JP3383737B2 - Manufacturing method of hydrogen-terminated diamond FET by self-alignment method - Google Patents

Manufacturing method of hydrogen-terminated diamond FET by self-alignment method

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JP3383737B2
JP3383737B2 JP06100196A JP6100196A JP3383737B2 JP 3383737 B2 JP3383737 B2 JP 3383737B2 JP 06100196 A JP06100196 A JP 06100196A JP 6100196 A JP6100196 A JP 6100196A JP 3383737 B2 JP3383737 B2 JP 3383737B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、素子間を絶縁分離
した水素終端ダイヤモンドを用いた電界効果トランジス
タ(FET)を製造する方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a field effect transistor (FET) using hydrogen-terminated diamond with elements isolated from each other.

【0002】[0002]

【従来の技術】水素終端ダイヤモンドを用いたFET
は、本願出願人の出願である特開平8−139109号
公報(特願平7−64035号「素子分離された水素
終端ダイヤモンド半導体素子および該半導体素子の製造
方法」に既に示されている。
2. Description of the Related Art FET using hydrogen-terminated diamond
Is Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-139109 filed by the applicant of the present application .
It has already been disclosed in the gazette (Japanese Patent Application No. 7-64035 ) "Hydrogen-terminated diamond semiconductor element with element isolation and method of manufacturing the semiconductor element".

【0003】Si半導体デバイスでは、例えば、特公昭
49−45629号公報に示されるような酸化層を設け
ることによって素子間を絶縁分離するLOCOS技術が
素子分離技術として用いられている。しかしながら、ダ
イヤモンドを用いた半導体素子では、ダイヤモンド自体
を厚く酸化することが困難であるので、ダイヤモンド表
面に酸化膜を形成することができず、シリコンのように
LOCOS技術を用いることはできない。このようなこ
とから、ダイヤモンド半導体素子を分離するために、例
えば、“ Diamond Thin-Film Recessed Gate Field-Eff
ect Transistors Fabricated by Electron Cyclotron R
esonance Plasma Etching : S.A.Grot,G.Sh.Gildenbla
t,and A.R.Badzian : IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS :
VOL.13,NO.9,SEPTEMBER 1992 : p462-463 ”に示され
るように、エッチング等によって半導体領域を取り除き
各素子間を分離することが考えられるが、この方法は、
エッチングなどの複雑なプロセスが必要となる。このよ
うなことから、複数個のダイヤモンド半導体素子を同一
のダイヤモンド基板上に作成する場合に必要となる、各
素子を絶縁分離する技術は未だ確立されていないといえ
る。
In the Si semiconductor device, for example, a LOCOS technique for insulating and isolating elements by providing an oxide layer as disclosed in Japanese Patent Publication No. 49-45629 is used as an element isolation technique. However, in a semiconductor element using diamond, it is difficult to thickly oxidize diamond itself, so that an oxide film cannot be formed on the diamond surface, and the LOCOS technique like silicon cannot be used. Therefore, in order to separate the diamond semiconductor element, for example, “Diamond Thin-Film Recessed Gate Field-Eff
ect Transistors Fabricated by Electron Cyclotron R
esonance Plasma Etching: SAGrot, G.Sh.Gildenbla
t, and ARBadzian: IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS:
As shown in VOL.13, NO.9, SEPTEMBER 1992: p462-463 ", it is conceivable to remove the semiconductor region by etching or the like to separate each element.
A complicated process such as etching is required. From this, it can be said that the technique for insulating and separating each element, which is required when a plurality of diamond semiconductor elements are formed on the same diamond substrate, has not been established yet.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、同一の水素
終端ホモエピタキシャルダイヤモンド基板の表面に各素
子間を簡単な方法によって絶縁分離した複数の半導体素
子を形成する自己整合法による製造方法を提供すること
を目的とする。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention provides a manufacturing method by a self-alignment method for forming a plurality of semiconductor elements on the surface of the same hydrogen-terminated homoepitaxial diamond substrate by insulating the elements from each other by a simple method. The purpose is to do.

【0005】さらに、本発明は、同一の水素終端ホモエ
ピタキシャルダイヤモンド基板の表面に形成された各素
子間が絶縁分離された半導体素子のマスクの作成におけ
るプロセスの数を削減した簡単な製造方法を提供するこ
とを目的とする。
Further, the present invention provides a simple manufacturing method which reduces the number of processes in the production of a mask for a semiconductor device in which the devices formed on the surface of the same hydrogen-terminated homoepitaxial diamond substrate are isolated from each other. The purpose is to do.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】この出願の発明は、水素
終端ダイヤモンドFETの製造方法であって、表面を水
素終端したダイヤモンド上に電界効果トランジスタ(F
ET)のソース電極領域およびドレイン電極領域ならび
にゲート電極領域となる領域を含むチャネル形成領域上
を覆うマスクを形成する工程と、該マスクを用いてFE
T形成領域以外の領域の水素終端を破壊して絶縁領域を
形成する工程と、前記マスクにゲート電極形成領域を形
成する工程と、前記ゲート電極形成領域にゲート電極を
形成する工程とからなる。
SUMMARY OF THE INVENTION The invention of this application is a method for manufacturing a hydrogen-terminated diamond FET, in which a field-effect transistor (F) is formed on a diamond whose surface is hydrogen-terminated.
ET), a step of forming a mask covering a channel formation region including a source electrode region, a drain electrode region, and a region to be a gate electrode region, and FE using the mask.
The process includes the steps of destroying hydrogen terminations in regions other than the T formation region to form an insulating region, forming a gate electrode formation region in the mask, and forming a gate electrode in the gate electrode formation region.

【0007】さらにこの発明は、上記水素終端ダイヤモ
ンドFETの製造方法において、マスクをソース電極お
よびドレイン電極のオーミックコンタクト材料で構成し
た。
Further, according to the present invention, in the above method for manufacturing a hydrogen-terminated diamond FET, the mask is made of ohmic contact materials for the source electrode and the drain electrode.

【0008】さらに、この発明は、上記水素終端ダイヤ
モンドFETの製造方法において、絶縁領域の形成をア
ルゴンイオンの照射によって行った。
Further, according to the present invention, in the above method of manufacturing a hydrogen-terminated diamond FET, the insulating region is formed by irradiation with argon ions.

【0009】さらに、上記水素終端ダイヤモンドFET
の製造方法において、等方性エッチングによってゲート
電極形成領域を形成した。
Further, the hydrogen-terminated diamond FET
In the manufacturing method of 1., the gate electrode formation region is formed by isotropic etching.

【0010】さらに、この発明は、上記水素終端ダイヤ
モンドFETの製造方法において、異方性の成膜方法に
よってゲート電極を形成した。
Further, according to the present invention, in the above method for manufacturing a hydrogen-terminated diamond FET, the gate electrode is formed by an anisotropic film forming method.

【0011】[0011]

【作用】ダイヤモンドは一般に常温では絶縁体である
が、ダイヤモンドの表面を水素終端させるとp型半導体
領域を形成することができる。水素終端させる方法とし
て、ダイヤモンド表面を水素プラズマ(H プラズマ)
で処理して表面を水素終端する方法、CVD法等による
ダイヤモンド合成終了後の反応器内の雰囲気を水素ガス
とすることによって表面を水素終端する方法などがあ
る。他方、ダイヤモンドの表面を酸素プラズマ(O
ラズマ)処理すること、または、合成後のダイヤモンド
基板を空気(酸素)に曝すこと、もしくは、ダイヤモン
ドの表面にアルゴンイオン照射することなどによって非
水素終端(酸素終端)させるとダイヤモンド表面に絶縁
領域を形成することができる。これら半導体領域と絶縁
領域の2種類の領域を作り分けることによって、複数の
水素終端ダイヤモンド半導体素子を同一基板上に素子間
を絶縁分離して形成することができる。
Although diamond is generally an insulator at room temperature, a p-type semiconductor region can be formed by terminating the surface of diamond with hydrogen. As a method for terminating hydrogen, hydrogen plasma (H 2 plasma) is applied to the diamond surface.
There is a method of terminating the surface with hydrogen by treating the surface with hydrogen, and a method of terminating the surface with hydrogen by using hydrogen gas as the atmosphere in the reactor after completion of diamond synthesis by the CVD method or the like. On the other hand, non-hydrogen termination (such as by subjecting the diamond surface to oxygen plasma (O 2 plasma) treatment, exposing the synthesized diamond substrate to air (oxygen), or irradiating the diamond surface with argon ions ( When it is oxygen-terminated, an insulating region can be formed on the diamond surface. By separately forming two types of regions, that is, the semiconductor region and the insulating region, a plurality of hydrogen-terminated diamond semiconductor elements can be formed on the same substrate with isolation between the elements.

【0012】また、本発明の水素終端ダイヤモンドFE
Tの製造方法は、ソースコンタクトおよびドレインコン
タクトとして用いられる金属薄膜を非水素終端処理のマ
スクとして用いたので、プロセスの数を減少させること
ができる。加えて、本願発明は、ゲート電極形成領域の
形成に当たって、等方性エッチングを用い、ゲート電極
の形成に当たって異方性成膜方法を用いたので、同一の
マスクを用いてゲート電極をソースコンタクトおよびド
レインコンタクトから分離して設けることができ、マス
クの数を減少させることができる。
Further, the hydrogen-terminated diamond FE of the present invention
In the manufacturing method of T, since the metal thin films used as the source contact and the drain contact are used as the mask for the non-hydrogen termination treatment, the number of processes can be reduced. In addition, according to the present invention, the isotropic etching is used for forming the gate electrode forming region and the anisotropic film forming method is used for forming the gate electrode. Therefore, the gate electrode is formed by using the same mask as the source contact and the drain contact. Can be provided separately, and the number of masks can be reduced.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】図1は、本発明にかかる自己整合
法による製造方法によって得られたホモエピタキシャル
ダイヤモンドの表面に複数のMESFETを設けた半導
体素子の概念図であり、図2は、図1のA−A線の断面
を示す概念図である。
1 is a conceptual diagram of a semiconductor device in which a plurality of MESFETs are provided on the surface of a homoepitaxial diamond obtained by a manufacturing method by a self-alignment method according to the present invention, and FIG. It is a conceptual diagram which shows the cross section of the AA line of FIG.

【0014】図1に示されるように、本発明にかかる自
己整合法による製造方法によって得られたホモエピタキ
シャルダイヤモンドの表面に複数のMESFET1,
1’を設けた半導体素子は、ダイヤモンドからなる基板
上にマイクロプラズマCVD法によってダイヤモンド
の単結晶をエピタキシャル成長させて得た水素終端ホモ
エピタキシャルダイヤモンド10の表面に、その表面が
水素終端された領域11と非水素終端された領域13と
を設け、水素終端された領域11上に、オーミックコン
タクトが得られる金を蒸着して得たドレイン電極コンタ
クト31およびソース電極コンタクト32と、クロム
(Cr)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、鉛
(Pb)、鉄(Fe)、タングステン(W)、銅(C
u)、タンタル(Ta)、亜鉛(Zn)、インジウム(I
n)等を含むショットキーバリアを形成するような金属
を蒸着して得たゲート電極51を設けて構成される。
As shown in FIG. 1, a plurality of MESFETs 1, 1 are formed on the surface of a homoepitaxial diamond obtained by the manufacturing method by the self-alignment method according to the present invention.
The semiconductor element provided with 1 ′ is a hydrogen-terminated homoepitaxial diamond 10 obtained by epitaxially growing a diamond single crystal on a substrate made of diamond by a microwave plasma CVD method, and a region 11 whose surface is hydrogen-terminated. And a non-hydrogen-terminated region 13, and a drain electrode contact 31 and a source electrode contact 32 obtained by vapor-depositing gold to obtain an ohmic contact on the hydrogen-terminated region 11 and chromium (Cr), aluminum. (Al), nickel (Ni), lead (Pb), iron (Fe), tungsten (W), copper (C)
u), tantalum (Ta), zinc (Zn), indium (I
The gate electrode 51 is formed by depositing a metal that forms a Schottky barrier including n).

【0015】図2に示すように、ダイヤモンドの表面を
水素終端すると、水素終端された領域11の下面には、
p型半導体層12が形成される。この領域にゲート電極
を構成する金属を接触させると、金属と接する部分には
ショットキーバリアが形成され、ゲート電極の下に位置
するp型半導体層12に空乏層14が形成される。p型
半導体層12からなる表面導電層の厚みは数100Å〜
1000Åと極めて薄いことから、ゲート電極の材料を
選択することによって空乏層の厚さを制御することがで
き、エンハンスメント動作またはデプレッション動作す
る任意のFETを得ることができる。一方、非水素終端
された領域13の下面には、絶縁が得られており、この
絶縁領域によって素子間の分離が行われる。
As shown in FIG. 2, when the surface of the diamond is hydrogen-terminated, the lower surface of the hydrogen-terminated region 11 is
The p-type semiconductor layer 12 is formed. When a metal forming the gate electrode is brought into contact with this region, a Schottky barrier is formed in a portion in contact with the metal, and a depletion layer 14 is formed in the p-type semiconductor layer 12 located below the gate electrode. The thickness of the surface conductive layer formed of the p-type semiconductor layer 12 is several hundred Å
Since it is extremely thin, 1000 Å, the thickness of the depletion layer can be controlled by selecting the material of the gate electrode, and any FET that performs an enhancement operation or a depletion operation can be obtained. On the other hand, insulation is obtained on the lower surface of the non-hydrogen-terminated region 13, and the insulating region separates the elements.

【0016】本発明において、水素終端とは、成長させ
たダイヤモンド結晶の表面の炭素原子のダングリングボ
ンドすなわち余った結合手に水素原子が結合して終端し
た状態をいう。例えば、水素の存在下にダイヤモンド膜
を成膜することによって、水素終端ホモエピタキシャル
ダイヤモンド膜を得ることができる。非水素終端とは、
ダイヤモンドの表面が水素以外の原子で終端された状態
をいい、例えば、水素終端されたダイヤモンドの表面を
アルゴンイオンで処理することによって、酸素終端され
た領域を得ることができる。
In the present invention, the term "hydrogen termination" refers to a state in which hydrogen atoms are bound to the dangling bonds of carbon atoms on the surface of the grown diamond crystal, that is, hydrogen atoms are bound to the terminating bonds. For example, a hydrogen-terminated homoepitaxial diamond film can be obtained by forming a diamond film in the presence of hydrogen. What is non-hydrogen termination?
A state in which the surface of diamond is terminated with atoms other than hydrogen, for example, an oxygen-terminated region can be obtained by treating the surface of diamond terminated with hydrogen with argon ions.

【0017】本発明に用いた水素終端ホモエピタキシャ
ルダイヤモンドの製造条件の一例を示す。ダイヤモンド
基板の温度を850℃とし、原料ガスとして5%のメタ
ン(CH4)と2.5%の酸素(O2)と残り水素ガス
(H2)の混合気体を用い、35Torrの圧力の下でダイ
ヤモンド単結晶をエピタキシャル成長させた。原料ガス
は、この例の他に、例えば一酸化炭素の他、エタン、ブ
タン、エチレン等の各種の炭化水素を用いることができ
る。
An example of manufacturing conditions of the hydrogen-terminated homoepitaxial diamond used in the present invention will be shown. The temperature of the diamond substrate is set to 850 ° C., a mixed gas of 5% methane (CH 4 ) and 2.5% oxygen (O 2 ) and the remaining hydrogen gas (H 2 ) is used as a source gas, and the pressure is 35 Torr. A diamond single crystal was epitaxially grown at. As the raw material gas, other than this example, various hydrocarbons such as ethane, butane, and ethylene can be used in addition to carbon monoxide.

【0018】図3および図4を用いて、本発明にかかる
自己整合法による水素終端ダイヤモンドFETの製造法
を説明する。これらの図において、左側は平面図であ
り、右側は断面図である。ダイヤモンド基板10をマイ
クロ波を励起源としたプラズマCVD装置の中に挿入
し、メタン(CH4)、エタン(C26)、ブタン(C4
10)、エチレン(C24)、一酸化炭素(CO)、二
酸化炭素(CO2)などの炭素源となるガスと水素
(H2)との混合ガスを前記プラズマCVD装置内に供
給しマイクロ波で励起してプラズマ化し、ダイヤモンド
基板の表面にダイヤモンド結晶をエピタキシー成長させ
て、ホモエピタキシャルダイヤモンド膜10を得る。成
膜後この基板を水素ガスの存在下に急速に冷却すること
によって、ダイヤモンド結晶の表面の炭素原子の未結合
手に水素原子を結合させて、水素終端11させ、表面導
電層12を有する水素終端ホモエピタキシャルダイヤモ
ンド基板を得る。この水素終端ホモエピタキシャルダイ
ヤモンド基板の表面に、スピンコートによりレジストを
塗布し露光することにより、p型半導体領域として残す
べき部分に開口21を有するマスク20を形成する(図
3A)。
A method of manufacturing a hydrogen-terminated diamond FET by the self-alignment method according to the present invention will be described with reference to FIGS. In these figures, the left side is a plan view and the right side is a sectional view. The diamond substrate 10 was inserted into a plasma CVD apparatus using a microwave as an excitation source, and methane (CH 4 ), ethane (C 2 H 6 ), butane (C 4
H 10 ), ethylene (C 2 H 4 ), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ), etc. and a mixed gas of hydrogen (H 2 ) as a carbon source is supplied into the plasma CVD apparatus. Then, the homo-epitaxial diamond film 10 is obtained by being excited by microwaves to be turned into plasma and epitaxially growing a diamond crystal on the surface of the diamond substrate. After the film formation, this substrate is rapidly cooled in the presence of hydrogen gas so that hydrogen atoms are bonded to dangling bonds of carbon atoms on the surface of the diamond crystal to terminate hydrogen 11 and hydrogen having a surface conductive layer 12. Obtain a terminated homoepitaxial diamond substrate. A resist is applied to the surface of the hydrogen-terminated homoepitaxial diamond substrate by spin coating and exposed to form a mask 20 having an opening 21 in a portion to be left as a p-type semiconductor region (FIG. 3A).

【0019】この後、p型半導体領域11およびマスク
20上に金を蒸着してソース電極領域およびドレイン電
極領域ならびにゲート電極領域となる領域を含むチャネ
ル形成領域上を覆うマスクとなる金薄膜30を形成する
(図3B)。この金薄膜30の一部分は、ソースオーミ
ックコンタクトおよびドレインオーミックコンタクトと
して使用される。
After that, gold is vapor-deposited on the p-type semiconductor region 11 and the mask 20 to form a gold thin film 30 which serves as a mask and covers the channel forming region including the regions to be the source electrode region, the drain electrode region and the gate electrode region. Formed (FIG. 3B). A part of this gold thin film 30 is used as a source ohmic contact and a drain ohmic contact.

【0020】次いでマスク20を剥離する(図3C)。
このとき残った金薄膜30は、以降の処理のマスクとし
て用いられる。
Next, the mask 20 is peeled off (FIG. 3C).
The gold thin film 30 remaining at this time is used as a mask for the subsequent processing.

【0021】この後、中電流イオン注入装置を用いて、
ダイヤモンド基板の表面に例えばアルゴンイオンを照射
し、マスク30で覆われた個所以外の表面にある水素終
端の水素原子を他の原子に置換して非水素終端された表
面13を得る。この非水素終端面13の下はP型半導体
領域11が消滅して絶縁性を呈し、以降に形成される素
子が互いに分離される(図3D)。
After that, using a medium current ion implanter,
By irradiating the surface of the diamond substrate with, for example, argon ions, hydrogen atoms at the hydrogen termination on the surface other than the portion covered with the mask 30 are replaced with other atoms to obtain the non-hydrogen terminated surface 13. Below the non-hydrogen termination surface 13, the P-type semiconductor region 11 disappears and exhibits an insulating property, so that elements to be formed later are separated from each other (FIG. 3D).

【0022】次いで、後の工程で使用する金のエッチン
グ溶液として使用するヨウ化カリウム(KI)溶液に対
して耐性のあるレジストを塗布したのちゲート電極が配
置される領域に開口41を有するマスク40を形成する
(図4A)。
Next, a resist having resistance to a potassium iodide (KI) solution used as an etching solution for gold used in a later step is applied, and then a mask 40 having an opening 41 in a region where a gate electrode is arranged. Are formed (FIG. 4A).

【0023】この後、ヨウ化カリウム(KI)溶液を用
いてマスク40の開口41内の金薄膜30をエッチング
する。このエッチングは等方性であることから、マスク
40の開口41の側方にもエッチングされマスク40の
下に空洞42が形成され、ソースコンタクトとドレイン
コンタクトが分離されて形成される(図4B)。
After that, the gold thin film 30 in the opening 41 of the mask 40 is etched using a potassium iodide (KI) solution. Since this etching is isotropic, a side wall of the opening 41 of the mask 40 is also etched to form a cavity 42 under the mask 40, and a source contact and a drain contact are formed separately (FIG. 4B). .

【0024】次いで、マスク40を用いてゲート金属を
蒸着する。この蒸着は異方性であることから、素子上に
は開口42の投射面にのみゲート金属50が形成され
る。したがって、ゲート金属とソースコンタクトまたは
ドレインコンタクトとは分離されて形成されるととも
に、ゲート金属50が接する表面電導層12にはゲート
金属に起因する空乏域14が形成される(図4C)。
Next, a gate metal is vapor-deposited using the mask 40. Since this vapor deposition is anisotropic, the gate metal 50 is formed only on the projection surface of the opening 42 on the device. Therefore, the gate metal and the source contact or the drain contact are formed separately, and the depletion region 14 due to the gate metal is formed in the surface conductive layer 12 in contact with the gate metal 50 (FIG. 4C).

【0025】最後に、マスク40を剥離することによっ
て、ソースコンタクト32とドレインコンタクト31と
ゲート電極51が互いに分離されたFETをセルフアラ
インメント手法によってそれぞれ分離して形成すること
ができる(図4D)。
Finally, by peeling off the mask 40, the FET in which the source contact 32, the drain contact 31, and the gate electrode 51 are separated from each other can be separately formed by the self-alignment method (FIG. 4D).

【0026】上記の製法における具体的な実験条件を説
明する。マスク40は、ポジOEBR−200cp(東
京応化製)を水素終端ダイヤモンドの上に滴下し、15
00rpmで5秒間および4000rpmで10秒間回
転させてスピンコートして得られたマスクは2〜3μm
の厚みを有していた。また、ゲート金属の厚みは、18
00Åであった。金のエッチング溶液として、4gのヨ
ウ化カリウム(KI)と1gのヨウ素(I2)を40ml
の水(H2O)で希釈した溶液をさらに10〜100倍
に希釈した溶液を使用した。このときの金の横方向のエ
ッチングレートは、0.5μm/mmであった。金の蒸
着は、タングステンバスケットを用いた抵抗加熱による
蒸着であった。
Specific experimental conditions in the above manufacturing method will be described. As the mask 40, positive OEBR-200cp (manufactured by Tokyo Ohka) is dropped on the hydrogen-terminated diamond,
The mask obtained by spin coating by rotating at 00 rpm for 5 seconds and 4000 rpm for 10 seconds has a thickness of 2 to 3 μm.
Had a thickness of. The thickness of the gate metal is 18
It was 00Å. As a gold etching solution, 40 ml of 4 g of potassium iodide (KI) and 1 g of iodine (I 2 )
The solution diluted with water (H 2 O) of 10 to 100 times was used. The lateral etching rate of gold at this time was 0.5 μm / mm. The vapor deposition of gold was vapor deposition by resistance heating using a tungsten basket.

【0027】次に、本発明によって得られたFETの特
性を説明する。図5は、ゲート電極材料としてクロム
(Cr)を用いた例であり、図6は、ゲート電極材料と
してアルミニウム(Al)を用いた例である。両図と
も、横軸にドレイン−ソース電圧Vds(V)を、縦軸
にドレイン−ソース電流Ids(mA)をとっており、
ゲート−ソース電圧Vgs(V)をパラメータにしてい
る。図5で用いたFETは、ゲート電極としてクロムを
用い、ゲート長(Lg)が5.5(μm)、ゲート幅(W
g)が65(μm)に設定された。このFETのスレッシ
ュホルド電圧は0.46(V)のデプレッションモード
で動作し、相互コンダクタンス(gm)は、12.3(m
S/mm)が得られた。図6で用いたFETは、ゲート電
極としてアルミニウムを用い、ゲート長(Lg)が6
(μm)、ゲート幅(Wg)が78(μm)に設定され
た。このFETのスレッシュホルド電圧は−1.6
(V)のエンハンスメントモードで動作し、相互コンダ
クタンス(gm)は、7.48(mS/mm)が得られた。
これらのVds−Ids特性曲線に示されるように、ゲート
金属を選択することによって、デプレッションモードま
たはエンハンスモードのいずれのMESFETのいずれ
をも得ることができる。
Next, the characteristics of the FET obtained by the present invention will be described. FIG. 5 shows an example in which chromium (Cr) is used as the gate electrode material, and FIG. 6 shows an example in which aluminum (Al) is used as the gate electrode material. In both figures, the horizontal axis represents the drain-source voltage Vds (V) and the vertical axis represents the drain-source current Ids (mA).
The gate-source voltage Vgs (V) is used as a parameter. The FET used in FIG. 5 uses chromium as the gate electrode and has a gate length (Lg) of 5.5 (μm) and a gate width (W
g) was set to 65 (μm). This FET operates in the depletion mode with a threshold voltage of 0.46 (V) and a mutual conductance (gm) of 12.3 (m).
S / mm) was obtained. The FET used in FIG. 6 uses aluminum as a gate electrode and has a gate length (Lg) of 6
(Μm) and the gate width (Wg) were set to 78 (μm). The threshold voltage of this FET is -1.6
It operated in the enhancement mode (V), and a transconductance (gm) of 7.48 (mS / mm) was obtained.
By selecting the gate metal as shown in these Vds-Ids characteristic curves, either depletion mode or enhanced mode MESFETs can be obtained.

【0028】本発明によれば、下面に極めて薄いp型半
導体層が形成された表面を水素終端したダイヤモンド膜
上に素子分離された複数のMESFETをセルフアライ
ンメント手法によって形成することができ、しかもゲー
ト電極材料を選択することによって、任意のショットキ
ーバリアを形成できるので、ゲートを極めて簡単な構造
で容易に形成することができ、エンハンスメントモード
またはデプレッションモードで動作するMESFET
を、極めて簡単な工程で製造することができる。
According to the present invention, a plurality of element-separated MESFETs can be formed by a self-alignment method on a diamond film whose surface is formed with an extremely thin p-type semiconductor layer on its lower surface and whose surface is terminated with hydrogen. Since any Schottky barrier can be formed by selecting the electrode material, the gate can be easily formed with an extremely simple structure, and the MESFET operates in the enhancement mode or the depletion mode.
Can be manufactured by an extremely simple process.

【0029】上述の実施例では、オーミック電極材料と
して金を、説明したが、オーミック電極材料としては電
気陰性度の高いものであれば良く、金の他に白金(P
t)を用いることができる。また、ショットキーバリア
を形成するゲート電極材料としては、クロム(Cr)、
アルミニウム(Al)の他に、ニッケル(Ni)、鉛(P
b)、鉄(Fe)、タングステン(W)、銅(Cu)、タ
ンタル(Ta)、亜鉛(Zn)、インジウム(In)等を
含むショットキーバリアを形成する金属を用いることも
できる。
Although gold has been described as the ohmic electrode material in the above-described embodiments, any material having a high electronegativity may be used as the ohmic electrode material, and platinum (P
t) can be used. Further, as the gate electrode material forming the Schottky barrier, chromium (Cr),
In addition to aluminum (Al), nickel (Ni), lead (P
It is also possible to use a metal that forms a Schottky barrier, including b), iron (Fe), tungsten (W), copper (Cu), tantalum (Ta), zinc (Zn), indium (In), and the like.

【0030】さらに、上記の実施例では、マイクロ波プ
ラズマCVDによって得た水素終端ホモエピタキシャル
ダイヤモンドを例にとって説明したが、成長法として
は、マイクロ波プラズマCVD法による他、熱フィラメ
ント法、高周波熱プラズマCVD、直流アークプラズマ
CVD、燃焼炎法などを用いることもできる。さらに、
ダイヤモンドはホモエピタキシャル成長させたダイヤモ
ンドに限らず、他の気相合成ダイヤモンドであるヘテロ
エピタキシャルダイヤモンド、天然ダイヤモンド単結
晶、高圧法によって合成されたダイヤモンド単結晶を水
素プラズマ雰囲気で処理した水素終端ダイヤモンドのい
ずれにも適用できることは、ダイヤモンドの表面を水素
終端することによってp型半導体導電層が得られる原理
からして明らかである。
Further, in the above embodiment, the hydrogen-terminated homoepitaxial diamond obtained by microwave plasma CVD was described as an example. However, the growth method is not only microwave plasma CVD method, but also hot filament method and high frequency thermal plasma. CVD, DC arc plasma CVD, combustion flame method, etc. can also be used. further,
Diamond is not limited to homoepitaxially grown diamond, but can be any of other vapor phase synthetic diamonds such as heteroepitaxial diamond, natural diamond single crystal, and hydrogen-terminated diamond obtained by treating a diamond single crystal synthesized by the high pressure method in a hydrogen plasma atmosphere. It is clear from the principle that the p-type semiconductor conductive layer can be obtained by terminating the surface of diamond with hydrogen.

【0031】さらに、上記実施例では、非水素終端処理
をアルゴンイオンの照射によって行ったが、ダイヤモン
ドの水素終端面を酸素プラズマ(O プラズマ)処理す
ることによって非水素終端(酸素終端)させて絶縁領域
を形成することができる。
Further, in the above embodiment, the non-hydrogen termination treatment was performed by irradiating argon ions. However, the hydrogen termination surface of diamond is subjected to oxygen plasma (O 2 plasma) treatment so as to be non-hydrogen termination (oxygen termination). An insulating region can be formed.

【0032】図3,4に示した工程のうち、図4B〜D
の工程を異なるゲート金属材料を用いて繰り返すことに
よって、異なる動作モードのFETを同一の基板上に形
成することができる。
Of the steps shown in FIGS. 3 and 4, FIGS.
By repeating the above process using different gate metal materials, FETs with different operation modes can be formed on the same substrate.

【0033】[0033]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、水素終
端したホモエピタキシャルダイヤモンドの表面に、ショ
ットキーバリアを形成する金属を蒸着することによって
ゲート電極を形成し、電気陰性度の高い金や白金等の金
属の蒸着によってソース電極およびドレイン電極を形成
することによって、デプレッションモードもしくはエン
ハンスメントモードの任意のモードで動作し、相互コン
ダクタンスが大きなMESFETを得ることができ、各
素子間のダイヤモンドの表面を非水素終端とすることに
よって、簡単な製造工程と手段によって各素子間を絶縁
分離することができ、複数の半導体素子が集積されたダ
イヤモンド半導体デバイスを形成することができる。
As described above, according to the present invention, a gate electrode is formed on a surface of a hydrogen-terminated homoepitaxial diamond by vapor-depositing a metal forming a Schottky barrier. By forming the source electrode and the drain electrode by vapor deposition of metal such as platinum or platinum, it is possible to obtain a MESFET having a large mutual conductance by operating in any mode of depletion mode or enhancement mode. With the non-hydrogen termination, the elements can be insulated and separated by a simple manufacturing process and means, and a diamond semiconductor device in which a plurality of semiconductor elements are integrated can be formed.

【0034】複数のダイヤモンド半導体素子を同一基板
上に簡単なプロセスで作成することができるとともに、
例えば、FETでは、素子を円形にすることがなく単純
な形状とすることができるので、微細化および高い集積
化が可能となる。
A plurality of diamond semiconductor elements can be formed on the same substrate by a simple process, and
For example, in the FET, since the element can be made into a simple shape without making it circular, miniaturization and high integration are possible.

【0035】さらに、本発明によれば、半導体層を製造
するに当たって、不純物を導入する必要がないことか
ら、有毒なB26などのガスを必要とせず、安全に製造
することができるばかりでなく、有毒ガスに対処する必
要がなくなり製造装置を簡易なものとすることができ
る。
Further, according to the present invention, in manufacturing the semiconductor layer, it is not necessary to introduce impurities, so that a toxic gas such as B 2 H 6 is not required and the semiconductor layer can be manufactured safely. Moreover, it is not necessary to deal with toxic gas, and the manufacturing apparatus can be simplified.

【0036】本発明によれば、ゲート電極およびソース
オーミックコンタクトならびにドレインオーミックコン
タクトの形成は蒸着によって形成することができ、製造
工程を簡略化することができる。
According to the present invention, the gate electrode, the source ohmic contact and the drain ohmic contact can be formed by vapor deposition, and the manufacturing process can be simplified.

【0037】さらに、本発明に係るFETは、バンドギ
ャップの大きなダイヤモンドを用いているので、高温下
で使用することができるとともに、強い放射線の下でも
安定して動作させることができる。
Further, since the FET according to the present invention uses diamond having a large band gap, it can be used at high temperature and can be stably operated even under strong radiation.

【0038】また、本発明によれば、FETの電極とな
る金属膜を水素終端ダイヤモンドを非水素化処理するた
めのマスクとして用いるので、マスクの数を減らすこと
ができるとともに、非水素化処理に当ってアライメント
をとる必要がなくなり処理工程を極めて簡素化すること
ができる。さらに、アライメント精度を考慮に入れてソ
ースとドレイン間を大きく設計する必要がなくなるので
相互コンダクタンスが向上し、12.3mS/mmという
高い値を得ることができる。
Further, according to the present invention, since the metal film to be the electrode of the FET is used as a mask for dehydrogenating the hydrogen-terminated diamond, the number of masks can be reduced and the dehydrogenation treatment can be performed. It is not necessary to make an alignment and the processing steps can be greatly simplified. Further, since it is not necessary to design the source and the drain to be large in consideration of the alignment accuracy, the transconductance is improved and a high value of 12.3 mS / mm can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明にかかる製造方法によって得られたFE
Tの構造の概念を示す平面図。
FIG. 1 is an FE obtained by a manufacturing method according to the present invention.
The top view which shows the concept of the structure of T.

【図2】図1のA−A線での断面図。FIG. 2 is a sectional view taken along line AA of FIG.

【図3】本発明にかかる水素終端ダイヤモンドFETの
製造方法を説明する図(その1)。
FIG. 3 is a view (No. 1) for explaining the method of manufacturing the hydrogen-terminated diamond FET according to the present invention.

【図4】本発明にかかる水素終端ダイヤモンドFETの
製造方法を説明する図(その2)。
FIG. 4 is a diagram (No. 2) for explaining the method of manufacturing the hydrogen-terminated diamond FET according to the present invention.

【図5】本発明にかかる製造方法で得たデプレッション
モードの水素終端ダイヤモンドFETの特性を示す図。
FIG. 5 is a diagram showing characteristics of a depletion mode hydrogen-terminated diamond FET obtained by a manufacturing method according to the present invention.

【図6】本発明にかかる製造方法で得たエンハンスメン
トモードの水素終端ダイヤモンドFETの特性を示す
図。
FIG. 6 is a diagram showing the characteristics of an enhancement-mode hydrogen-terminated diamond FET obtained by the manufacturing method according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 ホモエピタキシャルダイヤモンド薄膜 11 水素終端面(導電性領域) 12 表面導電層(p型導電性層) 13 非水素終端面(絶縁領域) 14 空乏層 20 マスク 21 開口 30 金薄膜 31 ドレインオーミックコンタクト(ドレイン電極) 32 ソースオーミックコンタクト(ソース電極) 40 マスク(耐ヨウ化カリウム) 41 開口 42 空洞 51 ゲート電極 10 Homoepitaxial diamond thin film 11 Hydrogen termination surface (conductive area) 12 Surface conductive layer (p-type conductive layer) 13 Non-hydrogen termination surface (insulation area) 14 depletion layer 20 masks 21 opening 30 gold thin film 31 Drain ohmic contact (drain electrode) 32 source ohmic contact (source electrode) 40 mask (potassium iodide resistant) 41 opening 42 cavities 51 gate electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 正宏 東京都杉並区西荻南一丁目1番16号 (72)発明者 外園 明 東京都東村山市美住町二丁目15番49号 (56)参考文献 1995年(平成7年)春季第42回応用物 理学関係連合講演会講演予稿集,日本, 1995年3月28日,p.423 1995年(平成7年)秋季第56回応用物 理学会学術講演会講演予稿集,日本, 1995年8月26日,p.385 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/338 H01L 29/812 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Masahiro Ito 1-1-16 Nishioginami, Suginami-ku, Tokyo (72) Inventor Akira Sozono 2--1549 Misumicho, Higashimurayama, Tokyo (56) Reference References Proceedings of the 42nd Applied Physics Joint Lecture in Spring 1995 (Japan), Japan, March 28, 1995, p. 423 Proceedings of the 56th Autumn Meeting of the Society of Applied Physics, 1995, Japan, August 26, 1995, p. 385 (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/338 H01L 29/812

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 表面を水素終端したダイヤモンド上に電
界効果トランジスタ(FET)のソース電極領域および
ドレイン電極領域ならびにゲート電極領域となる領域を
含むチャネル形成領域上を覆うマスクを形成する工程
と、 該マスクを用いてFET形成領域以外の領域の水素終端
を破壊して絶縁領域を形成する工程と、 前記マスクにゲート電極形成用開口を有するマスク
形成する工程と、前記ゲート電極形成用開口を有するマスクを用いて等方
性エッチングによってゲート電極形成領域を形成する工
程と、 前記ゲート電極形成用開口を有するマスクを用いて 前記
ゲート電極形成領域に異方性の成膜方法を用いてソース
コンタクトとドレインコンタクトを分離してゲート電極
を形成する工程とからなることを特徴とする水素終端ダ
イヤモンドFETの製造方法。
1. A step of forming a mask on a diamond whose surface is terminated with hydrogen so as to cover a channel forming region including a source electrode region, a drain electrode region and a gate electrode region of a field effect transistor (FET), forming an insulating region by breaking the hydrogen-terminated region other than the FET forming region by using a mask to form a mask having a gate electrode forming opening on the mask, the gate electrode forming opening Isotropic with a mask that has
Of forming gate electrode formation area by reactive etching
And using an anisotropic film formation method in the gate electrode formation region using a mask having the gate electrode formation opening.
A method of manufacturing a hydrogen-terminated diamond FET, comprising the step of separating a contact and a drain contact to form a gate electrode.
【請求項2】 前記ソース電極領域およびドレイン電極
領域ならびにゲート電極領域となる領域を含むチャネル
形成領域上を覆うマスクがソース電極およびドレイン電
極のオーミックコンタクト材料である請求項1に記載の
水素終端ダイヤモンドFETの製造方法。
2. The source electrode region and the drain electrode
Channel including a region and a region to be a gate electrode region
The method for manufacturing a hydrogen-terminated diamond FET according to claim 1, wherein the mask covering the formation region is an ohmic contact material for the source electrode and the drain electrode.
【請求項3】 絶縁領域の形成をアルゴンイオンの照射
によって行う請求項1または請求項2記載の水素終端ダ
イヤモンドFETの製造方法。
3. The method of manufacturing a hydrogen-terminated diamond FET according to claim 1, wherein the insulating region is formed by irradiation with argon ions.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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1995年(平成7年)春季第42回応用物理学関係連合講演会講演予稿集,日本,1995年3月28日,p.423
1995年(平成7年)秋季第56回応用物理学会学術講演会講演予稿集,日本,1995年8月26日,p.385

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