(57)【要約】      （修正有）【課題】高品質ｎ型ダイヤモンド材料の提供。【解決手段】ｎ型ドナー原子（３０６）とダイヤモンド格子（３０４）とを有するダイヤモンド材料であり、ダイヤモンド格子はイオン飛跡とイオン飛跡内の置換原子を有する。さらにイオン飛跡は特定の温度で生成され、アニーリング処理により修復されたものである。一例として、イオン飛跡はホウ素を使用して生成され、ドーパント原子はリンである。本発明のダイヤモンド材料はダイオードに組み込まれる。【選択図】図３Ｂ
2020074356.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型ドナー原子とダイヤモンド格子とを有するダイヤモンド材料を含む半導体システムであって、前記ドナー原子の０．１６％は、１００ｋＰａ、３００Ｋで前記ダイヤモンド格子に対して７７０ｃｍ２／Ｖｓより高い移動度を有する伝導電子に寄与する、半導体システム。
【請求項２】
前記ドナー原子の０．１６％は浅いイオン化エネルギーを有する伝導電子に寄与する、請求項１に記載の半導体システム。
【請求項３】
前記浅いイオン化エネルギーは約０．２５ｅＶである、請求項２に記載の半導体システム。
【請求項４】
前記ダイヤモンド材料はダイオードに組み込まれる、請求項１に記載の半導体システム。
【請求項５】
ダイヤモンド格子を有するダイヤモンド材料を選択する工程と、
イオン飛跡を生成するために最少量のアクセプタドーパント原子を前記ダイヤモンド格子へ導入する工程と、
前記イオン飛跡を介し置換ドーパント原子を前記ダイヤモンド格子へ導入する工程と、
前記ダイヤモンド格子をアニールする工程とを含むダイヤモンド半導体を作製する方法であって、
前記最少量のアクセプタドーパント原子の導入は臨界密度の空孔を生成せず、前記最少量のアクセプタドーパント原子の導入は前記ダイヤモンド格子の抵抗圧能力を低下させる、方法。
【請求項６】
前記ダイヤモンド材料は真性ダイヤモンドである、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記アクセプタドーパント原子は２９３〜２９８ケルビン温度で導入される、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記アクセプタドーパント原子はホウ素である、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
アクセプタドーパント原子の前記最少量は５×１０８／ｃｍ２〜５×１０１０／ｃｍ２である、請求項５に記載の方法。
【請求項１０】
前記置換ドーパント原子は７８ケルビン温度以下で導入される、請求項５に記載の方法。
【請求項１１】
前記置換ドーパント原子は５００ｋｅＶ未満で導入される、請求項５に記載の方法。
【請求項１２】
前記置換ドーパント原子は１４０ｋｅＶ未満、６度オフセットで導入される、請求項５に記載の方法。
【請求項１３】
前記置換ドーパント原子はリンである、請求項５に記載の方法。
【請求項１４】
前記置換ドーパント原子は９×１０１７／ｃｍ３より高い濃度で導入される、請求項５に記載の方法。
【請求項１５】
前記アニールは摂氏１０００度以上で行われる、請求項５に記載の方法。
【請求項１６】
請求項５に記載の方法に従って作製される半導体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１１年７月３０日出願の米国仮特許出願第６１／５１３５６９号明細書からの優先権を主張する。
【０００２】
本発明は一般的には、半導体システムおよび製作方法に関し、より具体的にはダイヤモンド半導体を作製するためのシステムと方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ダイヤモンドは好適な理論的半導体性能特性を有する。しかし、実用的なダイヤモンドベース半導体装置アプリケーションは限定されたままである。実用的なダイヤモンドベース半導体の発展を制限してきた課題の一つはダイヤモンド中に高品質ｎ型層を作製することの困難性である。空孔生成欠陥の濃度を制限することに基づいてｎ型ダイヤモンド製作を改善する試みがなされてきたが、ダイヤモンド中に高品質ｎ型層を作製することに伴う困難性は未だ十分に解決されていない。したがって、ダイヤモンド半導体中にｎ型層を含むダイヤモンド半導体を作製するための新規でかつ改善されたシステムと方法の必要性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本明細書に開示されるのは、ダイヤモンド半導体を作製するための新規でかつ改善されたシステムと方法である。本手法の一態様によると、本システムはｎ型ドナー原子とダイヤモンド格子とを有するダイヤモンド材料を含み得、ドナー原子の０．１６％は、１００ｋＰａ、３００Ｋにおいてダイヤモンド格子に対し７７０ｃｍ２／Ｖｓより高い移動度を有する伝導電子に寄与する。
【０００５】
本手法の別の態様によると、ダイヤモンド半導体を作製する方法は、ダイヤモンド格子を有するダイヤモンド材料を選択する工程と、イオン飛跡（ｉｏｎ  ｔｒａｃｋｓ）を生成するために最少量のアクセプタドーパント原子をダイヤモンド格子へ導入する工程と、イオン飛跡を介し置換ドーパント原子をダイヤモンド格子へ導入する工程と、ダイヤモンド格子をアニールする工程とを含んでもよく、最少量のアクセプタドーパント原子の導入は、臨界密度の空孔を生成せず、ダイヤモンド格子の抵抗圧能力（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）を低下させる。
【０００６】
本明細書に開示されるダイヤモンド半導体を作製するための方法の他のシステム、方法、態様、特徴、実施形態、および利点は、以下の添付図面と詳細説明を検討すると当業者には明らかであるまたは明らかとなる。このようなすべての追加的システム、方法、態様、特徴、実施形態、および利点は本明細書に含まれ、添付の特許請求範囲に入るように意図されている。
【０００７】
添付図面は単に例示目的のためであるということを理解すべきである。さらに、添付図面内の構成要素は必ずしも寸法が基準化されていなく、重点はむしろ本明細書に開示されるシステムの原理を説明することに置かれる。添付図面において、同様な参照符号は様々な図面を通し対応する部分を示す。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ダイヤモンド半導体を作製するための方法の第１の実施形態のブロック図である。
【図２Ａ】図１の方法が実施され得る真性ダイヤモンド薄膜ウェハの従来技術モデルの斜視図である。
【図２Ｂ】図２Ａのダイヤモンドの真性ダイヤモンド格子構造の従来技術モデルである。
【図３Ａ】図２の真性ダイヤモンド薄膜ウェハに図１の方法を実施することにより作製され得るようなドープダイヤモンド薄膜ウェハの例示的モデルの斜視図である。
【図３Ｂ】図３Ａのドープダイヤモンド薄膜ウェハのドープダイヤモンド格子構造のモデルである。
【図４】ダイヤモンド半導体を作製するための方法の第２の実施形態のブロック図である。
【図５Ａ−Ｂ】ダイヤモンド半導体を作製するための方法の第３の実施形態のブロック図である。
【図６】図５Ａと図５Ｂの方法に従って作製され得る例示的Ｐ＋−ｉ−Ｎダイオードモデルの上面図である。
【図７】図５Ａと図５Ｂの方法に従って作製され得る例示的６ピン表面実装装置パッケージのモデルの斜視図である。
【図８】図６のダイオードモデルと共に採用され得るものなどのダイオード試験条件セットアップの概略図を示す。
【図９】図５Ａと図５Ｂの方法に従って作製され得るダイオードの閾値電圧性能特性のグラフである。
【図１０】順バイアス時の、図５Ａと図５Ｂの方法に従って作製され得るダイオードの電流−電圧特性のグラフである。
【図１１】順バイアス時の、図５Ａと図５Ｂの方法に従って作製され得るダイオードの電流密度特性のグラフである。
【図１２】逆バイアス時の、図５Ａと図５Ｂの方法に従って作製され得るダイオードの電流−電圧特性のグラフである。
【図１３】逆バイアス時の、図５Ａと図５Ｂの方法に従って作製され得るダイオードの電流密度特性のグラフである。
【図１４】図５Ａと図５Ｂの方法に従って作製され得るダイオードと共に使用するＲＦ減衰器駆動器の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
添付図面を参照しそれらを援用する以下の詳細説明は、１つまたは複数の特定の実施形態について説明し例示する。限定するのではなく例証および教示するためだけに提示されるこれらの実施形態は、当業者に請求の範囲を実施できるようにさせるのに十分に詳細に示され、説明される。したがって、簡潔さのために、本明細書は当業者に公知の特定の情報を省略することがある。
【００１０】
図１に、ダイヤモンド材料中に層を作製するための方法１００の第１の実施形態のブロック図を示す。方法１００は、ダイヤモンド格子構造を有するダイヤモンド材料を選択する第１番目の工程１０２を含み得る。ダイヤモンド材料は真性ダイヤモンドである。真性ダイヤモンドは、意図的にはドープされていないダイヤモンドである。不純物添加は、ダイヤモンド材料電気的特性を与える目的のための、これらに限定しないがｎ型特性とｐ型特性などの不純物を導入し得る。ダイヤモンド材料は単結晶または多結晶ダイヤモンドであり得る。
【００１１】
図２Ａは、真性ダイヤモンド薄膜ウェハ２００のモデルの斜視図である。いかなる特定のダイヤモンド材料にも限定されないが、一実施形態では、方法１００のダイヤモンド材料は真性ダイヤモンド薄膜ウェハ１００である。真性ダイヤモンド薄膜ウェハ２００は、ダイヤモンド層２０２、二酸化珪素層（ＳｉＯ２）２０４、シリコンウェハ層２０６、およびシリコンウェハ層２０８を含み得る。ダイヤモンド層２０２は、これに限定しないが超ナノ結晶ダイヤモンドであり得る。真性ダイヤモンド薄膜ウェハ２００は直径１００ｍｍであり得る。ダイヤモンド層２０２は、約２００〜３００ｎｍの粒径を有する１μｍ多結晶ダイヤモンドであり得る。二酸化珪素層（ＳｉＯ２）２０４は約１μｍであり得る。シリコンウェハ層２０６は、Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．から入手可能なＡｑｕａ１００などの約５００μｍＳｉであり得る。方法１００の第１番目の工程１００は、これに限定しないが真性ダイヤモンド薄膜ウェハ２００の例示的ダイヤモンド層２００などの様々なダイヤモンドベース材料を選択する工程を含み得る。
【００１２】
図２Ｂは、これらに限定しないがダイヤモンド層２０２の真性ダイヤモンド格子構造などの真性ダイヤモンド格子構造２１０のモデルである。真性ダイヤモンド格子構造２１０は複数の炭素原子２１２を含み得る。真性ダイヤモンド格子構造２１０は当業者には公知である。モデルでは、真性ダイヤモンド格子構造２１０は無欠陥で示され、示された原子のすべては炭素原子２１２である。
【００１３】
方法１００の第２番目の工程１０４は、イオン飛跡を生成するために最少量のアクセプタドーパント原子をダイヤモンド格子へ導入する工程を含み得る。イオン飛跡の生成は、例えば単結晶バルク容積当たり１０２２／ｃｍ３未満の非臨界濃度の空孔の生成、およびダイヤモンド層２０２の抵抗圧能力の低減を含み得る。例えば、第２番目の工程１０４は、低濃度において約２９３〜２９８ケルビン温度（Ｋ）のイオン注入を利用してアクセプタドーパント原子を導入する工程を含み得る。アクセプタドーパント原子はｐ型アクセプタドーパント原子であり得る。ｐ型ドーパントは、これらに限定しないがホウ素、水素、およびリチウムであり得る。最少量のアクセプタドーパント原子は、炭素ダングリングボンドがアクセプタドーパント原子と相互作用するようにされ得るが、アクセプタ準位はダイヤモンド格子内に形成されない。
【００１４】
第２番目の工程１０４の最少量のアクセプタドーパント原子は、例えばこれに限定しないが約１×１０１０／ｃｍ２のホウ素であり得る。他の実施形態では、第２番目の工程１０４の最少量のアクセプタドーパント原子は、例えばこれに限定しないが約５×１０１０／ｃｍ２のホウ素であり１×１０８／ｃｍ２〜５×１０１０／ｃｍ２の範囲にあり得る。第２番目の工程１０４は、生成された空孔が可動性となるがホウ素は格子間位置を占めるという点で、室温でのホウ素共添加により達成され得る。第２番目の工程１０４は、ある置換位置に加えて、その後のドーパントの可動性空孔を生成し得る。
【００１５】
第２番目の工程１０４のイオン飛跡は、より大きな置換ドーパント原子の導入のためのバリスティック経路（ｂａｌｌｉｓｔｉｃ  ｐａｔｈｗａｙ）と見なされ得る（以下の第３番目の工程１０６を参照）。第２番目の工程１０４はまた、アクセプタドーパント原子の格子間位置をエネルギー的に有利にすることにより、およびダイヤモンド格子の局所形成エネルギー動力学を変更することにより、ダイヤモンド格子内の炭素ダングリングボンドの斥力（置換ドーパント原子（以下番目の工程１０６を参照）に対する）を無くし得る。
【００１６】
方法１００の第３番目の工程１０６は、イオン飛跡を介し置換ドーパント原子をダイヤモンド格子へ導入する工程を含み得る。例えば、第３番目の工程１０６は、５００ｋｅＶ未満のエネルギーインプラントのための好ましくは約７８度Ｋ以下のイオン注入を利用して、より大きな置換ドーパント原子を導入する工程を含み得る。７８度Ｋ未満のインプラントは、置換ドーパント原子の置換インプラントを最大化する一方で、ダイヤモンド格子内の空孔と格子間の凍結を可能にし得る。より大きな置換ドーパントは、これらに限定しないが例えばリン、窒素、硫黄、および酸素であり得る。
【００１７】
所望のイオンエネルギーが高い場合のインプラントについては、局所自己アニールが発生し得るので、ＭｅＶエネルギーインプラントと併せて周囲温度を利用することが有益となり得る。所望のイオンエネルギーがより高い場合は、入力イオンが置換位置を占める確率が高くなり得る。
【００１８】
より大きな置換ドーパント原子はアクセプタドーパント原子よりはるかに高い濃度で導入され得る。より大きな置換ドーパント原子のより高い濃度は、これらに限定しないが約９．９×１０１７／ｃｍ３のリンであり、８×１０１７〜２×１０１８／ｃｍ３の範囲であり得る。
【００１９】
第３番目の工程１０６では、バリスティック経路の存在と置換ドーパント原子に働く負の斥力の最小化は、最小限の追加の格子歪みでもって置換ドーパント原子のダイヤモンド格子内への入力を容易にする。約７８度Ｋ以下の置換ドーパント原子のイオン注入は、より良い不純物位置を提供し、格子間位置より置換位置を有利にし、より少ない空孔が衝突イオン当たり生成されるのでダイヤモンド格子歪みを最小限にする働きをする。
【００２０】
一実施形態では、工程１０６のイオン注入は、チャネリングを最小限にするために６度のオフセット、１４０ｋｅＶで行われ得る。インプラントビームエネルギーは、黒鉛格子緩和がエネルギー的に不利となるように、表面下約２５ｎｍの活性インプラント領域において線量が重なるようにされ得る。不純物添加は、Ｖａｒｉａｎ  Ｉｏｎ  Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ上で、リン質量３１単独イオン化ドーパント（すなわち３１Ｐ＋）、０．８μＡのビーム電流、１４０ｋｅＶのビームエネルギー、ビームドーズ量９．４×１０１１／ｃｍ２、６度の入射角、および約７８度Ｋ以下の温度で行われ得る。
【００２１】
方法１００の第４番目の工程１０８はダイヤモンド格子を高速熱アニールに付す工程を含み得る。高速熱アニールは摂氏１０００度で行われ得る。高速熱アニールは、第２番目の工程１０４と第３番目の工程１０６中に損傷され得たダイヤモンド格子の部分を修復し得、既に置換的に配置され得なかった残りのドーパント原子を電気的に活性化し得る。短時間の高温は、損傷修復機構が６００Ｃを越える温度での長いアニール時間中に変わり得るので、長時間の低温アニールより有利である。
【００２２】
図３Ａは、真性ダイヤモンド薄膜ウェハ２００を方法１００に付すことにより作製され得るものなどのドープダイヤモンド薄膜ウェハ３００のモデルの斜視図である。ドープダイヤモンド薄膜ウェハ３００は、ドープダイヤモンド層３０２、二酸化珪素層（ＳｉＯ２）２０４、およびシリコンウェハ層２０８を含み得る。
【００２３】
図３Ｂは、ダイヤモンド層２０２を方法１００に付した結果であり得るものなどのドープダイヤモンド格子構造３０４のモデルである。ドープダイヤモンド格子構造３０４は、複数の炭素原子３１４、複数のリン原子３０６、複数の空孔３０８、およびホウ素原子３１０を含み得る。
【００２４】
方法１００は、これらに限定しないが、ｎ型ドナー原子（これらに限定しないが複数のリン原子３０６など）を有するドープダイヤモンド薄膜ウェハ３００などのダイヤモンド材料と、これらに限定しないがドープダイヤモンド格子構造３０４などのダイヤモンド格子とを含む半導体システムの作製を可能にし、例えば約０．２５ｅＶの浅いイオン化エネルギーを手段として、ドナー原子の０．１６％は、１００ｋＰａ、３００Ｋにおいてダイヤモンド格子に対する７７０ｃｍ２／Ｖｓより高い移動度を有する伝導電子に寄与する。
【００２５】
図４に、ダイヤモンド材料中に層を作製するための方法４００の第２の実施形態のブロック図を示す。方法４００の第１番目の工程は、ダイヤモンド格子構造を有するダイヤモンド材料を選択する工程を含む方法１００の第１番目の工程１０２と同じでよい。
【００２６】
方法４００の第２番目の工程４０２は、表面汚染物質を除去するためにダイヤモンド材料を洗浄する工程を含み得る。例えば、第１番目の工程４０２は真性ダイヤモンド薄膜ウェハ２００を洗浄する工程を含み得る（図２を参照）。洗浄は、強力洗浄、例えばこれらに限定しないが当業者には公知の標準的拡散洗浄であり得る。このような拡散洗浄の一例は、１０分間Ｈ２ＳＯ４／Ｈ２Ｏ２の４：１溶液を適用する工程と、２．５分間Ｈ２Ｏ２の溶液を適用する工程と、１０分間Ｈ２Ｏ／Ｈ２Ｏ２／ＨＣＬの５：１：１溶液を適用する工程と、２．５分間Ｈ２Ｏ２の溶液を適用する工程と、５分間の熱スピン乾燥工程とを含む。
【００２７】
方法４００の第３番目の工程４０４は、ダイヤモンド材料をダイヤモンド格子の第１の部分上に前イオン飛跡マスク蒸着に付すことを含み得る。前イオン飛跡マスクは、イオン注入中にダイヤモンド材料の第１の部分を保護し得る。前イオン飛跡マスク蒸着はアルミニウム前インプラントマスク蒸着であり得る。前イオン飛跡マスク蒸着は、７．５ｋＷの電力、２．５×１０−３Ｔｏｒｒ圧力で、２１〜２４秒の蒸着時間、９９．９９９９９％（６Ｎ）純度のアルミニウムを使用しＧｒｙｐｈｏｎ  Ｍｅｔａｌ  Ｓｐｕｔｔｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍを利用して、３０ｎｍ厚まで行われ得る。
【００２８】
方法４００の第４番目の工程は、イオン飛跡を生成するために最少量のアクセプタドーパント原子をダイヤモンド格子へ導入する工程を含む方法１００の第２番目の工程１０４と同じでよい。
【００２９】
方法４００の第５番目の工程は、イオン飛跡を介し置換ドーパント原子をダイヤモンド格子へ導入する工程を含む方法１００の第３番目の工程１０６と同じでよい。
【００３０】
方法４００の第６番目の工程４０６は、ダイヤモンド格子をマスクエッチング、洗浄、アニールする工程を含み得る。マスクエッチングはアルミニウムマスクエッチングであり得る。マスクエッチングは、アルミニウムエッチング液（例えば、Ｃｙａｎｔｅｋ  ＡＬ−１１アルミニウムエッチング液混合物、または７２％のリン酸、３％の酢酸、３％の硝酸、１２％の水、および１０％の界面活性剤の組成を有するエッチング液）を使用する毎分１μｍ速度の湿式エッチングであり得る。アルミニウムが視覚的に除去された後（約３０秒かかり得る）、ウェハは６０秒間脱イオン水下で移動され、加圧空気銃を介し乾燥させられ得る。
【００３１】
他の実施形態では、第６番目の工程４０６のマスクエッチングは、反応性イオンエッチング（Ａｒ（３５ＳＣＣＭ）／Ｏ２（１０ＳＣＣＭ）、ＶＢＩＡＳ５７６Ｖ、２５０Ｗ電力、総エッチング厚２５ｎｍ、５０ｍＴｏｒｒ加圧下）を使用したブランケットエッチングであり得る。Ａｒ／Ｏ２エッチングは、ダイヤモンド材料表面のエッチングと研磨／終端の２つの機能を有し得る。初期エッチングに加えて、同じ処理レシピは、最終アプリケーション利用（すなわちＭＯＳＦＥＴ、ダイオード、ＬＥＤなど）による必要に応じて、装置アーキテクチャを形成し、ダイヤモンドの様々な活性及び非活性領域を画定するために後で実施される。エッチマスキング層（例えば２００ｎｍ厚アルミニウム蒸着）は、標準的電子ビーム蒸着を介し形成され得る。エッチングは、Ｏｘｆｏｒｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  １００  Ｐｌａｓｍａｌａｂ  Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ（Ｏｘｆｏｒｄ  Ｄｅｅｐ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｅｒ）上で行われ得る。エッチング条件は、ＲＩＥ電力：２００Ｗ、ＩＣＰ電力：２，０００Ｗ、圧力：９ｍＴｏｒｒ、Ｏ２フロー：５０ｓｃｃｍ、Ａｒフロー：１ｓｃｃｍであり得る。エッチング速度は、ダイヤモンド層については１５５ｎｍ／分、アルミニウムマスキング層については３４ｎｍ／分であり得る。
【００３２】
第６番目の工程４０６の洗浄は、第２番目の工程４０２において説明された拡散洗浄と同様でよい。第６番目の工程４０６のアニールは、約５分間の流動Ｎ２下で摂氏約１０００〜１１５０度の高速熱アニールであり得、かつ／または、高速熱アニールは、表１に示される設定下で動作するＡｇｉｌｅｎｔ  ＲＴＡモデルＡＧ４１０８により行われ得る。
【００３３】
【表１】
2020074356.tif 000003
方法４００の第６番目の工程４０６は、ダイヤモンド材料を、ダイヤモンド格子の一部の上で前置換マスク蒸着に付す工程を含み得る。前置換マスク蒸着はアルミニウム前インプラントマスク蒸着であり得る。前置換マスク蒸着は、７．５ｋＷの電力、２．５×１０−３Ｔｏｒｒ圧力で、２１〜２４秒の蒸着時間、９９．９９９９９％（６Ｎ）純度のアルミニウムを使用しＧｒｙｐｈｏｎ  Ｍｅｔａｌ  Ｓｐｕｔｔｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍを利用して、３０ｎｍ厚まで行われ得る。
【００３４】
いくつかのアプリケーションでは、例えば、ｐ型およびｎ型領域を生成するために同じダイヤモンドウェハの異なる部分を別個にドープすることが有益となり得る。いくつかの実施形態では、Ｐ−Ｎ接合とＰ−ｉ−Ｎ接合を含む様々な半導体装置が生成される。
【００３５】
図５Ａと図５Ｂに、ダイヤモンド材料中に層を作製するための方法５００の第３の実施形態のブロック図を示す。方法５００は、Ｐ＋−ｉ−Ｎダイオード用のダイヤモンド半導体中にｎ型層を作製するための処理を提供する。方法５００の第１番目の工程は、ダイヤモンド格子構造を有するダイヤモンド材料を選択する工程を含む方法１００の第１番目の工程１０２と同じでよい。
【００３６】
図６は、方法５００に従って作製され得るＰ＋−ｉ−Ｎダイオード６００の例示的モデルの上面図を示す。Ｐ＋−ｉ−Ｎダイオード６００は、ｐ＋型半導体領域６０８とｎ型半導体領域６０６間に、低ドープ半導体領域（ｉ）（例えば、図８、８０４を参照）を含み得る。ＳＲＩＭ（Ｓｔｏｐｐｉｎｇ  Ｒａｎｇｅ  Ｉｎ  Ｍｏｔｉｏｎ）モデリングによる５００の方法は理論的予測に近づくＰ＋−ｉ−Ｎダイオードを作製するための経路を提供する。一実施形態では、Ｐ＋−ｉ−Ｎダイオード６００は、約１５０ｎｍ深さのｐ型半導体（例えば、図８、８０６を参照）と、約１００ｎｍ深さのｐ＋型半導体領域６０４と、約１００ｎｍ深さのｎ型半導体領域６０６との間に、約１０ｎｍ深さの低ドープ半導体領域（ｉ）８０４を含み得る。図６はまた、ｐ＋型半導体領域６０８へ接続するための金属接触／ボンディングパッド６０４を示す。
【００３７】
方法５００の第２番目の工程は、表面汚染物質を除去するためにダイヤモンド材料を洗浄する工程を含む方法４００の第２番目の工程４０２と同じでよい。
【００３８】
方法５００の第３番目の工程５０２は、ダイヤモンド材料をダイヤモンド格子の非Ｐ＋部分上で前Ｐ＋マスク蒸着に付す工程を含み得る。前Ｐ＋マスク蒸着マスクは、Ｐ＋イオン注入中にダイヤモンド材料の非Ｐ＋部分を保護し得る。前Ｐ＋マスク蒸着はアルミニウム前インプラントマスク蒸着であり得る。前イオン飛跡マスク蒸着は、７．５ｋＷの電力、２．５×１０−３Ｔｏｒｒ圧力で、２１〜２４秒の蒸着時間、９９．９９９９９％（６Ｎ）純度のアルミニウムを使用しＧｒｙｐｈｏｎ  Ｍｅｔａｌ  Ｓｐｕｔｔｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍを利用して、３０ｎｍ厚まで行われ得る。
【００３９】
方法５００の第４番目の工程５０４は、ダイヤモンド材料のＰ＋層インプラントを含み得る。Ｐ＋層インプラントは、１００ｎｍのＰ＋層を生成するために、０．０４μＡのビーム電流、５５ｋｅＶのビームエネルギー、１×１０２０原子／ｃｍ２のビームドーズ量、６度の入射角、約７８度Ｋ以下で１１Ｂ＋のドーパントにより行われ得る。
【００４０】
方法５００の第５番目の工程は、ダイヤモンド材料をマスクエッチングし、洗浄し、アニールする工程を含む方法４００の第６番目の工程４０６と同じでよい。
【００４１】
方法５００の第６番目の工程５０６は、ダイヤモンド材料をダイヤモンド格子の非Ｐ部分上で前Ｐマスク蒸着に付す工程を含み得る。前Ｐマスク蒸着マスクは、Ｐイオン注入中にダイヤモンド材料の非Ｐ部分を保護し得る。前Ｐマスク蒸着はアルミニウム前インプラントマスク蒸着であり得る。前Ｐマスク蒸着は、７．５ｋＷの電力、２．５×１０−３Ｔｏｒｒ圧力で、２１〜２４秒の蒸着時間、９９．９９９９９％（６Ｎ）純度のアルミニウムを使用しＧｒｙｐｈｏｎ  Ｍｅｔａｌ  Ｓｐｕｔｔｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍを利用して、３０ｎｍ厚まで行われ得る。
【００４２】
方法５００の第７番目の工程５０８は、ダイヤモンド材料のＰ層インプラントを含み得る。Ｐ層インプラントは、１５０ｎｍのＰ＋層を生成するために、０．０４μＡのビーム電流、５５ｋｅＶのビームエネルギー、３×１０１７原子／ｃｍ２のビームドーズ量、６度の入射角、約７８度Ｋ以下で１１Ｂ＋のドーパントにより行われ得る。
【００４３】
方法５００の第８番目の工程は、ダイヤモンド材料をマスクエッチングし、洗浄し、アニールする工程を含む方法４００の第６番目の工程４０６と同じでよい。
【００４４】
方法５００の第９番目の工程は、ダイヤモンド材料をダイヤモンド格子の第１の部分上で前イオン飛跡マスク蒸着に付す工程を含む方法４００の第２番目の工程４０４と同じでよい。
【００４５】
方法５００の第１０番目の工程は、イオン飛跡を生成するために最少量のアクセプタドーパント原子をダイヤモンド格子へ導入する工程を含む方法１００の第２番目の工程１０４と同じでよい。
【００４６】
方法５００の第１１番目の工程は、イオン飛跡を介し置換ドーパント原子をダイヤモンド格子へ導入する工程を含む方法１００の第３番目の工程１０６と同じでよい。
【００４７】
方法５００の第１２番目の工程は、ダイヤモンド材料をマスクエッチングし、洗浄し、アニールする工程を含む方法４００の第６番目の工程４０６と同じでよい。
【００４８】
方法５００の第１３番目の工程５１０はブランケットエッチングを含み得る。第１３番目の工程５１０は、いかなる表面黒鉛化も除去するためにダイヤモンド層２０２の表面層（約２５ｎｍ）がエッチング除去されるブランケットエッチングを含み得る。
【００４９】
方法５００の第１４番目の工程５１２は、図６に示される構造などのダイヤモンド積層構造を得るためにフォトリソグラフィ／メサエッチングを含み得る。第１４番目の工程５１２はメサエッチング前に拡散洗浄とフォトリソグラフィを含み得る。
【００５０】
方法５００の第１５番目の工程５１４は、積層の上面のコンタクトを生成する工程を含み得る。積層の上面へのコンタクトは、シャドウマスクを介し積層上に２００ｎｍ厚まで、５Ｎ純度を有するＩＴＯを蒸着させて、次に、リフトオフを行うことにより実現され得る。
【００５１】
方法５００の第１６番目の工程５１６はアニールを含み得る。工程５１６のアニールは、ＩＴＯの透明度が達成されるまで（約２．５時間かかり得る）、Ａｒ雰囲気下４２０℃でのオーブンでアニールされ得る。
【００５２】
方法５００の第１７番目の工程５１８はオーム接触を生成する工程を含み得る。オーム接触は、Ｐ＋層に対する接触（例えば金属接触／ボンディングパッド６０４）とｎ層に対する接触とを含み得る。ワイヤボンディングは小さな接触領域では困難となり得るため、ＴｉおよびＡｕ層が、フォトリソグラフィを使用してシャドウマスクを介し蒸着され得る。Ｔｉはまた、ＩＴＯおよびＡｕ層間の拡散障壁として機能し得る。３０ｎｍのコンタクト層厚がＰ＋層に対して生成され得る。２００ｎｍのコンタクト層厚がＮ層に対して生成され得る。一実施形態では、ダイヤモンドキャップ層は、装置使用のための電気コンタクトを形成するために新たに形成されたｎ型層を晒すために除去され得る。本工程は、表面粗さをエッチングし、したがって最小化する一方でダイヤモンド層を研磨し、ダイヤモンドの表面を電気的終端（酸素）する工程（半導体装置製作の１工程）を含み得る。いくつかの実施形態では、ダイヤモンドが電子装置の構成部品として機能するようにダイヤモンド上に金属コンタクトを形成する工程がさらに存在する。方法５００の第１７番目の工程５１８は金属加熱炉アニールを含み得る。金属加熱炉アニールは摂氏４２０度で２時間行われ得る。
【００５３】
方法５００の第１８番目の工程５２０はウェハ表面終端を含み得る。
【００５４】
方法５００の第１９番目の工程５２２はウェハ表面終端を含み得る。
【００５５】
方法５００の第２０番目の工程５２４はパッケジングを含み得る。第２０番目の工程５２０において、ダイヤモンド材料の部分は、６ピン表面実装装置を生成するために、ダイス切断され、取り付けられ、ワイヤボンドされ、透明なシリコーン密封材中にカプセル化される。
【００５６】
図７に、図５Ａと図５Ｂの方法に従って作製され得る例示的６ピン表面実装装置パッケージ７００のモデルの斜視図を示す。
【００５７】
本明細書において開示された方法は、多くの電気的ダイヤモンド接合の生成が、シリコン半導体により伝統的に果たされてきた機能を果たせるようにし得る。本出願はバイポーラダイオード関連における例について論述するが、本技術は、ＦＥＴと他のスイッチ、ディジタルとアナログ、および発光体を含む電気装置の多くの変形形態とモノリシック的に形成された変形形態の組み合わせとにおいて使用され得る新規な真性ｎ型ダイヤモンド材料と新規なｐ型ダイヤモンド材料とについて記載するが、本明細書に示された特定の実装態様に限定されないということを当業者は理解する。様々な好ましい実施形態は、必ずしも互いに分離されている必要はなく、組み合わせられることができる。
【００５８】
図８に、Ｐ＋−ｉ−Ｎダイオード試験条件セットアップ８０２の概略図を示す。方法５００に従って作製されたＰ＋−ｉ−Ｎダイオード６００などのＰ＋−ｉ−Ｎダイオードは、Ｐ＋−ｉ−Ｎダイオード試験条件セットアップ８０２に従って試験され得る。
【００５９】
図９は、方法５００に従って作製され得るＰ＋−ｉ−Ｎダイオードの閾値電圧性能特性９０２のグラフ９００である。閾値電圧性能特性９０２は、低電界および高電界条件の両方の下、ＩＲ測定により、室温（華氏７６度）で、好適な抵抗器バイアスを使用するＤＣ条件と、好適なＴＴＬ駆動器を使用するＲＦ条件、または混成配線構成に基づき得られ得る。閾値電圧性能特性９０２は、ダイヤモンドに対して理論的に予測されたものと同様な閾値電圧と電流レベルを示す。
【００６０】
図１０は、室温、陰極負、順バイアス時の、方法５００に従って作製されたＰ＋−ｉ−Ｎダイオード６００などのＰ＋−ｉ−Ｎダイオードの電流−電圧特性のグラフ１０００である。電流−電圧曲線１００２は、方法５００に従って作製され得るようなＰ＋−ｉ−Ｎダイオードの電流−電圧特性を示す。電流−電圧曲線１００２は、室温での伝導に利用可能な大きな電子濃度を示す。電流−電圧曲線１００２の低電圧空乏領域１００４は、電荷キャリアがｎ層とＰ層から真性領域中に拡散される、例えば電荷キャリアがｎ型半導体領域６０６とｐ＋型半導体領域６０４から低ドープ半導体領域（ｉ）８０４中に拡散されるということを示す。低ドープ半導体領域（ｉ）８０４において、電荷キャリアは再結合し得る。再結合は瞬時に発生しないので、電荷は低ドープ半導体領域（ｉ）８０４中に蓄積され得、したがって抵抗率を低下させる。
【００６１】
電流−電圧曲線１００２の高注入領域１００６は、印加電位が増加するにつれ、電荷キャリアが真性領域（例えば低ドープ半導体領域（ｉ）８０４）中に大量に流れ得、平衡濃度を越えたキャリアの濃度を生じるということを示す。電流−電圧曲線１００２の直列抵抗領域１００８も示される。
【００６２】
図１１は、室温、陰極負、順バイアス時の、方法５００に従って作製されたＰ＋−ｉ−Ｎダイオード６００などのＰ＋−ｉ−Ｎダイオードの電流密度特性のグラフ１１００である。電流密度曲線１１０２は、方法５００に従って作製され得るようなＰ＋−ｉ−Ｎダイオードの電流密度特性を示す。電流密度曲線１１０２は、５Ｖにおいて１６００アンペア／ｃｍ２を越える電流密度の電荷キャリアタイプの濃度を示す。
【００６３】
図１２は、室温、陰極正、逆バイアス時の、方法５００に従って作製されたＰ＋−ｉ−Ｎダイオード６００などのＰ＋−ｉ−Ｎダイオードの電流−電圧特性のグラフ１２００である。電流−電圧曲線１２０２は、方法５００に従って作製され得るようなＰ＋−ｉ−Ｎダイオードの電流−電圧特性を示す。電流−電圧曲線１２０２は、電流レベルの小さな上昇と急減少により示されるように、空乏領域幅の電荷キャリアが十分に空乏化されてキャリア拡散が停止する前に少しの逆電圧が必要とされ得るということを示す。
【００６４】
図１３は、室温、陰極正、逆バイアス時の、方法５００に従って作製されたＰ＋−ｉ−Ｎダイオード６００などのＰ＋−ｉ−Ｎダイオードの電流密度特性のグラフ１３００である。電流密度曲線１３０２は、方法５００に従って作製され得るようなＰ＋−ｉ−Ｎダイオードの電流密度特性を示す。電流密度曲線１３０２は、変調が制御可能であるのでＰ＋−ｉ−Ｎダイオード６００などのＰ＋−ｉ−Ｎダイオードが信号減衰に（限定されないが例えばＲＦ信号減衰に）適しているということを示す。
【００６５】
図１４に、方法５００に従って作製されたＰ＋−ｉ−Ｎダイオード６００などのＰ＋−ｉ−Ｎダイオードと共に使用するＲＦ減衰器駆動器チップ構成１４００の概略図を示す。ＲＦ減衰器１４００は、７７ＫＨｚで約１０ＫΩから１ｍΩまで変化するＲｌｏａｄにより減衰特性（電流制御特性）を提供し得る。
【００６６】
本明細書に記載のシステムと製作方法は、新規なｎ型および新規なｐ型のダイヤモンド半導体材料と装置を含む多くの新規で有用な技術と、新規なｎ型および新規なｐ型ダイヤモンド半導体材料と装置を作製するための方法とを提供する。
【００６７】
新規な製作方法は、限定するものではないが、真性高品質ｎ型ダイヤモンド材料を生成し、エッチングし、金属化する（ショットキーおよびオーミック）方法と、ダイヤモンドベース電力素子から集積回路（ＩＣ）と装置駆動器を生成する方法とを含む。
【００６８】
新規な装置は、限定するものではないが、室温で少なくとも部分的に活性化されたｎ型ダイヤモンド半導体を含む。すなわち、装置材料は、活性化し伝導に関与するのに十分なキャリア濃度、高電子移動度を有するｎ型ダイヤモンド、高温（室温を越えた）または高電界の存在を必要しない高キャリア移動度と高キャリア濃度の両方を有するｎ型ダイヤモンド、室温／周囲温度において１，０００ｃｍ２／Ｖｓを越える推定電子移動度と約１×１０１６電子／ｃｍ３のキャリア濃度を有するｎ型ダイヤモンド半導体、バイポーラダイヤモンド半導体装置、単一ダイヤモンドウェハ上にｐ型およびｎ型領域を有する装置、ダイヤモンドダイオード装置、高温または強電界の存在のいずれも必要とすることなく高電流を搬送するバイポーラダイヤモンド半導体装置、室温および０．２８Ｖ電界の存在下で１ミリアンペア電流を運ぶことができるバイポーラダイヤモンド半導体装置、多結晶ダイヤモンド上のｎ型ダイヤモンド材料、低コスト薄膜多結晶「ダイヤモンド−オン−シリコン」キャリア、他のキャリアタイプ（例えば融解石英、石英、サファイア、酸化珪素または他の酸化物など）上のダイヤモンド半導体、ダイヤモンド電力ＲＦ減衰器、多結晶ダイヤモンド電力ＲＦ減衰器チップ、多結晶ダイヤモンド電力ＲＦ減衰器装置、ダイヤモンド発光ダイオードまたは／レーザダイオード（ＬＥＤ）、同一チップ上に高電力素子（例えばＬＥＤ）を有するモノリシック集積化ダイヤモンドベース論理駆動器、酸素の存在下で安定したｎ型ダイヤモンド材料（すなわち、無視できない量の酸素が表面上に存在する場合（ウェハが外気に接する場合など）、ｎ型半導体の導電率と性能は連続する）を有する。
【００６９】
いくつかの実施形態では、このｎ型および新規なｐ型ダイヤモンド半導体材料は、１マイクロメートル未満の粒径を有する多結晶ダイヤモンドと９００ｎｍ未満程度の大きさを有するドープ薄膜層とを使用して構築される。前記ダイヤモンド材料を形成するための技術は、電気的性能の一様性が前記材料から薄膜特徴を形成する能力を可能にする一方で維持されるように、ほぼ原子レベルの急変であるダイヤモンド粒境界を有するダイヤモンド膜上で使用され得る。
【００７０】
本発明の別の態様は、ｎ型材料を含むダイヤモンド半導体材料に取り付けられる金属コンタクトを生成する能力である。前記金属コンタクトはダイヤモンド材料に取り付けられ、良好／オーム導電率（例えば、高い線形性を示す）を有し続ける。金属コンタクトは、所望アプリケーション使用による保証に応じて、金属（例えばＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｐｔなど）または透明金属（例えばインジウムスズ酸化物、フッ化物酸化錫など）のいずれかまたはその両方を指し得る。
【００７１】
用語「例示的」は、本明細書では「例、事例、または例示として機能する」ことを意味するように使用される。「例示的」として本明細書に記載のいずれの実施形態または変形形態も、必ずしも他の実施形態または変形形態を越えて好ましいまたは有利であるとみなすべきではない。本明細書中に記載された実施形態と変形形態はすべて、当業者らが本発明を実行し使用できるように提供された例示的実施形態と変形形態であり、添付の特許請求の範囲の与えられる法的保護の範囲を必ずしも限定しない。
【００７２】
開示された実施形態の上記説明は、いずれの当業者も添付の特許請求の範囲により規定されるものを実施または使用できるようにするために提供される。以下の請求項は、開示された実施形態に限定されるように意図されてない。他の実施形態形態および修正形態は、これらの教示に照らして当業者により容易に想起される。したがって、以下の特許請求の範囲は、上記明細書と添付図面と併せて見るとこのような実施形態および修正形態をすべてカバーするように意図されている。
【図１】
2020074356.tif 000004
【図２Ａ】
2020074356.tif 000005
【図２Ｂ】
2020074356.tif 000006
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
2020074356.tif 000009
【図５Ａ】
2020074356.tif 000010
【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
2020074356.tif 000013
【図８】
2020074356.tif 000014
【図９】
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【図１０】
2020074356.tif 000016
【図１１】
2020074356.tif 000017
【図１２】
2020074356.tif 000018
【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年9月25日(2019.9.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型ドナー原子とダイヤモンド格子とを有するダイヤモンド材料であって、このダイヤモンド材料は表面を有し、前記ダイヤモンド格子はイオン飛跡と前記イオン飛跡内の置換原子とを有し、前記イオン飛跡は２９３〜２９８ケルビン温度で生成され、前記イオン飛跡は前記置換原子とダイヤモンド表面との間でアニーリングにより修復されたものである、ダイヤモンド材料。
【請求項２】
請求項１に記載のダイヤモンド材料であって、前記ダイヤモンド材料はダイオードに組み込まれるダイヤモンド材料。
【請求項３】
請求項１に記載のダイヤモンド材料であって、前記ダイヤモンド材料は真性ダイヤモンドであるダイヤモンド材料。
【請求項４】
請求項１に記載のダイヤモンド材料であって、前記イオン飛跡はホウ素を使用して生成されるダイヤモンド材料。
【請求項５】
請求項１に記載のダイヤモンド材料であって、前記イオン飛跡はアクセプタドーパント原子を使用して生成されるダイヤモンド材料。
【請求項６】
請求項１に記載のダイヤモンド材料であって、前記置換ドーパント原子は７８ケルビン温度以下で導入されるダイヤモンド材料。
【請求項７】
請求項１に記載のダイヤモンド材料であって、前記置換ドーパント原子は５００ｋｅＶ未満で導入されるダイヤモンド材料。
【請求項８】
請求項１に記載のダイヤモンド材料であって、前記置換ドーパント原子は１４０ｋｅＶ、６度オフセットで導入されるダイヤモンド材料。
【請求項９】
請求項１に記載のダイヤモンド材料であって、前記置換ドーパント原子はリンであるダイヤモンド材料。
【請求項１０】
ｎ型ドナー原子とダイヤモンド格子とを有するダイヤモンド材料であって、このダイヤモンド材料は表面を有し、前記ダイヤモンド格子はイオン飛跡と前記イオン飛跡内の置換ドーパント原子とを有し、前記置換ドーパント原子は８×１０１７／ｃｍ３から２×１０１８／ｃｍ３の範囲の濃度で導入されるリンであり、前記イオン飛跡は前記置換原子とダイヤモンド表面との間でアニーリングにより修復されたものである、ダイヤモンド材料。
【外国語明細書】
2020074356000001.pdf
2020074356000002.pdf
2020074356000003.pdf
2020074356000004.pdf