(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
不純物濃度が１０16ｃｍ-3以下の高抵抗ダイヤモンド層上に、不純物濃度が１０19ｃｍ-3以上の低抵抗ダイヤモンド層を形成する工程と、この低抵抗ダイヤモンド層上にオーミック接触の金属層を形成する工程と、この金属層上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上にゲート電極形成予定領域が開口したフォトレジストパターンを形成する工程と、前記フォトレジストパターンをマスクとして前記絶縁膜を選択的にエッチングする工程と、前記フォトレジスト及び／又はエッチング後の前記絶縁膜をマスクとして前記金属層を選択的にエッチングする工程と、前記フォトレジスト及び／又はエッチング後の前記絶縁膜をマスクとして前記低抵抗ダイヤモンド層を選択的にエッチングする工程と、前記高抵抗ダイヤモンド層の表面を水素プラズマ処理する工程と、前記ゲート電極形成予定領域の前記高抵抗ダイヤモンド層上にゲート電極部を形成する工程とを有することを特徴とするダイヤモンド電界効果トランジスタの製造方法。
【請求項２】
不純物濃度が１０16ｃｍ-3以下の高抵抗ダイヤモンド層上に、不純物濃度が１０19ｃｍ-3以上の低抵抗ダイヤモンド層を形成する工程と、この低抵抗ダイヤモンド層上にオーミック接触の金属層を形成する工程と、この金属層上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上にゲート電極形成予定領域が開口したフォトレジストパターンを形成する工程と、前記フォトレジストパターンをマスクとして前記絶縁膜を選択的にエッチングする工程と、前記フォトレジスト及び／又はエッチング後の前記絶縁膜をマスクとして前記金属層を選択的にエッチングする工程と、前記フォトレジスト及び／又はエッチング後の前記絶縁膜をマスクとして前記低抵抗ダイヤモンド層を選択的にエッチングする工程と、前記高抵抗ダイヤモンド層の表面上に気相合成により高抵抗ダイヤモンド層を再合成する工程と、前記ゲート電極形成予定領域の前記高抵抗ダイヤモンド層上にゲート電極部を形成する工程とを有することを特徴とするダイヤモンド電界効果トランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高出力・高周波デバイス等に使用されるダイヤモンド電界効果トランジスタ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイヤモンドは、その熱伝導率（２０Ｗ／ｃｍ・Ｋ）、バンドギャップ（５．５ｅＶ）、飽和電子及びホール移動度（電子：２０００ｃｍ2／Ｖｓ、正孔：２１００ｃｍ2／Ｖ・ｓ）といったデバイス特性が優れているため、高温及び放射線下で動作する電子デバイス、高出力デバイス及び高周波デバイス等への応用が期待されている。
【０００３】
ダイヤモンド薄膜を用いた電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）としては、ダイヤモンド基板上にｐ型半導体ダイヤモンド層をチャネル層として形成し、更に、ｐ型半導体ダイヤモンド層上にＴｉからなるソース電極、Ａｌからなるゲート電極及びＴｉからなるドレイン電極を形成することにより、ゲート部にショットキー接合が形成された金属／半導体接合型電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）が提案されている（特開平３−９４４２９号）。このＭＥＳＦＥＴではゲートに正（＋）の電圧を印加することにより、ソース−ドレイン電流が制御される(H. Shiomi, Y.Nishibayashi, and N.Fujimori, Jpn. J. Appl. Phys., Vol.29, No.12, L2153頁, 1989年）。
【０００４】
一方、上記ＭＥＳＦＥＴにおいて、ゲートからのリーク電流を低減するために、半導体ダイヤモンド層からなるチャネル層とゲート金属電極との間に絶縁性のダイヤモンド層を挿入したＭＩＳＦＥＴも提案されている（特開平１−１５８７７４号）。このＭＩＳＦＥＴ素子の動作は例えば従来文献（N.Fujimori  and  Y.Nishibayasi,Diamondand  Related  Materials,Vol.1,P665(1992)に示されている。
【０００５】
また、特開平３−２６３８７２号においても、ゲートからのリーク電流を低減するために、金属／絶縁性ダイヤモンド／半導体ダイヤモンド構造をゲート部に持つ電界効果トランジスタが提案されている。このＦＥＴでは、円形のドレイン電極をリング状のゲート電極で取り囲み、更にこのゲート電極の外側をソース電極で取り囲むようにしてれらの電極が配置されている。ドレイン電極及びソース電極はＡｕ層／Ｔｉ層の２層構造であり、ゲート電極はＡｌ層からなっている。この電界効果トランジスタにおいては、Ｓｉ3Ｎ4基板上に、アンドープの絶縁性ダイヤモンド層が形成されており、このアンドープダイヤモンド層上にＢドープのｐ型ダイヤモンド層が形成されている。そして、Ｂドープダイヤモンド層上にアンドープの絶縁性ダイヤモンド層を介してゲート電極が形成されていると共に、Ｂドープダイヤモンド層上に直接ソース電極及びドレイン電極が形成されている。この電界効果トランジスタの電流−電圧特性は、例えば、文献（西村、加藤、宮内、小橋、第５回ダイヤモンドシンポジウム講演要旨集，P.31(1991)に記載されている。
【０００６】
更に、特開平３−１２９６６号においては、基板上に形成されたｐ型半導体層と、ゲート電極の間に絶縁層を挿入したＦＥＴが提案されている。ｐ型半導体層はＢドープのダイヤモンド層である。また、絶縁層は酸化シリコンで形成されている。この絶縁層にＳｉＯ2を使用したＭＩＳＦＥＴのソースドレイン特性は従来文献（A.J.Tessmer,K.Das,and D,L.Dreifus, Diamondand Related Materials, Vol, P.89(1992), and G.G.Fountain, R.A.Rudder,D.P.Malta et al,Diamond Materials,P.523(The Electrochemical Society 1991))に示されている。
【０００７】
上述した従来のダイヤモンドを用いたＦＥＴにおいては、ゲート電圧によるソース−ドレイン電流の変調は見られるが、実用的なＦＥＴとして必要なピンチオフ特性及び飽和特性をもつＦＥＴは未だ実現されていない。この原因の一つは、従来のトランジスタを使用したＦＥＴはゲート部の特性が不十分であるため、ゲート電極に正（＋）の電圧を印加し、これを増大した場合、ゲート電極からのリーク電流が増加し、半導体チャネル層の中に十分な深さの空乏層が拡がらないためであると考えられる。また、ｐ型チャネル層全体に空乏層を拡げるためには、ドーピング濃度を下げると共に、薄い連続したチャネル層を形成することが必要である。
【０００８】
しかしながら、薄い連続したｐ型チャネル層を気相合成法で再現性よく作製することは極めて困難である。更に、低不純物濃度で薄いチャネル層を作製するとソース−ドレイン間の抵抗が高くなり、高い相互コンダクタンスを得ることができないという欠点がある。
【０００９】
このような問題点を改良し、トランジスタコンダクタンスが大きく、実用的な電流一電圧特性を持つダイヤモンド電界効果トランジスタの開発も進められてきた。
【００１０】
例えば、特開平８−８８２３６に示されるトランジスタでは、活性層のドーパント濃度はキャリアの伝導を金属的に支配する程度の値であり、活性層の層厚はドーパントの分布を二次元的に整列させる程度の値である。即ち、活性層はともに高抵抗性のバッファ層及びキャップ層によって挟まれた所謂δドープ又はパルスドープとして導電性のドーパントをドープして形成されている。このような構造においては、導電性のドーパントを局在化することにより、不純物としての分布のバラツキが低減する。そのため、この積層構造には、Ｖ型のポテンシャル井戸が活性層の層方向に沿って窪んで発生するので、格子振動とキャリアとの相互作用、即ちフォノンによるキャリアの散乱が低減する。この結果、キャリア移動度は増大するので、活性層の相互コンダクタンスが向上する。
【００１１】
また、特開平６−２３２３８８に示されるトランジスタは、ソース電極に接触した第１の半導体ダイヤモンド層と、ドレイン電極に接触し前記第１の半導体ダイヤモンド層と同一導電型の第２の半導体ダイヤモンド層と、ゲート電極の作用を受ける領域であって前記第１及び第２の半導体ダイヤモンド層の間の領域に設けられ、厚さが１０Å乃至ｌｍｍの高抵抗ダイヤモンド層とを備え、これらの第１及び第２の半導体ダイヤモンド層並びに高抵抗ダイヤモンド層によりチャネル領域が構成されている。このトランジスタの場合、高抵抗ダイヤモンド層への注入によりキャリアを移動させるため、チャネル層に空乏層を拡げる必要がなく、また、ゲート電極で生じるリーク電流に関する問題は小さく、また低ドーピング濃度で薄い連続したダイヤモンドチャネル層を形成する必要もない。
【００１２】
しかしながら、上述のように改良しても、従来技術では、実用的な高出力の高周波トランジスタを得ることは困難である。これは、文献（K. Miyata,K.Nishimura,and K.Kobashi, IEEE Transactions on Electron Devices Vol.42,P.2010(1995)に示されるように、数十ギガヘルツでの動作を確保するためにはゲート長を１μｍ以下とする必要があり、この場合に、以下に示すように、そのデバイスの作製が困難になるからである。
【００１３】
一般のＳｉをはじめとする半導体材料を使用したデバイスでは、ゲート長が１μｍ、即ちソース−ドレイン間が１μｍを切る所謂サブミクロンデバイスの作製には、自己整合（セルフアライメント）技術が使用される。これは、リソグラフィの工程で発生したマスク合わせの誤差がトランジスタの特性に影響を与えないようにするもので、ソース及びドレイン電極の配置を予め作製したゲート電極によって制御するものである。
【００１４】
図３（ａ）乃至（ｅ）はこの自己整合技術による従来のデバイスの製造方法を工程順に示す断面図である。図３（ａ）に示すように、絶縁性のノンドープダイヤモンド層１を使用する。図３（ｂ）に示すように、このダイヤモンド層１上にゲート絶縁膜２及びゲート電極３をパターン形成し、図３（ｃ）に示すように、ゲート絶縁膜２及びゲート電極３の側壁に側壁絶縁膜４を形成する。次に、図３（ｄ）に示すように、ゲート電極３及び側壁絶縁膜４をマスクとして、ダイヤモンド層１にイオン注入し、アニールしてチャネル領域５を形成する。次いで、図３（ｅ）に示すように、チャネル領域５上に重なるように、ソースドレイン電極６を形成する、
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来構造のダイヤモンド電界効果トランジスタの場合には、結晶性の回復に必要なアニールに１０００℃以上の高温が必要で、それをもってしても良好な半導体層の形成は困難である。また、１０００℃以上の高温ではダイヤモンド層のグラファイト化及び電極とダイヤモンド層との反応も生じ、実際にこの工程によりサブミクロンデバイスを作製しても、トランジスタ動作は期待できない。
【００１６】
また、特開平６−２３２３８８に開示されたトランジスタにおいては、薄膜を順次積層してトランジスタを形成しているが、この構造では、加工が困難であるばかりか、所定の性能を得るために必要なデバイスの集積が事実上不可能となってしまう。
【００１７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、ダイヤモンド薄膜を使用して高出力であると共に、高周波特性が優れた電界効果トランジスタを提供し、更にこの電界効果トランジスタを容易に且つ再現性よく製造することができるダイヤモンド電界効果トランジスタの製造方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るダイヤモンド電界効果トランジスタの製造方法は、不純物濃度が１０16ｃｍ-3以下の高抵抗ダイヤモンド層上に、不純物濃度が１０19ｃｍ-3以上の低抵抗ダイヤモンド層を形成する工程と、この低抵抗ダイヤモンド層上にオーミック接触の金属層を形成する工程と、この金属層上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上にゲート電極形成予定領域が開口したフォトレジストパターンを形成する工程と、前記フォトレジストパターンをマスクとして前記絶縁膜を選択的にエッチングする工程と、前記フォトレジスト及び／又はエッチング後の前記絶縁膜をマスクとして前記金属層を選択的にエッチングする工程と、前記フォトレジスト及び／又はエッチング後の前記絶縁膜をマスクとして前記低抵抗ダイヤモンド層を選択的にエッチングする工程と、前記高抵抗ダイヤモンド層の表面を水素プラズマ処理する工程と、前記ゲート電極形成予定領域の前記高抵抗ダイヤモンド層上にゲート電極部を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１９】
本発明に係る他のダイヤモンド電界効果トランジスタの製造方法は、不純物濃度が１０16ｃｍ-3以下の高抵抗ダイヤモンド層上に、不純物濃度が１０19ｃｍ-3以上の低抵抗ダイヤモンド層を形成する工程と、この低抵抗ダイヤモンド層上にオーミック接触の金属層を形成する工程と、この金属層上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上にゲート電極形成予定領域が開口したフォトレジストパターンを形成する工程と、前記フォトレジストパターンをマスクとして前記絶縁膜を選択的にエッチングする工程と、前記フォトレジスト及び／又はエッチング後の前記絶縁膜をマスクとして前記金属層を選択的にエッチングする工程と、前記フォトレジスト及び／又はエッチング後の前記絶縁膜をマスクとして前記低抵抗ダイヤモンド層を選択的にエッチングする工程と、前記高抵抗ダイヤモンド層の表面上に気相合成により高抵抗ダイヤモンド層を再合成する工程と、前記ゲート電極形成予定領域の前記高抵抗ダイヤモンド層上にゲート電極部を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００２０】
このダイヤモンド電界効果トランジスタにおいて、前記ソース電極層と、前記ドレイン電極層との間に形成される前記ゲート電極部を、金属層とダイヤモンド以外の絶縁層との積層体で構成することができる。このように、ゲート電極を構成する金属層と高抵抗ダイヤモンド層との間に絶縁層を挿入することにより、ゲート電極金属層と高抵抗ダイヤモンド層との間の絶縁性を向上させ、より高い電圧をゲート電極金属層に印加し、トランジスタの動作範囲（高温及び高電圧）を拡大することができる。前記ダイヤモンド以外の絶縁層は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、ダイヤモンドライクカーボン及び酸化ジルコニウムからなる群から選択された少なくとも１種の材料で形成することができる。
【００２１】
前記ゲート電極部によりゲート作用を受ける高抵抗ダイヤモンド層の全部又は一部を、ソース及びドレイン電極部形成のためのエッチング後に水素プラズマ処理を受けたものにするか、又は前記ゲート電極部によりゲート作用を受ける高抵抗ダイヤモンド層の全部又は一部を、前記ソース及びドレイン電極部形成のためのエッチング後に気相合成により合成されたダイヤモンド層とすることができる。これにより、ソース及びドレイン電極部を形成する際のエッチングのダメージを回復し、トランジスタ動作を良好にすることができる。
【００２２】
更にまた、前記エッチングにより形成されたソース電極部とドレイン電極部の内側における前記ゲート電極部の側壁に、ダイヤモンド以外の絶縁層による側壁絶縁膜を形成することができる。そして、前記側壁絶縁膜は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、ダイヤモンドライクカーボン及び酸化ジルコニウムからなる群から選択された少なくとも１種の材料により形成することができる。
【００２３】
更にまた、前記ソース電極層と前記ドレイン電極層との間の距離をｌｎｍ乃至１μｍとすることができる。前記低抵抗ダイヤモンド層のドーパントをホウ素とすることができる。前記低抵抗ダイヤモンド層は不純物密度が２×１０20ｃｍ-3以上とすることができる。前記ドレイン電極層及びソース電極層の全部又は一部は、タングステン、モリブデン、チタン、タンタル及びその炭化物からなる群から選択された少なくとも１種の元素又は化合物により形成されていることができる。
【００２７】
本発明の電界効果トランジスタにおいては、例えば比抵抗１０2Ω・ｃｍ以上の高抵抗ダイヤモンドからなるキャリア注入層の上に形成されたゲート電極部の両側に、キャリアの伝導が金属的である程度のドーパント濃度を持つ低抵抗のダイヤモンド層、オーミック接触性のソース電極層及びドレイン電極層、絶縁膜層が順次積層されている。そして、ゲート電極部が形成されるソース−ドレイン間の溝が一回のフォトリソグラフィのみにより順次エッチングで形成されている。このように、低抵抗のダイヤモンド層、オーミック接触性のソース電極層及びドレイン電極層、並びに絶縁膜層を順次積層し、ソース−ドレイン溝を一回のフォトリソグラフィによって、フォトレジストをマスクに絶縁膜層を、レジスト又は絶縁膜層をマスクに電極層を、絶縁層をマスクに低抵抗のダイヤモンド層を順次エッチングすることにより、自己整合的にエッチングすることができ、マスク合わせが必要ではなく、従ってその寸法誤差がなく、所望のデバイス構造が形成可能となる。また、この工程においては従来数多く必要であったマスク合わせの工程を省略することができ、つまり、この構造を用いることにより、安価で再現性よく、高性能な電界効果トランジスタが得られる。
【００２８】
本発明におけるトランジスタの作製において用いられるフォトリソグラフィは、マスクを用いた密着露光の他、ステッパなどの公知の技術が利用可能である。更に電子ビーム露光又は収束イオンビーム露光などによる露光も同様の効果が得られる。また、そのエッチングにおいては、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマエッチング、ＩＣＰ（誘導結合型プラズマ）エッチングを初めとする公知の技術が利用できる。また、そのエッチングに用いるガスは公知のガス種が利用可能であり、各種のガスを混合して利用することを妨げない。また、エッチングは一般的にガス種を変えることにより逐次行われるが、使用するガス種によっては、積層した各層を同時にエッチングすることが考えれらる。本発明はこのような場合を妨げるものではない。
【００２９】
更に、ソース電極層及びドレイン電極層の上には、既に所定厚の絶縁膜層が形成されているため、ゲート電極部との耐圧も予め十分に確保できる。このことはゲート電極部の作製にマスク合わせの誤差許容範囲が広がることを意味し、この点においても都合がよい。また、エッチングにより形成されたソース−ドレイン溝の内側にダイヤモンド以外の絶縁層による側壁絶縁膜を形成することにより、ゲート電極部とソース電極層及びドレイン電極層との絶縁性を向上させることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の実施例に係るダイヤモンド電界効果トランジスタを示す断面図である。基板として、不純物密度が１０16ｃｍ-3以下で比抵抗が１０2Ω・ｃｍ以上の高抵抗ダイヤモンド層１０を使用し、この高抵抗ダイヤモンド層１０の表面に１対の低抵抗ダイヤモンド層１１が所定のチャネル長だけ離隔して形成されており、この低抵抗ダイヤモンド層１１上にソースドレイン電極層１２及び絶縁膜１３が、低抵抗ダイヤモンド層１１と同一の平面形状で形成されている。この低抵抗ダイヤモンド層１１は不純物密度が１０19ｃｍ-3以上、好ましくは２×１０20ｃｍ-3以上である。
【００３１】
そして、低抵抗ダイヤモンド層１１間の高抵抗ダイヤモンド層１０の表面上に、ゲート絶縁膜１５及びその上のゲート電極１６が形成されており、更にゲート電極１６の側面に側壁絶縁膜１４が形成されている。
【００３２】
高抵抗ダイヤモンド層１０は一般には各種導電型のドーパントを故意にドープされていない所謂アンドープのダイヤモンド層である。この高抵抗ダイヤモンド層１０は、天然のダイヤモンド又は高圧合成したダイヤモンド基板を使用してもよいし、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、シリコン、白金又はイリジウムなどの基板上に気相合成法でダイヤモンド層を形成したものでも良い。
【００３３】
この場合の気相合成法は公知のマイクロ波ＣＶＤ法、熱フィラメント法等の種々の手段を採用することができる。また、この基板の格子面は、（１００）、（１１１）面をはじめとする種々の面方位を採用することができ、また、基板がこのような正確な面方位から傾いていてもよい。なお、高抵抗ダイヤモンド層１０はそのドーピングの意図にかかわらず、比抵抗は１０2Ω・ｃｍ以上の範囲にすることが好ましい。これは比抵抗が１０2Ω・ｃｍより小さいダイヤモンド層を使用すると、このダイヤモンド層とゲート電極との間の接触抵抗が下がり、キャリアの経路としてソース電極からドレイン電極へ流れる経路に加えて、ソース電極からゲート電極へ流れる新しい電流経路が生じ、トランジスタ特性が劣化するからである。
【００３４】
高抵抗ダイヤモンド層１０はソース及びドレイン電極部を形成するために行うエッチングの際にダメージを受けることがある。このため、この注入層の全部又は一部が、ソース−ドレイン溝形成のためのエッチング後に、ダメージの回復を目的として行われた水素プラズマ処理又は気相合成による再合成されたダイヤモンドで形成されていることが、良好なトランジスタ動作のためには望ましい。
【００３５】
キャリア注入領域の上には、一回のフォトリソグラフィによる順次エッチングでゲート電極部の両側に形成された各１対の低抵抗のダイヤモンド層１１、オーミック接触性のソースドレイン電極層１２、及び絶縁のための絶縁膜１３がある。
【００３６】
エッチングにより形成されたソース電極部と及びドレイン電極部との間の距離はｌｎｍ乃至１μｍが好適である。これは次のような理由による。ソース−ドレイン間の溝がｌｎｍより小さい場合は、その上に形成された低抵抗のダイヤモンド層内のキャリアの波動関数が重なり、トンネリングを起こすため、障壁の効果がなくなり、ゲート電圧によりドレイン電流を制御することができなくなる。また、高抵抗のダイヤモンド層が１μｍより厚くなると、コンダクタンスが低下し、高周波で動作しなくなるとともに、この高抵抗ダイヤモンド層の厚さがキャリアの拡散長よりも厚くなり、ソース−ドレイン間に電流は流れなくなる。
【００３７】
高抵抗ダイヤモンド層１０はアンドープのダイヤモンド層であり、不純物は積極的には添加せず、結晶中に存在する欠陥が比抵抗を決める。デバイスの実質的な動作のために、高抵抗ダイヤモンド層の不純物密度は、１０16ｃｍ-3以下であることが必要である。また、この不純物密度は少ない方が好ましく、１０15ｃｍ-3以下であれば更に好ましい。
【００３８】
低抵抗のダイヤモンド層１１のドーピング濃度はキャリアの伝導を金属的に支配する程度の値であり、一般的には、ホウ素が用いられ、そのドーピング濃度、即ち不純物密度が１０19ｃｍ-3以上である。この低抵抗ダイヤモンド層１１の不純物密度は、好ましくは、ダイヤモンドがモット（金属）転移を示す２×１０20ｃｍ-3以上ある。
【００３９】
オーミック接触性のソースドレイン電極層１２は金属又は導電性セラミックス等の種々の材料により形成できるが、耐熱性を考えると、タングステン、モリブデン、チタン、タンタル及びその炭化物からなる群から選択された少なくとも１種の材料から構成されていることが望ましい。
【００４０】
また、絶縁のための絶縁膜１３の厚さは、ｌｎｍから１μｍが好適である。膜厚がｌｎｍより薄い場合は、トンネリング効果で電流が流れるため、絶縁をとることが不可能になる。また、絶縁膜１３の厚さが１μｍより厚くなると、エッチングの際のアスペクト比が高くなり、良好な溝形状が形成できない。
【００４１】
エッチングにより形成されたソース−ドレイン溝の内側にはダイヤモンド以外の絶縁層による側壁絶縁膜１４が形成されている。この側壁絶縁膜１４の膜厚も上述したトンネリング効果からｌｎｍ以上は必要である。また、側壁絶縁膜１４の最大膜厚はソース−ドレイン間の溝の幅からゲート長を引いた長さの幅の半分となる。
【００４２】
また、ゲート電極部を金属からなるゲート電極１６と高抵抗ダイヤモンド層１０との間にゲート絶縁膜１５を挿入することにより、ゲート電極１６と高抵抗ダイヤモンド層１０との間の絶縁性を向上させ、より高い電圧をゲート電極１６に印加し、トランジスタの動作範囲（高温及び高電圧）を拡大することができる。このときのゲート絶縁膜１５の膜厚は、ｌｎｍ乃至１μｍにする。これはゲート絶縁膜１５の膜厚がｌｎｍより薄い場合は、トンネリングの効果のため電流が流れっぱなしになり、ゲート電圧によりドレイン電流を制御することができなくなるからである。また、ゲート絶縁膜１５の膜厚が１μｍより厚くなると、ゲート電極１６に印加した電圧がキャリア注入領域に伝わらず、制御に必要な電圧が上昇し、相互コンダクタンスが減少し、高い利得が得られない。
【００４３】
次に、本実施例のダイヤモンド電界効果トランジスタの製造方法について具体的に説明する。図２（ａ）乃至（ｇ）はこの製造方法を工程順に示す断面図である。先ず、図２（ａ）に示すように、アンドープの高抵抗ダイヤモンド層１０を作る。この高抵抗ダイヤモンド層１０は絶縁性の天然単結晶ダイヤモンド基板上に、マイクロ波プラズマＣＶＤ法により、例えば、５μｍの厚さにアンドープダイヤモンド層を合成したものである。合成条件は、例えば、以下のとおりである。即ち、原料ガスとして水素希釈のメタンガスを使用する。その組成はＣＨ4：０．５％、Ｈ2：９９．５％である。ガスの総流量は１００sccmで成膜時のガス圧力及び基板温度は夫々３ＳＴｏｒｒ及び８００℃である。上記条件により製造した高抵抗ダイヤモンド層１０はその比抵抗が、測定器の測定範囲を超える高い値を示した。
【００４４】
次に、図２（ｂ）に示すように、低抵抗ダイヤモンド層として、高抵抗ダイヤモンド層１０上にＢドープのｐ型半導体ダイヤモンド薄膜２１を３００ｎｍの厚さに合成した。合成条件は、例えば、アンドープダイヤモンドの合成と同じであるが、例えば、ドーピングガスとしてＢ2Ｈ6ガスを用い、ガス中のＢ／Ｃ比を２００ｐｐｍとした。
【００４５】
次に、図２（ｃ）に示すように、電極材料として例えばタングステン膜２２をマグネトロンスパッタによって成膜した。タングステン膜２２の膜厚は例えば１００ｎｍである。
【００４６】
更に、図２（ｄ）に示すように、プラズマＣＶＤ法により、タングステン膜２２上に例えばＳｉＯ2膜２３を３００ｎｍの厚さで成膜する。
【００４７】
次に、フォトリソグラフィー技術により、ソース及びドレイン電極部のリソグラフィーを行う。このため、図２（ｅ）に示すように、ＳｉＯ2膜２３上にゲート電極部が開口したフォトレジスト２４を形成する。ここではソース−ドレイン間の距離、即ちフォトレジスト２４の開口幅を例えば０．５μｍとする。
【００４８】
そして、図２（ｆ）に示すように、このフォトレジスト２４をマスクとして、先ずＳｉＯ2膜２３を例えばＣ4Ｆ8／Ａｒ混合ガスによりエッチングし、更に、タングステン膜２２を例えばＣｌ／Ａｒ混合ガスによりエッチングする。引き続き、Ｂドープｐ型半導体ダイヤモンド層１１を例えば酸素プラズマによりエッチングし、ソース−ドレイン間の溝を形成した。一連のエッチングにはＥＣＲエッチング装置を使用することができる。
【００４９】
ここでエッチングダメージを回復するために、上述のアンドープダイヤモンド形成条件で１０分間のアンドープ層の再合成を行う。
【００５０】
その後、プラズマＣＶＤによりＳｉＯ2膜を蒸着し、このＳｉＯ2膜をエッチバックすることにより側壁絶縁膜１４を形成し、更に露出している高抵抗ダイヤモンド層１０上にゲート絶縁膜１５を形成する。これらの側壁絶縁膜１４及びゲート絶縁膜１５の膜厚は例えばいずれも１００ｎｍである。
【００５１】
次に、図２（ｇ）に示すように、例えばＡｌ層を電子ビーム蒸着法により全面に形成した後、再びフォトリソグラフィー技術によってゲートパターンのフォトレジストを形成し、このフォトレジストをマスクとしてＡｌ層をエッチングすることにより、ゲート電極１６を形成する。このようにして、ゲート電極１６及びゲート絶縁膜１５からなるゲート電極部２５が形成される。
【００５２】
最後に、絶縁層として形成したＳｉＯ2層にソース及びドレインのコンタクトホールを形成することにより、図１に示すチャネル構造のトランジスタが製造される。
【００５３】
【実施例】
次に、上述の製造条件で製造したダイヤモンド電界効果トランジスタの電気的特性を比較例と比較して説明する。上述の製造方法により上述の製造条件で製造した本実施例のトランジスタの電気的特性を評価したところ、７７．２ｍＳ／ｍｍという極めて大きな規格化トランスコンダクタンスが得られていた。また、このときの遮断周波数は３３ＧＨｚという値であった。そして、長さ１００μｍのゲート電極３本を並列に接続したトランジスタ構造を作製したところ、出力は２．１Ｗであった。
【００５４】
比較例として一般のセルファラインプロセスにより実施例と同様の電極配置を持つＦＥＴを作製した。先ず、実施例と同様に、絶縁性の天然単結晶ダイヤモンド基板上にアンドープダイヤモンドを合成し、活性層を形成した。次にプラズマＣＶＤにより１００ｎｍのＳｉＯ2を蒸着し、ゲート絶縁膜とした。更にゲート金属としてマグネトロンスパッタによりタングステンの成膜を行った。その後、フォトリソグラフィ技術とＥＣＲエッチングによりゲートのパターンニングを行い、更に実施例と同様の方法、すなわちブラスマＣＶＤとエッチバックにより側壁絶縁膜を形成した。
【００５５】
次に、イオン注入により、選択的にｐ+層を作製した。イオン注入の条件を加速電圧６０ｋＶ、ドーズ量を３×１０16ｃｍ2としてホウ素（Ｂ）を注入後、イオン注入によるダメージ回復のためのアニールを行った。アニール温度は８００、１０００、１２００、１４００℃であり、アニール時間は３０分であった。
【００５６】
その後、８００ｎｍのアルミニウム層をスパッタリングにより形成し、リソグラフィ技術とエッチングにより、ソース及びドレインを作製した。
【００５７】
以上により作製されたトランジスタの電気的特性を評価した。その結果を下記表１にまとめる。表１に示すようにアニール温度が高い場合では、ゲート電極のリークにより明確なトランジスタ動作は確認されなかった。一方、アニール温度が低い場合では、イオン注入により注入したホウ素が十分に活性化しないため、ｐ+層の抵抗が高く良好な特性は得られなかった。
【００５８】
【表１】
0003714803.tif 000002
【００５９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、ダイヤモンド薄膜を使用して高出力で高周波特性が優れた電界効果トランジスタを容易に再現性よく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係るダイヤモンド電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。
【図２】本実施例のダイヤモンド電界効果トランジスタの製造方法を工程順に示す断面図である。
【図３】従来の自己整合技術によるダイヤモンド電界効果トランジスタの製造方法を工程順に示す断面図である。
【符号の説明】
１０；高抵抗ダイヤモンド層
１１；低抵抗ダイヤモンド層
１２；ソースドレイン電極層
１３；絶縁膜
１４；側壁絶縁膜
１５；ゲート絶縁膜
１６；ゲート電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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