JPH01158774A - Ｍｉｓ型電界効果トランジスタの製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、半導体デバイスの１種である、金属／絶縁体
／半導体（ＭＩＳ型）構造を有する電界効果トランジス
タに関する。

［従来の技術］ 現在、半導体材料として用いられているのは主としてＳ
ｉである。半導体市場の主流である論理回路や半導体メ
モリーなどの集積回路を構成している半導体デバイスに
はＳｉが用いられている。

半導体デバイスの中で半導体メモリーには、集積化の容
易なＭＯ８型電界効果トランジスタが用いられ、高速性
を要求される論理演算子にはバイポーラ型トランジスタ
が用いられている。

これら以外にもアナログＩＣなど多くの電子部品におい
てＳｉが用いられている。また、ＧａＡｓやＩｎＰなど
の化合物半導体は光学デバイス、超高速ＩＣのような限
定された用途に向（Ｊて開発が進んでいる。

しかし、Ｓｉは２００°Ｃ以上、ＧａＡｓは３００°Ｃ
以」−の高温では使用できないという問題がある。

これは、バンドキャップが８１で１．］、ｅＶ。

ＧａＡｓで１．５ｅＶと小さいために、ｓｌは２００℃
以上、ＧａＡｓは３００°Ｃ以上で真性領域に入り、キ
ャリア密度が増大してしまうためである。

ところで、集積回路の集積度は近年まずまず高まる傾向
にあるが、それに伴って、素子の熱発生の割合も高まり
、これは回路の誤動作の原因となるため、放熱の手段も
問題になってきている。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明の目的は、耐熱性を有することに加えて、有効な
放熱手段をも有することができる電界効果トランジスタ
を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の目的は、金属層、絶縁体層及び半導体層を有す
るＭＩＳ型電界効果トランジスタにおいて、動作層とな
る半導体層がＰ型又はＮ型の半導体ダイヤモンド層であ
ることを特徴とするＭＩＳ型電界効果トランジスタによ
って達成される。

本発明のＭＩＳ型電界効果トランジスタは、通常、１つ
のトランジスタの動作層としてＰ型半導体層又はＮ型半
導体層のいずれか一方を有するノーマリ−オン型である
が、Ｐ型半導体層又はＮ型半導体層のそれぞれを動作層
として有する複数のトランジスタを１つの基板の上に形
成することも可能である。

本発明のＭＩＳ型電界効果トランジスタは、放熱効果の
点から、天然又は人工合成されたダイヤモンド単結晶か
らなる基板を有することが好ましい。この基板は、絶縁
性であることが好ましいが、動作層がＮ型（又はＰ型）
半導体ダイヤモンド層である場合、Ｐ型（又はＮ型）半
導体ダイヤモンド単結晶基板であってもよい。

半導体ダイヤモンド層は、気相合成法により成長させて
形成されており、Ｂ、Ｎ、ＡＱ、ＰＸＳ、Ｃｌ、Ａｓ及
びＳｅから成る群から選択された少なくとも１種以上の
元素を不純物として含む半導体ダイヤモンド層であるこ
とが好ましい。

絶縁体層は、ダイヤモンドからできていても、あるいは
５１０２、Ａｆ２２０３又はＳｉ３Ｎ４からできていて
もよい。

金属層は、例えば、トランジスタにおいて金属電極とし
て通常に使用されるいずれの金属からできていてよい。

本発明のＭＩＳ型電界効果トランンスタは、ＭＩＳ型電
界効果トランジスタの動作層となる半導体ダイヤモンド
層の形成は、炭素源ガスを希釈用ガス及び不純物源ガス
と混合して得られた混合原料ガスを分解励起した後、基
板上に導くことによって基板上に半導体ダイヤモンド層
を成長させる気相合成法によって行うことを特徴とする
ＭＩＳ型電界効果トランジスタの製造法によって製造さ
れる。

本発明の方法においては、半導体ダイヤモンド層を形成
するために、炭素源ガス、希釈用ガス及び不純物源ガス
を混合した原料ガスを使用する。

炭素源ガスとしては、含炭素有機化合物、例えば、メタ
ン、エタン又はエヂルアルコール等を使用できる。希釈
用ガスとしては、水素ガス及び／又は不活性ガスが使用
でき、その使用量は、炭素源ガスに対して等モル量以上
である。不純物源ガスとしては、通常、所望の不純物の
単体又は水素化物、ハロゲン化物又は有機金属化合物を
使用し、その使用量は、半導体ダイヤモンド中への不純
物の所望ドープ量に応じて適宜選択する。

ダイヤモンド層を成長させる気相合成法において、原料
ガスを分解励起する方法としては、例えば、１）熱電子
放射材を１５００に以上の温度に加熱して原料ガスを活
性化する方法、２）直流、高周波又はマイクロ波電界に
よる放電を利用する方法、３）イオン衝撃を利用する方
法、４）レーザーなどの光を照射する方法が挙げられる
。いずれの方法をも用いることが可能であるが、良好な
半導体ダイヤモンド結晶は、方法１）、２）又は４）に
より得ることができる。なお、分解励起した原料ガスを
導く基板は、４００°Ｃ以上に加熱されていることが好
ましい。

酸素プラズマを用いたドライエツチング法によりダイヤ
モンド上に微細なパターンを形成し得る。

酸素プラズマを用いたドライエツチング法としては、平
行平板電極によるプラズマエッヂフグ法又はイオンビー
ムエツチング法のいずれをも用いることができる。

添付図面を参照しながら、本発明のＭＩＳ型電界効果ト
ランジスタについて説明する。なお、本発明は、添付図
面の態様に限定されるものではない。

第１図は、本発明のＭＩＳ型電界効果トランジスタの概
略を示す断面図である。この電界効果トランジスタは、
絶縁性ダイヤモンド単結晶基板１１、半導体ダイヤモン
ド層１２、絶縁体層１３、ソース金属電極１４、ゲート
金属電極１５及びドレイン金属電極１６を有する。半導
体ダイヤモンド層１２は、Ｐ型又はＮ型のいずれかの半
導体ダイヤモンドからできている。ソース金属電極１４
及びトレイン金属電極１６の下の半導体ダイヤモンド層
１２における各電極と接している部分（絶縁体層Ｉ３の
下の部分以外の部分）においては、不純物の濃度が高い
ことが好ましい。

−８＝ ［発明の効果］ ダイヤモンドは、バンドギャップが５．５ｅＶと大きい
ため、真性領域に相当する温度領域は、ダイヤモンドが
熱的に安定な１４００℃以下には存在しない。また化学
的にも非常に安定である。よって、ダイヤモンドで作製
したデバイスは高温での動作が可能上なり、耐環境性の
優れたものとなる。

また、ダイヤモンドの熱伝導率は２０［Ｗ／ａｍ・Ｋ］
とＳｉの１０倍以上であり、放熱性にも優れている。さ
らに、ダイヤモンドはキャリアの移動度が大きい（電子
移動度：２０００［ｃ屑２　／　ｖ・秒］、ホール移動
度：２１００　［ａｍ’／Ｖ　・秒］ａｔ３００Ｋ）。

誘電率が小さい（Ｋ＝５．５）、破壊電界が大きい（Ｅ
ｅ＝５ｘｌＯ６Ｖ／ｃ屑）などの特徴を有しており、高
周波で大電力用のデバイスを作製することができる。

更に、ダイヤモンドは、不純物を含まないと絶縁体であ
るという特徴も有しているため、ＭＩＳ型電界効果トラ
ンジスタを作製する際に、半導体層のみならず絶縁層も
ダイヤモンドで構成できるという利点があり、それらの
界面での界面準位を少なくできる。また、ダイヤモンド
中ではナトリウムなどの可動性汚染不純物の拡散係数が
小さいという特長がある。それゆえ、ダイヤモンドを用
いて作製したＭＩＳ型電界効果トランジスタは高電界、
高温の下でも安定した動作を行うことができる。また、
一般にＭＩＳ構造のトランジスタは、バイポーラ型トラ
ンジスタに比べて製造工程が簡易であり、集積化が容易
である。ＭＩＳ型電界効果トランジスタの中でも、ノー
マリ−オン型のＭＩＳ型電界効果トランジスタは、簡単
な構造を有するので、製造工程を簡易にできるという点
で優れている。

本発明のＭＩＳ電界効果トランジスタは耐熱性及び耐環
境性に優れており、自動車のエンジンルーム、原子炉及
び人工衛星などの過酷な環境下で使用できる。

本発明の電界効果トランジスタは、ダイヤモンドの熱伝
導率の良好さから高集積化が容易であるので、耐熱性高
速論理素子及び高周波大出力素子として有用である。

［実施例］ 以下に本発明の実施例を示す。

実施例１ 第２図に示すような手順により、ダイヤモンドから成る
ＭＩＳ型電界効果トランジスタを製造した。

（ｉ）３ｘ２ＸＩｍｍのＩｂ型人工単結晶ダイヤ基板２
】の（１００）面上に公知のマイクロ波プラズマＣＶＤ
法で厚さ０．５μｍのＢ（ボロン）ハイトープＰ型ダイ
ヤモンド薄膜層２２を形成した。

（合成条件二マイクロ波パワー＝３５０Ｗ、反応圧カー
　３０　Ｔｏｒｒ、反応ガス−ＣＩ（、（０，５％）→
−８２１（ｅ（０、００１％）＋Ｈ２（残））（ｉｉ）
Ｎ型ダイヤモンド薄膜層の一部にＣｒ（クロム）をマス
ク２３として蒸着し、マスク２３で覆われていない部分
を酸素、プラズマエッチングした。

（エッヂング条件Ｒ，Ｐ　パワー（高周波出力）−２０
０Ｗ、圧力−０，００５Ｔｏｒｒ）（山）先のＣｒマス
ク２３を除去ぜずに、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によ
り厚さ０．５μｍのＢ（ホウ素）ドープＰ型ダイヤモン
ド薄膜層２４を形成した。

（合成条件：マイクロ波パワー−３５０Ｗ、反応圧カー
３０　Ｔｏｒｒ、反応ガス−ＣＩ−（、（０，５％）＋
Ｂ２Ｈｅ（０，００００５％）４−Ｈ７（残））（ｉｖ
）Ｃｒマスク２３を王水で溶解することによってＰ型ダ
イヤモンド薄膜層２４の一部をリフトオフ法により除去
した。

（ｖ）マイクロ波プラズマＣＶＤ法で厚さ１０００人の
ノンドープダイヤモンド薄膜層２５を形成した。

（合成条件：マイクロ波パワー−３５０Ｗ、反応圧カー
３０Ｔｏｒｒ、反応ガス−〇　Ｈ４（０、５％）十Ｈ２
（９９，５％）） （■１）ノンドープダイヤモンド薄膜層２５の一部を酸
素、プラズマエッチングした。

（エツヂング条件Ｒ，Ｆ　パワー−２００Ｗ、圧力−０
，００５Ｔｏｒｒ） （ｖｉｉ）　Ａ　ｕ／　Ｍｏ／　Ｔ　ｉの３層電極を蒸
着後、一部エッチングを行い、ソース、ゲート及びドレ
インのそれぞれにオーミック電極２６．２６’、２６”
を形成した。

このようにして作製したＭＩＳ型電界効果トランジスタ
の特性を測定したところ８００℃でもトランジスタ特性
が観測された。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のＭＩＳ型電界効果トランジスタの概
略を示す断面図、及び 第２図は、本発明のＭＩＳ型電界効果トランジスタの製
造を示す断面図である。 １１．２１・・基板、 ＋　２．２２．２４　　半導体層、 １３．２５・・・絶縁体層、 １４．１５．］６．２６．２６’、２６”　金属層。 特許出願人　導電性無機化合物技術研究組合代理人弁理
士　前出　葆　はか１名 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、金属層、絶縁体層及び半導体層を有するＭＩＳ型電
   界効果トランジスタにおいて、動作層となる半導体層が
   Ｐ型又はＮ型の半導体ダイヤモンド層であることを特徴
   とするＭＩＳ型電界効果トランジスタ。 ２、半導体ダイヤモンド層が、天然又は人工合成された
   ダイヤモンド単結晶基板の上に形成されたものである特
   許請求の範囲第１項記載の電界効果トランジスタ。 ３、半導体ダイヤモンド層が、気相合成法により成長さ
   せて形成されており、Ｂ、Ｎ、Ａｌ、Ｐ、Ｓ、Ｃｌ、Ａ
   ｓ及びＳｅから成る群から選択された少なくとも１種以
   上の元素を不純物として含む特許請求の範囲第１項記載
   の電界効果トランジスタ。 ４、絶縁体層がダイヤモンドから成る特許請求の範囲第
   １項記載の電界効果トランジスタ。 ５、絶縁体層がＳｉＯ＿２、Ａｌ＿２Ｏ＿３又はＳｉ＿
   ３Ｎ＿４から成る特許請求の範囲第１項記載の電界効果
   トランジスタ。 ６、動作層となる半導体層がＰ型又はＮ型の半導体ダイ
   ヤモンド層であるＭＩＳ型電界効果トランジスタの製造
   法であって、 ＭＩＳ型電界効果トランジスタの動作層となる半導体ダ
   イヤモンド層の形成は、炭素源ガスを希釈用ガス及び不
   純物源ガスと混合して得られた混合原料ガスを分解励起
   した後、基板上に導くことによって基板上に半導体ダイ
   ヤモンド層を成長させる気相合成法によって行うことを
   特徴とするＭＩＳ型電界効果トランジスタの製造法。 ７、混合ガスの分解励起は、熱電子放射材を１５００Ｋ
   以上の温度に加熱すること、又は直流もしくは交流の電
   磁界による放電を利用すること、又は光を照射すること
   によって行う特許請求の範囲第６項記載の方法。 ８、プラズマエッチング法又はイオンビームエッチング
   法によりダイヤモンド層のドライエッチングを行う特許
   請求の範囲６項記載の方法。