【手続補正書】
【提出日】平成21年12月24日(2009.12.24)
【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】
第１のダイヤモンド半導体領域の表面上に、絶縁膜と電極金属層とを積層した上に、更に第１の犠牲層を積層する工程と、
前記第１の犠牲層の表面上に、局所的にレジストをパターン形成する工程と、
前記レジストをマスクとして、前記第１の犠牲層、前記電極金属層及び前記絶縁膜をエッチングした後、前記レジストを除去することにより、前記第１のダイヤモンド半導体領域の表面上に、絶縁膜と電極金属層と第１の犠牲層とからなる積層体をパターン形成する工程と、
前記積層体の側面に第２の犠牲層を形成する工程と、
全面に不純物がドープされた不純物層を形成する工程と、
前記第１及び第２の犠牲層をエッチングにより除去することによるリフトオフにより前記積層体及び前記第２の犠牲層の上の不純物層を除去して、前記第１のダイヤモンド半導体領域の上に残存した不純物層により第２及び第３のダイヤモンド半導体領域を形成する工程と、
前記第２及び第３のダイヤモンド半導体領域の表面上に電極金属を形成する工程と、
を有することを特徴とするダイヤモンド半導体素子の製造方法。
【請求項２】
前記不純物層の形成工程は、前記不純物層を６００℃以下の温度でマイクロ波ＣＶＤ法により形成するものであ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素子の製造方法。
【請求項３】
前記第２の犠牲層の形成工程は、全面に第２の犠牲層を形成した後エッチバックすることにより、前記積層体の側面に前記第２の犠牲層を残すものであることを特徴とする請求項２に記載のダイヤモンド半導体素子の製造方法。
【請求項４】
第１のダイヤモンド半導体領域の表面上に、絶縁膜と電極金属層とを積層した上に、更に第１の犠牲層を積層する工程と、
前記第１の犠牲層の表面上に、局所的にレジストをパターン形成する工程と、
前記レジストをマスクとして、前記第１の犠牲層、前記電極金属層及び前記絶縁膜をエッチングした後、前記レジストを除去することにより、前記第１のダイヤモンド半導体領域の表面上に、絶縁膜と電極金属層と第１の犠牲層とからなる積層体をパターン形成する工程と、
前記第１のダイヤモンド半導体領域の表面上のみに前記電極金属層に接触しないように、不純物がドープされた不純物層を形成し、この不純物層により第２及び第３のダイヤモンド半導体領域を形成する工程と、
前記第１の犠牲層をエッチングにより除去する工程と、
前記第２及び第３のダイヤモンド半導体領域の表面上に電極金属を形成する工程と、
を有することを特徴とするダイヤモンド半導体素子の製造方法。
【請求項５】
前記絶縁膜と前記電極金属層との間に、少なくとも半導体元素を含有した半導体元素層を具備する緩衝層を積層し、前記第２及び第３のダイヤモンド半導体領域は、６００℃を超え１２００℃以下の温度で、マイクロ波ＣＶＤ法により形成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素子の製造方法。
【請求項６】
前記緩衝層は、前記半導体元素層と前記半導体元素の酸化物層との２層構造を有し、前記温度での加熱時に、前記電極金属層と前記半導体元素層とが反応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素子の製造方法。
【請求項７】
前記半導体元素は、シリコン又はゲルマニウムであり、前記電極金属層はＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｐｔ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｄｙ、Ｆｅ、Ｇｄ、Ｈｆ、Ｍｎ、Ｎｄ、Ｐｄ、Ｐｒ、Ｒｕ、Ｓｒ、Ｔｂ、Ｖ、Ｙ及びＺｒからなる群から選択された少なくとも１種により形成されてい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素子の製造方法。
【請求項８】
前記第２及び第３のダイヤモンド半導体領域を形成する工程の前に、前記積層体の両側面に第２の犠牲層を形成する工程を有し、前記第２及び第３のダイヤモンド半導体領域を形成する工程の後に、前記第２の犠牲層をエッチングにより除去する工程を有することを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１項に記載のダイヤモンド半導体素子の製造方法。
【請求項９】
前記積層体をパターン形成した後に、前記第１のダイヤモンド半導体領域の表面を更にエッチングして第１のダイヤモンド半導体領域の表面を掘り込むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のダイヤモンド半導体素子の製造方法。
【請求項１０】
前記積層体を形成した後、前記積層体の側面に第２の絶縁膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のダイヤモンド半導体素子の製造方法。
【請求項１１】
第１のダイヤモンド半導体領域上に局所的に形成され、下層の絶縁膜と上層の電極金属層からなる積層体と、
前記第１のダイヤモンド半導体領域上で、前記積層体の両側に隣接して設けられた第２及び第３のダイヤモンド半導体領域と、
第２及び第３のダイヤモンド半導体領域上に夫々形成された電極と、
を有することを特徴とするダイヤモンド半導体素子。
【請求項１２】
前記第２及び第３のダイヤモンド半導体領域は、ダイヤモンドの粒径が１乃至１００ｎｍの微結晶のダイヤモンドからなることを特徴とする請求項１１に記載のダイヤモンド半導体素子。
【請求項１３】
前記絶縁膜と前記電極金属層との間に緩衝層が配置されており、この緩衝層は、少なくとも半導体元素を含有する半導体元素層を具備することを特徴とする請求項１１に記載のダイヤモンド半導体素子。
【請求項１４】
前記第２及び第３のダイヤモンド半導体領域は、前記第１のダイヤモンド半導体領域よりも高濃度ドープされていることを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載のダイヤモンド半導体素子。
【請求項１５】
前記積層体の両側面に第２の絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載のダイヤモンド半導体素子。
【請求項１６】
前記第２及び第３のダイヤモンド半導体領域と、前記積層体の前記絶縁膜とが、前記第１のダイヤモンド半導体領域と同一平面上に配置され、前記絶縁膜の厚さは、前記第２及び第３のダイヤモンド半導体領域の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載のダイヤモンド半導体素子。
【請求項１７】
チャネル領域となる前記積層体の長さ（幅）が、１０ｎｍ以上１μｍ以下であることを特徴とする請求項１１乃至１６のいずれか１項に記載のダイヤモンド半導体素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
また、特許文献２においても、この特許文献２の図１に示すように、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。この特許文献２における絶縁性ダイヤモンドは、チャネル層である半導体ダイヤモンド層とゲート金属との間を絶縁する役割を担っている。トランジスタの動作機構は、特許文献１の場合とほぼ同様である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
本発明に係るダイヤモンド半導体素子の製造方法は、第１のダイヤモンド半導体領域の表面上に、絶縁膜と電極金属層とを積層した上に、更に第１の犠牲層を積層する工程と、前記第１の犠牲層の表面上に、局所的にレジストをパターン形成する工程と、前記レジストをマスクとして、前記第１の犠牲層、前記電極金属層及び前記絶縁膜をエッチングした後、前記レジストを除去することにより、前記第１のダイヤモンド半導体領域の表面上に、絶縁膜と電極金属層と第１の犠牲層とからなる積層体をパターン形成する工程と、前記積層体の側面に第２の犠牲層を形成する工程と、全面に不純物がドープされた不純物層を形成する工程と、前記第１及び第２の犠牲層をエッチングにより除去することによるリフトオフにより前記積層体及び前記第２の犠牲層の上の不純物層を除去して、前記第１のダイヤモンド半導体領域の上に残存した不純物層により第２及び第３のダイヤモンド半導体領域を形成する工程と、前記第２及び第３のダイヤモンド半導体領域の表面上に電極金属を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
このダイヤモンド半導体素子の製造方法において、例えば前記不純物層の形成工程は、前記不純物層を６００℃以下の温度でマイクロ波ＣＶＤ法により形成するものである。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
この場合に、前記第２の犠牲層の形成工程は、例えば全面に第２の犠牲層を形成した後エッチバックすることにより、前記積層体の側面に前記第２の犠牲層を残すものである。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
本発明に係る他のダイヤモンド半導体素子の製造方法は、第１のダイヤモンド半導体領域の表面上に、絶縁膜と電極金属層とを積層した上に、更に第１の犠牲層を積層する工程と、前記第１の犠牲層の表面上に、局所的にレジストをパターン形成する工程と、前記レジストをマスクとして、前記第１の犠牲層、前記電極金属層及び前記絶縁膜をエッチングした後、前記レジストを除去することにより、前記第１のダイヤモンド半導体領域の表面上に、絶縁膜と電極金属層と第１の犠牲層とからなる積層体をパターン形成する工程と、前記第１のダイヤモンド半導体領域の表面上のみに前記電極金属層に接触しないように、不純物がドープされた不純物層を形成し、この不純物層により第２及び第３のダイヤモンド半導体領域を形成する工程と、前記第１の犠牲層をエッチングにより除去する工程と、前記第２及び第３のダイヤモンド半導体領域の表面上に電極金属を形成する工程と、を有することを特徴とする。この場合に、前記絶縁膜と前記電極金属層との間に、少なくとも半導体元素を含有した半導体元素層を具備する緩衝層を積層し、前記第２及び第３のダイヤモンド半導体領域は、６００℃を超え１２００℃以下の温度で、マイクロ波ＣＶＤ法により形成することができる。また、この場合に、前記緩衝層は、例えば、前記半導体元素層と前記半導体元素の酸化物層との２層構造を有し、前記温度での加熱時に、前記電極金属層と前記半導体元素層とが反応するものである。また、例えば、前記半導体元素は、シリコン又はゲルマニウムであり、前記電極金属層はＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｐｔ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｄｙ、Ｆｅ、Ｇｄ、Ｈｆ、Ｍｎ、Ｎｄ、Ｐｄ、Ｐｒ、Ｒｕ、Ｓｒ、Ｔｂ、Ｖ、Ｙ及びＺｒからなる群から選択された少なくとも１種により形成されている。なお、半導体元素層は、半導体層の他、不純物を多量にドープして金属的性質としたものも含む概念である。よって、この点で半導体元素層は半導体層とは区別される。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
これらのダイヤモンド半導体素子の製造方法において、前記不純物層を形成する工程の前に、前記積層体の両側面に第２の犠牲層を形成する工程を有し、前記不純物層を形成する工程の後に、前記第２の犠牲層をエッチングにより除去する工程を有するものとすることができる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
また、前記ダイヤモンド半導体素子は、前記第２及び第３のダイヤモンド半導体領域が、ダイヤモンドの粒径が１乃至１００ｎｍの微結晶のダイヤモンドからなることが好ましい。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
更にまた、チャネル領域となる前記積層体の長さ（幅）が、１０ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
本発明によれば、耐電圧、耐熱性、耐放射線性、及び高速性が優れており、チャネル領域を短くできるので、素子の応答性が高いダイヤモンド半導体素子を高精度で製造することができる。また、本発明においては、ダイヤモンドをチャネル領域に使用することにより、ＳｉＣ及びＧａＮ等の窒化物半導体よりも高い絶縁耐圧を有し、更にダイヤモンドは熱伝導率が物質中最高であることから、高電圧及び大電力での利用が可能である。従って、チャネルサイズを短くし、高電界としても材料自体が絶縁破壊されることはない。これにより、高速応答、オン抵抗の低減、オフ時漏れ電流の低減、高い逆電圧耐性、及び素子サイズの小型化によるコスト低減等、利点が多い。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４８】
第２及び第３の半導体領域となる高濃度ドープ層７が７００℃以下の温度で形成されることで、絶縁膜／電極金属の積層体が熱膨張などにより剥離したり、ダメージを受けることを防ぐことができる。より好ましくは６００℃以下。また温度下限としては２００℃以上での形成がより好ましい。２００℃を下回るとダイヤモンドの形成が困難になるからである。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５２】
絶縁膜／電極金属の積層体の上面及び側面に犠牲層を有した積層体を形成した後に、第２及び第３の半導体領域を形成することで、不要な部分に形成された第２及び第３の半導体領域を後工程にて除去することが可能となる。犠牲層としては、絶縁膜、電極金属と選択的にエッチング除去できるものであればよい。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
本実施形態においては、前記積層体の両側面に、第２の絶縁膜９を設けるので、ゲート電極層３との好ましくない接触をより効果的に防止することができる。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６１】
第２の緩衝層１２は、半導体元素を主成分とする層である。この半導体元素を主成分とする層は高温で安定であるとともに、ドーピングにより抵抗値を制御することが可能である。また、第１の緩衝層１１は、半導体元素の酸化物層である。但し、第１の緩衝層１１は必ずしも設ける必要はない。緩衝層として、半導体元素を主成分とする層（第２の緩衝層１２）と、半導体元素の酸化物層（第１の緩衝層１１）とからなることが好ましい。半導体元素を主成分とする第２の緩衝層１２は、ドーピングにより金属的となるので、ゲート電極３の金属層と良好な電気的接触を実現できる。半導体元素の酸化物層からなる第１の緩衝層１１は良好な絶縁材料となり、絶縁膜２とともに絶縁層を形成することができる。加えて、半導体元素とこの半導体元素の酸化物層とを組み合わせることで、お互いに密着性が良いため、安定な界面が形成できる。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６２】
前記半導体元素は例えばシリコン又はゲルマニウムである。そして、ゲート電極層３は例えば高融点金属である。これにより、ゲート電極層３が高温の処理に十分耐えられるようになる。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６４】
この第２の緩衝層１２がシリコン層である場合、図４（ｆ）に示す高濃度ドープ層７ａの形成工程において、第２の緩衝層１２が加熱されてゲート電極層３のＡｕ等をシリサイド化し、シリサイド層１３が形成される。第２の緩衝層１２がシリコンの場合、高温での処理を行った際にゲート電極層３の金属層と第２の緩衝層１２との間で反応が進み、シリサイド層１３が形成される。シリサイド層１３が形成されると、界面に安定な結合が形成されるため、緩衝層／金属界面の密着性を向上できる。また、シリサイドは低抵抗性を示すので、そのまま金属電極として利用できる。一般的には絶縁膜をできるだけ薄くし、半導体層と金属との距離を小さくすることが好ましい。緩衝層がシリサイドを形成し、金属として作用することで、半導体層と金属との距離が不必要に大きくなることを防止できる。なお、この半導体層は、半導体領域のチャネル部を意味する。また、第２の緩衝層１２は、高温での処理時間及び処理温度により全てシリサイド層１３になる場合と、一部がシリサイド層にならずに残る場合とがある。好ましくは、第２の緩衝層１２は全てシリサイド化する。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７１】
本実施形態においては、前記積層体の両側面に、第２の絶縁膜９を設けるので、ゲート電極層３との好ましくない接触をより効果的に防止することができる。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７２】
上述の各実施形態により把握される本発明においては、特許文献４に記載された発明に対し、ソース・ドレインのダイヤモンド層と、ゲート電極との間隔を小さくすることができる。これにより、静電容量の寄生成分を小さくすることができ、高周波特性を向上させることができる。また、ソース・ドレインの金属電極とチャネルとの間隔（オフセット）を小さくすることができる。これにより、ソース・ドレインのダイヤモンド層（金属に比べて抵抗が高い）に起因する抵抗の寄生成分を小さくすることができ、電流増大を実現できる。このように、本発明は、寄生容量を低減できる結果、本来制御すべき電流量が増大するので、応答性が向上する。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８０】
この実施例３は図３に示す工程によりダイヤモンド半導体素子を形成したものである。ダイヤモンド単結晶を基材として、表面にホモエピタキシャルダイヤを形成しチャネル層とした。素子用の絶縁膜として酸化アルミニウムを５０ｎｍ、ゲート金属としてタングステンを２００ｎｍ、犠牲層として酸化シリコンを５０ｎｍ、連続して堆積した。この上に電子ビームリソグラフィによりレジストをパターニングした。そして、このレジストをマスクとして、ドライエッチングにより酸化シリコン、タングステン、酸化アルミニウムのエッチングを行い、絶縁膜／電極金属／犠牲層の積層体を得た。レジストを除去した後、第２の絶縁膜として、再度酸化アルミニウムを５０ｎｍ、そして第２の犠牲層として酸化シリコンを５０ｎｍ堆積した。続いてドライエッチングによりエッチバックを行った。ドライエッチングは異方性エッチングであるため、積層体側壁に第２の絶縁膜、第２の犠牲層が残存する。これに高濃度ドープ層として、微結晶ダイヤモンドを２０ｎｍ堆積した。堆積は６００℃にて、マイクロ波プラズマＣＶＤ法により行い、原料ガスとして水素、メタン、二酸化炭素を用い、ドーピングのためにジボランを添加した。堆積後、希フッ酸にて酸化シリコンのエッチングを行い、続いて純水中にて超音波を印加することでチャネル層に接触していない部分の高濃度ドープ層をリフトオフ除去した。リフトオフ後、積層体部分の電子顕微鏡観察を行った。第２の絶縁膜の先端部はほとんどがゲート金属に折れ曲がって付着しており、素子作製への影響がないことを確認した。その後、フォトリソグラフィ、リフトオフにより高濃度ドープ層への電極を形成した。電極金属としては、例えばＰｔ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｗなどのオーム性接合特性を示す金属を用いた。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2007141974.tif 000001
【手続補正２１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2007141974.tif 000002
【手続補正２２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2007141974.tif 000003
【手続補正２３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2007141974.tif 000004
【手続補正２４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
2007141974.tif 000005