JPH1012565A - Diamond semiconductor device and its manufacture - Google Patents
Diamond semiconductor device and its manufactureInfo
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- JPH1012565A JPH1012565A JP16033996A JP16033996A JPH1012565A JP H1012565 A JPH1012565 A JP H1012565A JP 16033996 A JP16033996 A JP 16033996A JP 16033996 A JP16033996 A JP 16033996A JP H1012565 A JPH1012565 A JP H1012565A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は高温電子素子、大電
力電子素子及び高集積回路等が形成されるダイヤモンド
半導体装置及びその製造方法に関し、特に、素子間を完
全に絶縁化することができるダイヤモンド半導体装置及
びその製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a diamond semiconductor device on which high-temperature electronic devices, high-power electronic devices, highly integrated circuits, and the like are formed, and a method of manufacturing the same. The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】ダイヤモンドはバンドギャップが5.5
eVと大きいと共に、絶縁破壊電界が高く、熱伝導率も
従来の半導体材料と比較して高いので、高温下又は放射
線下等の過酷な環境下においても動作する電子デバイス
として期待されている。また、電子及び正孔の移動度が
共に高いと共にキャリアの飽和速度が高く、低誘電率で
あるため、高周波電子デバイスとしても期待されてい
る。2. Description of the Related Art Diamond has a band gap of 5.5.
Since it has a large eV, a high dielectric breakdown electric field, and a high thermal conductivity as compared with conventional semiconductor materials, it is expected as an electronic device that operates even in a severe environment such as a high temperature or a radiation. Further, since both the mobility of electrons and holes are high, the saturation speed of carriers is high, and the dielectric constant is low, it is also expected as a high-frequency electronic device.
【0003】上述したように、ダイヤモンドは大きな可
能性を有しているため、1980年代の後半より、ダイ
ヤモンド電界効果トランジスタ(Field Effect Transis
tor:FET)についての研究開発が盛んに実施されて
おり、高温及び高周波領域における特性の評価も進めら
れている。[0003] As mentioned above, diamond has great potential, and since the latter half of the 1980's, diamond field effect transistors (Field Effect Transistors) have been developed.
Research and development on tor (FET) have been actively conducted, and the evaluation of characteristics in a high-temperature and high-frequency region has been advanced.
【0004】そこで、このようなダイヤモンドFETの
特性を利用して、複数個のダイヤモンドFETを接続し
た論理回路の作製が提案されており、ダイヤモンド集積
回路素子への展開が始まっている(外園等、第9回ダイ
ヤモンドシンポジウム講演要旨集、p.136 及び伊藤等、
第9回ダイヤモンドシンポジウム講演要旨集、p.13
8)。これは、表面伝導層を使用した金属/半導体接合
(MEtal Semiconductor:MES )FETを複数個接続
することにより、NOT、NAND、NOR及びRSフ
リップフロップ回路等のダイヤモンド集積回路を作製し
たものである。[0004] Therefore, it has been proposed to produce a logic circuit in which a plurality of diamond FETs are connected by utilizing such characteristics of the diamond FET, and the development of a diamond integrated circuit device has begun (for example, Gaien et al. Abstracts of 9th Diamond Symposium, p.136 and Ito et al.
9th Diamond Symposium Abstracts, p.13
8). In this method, diamond integrated circuits such as NOT, NAND, NOR, and RS flip-flop circuits are manufactured by connecting a plurality of metal / semiconductor junction (MES) FETs using a surface conductive layer.
【0005】ダイヤモンドの表面伝導層は、水素プラズ
マ処理等の水素化によって形成することができるが、こ
のような表面伝導層は、大気中で350℃以上の温度で
は消失することが明らかになっている。元来、ダイヤモ
ンドFETの適用が期待されている高温電子デバイス、
大電力電子デバイス及び高集積回路等を形成する場合、
動作雰囲気は高温であるか、又は大量の発熱を伴うの
で、このように熱的に不安定な表面伝導層を半導体層と
して使用することは困難である。[0005] The surface conduction layer of diamond can be formed by hydrogenation such as hydrogen plasma treatment, but it has been found that such a surface conduction layer disappears at a temperature of 350 ° C or more in the atmosphere. I have. Originally, high-temperature electronic devices that are expected to use diamond FETs,
When forming high power electronic devices and high integrated circuits,
Since the operating atmosphere is at a high temperature or involves a large amount of heat generation, it is difficult to use such a thermally unstable surface conductive layer as a semiconductor layer.
【0006】また、水素化によって表面伝導層を形成す
る場合、ドーピング濃度及び膜厚を制御することは不可
能であり、各素子に必要となるダイヤモンド半導体層の
ドーピング濃度及び膜厚を任意に得ることはできない。
従って、ダイヤモンド層を有する半導体基板を使用し
て、高温、大電力及び高集積電子デバイスを作製する場
合には、Bをドープしたp型半導体ダイヤモンドを使用
する必要がある。Further, when the surface conduction layer is formed by hydrogenation, it is impossible to control the doping concentration and the film thickness, and the doping concentration and the film thickness of the diamond semiconductor layer required for each element can be arbitrarily obtained. It is not possible.
Therefore, when fabricating a high-temperature, high-power, highly integrated electronic device using a semiconductor substrate having a diamond layer, it is necessary to use B-doped p-type semiconductor diamond.
【0007】ところで、水素化によって表面伝導層が形
成されたダイヤモンド集積回路においては、その作製工
程でAr+イオンを注入し、ダイヤモンドFETの表面
伝導層の伝導起源である水素をダイヤモンド内から離脱
させて絶縁化することにより、ダイヤモンド電子デバイ
ス間を素子分離することができる。By the way, in a diamond integrated circuit having a surface conductive layer formed by hydrogenation, Ar + ions are implanted in the fabrication process to release hydrogen, which is the conduction origin of the surface conductive layer of the diamond FET, from inside the diamond. Insulation by diamond makes it possible to isolate elements between diamond electronic devices.
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
方法でAr+イオンを注入すると、イオン注入による加
熱効果によって表面伝導層の水素を熱的に離脱させ、表
面伝導層を消失させることはできるが、Bをドープした
ダイヤモンド電子デバイス間を素子分離することはでき
ないという問題点がある。これは、ダイヤモンド中に注
入されたArは正孔のトラップとしては働かないからで
ある。However, when Ar.sup. + Ions are implanted by the above-described method, hydrogen in the surface conductive layer can be thermally desorbed by the heating effect of the ion implantation and the surface conductive layer can be eliminated. , B-doped diamond electronic devices cannot be separated. This is because Ar injected into diamond does not work as a hole trap.
【0009】また、ダイヤモンド半導体層にAr+イオ
ンを注入すると、Arの重量が重いために、イオン衝撃
を受けたダイヤモンド表面は、グラファイト化して導電
性が付与される。従って、このグラファイト層を除去し
ない限り、完全にダイヤモンド電子デバイス間を素子分
離することは不可能である。When Ar + ions are implanted into the diamond semiconductor layer, the surface of the diamond subjected to the ion bombardment is converted to graphite to impart conductivity because of the heavy weight of Ar. Therefore, it is impossible to completely separate the diamond electronic devices unless the graphite layer is removed.
【0010】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、高温電子素子、大電力電子素子及び高集積
回路に適用されるBが導入された半導体ダイヤモンド層
であっても、その電子デバイス間を完全に素子分離する
ことができ、これにより、同一基板上に複数の素子領域
を形成する場合に、素子同士の干渉による誤動作の発生
を防止することができるダイヤモンド半導体装置及びそ
の製造方法を提供することを目的とする。[0010] The present invention has been made in view of the above problems, and is intended to be applied to a high-temperature electronic device, a high-power electronic device, and a semiconductor diamond layer into which B is applied, which is applied to a highly integrated circuit. A diamond semiconductor device and a method of manufacturing the same that can completely isolate elements between devices and thereby prevent a malfunction due to interference between elements when forming a plurality of element regions on the same substrate The purpose is to provide.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】本発明に係るダイヤモン
ド半導体装置は、Bが導入されたp型半導体ダイヤモン
ド層からなる電子素子領域間に、1×1014乃至1×1
021cm-3の原子濃度で窒素を含有する絶縁領域を有す
ることを特徴とする。この窒素はイオン注入により前記
ダイヤモンド層に導入されていることが好ましい。ま
た、電子素子領域には、トランジスタ、サーミスタ、ダ
イオード、光センサ及び発光素子からなる群から選択さ
れた少なくとも1種の電子素子が形成されていることが
望ましい。According to the diamond semiconductor device of the present invention, 1 × 10 14 to 1 × 1 between the electronic element regions comprising the p-type semiconductor diamond layer into which B is introduced.
It has an insulating region containing nitrogen at an atomic concentration of 0 21 cm -3 . This nitrogen is preferably introduced into the diamond layer by ion implantation. It is preferable that at least one type of electronic element selected from the group consisting of a transistor, a thermistor, a diode, an optical sensor, and a light emitting element is formed in the electronic element region.
【0012】本発明に係るダイヤモンド半導体装置の製
造方法は、Bが導入されたp型半導体ダイヤモンド層か
らなる電子素子領域間に、1×1014乃至1×1021c
m-3の原子濃度で窒素を導入することにより絶縁領域を
形成することを特徴とする。The method of manufacturing a diamond semiconductor device according to the present invention is characterized in that a 1 × 10 14 to 1 × 10 21 c is provided between electronic element regions formed of a p-type semiconductor diamond layer into which B is introduced.
The insulating region is formed by introducing nitrogen at an atomic concentration of m −3 .
【0013】この窒素はイオン注入により前記ダイヤモ
ンド層に導入することが好ましい。また、イオン注入の
後、真空中において800℃以上の温度で1分間以上の
熱処理を施し、更に、前記イオン注入により生成された
ダイヤモンド層表面の非ダイヤモンド層を除去すること
が望ましい。また、前記非ダイヤモンド層は、酸素含有
雰囲気下における500℃以上の温度での熱処理、酸洗
浄又は酸素プラズマ処理により除去することができる。This nitrogen is preferably introduced into the diamond layer by ion implantation. After the ion implantation, it is preferable to perform a heat treatment at a temperature of 800 ° C. or more for 1 minute or more in a vacuum, and further remove the non-diamond layer on the surface of the diamond layer generated by the ion implantation. Further, the non-diamond layer can be removed by heat treatment at 500 ° C. or higher in an oxygen-containing atmosphere, acid cleaning, or oxygen plasma treatment.
【0014】[0014]
【発明の実施の形態】1対のBドープp型半導体ダイヤ
モンド層が1乃至数μmの距離で隔絶されて形成されて
いるとき、この2つのp型半導体ダイヤモンド層に挟ま
れた数μmの領域が絶縁性ダイヤモンドであっても、こ
れらの半導体ダイヤモンド層間に電圧を印加すると、電
流が流れて絶縁性を維持することはできない。これは、
以下に示す理由による。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS When a pair of B-doped p-type semiconductor diamond layers are formed so as to be separated by a distance of 1 to several .mu.m, a region of several .mu.m sandwiched between these two p-type semiconductor diamond layers. Is an insulating diamond, when a voltage is applied between these semiconductor diamond layers, a current flows and the insulating property cannot be maintained. this is,
This is for the following reason.
【0015】図1は2つのBドープ半導体ダイヤモンド
層とそれに挟まれた絶縁性のアンドープダイヤモンド層
とのエネルギーバンドを示す模式図である。図1(a)
に示すように、2つの半導体ダイヤモンド層に電圧が印
加されていない場合、アンドープ層は、Bドープ層内の
正孔に対して障壁になっており、両者の間には正孔の移
動が起こらないので、電流は流れない。FIG. 1 is a schematic diagram showing the energy bands of two B-doped semiconductor diamond layers and an insulating undoped diamond layer sandwiched between them. FIG. 1 (a)
As shown in (2), when no voltage is applied to the two semiconductor diamond layers, the undoped layer acts as a barrier to holes in the B-doped layer, and the movement of holes occurs between the two. Since there is no current, no current flows.
【0016】しかしながら、図1(b)に示すように、
両者の間に電圧を印加すると、Bドープダイヤモンド層
とアンドープダイヤモンド層とはホモ接合になってお
り、価電子帯の不連続がないので、電界によってBドー
プダイヤモンド層内の正孔はアンドープダイヤモンド層
の領域に注入される。そして、この正孔は反対側のBド
ープダイヤモンド層まで到達するので、電流が流れる。
これを空間電荷制限電流といい、その電流密度Jは下記
数式1により算出することができる。However, as shown in FIG.
When a voltage is applied between the two layers, the B-doped diamond layer and the undoped diamond layer have a homojunction, and there is no discontinuity in the valence band. Is implanted into the region. Then, since the holes reach the B-doped diamond layer on the opposite side, a current flows.
This is called a space charge limiting current, and its current density J can be calculated by the following equation 1.
【0017】[0017]
【数1】J=(9/8)με(V2/L3) J:電流密度(A/cm2) μ:移動度(cm2/V・s) ε:物質の誘電率(F/cm) V:印加電圧(V) L:電流が流れる領域の厚さ(cm)。J = (9/8) με (V 2 / L 3 ) J: Current density (A / cm 2 ) μ: Mobility (cm 2 / V · s) ε: Dielectric constant of material (F / cm) V: applied voltage (V) L: thickness (cm) of a region through which current flows.
【0018】例えば、ダイヤモンド中の正孔の移動度を
1600(cm2/V・s)、比誘電率を5.7(即
ち、誘電率ε=5.7×8.85×10-14(F/c
m))、Bドープ半導体層間のアンドープダイヤモンド
層の厚さを0.5(μm)、印加電圧を1Vとすると、
7.27×103(A/cm2)の空間電荷制限電流によ
る漏れ電流(リーク電流)が発生する。この電流密度の
値は、漏れ電流としては決して無視することができない
電流量であり、素子同士の干渉による誤動作が発生する
原因になる。For example, the mobility of holes in diamond is 1600 (cm 2 / V · s) and the relative permittivity is 5.7 (that is, the permittivity ε = 5.7 × 8.85 × 10 -14 ( F / c
m)), assuming that the thickness of the undoped diamond layer between the B-doped semiconductor layers is 0.5 (μm) and the applied voltage is 1 V,
Leakage current (leakage current) occurs due to the space charge limited current of 7.27 × 10 3 (A / cm 2 ). The value of the current density is a current amount that cannot be neglected as a leakage current, and causes a malfunction due to interference between elements.
【0019】従って、素子同士を完全に分離して誤動作
を防止するためには、アンドープダイヤモンド領域に正
孔のトラップを意図的に導入し、空間電荷制限電流によ
る漏れ電流を抑制する必要がある。ダイヤモンド半導体
中において、窒素はドナーとして働き、この窒素がアク
セプタとして働くBを補償する作用を有することは、こ
れまでより明らかとなっていた。そこで、本願発明者等
は、ダイヤモンド内に導入された窒素が、ダイヤモンド
価電子帯を通過する正孔のトラップとして作用すること
を見い出した。注入によって、正孔がBドープ半導体ダ
イヤモンド層側から窒素を含有する領域に流れ込んでき
た場合、トラップとして作用する窒素はその正孔を捕獲
するので、ダイヤモンド半導体層を素子分離することが
できる。Therefore, in order to completely separate the elements from each other and to prevent a malfunction, it is necessary to intentionally introduce a hole trap into the undoped diamond region to suppress a leakage current due to a space charge limited current. In diamond semiconductors, it has been clarified that nitrogen functions as a donor and has a function of compensating for B that functions as an acceptor. Thus, the present inventors have found that nitrogen introduced into diamond acts as a trap for holes passing through the diamond valence band. When holes flow into the region containing nitrogen from the B-doped semiconductor diamond layer side by injection, nitrogen acting as a trap captures the holes, so that the diamond semiconductor layer can be element-isolated.
【0020】通常、半導体層として使用されるBドープ
半導体ダイヤモンド層のドーピング濃度は1×1017c
m-3以上であり、室温における活性化率は0.1%程度
であるため、最も低い正孔のキャリア濃度としては、1
×1014cm-3と考えることができる。そこで、素子分
離領域に1×1014cm-3未満の原子濃度で窒素を導入
しても、この領域は正孔を完全に捕獲できるトラップと
して作用することができない。一方、ダイヤモンド中に
1×1021cm-3の原子濃度を超えて窒素を導入する
と、このダイヤモンド層はグラファイト化されてしま
い、ダイヤモンドとして存在することができなくなる。
従って、ダイヤモンド中の素子領域間に導入する窒素の
原子濃度は、1×1014乃至1×1021cm-3とする。Normally, the doping concentration of a B-doped semiconductor diamond layer used as a semiconductor layer is 1 × 10 17 c
m −3 or more, and the activation rate at room temperature is about 0.1%.
× 10 14 cm -3 can be considered. Therefore, even if nitrogen is introduced into the element isolation region at an atomic concentration of less than 1 × 10 14 cm −3 , this region cannot function as a trap capable of completely capturing holes. On the other hand, if nitrogen is introduced into the diamond beyond the atomic concentration of 1 × 10 21 cm −3 , the diamond layer is graphitized and cannot exist as diamond.
Therefore, the atomic concentration of nitrogen introduced between the element regions in diamond is set to 1 × 10 14 to 1 × 10 21 cm −3 .
【0021】また、ダイヤモンド半導体層を素子分離す
るための絶縁領域は、ある特定の領域に形成する必要が
あるため、ダイヤモンド内に窒素を導入する方法として
は、イオン注入法を使用することが好ましい。イオン注
入法によると、適当なマスク材を使用することによって
微細な領域に窒素を導入することが可能になると共に、
加速エネルギー、ドーズ量(注入量)を制御することに
より、ダイヤモンド内の窒素の原子密度及び深さ方向プ
ロファイルを任意に設定することができる。また、加速
エネルギー及び注入量を変化させて複数回のイオン注入
を実施することにより、均一な濃度を有する窒素ドープ
ダイヤモンド領域を形成することもできる。Since the insulating region for isolating the diamond semiconductor layer must be formed in a specific region, it is preferable to use an ion implantation method as a method for introducing nitrogen into diamond. . According to the ion implantation method, it becomes possible to introduce nitrogen into a fine region by using an appropriate mask material,
By controlling the acceleration energy and the dose (implantation amount), the atomic density of nitrogen in diamond and the profile in the depth direction can be arbitrarily set. In addition, a nitrogen-doped diamond region having a uniform concentration can be formed by performing ion implantation a plurality of times while changing the acceleration energy and the implantation amount.
【0022】更に、イオン注入後に、ダイヤモンド層に
対して真空中で高温熱処理を施すと、窒素イオン注入に
より発生したダイヤモンド層表面の欠陥を除去すること
ができると共に、窒素を格子置換位置に移動させること
ができ、これにより、トラップとして作用する窒素の割
合を増加させることができる。この熱処理の温度が80
0℃未満であるか、又は熱処理時間が1分間未満である
と、窒素を正孔のトラップとして十分に作用させること
ができなくなる。従って、イオン注入により窒素をダイ
ヤモンド層に導入する場合、このイオン注入後に、真空
中において800℃以上の温度で1分間以上の高温熱処
理を実施することが好ましい。Further, when the diamond layer is subjected to a high-temperature heat treatment in vacuum after the ion implantation, defects on the surface of the diamond layer caused by nitrogen ion implantation can be removed and nitrogen is moved to a lattice substitution position. This can increase the percentage of nitrogen acting as a trap. The temperature of this heat treatment is 80
If the temperature is lower than 0 ° C. or the heat treatment time is shorter than 1 minute, nitrogen cannot sufficiently act as a hole trap. Therefore, when nitrogen is introduced into the diamond layer by ion implantation, it is preferable to perform a high-temperature heat treatment at a temperature of 800 ° C. or more in a vacuum for 1 minute or more after the ion implantation.
【0023】更にまた、イオン注入による方法を使用す
ると、イオンの衝撃によって発生したダイヤモンド表面
近傍のグラファイト層(非ダイヤモンド層)は導電性を
有するので、ダイヤモンド層内の素子領域を分離するた
めには、このグラファイト層を除去することが望まし
い。しかし、Nの場合はArよりも軽いので、そのイオ
ン衝撃は少なく、グラファイト層の形成は少ない。ダイ
ヤモンド表面に発生したグラファイト層は、酸化雰囲気
下における500℃以上の温度での熱処理、酸洗浄又は
酸素プラズマ処理を実施すると、除去することができ
る。Furthermore, when the ion implantation method is used, the graphite layer (non-diamond layer) near the diamond surface generated by ion bombardment has conductivity, so that the element region in the diamond layer must be separated. It is desirable to remove this graphite layer. However, since N is lighter than Ar, its ion bombardment is small and the formation of a graphite layer is small. The graphite layer generated on the diamond surface can be removed by performing heat treatment at 500 ° C. or higher in an oxidizing atmosphere, acid cleaning, or oxygen plasma treatment.
【0024】このように、本発明においては、素子領域
間を完全に絶縁することができるので、ダイヤモンドト
ランジスタ回路、ダイヤモンドトランジスタとダイヤモ
ンドセンサとの集積回路、ダイヤモンドダイオードによ
る論理回路及びダイヤモンド発光ダイオードアレイ等を
半導体ダイヤモンド層を有する1つの基板上に大量に形
成することができ、素子同士の干渉による誤動作が発生
することはない。As described above, in the present invention, since the element regions can be completely insulated from each other, a diamond transistor circuit, an integrated circuit of a diamond transistor and a diamond sensor, a logic circuit using a diamond diode, a diamond light emitting diode array, etc. Can be formed in a large amount on one substrate having a semiconductor diamond layer, and a malfunction due to interference between elements does not occur.
【0025】[0025]
【実施例】以下、本発明の実施例方法により半導体ダイ
ヤモンド層を素子分離した結果について説明する。The results of the element separation of the semiconductor diamond layer by the method of the present invention will be described below.
【0026】図2は本実施例において使用した単結晶ダ
イヤモンド層へのB+イオンの注入領域の形状及びサイ
ズを示す平面図である。本実施例においては、例えば、
4mm×4mmの単結晶(001)絶縁性ダイヤモンド
層(Type Ia)1に、1mm×0.5mmの1対の長方
形の素子領域2a及び2bにB+イオンを注入した。な
お、素子領域2aと素子領域2bとの距離を0.5μm
とし、イオン注入時の加速電圧を60kV、ドーズ量
(注入量)を4×1016cm-2とした。また、イオン注
入のマスクとしては、フォトリソグラフィにより形成し
た金(Au)のマスクを使用した。FIG. 2 is a plan view showing the shape and size of a region for implanting B + ions into the single crystal diamond layer used in this embodiment. In this embodiment, for example,
B + ions were implanted into a 1 mm × 0.5 mm pair of rectangular element regions 2 a and 2 b in a 4 mm × 4 mm single crystal (001) insulating diamond layer (Type Ia) 1. The distance between the element region 2a and the element region 2b is 0.5 μm.
The acceleration voltage during ion implantation was 60 kV, and the dose (implanted amount) was 4 × 10 16 cm −2 . As a mask for ion implantation, a gold (Au) mask formed by photolithography was used.
【0027】次に、Auマスクを除去した後、Bをアク
セプタとして活性化させるために、真空中において10
00℃の温度で1時間の熱処理を実施した。次いで、イ
オン注入のダメージにより発生したグラファイト層を除
去するために、大気中において、500℃の温度で5分
間の熱処理を実施した。このとき、ダイヤモンド中のB
の原子密度を二次イオン質量分析(Secondary Ion Mass
Spectroscopy:SIMS)により測定すると、表層部
において、1×1020cm-3のBが検出された。Next, after the Au mask is removed, 10 B is applied in a vacuum to activate B as an acceptor.
Heat treatment was performed at a temperature of 00 ° C. for one hour. Next, a heat treatment was performed at a temperature of 500 ° C. for 5 minutes in the air in order to remove a graphite layer generated by damage due to ion implantation. At this time, B in the diamond
Ion Mass Spectrometry (Secondary Ion Mass Spectrometry)
When measured by Spectroscopy (SIMS), 1 × 10 20 cm −3 of B was detected in the surface layer.
【0028】その後、B+イオンが注入された領域(素
子領域2a及び2b)をAuマスクで被覆し、B+イオ
ンが注入された領域を除く領域にN+イオンをイオン注
入することにより、絶縁領域を形成した。このときのイ
オン注入の加速電圧は60kVに固定し、ドーズ量(注
入量)を変化させて原子密度が異なる絶縁領域を有する
試料を形成した。そして、イオン注入を施した試料に対
しては、真空中において、800℃の温度で10分間の
熱処理を施した後、更に、大気中において500℃の温
度で5分間の酸化処理を実施して、イオン注入により発
生したダイヤモンド層表面のグラファイト層を除去し
た。各試料の窒素のドーズ量と、グラファイト層の除去
後にSIMSにより測定したダイヤモンド層表面の窒素
の原子密度とを下記表1に示す。但し、試料No.4は
窒素イオンを注入しなかったものである。[0028] Then, the region B + ions are injected (element regions 2a and 2b) is coated with Au mask, by the N + ions are implanted into a region excluding the region B + ions were implanted, an insulating An area was formed. At this time, the acceleration voltage for ion implantation was fixed at 60 kV, and the dose (injection amount) was changed to form a sample having insulating regions with different atomic densities. Then, the sample subjected to the ion implantation is subjected to a heat treatment at a temperature of 800 ° C. for 10 minutes in a vacuum, and further subjected to an oxidation treatment at a temperature of 500 ° C. for 5 minutes in the air. Then, the graphite layer on the surface of the diamond layer generated by ion implantation was removed. Table 1 below shows the nitrogen dose amount of each sample and the nitrogen atom density on the diamond layer surface measured by SIMS after the removal of the graphite layer. However, the sample No. Reference numeral 4 denotes a case where nitrogen ions were not implanted.
【0029】[0029]
【表1】 [Table 1]
【0030】その後、スパッタリング蒸着により、Bド
ープ半導体ダイヤモンド層(素子領域2a及び2b)上
にAu/Ti積層電極を作製し、電流−電圧(I−V)
特性を測定した。Thereafter, an Au / Ti laminated electrode is formed on the B-doped semiconductor diamond layer (device regions 2a and 2b) by sputtering deposition, and the current-voltage (IV)
The properties were measured.
【0031】図3は縦軸に電流をとり、横軸に電圧をと
って、各試料の素子領域間の電流−電圧特性を対数値で
示すグラフ図である。グラフ中の数字は、試料のNo.
を示している。図3に示すように、窒素が全く導入され
ていない試料No.4、ダイヤモンド層表層部の窒素の
原子密度が4×1019cm-3以下である試料No.2及
び3を比較すると、窒素の原子濃度を高くするに従っ
て、初めて漏れ電流が発生するときの電圧値も高くなっ
ている。即ち、高電圧を印加すると、素子領域間を電流
が流れてしまう。FIG. 3 is a graph showing the current-voltage characteristics between the element regions of each sample by logarithmic values, with the vertical axis representing the current and the horizontal axis representing the voltage. The numbers in the graph indicate the sample Nos.
Is shown. As shown in FIG. Sample No. 4 in which the atomic density of nitrogen in the surface layer of the diamond layer is 4 × 10 19 cm −3 or less. Comparing 2 and 3, as the atomic concentration of nitrogen is increased, the voltage value when the leakage current is generated for the first time is also increased. That is, when a high voltage is applied, a current flows between element regions.
【0032】しかしながら、窒素の原子密度を5×10
20cm-3とすると、高電圧の印加によっても、素子領域
間に漏れ電流が発生しなかった。このように、適切な濃
度で窒素をダイヤモンド中に導入すると、素子領域間が
完全に素子分離された優れた特性を有する半導体装置を
製造することができる。However, if the atomic density of nitrogen is 5 × 10
At 20 cm -3 , no leakage current occurred between the element regions even when a high voltage was applied. Thus, when nitrogen is introduced into diamond at an appropriate concentration, a semiconductor device having excellent characteristics in which element regions are completely separated from each other can be manufactured.
【0033】次いで、試料No.1と同様の条件で、B
ドープ半導体ダイヤモンド層(素子領域)を形成すると
共に、この素子領域間に窒素イオンを注入して、絶縁領
域を形成した。そして、このような3枚の試料に対し
て、下記表2に示す3種類のイオン注入後の処理を実施
した。Next, the sample no. Under the same conditions as in 1, B
A doped semiconductor diamond layer (element region) was formed, and nitrogen ions were implanted between the element regions to form an insulating region. Then, three kinds of post-ion implantation processes shown in Table 2 below were performed on these three samples.
【0034】[0034]
【表2】 [Table 2]
【0035】これらの熱処理及び酸化処理等の後、スパ
ッタリング蒸着により、Bドープ半導体ダイヤモンド層
(素子領域)上にAu/Ti積層電極を作製し、電流−
電圧(I−V)特性を測定した。After these heat treatments and oxidation treatments, an Au / Ti laminated electrode is formed on the B-doped semiconductor diamond layer (element region) by sputtering deposition.
Voltage (IV) characteristics were measured.
【0036】図4は縦軸に電流をとり、横軸に電圧をと
って、各試料の素子領域間の電流−電圧特性を対数値で
示すグラフ図である。グラフ中の数字は、試料のNo.
を示している。図4に示すように、試料No.5は素子
領域間が完全に絶縁されており、漏れ電流は発生しなか
った。FIG. 4 is a graph showing the current-voltage characteristics between the element regions of each sample in logarithmic values, with the vertical axis representing the current and the horizontal axis representing the voltage. The numbers in the graph indicate the sample Nos.
Is shown. As shown in FIG. In No. 5, the element regions were completely insulated from each other, and no leakage current occurred.
【0037】一方、試料No.6は熱処理の温度が80
0℃未満であるので、素子領域間を完全に絶縁化するこ
とはできなかった。このことは、窒素を正孔トラップと
して作用させるためには、800℃以上の熱処理を実施
することが必要であることを示している。また、試料N
o.7は、イオン注入により形成されたグラファイト層
を除去するための酸化処理を実施していないので、素子
領域間を絶縁化することができず、大きな漏れ電流が発
生した。これは、窒素イオン注入のダメージが原因とな
ってダイヤモンド表面がグラファイトに変換し、これに
より、素子領域間に導電性が与えられたことを示してい
る。On the other hand, the sample No. 6 has a heat treatment temperature of 80
Since the temperature was lower than 0 ° C., it was not possible to completely insulate between the element regions. This indicates that it is necessary to perform a heat treatment at 800 ° C. or higher in order for nitrogen to function as a hole trap. Sample N
o. In No. 7, since the oxidation treatment for removing the graphite layer formed by ion implantation was not performed, insulation between the element regions could not be made, and a large leakage current occurred. This indicates that the diamond surface was converted to graphite due to the damage due to the nitrogen ion implantation, thereby providing conductivity between the element regions.
【0038】従って、イオン注入により窒素を導入する
場合、適切な温度で熱処理を実施すると共に、酸化処理
によりダイヤモンド層の表面に形成されたグラファイト
層を除去することにより、素子領域間が完全に除去され
た優れた特性を有する半導体装置を製造することができ
る。Therefore, when nitrogen is introduced by ion implantation, heat treatment is performed at an appropriate temperature, and the graphite layer formed on the surface of the diamond layer by the oxidation treatment is removed, thereby completely removing the element regions. A semiconductor device having improved characteristics can be manufactured.
【0039】[0039]
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
Bが導入されたp型半導体ダイヤモンド層からなる電子
素子領域間に、適切な原子濃度で窒素が導入されている
ので、ダイヤモンド半導体装置の電子素子領域間を完全
に素子分離することができ、これにより、同一基板上に
複数の電子素子を形成しても、素子同士の干渉による誤
動作が発生することを防止することができる。また、こ
の電子素子領域にトランジスタ、サーミスタ、ダイオー
ド、光センサ及び発光素子等が形成されていると、高性
能のダイヤモンド集積回路を得ることができる。As described in detail above, according to the present invention,
Since nitrogen is introduced at an appropriate atomic concentration between the electronic element regions composed of the p-type semiconductor diamond layer into which B has been introduced, it is possible to completely isolate the electronic element regions of the diamond semiconductor device. Thus, even when a plurality of electronic elements are formed on the same substrate, it is possible to prevent a malfunction due to interference between the elements. When a transistor, a thermistor, a diode, an optical sensor, a light-emitting element, and the like are formed in this electronic element region, a high-performance diamond integrated circuit can be obtained.
【0040】また、本発明方法によれば、イオン注入に
より電子素子領域間に窒素を導入すると、所望の原子濃
度及び微細領域で絶縁領域を形成することができ、この
場合、適切な熱処理及び酸化処理を実施すると、素子領
域間を完全に絶縁化することができる。According to the method of the present invention, when nitrogen is introduced between electronic element regions by ion implantation, an insulating region can be formed with a desired atomic concentration and a fine region. By performing the processing, the element regions can be completely insulated.
【図1】2つのBドープ半導体ダイヤモンド層とそれに
挟まれた絶縁性のアンドープダイヤモンド層とのエネル
ギーバンドを示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing energy bands of two B-doped semiconductor diamond layers and an insulating undoped diamond layer sandwiched between the layers.
【図2】本実施例において使用した単結晶ダイヤモンド
層へのB+イオンの注入領域の形状及びサイズを示す平
面図である。FIG. 2 is a plan view showing the shape and size of a region for implanting B + ions into a single crystal diamond layer used in this example.
【図3】縦軸に電流をとり、横軸に電圧をとって、各試
料の素子領域間の電流−電圧特性を対数値で示すグラフ
図である。FIG. 3 is a graph showing a current-voltage characteristic between element regions of each sample as a logarithmic value, with the vertical axis representing current and the horizontal axis representing voltage.
【図4】縦軸に電流をとり、横軸に電圧をとって、各試
料の素子領域間の電流−電圧特性を対数値で示すグラフ
図である。FIG. 4 is a graph showing current-voltage characteristics between element regions of each sample in logarithmic values, with current being plotted on the vertical axis and voltage on the horizontal axis.
1;ダイヤモンド層 2;素子領域 1; diamond layer 2; element region
Claims (9)
層からなる電子素子領域間に、1×1014乃至1×10
21cm-3の原子濃度で窒素を含有する絶縁領域を有する
ことを特徴とするダイヤモンド半導体装置。1. An electronic device comprising a p-type semiconductor diamond layer into which B has been introduced, wherein 1 × 10 14 to 1 × 10
A diamond semiconductor device having an insulating region containing nitrogen at an atomic concentration of 21 cm -3 .
モンド層に導入されていることを特徴とする請求項1に
記載のダイヤモンド半導体装置。2. The diamond semiconductor device according to claim 1, wherein said nitrogen is introduced into said diamond layer by ion implantation.
サーミスタ、ダイオード、光センサ及び発光素子からな
る群から選択された少なくとも1種の電子素子が形成さ
れていることを特徴とする請求項1又は2に記載のダイ
ヤモンド半導体装置。3. A transistor, wherein:
3. The diamond semiconductor device according to claim 1, wherein at least one kind of electronic element selected from the group consisting of a thermistor, a diode, an optical sensor, and a light emitting element is formed.
層からなる電子素子領域間に、1×1014乃至1×10
21cm-3の原子濃度で窒素を導入することにより絶縁領
域を形成することを特徴とするダイヤモンド半導体装置
の製造方法。Wherein B between the electronic element regions consisting of p-type semiconductor diamond layer is introduced, 1 × 10 14 to 1 × 10
A method for manufacturing a diamond semiconductor device, wherein an insulating region is formed by introducing nitrogen at an atomic concentration of 21 cm -3 .
ヤモンド層に導入することを特徴とする請求項4に記載
のダイヤモンド半導体装置の製造方法。5. The method according to claim 4, wherein the nitrogen is introduced into the diamond layer by ion implantation.
00℃以上の温度で1分間以上の熱処理を施し、更に、
前記イオン注入により生成されたダイヤモンド層表面の
非ダイヤモンド層を除去することを特徴とする請求項5
に記載のダイヤモンド半導体装置の製造方法。6. After the ion implantation, a vacuum is applied
Heat treatment at a temperature of 00 ° C. or more for 1 minute or more,
6. The non-diamond layer on the surface of the diamond layer generated by the ion implantation is removed.
3. The method for manufacturing a diamond semiconductor device according to item 1.
気下において500℃以上の温度で熱処理することによ
り除去するものであることを特徴とする請求項6に記載
のダイヤモンド半導体装置の製造方法。7. The method according to claim 6, wherein the non-diamond layer is removed by performing a heat treatment at a temperature of 500 ° C. or more in an oxygen-containing atmosphere.
除去するものであることを特徴とする請求項6に記載の
ダイヤモンド半導体装置の製造方法。8. The method according to claim 6, wherein the non-diamond layer is removed by acid cleaning.
処理により除去するものであることを特徴とする請求項
6に記載のダイヤモンド半導体装置の製造方法。9. The method according to claim 6, wherein the non-diamond layer is removed by oxygen plasma processing.
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