JPH0648715A

JPH0648715A - 半導体ダイヤモンドの製造方法

Info

Publication number: JPH0648715A
Application number: JP4198590A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Deguchi; 正洋出口; Makoto Kitahata; 真北畠; Takashi Hirao; 孝平尾
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-07-24
Filing date: 1992-07-24
Publication date: 1994-02-22

Abstract

(57)【要約】【目的】ドナーやアクセプタ準位を形成する不純物元
素をダイヤモンドに制御性良く導入し、ｐ形、ｎ形の半
導体ダイヤモンドを製造する方法の提供。【構成】ダイヤモンドあるいはダイヤモンドが薄膜状
に堆積された基板素材１０１に対して、加速された粒子
１０２を照射した後に、あるいは照射しながら、基板素
材１０１に紫外線１０４を照射して、ダイヤモンドの損
傷を回復するとともに粒子を活性化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子工業における耐環
境性素子などの半導体材料として用いられる半導体ダイ
ヤモンドの製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体特性を示すダイヤモンドを製造す
るためには、ドナーやアクセプタ準位を形成する不純物
元素をダイヤモンドの中に導入する必要がある。一般的
に、シリコンやダイヤモンドのようなＩＶ族元素半導体
の場合、ホウ素のようなＩＩＩ族元素あるいはリンやヒ
素のようなＶ族元素を導入することによって、ｐ形やｎ
形の導電性制御を行なうことができると考えられる。天
然のダイヤモンドではホウ素を含むｐ形のダイヤモンド
の存在が知られている。また、メタンや一酸化炭素など
の炭素源ガスと水素ガスなどを混合した原料ガスをプラ
ズマなどで分解することによってダイヤモンドを合成す
るＣＶＤ法（化学気相成長法）においても、合成時にホ
ウ素を添加することによってｐ形の膜が得られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このように、半導体特
性を示すダイヤモンドを形成するためには、ドナーやア
クセプタ準位を形成する不純物元素をドープしなければ
ならない。

【０００４】しかしながら、上述のようにホウ素がドー
プされたｐ形の天然及び人工合成ダイヤモンドは得られ
ているが、その不純物濃度を制御し、再現性良くかつ、
均一に作製することは困難であるという課題がある。

【０００５】また、天然においても、ＣＶＤ法によって
合成されたものにおいても、充分にｎ形を示すようなダ
イヤモンドは得られていないという課題がある。

【０００６】また、イオン注入によって不純物元素を導
入する手法についても試みられてはいるが、注入の際に
ダイヤモンドに損傷が与えられると共に、熱処理ではそ
の損傷が除去されずに黒鉛化してしまうという課題があ
る。

【０００７】以上のように、これまで行なわれてきた半
導体ダイヤモンドの製造方法は制御性の点などで不十分
であり、ｎ形のものは得られておらず、新しい製造方法
が必要とされていた。

【０００８】本発明は、このような従来の半導体ダイヤ
モンドの製造方法の課題を考慮し、ドナーやアクセプタ
準位を形成する不純物元素をダイヤモンドに制御性良く
導入し、ｐ形、ｎ形の半導体ダイヤモンドを製造する方
法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１の本発明の半導体ダ
イヤモンドの製造方法は、基板素材としてダイヤモンド
あるいはダイヤモンドが薄膜状に堆積されたものを用
い、その基板素材に加速した粒子を照射した後に、紫外
線を照射する方法である。

【００１０】また、第２の本発明の半導体ダイヤモンド
の製造方法は、基板素材としてダイヤモンドあるいはダ
イヤモンドが薄膜状に堆積されたものを用い、その基板
素材に加速した粒子を照射しながら、紫外線を照射する
方法である。

【００１１】第１または第２の本発明の半導体ダイヤモ
ンドの製造方法において、基板素材に照射する粒子とし
ては、少なくともホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａ
ｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）等のＩＩ
Ｉ族元素を含む粒子である、あるいは、少なくとも窒素
（Ｎ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓ
ｂ）等のＶ族元素を含む粒子であることが好ましい。

【００１２】第１または第２の本発明の半導体ダイヤモ
ンドの製造方法において、基板素材に照射する粒子の加
速エネルギーが、50eV〜5MeVであることが好ましい。

【００１３】第１または第２の本発明の半導体ダイヤモ
ンドの製造方法において、基板素材に照射する粒子の量
が、1cm²当り1×10¹⁴〜1×10¹⁷個であることが好まし
い。

【００１４】第１または第２の本発明の半導体ダイヤモ
ンドの製造方法において、基板素材に照射する粒子がイ
オンであることが好ましい。

【００１５】第１または第２の本発明の半導体ダイヤモ
ンドの製造方法においては、基板素材に照射する紫外線
のエネルギー密度が、0.1〜10J/cm²であることが好まし
い。

【００１６】第１または第２の本発明の半導体ダイヤモ
ンドの製造方法においては、基板素材に照射する紫外線
がエキシマレーザ光であることが好ましい。

【００１７】

【作用】本発明の動作原理は次の通りである。

【００１８】ドナーあるいはアクセプタを形成すると考
えられる不純物元素を含む粒子を加速してダイヤモンド
あるいはダイヤモンドが薄膜状に堆積されたものに照射
することによって、それらの粒子は半ば強制的にダイヤ
モンドに注入される。当然のことながら、注入直後にお
いては照射の際に生じた損傷（格子欠陥）や不純物元素
が格子位置に置換していないため、半導体特性を示さな
い。この粒子照射領域にあるエネルギー密度以上を持つ
紫外線を当てると、紫外線の持つ高いフォトンエネルギ
ーのため、特に不純物粒子注入領域において吸収され、
その結果、乱れたダイヤモンド構造は回復すると共に、
ダイヤモンドの損傷は除去される。

【００１９】その際、導入された不純物粒子も格子位置
に置換されるため、活性化し半導体特性を示すようにな
る。このときの導電性の制御は、照射粒子種並びに照射
量、照射エネルギーをコントロールすることによって可
能となる。

【００２０】また、加速した粒子を照射しながら紫外線
を基板素材に照射することによって、損傷除去を容易に
すると共に、効率良く半導体ダイヤモンドを形成するこ
とが出来る。

【００２１】また、基板素材に照射する粒子の構成が、
少なくともホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリ
ウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）等のＩＩＩ族元素を
含む粒子であることによって、容易にｐ形の半導体ダイ
ヤモンドを形成することが可能になる。

【００２２】また、基板素材に照射する粒子の構成とし
て、少なくとも窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａ
ｓ）、アンチモン（Ｓｂ）等のＶ族元素を含む粒子であ
ることによって、容易にｎ形の半導体ダイヤモンドを形
成することが可能になる。

【００２３】また、基板素材に照射する粒子の加速エネ
ルギーが、50eV〜5MeVであることによって、応用の際必
要とされる領域に不純物粒子をドープすることができ
る。

【００２４】また、基板素材に照射する粒子の量が、1c
m²当り1×10¹⁴〜1×10¹⁷個であることによって、応用の
際必要とされる量のキャリアを生成することができる。

【００２５】また、基板素材に照射する粒子としてイオ
ンを用いることによって、照射粒子の照射量、照射エネ
ルギーなどの制御が容易になる。

【００２６】また、照射する紫外線源のエネルギー密度
が、0.1〜10J/cm²であることによって、活性化に必要な
エネルギーを供給することができる。

【００２７】また、照射紫外線源としてエキシマレーザ
を用いることによって、容易に高エネルギー密度の紫外
線を照射することが可能になる。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００２９】図１は基板素材であるダイヤモンドあるい
はダイヤモンドが薄膜状に堆積されたもの１０１に加速
した粒子１０２を照射した後に、紫外線１０４を照射す
る手順を示した工程図である。まず、基板素材１０１に
加速した不純物元素を含む粒子１０２を照射する。その
際の粒子の加速エネルギー並びに照射量は、それぞれ50
eV〜5MeV、1×10¹⁴〜1×10¹⁷個/cm²であるが、中でも50
〜200keV及び5×10¹⁴〜5×10¹⁵個/cm²の範囲が良く用い
られる。その結果、基板素材１０１の表層に不純物元素
を含む粒子１０２が注入された領域１０３が形成される
が、この注入領域１０３には粒子照射の影響で損傷が含
まれている。続いてこの損傷を取り除き、かつ注入した
不純物元素を活性化させるために紫外線１０４が照射さ
れる。この紫外線１０４の光源としては、重水素ラン
プ、窒素レーザ、エキシマレーザなどが挙げられる。照
射方法としては、連続光あるいはパルス光のいずれでも
良く、また照射紫外線のエネルギー密度を0.1〜10J/cm²
程度に高める目的でレンズで集光する手段も用いられ
る。照射面積が大きく、紫外線光が広い範囲にわたって
照射不可能な場合は、基板素材１０１を並進移動させ
る、あるいは紫外線光をスキャンさせるなどの方法が用
いられる。中でも、一般的に用いられる光源としては、
照射紫外線の波長や照射パワーの兼ね合いから、エキシ
マレーザ（波長：308nmや179nmなど）を採用することが
多い。上記のいずれかの手段で紫外線光を照射した結
果、不純物元素の注入層１０３は半導体特性を示す半導
体ダイヤモンド層１０５になる。

【００３０】また、この手順で紫外線照射を行なうとき
の雰囲気圧力としては、10^-5Torr以下が好ましい。

【００３１】なお、この手順によって行なった具体的な
実施例については、（実施例１）として後述する。

【００３２】図２は基板素材であるダイヤモンドあるい
はダイヤモンドが薄膜状に堆積されたもの１０１に加速
した粒子１０２を照射しながら、紫外線１０４を照射す
る手順を示した工程図である。図１に示したものと同じ
ものについては同じ符号を付しその説明を省略する。ま
た、粒子の照射方法並びに紫外線の照射方法についても
図１の説明で行なったものと同一であるので、その説明
を省略する。

【００３３】なお、この手順によっておこなった具体的
な実施例については、（実施例２）として後述する。

【００３４】（実施例１）基板素材１０１として、マイ
クロ波プラズマＣＶＤ法でシリコン基板上に厚さ5μｍ
堆積したダイヤモンド薄膜を使用し、図１に示した手順
によって粒子及び紫外線照射を行なった。まず、真空ポ
ンプによって基板素材１０１を設置した容器を充分に真
空排気し、圧力が 1×10^-6Torr以下になるようにした。
その後、不純物元素を含む粒子１０２として、イオン源
より取り出されたホウ素イオン(B⁺)を100keVに加速して
基板素材１０１に 1×10¹⁵個/cm²だけ照射した。その結
果、基板素材に堆積されたダイヤモンド薄膜表層約 0.3
μｍの領域にホウ素原子が打ち込まれた。しかし、この
状態のままでは注入領域１０３に損傷が存在していると
共に、ホウ素原子はほとんど活性化していなかった。そ
こで照射する紫外線１０４として、波長が 308nmのエキ
シマレーザ光をパルス状で照射した。照射条件としては
１パルス当り400〜500mJのエネルギーで、照射回数は10
〜1000回である。そのときの平均照射エネルギー密度は
1〜2J/cm²であった。その結果、ホウ素イオンが注入さ
れたダイヤモンド薄膜に形成されていた損傷が除去さ
れ、ダイヤモンド構造が回復すると共に、注入されたホ
ウ素がダイヤモンド構造の格子位置に入り、ｐ形の電気
特性を持つ半導体ダイヤモンド層１０５が得られた。同
様の方法で他のイオン、例えばアルミニウムやリンなど
で行なった場合についても、同様にｐ形あるいはｎ形の
電気特性を持つものが得られた。また、不純物粒子の照
射方法としてイオンを用いず、電気的に中性の粒子を照
射した場合においても同様の結果を得た。

【００３５】（実施例２）単結晶のダイヤモンドに粒子
照射を行なった場合、ダイヤモンドが受ける損傷の度合
はＣＶＤ法によって作製された多結晶状のダイヤモンド
薄膜に比べて大きいとされている。そこで、基板素材１
０１として単結晶ダイヤモンドを用い、粒子照射をしな
がら紫外線を照射することによって、形成される損傷を
逐次回復することが可能な図２に示した手順によって半
導体ダイヤモンドの製造を行なった。まず実施例１と同
様に、基板素材１０１である単結晶ダイヤモンドを設置
した容器を真空ポンプによって圧力が 1×10^-6Torr以下
になるように充分に真空排気し、その後、イオン源より
取り出されたホウ素イオン(B⁺)を100keVに加速して基板
素材１０１に照射しながら、紫外線１０４として波長30
8nmのエキシマレーザ光をパルス状に照射した。照射エ
ネルギーは１パルス当り200〜500mJで、照射サイクルは
0.5〜10 Hz程度で行なった。ホウ素の照射量としては 1
×10¹⁵個/cm²である。その結果粒子と紫外線の照射を同
時に行なうことによって、注入直後の状態でも注入層内
に損傷がなく、かつｐ形の電気特性を持つ半導体ダイヤ
モンド層１０５が得られた。同様の方法で他のイオンで
行なった場合についても、同様にｐ形あるいはｎ形の電
気特性を持つものが得られた。また、不純物粒子の照射
方法としてイオンを用いず、電気的に中性の粒子を照射
した場合においても同様の結果を得た。

【００３６】

【発明の効果】以上述べたところから明らかなように、
本発明によれば、従来困難であったダイヤモンドにｐ形
やｎ形の半導体特性をもたせるための不純物添加を制御
性良く、かつ効率的に行なうことを可能とする事が出来
る。このことは半導体ダイヤモンドを用いた様々なデバ
イスの作製の可能性を開いたことになり、耐環境性半導
体素子への応用など本発明の工業的価値は非常に高い。

【００３７】また、基板素材であるダイヤモンドに不純
物元素を含む粒子を照射しながら紫外線を照射する場合
は、短時間で処理が可能となるだけでなく、粒子照射に
よって損傷を受け易い単結晶ダイヤモンドを用いる場合
においても処理が可能となる。

【００３８】また、基板素材に照射する粒子の構成とし
て、少なくともホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、
ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）等のＩＩＩ族元
素含む粒子を利用する場合は、ｐ形の半導体ダイヤモン
ドを形成することが容易になる。

【００３９】また、基板素材に照射する粒子の構成とし
て、少なくとも窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａ
ｓ）、アンチモン（Ｓｂ）等のＶ族元素を含む粒子を用
いる場合は、ｎ形の半導体ダイヤモンドを形成すること
が容易になる。

【００４０】また、基板素材に照射する粒子の加速エネ
ルギーを、50eV〜5MeVとすることによって、応用の際に
必要とされる領域に不純物粒子をドープすることができ
る。

【００４１】また、基板素材に照射する粒子の量を、1c
m²当り1×10¹⁴〜1×10¹⁷個とすることによって、応用の
際に必要とされる量の不純物をドープすることができ
る。

【００４２】また、基板素材に照射する粒子としてイオ
ンを用いる場合は、ダイヤモンドに導入される粒子の加
速エネルギー及び導入量などの制御が容易になるので、
形成される半導体ダイヤモンド層の制御を行なうことが
できる。

【００４３】また、照射紫外線源のエネルギー密度を0.
1〜10J/cm²とすることによって、効率的に処理すること
ができる。

【００４４】また、照射紫外線源としてエキシマレーザ
を用いることによって、高エネルギー密度の紫外線を容
易に得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１に記載した本発明の半導体ダイヤモン
ドの製造方法における、不純物粒子及び紫外線照射手順
を示す概念工程図である。

【図２】請求項２に記載した本発明の半導体ダイヤモン
ドの製造方法における、不純物粒子及び紫外線照射手順
を示す概念工程図である。

【符号の説明】

１０１基板素材１０２不純物元素を含む粒子１０３注入領域１０４紫外線１０５半導体ダイヤモンド層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ダイヤモンドあるいはダイヤモンドが薄
膜状に堆積された基板素材に対して、加速された粒子を
照射した後に、前記基板素材に紫外線を照射することを
特徴とする半導体ダイヤモンドの製造方法。
【請求項２】ダイヤモンドあるいはダイヤモンドが薄
膜状に堆積された基板素材に対して、加速された粒子を
照射しながら、前記基板素材に紫外線を照射することを
特徴とする半導体ダイヤモンドの製造方法。
【請求項３】基板素材に照射する粒子として、少なく
ともホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム
（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）等のＩＩＩ族元素を含む
粒子を用いる、あるいは、少なくとも窒素（Ｎ）、リン
（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）等のＶ族元
素を含む粒子を用いることを特徴とする請求項１又は２
記載の半導体ダイヤモンドの製造方法。
【請求項４】基板素材に照射する粒子の加速エネルギ
ーが、50eV〜5MeVであることを特徴とする請求項１又は
２記載の半導体ダイヤモンドの製造方法。
【請求項５】基板素材に照射する粒子の量が、1cm²当
り1×10¹⁴〜1×10¹⁷個であることを特徴とする請求項１
又は２記載の半導体ダイヤモンドの製造方法。
【請求項６】基板素材に照射する紫外線のエネルギー
密度が、0.1〜10J/cm²であることを特徴とする請求項１
又は２記載の半導体ダイヤモンドの製造方法。
【請求項７】基板素材に照射する紫外線がエキシマレ
ーザ光であることを特徴とする請求項１又は２記載の半
導体ダイヤモンドの製造方法。