JP2614868B2 - 電界効果トランジスタの製造法 - Google Patents
電界効果トランジスタの製造法Info
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/16—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table
- H01L29/1602—Diamond
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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種である電界効果トラ
ンジスタに関する。
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
Si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MOS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。
Si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MOS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はSiで
成っている。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けて
開発が進んでいる。
成っている。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けて
開発が進んでいる。
しかし、Siは200℃以上、GaAsは300℃以上の高温では
使用できないという問題がある。これは、バンドギャッ
プがSiで1.1eV、GaAsで1.5eVと小さいために、Siは200
℃以上、GaAsは300℃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。
使用できないという問題がある。これは、バンドギャッ
プがSiで1.1eV、GaAsで1.5eVと小さいために、Siは200
℃以上、GaAsは300℃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すます高まる傾
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。
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。
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、MIS構造においてＰ型半導体層部、
Ｎ型半導体層部及び絶縁体層部のすべてが気相合成法に
より作成されたダイヤモンド層から成り、ダイヤモンド
単結晶から成る基板を有するMIS型電界効果トランジス
タの製造法であって、 ダイヤモンド単結晶基板上に気相合成法によりＮ型ダ
イヤモンド半導体層を形成した後、周期律表4a,5a,6a,7
a,8a族の元素から選択された少なくとも１種の金属を主
成分とする高融点金属から成るマスクを用いて前記Ｎ型
ダイヤモンド半導体層の一部をドライエッチングするこ
とによりソース・ドレインを形成し、次に気相合成法に
よりＰ型ダイヤモンド半導体層を形成した後、リフトオ
フ法により前記マスクの上の前記Ｐ型ダイヤモンド半導
体層を除去し、次に気相合成法によりノンドープダイヤ
モンド絶縁体層を形成した後、前記ノンドープダイヤモ
ンド絶縁体層の一部をドライエッチングすることにより
前記Ｎ型ダイヤモンド半導体層を露出し、最後に電極を
形成するMIS型電界効果トランジスタの製造法によって
達成される。
Ｎ型半導体層部及び絶縁体層部のすべてが気相合成法に
より作成されたダイヤモンド層から成り、ダイヤモンド
単結晶から成る基板を有するMIS型電界効果トランジス
タの製造法であって、 ダイヤモンド単結晶基板上に気相合成法によりＮ型ダ
イヤモンド半導体層を形成した後、周期律表4a,5a,6a,7
a,8a族の元素から選択された少なくとも１種の金属を主
成分とする高融点金属から成るマスクを用いて前記Ｎ型
ダイヤモンド半導体層の一部をドライエッチングするこ
とによりソース・ドレインを形成し、次に気相合成法に
よりＰ型ダイヤモンド半導体層を形成した後、リフトオ
フ法により前記マスクの上の前記Ｐ型ダイヤモンド半導
体層を除去し、次に気相合成法によりノンドープダイヤ
モンド絶縁体層を形成した後、前記ノンドープダイヤモ
ンド絶縁体層の一部をドライエッチングすることにより
前記Ｎ型ダイヤモンド半導体層を露出し、最後に電極を
形成するMIS型電界効果トランジスタの製造法によって
達成される。
本発明の電界効果トランジスタは、放熱効果の点か
ら、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。
ら、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。
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となり、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/cm
・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［cm2/V・秒］、ホール移動度:2100［cm2
/V・秒］at300°Ｋ）。誘電率が小さい（Ｋ＝5.5）、破
壊電界が大きい（EB＝５×106V/cm）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。
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となり、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/cm
・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［cm2/V・秒］、ホール移動度:2100［cm2
/V・秒］at300°Ｋ）。誘電率が小さい（Ｋ＝5.5）、破
壊電界が大きい（EB＝５×106V/cm）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。
一方、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
るが、これに加えてプラズマエッチング時に用いた高融
点金属マスクをそのままリフトオフの際にも利用すると
いう本製造方法は、製造工程を簡易にできるという点で
優れている。
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
るが、これに加えてプラズマエッチング時に用いた高融
点金属マスクをそのままリフトオフの際にも利用すると
いう本製造方法は、製造工程を簡易にできるという点で
優れている。
ダイヤモンド層を成長させる気相合成法としては、
１）熱電子放射材を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）光
によりガス分子を分解せしめる方法があるが、いずれを
用いても本発明の効果は同じである。
１）熱電子放射材を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）光
によりガス分子を分解せしめる方法があるが、いずれを
用いても本発明の効果は同じである。
ダイヤモンドは化学的に非常に安定であるため、素子
を形成するための微細加工が困難であったが、酸素プラ
ズマを用いたドライエッチング法と、リフトオフ法によ
りダイヤモンド上に微細なパターンを形成し得る。
を形成するための微細加工が困難であったが、酸素プラ
ズマを用いたドライエッチング法と、リフトオフ法によ
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ッチング法としては、
平行平板電極によるプラズマエッチング法とイオンビー
ムエッチング法のいずれをも用いることができる。
平行平板電極によるプラズマエッチング法とイオンビー
ムエッチング法のいずれをも用いることができる。
リフトオフ法において、プラズマエッチング法で用い
たマスクを用いることによってマスクの自己整合を行
い、パターニング工程毎にマスクの位置合せを行う手間
を省き、自動的に高精度のパターンを形成することがで
きる。マスクの材料としては、耐酸化性であって、かつ
ダイヤモンド薄膜成長の800℃以上の温度に耐える。4a,
5a,6a,7a,8a族金属元素及びそれらの合金が適してい
る。
たマスクを用いることによってマスクの自己整合を行
い、パターニング工程毎にマスクの位置合せを行う手間
を省き、自動的に高精度のパターンを形成することがで
きる。マスクの材料としては、耐酸化性であって、かつ
ダイヤモンド薄膜成長の800℃以上の温度に耐える。4a,
5a,6a,7a,8a族金属元素及びそれらの合金が適してい
る。
添付第１図の断面図を参照しながら、本発明のMIS型
電界効果トランジスタの製造法の一例を示す。
電界効果トランジスタの製造法の一例を示す。
（ｉ）ダイヤモンド単結晶基板１上に、気相合成法によ
りＮ型ダイヤモンド半導体層２を形成する（第１図
（ｉ）参照）。
りＮ型ダイヤモンド半導体層２を形成する（第１図
（ｉ）参照）。
（ii）Ｎ型ダイヤモンド半導体層２の一部の上にCr（ク
ロム）などから成るマスク３を形成した後、Ｎ型ダイヤ
モンド半導体層２のマスクされていない部分をプラズマ
エッチングにより除去する（第１図（ii）参照）。
ロム）などから成るマスク３を形成した後、Ｎ型ダイヤ
モンド半導体層２のマスクされていない部分をプラズマ
エッチングにより除去する（第１図（ii）参照）。
（iii）気相合成法によりＰ型ダイヤモンド半導体層４
を形成する（第１図（iii）参照）。
を形成する（第１図（iii）参照）。
（iv）Ｐ型ダイヤモンド半導体層４の一部をリフトオフ
法により除去する（第１図（iv）参照）。
法により除去する（第１図（iv）参照）。
（ｖ）気相合成法によりノンドープダイヤモンド絶縁体
層５を形成する（第１図（ｖ）参照）。
層５を形成する（第１図（ｖ）参照）。
（vi）絶縁体層５の一部をプラズマエッチングする（第
１図（vi）参照）。
１図（vi）参照）。
（vii）ソース、ゲート及びドレインのそれぞれにおい
て電極6,6′,6″を形成する（第１図（vii）参照）。
て電極6,6′,6″を形成する（第１図（vii）参照）。
この電界効果トランジスタの動作機構はSiのMOS型電
界効果トランジスタと同様であるが、材料がすべてダイ
ヤモンドであるところに特徴がある。
界効果トランジスタと同様であるが、材料がすべてダイ
ヤモンドであるところに特徴がある。
［発明の効果］ 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。
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。
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。
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１図に示したような手順により、ダイヤモンドから
成るMIS型電界効果トランジスタを作製した。
成るMIS型電界効果トランジスタを作製した。
（ｉ）３×２×1mmのIb型人工単結晶ダイヤ基板の（11
1）面上に公知のマイクロ波プラズマCVD法でＰ（リン）
ドープＮ型ダイヤモンド薄膜層1.5μｍを形成した。
1）面上に公知のマイクロ波プラズマCVD法でＰ（リン）
ドープＮ型ダイヤモンド薄膜層1.5μｍを形成した。
（合成条件：マイクロ波パワー＝350W、反応圧力＝30To
rr、反応ガス＝CH4（0.5％）＋PH3（0.00005％）＋H
2（残）） （ii）Ｎ型ダイヤモンド薄膜層の一部にCr（クロム）を
マスクとして蒸着し、マスクで覆われていない部分を酸
素プラズマエッチングした。
rr、反応ガス＝CH4（0.5％）＋PH3（0.00005％）＋H
2（残）） （ii）Ｎ型ダイヤモンド薄膜層の一部にCr（クロム）を
マスクとして蒸着し、マスクで覆われていない部分を酸
素プラズマエッチングした。
（エッチング条件:R.F.パワー（高周波出力）＝200W、
圧力＝0.005Torr） （iii）先のCrマスクを除去せずに、マイクロ波プラズ
マCVD法によりＢ（ホウ素）ドープＰ型ダイヤモンド薄
膜層1.5μｍを形成した。
圧力＝0.005Torr） （iii）先のCrマスクを除去せずに、マイクロ波プラズ
マCVD法によりＢ（ホウ素）ドープＰ型ダイヤモンド薄
膜層1.5μｍを形成した。
（合成条件：マイクロ波パワー＝350W、反応圧力＝30To
rr、反応ガス＝CH4（0.5％）＋B2H6（0.00005％）＋H2
（残）） （iv）Crマスクを王水で溶解することによってＰ型ダイ
ヤモンド薄膜層の一部をリフトオフ法により除去した。
rr、反応ガス＝CH4（0.5％）＋B2H6（0.00005％）＋H2
（残）） （iv）Crマスク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法でノンドープダイヤモ
ンド薄膜層1000オングストロームを形成した。
ンド薄膜層1000オングストロームを形成した。
（合成条件：マイクロ波パワー＝350W、反応圧力＝30To
rr、反応ガス＝CH4（0.5％）＋H2（99.5％）） （vi）ノンドープダイヤモンド薄膜層の一部を酸素プラ
ズマエッチングした。
rr、反応ガス＝CH4（0.5％）＋H2（99.5％）） （vi）ノンドープダイヤモンド薄膜層の一部を酸素プラ
ズマエッチングした。
（エッチング条件:R.F.パワー＝200W、圧力＝0.005Tor
r） （vii）Au/Mo/Ti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
ミック電極を形成した。
r） （vii）Au/Mo/Ti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℃でも第２図のようなトラ
ンジスタ特性が観測された。
の特性を測定したところ800℃でも第２図のようなトラ
ンジスタ特性が観測された。
第１図は、本発明の電界効果トランジスタの製造を示す
断面図、 第２図は、トランジスタ特性を示すグラフである。 １…ダイヤモンド単結晶基板、２…Ｎ型ダイヤモンド半
導体層、３…マスク、４…Ｐ型ダイヤモンド半導体層、
５…ノンドープダイヤモンド絶縁体層、6,6′,6″…電
極。
断面図、 第２図は、トランジスタ特性を示すグラフである。 １…ダイヤモンド単結晶基板、２…Ｎ型ダイヤモンド半
導体層、３…マスク、４…Ｐ型ダイヤモンド半導体層、
５…ノンドープダイヤモンド絶縁体層、6,6′,6″…電
極。
Claims (1)
- 【請求項１】MIS構造においてＰ型半導体層部、Ｎ型半
導体層部及び絶縁体層部のすべてが気相合成法により作
成されたダイヤモンド層から成り、ダイヤモンド単結晶
から成る基板を有するMIS型電界効果トランジスタの製
造法であって、 ダイヤモンド単結晶基板上に気相合成法によりＮ型ダイ
ヤモンド半導体層を形成した後、周期律表4a,5a,6a,7a,
8a族の元素から選択された少なくとも１種の金属を主成
分とする高融点金属から成るマスクを用いて前記Ｎ型ダ
イヤモンド半導体層の一部をドライエッチングすること
によりソース・ドレインを形成し、次に気相合成法によ
りＰ型ダイヤモンド半導体層を形成した後、リフトオフ
法により前記マスクの上の前記Ｐ型ダイヤモンド半導体
層を除去し、次に気相合成法によりノンドープダイヤモ
ンド絶縁体層を形成した後、前記ノンドープダイヤモン
ド絶縁体層の一部をドライエッチングすることにより前
記Ｎ型ダイヤモンド半導体層を露出し、最後に電極を形
成するMIS型電界効果トランジスタの製造法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62226199A JP2614868B2 (ja) | 1987-09-09 | 1987-09-09 | 電界効果トランジスタの製造法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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