００）を用いて、オーミック電極のパターンを描画した。描画後、エスペーサー除去のため純水で６０秒洗浄し、その後窒素ブローを行った。そしてキシレンで６０秒現像し、ＩＰＡで６０秒洗浄した後、窒素ブローを行ってダイヤモンド基板３１上にレジストパターン５１を形成した（図８（ａ）、図１１（ａ））。

次に、電子銃型蒸着装置によって、厚さ５ｎｍのＴｉからなる導電膜３５ａおよび厚さ５ｎｍのＰｔからなる導電膜３６ａを順次蒸着した（図８（ｂ）、図１１（ｂ））。
その後、８０℃設定のウォーターバスで加熱したＮＭＰ中に試料を漬け、リフトオフを行った。アセトンとＩＰＡでリンスした後、窒素ブローを行った。
しかる後、ＭＰＣＶＤ装置（セキテクノトロン製、ＡＸ５２００−Ｓ）内においてＨ_２雰囲気（Ｈ_２流量５００ｓｃｃｍ、圧力８０Ｔｏｒｒ）で３５分間アニールを行い、ダイヤモンドとＴｉの界面にＴｉＣからなる低抵抗化層４２を形成した（図８（ｃ）、図１１（ｃ））。アニールの際の設定温度は、６５０℃までおよそ３１分で上昇させ、６５０℃で３５分間保持した。

４．ダイヤモンド表面の水素終端化とレジスト残渣の除去
上記のオーミック電極形成に引き続きＭＰＣＶＤ装置（セキテクノトロン製、ＡＸ５２００−Ｓ）内でダイヤモンドを１０分間水素プラズマにさらし、表面の水素終端化とレジスト残渣の除去を行って、ダイヤモンド基板３１の露出面に水素終端層３２を形成した（図８（ｄ）、図１１（ｄ））。
水素プラズマの条件は、Ｈ_２流量５００ｓｃｃｍ、圧力３０Ｔｏｒｒ、ヒーター設定温度６００℃、マイクロ波出力３００Ｗである。
さらに、真空搬送用チャンバーと接続可能な別のＭＰＣＶＤ装置（セキテクノトロン製、ＡＸ５０００）内においてＨ_２雰囲気（Ｈ_２流量５００ｓｃｃｍ、圧力８０Ｔｏｒｒ）で３５分間アニールを行った。アニールの際の設定温度は、７１０℃までおよそ３４分で上昇させ、７１０℃で３５分間保持した。
ＭＰＣＶＤ装置（セキテクノトロン製、ＡＸ５０００）内でダイヤモンドを１０分間水素プラズマにさらし、表面吸着物の除去を行った。水素プラズマの条件はＨ_２流量５００ｓｃｃｍ、圧力３０Ｔｏｒｒ、ヒーター設定温度６７０℃、マイクロ波出力３００Ｗである。

引き続き、水素プラズマ処理を行ったダイヤモンド基板３１は、真空に保たれた試料搬送路を介して大気暴露することなく、アルゴンガス雰囲気のグローブボックスへ搬送した。その詳細を、断面で示した装置構成図である図１４および図１５を用いながら以下に説明する。

図１４は、水素プラズマ処理を行うときの処理装置１００１の概要を断面図で示したものである。
処理装置１００１は、水素終端処理チャンバー１０１１と試料搬送・一時保管室１０２５を主要な構成要素としている。そして、水素終端処理チャンバー１０１１を主体とした水素終端処理部Ｅ１と、試料搬送・一時保管室１０２５を主体とした試料搬送部Ｅ２に大別され、ゲートバルブ１０２４の先（ゲートバルブ１０２４と搬送中間室１０２７の接続部）で、Ｅ１部とＥ２部は切り離せるようになっている。

水素終端処理チャンバー１０１１は、２つのゲートバルブ１０２４と１０２６および搬送中間室１０２７を介して試料搬送・一時保管室１０２５に接続されていて、試料ロッド１０２９により、試料を水素終端処理チャンバー１０１１から試料搬送・一時保管室１０２５に搬送できるようになっている。ここで、搬送中間室１０２７には真空排気系を接続するためのフランジ１０２８が備えられており、真空排気系が接続されていないときはフランジ（ブランクフランジ）１０２８で閉じられている。
また、試料搬送・一時保管室１０２５には配管１０７１、バルブ１０７２、フランジ１０７３およびベローズ配管１０７４を介してターボ排気セット１０７５が接続されている。ここで、ターボ排気セット１０７５は、ターボ分子ポンプとダイヤフラムポンプからなるＴ−Ｓｔａｔｉｏｎ７５Ｄ（エドワーズ製）である。

水素終端処理チャンバー１０１１は、ダイヤモンド基板３１の第１主表面（ダイヤモンド半導体層）の露出面を水素プラズマにより水素終端する処理室であり、具体的には上述のＭＰＣＶＤ装置（セキテクノトロン製、ＡＸ５０００）の処理室である。
水素終端処理チャンバー１０１１は、ゲートバルブ１０１２を介してターボポンプ（ＳＴＰ−ｉＸ４５５、エドワーズ製）１０１３に繋がれ、ターボポンプ１０１３はバルブ１０１４および配管１０１５を介してスクロールポンプ（ｎＸＤＳ１５ｉ、エドワーズ製）１０１６に接続されている。このため、いわゆるオイルフリーの真空ポンプ構成になっている。１０１１の真空度は、真空計１０６３（電離真空計ＴＧ２００、アンペール製）によって読み取ることができる。

また、水素終端処理チャンバー１０１１は、真空粗引き目的で、バルブ１０１７と配管１０１８を介してスクロールポンプ１０１６に接続された排気パスを備えている。また、水素終端処理制御用に、バルブ１０１９、１０６１および配管１０６２が設けられ、それを介して水素終端処理チャンバー１０１１とスクロールポンプ１０１６が接続されたパスも有する。
また、水素終端処理チャンバー１０１１は、プロセスガス（Ｈ_２ガス）１０２３がバルブ１０２２を介して導入できるようになっている。
なお、水素終端処理チャンバー１０１１には、水素終端処理を行うときに１０１１内の圧力をモニターするためのバラトロン真空計１０２０も取り付けられている。

図１５は、ｈ−ＢＮからなる絶縁膜３３ａを試料に貼り付ける作業に用いる処理装置１００２の概要を断面図で示したものである。
処理装置１００２は、貼り合わせ処理室（グローブボックス）１０３１と試料搬送・一時保管室１０２５を主要な構成要素としている。試料搬送・一時保管室１０２５を主体とした前記の試料搬送部Ｅ２は、ゲートバルブ１０４３を介して貼り合わせ処理部Ｅ３が接続されて、試料が大気に晒されることなく、貼り合わせ処理室（グローブボックス）１０３１に試料を搬送できるようになっている。

ここで、試料を試料搬送・一時保管室１０２５から貼り合わせ処理室（グローブボックス）１０３１に搬送する際に試料が搬送中間室１０２７で大気に晒されないように、フランジ１０２８を介して、真空排気系Ｅ４が接続される。
真空排気系Ｅ４は、ベローズ配管１１０９、１１１１、バルブ１１１０、真空計（クリスタル/コールドカソード コンビネーションゲージ ＣＣ−１０、東京電子製）１１１２が備えられたチャンバー１１０１、アングルバルブ１１０２、ターボポンプ（ｎＥＸＴ３００Ｄ、エドワーズ製）１１０３、バルブ１１０４、配管１１０７およびスクロールポンプ（ｎＸＤＳ１５ｉ、エドワーズ製）１１０５を有し、さらにチャンバー１１０１をスクロールポンプ１１０５で粗引きする配管１１０７とバルブ１１０６も備えている。

貼り合わせ処理室１０３１は、試料に絶縁膜３３ａとなるｈ−ＢＮ絶縁膜を貼り合わせる処理室で、仕切り扉１０３２を介してパスボックス１０３４に接続され、パスボックス１０３４はバルブ１０３５および配管１０３６を介してスクロールポンプ（ｎＸＤＳ１５ｉ、エドワーズ製）１０３７に繋がれている。なお、貼り合わせ処理室１０３１にはスクロールポンプ１０３７で直接排気できるようにするための配管とバルブ１０３８が備えられており、パスボックス１０３４には圧力計１０３９が備えられている。

貼り合わせ処理室１０３１は、大気圧の不活性ガス（Ａｒガス）で満たされている。
Ａｒガスは、Ａｒガスシリンダー１０５２から配管１０５３を介して貼り合わせ処理室１０３１およびパスボックス１０３４に供給されるようになっている。ここで、貼り合わせ処理室１０３１およびパスボックス１０３４に向かう配管１０５３にはそれぞれバルブ１０５４および１０５５が設けられている。
また、このＡｒガスは、配管１０４２，１０４５およびバルブ１０４１，１０４４を介して貼り合わせ処理室１０３１に接続された不活性ガス循環精製機１０４０によって常時精製され、酸素濃度０．５ｐｐｍ以下、露点−７９℃以下に保たれている。さらに、この精製されたＡｒガスは、バルブ１１０８を介して接続された真空排気系Ｅ４を介して、試料搬送部Ｅ２に導入できるようになっている。
貼り合わせ処理室１０３１は、いわゆるグローブボックスとなっており、雰囲気を外部と隔離して貼り付け作業をするためのブチルゴム手袋が付随している。また、貼り合わせ処理室１０３１は、バルブ１０５４を介してＡｒガスシリンダー１０５２に、またバルブ１０３８を介してスクロールポンプ１０３７につながっており、手袋に手を入れたときなどに貼り合わせ処理室１０３１の内部の圧力を調整できるようになっている。さらに顕微鏡が備えられていて（図示なし）、外部と雰囲気（ガス）的に遮断された環境の下で、ミクロンオーダーの貼り付け作業が可能になっている。顕微鏡の画像は、不活性ガス環境を害することなく、貼り合わせ処理室１０３１の外部でモニターにより観察できるようになっている。
なお、貼り合わせ処理室１０３１の外壁は、ステンレスとガラスからなり、貼り合わせ処理室１０３１の内容量は約３１０Ｌである。

水素終端処理後からｈ−ＢＮ貼り合わせを行う前の工程を下記に示す。
最初に、前工程として、ゲートバルブ１０１２，１０２４、１０２６およびバルブ１０１４を開き、ターボポンプ１０１３およびスクロールポンプ１０１６を用いて、水素終端処理チャンバー１０１１および搬送中間室１０２７および試料搬送・一時保管室１０２５を真空状態にする。このときの真空は真空計１０６３の読みで３×１０^−５Ｐａ以下とした。
その後、ゲートバルブ１０１２、１０２４、１０２６およびバルブ１０１４を閉じ、バルブ１０２２，１０１９，１０６１を開け、上述の水素終端処理を行った。また、この処理の間、バルブ１０７２と１０２６を開け、ターボ排気セット１０７５を用いて試料搬送・一時保管室１０２５と搬送中間室１０２７の真空を引いておいた。

水素終端処理が終了したら、バルブ１０２２と１０１９を閉じ、ゲートバルブ１０１２およびバルブ１０１４を開いてターボポンプ１０１３およびスクロールポンプ１０１６を用いて水素終端処理チャンバー１０１１を真空にした。
その後、バルブ１０７２を閉じ、ターボ排気セット１０７５をシャットダウンした。またべローズ配管１０７４を外した。ゲートバルブ１０２４および１０２６を開き、試料搬送ロッド１０２９を使用して試料を試料搬送・一時保管室１０２５に移動させた。そして、移動が完了したら、ゲートバルブ１０２６を閉じた。
しかる後、ゲートバルブ１０１２を閉じ、バルブ１０２２を開いてＡｒガスを導入して水素終端処理チャンバー１０１１と搬送中間室１０２７を大気圧にしてから、１０２４を閉じた。

その後、ゲートバルブ１０２４と搬送中間室１０２７の接続部で試料搬送部Ｅ２を水素終端処理部Ｅ１から切り離し、ゲートバルブ１０４３のところで試料搬送部Ｅ２と貼り合わせ処理部Ｅ３を接続した。
また、真空排気系Ｅ４をフランジ１０２８のところで試料搬送部Ｅ２に接続し、搬送中間室１０２７をターボポンプ１１０３およびスクロールポンプ１１０５により真空排気した。真空が１×１０^−３Ｐａ以下まで下がったら、ゲートバルブ１０２６を開けた。アングルバルブ１１０２を閉じたあと、ベローズ配管１１１１、バルブ１１０８、１１１０、チャンバー１１０１、およびベローズ配管１１０９を介して、搬送中間室１０２７と試料搬送・一時保管室１０２５にＡｒガスを導入した。ここで、ベローズ配管１１１１の接続先である貼り合わせ処理室（グローブボックス）１０３１は、Ａｒガスシリンダー１０５２および不活性ガス循環精製機（Ａｒガス循環精製機）１０４０により、大気圧で精製された状態のＡｒガスが満たされている。

しかる後、ゲートバルブ１０４３を開いて試料搬送ロッド１０２９を操作して試料を貼り合わせ処理室１０３１に搬送した。そしてゲートバルブ１０４３を閉じた。
この後、以下に示すｈ−ＢＮの貼り付けを行った。

５．ｈ−ＢＮ（六方晶窒化ホウ素）の貼り付け
上記のように水素終端処理チャンバー１０１１でダイヤモンド基板３１の露出した第１主表面が水素終端処理された試料は、真空に保持された試料搬送・一時保管室１０２５を経由して、Ａｒガスで満たされたグローブボックス１０３１に搬送された。この状態でのグローブボックス１０３１内の酸素濃度は０．６ｐｐｍ以下であり、露点は−７９℃以下であった。

グローブボックス１０３１中でスコッチテープ法により、単結晶ｈ−ＢＮ（物質・材料研究機構内にて合成）の劈開を行った。劈開したｈ−ＢＮは、アクリル基板に貼ってあるＰＤＭＳ（Ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）上に転写した。光学顕微鏡を用いてＰＤＭＳ膜上のｈ−ＢＮとダイヤモンドのチャネル領域との位置合わせを行い、その後ｈ−ＢＮとダイヤモンドを貼り合わせて、絶縁膜３３ａを形成した（図９（ａ）、図１２（ａ））。ここで、試料がグローブボックス１０３１に搬送され、ｈ−ＢＮの貼り合わせが終了するまでの時間は約２時間であった。
しかる後、グローブボックス中でアニールを行った。この際、２０℃から１００℃まで１６分で昇温し１００℃で３０分保持、２００℃まで２０分で昇温し２００℃で３０分保持、および３００℃まで２０分で昇温し３００℃で３時間保持するシーケンスを用いた。

６．グラファイトの貼り付け
グローブボックス１０３１内でスコッチテープ法により、グラファイト（キッシュグラファイト、クアーズテック製）の劈開を行った。劈開したグラファイトは、アクリル基板に貼ってあるＰＤＭＳ上に転写した。光学顕微鏡を用いてＰＤＭＳ膜上のグラファイトとダイヤモンドのチャネル領域との位置合わせを行い、グラファイトをｈ−ＢＮ／ダイヤモンド上に貼りあわせた。
その後、グローブボックス１０３１中でアニールを行った。この際、２０℃から１００℃まで１６分で昇温し１００℃で３０分保持、２００℃まで２０分で昇温し２００℃で３０分保持、および３００℃まで２０分で昇温し３００℃で１時間保持するシーケンスを用いた。

７．ゲート電極の形成
試料をグローブボックス１０３１から取り出した後、前述の電子線リソグラフィ法により、ホールバーのパターンを描画した。ここで、レジストはＰＭＭＡ−Ａ６（Ｍｉｃｒｏｃｈｅｍ製）を、描画には１２５ｋＶ電子線描画装置（エリオニクス製、ＥＬＳ−Ｆ１２５）を、現像液にはＭＩＢＫ（メチルイソブチルケトン）：ＩＰＡ＝１：３の混合液を用いた。
その後、ＣＣＰ−ＲＩＥ装置により、ゲート電極となる領域以外のグラファイトのドライエッチングを３分間行った。プラズマの条件はＮ_２流量９６ｓｃｃｍ、ＣＨＦ_３流量２ｓｃｃｍ、Ｏ_２流量２ｓｃｃｍ、圧力１０Ｐａ、ＲＦ出力３５Ｗである。なお、このエッチングの際、ｈ−ＢＮは膜厚方向に途中までエッチングされる。
しかる後、アセトン中に試料を入れ、エッチングマスクとして用いたレジストを除去した。ＩＰＡで洗浄した後、窒素ブローを行って、グラファイトからなるゲート電極３４_Ｇを形成した。なお、このエッチングの際に、ダイヤモンド基板３１の第１主表面の露出した領域は、酸化されて酸素終端層４３ａが形成される（図９（ｂ）、図１２（ｂ））。

８．ｈ−ＢＮの整形
ゲート電極３４_Ｇを形成後、前述のレーザーリソグラフィにより、レジストパターン５２を形成した（図９（ｃ）、図１２（ｃ））。レジストはＡＺ−５２１４Ｅの単層である。
その後、ＣＣＰ−ＲＩＥ装置により、ｈ−ＢＮのドライエッチングを３分間行った。プラズマの条件は、Ｎ_２流量９６ｓｃｃｍ、ＣＨＦ_３流量２ｓｃｃｍ、Ｏ_２流量２ｓｃｃｍ、圧力１０ＰａそしてＲＦ出力３５Ｗである。その後、アセトン中に試料を入れ、エッチングマスクとして用いたレジストを除去した。なお、このエッチングの際に、酸素終端層４３ａはより酸化されて、酸素終端層４３ａは緻密に酸化された酸素終端層４３に変わる（図９（ｄ）、図１２（ｄ））。

９．素子分離用のｈ−ＢＮの貼り付け
前述の貼り合わせの手法を用いて、ゲート電極３４_Ｇからのゲート電極配線６２_Ｇが水素終端されたチャネル部３２と電気的に接触しないように、ゲート電極配線６２_Ｇを這わすためのｈ−ＢＮ（６１）を、接触を防止する酸素終端と水素終端の領域の境界７１に貼り合わせた（図１０（ａ）、図１３（ａ））。

１０．配線の作製
前述のレーザーリソグラフィを用いて、ゲート電極配線（６２_Ｇ）、ソース電極配線（６２_Ｓ）、ドレイン電極配線（６２_Ｄ）およびそれぞれのボンディングパッドを形成するためのレジストパターン５３を形成した。レジストはＡＺ−５２１４Ｅの単層である。
その後、電子銃型蒸着装置によって、厚さ１０ｎｍのＴｉと厚さ１００ｎｍのＡｕを順次蒸着し、ＴｉとＡｕからなる導電膜６２ａを堆積させた（図１０（ｂ）、図１３（ｂ））。
しかる後、アセトン中に試料を浸してリフトオフを行い、ＩＰＡでリンスした後、窒素ブロー乾燥を行って、ボンディングパッドを有するゲート電極配線６２_Ｇ、ソース電極配線６２_Ｓおよびドレイン電極配線６２_Ｄが形成されたＭＩＳ型半導体装置２０１を作製した（図１０（ｃ）、図１３（ｃ））。
作製されたＭＩＳ型半導体装置２０１を上面から撮った光学顕微鏡写真を参考までに図１６に示す。

＜電気特性＞
前述の方法によって作製したＭＩＳ型半導体装置２０１のＦＥＴ（電界効果トランジスタ）の電気特性を調べた。ここで、測定器としては、ソースメジャーユニットＢ２９０１Ａ（Ｋｅｙｓｉｇｈｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ製）、ファンクションジェネレータ３３２２０Ａ（Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ製）、アンプ１２０１および１２１１（ＤＬ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ製）、デジタルボルトメーター３４４０１Ａ（Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ製）を用いた。また、超伝導マグネットを備えた無冷媒冷却装置（仁木工芸製）と上記測定器を用いてホール効果測定を行った。

ゲート電圧とホール（Ｈａｌｌ）移動度の測定データを図１７に、また、ゲート電圧とホール（Ｈａｌｌ）シートキャリア密度の測定データを図１８に示す。ここで、ｈ―ＢＮからなるゲート絶縁膜の膜厚は２３ｎｍで、測定温度は３００Ｋである。
図１７から、６００ｃｍ^２Ｖ^−１ｓ^−１を超える高いホール（Ｈａｌｌ）移動度が得られることが確認された。
また、図１８から、ゲート電極３４_Ｇに負電圧を印加するほど線形的にホール（Ｈａｌｌ）シートキャリア密度が増え、ゲート電極３４_Ｇに印加する電圧が−１０Ｖのときには６×１０^１２ｃｍ^−２を超える高いホール（Ｈａｌｌ）シートキャリア密度が得られることが実証された。

図１７と図１８のデータを基に、ホール（Ｈａｌｌ）密度に対するホール（Ｈａｌｌ）移動度の関係をプロットした結果を図１９に示す。同図には、ダイヤモンド基板３１の露出表面の水素終端処理後、絶縁膜３３ａ（ｈ−ＢＮ）を貼り合わせるまでの環境を大気とした場合と、非特許文献５に開示されたデータ（必ずしもホール効果測定から得られたデータではない）も併せて載せている。さらに、同図には、音響フォノン、表面ラフネス、表面電荷不純物、およびそれらの総和の影響による、ホール移動度のホール密度依存性の理論曲線も併せて載せている。ここで、以下に理論曲線の計算方法の詳細を記す。

下記式（Ａ１）−（Ａ３）から、表面の負電荷による散乱、音響フォノン散乱、および表面ラフネス散乱による緩和時間τ_ｉｍｐ、τ_ａｃ、τ_ｒをそれぞれ計算し、下記式（Ａ４）によってこれらの散乱全体による緩和時間τを計算した。
ここで、式（Ａ１）−（Ａ４）は、それぞれ非特許文献６の式（１），（２），（４）および（５）に基づくものであるが、非特許文献とは異なり、重い正孔バンド、軽い正孔バンド、スピン軌道スプリットオフバンドそれぞれについて計算した。また、有効質量も、表面平行と垂直を区別した。作製した試料と同様に、ダイヤモンドの表面は（１１１）を考えている。そして、それぞれの移動度は、μ_ＨＨ＝ｅτ_ＨＨ／ｍ_ｃ ^ＨＨ＊、μ_ＬＨ＝ｅτ_ＬＨ／ｍ_ｃ ^ＬＨ＊、μ_ＳＯ＝ｅτ_ＳＯ／ｍ_ｃ ^ＳＯ＊より計算した。

図１９に示す移動度μとキャリア密度ｎの理論曲線は、以下の式（Ａ５）および（Ａ６）より求めた。ここで、実験では低磁場のホール効果によって移動度とキャリア密度を求めていることを考慮し、以下の低磁場における移動度とキャリア密度の式を使った。
μ ＝（ｎ_ＨＨμ_ＨＨ ^２＋ｎ_ＬＨμ_ＬＨ ^２＋ｎ_ＳＯμ_ＳＯ ^２）／（ｎ_ＨＨμ_ＨＨ＋ｎ_ＬＨμ_ＬＨ＋ｎ_ＳＯμ_ＳＯ）
・・・（Ａ５）
ｎ ＝（ｎ_ＨＨμ_ＨＨ＋ｎ_ＬＨμ_ＬＨ＋ｎ_ＳＯμ_ＳＯ）^２／（ｎ_ＨＨμ_ＨＨ ^２＋ｎ_ＬＨμ_ＬＨ ^２＋ｎ_ＳＯμ_ＳＯ ^２）
・・・（Ａ６）
ここで、ｎ_ＨＨ、ｎ_ＬＨ、ｎ_ＳＯはそれぞれ、重い正孔バンド、軽い正孔バンド、スピン軌道スプリットオフバンドに属するホールの面キャリア密度である。あるトータルのキャリア密度の場合に、ｎ_ＨＨ、ｎ_ＬＨ、ｎ_ＳＯにどのように分布するかは、以下の式（Ａ７）―（Ａ１０）からシュレーディンガー方程式とポアソン方程式を連立して解くことにより求めた。

ここで、ｉは、重い正孔バンドＨＨ、軽い正孔バンドＬＨ、スピン軌道スプリットオフバンドＳＯでの状態を代表していて、その何れかを表わす。
ｍ_ｚ ^ｉは表面垂直方向の有効質量（ｍ_ｚ ^ＨＨ＊、ｍ_ｚ ^ＬＨ＊、ｍ_ｚ ^ＳＯ＊）、ｍ_／／ ^ｉは表面平行方向の有効質量（ｍ_ｃ ^ＨＨ＊、ｍ_ｃ ^ＬＨ＊、ｍ_ｃ ^ＳＯ＊）、ｅφ（ｚ）はポテンシャルエネルギー、Ｅ_ｎ ^ｉは固有エネルギー（ｉ＝ＨＨ，ＬＨ，ＳＯの第ｎサブバンドの最高エネルギー）、Ψ_ｎ ^ｉは固有エネルギーＥ_ｎ ^ｉに対応する表面垂直方向の波動関数、Ｅ_Ｆはフェルミレベル、ｎ_ｎ ^ｉはｉ＝ＨＨ，ＬＨ，ＳＯの第ｎサブバンドを満たすホールの面キャリア密度、およびｎ_２Ｄはトータルのホールキャリア密度である。

計算に使ったパラメータは以下のとおりである。
温度 Ｔ＝３００ Ｋ
ダイヤモンドの比誘電率 ε_Ｓ＝５．７
密度 ρ＝３５１５ ｋｇｍ^−３
縦音響フォノン速度 ｕ_ｌ＝１７５３６ｍｓ^−１
変形ポテンシャル Ｄ_ａｃ＝８ｅＶ
二乗平均平方根（ＲＭＳ）表面ラフネス Δ＝０．２５ｎｍ
表面ラフネスの横方向の緩和長 Ｌ＝２ｎｍ
負の電荷の表面からの距離 ｄ＝０
表面に平行方向の有効質量 ｍ_ｃ ^＊
重い正孔バンド ｍ_ｃ ^ＨＨ＊＝０．２９９ｍ_０
軽い正孔バンド ｍ_ｃ ^ＬＨ＊＝０．５０３ｍ_０
スピン軌道スプリットオフバンド ｍ_ｃ ^ＳＯ＊＝０．３７５ｍ_０
（ｍ_０は静止質量）
表面に垂直方向の有効質量 ｍ_ｚ ^＊
重い正孔バンド ｍ_ｚ ^ＨＨ＊＝０．７６３ｍ_０
軽い正孔バンド ｍ_ｚ ^ＬＨ＊＝０．２４８ｍ_０
スピン軌道スプリットオフバンド ｍ_ｚ ^ＳＯ＊＝０．３７５ｍ_０
スピン軌道ギャップエネルギー Δ^ＳＯ＝６ｍｅＶ
ドナー密度 Ｎ_Ｄ＝１．７６×１０^１６ｃｍ^−３（０．１ｐｐｍ）

図１９から、半導体層として水素終端ダイヤモンドを、またゲート絶縁膜３３としてｈ−ＢＮを用い、水素終端層を形成してからｈ−ＢＮを貼り合わせるまでの環境を真空および大気圧のＡｒガスとして作製されたＦＥＴ（ＭＩＳ型半導体装置）は、２×１０^１１ｃｍ^−２から６×１０^１２ｃｍ^−２のホール（Ｈａｌｌ）密度領域で、５×１０^２ｃｍ^２Ｖ^−１ｓ^−１以上という高いホール（Ｈａｌｌ）移動度が得られることがわかる。
このホール（Ｈａｌｌ）移動度は、同構造で水素終端層を形成してからｈ−ＢＮを貼り合わせるまでの環境が大気の下で作製されたＦＥＴのそれに比べ約２倍である。また、非特許文献５で開示された（図１９に示された）これまでに報告されたダイヤモンドＦＥＴの移動度と大気に晒された水素終端ダイヤモンドの表面伝導の移動度に比べ大幅に高いものである。
また、音響フォノン、表面ラフネスおよび表面電荷不純物の効果を取り込んで計算されるシミュレーション結果と実験結果を比較すると、本発明のＦＥＴの実験結果は、表面電荷不純物が５×１０^１１ｃｍ^−２のときの理論計算とよく一致していることがわかる。このことから、本発明の半導体層として水素終端ダイヤモンドを、またゲート絶縁膜３３としてｈ−ＢＮを用い、水素終端層を形成してからｈ−ＢＮを貼り合わせるまでの環境を真空および大気圧のＡｒガスとして作製された実施例１のＦＥＴの表面電荷不純物は、約５×１０^１１ｃｍ^−２と考えられる。さらに、この表面電荷不純物が１×１０^１１ｃｍ^−２に低減された場合は、上記の２×１０^１１ｃｍ^−２から６×１０^１２ｃｍ^−２のキャリア密度領域で、１×１０^３ｃｍ^２Ｖ^−１ｓ^−１以上という高い移動度が得られると理論計算される。
実施例１のＦＥＴは、キャリア密度が１０^１２〜１０^１３ｃｍ^−２領域において、ダイヤモンド半導体層２２とゲート絶縁体層２３との界面に存在する表面電荷による移動度の抑制が少なく、ダイヤモンド半導体材料のもつ高移動度特性が引き出せて、移動度の高いものとなる。

図２０に、作製したＭＩＳ型半導体装置２０１のドレイン電流密度のドレイン電圧依存性を示す。ここで、ゲート長Ｌ_Ｇは８μｍ、ゲート幅Ｌ_Ｗは０．８μｍ、ｈ―ＢＮからなるゲート絶縁膜３３の膜厚は２３ｎｍである。測定温度は３００Ｋとし、ゲート電圧Ｖ_Ｇは−１０Ｖとした。ヒステリシスが僅かに認められるが、ｐ型で良好なＦＥＴ動作が得られている。

図２１に、ソース−ドレイン電圧Ｖ_ＤＳが−１０Ｖのときのドレイン電流密度のゲート電圧Ｖ_Ｇ依存性を示す。ゲート長Ｌ_Ｇ、ゲート幅Ｌ_Ｗ、ゲート絶縁膜３３の膜厚および測定温度は図２０の場合と同じである。この結果から、６桁以上の高いＯＮ／ＯＦＦ比が得られ、またゲート電圧Ｖ_Ｇが０Ｖのときのドレイン電流密度は４×１０^−４ｍＡ・ｍｍ^−１より小さいことがわかる。作製したＭＩＳ型半導体装置２０１は、消費電力の少ないＦＥＴであることが確認された。

図２２に、相互コンダクタンスｇ_ｍのゲート電圧Ｖ_Ｇ依存性を示す。この場合も、ゲート長Ｌ_Ｇ、ゲート幅Ｌ_Ｗ、ゲート絶縁膜３３の膜厚、ソース−ドレイン電圧Ｖ_ＤＳおよび測定温度は図２１の場合と同じである。作製したＭＩＳ型半導体装置２０１は、良好な相互コンダクタンスｇ_ｍの特性を有することがわかる。

図２３に、ゲート電圧Ｖ_Ｇとドレイン電流Ｉ_Ｄの関係を示す。また、この実測データを基にドレイン電流の平方根｜Ｉ_Ｄ｜^１／２のゲート電圧Ｖ_Ｇ依存性をプロットした結果を図２４に示す。ここで、ゲート長Ｌ_Ｇは８μｍ、ゲート幅Ｌ_Ｗは０．８μｍ、ｈ―ＢＮからなるゲート絶縁膜３３の膜厚は２３ｎｍである。測定温度は３００Ｋとし、ドレイン電圧Ｖ_Ｄは−１０Ｖとした。
この結果から、しきい値電圧Ｖ_ＴＨは−０．７９２Ｖと算出され、実施例１で作製したＭＩＳ型半導体装置２０１はノーマリーオフ動作をすることが実証された。

本発明により、耐圧や耐熱性などの材料特性に優れるダイヤモンド半導体を用いて、キャリア移動度（ホール移動度）が高く、かつ待機時の消費電力が少なくて省エネルギーに資するＭＩＳ型半導体装置を提供することが可能になる。
このため、本発明は、高温環境で利用可能なロジック回路、高温環境で利用可能なインバーターなどのパワーデバイスを例とした大電力、高周波、高温対応の半導体装置の道を切り開くものとなっており、産業上大いに利用されることが期待される。

１１：炭素
１２：水素
１３：ホウ素
１４：窒素
２１：ダイヤモンド基板
２２：ダイヤモンド半導体層
２３：ゲート絶縁体層（ゲート絶縁膜）
２３ａ：絶縁膜
２４：導電体層（ゲート電極）
２５：絶縁膜
２５ａ：絶縁膜
２６：低抵抗化層
２７：ゲート電極配線
２８：ソース電極およびその電極配線
２９：ドレイン電極及びその電極配線
３１：ダイヤモンド基板
３２：水素終端層
３３：ゲート絶縁膜（ゲート絶縁体ｈ−ＢＮ）
３３ａ：絶縁膜
３４_Ｇ：ゲート電極（グラファイト）
３５：導電膜
３５ａ：導電膜
３６：導電膜
３６ａ：導電膜
３７_Ｓ：ソース電極
３７_Ｄ：ドレイン電極
４２：低抵抗化層
４３：酸素終端層
４３ａ：酸素終端層
５１，５２，５３：レジストパターン
６１：絶縁膜（素子分離用ｈ−ＢＮ）
６２：導電膜（電極配線）
６２ａ：導電膜
６２_Ｇ：ゲート電極配線（ボンディングパッド配線）
６２_Ｓ：ソース電極配線（ボンディングパッド配線）
６２_Ｄ：ドレイン電極配線（ボンディングパッド配線）
７１：酸素終端と水素終端の領域の境界
１０１：ＭＩＳ型半導体装置
２０１：ＭＩＳ型半導体装置
１００１：処理装置
１００２：処理装置
１０１１：水素終端処理チャンバー
１０１２：ゲートバルブ
１０１３：ターボポンプ
１０１４：バルブ
１０１５：配管
１０１６：スクロールポンプ
１０１７：バルブ
１０１８：配管
１０１９：バルブ
１０２０：バラトロン真空計
１０２２：バルブ
１０２３：プロセスガス
１０２４：ゲートバルブ
１０２５：試料搬送・一時保管室
１０２６：ゲートバルブ
１０２７：搬送中間室
１０２８：フランジ
１０２９：試料搬送ロッド
１０３１：貼り合わせ処理室（グローブボックス）
１０３２：仕切り扉
１０３４：パスボックス
１０３５：バルブ
１０３６：配管
１０３７：スクロールポンプ
１０３８：バルブ
１０３９：圧力計
１０４０：不活性ガス循環精製機（Ａｒガス循環精製機）
１０４１：バルブ
１０４２：配管
１０４３：ゲートバルブ
１０４４：バルブ
１０４５：配管
１０５２：Ａｒガスシリンダー
１０５３：配管
１０５４：バルブ
１０５５：バルブ
１０６１：排気量調整バルブ
１０６２：配管
１０６３：真空計
１０７１：配管
１０７２：バルブ
１０７３：フランジ
１０７４：ベローズ配管
１０７５：ターボ排気セット
１１０１：チャンバー
１１０２：アングルバルブ
１１０３：ターボポンプ
１１０４：バルブ
１１０５：スクロールポンプ
１１０６：バルブ
１１０７：配管
１１０８：バルブ
１１０９：ベローズ配管
１１１０：バルブ
１１１１：ベローズ配管
１１１２：真空計
Ｅ１：水素終端処理部
Ｅ２：試料搬送部
Ｅ３：貼り合わせ処理部
Ｅ４：真空排気系

Claims (17)

1. 半導体層と絶縁体層と導電体層を有し、前記絶縁体層が前記半導体層と前記導電体層で挟まれたｐ型のＭＩＳ型半導体装置であって、
   前記半導体層は少なくとも前記絶縁体層と接する部分の一部が水素終端されたダイヤモンドからなり、
   閾値電圧Ｖ_ＴＨが負電圧である、ＭＩＳ型半導体装置。
2. 前記絶縁体層は窒化ホウ素からなる、請求項１記載のＭＩＳ型半導体装置。
3. 前記絶縁体層は窒化ホウ素の単結晶からなる、請求項１または２記載のＭＩＳ型半導体装置。
4. 前記絶縁体層は六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）からなる、請求項１から３の何れか１記載のＭＩＳ型半導体装置。
5. 前記半導体層と前記絶縁体層との界面に存在する荷電不純物の密度が０ｃｍ^−２以上５×１０^１１ｃｍ^−２以下である、請求項１から４の何れか１記載のＭＩＳ型半導体装置。
6. 前記半導体層と前記絶縁体層との界面に存在する荷電不純物の密度が０ｃｍ^−２以上１×１０^１１ｃｍ^−２以下である、請求項１から４の何れか１記載のＭＩＳ型半導体装置。
7. 前記導電体層はグラファイトからなる、請求項１から６の何れか１記載のＭＩＳ型半導体装置。
8. 水素で終端されたダイヤモンドからなる第１主表面を有する半導体層を形成することと、
   前記半導体層の水素で終端された面の少なくとも一部に接して絶縁体層を形成することと、
   前記絶縁体層の少なくとも一部の上に導電体層を形成することを有し、
   前記半導体層を形成することの直後から前記絶縁体層を形成することの直前に至るまで間の雰囲気が、真空、水素ガス、不活性ガスおよび不活性ガスが添加された水素ガスからなる群より選ばれる何れかの１つである、ＭＩＳ型半導体装置の製造方法。
9. 第１主表面の少なくとも一部にダイヤモンドからなる半導体層が露出している部分を有する部材を準備する部材準備することと、
   前記半導体層が露出している部分の少なくとも一部を水素処理することと、
   前記半導体層の前記水素処理された部分の少なくとも一部に接して絶縁体層を形成することと、
   前記絶縁体層の少なくとも一部の上に導電体層を形成することを有し、
   前記水素処理することの直後から前記絶縁体層を形成することの直前に至るまで間の雰囲気が、真空、水素ガス、不活性ガスおよび不活性ガスが添加された水素ガスからなる群より選ばれる何れかの１つである、ＭＩＳ型半導体装置の製造方法。
10. 前記絶縁体層を形成することの雰囲気が真空、水素ガス、不活性ガスおよび不活性ガスが添加された水素ガスからなる群より選ばれる何れかの１つである、請求項８または９記載のＭＩＳ型半導体装置の製造方法。
11. 前記絶縁体層は窒化ホウ素からなる、請求項８から１０の何れか１記載のＭＩＳ型半導体装置の製造方法。
12. 前記絶縁体層は窒化ホウ素の単結晶からなる、請求項８から１１の何れか１記載のＭＩＳ型半導体装置の製造方法。
13. 前記絶縁体層は六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）からなる、請求項８から１２の何れか１記載のＭＩＳ型半導体装置の製造方法。
14. 前記半導体層と前記絶縁体層との界面に存在する荷電不純物の密度が０ｃｍ^−２以上５×１０^１１ｃｍ^−２以下である、請求項８から１３の何れか１記載のＭＩＳ型半導体装置の製造方法。
15. 前記半導体層と前記絶縁体層との界面に存在する荷電不純物の密度が０ｃｍ^−２以上１×１０^１１ｃｍ^−２以下である、請求項８から１３の何れか１記載のＭＩＳ型半導体装置の製造方法。
16. 前記不活性ガスはアルゴンガスである、請求項８から１５の何れか１記載のＭＩＳ型半導体装置の製造方法。
17. 前記雰囲気の圧力は大気圧である、請求項８または９に記載のＭＩＳ型半導体装置の製造方法。
    

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