JPH0815162B2 - ダイヤモンドのアニ−ル法 - Google Patents
ダイヤモンドのアニ−ル法Info
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- JPH0815162B2 JPH0815162B2 JP3028787A JP3028787A JPH0815162B2 JP H0815162 B2 JPH0815162 B2 JP H0815162B2 JP 3028787 A JP3028787 A JP 3028787A JP 3028787 A JP3028787 A JP 3028787A JP H0815162 B2 JPH0815162 B2 JP H0815162B2
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- JP
- Japan
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- diamond
- annealing
- pressure
- temperature
- semiconductor
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- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J3/00—Processes of utilising sub-atmospheric or super-atmospheric pressure to effect chemical or physical change of matter; Apparatus therefor
- B01J3/06—Processes using ultra-high pressure, e.g. for the formation of diamonds; Apparatus therefor, e.g. moulds or dies
- B01J3/062—Processes using ultra-high pressure, e.g. for the formation of diamonds; Apparatus therefor, e.g. moulds or dies characterised by the composition of the materials to be processed
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2203/00—Processes utilising sub- or super atmospheric pressure
- B01J2203/06—High pressure synthesis
- B01J2203/0605—Composition of the material to be processed
- B01J2203/062—Diamond
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2203/00—Processes utilising sub- or super atmospheric pressure
- B01J2203/06—High pressure synthesis
- B01J2203/065—Composition of the material produced
- B01J2203/0655—Diamond
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- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2203/00—Processes utilising sub- or super atmospheric pressure
- B01J2203/06—High pressure synthesis
- B01J2203/0675—Structural or physico-chemical features of the materials processed
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、イオン注入法により不純物含有層を形成し
たダイヤモンドのアニール方法に関するものである。
たダイヤモンドのアニール方法に関するものである。
従来の技術 現在、集積密度が増大しつつある半導体装置は、それ
に伴い発熱量も増大する傾向にある。一方、ダイヤモン
ドは、常温において極めて安定で優れた電気絶縁材料で
あると共に、熱伝動率が半導体装置の従来の基板材料に
比較して著しく高い。そのため、ダイヤモンドは、半導
体材料として大きな可能性を持っていることが従来から
指摘され、種々の研究が行われてきた。それにもかかわ
らず、ダイヤモンドは、半導体素子として実用化される
には至っていない。
に伴い発熱量も増大する傾向にある。一方、ダイヤモン
ドは、常温において極めて安定で優れた電気絶縁材料で
あると共に、熱伝動率が半導体装置の従来の基板材料に
比較して著しく高い。そのため、ダイヤモンドは、半導
体材料として大きな可能性を持っていることが従来から
指摘され、種々の研究が行われてきた。それにもかかわ
らず、ダイヤモンドは、半導体素子として実用化される
には至っていない。
ダイヤモンドを半導体装置に利用する方法として、ダ
イヤモンド基板の全面に一旦半導体材料層を形成して、
その半導体材料層に半導体素子を形成する方法と、ダイ
ヤモンド基板上に半導体素子を直接形成する、換言する
ならば、『ダイヤモンド半導体素子』を作成する方法と
が考えられる。前者の方法は、既に幾つかの提案がなさ
れているが、前者の方法は、ダイヤモンド基板は単に放
熱基板として利用する止まっており、ダイヤモンドの優
れた特性を十分に活用していない。ダイヤモンドの極め
て安定で優れた電気絶縁性と高い熱伝動率とを最大限活
かすには、後者のダイヤモンド半導体素子の法が望まし
い。すなわち、ダイヤモンド基板上に半導体素子の動作
層を直接形成することが望ましい。
イヤモンド基板の全面に一旦半導体材料層を形成して、
その半導体材料層に半導体素子を形成する方法と、ダイ
ヤモンド基板上に半導体素子を直接形成する、換言する
ならば、『ダイヤモンド半導体素子』を作成する方法と
が考えられる。前者の方法は、既に幾つかの提案がなさ
れているが、前者の方法は、ダイヤモンド基板は単に放
熱基板として利用する止まっており、ダイヤモンドの優
れた特性を十分に活用していない。ダイヤモンドの極め
て安定で優れた電気絶縁性と高い熱伝動率とを最大限活
かすには、後者のダイヤモンド半導体素子の法が望まし
い。すなわち、ダイヤモンド基板上に半導体素子の動作
層を直接形成することが望ましい。
しかし、かかるダイヤモンド半導体素子を実用化する
上で基本的に問題となるのは、ダイヤモンド結晶中に不
純物をドーピングして半導体の動作層を形成する手法で
ある。Siのような通常の半導体材料では、合金法、拡散
法、エピタキシャル法、イオン注入法と多様なドーピン
グ手法が実用化されている。
上で基本的に問題となるのは、ダイヤモンド結晶中に不
純物をドーピングして半導体の動作層を形成する手法で
ある。Siのような通常の半導体材料では、合金法、拡散
法、エピタキシャル法、イオン注入法と多様なドーピン
グ手法が実用化されている。
しかし、ダイヤモンド結晶内の物質の拡散係数は一般
に極めて小さいために、ダイヤモンド結晶中に不純物を
ドーピングする方法として合金法、拡散法を使用するこ
とは本質的に困難である。
に極めて小さいために、ダイヤモンド結晶中に不純物を
ドーピングする方法として合金法、拡散法を使用するこ
とは本質的に困難である。
また、エピタキシャル法は、近年気相合成法によるダ
イヤモンドの結晶成長が可能となり、ダイヤモンド単結
晶上のエピタキシャル成長も実現されているので、ダイ
ヤモンドへの不純物ドーピング法として有望である。し
かし、この方法では、半導体ダイヤモンド層をエピタキ
シャル層成長後にその半導体ダイヤモンド層をパターン
エッチングする工程が不可欠である。しかしながら、ダ
イヤモンドのエッチング技術は現在までほとんど検討さ
れていない。一般に、ダイヤモンドは、化学的に非常に
安定であるため、エッチングされにくく、また表面から
黒鉛化しやすいために、ダイヤモンドのパターンエッチ
ングは極めて困難である。
イヤモンドの結晶成長が可能となり、ダイヤモンド単結
晶上のエピタキシャル成長も実現されているので、ダイ
ヤモンドへの不純物ドーピング法として有望である。し
かし、この方法では、半導体ダイヤモンド層をエピタキ
シャル層成長後にその半導体ダイヤモンド層をパターン
エッチングする工程が不可欠である。しかしながら、ダ
イヤモンドのエッチング技術は現在までほとんど検討さ
れていない。一般に、ダイヤモンドは、化学的に非常に
安定であるため、エッチングされにくく、また表面から
黒鉛化しやすいために、ダイヤモンドのパターンエッチ
ングは極めて困難である。
最後のイオン注入法は、不純物をイオン化させて基板
結晶の表面に打ち込む方法である。このイオン注入法
は、不純物の侵入深さや注入量が正確にコントロールで
き、しかも微細なパターンに選択的に注入を行うことが
容易なので、微細加工を行うことが困難なダイヤモンド
半導体素子に適した方法である。
結晶の表面に打ち込む方法である。このイオン注入法
は、不純物の侵入深さや注入量が正確にコントロールで
き、しかも微細なパターンに選択的に注入を行うことが
容易なので、微細加工を行うことが困難なダイヤモンド
半導体素子に適した方法である。
発明が解決しようとする問題点 イオン注入法を行う場合は、高エネルギーイオンの侵
入によって半導体表面の結晶構造が破壊されるので、イ
オン注入後に結晶欠陥を除いて不純物を活性化するため
の高温でのアニール処理が不可欠である。ダイヤモンド
は、非常に強固な結晶格子を有するためアニールに高温
を要する。ところが、ダイヤモンドは、元来超高圧下で
安定な相であるが、真空中で高温にすると1500Kから、
そして通常の圧力の酸素の存在下で高温にすると1100K
から、低圧での安定相であるグラファイトへの変態が起
り始める。このため、ダイヤモンドのイオン注入後のア
ニールは真空中1670K等の条件で行われきたが、一部の
ダイヤモンドのグラファイト化が避けられなかった。ま
た、真空中では、グラファイト化が急激に進行する1900
K以上の温度でアニールが行えないため、アニールの効
果が不充分であった。
入によって半導体表面の結晶構造が破壊されるので、イ
オン注入後に結晶欠陥を除いて不純物を活性化するため
の高温でのアニール処理が不可欠である。ダイヤモンド
は、非常に強固な結晶格子を有するためアニールに高温
を要する。ところが、ダイヤモンドは、元来超高圧下で
安定な相であるが、真空中で高温にすると1500Kから、
そして通常の圧力の酸素の存在下で高温にすると1100K
から、低圧での安定相であるグラファイトへの変態が起
り始める。このため、ダイヤモンドのイオン注入後のア
ニールは真空中1670K等の条件で行われきたが、一部の
ダイヤモンドのグラファイト化が避けられなかった。ま
た、真空中では、グラファイト化が急激に進行する1900
K以上の温度でアニールが行えないため、アニールの効
果が不充分であった。
そこで、本発明は、イオン注入法により不純物含有層
が形成されたダイヤモンド単結晶を、ダイヤモンドのグ
ラファイト化を生じることもなくアニールする方法を提
供せんとするものである。
が形成されたダイヤモンド単結晶を、ダイヤモンドのグ
ラファイト化を生じることもなくアニールする方法を提
供せんとするものである。
問題点を解決するための手段 すなわち、本発明によるならば、イオン注入法により
不純物含有層が形成されたダイヤモンド単結晶を、ダイ
ヤモンドの安定な高圧下で加熱して不純物含有量の欠陥
を除去することを特徴とするダイヤモンドのアニール法
が提供される。
不純物含有層が形成されたダイヤモンド単結晶を、ダイ
ヤモンドの安定な高圧下で加熱して不純物含有量の欠陥
を除去することを特徴とするダイヤモンドのアニール法
が提供される。
作用 ダイヤモンドは高圧中で安定な物質であり、その安定
領域においては3000K以上の高温でも、ダイヤモンド構
造が損われるこはない。このためダイヤモンドを安定な
圧力領域に保ちながら温度を上げるならば、充分効果的
にアニールを実施できる。従って、上記した本発明の方
法により、ダイヤモンドの安定な高圧下にダイヤモンド
を置くことにより、効果的にアニールを実施できると言
われている1900K以上の高温でアニールを行うことも可
能となる。
領域においては3000K以上の高温でも、ダイヤモンド構
造が損われるこはない。このためダイヤモンドを安定な
圧力領域に保ちながら温度を上げるならば、充分効果的
にアニールを実施できる。従って、上記した本発明の方
法により、ダイヤモンドの安定な高圧下にダイヤモンド
を置くことにより、効果的にアニールを実施できると言
われている1900K以上の高温でアニールを行うことも可
能となる。
従来、ダイヤモンドのアニールには、1000K〜1900Kの
温度領域でアニールを行うことが必要であるといわれて
いる。本発明の方法では、3GPa以上5GPa以下の圧力で、
1000K〜1900Kの温度領域でアニールを行うことが十分に
できる。しかし、更に高温で効果的なアニールを行うな
らば、第１図に示すようなBerman−Simon線と呼ばれる
ダイヤモンド−グラファイトの境界条件よりも高い圧力
で行う必要がある。すなわち、圧力Ｐ（GPa）と温度Ｔ
（Ｋ）の関係が、式Ｐ＞0.72＋0.0027Tの関係を満たす5
GPa以上の圧力下で1000K以上の温度でダイヤモンドを加
熱するならば、グラファイト化を防止して効果的なダイ
ヤモンドのアニールを実施できる。
温度領域でアニールを行うことが必要であるといわれて
いる。本発明の方法では、3GPa以上5GPa以下の圧力で、
1000K〜1900Kの温度領域でアニールを行うことが十分に
できる。しかし、更に高温で効果的なアニールを行うな
らば、第１図に示すようなBerman−Simon線と呼ばれる
ダイヤモンド−グラファイトの境界条件よりも高い圧力
で行う必要がある。すなわち、圧力Ｐ（GPa）と温度Ｔ
（Ｋ）の関係が、式Ｐ＞0.72＋0.0027Tの関係を満たす5
GPa以上の圧力下で1000K以上の温度でダイヤモンドを加
熱するならば、グラファイト化を防止して効果的なダイ
ヤモンドのアニールを実施できる。
以上のように、高圧下でアニールを行う場合、ダイヤ
モンド中の不純物元素が格子中の安定な位置に移動し、
ダイヤモンドの格子欠陥が回復するために必要且つ充分
な温度でアニールを行うことができ、また本来ダイヤモ
ンドの安定な条件であるのでグラファイトへの変態はま
ったく起らない。
モンド中の不純物元素が格子中の安定な位置に移動し、
ダイヤモンドの格子欠陥が回復するために必要且つ充分
な温度でアニールを行うことができ、また本来ダイヤモ
ンドの安定な条件であるのでグラファイトへの変態はま
ったく起らない。
イオン注入において、５×1016ions/cm2以上の高濃度
注入を行った場合は、高度に破壊されたダイヤモンドの
結晶中にグラファイト相が析出することがあるが、この
ようなダイヤモンド中に析出したグラファイト相も本発
明の方法によれば、ダイヤモンドとして再結晶させるこ
とができる。
注入を行った場合は、高度に破壊されたダイヤモンドの
結晶中にグラファイト相が析出することがあるが、この
ようなダイヤモンド中に析出したグラファイト相も本発
明の方法によれば、ダイヤモンドとして再結晶させるこ
とができる。
また、上記したように、ダイヤモンド結晶内の物質の
拡散係数は極めて小さいために、本発明のように高温高
圧中でアニールを行っても、不純物領域が拡大すること
もない。それ故、不純物の侵入深さや注入量が正確に制
御して注入した微細な半導体ダイヤモンドパターンの動
作層を、その微細なパターンを損なうことなく活性化す
ることができる。すなわち、高い集積密度でダイヤモン
ド上に半導体素子を実現できる。
拡散係数は極めて小さいために、本発明のように高温高
圧中でアニールを行っても、不純物領域が拡大すること
もない。それ故、不純物の侵入深さや注入量が正確に制
御して注入した微細な半導体ダイヤモンドパターンの動
作層を、その微細なパターンを損なうことなく活性化す
ることができる。すなわち、高い集積密度でダイヤモン
ド上に半導体素子を実現できる。
従って、本発明の方法によれば、イオン注入を行った
ダイヤモンドをアニールしてダイヤモンドの結晶をほぼ
完全に回復することができ、またダイヤモンド中の不純
物を活性化することができる。
ダイヤモンドをアニールしてダイヤモンドの結晶をほぼ
完全に回復することができ、またダイヤモンド中の不純
物を活性化することができる。
以下、本発明の実施例を説明する。しかし、以下の実
施例は、本発明の単なる例示であり、本発明の技術的範
囲を何ら限定するものではない。
施例は、本発明の単なる例示であり、本発明の技術的範
囲を何ら限定するものではない。
実施例１ 超高圧装置にて、5GPa、1700Kでダイヤモンド単結晶
を作成し、切断研磨によって２×２×0.5mmの大きさの
ダイヤモンド基板を作成した。この基板にイオン注入装
置によって２×2mm2の面全面にＢを150Ke Vの加速エネ
ルギーで１×1016ions/cm2のドーズ量でイオン注入し
た。
を作成し、切断研磨によって２×２×0.5mmの大きさの
ダイヤモンド基板を作成した。この基板にイオン注入装
置によって２×2mm2の面全面にＢを150Ke Vの加速エネ
ルギーで１×1016ions/cm2のドーズ量でイオン注入し
た。
この試片の光透過特性を測定したところ、第２図に点
線で示すような特性を示した。波長5500Åを越えると透
光率が低下しているが、これは、ダイヤモンド結晶中の
欠陥のためと考えられる。
線で示すような特性を示した。波長5500Åを越えると透
光率が低下しているが、これは、ダイヤモンド結晶中の
欠陥のためと考えられる。
そして、その試片を５×10-3Paの真空中で1700K、３
時間のアニールを行なった。このあと光透過特性を測定
した。その結果を第２図に一点鎖線で示した。第１図の
点線と一点鎖線との比較からわかるように、真空中でア
ニールした場合は、アニールを全くしない場合とほとん
ど差異がみられなかった。
時間のアニールを行なった。このあと光透過特性を測定
した。その結果を第２図に一点鎖線で示した。第１図の
点線と一点鎖線との比較からわかるように、真空中でア
ニールした場合は、アニールを全くしない場合とほとん
ど差異がみられなかった。
これに対し超高圧装置中で5GPa、1700K、１時間のア
ニールを行なった。その場合の光透過特性を第２図に実
線で示した。第２図の如く透過特性は大きく改善され
た。このように光透過にとって障害となる欠陥は本アニ
ール法により除去できることが確認される。
ニールを行なった。その場合の光透過特性を第２図に実
線で示した。第２図の如く透過特性は大きく改善され
た。このように光透過にとって障害となる欠陥は本アニ
ール法により除去できることが確認される。
実施例２ 実施例と同じダイヤモンド単結晶基板を作成し、Ｂを
100Ke Vの加速エネルギーで１×1015ions/cm2のドーズ
量でイオン注入した。これを第１表の条件でアニールし
て2mm間隔で２ヶ所に電極を蒸着し、その間の抵抗値を
測定した。その結果、3GPa、1550K以上のアニールでダ
イヤモンド中のＢが活性化され抵抗値が低下している。
特に5GPa、1700K以上のアニールでは、短時間で効果的
なアニールを行うことができる。
100Ke Vの加速エネルギーで１×1015ions/cm2のドーズ
量でイオン注入した。これを第１表の条件でアニールし
て2mm間隔で２ヶ所に電極を蒸着し、その間の抵抗値を
測定した。その結果、3GPa、1550K以上のアニールでダ
イヤモンド中のＢが活性化され抵抗値が低下している。
特に5GPa、1700K以上のアニールでは、短時間で効果的
なアニールを行うことができる。
発明の効果 以上の説明から明らかなように、本発明によるダイヤ
モンドのアニール法では、ダイヤモンドにイオン注入を
行った後のアニールをダイヤモンドの安定な圧力・温度
条件下で行うことによりダイヤモンドのグラファイト化
を防ぎ、かつ効果的なアニールにより、結晶性が良く、
導電性の高い半導体ダイヤモンドを得ることができる。
モンドのアニール法では、ダイヤモンドにイオン注入を
行った後のアニールをダイヤモンドの安定な圧力・温度
条件下で行うことによりダイヤモンドのグラファイト化
を防ぎ、かつ効果的なアニールにより、結晶性が良く、
導電性の高い半導体ダイヤモンドを得ることができる。
このような方法によれば、ダイヤモンド単結晶に微細
な素子を集積したダイヤモンド集積回路や工業加工用の
ダイヤモンド刃先に導電性を与えることも容易である。
な素子を集積したダイヤモンド集積回路や工業加工用の
ダイヤモンド刃先に導電性を与えることも容易である。
第１図は、ダイヤモンドとグラファイトの安定領域を示
したグラフである。 第２図は、イオン注入を行ったダイヤモンドの、イオン
注入を行ったままの状態と、真空中及び高圧下でアニー
ルした状態との光透過特性を示すグラフである。
したグラフである。 第２図は、イオン注入を行ったダイヤモンドの、イオン
注入を行ったままの状態と、真空中及び高圧下でアニー
ルした状態との光透過特性を示すグラフである。
Claims (3)
- 【請求項１】イオン注入法により不純物含有層が形成さ
れたダイヤモンド単結晶を、ダイヤモンドの安定な高圧
下で加熱して不純物含有層の欠陥を除去することを特徴
とするダイヤモンドのアニール法。 - 【請求項２】3GPa以上の圧力下で100K以上の温度でダイ
ヤモンドを加熱することを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載のダイヤモンドのアニール法。 - 【請求項３】圧力Ｐ（GPa）と温度Ｔ（Ｋ）の関係が、
式Ｐ＞0.72＋0.0027Tの関係を満たす5GPa以上の圧力
下、1000K以上の温度でダイヤモンドを加熱することを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載のダイヤモンドの
アニール法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3028787A JPH0815162B2 (ja) | 1987-02-12 | 1987-02-12 | ダイヤモンドのアニ−ル法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3028787A JPH0815162B2 (ja) | 1987-02-12 | 1987-02-12 | ダイヤモンドのアニ−ル法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63197344A JPS63197344A (ja) | 1988-08-16 |
| JPH0815162B2 true JPH0815162B2 (ja) | 1996-02-14 |
Family
ID=12299505
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3028787A Expired - Lifetime JPH0815162B2 (ja) | 1987-02-12 | 1987-02-12 | ダイヤモンドのアニ−ル法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0815162B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ZA933939B (en) * | 1992-06-05 | 1993-12-30 | De Beers Ind Diamond | Diamond doping |
| CN101203939B (zh) * | 2005-01-11 | 2010-06-16 | 阿波罗钻石公司 | 加工金刚石的方法以及利用金刚石半导体的器械 |
| EP2816588B1 (en) * | 2005-06-20 | 2016-09-21 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Process for producing a diamond semiconductor element |
| JP5317028B2 (ja) * | 2006-10-26 | 2013-10-16 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 不純物イオン注入層の電気的活性化方法 |
-
1987
- 1987-02-12 JP JP3028787A patent/JPH0815162B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63197344A (ja) | 1988-08-16 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |