JP3348556B2

JP3348556B2 - ダイアモンドのエッチング方法

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Publication number: JP3348556B2
Application number: JP04037195A
Authority: JP
Inventors: 淳一佐藤
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-07-12
Filing date: 1995-02-28
Publication date: 2002-11-20
Anticipated expiration: 2017-11-20
Also published as: JPH0883790A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ダイアモンドのエッチ
ング方法に関し、例えばＭＩＳ型ＦＥＴなどのダイアモ
ンド半導体デバイスの製造プロセスに利用して有用なダ
イアモンドのエッチング方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ダイアモンドの薄膜を使って半導
体デバイスを製作しようとする動きが盛んである。半導
体デバイスの材料としてのダイアモンドはシリコンと比
べ、キャリア移動度が大きいため、動作速度が数倍速
い、バンドギャップが５．５ｅＶと広く、７００℃程度
の高温でも動作可能である、超ＬＳＩで特に問題となる
α線などの放射線に強い、等の特性を有し、シリコン半
導体デバイスでは対応できない宇宙空間や原子炉周りな
どの環境に適合するダイアモンド半導体デバイスの開発
が期待されている。ダイアモンド半導体デバイスの開発
にあたっては、単結晶の薄膜を成長させる安価な方法の
開発や、ｎ型半導体を得るためのドーピング方法、複雑
な回路を描くためのエッチング技術などの開発が重要で
ある。

【０００３】既知のダイアモンド半導体デバイスの一例
としてＭＩＳ型ＦＥＴについて、その製造プロセスの一
部を図４を参照して概説する。

【０００４】まず図４（ａ）に示すように、基板１０１
の上にダイアモンド半導体層１０２を形成する。つぎに
ダイアモンド半導体層１０２の表面全体にダイアモンド
絶縁体層１０３を形成し、さらにその上にアルミニウム
膜等からなるマスク層１０４をパターン形成する。つぎ
に図４（ｂ）に示すように、ＦＥＴ構造を作るために、
マスク層１０４で被覆されていないダイアモンド絶縁体
層１０３をエッチングする。このエッチング工程では、
ダイアモンド半導体層１０２に対してダイアモンド絶縁
体層１０３を高い選択比でエッチングすることが重要で
あり、正確に時間をコントロールしてエッチングを行っ
ている。この後、図４（ｃ）に示すように、マスク層１
０４を除去してダイアモンド絶縁体層１０３のパターン
を残す。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記のダイアモンド半
導体デバイスの製造プロセスにおけるダイアモンドのエ
ッチングは、低温プラズマを用いた周知のドライエッチ
ング方法（プラズマエッチング方法）によって行われ
る。ダイアモンドの構成元素は炭素なので、エッチング
としては酸素ガスを用いれば良い訳であるが、酸素ガス
は低温プラズマ中での解離が悪いという理由で、通常は
解離効率のよいＮ₂Ｏを用いている。しかし、Ｎ₂Ｏガ
スではエッチングの効率が悪いという基本的な問題があ
った。この問題の原因は、Ｎ₂Ｏガスから発生する酸素
ラジカルの量が少ないためと考えられる。

【０００６】また酸素ガスを使用しない理由はもう１つ
ある。それは、酸素ガスを使用する場合には、通常のレ
ジストマスクを使用できない点である。つまり、酸素ガ
スはレジストマスクをもエッチングするので、実用的な
選択比が得られない。このように、ダイアモンド半導体
デバイスを製作するにあたり、ダイアモンド層を効率よ
く高精度にエッチングすることが難しく、このことがデ
バイス開発の隘路となっていた。

【０００７】本発明は、前述した従来の問題点に鑑みて
なされたもので、その目的は、ダイアモンド層を効率よ
く高精度にエッチングする技術を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そこで本発明では、ダイ
ヤモンドをエッチングするにあたり、エッチングしよう
とする部分に、マスクを用いて事前に特定物質を打ち込
んで改質し、その上でドライエッチングを行うようにし
た。打ち込みの方法としては、イオンインプランテーシ
ョン法、またはプラズマドーピング法を採用する。この
際、エッチングしようとする部分の厚さ方向にわたり、
特定物質が略均一に分布するように特定物質の注入エネ
ルギーを変更するなどの打ち込み条件を設定する。特定
物質は、例えば酸素が望ましい。

【０００９】また本発明では、ダイアモンドの特定部分
に特定物質を打ち込むためのマスクを除去した後、マス
クレスのドライエッチングを行うこととした。

【００１０】あるいは本発明においては、ダイアモンド
の特定部分に特定物質を打ち込むためのマスクを、その
ままドライエッチングのマスクとして用いてもよい。

【００１１】

【作用】ダイアモンドの特定部分に打ち込まれた、例え
ば酸素のような特定物質は、そのままの状態では特定部
分に留まってこの個所を改質するものの、直ちにエッチ
ング作用を示現することはない。しかしながら、改質部
分のドライエッチングにともなうイオンエネルギ等によ
り活性化されて酸素活性種を放出し、ダイアモンドのＣ
−Ｃ結合を切断してＣ−Ｏ結合を形成し、ダイアモンド
のエッチャントとして機能する。したがって、ドライエ
ッチング時のエッチングガスと共同してエッチング作用
を示すこととなり、エッチングレートが増大する。

【００１２】またエッチングすべき特定部分のみを改質
しておくことにより、ドライエッチング時のエッチング
レートが高くなるので、マスクレスのエッチングでも選
択比を保ってダイアモンドをパターニングすることが可
能となる。もちろん、特定物質を打ち込むために使用し
たマスクを除去せずに、そのまま次工程のドライエッチ
ングのマスクとして使用することも可能である。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の具体的実施例につき、添付図
面を参照して説明する。最初に本発明のダイアモンドの
エッチング方法の説明に先立ち、各実施例で共通して用
いたドライエッチング装置につき、図３に示す概略断面
図を参照して説明する。

【００１４】図３に示すその概略断面図を示すドライエ
ッチング装置は、基板バイアス印加型の有磁場マイクロ
波プラズマエッチング装置である。マグネトロン１で発
生した２．４５ＧＨｚのマイクロ波２を、導波管３を通
じて石英べルジャ４で隔成された反応室５に導入する。
石英べルジャ４の外周にはソレノイドコイル６が巻回さ
れており、ソレノイドコイル６が発生する０．０８７５
Ｔの磁界とマイクロ波２の相互作用により、反応室５内
にＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲ
ｅｓｏｎａｎｃｅ）放電によるプラズマ７を生成する。
エッチング対象物である基板８は、反応室５下部のサセ
プタ９上に図示しない搬送手段により載置される。サセ
プタ９の内部には、冷却管が挿通されており、図示しな
いチラーとの間で冷却媒体が循環している。エッチング
ガスは、多数のガス吹き出し孔を有するリング状の導入
管１１から反応室５内に供給され、図示しない排気系で
排気管１２から真空排気される。なおサセプタ９には基
板バイアス印加手段が接続されるが、これも図示を省略
する。

【００１５】実施例１以下、本発明のダイアモンドのエッチング方法の第１の
実施例につき、図１（ａ）〜（ｄ）を参照して説明す
る。以下の各実施例は、一例として前述したダイアモン
ド薄膜を用いたＭＩＳ型ＦＥＴの製造プロセスの一部を
とりあげる。

【００１６】まず図１（ａ）に示すように、基板１０１
上にダイアモンド半導体層１０２を形成し、このダイア
モンド半導体層１０２にはｎ型ドーパントとして窒素を
ドープする。つぎにダイアモンド半導体層１０２の表面
全面にダイアモンド絶縁体層１０３を形成する。なお各
ダイアモンド層は、ＣＨ₄とＨ₂との混合ガスを用いた
公知のマイクロ波プラズマＣＶＤに準拠して形成した。
ダイアモンド絶縁体層１０３の上部には、フォトレジス
ト膜からなるマスク層１０４をパターン形成する。

【００１７】つぎにマスク層１０４で被覆されていない
ダイアモンド絶縁体層１０３に対し、イオンインプラン
テーション法により酸素を打ち込んでこの部分を改質処
理する。イオンインプランテーションの具体的条件とし
ては、例えば使用ガスＯ₂ 加速エネルギ２０ＫｅＶドーズ量５×１０¹⁵ ｃｍ^-2 の条件を用いた。この際加速エネルギを段階的あるいは
連続的に変えて、その飛程がダイアモンド絶縁体層１０
３の厚さ方向に略均一に分布するように条件を設定して
もよい。また飛程は、下層のダイアモンド半導体層１０
２にはかからないように配慮する。イオンインプランテ
ーションによりダイアモンド絶縁体層１０３中に酸素が
打ち込まれ、改質領域１０５が形成された状態を図１
（ｂ）に示す。この後、マスク層１０４をアッシング除
去した状態が図１（ｃ）である。

【００１８】つぎに図２に示す基板バイアス印加型の有
磁場マイクロ波プラズマエッチング装置を用い、一例と
して下記条件によりマスクレスエッチングを行い、ダイ
アモンド絶縁体層１０３の改質領域１０５を除去する。Ｎ₂Ｏ流量４０ｓｃｃｍガス圧力１．３３Ｐａマイクロ波電源パワー８５０Ｗ（２．４５Ｇ
Ｈｚ）基板バイアス電源パワー３０Ｗ（１３．５６
ＭＨｚ）基板温度５０ ℃ このエッチング過程では、改質領域１０５に打ち込まれ
た酸素はドライエッチングにともなうイオンエネルギ等
により活性化され、大量の酸素活性種を放出する。この
酸素活性種は、Ｃ−Ｃ結合を切断してＣ−Ｏ結合を形成
し、エッチャントとして機能する。したがって、ドライ
エッチング時のエッチングガスと共同してエッチング作
用を示すこととなり、エッチングレートが従来の約２倍
に増大する。この結果、ダイアモンド絶縁体層１０３の
非改質部分に対して選択的にエッチングが進行し、図１
（ｄ）に示すようにダイアモンド絶縁体層１０３のパタ
ーンが形成される。

【００１９】この後、周知の方法に準拠してダイアモン
ド絶縁体層１０３上にゲート電極を、また露出したダイ
アモンド半導体層１０２上にソース電極およびドレイン
電極（いずれも図示せず）を形成することにより、ＭＩ
Ｓ型ＦＥＴを作成した。本実施例によれば、イオンイン
プランテーションによりダイアモンド絶縁体層を改質
し、マスクレスエッチングを行うことにより、効率的か
つ高精度のパターニングが可能となる。

【００２０】実施例２本実施例は同じくＭＩＳ型ＦＥＴの製造プロセスの一部
につき、図２（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。本実
施例のエッチング方法は基本的には実施例１と同じであ
るが、相違点はイオンインプランテーション際のマスク
を、ドライエッチング時のマスクとして共用した点にあ
る。

【００２１】本実施例においては、イオンインプランテ
ーションにより改質領域１０５を形成する図２（ａ）〜
（ｂ）までのプロセスは、実施例１で図１（ａ）〜
（ｂ）を参照して説明したプロセスと同じであるので、
重複する説明を省略する。つぎに本実施例ではマスク層
１０４を残したまま、図２に示す基板バイアス印加型有
磁場マイクロ波プラズマエッチング装置を用い、ダイア
モンド絶縁体層１０３の改質領域を除去する。プラズマ
エッチング条件は実施例１における条件と同じでよい。
エッチング終了後の状態を図２（ｃ）に示す。さらにマ
スク層１０４をアッシング除去した状態が図２（ｄ）で
ある。この後、周知の方法に準拠してダイアモンド絶縁
体層１０３上にゲート電極を、また露出したダイアモン
ド半導体層１０２上にソース電極およびドレイン電極
（いずれも図示せず）を形成することにより、ＭＩＳ型
ＦＥＴを作成した。本実施例によれば、イオンインプラ
ンテーションによりダイアモンド絶縁体層を改質し、イ
オンインプランテーション時のマスクとエッチング時の
マスクを共用してエッチングを行うことにより、効率的
かつ高精度のパターニングが可能となる。

【００２２】実施例３本実施例は同じくＭＩＳ型ＦＥＴの製造プロセスの一部
につき、再び図１（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。
本実施例も基本的には実施例１とおなじであるが、相違
点はイオンインプランテーションの替わりにプラズマド
ーピングにより改質層を形成した点である。

【００２３】本実施例においては、マスク層１０４を形
成する図１（ａ）までのプロセスは実施例１と同じであ
るので重複する説明を省略する。つぎに、ダイアモンド
絶縁体層１０３の露出部分に対し、プラズマドーピング
法により酸素を打ち込む。このプラズマドーピングは、
一般的なプラズマドーピング装置により、一例として下
記条件により行った。使用ガスＯ_２ガス流量５０ｓｃｃｍガス圧力２６．７Ｐａ高周波出力３００Ｗイオンエネルギ５００Ｖこのプラズマドーピングによりダイアモンド絶縁体層１
０３中に酸素が打ち込まれ、改質領域１０５が形成され
た状態を図１（ｂ）に示す。この際イオンエネルギを段
階的あるいは連続的に変えて、打ち込まれた酸素の濃度
分布ががダイアモンド絶縁体層１０３の厚さ方向に略均
一に分布するように条件を設定してもよい。また打ち込
まれた酸素は、下層のダイアモンド半導体層１０２には
かからないように配慮する。この後、マスク層１０４を
アッシング除去した状態が図１（ｃ）である。

【００２４】つぎに図３に示す基板バイアス印加型の有
磁場マイクロ波プラズマエッチング装置を用い、マスク
レスエッチングを行い、ダイアモンド絶縁体層１０３の
改質領域１０５を除去する。プラズマエッチング条件は
実施例１における条件と同じでよい。エッチング終了後
の状態を図１（ｄ）に示す。本エッチング過程における
改質領域１０５の除去の機構は実施例１における機構と
大略同じであり、従来の約２倍のエッチングレートでエ
ッチングが進行する。この結果、ダイアモンド絶縁体層
１０３の非改質部分に対し、改質領域１０５のエッチン
グが選択的に進行し、図１（ｄ）に示すようにダイアモ
ンド絶縁体層１０３の、パターンが形成される。この
後、同じく周知の方法に準拠してダイアモンド絶縁体層
１０３上にゲート電極を、また露出したダイアモンド半
導体層１０２上にソース電極およびドレイン電極（いず
れも図示せず）を形成することにより、ＭＩＳ型ＦＥＴ
を作成した。本実施例によれば、プラズマドーピングに
よりダイアモンド絶縁体層を改質し、マスクレスエッチ
ングを行うことにより、効率的かつ高精度のパターニン
グが可能となる。

【００２５】実施例４本実施例は同じくＭＩＳ型ＦＥＴの製造プロセスの一部
につき、再び図２（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。
本実施例のエッチング方法は基本的には実施例１と同じ
であるが、相違点はプラズマドーピングの際のマスク
を、ドライエッチング時のマスクとして共用した点にあ
る。

【００２６】本実施例においては、プラズマドーピング
により改質領域１０５を形成する図２（ａ）〜（ｂ）ま
でのプロセスは、実施例３におけるプロセスと同じであ
るので、重複する説明を省略する。つぎに本実施例では
マスク層１０４を残したまま、図２に示す基板バイアス
印加型有磁場マイクロ波プラズマエッチング装置を用
い、ダイアモンド絶縁体層１０３の改質領域を除去す
る。プラズマエッチング条件は実施例１における条件と
同じでよい。エッチング終了後の状態を図２（ｃ）に示
す。さらにマスク層１０４をアッシング除去した状態が
図２（ｄ）である。この後、周知の方法に準拠してダイ
アモンド絶縁体層１０３上にゲート電極を、また露出し
たダイアモンド半導体層１０２上にソース電極およびド
レイン電極（いずれも図示せず）を形成することによ
り、ＭＩＳ型ＦＥＴを作成した。本実施例によれば、プ
ラズマドーピングによりダイアモンド絶縁体層を改質
し、プラズマドーピング時のマスクとエッチング時のマ
スクを共用してエッチングを行うことにより、効率的か
つ高精度のパターニングが可能となる。

【００２７】以上本発明を４つの実施例を用いて説明し
たが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものでは
ない。例えば、以上の実施例ではダイアモンド絶縁体層
をエッチングしているが、ダイアモンド半導体層にもま
ったく同様にしてこの発明を適用することができる。ダ
イアモンドの結晶形態も単結晶に限らず、非晶質ダイア
モンド等のエッチングに適用してもよい。その他、イオ
ンインプランテーション条件やプラズマドーピング条
件、エッチング条件やエッチング装置についても、本発
明の技術的思想の範囲内で適宜変更は可能である。

【００２８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のダイヤモンドのエッチング方法によれば、ダイヤモン
ドのエッチング工程に先立って、エッチングしようとす
る部分に事前に特定物質の注入エネルギーを変更して打
ち込んで改質し、その上でドライエッチングを行う。ド
ライエッチングにともなうイオンエネルギ等により、改
質部分に打ち込まれた特定物質が活性化され、エッチャ
ントとなり、エッチングガスとともにエッチング作用を
示すことになる。したがって、エッチングレートが大き
くなり、非改質部分との選択比の大きいエッチングが可
能となる。

【００２９】また、マスクでパターニングしてエッチン
グすべき部分のみに改質処理を施しておくことで、改質
処理のマスクと、エッチング時のマスクとを共用するこ
とが可能であり、プロセスの簡略化に寄与する。さらに
改質処理時のマスクは、改質処理終了後除去しておけ
ば、マスクレスエッチングが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した実施例１および３のダイアモ
ンドのエッチング方法を説明する概略断面図であり、
（ａ）は基板上にダイアモンド半導体層、ダイアモンド
絶縁体層およびマスク層を順次形成した状態、（ｂ）は
マスク層をマスクとしてダイアモンド絶縁体層を改質し
た状態、（ｃ）はマスク層を除去した状態、そして
（ｄ）はマスクレスエッチングによりダイアモンド絶縁
体の改質部分を除去した状態である。

【図２】本発明を適用した実施例２および４のダイアモ
ンドのエッチング方法を説明する概略断面図であり、
（ａ）は基板上にダイアモンド半導体層、ダイアモンド
絶縁体層およびマスク層を順次形成した状態、（ｂ）は
マスク層をマスクとしてダイアモンド絶縁体層を改質し
た状態、（ｃ）はマスク層をエッチング用のマスクとし
てダイアモンド絶縁体の改質部分を除去した状態、そし
て（ｄ）はマスク層を除去した状態である。

【図３】本発明を適用した各実施例で使用した基板バイ
アス印加型有磁場マイクロ波プラズマエッチング装置の
概略断面図である。

【図４】従来のダイアモンドのエッチング方法を説明す
る概略断面図であり、（ａ）は基板上にダイアモンド半
導体層、ダイアモンド絶縁体層およびマスク層を順次形
成した状態、（ｂ）はマスク層をマスクとしてダイアモ
ンド絶縁体層をエッチングした状態、そして（ｃ）はマ
スク層を除去した状態である。

【符号の説明】

１０１基板１０２ダイアモンド半導体層１０３ダイアモンド絶縁体層１０４マスク層１０５改質領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065 C01B 31/06 H01L 21/265 H01L 21/31

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ダイヤモンドをエッチングするにあた
り、エッチングしようとする部分に事前に特定物質の注
入エネルギーを変更して打ち込んで改質し、その上でド
ライエッチングを行うことを特徴とする、ダイヤモンド
のエッチング方法。
【請求項２】イオンインプランテーション法により、
ダイヤモンドの特定部分に特定物質の注入エネルギーを
連続的または段階的に変更して打ち込むことを特徴とす
る、請求項１記載のダイヤモンドのエッチング方法。
【請求項３】プラズマドーピング法により、ダイヤモ
ンドの特定部分に特定物質の注入エネルギーを連続的ま
たは段階的に変更して打ち込むことを特徴とする、請求
項１記載のダイヤモンドのエッチング方法。
【請求項４】特定物質は酸素であることを特徴とす
る、請求項１記載のダイヤモンドのエッチング方法。