JP6341477B2 - ダイヤモンド半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
前記ホッピング伝導では、ダイヤモンド膜に対して、不純物を高濃度に添加することにより得られ、正孔や電子の移動の仕方が、密な不純物準位を介した特有のものになる。
これらの実験例によれば、オーミック特性が得られるものの、前記接触抵抗が106Ω以上と非常に高く低抵抗を示すオーミック特性は、現段階で実現されていない。この要因として挙げられるのが、前記n型ダイヤモンド半導体と前記金属電極との界面における高いショットキー障壁の存在である。この高いショットキー障壁は、前記n型ダイヤモンド半導体と前記金属電極との界面に多く存在する界面準位により、フェルミ準位が伝導帯下端より4.3eV低い位置にピニングされることにより形成されると考えられる(非特許文献3参照)。
なお、ダイヤモンド半導体のオーミック特性に関する実験例としては、p型ダイヤモンド半導体層の表層をグラファイト化させたダイヤモンド−金属接合体の実験例が報告されている(特許文献1参照)が、その手法を高濃度に不純物がドープされたホッピング伝導性の前記n型ダイヤモンド半導体層に適用しても、前記接触抵抗を十分に低抵抗化させることができない問題がある。
したがって、依然として前記n型ダイヤモンド半導体層−前記金属電極間の前記接触抵抗が低抵抗化されたダイヤモンド半導体装置及びその製造方法としては、満足できるものが存在していないというのが現状である。
<1> ドープされるn型不純物の不純物濃度が1×10 20 cm −3 〜1×10 21 cm −3 であり、ホッピング伝導性を有するn型ダイヤモンド半導体層の表層を加熱し、前記表層中のダイヤモンド構造を構造相転移させて得られる、膜厚が一様なグラファイト層が形成された前記n型ダイヤモンド半導体層と前記グラファイト層との積層体と、前記グラファイト層上に配される金属電極と、を有することを特徴とするダイヤモンド半導体装置。
<2> グラファイト層の厚みが、厚くとも12nmである前記<1>に記載のダイヤモンド半導体装置。
<3> ショットキー障壁の高さが、2.3eV以下である前記<1>から<2>のいずれかに記載のダイヤモンド半導体装置。
<4> 金属電極が、チタン、ニッケル、プラチナ、アルミニウム、金及びこれらの合金のいずれかで形成される層の単層体又は積層体である前記<1>から<3>のいずれかに記載のダイヤモンド半導体装置。
<5> ドープされるn型不純物の不純物濃度が1×10 20 cm −3 〜1×10 21 cm −3 であり、ホッピング伝導性を有するn型ダイヤモンド半導体層の表層を加熱し、前記表層中のダイヤモンド構造を構造相転移させて、膜厚が一様なグラファイト層が形成された前記n型ダイヤモンド半導体層と前記グラファイト層との積層体を形成する積層体形成工程と、前記積層体上に金属電極を形成する金属電極形成工程と、を含むことを特徴とするダイヤモンド半導体装置の製造方法。
<6> 積層体形成工程が、n型ダイヤモンド半導体層の表層を低くとも1,200℃の加熱温度で加熱して、グラファイト層を形成する工程である前記<5>に記載のダイヤモンド半導体装置の製造方法。
<7> 積層体形成工程が、n型ダイヤモンド半導体層の表層を長くとも10分の加熱時間で加熱して、グラファイト層を形成する工程である前記<5>から<6>のいずれかに記載のダイヤモンド半導体装置の製造方法。
本発明のダイヤモンド半導体装置は、少なくとも、n型ダイヤモンド半導体層とグラファイト層との積層体と、金属電極とを有し、目的に応じて他の半導体構造部とを有する。
前記積層体は、前記n型ダイヤモンド半導体層上に前記グラファイト層が積層された積層体として構成される。
前記n型ダイヤモンド半導体層は、ホッピング伝導性を有するn型ダイヤモンド半導体層として構成される。
前記n型ダイヤモンド半導体層としては、特に制限はなく、公知のn型ダイヤモンド半導体層を用いることができる。
前記n型ダイヤモンド半導体層を作製する場合、その作製方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、公知のCVD(Chemical Vapor Deposition)法が挙げられる。
一例としては、ダイヤモンド源、n型不純物源となる原料ガスを用いたマイクロ波プラズマ化学気相堆積方法により、ダイヤモンド基板上に前記n型ダイヤモンド半導体層を成長させて形成する方法が挙げられる。
なお、前記ダイヤモンド源としては、水素ガス、メタンガス等が挙げられ、また、前記n型不純物源としては、ホスフィンガス等が挙げられる。
前記ホッピング伝導性は、正孔、電子の移動がバンド伝導と異なり、密な不純物準位を介して行われることを示し、前記n型ダイヤモンド半導体層にドープされるリン等のn型不純物の濃度が、1×1020cm−3以上の場合に支配的に現れる特性である。
したがって、前記n型ダイヤモンド半導体層にドープされる前記n型不純物の濃度としては、前述の濃度であれば特に制限はなく、接触抵抗を低抵抗化させる観点から、1×1020cm−3〜1×1021cm−3程度が好ましい。
前記グラファイト層は、前記n型ダイヤモンド半導体層の表層を加熱し、前記表層中のダイヤモンド構造を構造相転移させて得られ、膜厚が一様な層として構成される。
このような構造相転移に基づいて形成されることで、前記接触抵抗の低抵抗化が可能とされる。一方、前記n型ダイヤモンド半導体層のダイヤモンド構造に基づかないグラファイト層を前記n型ダイヤモンド半導体層上に堆積させても前記接触抵抗の低抵抗化が実現できない。また、前記n型ダイヤモンド半導体の層に対して、イオン注入して電気的に活性な欠陥を形成する場合も、前記欠陥に基づく凹凸により、膜厚が一様な前記グラファイト層が得られず、前記接触抵抗の低抵抗化が実現できない。
また、前記n型ダイヤモンド半導体層の表層を加熱する加熱時間としては、長くとも10分程度が好ましい。前記加熱時間が10分を超えると、膜厚が一様な前記グラファイト層が得られにくく、また、形成される前記グラファイト層の厚みが過剰に厚くなり、前記接触抵抗の低抵抗化の妨げとなることがある。前記加熱時間の下限としては、1分程度である。なお、前記加熱としては、真空雰囲気又は窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気中で行う。
前記グラファイト層の厚みとしては、厚くとも12nm程度が好ましい。前記厚みが12nmを超えると、前記接触抵抗の増大を招くことがある。
なお、前記グラファイト層は、それ自体で、ないしは、以下に説明する前記金属電極とともに電極を構成する。
前記金属電極は、前記グラファイト層上に配される。
前記金属電極の構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記接触抵抗の低抵抗化の観点から、チタン、ニッケル、プラチナ、アルミニウム、金及びこれらの合金のいずれかで形成される層の単層体又は積層体であることが好ましい。
また、前記金属電極の形成方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、公知の真空蒸着法、CVD法、ALD(Atomic Vapor Deposition)法等により形成することができる。
なお、本明細書において、オーミック特性とは、前記ダイヤモンド半導体装置のI−V特性が略線形状の特性を示すことを指す。
前記他の半導体構造部としては、特に制限はなく、作製する半導体装置の種類に応じて、公知の半導体装置の半導体構造から適宜選択し、適用することができる。
本発明のダイヤモンド半導体装置の製造方法は、少なくとも、積層体形成工程と、金属電極形成工程とを含み、目的に応じて他の工程を含む。
前記積層体形成工程は、ホッピング伝導性を有するn型ダイヤモンド半導体層の表層を加熱し、前記表層中のダイヤモンド構造を構造相転移させて、膜厚が一様なグラファイト層が形成された前記n型ダイヤモンド半導体層と前記グラファイト層との積層体を形成する工程である。
なお、前記n型ダイヤモンド半導体層としては、前記ダイヤモンド半導体装置で説明した事項を適用することができる。
また、前記積層体形成工程としては、前記n型ダイヤモンド半導体層の表層を長くとも10分程度の加熱時間で加熱して、グラファイト層を形成する工程であることが好ましい。前記加熱時間が10分を超えると、膜厚が一様な前記グラファイト層が得られにくく、また、形成される前記グラファイト層の厚みが過剰に厚くなり、前記接触抵抗の低抵抗化の妨げとなることがある。前記加熱時間の下限としては、1分程度である。なお、前記積層体形成工程としては、真空雰囲気で実施する。
前記金属電極形成工程は、前記積層体上に金属電極を形成する工程である。
前記金属電極形成工程としては、前記ダイヤモンド半導体装置において説明した事項を適用して実施することができる。
前記他の工程としては、特に制限はなく、製造する半導体装置の種類に応じて、公知の半導体装置の製造工程から適宜選択し、適用することができる。
先ず、ダイヤモンド基板上に、マイクロ波を用いたプラズマ化学気相堆積装置(Astex社製(現コーンズテクノロジー社製)、AX5200S)により、ホッピング伝導性を有するn型ダイヤモンド半導体層を成長させて形成した。より具体的には、ダイヤモンド源としての水素(H2)及びメタン(CH4)、n型不純物源としてのホスフィン(PH3)の各原料ガスを、CH4/H2=0.05%、PH3/CH4=50%となる流量比で反応容器内に導入し、75Torr(約104Pa)の圧力下で、750Wのマイクロ波出力により前記各原料ガスをプラズマ化させて行った。前記n型ダイヤモンド半導体層の成長時間は、6時間とし、形成された前記n型ダイヤモンド半導体層の厚みは、1.5μmであった。また、前記n型ダイヤモンド半導体層中にドープされたリン濃度は、1×1020cm−3であった。
最後に、プラズマアッシャー装置(ヤマト科学社製、PR500)を用いた酸素プラズマエッチングにより、余分な前記グラファイト層を除去し、前記ダイヤモンド基板上に、前記n型ダイヤモンド半導体層、前記グラファイト層、前記積層金属電極をこの順で配した構造の実施例1に係るダイヤモンド半導体装置を製造した。
なお、前記グラファイト層及び前記積層金属電極で構成される電極部を、前記n型ダイヤモンド半導体層上に複数形成することとし、各電極部の配置は、TLM法(Transfer Length Method;伝送長法)による、前記n型ダイヤモンド半導体層−前記電極部間の接触抵抗の測定のため、図1に示す配置とした。なお、図1は、n型ダイヤモンド半導体層上における各電極部の配置を示す上面図であり、図中のWは、前記各電極部の長手方向の幅を示し、前記電極部の短手方向に隣接して配される前記各電極間の間隔をdとする。
実施例1において、前記グラファイト層を形成する温度を1,200℃から1,300℃に変えたこと以外は、実施例1と同様にして、実施例2に係るダイヤモンド半導体装置を製造した。なお、前記n型ダイヤモンド半導体層中のリン濃度は、基板のオフ角に依存し、実施例1と同様のドープ条件においても、1〜3×1020cm−3の範囲で変動する。ここでは、リン濃度が2×1020cm−3である前記n型ダイヤモンド半導体層に対して前記グラファイト層を形成することとした。
実施例1において、前記グラファイト層を形成する温度を1,200℃から1,400℃に変えたこと以外は、実施例1と同様にして、実施例3に係るダイヤモンド半導体装置を製造した。
実施例2において、前記グラファイト層を形成する温度を1,300℃から1,450℃に変えたこと以外は、実施例2と同様にして、実施例4に係るダイヤモンド半導体装置を製造した。
実施例1において、前記グラファイト層を形成する温度を1,200℃から1,100℃に変えたこと以外は、実施例1と同様にして、比較例1に係るダイヤモンド半導体装置を製造した。
実施例1において、前記グラファイト層を形成する温度を1,200℃から1,000℃に変えたこと以外は、実施例1と同様にして、比較例2に係るダイヤモンド半導体装置を製造した。
実施例1において、前記グラファイト層を形成する温度を1,200℃から900℃に変えたこと以外は、実施例1と同様にして、比較例3に係るダイヤモンド半導体装置を製造した。
実施例1において、前記グラファイト層を形成する温度を1,200℃から800℃に変えたこと以外は、実施例1と同様にして、比較例4に係るダイヤモンド半導体装置を製造した。
実施例2において、前記n型ダイヤモンド半導体層の形成条件をPH3/CH4=50%からPH3/CH4=1%に変えることで、前記リン濃度を2×1020cm−3から3×1019cm−3に変えたこと以外は、実施例2と同様にして、比較例5に係るダイヤモンド半導体装置を製造した。
実施例2において、前記n型ダイヤモンド半導体層の形成条件をPH3/CH4=50%からPH3/CH4=500ppmに変えることで、前記リン濃度を2×1020cm−3から2×1018cm−3に変えたこと以外は、実施例2と同様にして、比較例6に係るダイヤモンド半導体装置を製造した。
実施例2において、前記グラファイト層を形成せず、前記n型ダイヤモンド半導体層上に直接、前記チタン/白金/金の積層電極層を形成した後、高速熱処理装置(アルバック理工株式会社製)を用いて、Ar雰囲気下、420℃で30分間のフォーミングアニールを行い、前記n型ダイヤモンド半導体層と前記チタン電極層との界面に、これらの層を化学反応させた炭化チタン(TiC)層を形成したこと以外は、実施例2と同様にして、比較例7に係るダイヤモンド半導体装置を製造した。
実施例2において、前記グラファイト層を形成せず、前記n型ダイヤモンド半導体層上に直接、真空蒸着装置(エイコー・エンジニアリング社製)を用いて、ニッケル電極層を厚み30nmで形成し、その後、前記ニッケル電極層上に前記積層金属電極を形成したこと以外は、実施例2と同様にして、比較例8に係るダイヤモンド半導体装置を製造した。
実施例2において、前記グラファイト層を形成せず、前記n型ダイヤモンド半導体層上に直接、真空蒸着装置(エイコー・エンジニアリング社製)を用いて、白金電極層を厚み30nmで形成し、その後、前記白金電極層上に前記積層金属電極を形成したこと以外は、実施例2と同様にして、比較例9に係るダイヤモンド半導体装置を製造した。
実施例2において、前記グラファイト層を形成せず、前記n型ダイヤモンド半導体層上に直接、真空蒸着装置(エイコー・エンジニアリング社製)を用いて、アルミニウム電極層を厚み30nmで形成し、その後、前記アルミニウム電極層上に前記積層金属電極を形成したこと以外は、実施例2と同様にして、比較例10に係るダイヤモンド半導体装置を製造した。
実施例2において、前記グラファイト層を形成せず、前記n型ダイヤモンド半導体層上に直接、真空蒸着装置(エイコー・エンジニアリング社製)を用いて、金電極層を厚み30nmで形成し、その後、前記金電極層上に前記積層金属電極を形成したこと以外は、実施例2と同様にして、比較例11に係るダイヤモンド半導体装置を製造した。
実施例2において、前記n型ダイヤモンド半導体層の前記電極部が形成される領域に対して、イオン注入装置(アルバック社製)を用いてArイオンを注入し、その後、前記n型ダイヤモンド半導体層の表層を真空中にて1,000℃で30分間加熱し、前記グラファイト層を形成したこと以外は、実施例2と同様にして、比較例12に係るダイヤモンド半導体装置を製造した。なお、このイオン注入は、非特許文献1に沿うものであり、形成される前記グラファイト層には、前記イオン注入により欠陥が生じ、膜厚が一様でない。
前記測定は、2つの前記電極部間のI−V測定から得られる抵抗値と、2つの前記電極部間の間隔dとを関数とし、得られる特性の傾きから前記n型ダイヤモンド半導体層の抵抗と、前記特性の切片から前記接触抵抗とを見積もることで行った。
図3に、TLM法による実施例3及び比較例7に係る各ダイヤモンド半導体装置の特性を示す。該図3に示すように、実施例3に係るダイヤモンド半導体装置の前記接触抵抗は、比較例7に係るダイヤモンド半導体装置の前記接触抵抗に対して、1/10以下の低い値を示している。
図4に示すように、実施例3に係るダイヤモンド半導体装置における、前記グラファイト層は、厚み10nm程度の一様な層として形成されている。
なお、実施例1〜4に係る各ダイヤモンド半導体装置に対しては、Raman測定からグラファイトに起因するピークと、ダイヤモンドに起因するピークとを確認し、実施例3と同様に、前記n型ダイヤモンド半導体層の極表面領域で、膜厚が一様な前記グラファイト層の形成を確認した。
なお、前記固有接触抵抗(Ωcm2)は、並設される前記電極部間に0V付近の微小電圧を印加したときの値であり、また、下記表1の界面(状態)に関する表記は、次の通りである。
A:前記n型ダイヤモンド半導体層上に膜厚が一様な前記グラファイト層が形成されている。
B:前記n型ダイヤモンド半導体層上に前記グラファイト層が形成されていない、ないしは、膜厚が一様でない前記グラファイト層が形成されている。
C:前記n型ダイヤモンド半導体層上に前記炭化チタン層(TiC層)が形成されている。
D:前記n型ダイヤモンド半導体層上に前記グラファイト層が形成されておらず、金属電極層が形成されている。
E:Arイオン注入の際に生じた前記n型ダイヤモンド半導体層表層の凹凸ダメージにより、欠陥を含む前記グラファイト層が形成されている。
リン濃度が低い試料(比較例5、比較例6)に関しては容量−電圧特性より見積もった。リン濃度が高い試料(実施例1−4、比較例1−4、比較例7−12)に関しては、両電極界面にショットキー障壁が形成されるダブルショットキー構造を想定し、トンネル現象に関する下記式(2)〜(4)を用いて、電流−電圧特性結果とのフィッティングから見積もった。
即ち、金属/n+型ダイヤモンド半導体界面にショットキー障壁が残っているため、熱電子放出(TE: Thermal Emission)だけではなく、熱電界放出(TFE: Thermal Field Emission)や電界放出(FE: Field Emission)のトンネル成分についても考慮してショットキー障壁の高さを確認した。一般的に、前記FEと前記TFEで与えられる電流密度Jは、下記式(2)で表される。
以上により確認された、実施例1〜4及び比較例1〜12に係る各ダイヤモンド半導体装置のショットキー障壁の高さ(最大値)を、下記表1に示す。
前記I−V特性は、図1の前記電極部の配置において、隣接する前記電極部間の間隔dが18μmである2つの前記電極部間に電圧を印加して測定を行った。また、この測定は、室温下で行った。
測定結果を図5に示す。なお、図5は、実施例3及び比較例7に係る各ダイヤモンド半導体装置におけるI−V特性を示す図である。
該図5に示すように、比較例7に係るダイヤモンド半導体装置では、前記I−V特性が非線形となるのに対し、実施例3に係るダイヤモンド半導体装置では、前記I−V特性がほぼ線形とされ、優れたオーミック特性が得られている。
Claims (7)
- ドープされるn型不純物の不純物濃度が1×10 20 cm −3 〜1×10 21 cm −3 であり、ホッピング伝導性を有するn型ダイヤモンド半導体層の表層を加熱し、前記表層中のダイヤモンド構造を構造相転移させて得られる、膜厚が一様なグラファイト層が形成された前記n型ダイヤモンド半導体層と前記グラファイト層との積層体と、
前記グラファイト層上に配される金属電極と、を有することを特徴とするダイヤモンド半導体装置。 - グラファイト層の厚みが、厚くとも12nmである請求項1に記載のダイヤモンド半導体装置。
- ショットキー障壁の高さが、2.3eV以下である請求項1から2のいずれかに記載のダイヤモンド半導体装置。
- 金属電極が、チタン、ニッケル、プラチナ、アルミニウム、金及びこれらの合金のいずれかで形成される層の単層体又は積層体である請求項1から3のいずれかに記載のダイヤモンド半導体装置。
- ドープされるn型不純物の不純物濃度が1×10 20 cm −3 〜1×10 21 cm −3 であり、ホッピング伝導性を有するn型ダイヤモンド半導体層の表層を加熱し、前記表層中のダイヤモンド構造を構造相転移させて、膜厚が一様なグラファイト層が形成された前記n型ダイヤモンド半導体層と前記グラファイト層との積層体を形成する積層体形成工程と、
前記積層体上に金属電極を形成する金属電極形成工程と、を含むことを特徴とするダイヤモンド半導体装置の製造方法。 - 積層体形成工程が、n型ダイヤモンド半導体層の表層を低くとも1,200℃の加熱温度で加熱して、グラファイト層を形成する工程である請求項5に記載のダイヤモンド半導体装置の製造方法。
- 積層体形成工程が、n型ダイヤモンド半導体層の表層を長くとも10分の加熱時間で加熱して、グラファイト層を形成する工程である請求項5から6のいずれかに記載のダイヤモンド半導体装置の製造方法。
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