JP3380313B2 - ダイヤモンド電界効果トランジスタ - Google Patents
ダイヤモンド電界効果トランジスタInfo
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は動作層を構成する半導体
層がダイヤモンド層からなるダイヤモンド電界効果トラ
ンジスタに関する。
層がダイヤモンド層からなるダイヤモンド電界効果トラ
ンジスタに関する。
【０００２】
【従来の技術】ダイヤモンドは、バンドギャップが大き
く（５．５eV）、また高い熱伝導率（２０W・K／cm）及
び高い飽和キャリア移動度（電子：２０００cm2／V・
秒、正孔：２１００cm2／V・秒）を有すると共に、優れ
た絶縁破壊電界強度（１０7V／cm）を有する。また、こ
のダイヤモンドに適切な不純物を添加することにより、
半導体化が可能であるため、高温及び放射線下等で動作
する耐環境性電子デバイス、ハイパワーデバイス及び高
周波デバイス等への応用が期待されており、ダイヤモン
ド薄膜を用いた電界効果トランジスタについても、種々
の構造が提案されている（特開昭64-68966号、特開平1-
158774号、特開平3-94429号、特開平3-12966号、特開平
3-160731号、、特開平3-263872号）。
く（５．５eV）、また高い熱伝導率（２０W・K／cm）及
び高い飽和キャリア移動度（電子：２０００cm2／V・
秒、正孔：２１００cm2／V・秒）を有すると共に、優れ
た絶縁破壊電界強度（１０7V／cm）を有する。また、こ
のダイヤモンドに適切な不純物を添加することにより、
半導体化が可能であるため、高温及び放射線下等で動作
する耐環境性電子デバイス、ハイパワーデバイス及び高
周波デバイス等への応用が期待されており、ダイヤモン
ド薄膜を用いた電界効果トランジスタについても、種々
の構造が提案されている（特開昭64-68966号、特開平1-
158774号、特開平3-94429号、特開平3-12966号、特開平
3-160731号、、特開平3-263872号）。
【０００３】しかしながら、これらの従来技術で開示さ
れているダイヤモンド電界効果トランジスタは、単結晶
ダイヤモンド基板、単結晶ダイヤモンド基板上のホモエ
ピタキシャルダイヤモンド薄膜、又は多結晶ダイヤモン
ド薄膜を構成要素として形成されている。
れているダイヤモンド電界効果トランジスタは、単結晶
ダイヤモンド基板、単結晶ダイヤモンド基板上のホモエ
ピタキシャルダイヤモンド薄膜、又は多結晶ダイヤモン
ド薄膜を構成要素として形成されている。
【０００４】単結晶ダイヤモンドを電界効果トランジス
タに使用する場合は、その基板面積が小さい（数ｍｍ
角）ため、素子の集積化が不可能であり、一括して多数
の電界効果トランジスタを製作するということができな
いという実用上の問題点がある。加えて、単結晶ダイヤ
モンド基板は極めて高価であり、電界効果トランジスタ
の製作のためのコストが高くなる。また、天然及び高圧
合成の単結晶ダイヤモンド中には数多くの結晶欠陥が存
在するため、作製した電界効果トランジスタの電気的特
性は単結晶ダイヤモンドとして理論的に期待されるダイ
ヤモンド特性には到達していない。
タに使用する場合は、その基板面積が小さい（数ｍｍ
角）ため、素子の集積化が不可能であり、一括して多数
の電界効果トランジスタを製作するということができな
いという実用上の問題点がある。加えて、単結晶ダイヤ
モンド基板は極めて高価であり、電界効果トランジスタ
の製作のためのコストが高くなる。また、天然及び高圧
合成の単結晶ダイヤモンド中には数多くの結晶欠陥が存
在するため、作製した電界効果トランジスタの電気的特
性は単結晶ダイヤモンドとして理論的に期待されるダイ
ヤモンド特性には到達していない。
【０００５】而して、近年のダイヤモンド薄膜合成技術
の進歩により、４インチ径程度の安価な非ダイヤモンド
基板上に均一な多結晶ダイヤモンド薄膜を再現性よく合
成することが可能となった。多結晶ダイヤモンド薄膜を
用いて電気効果トランジスタを製作する場合、単結晶ダ
イヤモンド基板の場合には不可能なダイヤモンド電界効
果トランジスタの高集積化が可能になると共に、一括し
て多数の電界効果トランジスタを製作することができる
ため、製造コストを低下することができるという利点が
ある。しかしながら、現在得られている多結晶ダイヤモ
ンド薄膜は多数の粒界と結晶欠陥を含み、表面の凹凸が
激しい。
の進歩により、４インチ径程度の安価な非ダイヤモンド
基板上に均一な多結晶ダイヤモンド薄膜を再現性よく合
成することが可能となった。多結晶ダイヤモンド薄膜を
用いて電気効果トランジスタを製作する場合、単結晶ダ
イヤモンド基板の場合には不可能なダイヤモンド電界効
果トランジスタの高集積化が可能になると共に、一括し
て多数の電界効果トランジスタを製作することができる
ため、製造コストを低下することができるという利点が
ある。しかしながら、現在得られている多結晶ダイヤモ
ンド薄膜は多数の粒界と結晶欠陥を含み、表面の凹凸が
激しい。
【０００６】粒界はキャリアの散乱を引き起こすため、
正孔の移動度を大幅に低下させると共に、漏れ電流の経
路となり素子の特性を低下させる。また、高温及び大気
中で素子を作動させる場合、粒界部分からダイヤモンド
薄膜の酸化、グラファイト化が進行し、電界効果トラン
ジスタの最高使用可能温度が単結晶の場合に比して低
い。また、結晶内に存在する欠陥もキャリアの散乱の原
因となるため、欠陥がキャリア移動度の低下をもたら
す。最後に、表面の凹凸は電界効果トランジスタにおい
て、ゲート電極直下にかかる電界の不均一を生じさせ、
各素子間の特性のバラツキの原因となる。
正孔の移動度を大幅に低下させると共に、漏れ電流の経
路となり素子の特性を低下させる。また、高温及び大気
中で素子を作動させる場合、粒界部分からダイヤモンド
薄膜の酸化、グラファイト化が進行し、電界効果トラン
ジスタの最高使用可能温度が単結晶の場合に比して低
い。また、結晶内に存在する欠陥もキャリアの散乱の原
因となるため、欠陥がキャリア移動度の低下をもたら
す。最後に、表面の凹凸は電界効果トランジスタにおい
て、ゲート電極直下にかかる電界の不均一を生じさせ、
各素子間の特性のバラツキの原因となる。
【０００７】以上、述べたように、従来のように多結晶
ダイヤモンド薄膜を用いて電界効果トランジスタを製作
する場合、生産性の観点からは大きなメリットがある
が、素子の特性を考えた場合、現状では実用レベルには
達していない。
ダイヤモンド薄膜を用いて電界効果トランジスタを製作
する場合、生産性の観点からは大きなメリットがある
が、素子の特性を考えた場合、現状では実用レベルには
達していない。
【０００８】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、安価に大量の電気的特性が優れたダイヤモ
ンド電界効果トランジスタを提供することを目的とす
る。
のであって、安価に大量の電気的特性が優れたダイヤモ
ンド電界効果トランジスタを提供することを目的とす
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明に係るダイヤモン
ド電界効果トランジスタは、動作層と、ゲートと、ソー
ス及びドレインとを有する電界効果トランジスタにおい
て、前記動作層が、気相合成によって形成されたダイヤ
モンド薄膜であって、その薄膜表面積の８０％以上がダ
イヤモンドの（１００）結晶面又は（１１１）結晶面の
いずれかにより構成されており、隣接する（１００）結
晶面又は（１１１）結晶面の結晶面方位を表すオイラー
角｛α，β，γ｝の差｛△α，△β，△γ｝が｜△α｜
≦５°、｜△β｜≦５°、｜△γ｜≦５°を満足する高
配向性ダイヤモンド薄膜からなる半導体層により構成さ
れていることを特徴とする。
ド電界効果トランジスタは、動作層と、ゲートと、ソー
ス及びドレインとを有する電界効果トランジスタにおい
て、前記動作層が、気相合成によって形成されたダイヤ
モンド薄膜であって、その薄膜表面積の８０％以上がダ
イヤモンドの（１００）結晶面又は（１１１）結晶面の
いずれかにより構成されており、隣接する（１００）結
晶面又は（１１１）結晶面の結晶面方位を表すオイラー
角｛α，β，γ｝の差｛△α，△β，△γ｝が｜△α｜
≦５°、｜△β｜≦５°、｜△γ｜≦５°を満足する高
配向性ダイヤモンド薄膜からなる半導体層により構成さ
れていることを特徴とする。
【００１０】図１は本発明に係る（１００）結晶面が高
度に配向したダイヤモンド薄膜表面の構造を模式的に示
す。薄膜面内に相互に直交するＸ軸及びＹ軸を定義し、
薄膜表面の法線方向をＺ軸と定義する。ｉ番目及びそれ
に隣接するｊ番目のダイヤモンド結晶面の結晶面方位を
表すオイラー角を夫々｛αi，βi，γi｝、｛αj，
βj，γj｝とし、両者の角度差を｛△α，△β，△γ｝
とする。
度に配向したダイヤモンド薄膜表面の構造を模式的に示
す。薄膜面内に相互に直交するＸ軸及びＹ軸を定義し、
薄膜表面の法線方向をＺ軸と定義する。ｉ番目及びそれ
に隣接するｊ番目のダイヤモンド結晶面の結晶面方位を
表すオイラー角を夫々｛αi，βi，γi｝、｛αj，
βj，γj｝とし、両者の角度差を｛△α，△β，△γ｝
とする。
【００１１】オイラー角｛α，β，γ｝は基準結晶面を
基準座標のＺ、Ｙ、Ｚ軸の周りに角度α、β、γの順に
回転して得られる結晶面の配向を表す。
基準座標のＺ、Ｙ、Ｚ軸の周りに角度α、β、γの順に
回転して得られる結晶面の配向を表す。
【００１２】本発明においては、｜△α｜≦５°、｜△
β｜≦５°、｜△γ｜≦５°を同時に満足する高配向性
ダイヤモンド薄膜であるため、結晶が高度に配向し、単
結晶膜と同様にキャリアの移動度が高い。
β｜≦５°、｜△γ｜≦５°を同時に満足する高配向性
ダイヤモンド薄膜であるため、結晶が高度に配向し、単
結晶膜と同様にキャリアの移動度が高い。
【００１３】（１１１）結晶面についても同様にオイラ
ー角の角度差の絶対値がいずれも５°以下である場合
に、結晶が高度に配向し、キャリアの移動度が高くな
る。このような高配向性ダイヤモンド薄膜は、例えば、
シリコン基板を鏡面研磨した後、メタンガスを含有する
気相中で基板に負のバイアスを印加しつつマイクロ波を
照射することにより形成することができる。
ー角の角度差の絶対値がいずれも５°以下である場合
に、結晶が高度に配向し、キャリアの移動度が高くな
る。このような高配向性ダイヤモンド薄膜は、例えば、
シリコン基板を鏡面研磨した後、メタンガスを含有する
気相中で基板に負のバイアスを印加しつつマイクロ波を
照射することにより形成することができる。
【００１４】
【作用】本発明にて使用される高度に配向したダイヤモ
ンド薄膜（高配向性ダイヤモンド薄膜）は、結晶面相互
の面内のミスオリエンテーションが±５°以内であるた
め、隣接する（１００）結晶面同士が成長段階で融合
し、従来の多結晶ダイヤモンド薄膜に比して粒界の影響
を無視することができる。また、気相合成によりダイヤ
モンド薄膜を作製しているので、天然ダイヤモンド及び
高圧合成単結晶ダイヤモンドに比して、不純物及び欠陥
の絶対量も少ない。このことから従来の多結晶ダイヤモ
ンド薄膜及び単結晶ダイヤモンド薄膜で報告されている
よりも高い正孔移動度を得ることができる。また、粒界
部分が殆ど存在しないので、大気中の高温下でも、多結
晶ダイヤモンド薄膜で観察されているような酸化及びグ
ラファイト化は発生せず、ダイヤモンド電界効果トラン
ジスタの高温での長時間安定動作が可能になる。また、
ダイヤモンド表面は凹凸がないので、ゲート電極直下で
薄膜表面に対して垂直に一様に均等な電界を印加するこ
とが可能になり、各素子間のバラツキを低減し、信頼性
を高めることができる。加えて、基板には市販されてい
る安価なシリコン基板を使用できること、４インチ径の
大きなウエハにも高配向性ダイヤモンド薄膜を成長させ
ることができるため、ダイヤモンド電界効果トランジス
タの一括大量生産及びそれによる低コスト化が可能にな
る。
ンド薄膜（高配向性ダイヤモンド薄膜）は、結晶面相互
の面内のミスオリエンテーションが±５°以内であるた
め、隣接する（１００）結晶面同士が成長段階で融合
し、従来の多結晶ダイヤモンド薄膜に比して粒界の影響
を無視することができる。また、気相合成によりダイヤ
モンド薄膜を作製しているので、天然ダイヤモンド及び
高圧合成単結晶ダイヤモンドに比して、不純物及び欠陥
の絶対量も少ない。このことから従来の多結晶ダイヤモ
ンド薄膜及び単結晶ダイヤモンド薄膜で報告されている
よりも高い正孔移動度を得ることができる。また、粒界
部分が殆ど存在しないので、大気中の高温下でも、多結
晶ダイヤモンド薄膜で観察されているような酸化及びグ
ラファイト化は発生せず、ダイヤモンド電界効果トラン
ジスタの高温での長時間安定動作が可能になる。また、
ダイヤモンド表面は凹凸がないので、ゲート電極直下で
薄膜表面に対して垂直に一様に均等な電界を印加するこ
とが可能になり、各素子間のバラツキを低減し、信頼性
を高めることができる。加えて、基板には市販されてい
る安価なシリコン基板を使用できること、４インチ径の
大きなウエハにも高配向性ダイヤモンド薄膜を成長させ
ることができるため、ダイヤモンド電界効果トランジス
タの一括大量生産及びそれによる低コスト化が可能にな
る。
【００１５】請求項５のように、動作層となる半導体層
上にゲート電極を形成したダイヤモンド電界効果トラン
ジスタは、高周波電界効果トランジスタとして用いるこ
とが可能である。
上にゲート電極を形成したダイヤモンド電界効果トラン
ジスタは、高周波電界効果トランジスタとして用いるこ
とが可能である。
【００１６】請求項６のように、動作層となる半導体層
とゲート電極との間にダイヤモンド絶縁層を形成した電
界効果トランジスタは、高電圧、大電力用の電界効果ト
ランジスタとして使用可能である。
とゲート電極との間にダイヤモンド絶縁層を形成した電
界効果トランジスタは、高電圧、大電力用の電界効果ト
ランジスタとして使用可能である。
【００１７】請求項７のように、動作層となる半導体層
とゲート電極との間にダイヤモンド以外の絶縁層を形成
した電界効果トランジスタは、ディプレッション型及び
エンハンスメント型の双方のタイプのトランジスタとし
て利用することができる。
とゲート電極との間にダイヤモンド以外の絶縁層を形成
した電界効果トランジスタは、ディプレッション型及び
エンハンスメント型の双方のタイプのトランジスタとし
て利用することができる。
【００１８】請求項８のように、動作層となる半導体層
とゲート電極との間に、ダイヤモンド以外の絶縁層と、
気相合成によって形成された絶縁性ダイヤモンド薄膜と
の積層構造が設けられた電界効果トランジスタは、特に
高温用のトランジスタとして使用可能である。
とゲート電極との間に、ダイヤモンド以外の絶縁層と、
気相合成によって形成された絶縁性ダイヤモンド薄膜と
の積層構造が設けられた電界効果トランジスタは、特に
高温用のトランジスタとして使用可能である。
【００１９】請求項９のように、ソース電極及びドレイ
ン電極の直下に動作層の半導体層より低抵抗の半導体ダ
イヤモンド層を導入することにより、ソース電極及びド
レイン電極における接触抵抗を低減させ、電界効果トラ
ンジスタの電気的特性を改善することが可能である。ソ
ース電極及びドレイン電極としては、ダイヤモンドとオ
ーミック接合を形成するいかなる物質でも使用すること
ができる。
ン電極の直下に動作層の半導体層より低抵抗の半導体ダ
イヤモンド層を導入することにより、ソース電極及びド
レイン電極における接触抵抗を低減させ、電界効果トラ
ンジスタの電気的特性を改善することが可能である。ソ
ース電極及びドレイン電極としては、ダイヤモンドとオ
ーミック接合を形成するいかなる物質でも使用すること
ができる。
【００２０】ゲート電極は、蒸着可能な金属からなる物
質で形成してもよく、また、低抵抗ダイヤモンド、低抵
抗シリコン、低抵抗シリコンカーバイト又は低抵抗ボロ
ンナイトライド等も使用することができる。
質で形成してもよく、また、低抵抗ダイヤモンド、低抵
抗シリコン、低抵抗シリコンカーバイト又は低抵抗ボロ
ンナイトライド等も使用することができる。
【００２１】また、ダイヤモンド薄膜表面を絶縁性ダイ
ヤモンド、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニ
ウム及び窒化アルミニウムからなる群から選択されたい
ずれか一つの物質、又はこれらの積層体からなる保護膜
でコーティングすることにより、素子の耐熱性を向上さ
せることができる。
ヤモンド、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニ
ウム及び窒化アルミニウムからなる群から選択されたい
ずれか一つの物質、又はこれらの積層体からなる保護膜
でコーティングすることにより、素子の耐熱性を向上さ
せることができる。
【００２２】電界効果トランジスタの製作工程の中で、
ダイヤモンド薄膜のパターニングを行う場合は、選択成
長技術によりパターニングすることもできるし、プラズ
マエッチング法又はイオンビームエッチング法によりパ
ターニングすることもできる。
ダイヤモンド薄膜のパターニングを行う場合は、選択成
長技術によりパターニングすることもできるし、プラズ
マエッチング法又はイオンビームエッチング法によりパ
ターニングすることもできる。
【００２３】本発明に係るダイヤモンド薄膜電界効果ト
ランジスタは、化学的に安定であると共に、放射線に対
しても強いため、耐環境性の電界効果トランジスタとし
て使用することができる。
ランジスタは、化学的に安定であると共に、放射線に対
しても強いため、耐環境性の電界効果トランジスタとし
て使用することができる。
【００２４】上述の如く、本発明においては、従来技術
に比して大面積に高品質のダイヤモンド電界効果トラン
ジスタを多数作製することが可能になるため、請求項１
１及び１２のように、ダイヤモンド電界効果トランジス
タからなるモノリシック集積回路及びダイヤモンド電界
効果トランジスタとシリコン又はＧａＡｓ等の電子デバ
イスとを組み合わせたハイブリッド集積回路の製作が可
能になる。
に比して大面積に高品質のダイヤモンド電界効果トラン
ジスタを多数作製することが可能になるため、請求項１
１及び１２のように、ダイヤモンド電界効果トランジス
タからなるモノリシック集積回路及びダイヤモンド電界
効果トランジスタとシリコン又はＧａＡｓ等の電子デバ
イスとを組み合わせたハイブリッド集積回路の製作が可
能になる。
【００２５】
【実施例】以下、本発明の実施例について、その特性を
比較例と比較して説明する。先ず、その本実施例の電界
効果トランジスタの製造方法について、図２（ａ）乃至
（ｄ）を参照して、工程順に説明する。
比較例と比較して説明する。先ず、その本実施例の電界
効果トランジスタの製造方法について、図２（ａ）乃至
（ｄ）を参照して、工程順に説明する。
【００２６】（ステップ１）図２（ａ）に示すように、
高配向性ダイヤモンド薄膜を形成する基板として、直径
１インチ、方位（１００）のシリコンウエハ１（ｎ型、
比抵抗１０００Ωcm以上）を使用した。基板をマイクロ
波化学気相蒸着装置に入れ、メタン；２．５％、水素；
９７．５％、ガス圧；２５Torr、ガス流量；３００cc／
分、基板温度；７５０℃で１５分間処理した。マイクロ
波入力パワーはほぼ１１００Ｗであったが、基板温度を
７５０℃に維持するように微調整した。これと同時に基
板に負バイアス電圧を印加した。負バイアスによる電流
量は１２mA／cm2であった。
高配向性ダイヤモンド薄膜を形成する基板として、直径
１インチ、方位（１００）のシリコンウエハ１（ｎ型、
比抵抗１０００Ωcm以上）を使用した。基板をマイクロ
波化学気相蒸着装置に入れ、メタン；２．５％、水素；
９７．５％、ガス圧；２５Torr、ガス流量；３００cc／
分、基板温度；７５０℃で１５分間処理した。マイクロ
波入力パワーはほぼ１１００Ｗであったが、基板温度を
７５０℃に維持するように微調整した。これと同時に基
板に負バイアス電圧を印加した。負バイアスによる電流
量は１２mA／cm2であった。
【００２７】（ステップ２）この後、メタン；０．５
％、水素；９９．４％、酸素：０．１％、ガス圧：３０
Torr、ガス流量；３００cc／分、基板温度；８００℃で
３０時間合成を続けた。この結果、図２（ａ）に示すよ
うに、膜厚が約８μｍで高配向したダイヤモンド薄膜２
が合成できた。
％、水素；９９．４％、酸素：０．１％、ガス圧：３０
Torr、ガス流量；３００cc／分、基板温度；８００℃で
３０時間合成を続けた。この結果、図２（ａ）に示すよ
うに、膜厚が約８μｍで高配向したダイヤモンド薄膜２
が合成できた。
【００２８】電子顕微鏡観察からこの高配向性ダイヤモ
ンド薄膜の表面の８８％が（１００）結晶面で覆われて
いることが分かった。また、薄膜の断面写真から各結晶
面の高低差は０．２μｍ以下であった。
ンド薄膜の表面の８８％が（１００）結晶面で覆われて
いることが分かった。また、薄膜の断面写真から各結晶
面の高低差は０．２μｍ以下であった。
【００２９】また、この薄膜表面の法線方向から±１０
°の角度で２枚の電子顕微鏡写真を撮影し、各写真の
（１００）結晶面の傾きを測定したところ、隣接する結
晶面の傾きの差は｜△α｜≦５°、｜△β｜≦５°、｜
△γ｜≦５°、（△α）2＋（△β）2＋（△γ）2＝３
５であった。
°の角度で２枚の電子顕微鏡写真を撮影し、各写真の
（１００）結晶面の傾きを測定したところ、隣接する結
晶面の傾きの差は｜△α｜≦５°、｜△β｜≦５°、｜
△γ｜≦５°、（△α）2＋（△β）2＋（△γ）2＝３
５であった。
【００３０】（ステップ３）（ステップ１）の条件を下
記表１に示すように種々変えて同様の実験を繰り返し
た。但し、表１の試料番号１はステップ１の合成条件で
ある。
記表１に示すように種々変えて同様の実験を繰り返し
た。但し、表１の試料番号１はステップ１の合成条件で
ある。
【００３１】
【表１】
【００３２】試料２では、薄膜表面の８２％が（１０
０）結晶面で覆われ、１８％は面間の間隙であった。隣
接するいずれの結晶面についても｜△α｜≦５°、｜△
β｜≦５°、｜△γ｜≦５°が成り立った。また、（△
α）2＋（△β）2＋（△γ）2の値は７０であった。
０）結晶面で覆われ、１８％は面間の間隙であった。隣
接するいずれの結晶面についても｜△α｜≦５°、｜△
β｜≦５°、｜△γ｜≦５°が成り立った。また、（△
α）2＋（△β）2＋（△γ）2の値は７０であった。
【００３３】これに対し、試料３，４では夫々薄膜表面
の７７％，７０％が（１００）結晶面で覆われ、また、
隣接するいずれか少なくとも１つの結晶面で｜△α｜＞
５°、｜△β｜＞５°又は｜△γ｜＞５°となった。ま
た、（△α）2＋（△β）2＋（△γ）2の値は夫々８
５，１０５であった。 （ステップ４）作製した試料１〜４の高配向性絶縁性ダ
イヤモンド薄膜２を下地基板として、以下いずれの試料
も同じプロセスにより、高配向性ダイヤモンド薄膜をも
つ電界効果トランジスタを製造した。先ず、フォトリソ
グラフィーにより選択成長のマスクとなる厚さ０．４μ
ｍの酸化シリコン膜をスパタリング法により選択的に形
成し、図２（ａ）に示すように上記４個の試料の高配向
性絶縁性ダイヤモンド薄膜２上に半導体層となるボロン
ドープｐ型ダイヤモンド薄膜３を０．１μｍの厚さで選
択成長させた。このときの合成条件は、メタン濃度：
０．５％、水素：９９．５％、ジボラン：０．１ppm、
ガス圧力：３５Torr、基板温度は８００℃であった。
の７７％，７０％が（１００）結晶面で覆われ、また、
隣接するいずれか少なくとも１つの結晶面で｜△α｜＞
５°、｜△β｜＞５°又は｜△γ｜＞５°となった。ま
た、（△α）2＋（△β）2＋（△γ）2の値は夫々８
５，１０５であった。 （ステップ４）作製した試料１〜４の高配向性絶縁性ダ
イヤモンド薄膜２を下地基板として、以下いずれの試料
も同じプロセスにより、高配向性ダイヤモンド薄膜をも
つ電界効果トランジスタを製造した。先ず、フォトリソ
グラフィーにより選択成長のマスクとなる厚さ０．４μ
ｍの酸化シリコン膜をスパタリング法により選択的に形
成し、図２（ａ）に示すように上記４個の試料の高配向
性絶縁性ダイヤモンド薄膜２上に半導体層となるボロン
ドープｐ型ダイヤモンド薄膜３を０．１μｍの厚さで選
択成長させた。このときの合成条件は、メタン濃度：
０．５％、水素：９９．５％、ジボラン：０．１ppm、
ガス圧力：３５Torr、基板温度は８００℃であった。
【００３４】（ステップ５）次に、図２（ｂ）に示すよ
うに、ｐ型ダイヤモンド薄膜３上に金属マスク４を選択
的に形成し、ソース電極及びドレイン電極形成予定領域
のｐ型ダイヤモンド薄膜３の表面に、金属マスク４をマ
スクとしてボロンをイオン注入し、両電極の直下に高濃
度のｐ+型半導体ダイヤモンド層５を選択的に形成し
た。このイオン注入条件は、加速電圧：６０ＫｅＶ、ド
ース量：３×１０16cm-2である。
うに、ｐ型ダイヤモンド薄膜３上に金属マスク４を選択
的に形成し、ソース電極及びドレイン電極形成予定領域
のｐ型ダイヤモンド薄膜３の表面に、金属マスク４をマ
スクとしてボロンをイオン注入し、両電極の直下に高濃
度のｐ+型半導体ダイヤモンド層５を選択的に形成し
た。このイオン注入条件は、加速電圧：６０ＫｅＶ、ド
ース量：３×１０16cm-2である。
【００３５】その後、イオン注入に使用した金属マスク
４を除去し、注入されたボロンを電気的に活性化させる
ために、真空中で１０００℃に６０分間加熱して熱処理
した。続いて、イオン注入及び熱処理中に生じた表面グ
ラファイト層を除去するために、クロム酸洗浄、王水洗
浄及びＲＣＡ洗浄を行った。
４を除去し、注入されたボロンを電気的に活性化させる
ために、真空中で１０００℃に６０分間加熱して熱処理
した。続いて、イオン注入及び熱処理中に生じた表面グ
ラファイト層を除去するために、クロム酸洗浄、王水洗
浄及びＲＣＡ洗浄を行った。
【００３６】（ステップ６）次に、図２（ｃ）に示すよ
うに、酸化シリコン膜のマスクを使用して、ゲート部に
０．５μｍの絶縁性ダイヤモンド薄膜６をｐ型半導体ダ
イヤモンド層３上に選択成長させた。次いで、選択成長
に用いた酸化シリコン膜を取り除いた後、絶縁性ダイヤ
モンド層６の電気的特性を安定化させるために、真空中
で８５０℃に３０分間加熱して熱処理を行った。その
後、再びクロム酸洗浄、王水洗浄及びＲＣＡ洗浄を行っ
た。
うに、酸化シリコン膜のマスクを使用して、ゲート部に
０．５μｍの絶縁性ダイヤモンド薄膜６をｐ型半導体ダ
イヤモンド層３上に選択成長させた。次いで、選択成長
に用いた酸化シリコン膜を取り除いた後、絶縁性ダイヤ
モンド層６の電気的特性を安定化させるために、真空中
で８５０℃に３０分間加熱して熱処理を行った。その
後、再びクロム酸洗浄、王水洗浄及びＲＣＡ洗浄を行っ
た。
【００３７】（ステップ７）最後に、図２（ｄ）に示す
ように、ソース電極７及びドレイン電極８としてスパッ
タリング法によりＡｕ／Ｔｉ積層構造を持つオーミック
電極を形成し、ゲート電極には電子ビーム蒸着法により
アルミニウム電極９を形成した。
ように、ソース電極７及びドレイン電極８としてスパッ
タリング法によりＡｕ／Ｔｉ積層構造を持つオーミック
電極を形成し、ゲート電極には電子ビーム蒸着法により
アルミニウム電極９を形成した。
【００３８】これにより、１インチシリコン基板上に１
０個のダイヤモンド薄膜電界効果トランジスタを一括し
て作製した。
０個のダイヤモンド薄膜電界効果トランジスタを一括し
て作製した。
【００３９】本実施例の試料１上に得られた電界効果ト
ランジスタの電気的特性を図３に示す。本実施例で得ら
れたトランジスタはゲート幅：１００μｍで規格化相互
コンダクタンス：３５０μＳ／ｍｍを示した。各試料上
に作製されたダイヤモンド薄膜電界効果トランジスタの
規格化コンダクタンスを図４に示す。この図４に示すよ
うに、高いコンダクタンスを有する電界効果トランジス
タを得るためには、請求項１の条件の高配向性のダイヤ
モンド薄膜を利用することが必要であることがわかる。
ランジスタの電気的特性を図３に示す。本実施例で得ら
れたトランジスタはゲート幅：１００μｍで規格化相互
コンダクタンス：３５０μＳ／ｍｍを示した。各試料上
に作製されたダイヤモンド薄膜電界効果トランジスタの
規格化コンダクタンスを図４に示す。この図４に示すよ
うに、高いコンダクタンスを有する電界効果トランジス
タを得るためには、請求項１の条件の高配向性のダイヤ
モンド薄膜を利用することが必要であることがわかる。
【００４０】
【発明の効果】上述したように、高度に配向したダイヤ
モンド薄膜を下地絶縁性ダイヤモンド層、半導体ダイヤ
モンド層、又はゲート電極と半導体層の間の絶縁性ダイ
ヤモンド層に利用することにより、高温、ハイパワー及
び高周波用トランジスタとして利用可能な電気的特性が
優れたダイヤモンド薄膜電界効果トランジスタを一括し
て大量に作製することが可能になった。
モンド薄膜を下地絶縁性ダイヤモンド層、半導体ダイヤ
モンド層、又はゲート電極と半導体層の間の絶縁性ダイ
ヤモンド層に利用することにより、高温、ハイパワー及
び高周波用トランジスタとして利用可能な電気的特性が
優れたダイヤモンド薄膜電界効果トランジスタを一括し
て大量に作製することが可能になった。
【図１】高配向性ダイヤモンド薄膜の表面とオイラー角
との関係を示す模式図であり、（ａ）は結晶面の基準配
向を示し、（ｂ）は（１００）結晶面が高度に配向した
ダイヤモンド薄膜の表面形態を示す。
との関係を示す模式図であり、（ａ）は結晶面の基準配
向を示し、（ｂ）は（１００）結晶面が高度に配向した
ダイヤモンド薄膜の表面形態を示す。
【図２】本発明の実施例に係る電界効果トランジスタの
製造工程を示す断面図である。
製造工程を示す断面図である。
【図３】本実施例のダイヤモンド薄膜電界効果トランジ
スタの電気的特性を示すグラフ図である。
スタの電気的特性を示すグラフ図である。
【図４】各配向条件で作製したダイヤモンド薄膜電界効
果トランジスタの規格化トランスコンダクタンスを示す
グラフ図である。
果トランジスタの規格化トランスコンダクタンスを示す
グラフ図である。
１；シリコンウエハ
２；高配向性絶縁性ダイヤモンド薄膜
３；ｐ型ダイヤモンド薄膜
４；金属マスク
５；ｐ+型半導体ダイヤモンド層
６；絶縁性ダイヤモンド薄膜
７；ソース電極
８；ドレイン電極
９；アルミニウム電極
フロントページの続き
(72)発明者 宮田 浩一
兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号
株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究
所内
(72)発明者 斉藤 公続
兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号
株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究
所内
(72)発明者 デービッド・レイン・ドレイフェス
アメリカ合衆国，ノースカロライナ州
27513，ケリー，ワイドコム・コート,
101
(72)発明者 ブライアン・ライズ・ストーナー
アメリカ合衆国，ノースカロライナ州
27603， ローリ，ブロード・オーク
ス・プレイス，2659
(56)参考文献 特開 平５−29608（ＪＰ，Ａ)
特開 平３−263872（ＪＰ，Ａ)
特開 平３−160731（ＪＰ，Ａ)
特開 平３−110866（ＪＰ，Ａ)
特開 平１−158774（ＪＰ，Ａ)
特開 平１−143323（ＪＰ，Ａ)
特開 平１−123423（ＪＰ，Ａ)
特開 昭59−213126（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 29/786
H01L 21/336
C30B 29/04
Claims (12)
- 【請求項１】 動作層と、ゲートと、ソース及びドレイ
ンとを有する電界効果トランジスタにおいて、前記動作
層が、気相合成によって形成されたダイヤモンド薄膜で
あって、その薄膜表面積の８０％以上がダイヤモンドの
（１００）結晶面から構成されており、隣接する（１０
０）結晶面の結晶面方位を表すオイラー角｛α，β，
γ｝の差｛△α，△β，△γ｝が｜△α｜≦５°、｜△
β｜≦５°、｜△γ｜≦５°を満足する高配向性ダイヤ
モンド薄膜からなる半導体層により構成されていること
を特徴とするダイヤモンド電界効果トランジスタ。 - 【請求項２】 動作層と、ゲートと、ソース及びドレイ
ンとを有する電界効果トランジスタにおいて、前記動作
層が、気相合成によって形成されたダイヤモンド薄膜で
あって、その薄膜表面積の８０％以上がダイヤモンドの
（１１１）結晶面から構成されており、隣接する（１１
１）結晶面の結晶面方位を表すオイラー角｛α，β，
γ｝の差｛△α，△β，△γ｝が｜△α｜≦５°、｜△
β｜≦５°、｜△γ｜≦５°を満足する高配向性ダイヤ
モンド薄膜からなる半導体層により構成されていること
を特徴とするダイヤモンド電界効果トランジスタ。 - 【請求項３】 下地絶縁性ダイヤモンド層及びこの下地
絶縁性ダイヤモンド層の上に形成される半導体層が前記
高配向性ダイヤモンド薄膜からなることを特徴とする請
求項１又は２に記載のダイヤモンド電界効果トランジス
タ。 - 【請求項４】 前記高配向性ダイヤモンド薄膜は気相合
成する際に使用した基板を除去して得られたものである
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載
のダイヤモンド電界効果トランジスタ。 - 【請求項５】 動作層となる半導体層上に形成されたゲ
ート電極を有することを特徴とする請求項１乃至４のい
ずれか１項に記載のダイヤモンド電界効果トランジス
タ。 - 【請求項６】 動作層となる半導体層とゲート電極との
間に形成されたダイヤモンド絶縁層を有することを特徴
とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のダイヤモ
ンド電界効果トランジスタ。 - 【請求項７】 動作層となる半導体層とゲート電極との
間に形成されたダイヤモンド以外の絶縁層を有すること
を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のダ
イヤモンド電界効果トランジスタ。 - 【請求項８】 動作層となる半導体層とゲート電極との
間に、ダイヤモンド以外の絶縁層と、気相合成によって
形成された絶縁性ダイヤモンド薄膜との積層構造が設け
られていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか
１項に記載のダイヤモンド電界効果トランジスタ。 - 【請求項９】 ソース電極及びドレイン電極の直下にイ
オン注入法又は気相合成法により設けられ、動作層の半
導体層より低抵抗の半導体ダイヤモンド層を有すること
を特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のダ
イヤモンド電界効果トランジスタ。 - 【請求項１０】 前記ダイヤモンド以外の絶縁層が、酸
化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化ア
ルミニウム及び酸化ジルコニウムからなる群から選択さ
れた材料で形成されていることを特徴とする請求項７又
は８に記載のダイヤモンド電界効果トランジスタ。 - 【請求項１１】 請求項１乃至１０のいずれか１項に記
載されたダイヤモンド電界効果トランジスタを集積した
ことを特徴とするモノリシック集積素子。 - 【請求項１２】 請求項１乃至１０のいずれか１項に記
載されたダイヤモンド電界効果トランジスタを集積した
ことを特徴とするハイブリッド集積素子。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/062,052 US5371383A (en) | 1993-05-14 | 1993-05-14 | Highly oriented diamond film field-effect transistor |
| US08/062,052 | 1993-05-14 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0750419A JPH0750419A (ja) | 1995-02-21 |
| JP3380313B2 true JP3380313B2 (ja) | 2003-02-24 |
Family
ID=22039908
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31560893A Expired - Lifetime JP3380313B2 (ja) | 1993-05-14 | 1993-12-15 | ダイヤモンド電界効果トランジスタ |
Country Status (2)
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