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JP2542608B2 - Diamond semiconductor etching method - Google Patents

Diamond semiconductor etching method

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Publication number
JP2542608B2
JP2542608B2 JP62054434A JP5443487A JP2542608B2 JP 2542608 B2 JP2542608 B2 JP 2542608B2 JP 62054434 A JP62054434 A JP 62054434A JP 5443487 A JP5443487 A JP 5443487A JP 2542608 B2 JP2542608 B2 JP 2542608B2
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JP
Japan
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etching
diamond
mask
oxygen
semiconductor
Prior art date
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JP62054434A
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Japanese (ja)
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JPS63220524A (en
Inventor
貴浩 今井
直治 藤森
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Publication date
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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、ダイヤモンドよりなる半導体の選択的エツ
チング方法に関する。
The present invention relates to a method for selectively etching a semiconductor made of diamond.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

ダイヤモンドはシリコン等と同様の結晶構造を有する
IV族半導体であり、バンドギヤツプが5.5eVと大きく、
比誘電率が5.7と小さく、熱伝導率が物質中で最大であ
り、電子と正孔の移動度が約1800cm2/V・sec及び約1600
cm2/V・secと共に大きい等の優れた特徴を有している。
この為、ダイヤモンド半導体は、従来のシリコンやガリ
ウム砒素等の半導体に比べて、一層高温に強く、高速で
大電力の半導体素子を作製できる可能性があると考えら
れている。
Diamond has the same crystal structure as silicon
It is a Group IV semiconductor, with a large bandgear of 5.5 eV,
It has a low relative permittivity of 5.7, the highest thermal conductivity of any substance, and the mobility of electrons and holes is about 1800 cm 2 / V ・ sec and about 1600.
It has excellent features such as being large with cm 2 / V · sec.
For this reason, it is considered that the diamond semiconductor has a possibility of producing a semiconductor element that is more resistant to high temperature and higher in speed and power than conventional semiconductors such as silicon and gallium arsenide.

然るに、このダイヤモンドに半導体素子を形成するに
は、微細加工を行なう上でダイヤモンドのエツチング技
術が不可欠である。しかも、半導体素子製造の為のエツ
チングにおいては、マスク等を用いた選択的エツチング
が可能であること、エツチング速度が大きく且つ再現性
よく制御できること、エツチング後の表面が清浄である
こと等の条件が要求される。
However, in order to form a semiconductor element on this diamond, a diamond etching technique is indispensable for performing fine processing. Moreover, in etching for manufacturing a semiconductor element, there are conditions such that selective etching using a mask or the like is possible, etching speed is large and controllable with good reproducibility, and the surface after etching is clean. Required.

従来からシリコン等の半導体のエツチング方法として
は、酸やアルカリ等の溶液を用いるウエツトエツチング
法と、不活性ガスやハロゲンガスのプラズマを用いるド
ライエツチング法とが知られている。しかし、ダイヤモ
ンドは化学的に非常に安定であるので、酸やアルカリに
全く侵されず、従つてウエツトエツチング法は適用でき
ない。
Conventionally, as a method for etching a semiconductor such as silicon, a wet etching method using a solution of acid or alkali and a dry etching method using plasma of an inert gas or a halogen gas are known. However, since diamond is chemically very stable, it is not attacked by acids or alkalis at all, and therefore the wet etching method cannot be applied.

又、ドライエツチング法においても、使用する不活性
ガスやハロゲンガスがダイヤモンドに対して反応性に乏
しい為、ダイヤモンドのエツチング速度が極めて小さい
という欠点があつた。
Further, the dry etching method also has a drawback that the etching rate of diamond is extremely low because the inert gas and the halogen gas used have poor reactivity with diamond.

更に、ドライエツチング法によりダイヤモンドを選択
的にエツチングしようとしても、ポリマーレジスト等の
従来のマスク材料はそのエツチング速度がダイヤモンド
のエツチング速度よりも大きい為にダイヤモンドよりも
早くエツチングされてしまい、マスクとしての用をなさ
ないという問題があつた。
Furthermore, even if an attempt is made to selectively etch diamond by the dry etching method, conventional mask materials such as polymer resists are etched faster than diamond because the etching speed is higher than the etching speed of diamond, and as a mask There was a problem that it was useless.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

このように、従来のエツチング法ではダイヤモンドの
高速で且つ微細な選択的エツチングが困難であつた為、
優れた性質を有するダイヤモンドから半導体素子を製造
することが極めて困難な状況にあつた。
As described above, since it is difficult to perform high-speed and fine selective etching of diamond by the conventional etching method,
It has been extremely difficult to manufacture a semiconductor device from diamond having excellent properties.

本発明はかかる事情に鑑み、半導体素子の微細加工に
不可欠な選択的エツチングが可能であつて、しかも大き
なエツチング速度を有するダイヤモンド半導体のエツチ
ング方法を提供することを目的とする。
In view of such circumstances, it is an object of the present invention to provide a method for etching a diamond semiconductor, which enables selective etching indispensable for fine processing of semiconductor elements and has a high etching speed.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明のダイヤモンド半導体のエツチング方法は、ダ
イヤモンドよりなる半導体表面の被エツチング部分以外
に金属化合物のマスクを施し、酸素又は酸素を含む反応
ガスのプラズマを用いて選択的にエツチングすることを
特徴とする。
The method for etching a diamond semiconductor of the present invention is characterized in that a mask of a metal compound is applied to a portion other than an etched portion of a semiconductor surface made of diamond, and selective etching is performed by using plasma of oxygen or a reaction gas containing oxygen. .

使用する反応ガスとしては、シリコン半導体のプラズ
マエツチングに用いるCF4等のハロゲン化物やイオンビ
ームエツチングに用いるAr等の不活性ガスであつてもエ
ツチングがおきるが、実用的なエツチング速度を得るた
めには酸素又は酸素を含む反応ガスを使用する必要があ
る。
As the reaction gas to be used, etching may occur even with an inert gas such as a halide such as CF 4 used for plasma etching of a silicon semiconductor or Ar used for ion beam etching, but in order to obtain a practical etching speed. Must use oxygen or a reaction gas containing oxygen.

又、本発明のエツチング方法は、酸素又は酸素を含む
反応ガスのプラズマを用いる方法であればよく、直流又
は高周波を用いた平行平板型電極放電によるプラズマエ
ツチングのほか、このプラズマに電圧を印加して加速す
るイオンビーム型のエツチングであつても実施できる。
Further, the etching method of the present invention may be a method of using plasma of oxygen or a reaction gas containing oxygen, in addition to plasma etching by parallel plate electrode discharge using direct current or high frequency, a voltage is applied to this plasma. Even ion beam type etching that accelerates by means of the above method can be performed.

使用するマスクは酸素プラズマに対して耐酸化性を有
する材料である必要があり、かかるマスクとして蒸着、
イオンプレーテイング、スパツタリング等の公知の方法
によりダイヤモンド表面に選択的に披着させた金属化合
物の被膜が好ましい。特に好ましいマスクとては、Al2O
3、Or2O3、TiO2、TiN、TiC、SiO2、Si3N4、SiC、MgO及
びGeO2から選ばれた少なくとも一種の金属化合物被膜が
ある。
The mask used must be a material having oxidation resistance to oxygen plasma.
A metal compound coating film selectively deposited on the diamond surface by a known method such as ion plating or spattering is preferable. Al 2 O is a particularly preferable mask.
There is at least one metal compound coating selected from 3 , Or 2 O 3 , TiO 2 , TiN, TiC, SiO 2 , Si 3 N 4 , SiC, MgO and GeO 2 .

〔作用〕[Action]

ダイヤモンドをエツチングする為には、非常に強固に
結合している構成元素の炭素を表面から物理的又は化学
的に取り除くことが必要である。
In order to etch diamond, it is necessary to physically or chemically remove carbon, which is a constituent element that is bonded very strongly, from the surface.

本発明方法によれば、酸素から発生した酸素イオンや
酸素ラジカル等の活性種がダイヤモンドを構成する炭素
原子と速やかに反応して、CO、CO2等の分子種となつて
気相中に拡散するので、非常に速いエツチング速度でダ
イヤモンドをエツチングすることができる。例えば、反
応ガスとして酸素のみを用いた場合、50μA/cm2のイオ
ンビーム電流量で3KeVのエネルギーの条件で130Å/min
のエツチング速度が得られる。
According to the method of the present invention, active species such as oxygen ions and oxygen radicals generated from oxygen rapidly react with carbon atoms constituting diamond, and become molecular species such as CO and CO 2 and diffuse into the gas phase. Therefore, the diamond can be etched at a very high etching speed. For example, when using only oxygen as the reaction gas, 130 Å / min under the condition of ion beam current of 50 μA / cm 2 and energy of 3 KeV.
Etching speed of is obtained.

酸素雰囲気中でのエツチングによりダイヤモンドが加
熱されるとダイヤモンドのグラフアイト化現象が発生し
やすいが、その場合には水素、一酸化炭素、二酸化炭
素、水蒸気、ハロゲンガス、炭素原子2個以下の炭化水
素ガス及び炭素原子1個のハロゲン化炭化水素ガスのう
ちの少なくとも一種を酸素と混合した混合ガスを用いる
ことによつて、グラフアイト化を防ぐことができる。
When diamond is heated by etching in an oxygen atmosphere, the graphitization phenomenon of diamond easily occurs. In that case, hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor, halogen gas, carbonization of 2 or less carbon atoms is generated. By using a mixed gas in which at least one of hydrogen gas and halogenated hydrocarbon gas having one carbon atom is mixed with oxygen, graphitization can be prevented.

又、本発明の酸素プラズマを用いるダイヤモンドの選
択的エツチング方法においては、マスクとして従来のポ
リマーレジストを用いることも可能であるが、ポリマー
レジストはダイヤモンドよりも速い速度でエツチングさ
れるので、1000Å以下の極めて浅いエツチングにしか使
用することができない。これに対して本発明では酸素の
プラズマに対して耐酸化性の金属酸化物のマスクを用い
ることにより、マスクのエツチング速度をダイヤモンド
のそれと同等かそれ以下にすることができ、ダイヤモン
ドに10μm以上の深い選択的エツチングを施すことが可
能である。特に、Al2O3、SiO2、Cr2O3はエツチング速度
がダイヤモンドの半分以下であるため、本発明方法のマ
スクとして極めて優れている。
Further, in the selective etching method of diamond using the oxygen plasma of the present invention, it is also possible to use a conventional polymer resist as a mask, but since the polymer resist is etched at a faster speed than diamond, 1000 Å or less It can only be used for very shallow etching. On the other hand, in the present invention, the etching rate of the mask can be made equal to or less than that of diamond by using the mask of the metal oxide which is resistant to the oxidation of oxygen plasma, and the etching rate of the diamond is 10 μm or more. It is possible to perform deep selective etching. In particular, Al 2 O 3 , SiO 2 , and Cr 2 O 3 are extremely excellent as masks for the method of the present invention because they have an etching rate that is less than half that of diamond.

〔実施例〕〔Example〕

実施例1 平行平板電極型のプラズマエツチング装置を用いて、
金属化合物の被膜を膜厚5μmに蒸着したマスクを有す
る単結晶ダイヤモンドのエツチングを行なつた。
Example 1 Using a parallel plate electrode type plasma etching apparatus,
Etching was performed on a single crystal diamond having a mask in which a film of a metal compound was vapor-deposited to a film thickness of 5 μm.

即ち、片方の平板電極上に上記マスクを一部に有する
2.5×1.5×0.3mmの単結晶ダイヤモンドの板を載置し、
反応ガス(O2:CF4:Ar=2:1:1)を装置内に導入して圧力
を0.03torrに保持し、13.56MHzで50Wの高周波により電
極間に放電をおこしてダイヤモンドを15分間エツチング
した。
That is, the above mask is partially provided on one plate electrode.
Place a single crystal diamond plate of 2.5 × 1.5 × 0.3 mm,
The reaction gas (O 2 : CF 4 : Ar = 2: 1: 1) was introduced into the device and the pressure was maintained at 0.03 torr, and a high frequency of 50 W at 13.56 MHz was used to generate a discharge between the electrodes and the diamond was left for 15 minutes. Etching.

単結晶ダイヤモンド(DMと略記)及び使用した各マス
クのエツチング深さを、参考の為に示した同一条件での
ポリマーレジスト(PRと略記)のエツチング深さと共に
下表に列挙した。
The etching depths of single crystal diamond (abbreviated as DM) and each mask used are listed in the table below together with the etching depth of polymer resist (abbreviated as PR) under the same conditions shown for reference.

この表から、ポリマーレジストはダイヤモンドの2〜
3倍の速度でエツチングされるが、金属化合物の被膜は
ダイヤモンドよりもエツチング速度が小さく、十分にエ
ツチングマスクとして使用できることが判る。
From this table, the polymer resist is
Although etching is performed at a speed three times higher, the metal compound coating film has a smaller etching speed than diamond, and it can be seen that it can be sufficiently used as an etching mask.

実施例2 実施例1と同様の単結晶ダイヤモンドの板の表面に、
フオトリソグラフイーにより10μm幅のレジストパター
ンを形成した。この上にSiO2を厚さ3μmに高周波スパ
ツタリング法により被覆した後、レジストを剥離して開
口が10μm幅のSiO2パターンマスクを形成した。
Example 2 On the surface of a single crystal diamond plate similar to that in Example 1,
A resist pattern having a width of 10 μm was formed by photolithography. After SiO 2 was coated thereon to a thickness of 3 μm by a high frequency sputtering method, the resist was peeled off to form a SiO 2 pattern mask having an opening with a width of 10 μm.

次に、反応ガスとしてO2:CF4:Ar=2:1:1を使用したイ
オンビーム型プラズマエツチング装置により、5KeVで15
0μA/cm2のイオンビームを用いて30分エツチングを行な
つた。尚、これ以外の条件は実施例1と同様であつた。
その後SiO2マスクをフツ酸で溶解除去したところ、ダイ
ヤモンド表面に幅10μmで深さ2.5μmのエツチングパ
ターンが得られた。
Next, using an ion beam type plasma etching system that uses O 2 : CF 4 : Ar = 2: 1: 1 as a reaction gas,
Etching was performed for 30 minutes using an ion beam of 0 μA / cm 2 . The other conditions were the same as in Example 1.
After that, the SiO 2 mask was dissolved and removed with hydrofluoric acid, and an etching pattern having a width of 10 μm and a depth of 2.5 μm was obtained on the diamond surface.

又、反応ガスとしてAr:O2=1:1を使用し、他は上記と
同じ条件でエツチングを行った場合、ダイヤモンド表面
に得られたエツチングパターンの深さは1.5μmであっ
た。
When etching was performed under the same conditions as above except that Ar: O 2 = 1: 1 was used as the reaction gas, the depth of the etching pattern obtained on the diamond surface was 1.5 μm.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明によれば、ダイヤモンド半導体素子を大きなエ
ツチング速度で、選択的にエツチングすることができ
る。
According to the present invention, the diamond semiconductor element can be selectively etched at a high etching speed.

従つて、本発明によりダイヤモンド半導体に選択的エ
ツチングによる微細加工を施すことが可能となつたの
で、ダイヤモンドを半導体材料として耐熱性の小型大電
力素子や高速素子等を容易に作製できるようになり、新
たな半導体素子の開発が進展するものと期待される。
Therefore, since it is possible to subject the diamond semiconductor to fine processing by selective etching according to the present invention, it becomes possible to easily produce a heat-resistant small large-power element or high-speed element using diamond as a semiconductor material, It is expected that the development of new semiconductor devices will progress.

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】ダイヤモンドよりなる半導体表面の被エツ
チング部分以外に金属化合物のマスクを施し、酸素又は
酸素を含む反応ガスのプラズマを用いて選択的にエツチ
ングする方法において、該反応ガスに水素、一酸化炭
素、二酸化炭素、水蒸気、ハロゲンガス、炭素原子2個
以下の炭化水素ガス、及び炭化原子1個のハロゲン化炭
化水素ガスのうちの少なくとも一種を混合して用いるこ
とを特徴とするダイヤモンド半導体のエツチング方法。
1. A method of selectively etching with a plasma of oxygen or a reaction gas containing oxygen, wherein a mask of a metal compound is applied to a portion other than an etched portion of a semiconductor surface made of diamond, and the reaction gas contains hydrogen or hydrogen. At least one kind of carbon oxide, carbon dioxide, water vapor, halogen gas, hydrocarbon gas having 2 or less carbon atoms, and halogenated hydrocarbon gas having 1 carbon atom is used as a mixture. Etching method.
【請求項2】前記マスクがCr2O3、TiO2、TiC、SiC、MgO
及びGeO2から選ばれた少なくとも一種の金属化合物被膜
であることを特徴とする、特許請求の範囲(1)項記載
のダイヤモンド半導体のエツチング方法。
2. The mask is Cr 2 O 3 , TiO 2 , TiC, SiC, MgO.
And at least one metal compound film selected from GeO 2, and the etching method for a diamond semiconductor according to claim (1).
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