JP3430552B2 - ダイヤモンド半導体の製造方法 - Google Patents

ダイヤモンド半導体の製造方法

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    • H01L21/0405—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising semiconducting carbon, e.g. diamond, diamond-like carbon
    • H01L21/041—Making n- or p-doped regions

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ダイヤモンド半導体の
製造方法に関し、特に、ダイヤモンド半導体へのドーピ
ング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及びこの発明が解決しようとする課題】ダ
イヤモンドを人工的に合成しようとする試みは古くから
行なわれて来ているが、１９６０年代に入り、低圧下で
も合成に成功しだし始め、現在では真空下に近い圧力で
その薄膜が作成できるようになってきた。これに伴い、
ダイヤモンドの薄膜を使って、半導体デバイスを作ろう
とする動きが盛んになってきた。
【０００３】ダイヤモンドはシリコンに比べ、 （１）キャリア移動度が大きいため、動作速度が数倍速
い。
【０００４】（２）バンドギャップが５．５ｅＶと広
く、シリコンより圧倒的に高い７００℃でも壊れず動作
する。
【０００５】（３）放射線に強い。とりわけ、超ＬＳＩ
で問題となるα線によるソフトエラーが少ない。
【０００６】等の特性を有し、シリコンでは対応出来な
い宇宙空間や原子炉周り等の使用環境の厳しい所での使
用が期待されている。
【０００７】しかし、実用化にあたっては、下記の解決
しなければならないいくつかの問題点もある。
【０００８】（ａ）単結晶の薄膜を成長させる安価な方
法がまだない。
【０００９】（ｂ）ｎ型のドーピングが出来ない。
【００１０】（ｃ）複雑な回路を描くためのエッチング
技術がまだ確立していない。
【００１１】等が今後解決すべき問題である。
【００１２】特に、（ｂ）の問題はデバイスを作る上で
致命的と言ってよく、今後のダイヤモンド半導体の実用
化上、重要な課題である。
【００１３】この点について詳しく説明すると、ダイヤ
モンド自体、半導体材料として用いるにはドープの効率
が極めて悪いことである。例えば、ｐ型の半導体に関し
ても、１０００ｐｐｍの硼素のドーピングによって、１
０Ｅ１６ｃｍ-3程度のキャリア濃度しか得られていな
い。また、ｎ型のドーピングに対しては、ダイヤモンド
の構成元素が炭素であり、シリコンなどに比べると、そ
の原子半径が小さいことから、シリコンプロセスで用い
られている、燐などは用いることは出来ず、原子半径が
炭素に近い窒素を用いることになるが、窒素を用いると
つぎに述べるような問題があった。
【００１４】即ち、窒素原子の５番目の価電子は窒素原
子に強く束縛されており、これを解放するには、約１．
７ｅＶと大きな電子エネルギーが必要で、室温では極く
僅かの電子しか、結晶内を移動できないので（逆に言え
ば、高温では動作すると言うことになるが…）、有効に
デバイスが作用しなくなる。したがって、窒素原子をド
ーパントとして、用いる場合、結晶構造を破壊すること
なく、高濃度でドーピングする必要があった。
【００１５】本発明は、このような問題点に鑑みて、創
案されたものであり、ダイヤモンド構造を破壊せず、高
濃度のドーピングができる技術を提供せんとするもので
ある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】この点に鑑み、本発明は
窒素を高濃度でドーピングするために、活性な窒素原子
を高密度で生成させる技術が必要で、そのためにはＥＣ
Ｒプラズマドーピングなどを使用することを創案した。
【００１７】この出願の請求項１の発明は、炭素を主成
分とし、窒素原子を含有したダイヤモンド半導体の製造
方法において、前記窒素原子を窒素系ガス雰囲気で１０
11〜１０ 14 ｃｍー3のパルス状高密度プラズマを用いて
ドーピングし、前記ドーピングの前に、ダイヤモンド表
面を窒素系ガス雰囲気でドライクリーニングする工程を
含み、該ドライクリーニングする工程はＥＣＲプラズマ
を用いるとともに、前記ドーピングと同じ装置を用いる
ことを、解決手段としている。また、請求項２記載の発
明は前記高密度プラズマがＥＣＲプラズマであり、マイ
クロ波がパルス状に供給されることを特徴とするもので
ある。さらに、請求項３記載の発明は、ドライクリーニ
ング工程で用いるエッチングガスとドーピング工程で用
いるドーピングガスに同じものを用いたことを特徴とす
るものである。
【００１８】
【作用】この出願の請求項１においては、高密度プラズ
マとしてＥＣＲ放電を用いた場合、所謂電子サイクロト
ロン共鳴を用いることで、１０11〜１０14ｃｍ-3程度の
高密度プラズマを形成できる。このため、活性な窒素原
子を高密度で生成できる。しかも、イオンエネルギーは
小さいので結晶構造を破壊することはない。
【００１９】また、請求項１，２においては、ＥＣＲプ
ラズマへパルス状にマイクロ波を供給すると、高電離度
のプラズマを装置に負担をかけずに、得ることができ
る。例えば、イオン密度にして１０14ｃｍ-3以上の高温
プラズマを得るためには、マイクロ波の出力は１０4ｗ
／ｃｍ2以上でなければならないが、このような大電力
のマイクロ波を連続波としてチャンバーに供給すると、
チャンバーと導波管の間の窓材やチャンバの内壁に大き
なダメージを与えてしまうことになる。そこで、前述の
ようにマイクロ波をパルス状に供給してやれば、高密度
プラズマが得られ、窒素ガスの解離も進み、活性な窒素
原子を高密度で生成できる作用を奏する。
【００２０】さらに、ドーピング前にドライクリーニン
グを行っておくことにより、ダイヤモンド表面でのドー
ピングが良好となる。
【００２１】
【実施例】ここで、実際のエッチングプロセスの説明に
先立ち、まず、本発明を実施するために使用した有磁場
マイクロ波（ＥＣＲ）プラズマドーピング装置について
図２を参照しながら説明する。
【００２２】図２は、本発明の実施に用いた有磁場マイ
クロ波プラズマドーピング装置である。この装置につい
て略述すると、マグネトロン１で発生されたマイクロ波
２を、図示しないパルス発生器でパルス状にして、導波
管３を通じて、石英ベルジャー４にて囲まれた反応室５
に移送する。この反応室５を囲む形で設置されているソ
レノイドコイル６にて、マイクロ波の周波数（２．４５
ＧＨｚ））といわゆるＥＣＲ放電をおこす磁場（８．７
５Ｅ−２Ｔ）を発生させる。それにより、図中に示すよ
うな位置にガスプラズマ７を生じる。基板８は、サセプ
タ９上に設置されるように、図示しない搬送手段で搬送
される。設置されるサセプタ９は、図示しないヒータか
ら、加熱管１０を通じて加熱され、これにより基板８も
加熱される。ガスは、ガス導入管１１を通じて導入さ
れ、図示しない排気系で排気管１２より排気される。
【００２３】
【実施例１】以下、本発明を実際のダイヤモンド半導体
へのドーピングに用いた例を図１を用いて示す。先ず、
図１（Ａ）に示すように基板１１上にダイヤモンド半導
体膜１２を低圧合成で形成し、次に、その上のＳｉＯ２
膜１３を通常のプラズマＣＶＤで膜厚２００ｎｍに形成
し、レジストパターン１４を形成した後、エッチングを
行い、開口部を形成した。次に、ダイヤモンド半導体膜
１２の露出部１５に、以下の条件で図２の装置を用い
て、ドーピングを行い拡散層１６を形成した。
【００２４】 ガス流量 ：Ｎ2＝３０SCCM 圧力 ：１．３３Ｐａ 温度 ：１００℃ マイクロ波 ：８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアス：０Ｗ パルス比 ：１：２ この時、パルス状にマイクロ波を供給してあるので高密
度（１０14ｃｍ-3程度）のプラズマが発生し、図１
（Ｂ）に示す拡散層１６には高密度に窒素原子がドープ
された。本実施例では、ドーピングに際してパルス状に
マイクロ波を供給したことにより、装置の窓材やチャン
バ内壁にダメージを与えることなく高密度なプラズマが
得られる。なお、本実施例では、このようにマイクロ波
をパルス状に供給したが、マイクロ波の出力を下げて連
続的に供給することも可能である。
【００２５】
【実施例２】この実施例は表面ドライクリーニングとド
ーピングとを組み合わせた例である。以下、同じく、本
発明を実際のダイヤモンド半導体へのドーピングに用い
た例を図１を用いて示す。
【００２６】先ず、図１（Ａ）に示すように、基板１１
上にダイヤモンド半導体膜１２を低圧合成で形成し、そ
の上にＳｉＯ２膜１３を通常のプラズマＣＶＤで２００
ｎｍ形成し、次いでレジストパターン１４を形成した
後、エッチングにより開口部を形成した。次に、ダイヤ
モンド半導体膜１２の露出部１５に、以下の条件で図２
の装置を用いて、表面をドライクリーニングした。この
時、ＲＦバイアスを印加してやれば、エッチングも行な
うことができるのはいうまでもなく、本実施例はその原
理を利用したものである。なお、基板温度は３０℃とし
た。また、マイクロ波は常時オンとした。ここで用いた
Ｎ2Ｏは、ダイヤモンドのエッチングガスとして知られ
ている。
【００２７】 ガス流量 ：Ｎ2Ｏ＝３０SCCM 圧力 ：１．３３Ｐａ 温度 ：３０℃ マイクロ波 ：８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアス：３０Ｗ 次に、ダイヤモンド半導体膜１２の露出部１５に、以下
の条件で同じく図２の装置を用いて、ドーピングを行な
い拡散層１６を形成した。このドーピングの条件は以下
に示す通り実施例１と同じにした。
【００２８】 ガス流量 ：Ｎ2Ｏ＝３０SCCM 圧力 ：１．３３Ｐａ 温度 ：１００℃ マイクロ波 ：８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアス：０Ｗ パルス比 ：１：２ 本実施例においても、パルス状にマイクロ波を供給して
あるので高密度（１０14ｃｍ-3程度）のプラズマが発生
し、高密度に窒素原子がドープされた。本実施例では、
同じ装置内でドライクリーニングとドーピングとが行な
えるため、スループットが向上する。また、ドーピング
時の温度も比較的低くてすむため、レジストパターン１
４への悪影響は生じない。
【００２９】本実施例では、表面処理ドライクリーニン
グとドーピングを同じ窒素系のガスを用いて行なってい
るので、プロセス間のクロスコンタミが少なくてすむ利
点である。
【００３０】以上、本発明の各実施例について説明した
が、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明
の主旨を逸脱しない範囲内で構造、条件等は適宜変更可
能である。
【００３１】例えば、上記実施例１及び２では、高密度
プラズマリースとしてＥＣＲプラズマを用いたが、この
他に、ヘリコン波を用いたヘリカル共振器，ヘリコン波
プラズマ，ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅ
ｄ Ｐｌａｓｍａ），ＴＣＰ（Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ
Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）などを用いることが
できる。
【００３２】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１〜３記載の発明によれば、従来困難とされていたｎ型
のドーピングができるので、生産性良く、且つ安価に高
性能のダイヤモンド半導体を製造することが出来る効果
がある。又、パルス状の高密度プラズマによりドーピン
グしているので、装置の窓材やチャンバの内壁等に損傷
を与えることはない。また、ドライクリーニングとドー
ピングを同一若しくは同じ窒素系ガスを用いて行ってお
り、プロセス間のクロスコンタミを少なくすることがで
き、しかもドライクリーニングとドーピングを同じ装置
で行うので、良好なスループットでプロセスのクリーン
化が図れる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の実施例の工程を示
す断面図
【図２】本発明の実施例で用いた有磁場マイクロ波プラ
ズマドーピング装置の説明図
【符号の説明】
７…ガスプラズマ １１…基板 １２…ダイヤモンド半導体膜 １３…ＳｉＯ2膜 １４…レジストパターン １６…拡散層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−83301（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−295416（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−214620（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−242141（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−253330（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−29244（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−103098（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−106266（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−266020（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−24983（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−61161（ＪＰ，Ａ) 水野 文二 ほか，ＥＣＲプラズマド ーピング，電子材料，1987年12月号, ｐ．103−108 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C30B 1/00 - 35/00 ＣＡ（ＳＴＮ) ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) ＷＰＩ／Ｌ（ＱＵＥＳＴＥＬ)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 炭素を主成分とし、窒素原子を含有する
    ダイヤモンド半導体の製造方法において、前記窒素原子
    を窒素系ガス雰囲気で１０11〜１０14ｃｍー3のパルス
    状高密度プラズマを用いてドーピングし、前記ドーピン
    グの前に、ダイヤモンド表面を窒素系ガス雰囲気でドラ
    イクリーニングする工程を含み、該ドライクリーニング
    する工程はＥＣＲプラズマを用いるとともに、前記ドー
    ピングと同じ装置を用いることを特徴とするダイヤモン
    ド半導体の製造方法。
  2. 【請求項２】 前記高密度プラズマは、ＥＣＲプラズマ
    であり、マイクロ波がパルス状に供給される請求項１記
    載のダイヤモンド半導体の製造方法。
  3. 【請求項３】 ドライクリーニング工程で用いるエッチ
    ングガスとドーピング工程で用いるドーピングガスに同
    じものを用いたことを特徴とする請求項１又は２記載の
    ダイヤモンド半導体の製造方法。
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