JPH05299635A - 耐熱性オーミック電極を備えたダイヤモンド薄膜及びその製造方法 - Google Patents

耐熱性オーミック電極を備えたダイヤモンド薄膜及びその製造方法

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JPH05299635A
JPH05299635A JP4104766A JP10476692A JPH05299635A JP H05299635 A JPH05299635 A JP H05299635A JP 4104766 A JP4104766 A JP 4104766A JP 10476692 A JP10476692 A JP 10476692A JP H05299635 A JPH05299635 A JP H05299635A
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diamond thin
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Kimitsugu Saitou
公続 斉藤
Kozo Nishimura
耕造 西村
Koichi Miyata
浩一 宮田
Koji Kobashi
宏司 小橋
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Kobe Steel Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体ダイヤモンド薄膜を用いて形成され、
高温環境下で使用される電子デバイスに好適の耐熱性オ
ーミック電極を備えたダイヤモンド薄膜を得る。 【構成】 p型Si基板1上に形成されたp型半導体ダ
イヤモンド薄膜2の表面には、Bが1.0×1019乃至
1.8×1023cm-3の密度で導入された高濃度Bドー
プ層3が設けられている。また、この高濃度Bドープ層
3上には、B、Al及びGaからなる群から選択された
少なくとも1種の元素が1.0×1020乃至5.0×1
22cm-3の濃度で導入されたp型Siからなる電極4
が選択的に形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体ダイヤモンド薄
膜を用いて形成され、高温環境下で使用される電子デバ
イスに好適の耐熱性オーミック電極を備えたダイヤモン
ド薄膜及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】ダイヤモンドは、硬度が高く、熱伝導率
が高いと共に、耐熱性が優れており、耐放射線性及び耐
化学薬品性も優れている。また、近年、気相合成法(以
下、CVD法という)によってダイヤモンドの薄膜化が
可能になり、ダイヤモンドコーティングされたスピーカ
ー用振動板及び半導体デバイス用ヒートシンク等が製造
されるようになった。
【0003】不純物が導入されていないダイヤモンドは
電気絶縁体であるが、ダイヤモンドにホウ素(B)を導
入するとp型半導体になる。このダイヤモンドからなる
半導体は、バンドギャップが約5.4eVと大きく、数
百℃の高温でも半導体的性質が失われないという長所を
有している。このため、半導体ダイヤモンド薄膜は、S
i及びGaAs等の一般的な半導体を使用した電子デバ
イスに比して高温域で使用可能な電子デバイス用半導体
材料として期待されている。
【0004】ところで、半導体ダイヤモンド薄膜を用い
て形成された電子デバイスを高温環境下において使用す
るためには、半導体ダイヤモンド薄膜の表面に、密着性
が高く、且つ、耐熱性が優れたオーミック電極を形成す
る必要がある。従来、半導体ダイヤモンド薄膜を用いた
電子デバイスにおいては、金属によりオーミック電極が
形成されている。
【0005】図5は、従来のオーミック電極を備えた電
子デバイス(サーミスタ)を示す断面図である(第5回
ダイヤモンドシンポジウム講演要旨集、第 114頁、1991
年)。
【0006】基板11上には、不純物が導入されていな
いダイヤモンド薄膜(以下、アンドープダイヤモンド薄
膜という)12が選択的に形成されており、このアンド
ープダイヤモンド薄膜12上にはホウ素をドープしたダ
イヤモンド薄膜(以下、Bドープダイヤモンド薄膜とい
う)13が選択的に形成されている。
【0007】このBドープダイヤモンド薄膜13上に
は、Ti膜14a及びAu膜14bを積層してなる一対
の電極14が相互に離隔して形成されている。
【0008】Bドープダイヤモンド薄膜13上に、Ti
及びAuを順次蒸着してTi膜14a及びAu膜14b
を形成した後、熱処理を施すことにより、Bドープダイ
ヤモンド薄膜13と電極14との界面にTiC層が形成
される。これにより、密着性が高いオーミック電極を得
ることができる。
【0009】なお、Tiは、酸素との親和力が強いた
め、大気中で容易に酸化する。このため、Ti膜14a
上に保護膜としてAu膜14bを形成することにより、
Ti膜14aの酸化を防止している。
【0010】図6(a)は、従来の他のオーミック電極
を備えた電子デバイス(サーミスタ)を示す断面図、図
6(b)は同じくその電極部分を示す部分拡大図である
(NEW DIAMOND Vol.5 ,No.2 、第32頁、1989年)。
【0011】Si34 からなる基板21上にはBドー
プダイヤモンド薄膜22が形成されている。また、この
Bドープダイヤモンド薄膜22上にはTi膜23a、M
o膜23b及びAu膜23cを順次積層してなる一対の
電極23が相互に離隔して形成されている。
【0012】更に、電極23間のBドープダイヤモンド
薄膜22上には、SiO2 からなる保護膜24が電極2
3上に若干延出して設けられている。そして、この保護
膜24に覆われていない部分の電極23上にはNiから
なるリード線25が銀ペースト26により接合されてい
る。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のダイヤモンド薄膜を用いた半導体電子デバイス
には、いずれも高温で使用することが困難であるという
問題点がある。即ち、図5に示すように、Ti膜14a
及びAu膜14bからなるオーミック電極14において
は、約500℃の温度でTiとAuとが相互に拡散し、
TiがAu膜14aの表面で酸化される。従って、図5
に示す構成のオーミック電極においては、高温で電極が
劣化してしまう。
【0014】図6(a),(b)に示すように、Ti膜
23aとAu膜23cとの間にMo膜23bを設けた場
合は、TiとAuとの相互拡散を防止することができ
て、上述の問題点を解消することができるものの、M
o、Ti及びAuは、いずれもダイヤモンドに対し熱膨
張率が大きく異なるため、昇温及び降温が繰り返し行な
われるような環境で使用すると、電極にクラックが入っ
たり、又は電極が部分的に剥離する等の不都合が発生す
る。
【0015】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、良好なオーミック特性を得ることができる
と共に、電極の剥離及びクラックの発生を回避できて、
高温環境下で使用される電子デバイスに好適の耐熱性オ
ーミック電極を備えたダイヤモンド薄膜及びその製造方
法を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】本発明に係る耐熱性オー
ミック電極を備えたダイヤモンド薄膜は、p型半導体ダ
イヤモンド膜と、この半導体ダイヤモンド膜の表面に設
けられたホウ素ドープ層と、このホウ素ドープ層上に選
択的に形成されたp型Siからなる電極とを有し、前記
ホウ素ドープ層にはホウ素が1.0×1019乃至1.8
×1023cm-3の濃度で導入されており、前記電極に
は、B、Al及びGaからなる群から選択された少なく
とも1種の元素が1.0×1020乃至5.0×1022
-3の濃度で導入されていることを特徴とする。
【0017】本発明に係る耐熱性オーミック電極を備え
たダイヤモンド薄膜の製造方法は、p型半導体ダイヤモ
ンド膜の表面にホウ素を1.0×1019乃至1.8×1
23cm-3の濃度で導入してホウ素ドープ層を形成する
工程と、このホウ素ドープ層上にp型Siからなる電極
を選択的に形成する工程とを有することを特徴とする。
【0018】
【作用】本発明においては、電極がp型Siからなる。
Siは、下記表1に示すように、Mo、Ti及びAu等
の金属に比して熱膨張係数が小さく、ダイヤモンドの熱
膨張係数との差が少ない。また、Siは、ダイヤモンド
と同様に共有結合物質であるので、Siからなる電極は
ダイヤモンド薄膜に対する密着性が優れている。このた
め、昇温及び降温を繰り返しても、電極の剥離及びクラ
ックの発生を回避することができる。
【0019】更に、大気中ではSi膜の表面で酸化反応
が進行するが、この酸化反応により形成される酸化膜の
膜厚は極めて薄い。従って、Siからなる電極は、酸化
により劣化する虞れがない。
【0020】
【表1】
【0021】なお、p型Siからなる電極において、不
純物(B、Al及びGaからなる群から選択された少な
くとも1種の元素)の濃度が1.0×1020cm-3未満
の場合は、抵抗率が1×10-3Ω・cmを超え、抵抗値
が大きくなると共に、オーミック接合を得ることができ
ない。従って、p型Siからなる電極の不純物濃度は、
1.0×1020cm-3以上であり、且つ、Siの原子密
度である5.0×1022cm-3以下とする。これによ
り、良好なオーミック特性を示すと共に、抵抗値が小さ
く、高温においても抵抗率の変化が小さい電極を得るこ
とができる。なお、p型Siからなる電極の不純物濃度
は、上述の範囲で可及的に高いことが好ましい。
【0022】また、その表面において活性化されたBの
数が1.0×1019cm-3以上であるホウ素ドープ層
(p+ 層)は強く縮退している。このため、電極とホウ
素ドープ層との間に形成される空乏層の幅が狭くなり、
トンネル効果により電極とホウ素ドープ層との間でキャ
リアが容易に通過できるようになって、接触抵抗値が小
さいオーミック特性(印加電圧に対して電流が直線的に
変化する)を得ることができる。従って、ホウ素ドープ
層のB濃度は、1.0×1019cm-3以上であり、且
つ、ダイヤモンドの原子密度である1.8×1023cm
-3以下とする。なお、ホウ素ドープ層のB濃度は、上述
の範囲で可及的に高いことが好ましい。
【0023】本発明方法においては、気相合成法又はイ
オン注入法等により、半導体ダイヤモンド膜の表面にホ
ウ素を導入し、ホウ素ドープ層を形成する。p型半導体
ダイヤモンド膜の電極が形成されるべき表面に高濃度の
Bがドーピングされたダイヤモンド層を気相合成により
形成すると、p+ 層が得られる。また、p型半導体ダイ
ヤモンド膜の電極が形成されるべき表面にB原子をイオ
ン注入すると、その表面でBの濃度が高くなると共に格
子欠陥が生じ、多くの界面準位が形成される。この界面
準位を介して、半導体ダイヤモンド膜と電極との間で障
壁がないキャリアの移動が可能になる。
【0024】気相合成により形成されたBドープダイヤ
モンド薄膜は、熱処理を行なうことにより昇温及び降温
での電気的特性の再現性が改善される(R.E.Harper, C.
Johnston, N.G.Blamires, P.R.Chalker and I.M.Buckle
y-Golder,Surface and Coatings Technology ,vol.47
p.344(1991))。また、Bが高濃度にイオン注入された
p型半導体ダイヤモンドの電極が形成されるべき表面を
熱処理すると、イオン注入により発生した格子欠陥が減
少して結晶性が回復すると共に、高濃度に注入されたB
がアクセプターとして活性化される。従って、気相合成
法又はイオン注入法によりダイヤモンド薄膜の表面にホ
ウ素ドープ層を形成した後、例えば300乃至1200
℃の温度で熱処理を施すことが好ましい。
【0025】
【実施例】次に、本発明の実施例について添付の図面を
参照して説明する。
【0026】図1は本発明の実施例に係る耐熱性オーミ
ック電極を備えたダイヤモンド薄膜を示す断面図であ
る。
【0027】p型Si基板1上にはBドープダイヤモン
ド薄膜2が形成されている。このBドープダイヤモンド
薄膜2の表面には高濃度Bドープ層3が設けられてい
る。この高濃度Bドープ層3には、Bが1.0×1019
乃至1.8×1023cm-3の濃度で導入されている。ま
た、この高濃度Bドープ層3上にはp型多結晶Siから
なる電極4が設けられている。この電極4には、B、A
l及びGaからなる群から選択された少なくとも1種の
元素が1.0×1020乃至5.0×1022cm-3の濃度
で導入されている。なお、p型Si基板1の下面には、
オーミック電極5として銅板が接合されている。
【0028】本実施例において、電極4がp型Siから
なるため、電極4の熱膨張率とダイヤモンド薄膜2の熱
膨張率との差が少ない。従って、昇温及び降温を繰り返
しても、電極4の剥離及びクラック等の不都合の発生を
回避できる。
【0029】また、ダイヤモンド薄膜2の表面に設けら
れた高濃度Bドープ層3にはBが1.0×1019乃至
1.8×1023cm-3の濃度で導入されていると共に、
電極4にはB、Al及びGa等の不純物が1.0×10
20乃至5.0×1022cm-3の濃度で導入されているた
め、オーミック接続を得ることができる。
【0030】次に、本実施例に係る耐熱性オーミック電
極を備えたダイヤモンド薄膜の製造方法について説明す
る。
【0031】先ず、p型Si基板1を用意する。そし
て、CVD法等により、このSi基板1上にBドープダ
イヤモンド薄膜2を形成する。次に、イオン注入法によ
り、このBドープダイヤモンド薄膜2の表面にBを注入
し、高濃度Bドープ層3を形成する。この高濃度Bドー
プ層3のB濃度は、1.0×1019乃至1.8×1023
cm-3とする。その後、300乃至1200℃の温度で
熱処理を施す。これにより、Bドープ層3に注入された
Bが活性化されると共に、Bドープ層3の結晶欠陥が減
少して、Bドープ層3の表面の結晶性が回復する。
【0032】次に、この高濃度Bドープ層3上に多結晶
Si膜を形成する。その後、このSi膜にB等をイオン
注入し、熱処理を施して、B濃度が1.0×1020乃至
5.0×1022cm-3の導電性Si膜を得る。次に、リ
ソグラフィ技術を使用し、この導電性Si膜を所定のパ
ターンに成形して、電極4を得る。
【0033】次いで、Si基板1の裏面にオーミック電
極5として銅板を接合する。これにより、図1に示す耐
熱性オーミック電極を備えたダイヤモンド薄膜が完成す
る。
【0034】次に、上述の耐熱性オーミック電極を備え
たダイヤモンド薄膜を実際に製造し、その特性を調べた
結果について、比較例と比較して説明する。
【0035】実施例1 先ず、基板1として、抵抗率が0.01Ω・cm未満で
あり、縦が20mm、横が10mmの低抵抗p型Si基
板1を用意した。そして、この基板1の表面をダイヤモ
ンドペーストで約1時間研磨した。
【0036】次に、マイクロ波CVD法を用いて、p型
Si基板1上に、厚さが約4μmのBドープダイヤモン
ド薄膜2を形成した。なお、ドーピングガスとしては、
2希釈したB26 (ジボラン)ガスを用い、その濃
度は1.0ppmとした。また、このときの基板温度は
800℃、ガス圧は35Torr、合成時間は14時間
である。
【0037】次に、イオン注入法により、Bドープダイ
ヤモンド薄膜2の表面にBをイオン注入して、高濃度B
ドープ層3を形成した。このときのイオン注入条件は、
加速電圧が50kV、注入密度が1.0×1014cm-2
である。これにより、高濃度Bドープ層3のBドーピン
グ濃度は1.0×1019cm-3となる。
【0038】次に、真空中において950℃の温度で3
0分間熱処理を行ない、高濃度Bドープ層3中のドーパ
ントを活性化させた。その後、熱処理によってダイヤモ
ンド表面に生じたグラファイトを除去するために、クロ
ム酸と濃硫酸との混液で洗浄し、表面不純物除去のため
に、王水洗浄及びRCA洗浄を行なった。
【0039】次に、スパッタリング法を用いて、高濃度
Bドープ層3上に、厚さが1μmの非晶質Si膜及び厚
さが0.2μmのSiO2 膜を順次形成した。
【0040】次に、真空中において950℃の温度で1
時間熱処理を施し、前記非晶質Si膜を多結晶化した。
そして、イオン注入法により、この多結晶Si膜にBを
ドーピングした。このときのB注入条件は、加速電圧が
200kV、注入密度が1.0×1016cm-2である。
これにより、多結晶Si膜のBドーピング濃度は1.0
×1020cm-3となる。
【0041】次に、真空中において950℃の温度で1
時間熱処理を施した。その後、HFを用いて前記SiO
2 膜を除去した後、リソグラフィ技術を用いたエッチン
グ法により前記多結晶Si膜を選択的にエッチングし
て、厚さが1μm、直径が100μmのp型多結晶Si
電極4を得た。
【0042】次いで、p型Si基板1の裏面に銀ペース
トで銅板を接着して、オーミック電極5を設けた。これ
により、実施例1の供試体(電極を備えたダイヤモンド
薄膜)を得た。
【0043】比較例1 Bドープ層3形成時におけるBのイオン注入密度を9.
0×1013cm-2とした以外は上述の実施例1と同様に
して、比較例1に係る供試体を形成した。この供試体の
高濃度Bドープ層3におけるB濃度は9.0×1018
-3である。
【0044】比較例2 電極4形成時における多結晶Si膜中へのB注入密度を
9.0×1015cm-2とした以外は実施例1と同様にし
て、比較例2に係る供試体を形成した。この供試体のS
i電極4におけるB濃度は、9.0×1019cm-3であ
る。
【0045】これらの実施例1及び比較例1,2の電流
−電圧特性(I−V特性)をプローバを用いて測定し
た。
【0046】図2は、横軸に印加電圧をとり、縦軸に電
流値をとって、実施例1及び比較例1,2の室温におけ
るI−V特性を示すグラフ図である。また、図3は実施
例1及び比較例1,2を大気中で600℃にまで昇温
し、この温度に保持してI−V特性を測定した結果を示
すグラフ図である。更に、図4は、実施例1及び比較例
1,2を大気中において600℃の温度で3時間保持し
た後、室温まで降温しI−V特性を測定した結果を示す
グラフ図である。
【0047】この図2乃至図4に示すように、実施例1
は、いずれの場合もI−V特性が直線性を有しており、
良好なオーミック特性を示した。また、実施例1は、室
温〜600℃における昇温及び降温を大気中で10回繰
り返しても、電極4が剥離したり、又はクラックが発生
することはなかった。一方、比較例1,2は、いずれも
I−V特性がS字型となり、オーミック特性を得ること
ができなかった。
【0048】実施例2 先ず、実施例1と同様にして、p型Si基板上にBドー
プダイヤモンド薄膜を形成した。
【0049】次に、マイクロ波CVD法を用いて、この
Bドープダイヤモンド薄膜の表面に、厚さが0.2μm
の高濃度Bドープ層を形成した。なお、ドーピングガス
には、H2 希釈したB26 ガスを用い、その濃度は
5.0ppmとした。また、反応ガスには、CH4 とH
2 との混合ガスを用い、CH4 濃度は0.5%とした。
基板温度は800℃、ガス圧は35Torr、合成時間
は1時間である。これにより、Bドープ層のB濃度は
1.0×1019cm-3となる。
【0050】次に、真空中において500℃の温度で1
時間アニール処理を施した。その後、熱処理によってダ
イヤモンド薄膜の表面に発生したグラファイトを除去す
るために、クロム酸と濃硫酸との混液で洗浄し、表面不
純物除去のために王水及びRCA洗浄を行なった。
【0051】次に、高周波プラズマCVD法を用いて、
厚さが1μmのBドープ非晶質Si半導体膜を高濃度B
ドープ層上に形成した。反応ガスにはSiH4 とH2
の混合ガスを用い、SiH4 濃度は1%とした。ドーピ
ングガスにはB26 ガスを用い、その濃度は0.5%
とした。また、基板温度は80℃、ガス圧は0.25T
orr、合成時間は4時間である。これにより、この非
晶質Si膜のBドーピング濃度は1.0×1020cm-3
となる。
【0052】次に、スパッタリング法を用いて、この非
晶質Si膜上に厚さが0.2μmのSiO2 膜を形成し
た。
【0053】次に、真空中において950℃の温度で1
時間アニール処理を行なうことにより、前記非晶質Si
膜を多結晶化した。その後、HFを用いて、前記SiO
2 膜を除去し、リソグラフィ技術を用いたエッチング法
により多結晶Si膜をエッチングして、厚さが1μm、
直径が100μmのp型多結晶Si電極を得た。
【0054】次いで、p型Si基板1の裏面に、オーミ
ック電極として銅板を銀ペーストで接着した。これによ
り、実施例2に係る供試体を得た。
【0055】この実施例2の供試体のI−V特性をプロ
ーバを用いて測定した。その結果、実施例2の供試体
は、実施例1の供試体と略同様の良好なオーミック特性
を示した。また、昇温及び降温を繰り返し行なっても、
電極の剥離及びクラックは発生しなかった。
【0056】
【発明の効果】以上説明したように本発明に係る耐熱性
オーミック電極を備えたダイヤモンド薄膜においては、
p型半導体ダイヤモンド膜の表面に所定のホウ素濃度の
ホウ素ドープ層が設けられており、このホウ素ドープ層
上にp型Siからなる電極が形成されているから、良好
なオーミック特性を有すると共に、昇温及び降温を繰り
返しても剥離及びクラック等の不都合が発生しない。従
って、本発明は、高温環境下で使用する電子デバイスに
極めて有用である。
【0057】また、本発明方法においては、p型半導体
ダイヤモンド膜の表面にホウ素を所定量導入してホウ素
ドープ層を形成し、このホウ素ドープ層上にp型Siか
らなる電極を選択的に形成するから、上述の構成の耐熱
性オーミック電極を備えたダイヤモンド薄膜を容易に製
造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に係る耐熱性オーミック電極を
備えたダイヤモンド薄膜を示す断面図である。
【図2】実施例及び比較例の室温におけるI−V特性を
示すグラフ図である。
【図3】実施例及び比較例を大気中で600℃の温度に
まで昇温し、この温度に保持してI−V特性を測定した
結果を示すグラフ図である。
【図4】実施例及び比較例を大気中で600℃の温度に
3時間保持した後、室温まで降温してI−V特性を測定
した結果を示すグラフ図である。
【図5】従来のオーミック電極を備えた電子デバイス
(サーミスタ)を示す断面図である。
【図6】(a)は従来の他のオーミック電極を備えた電
子デバイス(サーミスタ)を示す断面図、(b)は同じ
くその電極部分を示す部分拡大図である。
【符号の説明】
1,11,21;基板 2,13,22;Bドープダイヤモンド薄膜 3;高濃度Bドープ層 4,5,14,23;電極 12;アンドープダイヤモンド薄膜 24;保護膜 25;リード線
フロントページの続き (72)発明者 小橋 宏司 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

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 p型半導体ダイヤモンド膜と、この半導
    体ダイヤモンド膜の表面に設けられたホウ素ドープ層
    と、このホウ素ドープ層上に選択的に形成されたp型S
    iからなる電極とを有し、前記ホウ素ドープ層にはホウ
    素が1.0×1019乃至1.8×1023cm-3の濃度で
    導入されており、前記電極には、B、Al及びGaから
    なる群から選択された少なくとも1種の元素が1.0×
    1020乃至5.0×1022cm-3の濃度で導入されてい
    ることを特徴とする耐熱性オーミック電極を備えたダイ
    ヤモンド薄膜。
  2. 【請求項2】 p型半導体ダイヤモンド膜の表面にホウ
    素を1.0×1019乃至1.8×1023cm-3の濃度で
    導入してホウ素ドープ層を形成する工程と、このホウ素
    ドープ層上にp型Siからなる電極を選択的に形成する
    工程とを有することを特徴とする耐熱性オーミック電極
    を備えたダイヤモンド薄膜の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記ホウ素ドープ層は、気相合成法及び
    イオン注入法のうちのいずれか一方の方法により形成す
    ることを特徴とする請求項2に記載の耐熱性オーミック
    電極を備えたダイヤモンド薄膜の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記ホウ素ドープ層を形成する工程と前
    記p型Siからなる電極を形成する工程との間に、30
    0乃至1200℃の温度で熱処理を施す工程を有するこ
    とを特徴とする請求項3に記載の耐熱性オーミック電極
    を備えたダイヤモンド薄膜の製造方法。
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