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Die
Erfindung betrifft einen Feldeffekttransistor, Lichtemissionsdioden
und für
verschiedene Sensoren geeignete Diamanthalbleitervorrichtung sowie ein
Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung.
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Diamant
weist überlegene
Eigenschaften wie etwa eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine große Bandlücke, eine
hohe Sättigungselektronengeschwindigkeit,
sowie eine hohe Sättigungslochgeschwindigkeit
auf. Daher wird Diamant für
Hochleistungsvorrichtungen, Hochfrequenzvorrichtungen und unter
schwierigen Bedienungen wie etwa Hochtemperaturbedingungen oder
Strahlungsbedingungen arbeitende Halbleitervorrichtungen als geeignet
betrachtet, weil solche Vorrichtungen derartige überlegene Eigenschaften aufweisen
müssen.
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Beispiele
für einen
bekannten Feldeffekttransistor (FET) mit einer Diamantdünnschicht
beinhalten einen Metall-Isolator-Halbleiterfeldeffekttransistor (MISFET)
mit einer Gate-Elektrode, einer als Funktionsschicht wirkenden Kanalschicht,
sowie einer dazwischen angeordneten isolierenden Schicht (vergleiche
beispielsweise die Druckschrift JP-A-1-158774). Ein in der Druckschrift JP-A-1-158774
offenbarter MISFET beinhaltet ein isolierendes einkristallines Diamantsubstrat,
eine auf dem Substrat angeordnete halbleitende Diamantschicht, und
eine auf der Halbleiterdiamantschicht lokal angeordnete isolierende
Schicht. Der MISFET beinhaltet ferner eine Source-Metall-Elektrode,
eine Drain-Metall-Elektrode und eine Gate-Metall-Elektrode, die
auf der isolierenden Schicht angeordnet sind, wobei die Source-
und Drain-Metall-Elektroden
auf der halbleitenden Diamantschicht angeordnet sind und die isolierende
Schicht zwischen den Source- und Drain-Metall-Elektroden angeordnet
ist. Die Druckschrift JP-3273985 offenbart andererseits einen FET
mit einer Struktur, bei der die Hochwiderstandsdiamantschicht zwischen
einem isolierenden einkristallinen Diamantsubstrat und einer halbleitenden
Diamantschicht angeordnet ist, wobei die Struktur nachstehend als
pip-Struktur bezeichnet wird.
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Beispiele
für Verfahren
zur Herstellung derartiger Transistoren beinhalten einen Ablauf,
bei dem ein Diamantbereich in einen Source- und einen Drain-Bereich
durch einen Ätzvorgang
getrennt wird; ein Diamantabschnitt zur Ausbildung eines Kanalbereichs
freigelegt wird; und eine isolierende Schicht, eine Gate-Elektrode
und dergleichen auf dem Diamantabschnitt ausgebildet werden, wie
es in der Druckschrift JP-A-2000-114523 offenbart ist. Die Druckschrift
JP-A-2002-57167 offenbart einen Ablauf, bei dem ein Diamantbereich
in einen Source- und einen Drain-Bereich durch einen Ätzvorgang,
einen Epitaxieaufwachsvorgang, einen selektiven Ioneninjektionsvorgang
oder einen anderen Vorgang getrennt wird, und ein Kanalbereich sodann
durch epitaktisches Aufwachsen einer Diamantdünnschicht ausgebildet wird,
so dass umliegende Lücken
und Flächen
bedeckt sind. Zudem offenbart die Druckschrift JP-A-2002-76369 einen
Ablauf, bei dem ein Diamantbereich in einen Source- und einen Drain-Bereich
durch einen Ätzvorgang
getrennt wird, und ein Kanalbereich sodann durch epitaktisches Aufwachsen
einer Diamantdünnschicht
auf einem geätzten
Abschnitt ausgebildet wird.
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Beispiele
für einen
Vorgang zum Ätzen
eines Diamantstücks
beinhalten einen Plasma-Ätzvorgang oder
einen anderen Ätzvorgang,
bei dem eine Maske auf dem Diamantstück ausgebildet wird, das sodann einem
Plasma ausgesetzt wird, das aus einem Sauerstoffatome enthaltenden
Gas ausgebildet ist (vergleiche beispielsweise US Patentschrift
Nr. 5,344,526 sowie die Druckschrift JP-A-2002-75960).
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Die
vorstehend beschriebenen bekannten Abläufe und Vorgänge weisen
das nachstehend aufgeführte
Problem auf. Bei den in den Druckschriften JP-A-2000-114523 und
JP-A-2002-57167 offenbarten Abläufen
weisen die durch Ätzvorgänge ausgebildeten
Source-Bereiche und Drain-Bereiche Endflächen auf, die im Wesentlichen
senkrecht zu den Oberflächen
der Vorrichtungen sind, da ein Ätzvorgang
senkrecht zu der Diamantoberfläche
durchgeführt
wird. Dies ist dahingehend ein Problem, dass ein dielektrischer
Durchbruch bei den isolierenden Schichten und den Kanalbereichen
auftritt, weil die elektrischen Felder zwischen den von den Gate-Bereichen mit den
isolierenden Schichten isolierten Source- und Drain-Bereichen sich auf die Ecken
dieser Bereiche konzentrieren, wo die Endflächen der Source- und Drain-Bereiche senkrecht
zu den Vorrichtungsoberflächen
sind.
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Zudem
gibt es das Problem, dass Diskontinuitäten bei den isolierenden Schichten
Kurzschlüsse
verursachen, und Diskontinuitäten
bei den Gate-Elektroden eine Verschlechterung bei der Leistungsfähigkeit
verursachen. Wenn bei dem in der Druckschrift JP-A-2000-114523 beschriebenen
Transistor eine isolierende Schicht auf einem Lückenbereich durch einen Gasphasenabscheidevorgang
oder einen Zerstäubungsvorgang
ausgebildet wird, wächst
die isolierende Schicht auf einer Fläche auf, die der Abscheidungsquelle
oder dem Zerstäubungsziel
zugewandt ist, und kaum auf den zu der Abscheidungsquelle oder dem
Zerstäubungsziel
parallelen Flächen,
d.h. den Endfläche
des Source-Bereichs und des Drain-Bereichs; daher weisen die Abschnitte der
isolierenden Schicht auf deren Endflächen eine geringe Dicke auf.
Falls ein Substrat zur Ausbildung des Substrats derart angeordnet
ist, dass das Substrat leicht geneigt ist, sind einige der Endflächen der Source- und Drain-Bereiche
vor der Abscheidungsquelle oder dem Zerstäubungsziel verborgen; somit wird
die isolierende Schicht kaum auf deren Endflächen aufgewachsen. Insbesondere
Grenzbereiche zwischen dem Grund eines geätzten Bereichs und den Endflächen der
Source- und Drain-Bereiche
sind vor der Abscheidungsquelle oder dem Zerstäubungsziel verborgen, weil
die Endflächen
senkrecht zu dem Grund liegen; daher wird die isolierende Schicht kaum
auf den Grenzbereichen aufgewachsen. Ein derartiger Fehler bei der
Ausbildung der isolierenden Schicht verursacht eine Isolationsfehlfunktion
und Kurzschlüsse,
wodurch eine Verringerung bei der Vorrichtungszuverlässigkeit
sowie eine Reduktion bei der Ausbeute verursacht wird.
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Die
vorstehenden Probleme werden vermutlich durch geneigte Endflächen der
Source- und Drain-Bereiche gelöst;
es ist jedoch fast unmöglich, die
Endflächen
durch einen existierenden Vorgang mit hoher Reproduzierbarkeit derart
zu verarbeiten, dass die Endflächen
eine gesteuerte Gestalt aufweisen. Derzeit ist es kaum möglich, eine
Neigung mit einer Länge
von einem μm
oder weniger auf einem Diamantstück
mit hoher Werkstoffhärte
durch ein beliebiges mechanisches Polierverfahren auszubilden. Falls
dies in Zukunft möglich
wäre, ist
ein derartiger Vorgang zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen nicht
geeignet, weil mechanisches Polieren schwere innere Defekte verursachen
kann.
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Wenn
Gräben
oder Löcher
durch einen Ätzvorgang
ausgebildet werden, befinden sich die Wände der Gräben oder der Löcher im
Wesentlichen senkrecht zu den Böden
der Gräben
oder Löcher,
wie es vorstehend beschrieben ist, oder die Grenzen zwischen den
Wänden
und den Böden
der Gräben
oder die Grenzen zwischen den Wänden
und Böden
der Löcher
weisen eine Halbkreisform auf, d.h. im Allgemeinen eine runde Querschnittsform.
Im letztgenannten Fall wird durch die Ausbildung einer isolierenden
Schicht auf dem Grund einer durch den Ätzvorgang ausgebildeten Vertiefung
kein Problem verursacht; die Dicke der isolierenden Schicht ist
jedoch nicht homogen, weil die Wände
senkrecht zu den Böden
sind. Da die Wände
einen scharfen Winkel aufweisen, der im Wesentlichen gleich einem
rechten Winkel zu der Oberfläche
der isolierenden Schicht ist, konzentrieren sich die elektrischen
Felder auf die Grenzen zwischen den Wänden und deren Oberfläche, wodurch
ein dielektrischer Zusammenbruch oder dergleichen verursacht wird.
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Bei
einigen Verfahren zur Herstellung von Siliziumhalbleitervorrichtungen
wird ein anisotropischer Ätzvorgang
verwendet, bei dem die Ätzrate
in Abhängigkeit
von der Kristallebene variiert. Bei diesem Vorgang ist beispielsweise
die Rate zum Ätzen
einer {111}-Oberfläche
geringer als die Rate zum Ätzen
einer {100}-Oberfläche,
in dem ein geeignetes Ätzmittel
unter Nassbedingungen verwendet wird. Falls daher eine Maske mit
einer Siliziumdioxidschicht auf einem Bereich einer {100}-Oberfläche ausgebildet wird,
die davor bewahrt werden muss, geätzt zu werden, und deren unbedeckte
Bereiche sodann einem Ätzmittel
ausgesetzt werden, werden Neigungen mit einer {111}-Oberfläche an Endabschnitten
der nicht bedeckten Bereiche ausgebildet, wodurch vertiefte Abschnitte
mit einer inversen trapezförmigen
Form im Querschnitt parallel zur Dickenrichtung ausgebildet werden
können.
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Da
Diamant eine extrem höhere
chemische Widerstandsfähigkeit
im Vergleich zu Silizium aufweist, gibt es kein Ätzmittel zum ätzen von
Diamant. Daher wird ein Plasma-Ätzvorgang
erforscht. Es wird angenommen, dass senkrechtes Ätzen oder anisotropes Ätzen, das
von der Kristallorientierung abhängt,
durch die Auswahl von geeigneten Bedingungen unter Verwendung eines
Sauerstoff enthaltenden Plasmas durchgeführt werden kann. Geneigte Seitenfläche können jedoch
kaum ausgebildet werden, falls ein senkrechter Ätzvorgang durchgeführt wird.
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Für einen
anisotropen Ätzvorgang,
der von der Kristallorientierung abhängt, können kaum flachgeätzte Flächen ausgebildet
werden, weil die geätzten
Flächen
Irregularitäten
und/oder Stufen aufgrund von Ätzlöchern aufweisen,
die ausgebildet werden, wenn ein zu ätzendes Material innere Defekte
wie etwa Versetzungen aufweist. Im Falle, dass die Rate zum Ätzen der
{111}-Oberfläche
kleiner als die Rate zum Ätzen
der {100}-Oberfläche
ist, wie es vorstehend angeführt
ist, wird dieser Abschnitt in eine Pyramide geätzt, falls die {100}-Oberfläche lediglich
einen kleinen {111}-Oberflächenabschnitt
aufweist, weil die Rate zum Ätzen
des Abschnitts niedrig ist. Falls ferner die {100}-Oberfläche leicht
geneigt ist, wenn der Ätzbetrieb
begonnen wird, kann kaum eine flache geätzte Fläche ausgebildet werden, weil
die {111}-Oberfläche
in einer frühen
Stufe des Vorgangs auftaucht. Dieses Phänomen tritt außerdem auf,
wenn ein Plasma-Ätzvorgang
verwendet wird.
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Wenn
ein Abschnitt mit einer gewünschten Gestalt
durch einen Plasma-Ätzvorgang
ausgebildet wird, werden Defekte aufgrund des Einschlags von Ionen
und der Adsorption von Verunreinigungen in inneren Abschnitten sowie
dem Plasma ausgesetzten Oberflächen
von geätzten
Bereichen unausweichlich ausgebildet. Derartige Defekte verursachen
eine Reduktion bei der Ladungsträgerbeweglichkeit
sowie einen Anstieg beim Widerstand und sind daher unerwünscht.
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Es
ist so gut wie unmöglich,
die Leistungsfähigkeit
von Halbleiterkomponenten wie etwa Transistoren durch die Ausbildung
von Neigungen an Endabschnitten von Source- und Drain-Bereichen
durch einen Ätzvorgang
aufgrund der vorstehend beschriebenen Probleme zu erhöhen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die vorstehend
angeführten
Probleme zu lösen.
Erfindungsgemäß wird eine
Diamanthalbleitervorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung
einer derartigen Diamanthalbleitervorrichtung angegeben. Die Diamanthalbleitervorrichtung beinhaltet
einen Kanalbereich und eine Gate-Isolationsschicht, auf der eine
Konzentration von elektrischen Feldern vermieden wird. Die Gate-Isolationsschicht
weist eine homogene Dicke und eine hohe dielektrische Festigkeit
auf. Es gibt im Wesentlichen keine Defekte an der Grenzfläche zwischen
dem Kanalbereich und der Gate-Isolationsschicht.
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Eine
erfindungsgemäße Diamanthalbleitervorrichtung
beinhaltet ein Substrat im Wesentlichen aus einkristallinem Diamant;
eine erste Diamantschicht, die auf dem Substrat lokal angeordnet
ist und einen Dotierstoff enthält;
eine zweite Diamantschicht mit dem Dotierstoff, wobei die zweite
Diamantschicht auf dem Substrat lokal angeordnet und von der ersten
Diamantschicht beabstandet ist; und eine dritte Diamantschicht,
die einen geringeren Dotierstoffgehalt als die erste und die zweite
Diamantschicht aufweist, und die als zwischen der ersten und der
zweiten Diamantschicht angeordneter Kanalbereich wirkt, und durch
die Ladungen von der ersten Diamantschicht zur zweiten Diamantschicht übertragen
werden können.
Dabei weist die erste Diamantschicht einen ersten Endabschnitt auf,
und die zweite Diamantschicht weist einen dem ersten Endabschnitt mit
einer dazwischen angeordneten Lücke
zugewandten zweiten Endabschnitt auf. Der erste und der zweite Endabschnitt
weisen jeweils in Abhängigkeit
von der Orientierung des Substrats epitaktisch ausgebildete entsprechende
Neigungen auf. Die dritte Diamantschicht liegt über den Neigungen des ersten
und des zweiten Endabschnitts und einem unter der Lücke angeordneten
Abschnitt des Substrats.
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Der
Ausdruck „ein
im Wesentlichen aus einkristallinem Diamant ausgebildetes Substrat" bedeutet vorliegend
ein aus vollständig
einkristallinem Diamant ausgebildetes Substrat, oder ein Substrat,
das eine Vielzahl von verbundenen Diamantkristallen mit leicht voneinander
verschiedenen Orientierungen beinhaltet, und das im Wesentlichen
dieselben Eigenschaften wie die eines einkristallinen Substrats
aufweist.
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Erfindungsgemäß weist
der erste und der zweite Endabschnitt epitaktisch ausgebildete Neigungen
sowie zu der Substratoberfläche
senkrechte Endflächen
mit geringer Höhe
auf; daher weist die dritte Diamantschicht und/oder eine auf der
ersten und der zweiten Diamantschicht angeordnete isolierende Schicht
eine homogene Dicke auf. Daher kann eine Konzentration von elektrischen
Feldern auf einem Kanalbereich zwischen der ersten und der zweiten
Diamantschicht und der auf dem Kanalbereich liegenden isolierenden
Schicht vermieden werden, wodurch die dielektrische Festigkeit dieser
Abschnitte verbessert wird. Dies führt zu einem Anstieg bei der
Leistungsfähigkeit
der als Transistor, Speichervorrichtung oder dergleichen arbeitenden
Diamanthalbleitervorrichtung.
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Die
Neigungen der ersten und der zweiten Diamantschicht sind vorzugsweise
um einen Winkel von 32 bis 58 Grad gegenüber der Substratoberfläche geneigt.
Eine derartige Konfiguration ist effektiv, um die Ausbildung von
Defekten und Störungen
in der dritten Diamantschicht zu vermeiden, damit die Ladungsübertragungsrate
verbessert wird, wodurch hochleistungsfähige Halbleitervorrichtungen
erzielt werden, die eine hohe Geschwindigkeit und eine hohe Frequenz
bewältigen.
Zudem ist die Konfiguration effektiv, um eine Erhöhung des
Reihenwiderstands der ersten oder zweiten Diamantschicht zu vermeiden.
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Die
erste und die zweite Diamantschicht können zu der Substratoberfläche parallele
Flächen
aufweisen, und die Flächen
und Neigungen der ersten und der zweiten Diamantschicht können dazwischen angeordnete
bogenförmige
oder flache Flächenabschnitte
mit einem geringeren Neigungswinkel als dem der Neigungen aufweisen.
Eine derartige Konfiguration ist effektiv, um eine Ausbildung von
Defekten in der dritten Diamantschicht zu vermeiden, sie ist effektiv,
um eine Segregation des Dotierstoffs darin zu vermeiden, sie ist
effektiv, um eine Ausbildung von Defekten in der auf der dritten
Diamantschicht angeordneten Isolationsschicht zu vermeiden, und
sie ist effektiv, um eine Verschlechterung der dielektrischen Festigkeit
der Isolationsschicht aufgrund der Konzentration eines elektrischen
Feldes zu vermeiden.
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Zumindest
eine der Neigungen von der ersten und der zweiten Diamantschicht
kann eine {111}-Oberfläche,
eine {100}-Oberfläche, eine
Zwischenoberfläche
zwischen der Substratoberfläche und
{111}, oder eine Zwischenoberfläche
zwischen der Substratoberfläche
und {100} aufweisen. Der Ausdruck „Zwischenoberfläche" bedeutet hierbei eine
Oberfläche,
deren Orientierung sich zwischen den Orientierungen von zwei Oberflächen befindet, wobei
diese Orientierungen voneinander verschieden sind.
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Vorzugsweise
weist das Substrat eine {100}-Oberfläche auf, wobei die Grenzen
zwischen der Substratoberfläche
und der ersten und der zweiten Diamantschicht sich in <110>-Richtung erstrecken, und die Neigungen
der ersten und der zweiten Diamantschicht jeweils eine {111}-Oberfläche aufweisen.
Bevorzugt weist das Substrat eine {110}-Oberfläche auf, wobei die Grenzen
zwischen der Substratoberfläche
und der ersten und der zweiten Diamantschicht sich in <100>-Richtung erstrecken,
und die Neigungen der ersten und der zweiten Diamantschicht jeweils
eine {100}-Oberfläche
aufweisen. Es ist vorzuziehen, dass das Substrat eine {100}-Oberfläche aufweist,
die Grenzen zwischen der Substratoberfläche und der ersten und der
zweiten Diamantschicht sich in <110>-Richtung erstrecken,
und die Neigungen der ersten und der zweiten Diamantschicht jeweils
eine {111}-Oberfläche
aufweisen.
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Da
die Flächenrichtung
von einer der Neigungen mit der Richtung eines Komponentenvektors einer
zu der Neigung mit einer {111}- oder {100}-Oberfläche normalen
Linie zusammenfällt,
wobei der Vektor parallel zu der Substratoberfläche liegt, weisen der erste
und der zweite Endabschnitt Kanten auf, die äußerst gerade sind. Dadurch
können
die Kanten des ersten und des zweiten Endabschnitts in hohem Ausmaße parallel
verlaufen. Wenn eine Spannung zwischen der ersten und der zweiten
Diamantschicht angelegt wird, wird daher ein homogenes elektrisches
Feld erzeugt; daher kann ein stabiler Betrieb erzielt werden. Wenn
die Orientierung des Substrats und die Richtung, in der sich die Grenzen
zwischen der Substratoberfläche
und der ersten und der zweiten Diamantschicht erstrecken, nicht
gemäß vorstehender
Beschreibung sind, weisen der erste und der zweite Endabschnitt
Flächen auf,
die einen Winkel von mehr als 58 Grad in vielen Fällen ausmachen,
und die Kanten des ersten und des zweiten Endabschnitts können kaum
gerade gehalten werden; daher ist die Anzahl von Stapelfehlern hoch
und die dielektrische Festigkeit ist gering. Wenn eine Spannung
zwischen der ersten und der zweiten Diamantschicht angelegt wird,
wird ein nicht homogenes elektrisches Feld erzeugt; daher ist die
Leistungsfähigkeit
der als Transistor oder dergleichen arbeitenden Diamanthalbleiterschicht
gering.
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Die
Neigungen der ersten und der zweiten Diamantschicht weisen vorzugsweise
eine Durchschnittsrauhigkeit von 1 nm oder weniger auf, und die dritte
Diamantschicht weist vorzugsweise einen auf dem Substrat angeordneten
Abschnitt mit einer durchschnittlichen Rauhigkeit von 5 nm oder
weniger auf. Eine derartige Konfiguration ist effektiv darin, die Geschwindigkeit
von sich im Kanalbereich bewegenden Ladungen konstant zu halten.
Der Ausdruck „durchschnittliche
Rauhigkeit" bedeutet
die gemäß JIS B0601-2001
spezifizierte arithmetische Durchschnittsrauhigkeit Ra.
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Bei
der Diamanthalbleitervorrichtung kann die erste und die zweite Diamantschicht
auf einer nicht dotierten einkristallinen Diamantschicht angeordnet
sein.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zur Herstellung einer Diamanthalbleitervorrichtung beinhaltet einen
Schritt zur lokalen Ausbildung einer ersten Diamantschicht und einer
zweiten Diamantschicht, die beide einen Dotierstoff enthalten, auf
einem Substrat durch einen Epitaxieaufwachsvorgang, wobei diese
Schichten als Source- oder
Drain-Bereich wirken, und einen Schritt zum Ausbilden einer dritten
Diamantschicht mit einem geringeren Dotierstoffgehalt als die erste
und die zweite Diamantschicht, der als zwischen der ersten und der
zweiten Diamantschicht angeordneter Kanalbereich wirkt. Dabei weist die erste
Diamantschicht einen ersten Endabschnitt auf, und die zweite Diamantschicht
weist einen dem ersten Endabschnitt zugewandten zweiten Endabschnitt auf.
Der erste und der zweite Endabschnitt weisen epitaktisch ausgebildete
Neigungen auf.
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Zur
Lösung
der vorstehend angegebenen Aufgabe führten die Erfinder intensive
Forschungen durch, und entwickelten dann eine Technik zur Ausbildung
eines Abschnitts zwischen einem Source- und einem Drain-Bereich,
d.h. eines Kanalbereichs, und zwar nicht durch einen Ätzvorgang,
sondern durch einen Epitaxieaufwachsvorgang. Falls eine Diamantdünnschicht
beispielsweise auf einem {100}-Diamantsubstrat durch Homoepitaxie
unter eingestellten Bedingungen ausgebildet wird, weist ein Endabschnitt
der Dünnschicht
in einigen Fällen eine
{111}-Oberfläche,
d.h. eine Neigung, auf. Vorgänge
zum Aufwachsen von Dünnschichten
mit Endflächen
mit gewünschten
Oberflächen
sind bekannt. Es wurde jedoch die Verbesserung der Leistungsfähigkeit
von Halbleitervorrichtungen wie etwa Transistoren, indem von durch
derartige Aufwachsvorgänge ausgebildeten
Neigungen Gebrauch gemacht wird, nicht untersucht.
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Erfindungsgemäß werden
die erste und die zweite Diamantschicht durch einen Epitaxieaufwachsvorgang
ausgebildet, wodurch die Neigungen der ersten und der zweiten Diamantschicht
epitaktisch ausgebildet sind. Dies erlaubt die Ausbildung eines
im hohen Ausmaße
flachen Kanalbereichs ohne Ätzlöcher.
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Bei
dem Herstellungsverfahren verwendet der Schritt zum lokalen Ausbilden
der ersten und der zweiten Diamantschicht eine Maske mit einer Dicke größer oder
gleich der Hälfte
der Dicke des dicksten Abschnitts der ersten und der zweiten Diamantschicht.
Falls eine dünne
Maske mit einer Dicke von weniger als die Hälfte der ersten und der zweiten
Diamantschicht zur Ausbildung der ersten und der zweiten Diamantschicht
verwendet wird, werden diese Schichten über die Oberseite der dünnen Maske zur
Ausbildung von Bedeckungen aufgewachsen und erstrecken sich darüber. Die
isolierende Schicht kann kaum unter derartigen Bedeckungen ausgebildet werden,
die daher nicht erwünscht
sind. Falls die dabei verwendete Maske eine Dicke gleich etwa der Hälfte von
der Dicke der ersten und der zweiten Diamantschicht aufweist, werden
diese Schichten nicht auf der Oberseite der Maske ausgebildet. Der
Grund hierfür
ist, dass wenn die erste und die zweite Diamantschicht mit Neigungen
ausgebildet werden, dann weisen die Endflächen der ersten und der zweiten
Diamantschicht eine Höhe
gleich etwa einer Hälfte
der Dicke von Abschnitten der ersten und der zweiten Diamantschicht
auf, welche nicht die Neigungen sind.
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Das
Herstellungsverfahren kann ferner einen Schritt zum Ätzen der
ersten und der zweiten Diamantschicht in Richtung senkrecht zur
Substratoberfläche
beinhalten, wobei der Ätzschritt
vor dem schritt zum Ausbilden der dritten Schicht ausgeführt wird. Da
die Neigungen durch den Epitaxieaufwachsvorgang ausgebildet werden,
weisen der erste und der zweite Endabschnitt im Kontakt mit den
Seitenflächen
der Maske steile Flächen
auf. Nachdem die erste und die zweite Diamantschicht durch den Epitaxieaufwachsvorgang
unter Verwendung der Maske ausgebildet wurden, werden daher diese
Schichten in Richtung senkrecht zu der Substratoberfläche unter Verwendung
der Maske derart zurückgeätzt, dass ihre
Dicke durch ein Ausmaß gleich
der Höhe
der steilen Flächen
reduziert wird, wodurch die steilen Flächen aus dem Kanalbereich eliminiert
werden. Falls die steilen Flächen
nicht vollständig
eliminiert werden können,
sondern nur teilweise eliminiert werden können, kann eine Ausbildung
von Defekten und Störungen
aufgrund der steilen Flächen
in der dritten Diamantschicht vermieden werden.
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Bei
dem Herstellungsverfahren weisen der erste und der zweite Endabschnitt
Flächen
senkrecht zu der Substratoberfläche
auf, und die dritte Diamantschicht liegt über den Neigungen der ersten
und der zweiten Diamantschicht, und weist vorzugsweise eine größere Dicke
als die Höhe
der senkrechten Flächen
auf. Dies ermöglicht,
dass die dritte Diamantschicht keine Flächen senkrecht zu der Substratoberfläche aufweist.
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Erfindungsgemäß werden
eine erste und eine zweite Diamantschicht als Source- oder Drain-Bereich
mit einem ersten bzw. einem zweiten Endabschnitt, die einander zugewandt
sind, durch einen Epitaxieaufwachsvorgang ausgebildet, so dass sie
jeweils an dem ersten und dem zweiten Endabschnitt angeordnete Neigungen
aufweisen. Eine derartige Konfiguration ist effektiv, um die Ausbildung von
Defekten an der Grenzfläche
zwischen einem Kanalbereich und einem Gate-Isolationsbereich zu vermeiden,
sie ist wirksam, um der Isolationsschicht eine homogene Dicke zu
ermöglichen,
und sie ist effektiv, um die Konzentration von elektrischen Feldern auf
dem Kanalbereich und der Gate-Isolationsschicht zu
vermeiden. Daher kann ein dielektrischer Zusammenbruch vermieden
werden.
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Die 1A bis 1D zeigen
Schnittansichten von Schritten zur Herstellung einer Diamanthalbleitervorrichtung
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung in der Reihenfolge der Schritte;
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Die 2A bis 2C zeigen
Schnittansichten von Schritten zur Herstellung der Diamanthalbleitervorrichtung
in der Reihenfolge der Schritte, wobei die in den 2A bis 2C gezeigten
Schritte den in den 1A bis 1D gezeigten
Schritten nachfolgen;
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Die 3A bis 3F zeigen
Schnittansichten von Schritten zur Herstellung einer Diamanthalbleitervorrichtung
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung in der Reihenfolge der Schritte;
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4 zeigt
eine Schnittansicht einer Konfiguration einer Diamanthalbleitervorrichtung
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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5 zeigt
eine Schnittansicht einer Konfiguration einer Diamanthalbleitervorrichtung
als Abwandlung der Diamanthalbleitervorrichtung gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel;
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6 zeigt
eine Transmissionselektronenmikroskopfotographie (TEM), die einen
Transistor gemäß Beispiel
1 im Querschnitt bei 300.000-facher Vergrößerung teilweise zeigt;
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7 zeigt
eine TEM-Fotographie, die einen Transistor gemäß Beispiel 2 in Schnittansicht
in 350.000-facher Vergrößerung teilweise
zeigt; und
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8 zeigt
eine TEM-Fotographie, die einen Transistor gemäß Beispiel 3 in Schnittansicht
bei 350.000-facher Vergrößerung teilweise
zeigt.
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Diamanthalbleitervorrichtungen
gemäß den Ausführungsbeispielen
der Erfindung sind nachstehend im Einzelnen unter Bezugnahme auf
die beiliegende Zeichnung beschrieben. Zunächst ist nachstehend eine Diamanthalbleitervorrichtung
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben. 2C zeigt
eine Schnittansicht einer Konfiguration der Diamanthalbleitervorrichtung
gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel.
Die Diamanthalbleitervorrichtung beinhaltet ein einkristallines
Diamantsubstrat 1 mit einer {100}-Oberfläche, einer
ersten stark bordotierten Diamantschicht 3a als Source-Bereich,
einer zweiten stark bordotierten Diamantschicht 3b als
Drain-Bereich, wobei diese Schichten auf einer ersten Fläche des
Diamantsubstrats 1 lokal angeordnet sind. Die nachstehend
angeführten
Grenzen weisen eine Länge
von 50 bis 200 μm
auf: die Grenzen zwischen der ersten Fläche des Diamantsubstrats 1 und
der ersten stark bordotierten Diamantschicht 3, sowie die
Grenzen zwischen deren ersten Fläche
und der zweiten stark bordotierten Diamantschicht 3b. Die
erste stark bordotierte Diamantschicht 3a weist einen ersten
Endabschnitt auf, und die zweite stark bordotierte Diamantschicht 3b weist
einen dem ersten Endabschnitt zugewandten zweiten Endabschnitt auf.
Der erste und der zweite Endabschnitt erstrecken sich senkrecht
zu der Ebene von 2C und weisen eine Länge von
50 bis 200 μm
auf. Die Richtung, in der sich der erste und der zweite Endabschnitt
senkrecht zu der Ebene von 2C erstrecken,
wird dabei als Längsrichtung
des ersten und des zweiten Endabschnitts bezeichnet. Für die erste
und die zweite stark bordotierte Diamantschicht 3a, 3b entspricht
die Längsrichtung
des ersten und des zweiten Endabschnitts der <110>-Richtung
oder der <100>-Richtung der Oberfläche des
Diamantsubstrats 1.
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Eine
undotierte Diamantschicht 5 liegt über dem ersten und dem zweiten
Endabschnitt und einer Lücke
dazwischen. Eine Source-Elektrode 7 ist auf einem Abschnitt
der ersten stark bordotierten Diamantschicht 3a angeordnet,
wobei der Abschnitt nicht mit der undotierten Diamantschicht 5 bedeckt ist.
Eine Drain-Elektrode 8 ist auf einem Abschnitt der zweiten
stark bordotierten Diamantschicht 3b angeordnet, wobei
der Abschnitt nicht mit der undotierten Diamantschicht 5 bedeckt
ist. Ein Endbereich der Source-Elektrode 7 ist
einem Endbereich der Drain-Elektrode 8 zugewandt, und eine
isolierende Schicht 9 liegt über den zugewandten Endbereichen der
Source- und Drain-Elektroden 7 und 8 und der undotierten
Diamantschicht 5. Eine Gate-Elektrode 10 ist auf der isolierenden
Schicht 9 angeordnet, die auf der undotierten Diamantschicht 5 angeordnet
ist. Genauer ist die isolierende Schicht 9 zwischen der Gate-Elektrode 10 und
der undotierten Diamantschicht 5 angeordnet. Zumindest
ein Teil eines Abschnitts der undotierten Diamantschicht 5 arbeitet
als Kanalbereich, wobei der Abschnitt zwischen der ersten und der
zweiten stark bordotierten Diamantschicht 3a, 3b angeordnet
ist. Die Diamanthalbleitervorrichtung beinhaltet die erste und die
zweite stark bordotierte Diamantschicht 3a, 3b,
die als Halbleiterdiamantschichten wirken, sowie die dazwischen
angeordnete und als Hochwiderstandsdiamantschicht gemäß vorstehender
Beschreibung wirkende undotierte Diamantschicht 5, und
wird daher als pip-FET bezeichnet.
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Bei
der Diamanthalbleitervorrichtung weist der erste Endabschnitt der
ersten stark bordotierten Diamantschicht 3a, die sich nahe
der zweiten stark bordotierten Diamantschicht 3b befindet,
einen geneigten Unterabschnitt auf, dessen Dicke sich nach außen graduell
reduziert, und der zweite Endabschnitt der zweiten stark bordotierten
Diamantschicht 3b, der sich nahe der ersten stark bordotierten
Diamantschicht 3a befindet, weist ebenfalls einen geneigten
Unterabschnitt auf, dessen Dicke sich nach außen graduell reduziert. Genauer
weisen der erste und der zweite Endabschnitt jeweils entsprechende
Neigungen auf. Die erste und die zweite stark bordotierte Diamantschicht 3a, 3b umfassen
daher eine reduzierte Anzahl von Flächen senkrecht zu der ersten
Fläche
des Diamantsubstrates 1; daher weisen die undotierte Diamantschicht 5 und
die auf der ersten und der zweiten stark bordotierten Diamantschicht 3a, 3b angeordnete
isolierende Schicht 9 eine homogene Dicke auf. Der Kanalbereich
und die darauf angeordnete isolierende Schicht 9 weisen ebenfalls
eine reduzierte Anzahl von Flächen
senkrecht zu der ersten Fläche
des Diamantsubstrates 1 auf. Dies verhindert eine Konzentration
von elektrischen Feldern auf dem Kanalbereich und der isolierenden
Schicht 9, wodurch dem Kanalbereich und der isolierenden
Schicht 9 eine hohe dielektrische Festigkeit unter Verbesserung
der Transistorleistungsfähigkeit
ermöglicht
wird.
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Ein
Verfahren zur Herstellung der Diamanthalbleitervorrichtung gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
ist nachstehend beschrieben. Die 1A bis 1D und 2A bis 2C zeigen Schnittansichten
zur Darstellung von Schritten zur Herstellung der Diamanthalbleitervorrichtung
in der Reihenfolge der Schritte. Bezüglich 1A wird
eine erste Maske 2 auf einem Bereich der ersten Fläche des
einkristallinen Diamantensubstrats 1 mit einer {110}-Oberfläche ausgebildet,
wobei vermieden wird, dass der Bereich mit einer Diamantschicht
bedeckt wird. Die erste Maske 2 beinhaltet beispielsweise eine
Aluminiumoxidschicht und weist eine Dicke von beispielsweise 180
nm auf.
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Stark
mit Bor dotierte Diamantschichten mit einer Dicke von beispielsweise
45 nm werden auf der ersten Fläche
des Diamantsubstrats 1 durch einen Mikrowellenplasmavorgang
unter Verwendung einer Mikrowelle mit einer Frequenz von 2,45 GHz
ausgebildet. Bei diesem Arbeitsvorgang wird ein durch das National
Institute for Research in Inorganic Materials entwickeltes System
mit einem Quarzreaktor verwendet; es wird ein Reaktionsgas mit Wasserstoff, 0,3%
bis 0,5% Methan sowie 0,01 bis 0,05 Diboran auf Volumenbasis verwendet;
der Reaktionsdruck liegt bei 6,67 kPa (50 Torr); und die Substrattemperatur
beträgt
750°C bis
800°C. Dies
erlaubt das Aufwachsen von mit Bor stark dotiertem Diamant lediglich
auf den Bereichen der ersten Fläche
des Diamantsubstrates 1 (gemäß einem Epitaxieaufwachsvorgang),
wobei die Bereiche von der ersten Maske 2 freigelegt sind,
wodurch die erste und die zweite stark bordotierte Diamantschicht 3a, 3b um
die erste Maske 2 gemäß 1B ausgebildet
werden. Der erste und der zweite Endabschnitt der ersten bzw. der
zweiten stark bordotierten Diamantschicht 3a, 3b weisen
jeweils entsprechende Flächen
auf, die sich in Kontakt mit der ersten Maske 2 befinden.
Die Kontaktflächen
weisen eine Höhe
von etwa 10 nm auf und erstrecken sich senkrecht von der ersten
Fläche des
Diamantsubstrates 1. Der erste und der zweite Endabschnitt
weisen eine Dicke von mehr als 10 nm auf und jeder umfasst eine
entsprechende Neigung. Eine der Neigungen ist in einem Winkel von
35° gegenüber der
ersten Fläche
des Diamantsubstrates 1 geneigt und weist eine {111}-Oberfläche auf,
wenn die Längsrichtung
des ersten und des zweiten Endabschnitts parallel zur <110>-Richtung ist. Die andere ist in einem
Winkel von 45° zur
ersten Fläche geneigt,
und weist eine {100}-Oberfläche
auf, wenn die Längsrichtung
des ersten und des zweiten Endabschnitts parallel zur <100>-Richtung ist.
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Nachdem
die erste Maske 2 vollständig durch einen Ätzvorgang
unter Verwendung von Phosphorsäure
und Flusssäure
entfernt ist, werden im Hinblick auf 1C zweite
Masken 4 mit Aluminiumoxidschichten jeweils auf der entsprechenden
ersten und zweiten stark bordotierten Diamantschicht 3a, 3b derart
ausgebildet, dass der erste und der zweite Endabschnitt von den
zweiten Masken 4 freigelegt sind. Die undotierte Diamantschicht 5 mit
einer Dicke von beispielsweise 30 nm wird über dem ersten und dem zweiten
Endabschnitt durch einen Mikrowellenplasmavorgang unter Verwendung
einer Mikrowelle mit einer Frequenz von 2,45 GHz ausgebildet. Bei
diesem Arbeitsvorgang wird ein durch das National Institute for
Research in Inorganic Materials entwickeltes System mit einem Quarzreaktor
verwendet; ein Reaktionsgas mit Wasserstoff, 0,5% bis 1,0% Methan
sowie 0,25 bis 1,00 Sauerstoff auf Volumenbasis wird verwendet;
Der Reaktionsdruck liegt bei 6,67 kPa (50 Torr); und die Substrattemperatur liegt
bei 750°C
bis 800°C.
Die zweiten Masken 4 werden sodann auf dieselbe Weise entfernt,
wie die erste Maske 2 entfernt wurde.
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Im
Hinblick auf 1D erlaubt dieser Ablauf eine
Ausbildung der undotierten Diamantschicht 5 über einem
freigelegten Bereich 1a des Diamantsubstrates 1 sowie
dem ersten und dem zweiten Endabschnitt. Falls die Bedingungen zur
Ausbildung der undotierten Diamantschicht 5 geeignet sind,
weist die undotierte Diamantschicht 5 Neigungen mit denselben
Kristallebenen wie jene der Neigungen der ersten und der zweiten
stark bordotierten Diamantschicht 3a, 3b auf.
Eine der Neigungen der undotierten Diamantschicht 5 liegt
auf der Neigung des ersten Endabschnitts und weist im Wesentlichen
eine homogene Dicke auf, und die andere liegt auf der Neigung des
zweiten Endabschnitts und weist im Wesentlichen eine homogene Dicke
auf. Diese Konfiguration ist zur Vermeidung der Ausbildung von Defekten
und Störungen
in der undotierten Diamantschicht 5 effektiv. Dies führt zu einer
Verbesserung der Ladungstransferrate; daher bietet die Diamanthalbleitervorrichtung
eine hohe Leistungsfähigkeit
und beherrscht eine hohe Geschwindigkeit und eine hohe Frequenz. Die
Oberfläche
der undotierten Diamantschicht 5 ist extrem flach auf dem
Gitterparameterniveau. Die Neigungen der undotierten Diamantschicht 5,
die auf den Neigungen der ersten und der zweiten stark bordotierten
Diamantschicht 3a, 3b liegen, weisen beispielsweise
eine Durchschnittsrauhigkeit Ra von 1 nm oder weniger auf, und ein
Abschnitt der undotierten Diamantschicht 5, der auf dem
freigelegten Abschnitt 1a angeordnet ist, weist eine Durchschnittsrauhigkeit
Ra von 3 nm oder weniger auf.
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Im
Hinblick auf 2A wird die Sourceelektrode 7 auf
der ersten stark bordotierten Diamantschicht 3a ausgebildet,
und die Drain-Elektrode 8 wird auf der zweiten stark bordotierten
Diamantschicht 3b unter Verwendung einer (nicht gezeigten) Resistlackmaske
derart ausgebildet, dass sich die Source- und Drain-Elektrode 7 und 8 nicht
in Kontakt mit der undotierten Diamantschicht 5 befinden.
Im Hinblick auf 2B wird die isolierende Schicht 9 über einer
Endfläche
und einem Endbereich der Drain-Elektrode 8, der sich nahe
der Source-Elektrode 7 befindet, der Lücke zwischen der Source- und der
Drain-Elektrode 7 und 8, sowie einer Endfläche und
einem Endbereich der Source-Elektrode 7, der sich nahe
der Drain-Elektrode 8 befindet, unter Verwendung einer
(nicht gezeigten) Resistlackmaske ausgebildet. Die isolierende Schicht 9 weist
eine Dicke von beispielsweise 37 nm auf und enthält beispielsweise Aluminiumoxid.
Im Hinblick auf 2C wird die Gate-Elektrode 10 sodann
auf der isolierenden Schicht 9, die auf der undotierten
Diamantschicht 5 angeordnet ist, unter Verwendung einer
(nicht gezeigten) Resistlackmaske ausgebildet. Die Gate-Elektrode 10 enthält Gold.
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Wenn
die erste und die zweite stark bordotierte Diamantschicht 3a, 3b als
Source-Bereich bzw. Drain-Bereich durch den Epitaxieaufwachsvorgang ausgebildet
werden, ist dies ein effektiver Weg, um eine Maske auf einer Lücke zwischen
Bereichen zur Ausbildung der ersten und der zweiten stark bordotierten
Diamantschicht 3a, 3b zum Aufwachsen für Diamantschichten
auszubilden. Auf diese Weise werden die Diamantschichten nicht auf
der Maske aufgewachsen, sondern derart aufgewachsen, dass die Endflächen der
Diamantschichten sich in Kontakt mit den Seitenflächen der
Maske befinden; daher beeinflusst der Neigungswinkel der Maskenseitenflächen den
Neigungswinkel der Endflächen
der Diamantschichten. Wenn die Maskenseitenflächen sich senkrecht zu der
ersten Fläche
des Diamantsubstrates 1 befinden, können daher in einigen Fällen die
Endflächen
der Diamantschichten, die in Kontakt mit den Maskenseitenflächen stehen,
senkrecht zu der ersten Fläche
sein. Defekte 6 aufgrund von Verunreinigungen und Störungen werden
wahrscheinlich in den senkrechten Endflächen ausgebildet. Die Defekte 6 erreichen
die Oberfläche
der undotierten Diamantschicht 5 nicht und werden in der
undotierten Diamantschicht 5 beseitigt.
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Bei
dem Verfahren zur Herstellung der Diamanthalbleitervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
können
die Neigungen des ersten und des zweiten Endabschnitts leicht ausgebildet werden,
so dass sie vorbestimmte Kristallorientierungen aufweisen, und ein
Kanalbereich ohne Ätzlöcher, der äußerst flach
ist, kann leicht ausgebildet werden, da die erste und die zweite
stark bordotierte Diamantschicht 3a, 3b durch
einen epitaktischen Aufwachsvorgang ausgebildet werden. Dies verbessert
die Isolation zwischen dem Kanalbereich und der von der undotierten
Diamantschicht 5 durch die isolierende Schicht 9 getrennten
Gate-Elektrode 10, reduziert die Grenzflächenzustände und
verhindert eine Ausbildung von Defekten, daher weist die als Feldeffekttransistor
arbeitende Diamanthalbleitervorrichtung einen befriedigenden Gegenwirkleitwert, überlegene Frequenzeigenschaften
und eine hohe dielektrische Festigkeit auf, und verkraftet Hochleistung.
Diese Technik kann auf kristalline Werkstoffe angewendet werden,
deren Kristallebenen wie bei der Diamanthalbleitervorrichtung leicht
ausgewählt
werden können.
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Bei
der Diamanthalbleitervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
bilden die Neigungen der ersten und der zweiten stark bordotierten
Diamantschicht 3a, 3b einen Winkel von 35° oder 45° mit der
ersten Fläche
des Diamantsubstrates 1. Die Erfindung ist nicht auf eine
derartige Konfiguration beschränkt,
und die Neigungen der ersten und der zweiten stark bordotierten
Diamantschicht 3a, 3b können einen Winkel von 32° bis 58° zu der ersten
Fläche
bilden. Die Neigungen der ersten und der zweiten stark bordotierten
Diamantschicht 3a, 3b müssen nicht notwendiger Weise
genau denselben Winkel aufweisen. Die in derartigen Winkeln geneigten
Neigungen mit einer {111}- oder
{110}-Oberfläche können durch
einen Epitaxieaufwachsvorgang erhalten werden. Damit die isolierende
Schicht 9 eine homogene Dicke aufweisen kann, und damit
die Konzentration eines elektrischen Feldes auf der isolierenden
Schicht 9 vermieden wird, sind die Neigungswinkel der Neigungen
vorzugsweise klein. Damit die erste und die zweite stark bordotierte
Diamantschicht 3a, 3b dieselbe Dicke aufweisen,
erhöht
eine Verringerung beim Neigungswinkel die Fläche der Neigungen, deren Dicke
graduell reduziert wird. Dies verursacht einen Anstieg beim Reihenwiderstand
der ersten und der zweiten stark bordotierten Diamantschicht 3a, 3b.
Daher betragen die Neigungswinkel der Neigungen vorzugsweise 32° bis 58° bezüglich der
ersten Fläche
des Diamantsubstrats 1.
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Bei
der Diamanthalbleitervorrichtung weisen die Neigungen eine {111}-
oder {100}-Oberfläche
auf. Die Erfindung ist nicht auf eine derartige Konfiguration beschränkt. Die
Neigungen können
beispielsweise eine Zwischenoberfläche zwischen {111} und {100}
aufweisen. Ferner weist das Diamantsubstrat 1 vorzugsweise
eine {111}- oder {100}-Oberfläche auf. Dies
erlaubt eine einfache Einstellung der Neigungswinkel der Neigungen.
Zur Reduktion der Dichte der defekten Niveaus bei den Neigungen
weisen die Neigungen vorzugsweise Oberflächen mit niedrigem Index auf.
Selbst falls die Neigungen jedoch Oberflächen mit hohem Index aufweisen,
die sich zwischen Oberflächen
mit niedrigem Index befinden, kann eine Konzentration von elektrischen
Feldern auf die Neigungen vermieden werden, und die dielektrische Festigkeit
kann hoch gehalten werden.
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Wenn
das Diamantsubstrat 1 eine {110}-Oberfläche aufweist, weisen die Flächen der ersten
und der zweiten stark bordotierten Diamantschicht 3a, 3b,
die sich parallel zu der ersten Fläche des Diamantsubstrates 1 befinden,
eine {110}-Oberfläche
auf, und die Neigungen der ersten und der zweiten stark bordotierten
Diamantschicht 3a, 3b weisen eine {111}- oder
eine {100}-Oberfläche
auf. Wenn andererseits die erste Fläche des Diamantsubstrats 1 eine
{100}-Oberfläche
aufweist, weisen die Flächen
der ersten und der zweiten stark bordotierten Diamantschicht 3a, 3b,
die sich parallel zu der ersten Fläche des Diamantsubstrats 1 befinden,
eine {100}-Oberfläche
auf, und die Neigungen der ersten und der zweiten stark bordotierten
Diamantschicht 3a, 3b weisen eine {111}-Oberfläche auf.
Somit können
die Neigungen mit vorbestimmten Neigungswinkeln durch einen epitaktischen
Aufwachsvorgang leicht ausgebildet werden. Wenn die Neigungen eine {111}- oder eine {100}-Oberfläche aufweisen,
bilden die Neigungen einen Winkel von 35° oder 45° mit der ersten Fläche des
Diamantsubstrats 1.
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Wenn
die Flächen
der ersten und der zweiten stark bordotierten Diamantschicht 3a, 3b,
die sich parallel zu der ersten Fläche des Diamantsubstrats 1 befinden,
eine {111}-Oberfläche
aufweisen, weist eine der Neigungen der ersten und der zweiten stark bordotierten
Diamantschicht 3a, 3b eine {100}-Oberfläche auf.
Ein Komponentenvektor der zu der anderen normalen Linie ist in einem
Winkel von ±60° zu der Richtung
geneigt, die parallel zur Substratoberfläche und senkrecht zur Längsrichtung
der ersten und der zweiten stark bordotierten Diamantschicht 3a, 3b verläuft, wobei
der Komponentenvektor parallel zur Substratoberfläche liegt.
Falls die erste oder zweite stark bordotierte Diamantschicht 3a, 3b,
die eine Neigung mit einer {100}-Oberfläche aufweist, als Drain-Bereich
und die andere mit einer Neigung mit einer {111}-Oberfläche als
Source-Bereich verwendet wird, weist der Source-Bereich eine Endfläche mit
einer Sägezahnform
auf. Da das elektrische Feld zwischen dem Source- und dem Drain-Bereich
sich an den Spitzen der Sägezähne konzentriert,
und die Schwellenwertspannung reduziert wird, ist eine derartige
Konfiguration bei Anwendungen bevorzugt, bei denen die Schwellenwertspannung
niedrig sein muss. Diese Konfiguration verursacht jedoch die Ausbildung
von Abschnitten in der undotierten Diamantschicht 5 oder
dem Kanalbereich und der isolierenden Schicht 9, auf denen
die elektrischen Felder konzentriert werden. Dies verursacht eine
Verschlechterung bei der dielektrischen Festigkeit. Zudem wird die
Sägezahnform
der Source-Endfläche natürlich ausgebildet;
daher kann die Größe der Sägezähne nicht
gesteuert werden. Dies verursacht eine instabile Betriebsweise,
daher ist diese Konfiguration im Allgemeinen nicht vorzuziehen.
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An
entsprechenden Grenzbereichen zwischen den Neigungen der ersten
und der zweiten stark bordotierten Diamantschicht 3a, 3b und
den Flächen
der ersten und der zweiten stark bordotierten Diamantschicht 3a, 3b,
die sich parallel zur ersten Fläche
des Diamantsubstrates 1 befindet, liegen vorzugsweise bogenförmige Flächen oder
sanfte Neigungen, wobei die sanften Neigungen kleinere Neigungswinkel
als die der Neigungen aufweisen. Dies reduziert die Winkeländerung
zwischen den Neigungen und den bogenförmigen Flächen oder sanften Neigungen
in Verbindung zu den Neigungen, wodurch die Konzentration eines
elektrischen Feldes effektiv vermieden und die Ausbildung von Defekten und
Störungen
aufgrund von Versetzungen in der undotierten Diamantschicht 5 verhindert
werden kann.
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Bei
der Diamanthalbleitervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
weisen die Neigungen der undotierten Diamantschicht 5 eine Durchschnittsrauhigkeit
Ra von 1 nm oder weniger auf, und der Grundbereich der undotierten
Diamantschicht 5 weist eine durchschnittliche Rauhigkeit
Ra von 3 nm oder weniger auf. Die vorliegende Erfindung ist nicht
auf eine derartige Konfiguration beschränkt. Die Neigungen der ersten
und der zweiten stark bordotierten Diamantschicht 3a, 3b können eine
Durchschnittsrauhigkeit Ra von 1 nm oder weniger aufweisen, und
der Grundbereich der undotierten Diamantschicht 5 kann
eine durchschnittliche Rauhigkeit Ra von 5 nm oder weniger aufweisen.
Dies erlaubt eine konstante Rate der Ladungsträgerbewegung im Kanalbereich.
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Falls
der Kanalbereich durch einen isotropischen Ätzvorgang oder einen anisotropischen Ätzvorgang
ausgebildet wird, der von der Kristallorientierung abhängt, werden
nicht zu steuernde Ätzlöcher ausgebildet;
daher weist der Kanalbereich eine große Rauhigkeit auf. Bei der
Diamanthalbleitervorrichtung gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel wird
der Kanalbereich nicht durch einen derartigen Vorgang ausgebildet,
sondern durch das epitaktische Wachsen von Diamanten. Daher weist
der Abschnitt der undotierten Diamantschicht 5, der als
Kanalbereich wirkt, eine durchschnittliche Rauhigkeit Ra von 5 nm
oder weniger auf; hierdurch wird eine hohe Ebenheit erzielt. Aus
der Ebenheit jeder um den Kanalbereich angeordneten Diamantschicht
kann identifiziert werden, durch welchen Vorgang die Diamantschicht
ausgebildet wurde.
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Bei
dem Verfahren zur Herstellung der Diamanthalbleitervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
weist die erste Maske 2 eine größere Dicke als die der ersten
und der zweiten stark bordotierten Diamantschicht 3a, 3b auf,
und sie kann eine Dicke größer oder
gleich der Hälfte
von der der ersten und der zweiten stark bordotierten Diamantschicht 3a, 3b aufweisen.
Falls eine Maske mit einer Dicke von weniger als der Hälfte der
ersten und der zweiten stark bordotierten Diamantschicht 3a, 3b zur
Ausbildung der ersten und der zweiten stark bordotierten Diamantschicht 3a, 3b durch
einen Epitaxieaufwachsvorgang verwendet wird, werden diese Schichten
aufgewachsen und erstrecken sich über die Oberseite der Maske
unter Ausbildung von Kappen. Die isolierende Schicht 9 kann
kaum unter derartigen Kappen ausgebildet werden, weswegen sie nicht
erwünscht
sind. Die Endflächen
der Neigungen der ersten und der zweiten stark bordotierten Diamantschicht 3a, 3b weist
eine Dicke gleich etwa der Hälfte
der Dicke der Zentralbereiche der ersten und der zweiten stark bordotierten
Diamantschicht 3a, 3b auf, wobei die Neigungen
nicht in den Zentralbereichen enthalten sind. Wenn die erste Maske 2 eine
Dicke größer oder
gleich der Hälfte
der ersten und der zweiten stark bordotierten Diamantschicht 3a, 3b aufweist,
kann daher eine Erstreckung dieser Schichten über die Oberseite der ersten
Maske 2 vermieden werden. Falls die Dicke der ersten Maske 2 während der
Ausbildung der ersten und der zweiten stark bordotierten Diamantschichten 3a, 3b reduziert
wird, kann die erste Maske 2 eine größere Dicke als die Summe aus
der reduzierten Dicke und der Hälfte
der Dicke der ersten und der zweiten stark bordotierten Diamantschicht 3a, 3b aufweisen.
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Nachstehend
ist eine Diamanthalbleitervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der
Erfindung beschrieben. Die 3A bis 3F zeigen
Schnittansichten von Schritten zur Herstellung der Diamanthalbleitervorrichtung
gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
in der Reihenfolge der Schritte. Die Diamanthalbleitervorrichtung
wird im Wesentlichen durch denselben Ablauf und unter im Wesentlichen
denselben Bedingungen ausgebildet, wie sie bei dem ersten Ausführungsbeispiel
beschrieben sind. Im Hinblick auf 3A wird
eine Aluminiumoxidmaske 22 auf einem Diamantsubstrat 21 ausgebildet,
und eine erste stark bordotierte Diamantschicht 23a und
eine zweite stark bordotierte Diamantschicht 23b werden
sodann auf dem Diamantsubstrat 21 ausgebildet. Im Hinblick
auf 3B werden die erste und die zweite stark bordotierte
Diamantschicht 23a, 23b durch den in der Druckschrift JP-A-2002-75960 offenbarten
und vorstehend beschriebenen Ablauf derart geätzt, dass die Aluminiumoxidmaske 22 verbleibt.
Genauer werden die erste und die zweite stark bordotierte Diamantschicht 23a, 23b zurückgeätzt. Dies
ermöglicht
ein Ätzen
der ersten und der zweiten stark bordotierten Diamantschicht 23a, 23b senkrecht
zu der oberen Fläche
des Diamantsubstrates 1. Der Rückätzvorgang reduziert die Dicke
der ersten und der zweiten stark bordotierten Diamantenschicht 23a, 23b um
etwa 10 nm, was gleich der Höhe
der Flächen
jener Schichten ist, die senkrecht zu der oberen Fläche des
Diamantsubstrates 1 sind. Dies erlaubt eine Eliminierung
der auf beiden Seiten eines Kanalbereichs 11a angeordneten Flächen senkrecht
zum Diamantsubstrat, ohne den Winkel und die Breite der Neigungen
der ersten und der zweiten stark bordotierten Diamantschicht 23a, 23b zu
verändern.
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Die
Aluminiumoxidmaske 22 wird sodann durch einen Ätzvorgang
unter Verwendung von Phosphorsäure
und Flusssäure
vollständig
entfernt. Im Hinblick auf die
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3C bis 3F wird
eine undotierte Diamantschicht 25, eine Source-Elektrode 27,
eine Drain-Elektrode 28, eine isolierende Schicht 29 und eine
Gate-Elektrode 30 durch im Wesentlichen denselben Ablauf
und im Wesentlichen denselben Bedingungen ausgebildet, wie sie bei
dem ersten Ausführungsbeispiel
beschrieben sind, wodurch die Halbleiterdiamantvorrichtung erhalten
wird, die als pip-FET bezeichnet wird.
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Wenn
einige Neigungen durch einen Epitaxieaufwachsvorgang ausgebildet
werden, weisen Endabschnitte von Diamantschichten, die sich in Kontakt
mit Seitenflächen
einer Maske befinden, üblicherweise
steile Flächen
auf. Bei dem Verfahren zur Herstellung der Diamanthalbleitervorrichtung
gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
werden jene Schichten unter Verwendung der Aluminiumoxidmaske 22 derart
senkrecht zurückgeätzt, dass
ihre Dicke um ein Ausmaß gleich
der Höhe
der senkrechten Flächen
reduziert wird, wodurch die senkrechten Flächen eliminiert werden, nachdem
die erste und die zweite stark bordotierte Diamantschicht 23a, 23b durch
einen Epitaxieaufwachsvorgang unter Verwendung der Aluminiumoxidmaske 22 ausgebildet
sind. Falls die senkrechten Flächen
nicht vollständig
eliminiert werden können,
sondern teilweise eliminiert werden können, kann eine Ausbildung
von Defekten und Störungen
aufgrund der senkrechten Flächen
in der bei einem nachfolgenden Schritt ausgebildeten undotierten
Diamantschicht 25 vermieden werden.
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Nachstehend
ist eine Diamanthalbleitervorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der
Erfindung beschrieben. 4 zeigt eine Schnittansicht
einer Konfiguration der Diamanthalbleitervorrichtung gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel. 5 zeigt
eine Schnittansicht einer Konfiguration einer abgewandelten Diamanthalbleitervorrichtung,
welche eine Abwandlung der Diamanthalbleitervorrichtung gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
zeigt. Bei der Diamanthalbleitervorrichtung gemäß dem ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel
sind die erste und die zweite stark bordotierte Diamantschicht auf
dem Substrat angeordnet, und die undotierte Diamantschicht als dritte
Diamantschicht ist über
diesen Schichten und dem Substrat angeordnet. Die Erfindung ist
nicht auf eine derartige Konfiguration beschränkt. Gemäß 4 kann die
Diamanthalbleitervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
beispielsweise ein Diamantsubstrat 41, eine darauf angeordnete
undotierte Diamantschicht 42, eine als Source-Bereich wirkende erste
stark bordotierte Diamantschicht 43a sowie eine als Drain-Bereich
wirkende zweite stark bordotierte Diamantschicht 43b beinhalten,
wobei die erste und die zweite stark bordotierte Diamantschicht 43a, 43b auf
der undotierten Diamantschicht 42 lokal angeordnet ist.
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Bei
der Diamanthalbleitervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist eine Source-Elektrode 47 auf der ersten stark bordotierten
Diamantschicht 43a angeordnet, und eine Drain-Elektrode 48 ist
auf der zweiten stark bordotierten Diamantschicht 43b angeordnet.
Die Source-Elektrode 47 weist
einen ersten Endabschnitt auf, und die Drain-Elektrode 48 weist
einen dem ersten Endabschnitt zugeordneten zweiten Endabschnitt
auf. Eine isolierende Schicht 49 erstreckt sich über dem ersten
und dem zweiten Endabschnitt, der ersten und der zweiten stark bordotierten Diamantschicht 43a, 43b und
der undotierten Diamantschicht 42. Eine Gate-Elektrode 50 wird
auf der auf der undotierten Diamantschicht 42 angeordneten
isolierenden Schicht 49 angeordnet. Die Diamanthalbleitervorrichtung
gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel beinhaltet
die als Hochwiderstandsdiamantschicht wirkende undotierte Diamantschicht 42 und
die erste und die zweite stark bordotierte Diamantschicht 43a und 43b,
die auf der undotierten Diamantschicht 42 lokal angeordnet
sind und als Halbleiterdiamantschichten gemäß vorstehender Beschreibung
wirken, und sie wird daher als pip-FET bezeichnet. Bei der Diamanthalbleitervorrichtung
gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
arbeitet zumindest ein Teil eines Abschnitts der undotierten Diamantschicht 42 als
Kanalbereich, wobei der zwischen der ersten und der zweiten stark
bordotierten Diamantschicht 43a, 43b angeordnet
ist, genauer ist dies der von der ersten und der zweiten stark bordotierten
Diamantschicht 43a und 43b freigelegte Abschnitt.
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Die
in 5 gezeigte abgewandelte Diamanthalbleitervorrichtung
beinhaltet ein Diamantsubstrat 41, eine darauf angeordnete
erste undotierte Diamantschicht 42, eine erste stark bordotierte
Diamantschicht 43a mit einem ersten Endabschnitt, eine zweite
stark bordotierte Diamantschicht 43b mit einem zweiten
Endabschnitt, der dem ersten Endabschnitt zugewandt ist, und eine über dem
ersten und dem zweiten Endabschnitt liegende zweite undotierte Diamantschicht 45.
Die erste und die zweite stark bordotierte Diamantschicht 43a, 43b wirken
als Source-Bereich
bzw. als Drain-Bereich, und sind auf der ersten undotierten Diamantschicht 42 lokal
angeordnet. Bei der abgewandelten Diamanthalbleitervorrichtung ist
eine Source- Elektrode 47 auf
der ersten stark bordotierten Diamantschicht 43a angeordnet, und
eine Drain-Elektrode 48 ist auf der zweiten stark bordotierten
Diamantschicht 43b angeordnet. Die Source-Elektrode 47 weist
einen dritten Endabschnitt auf, und die Drain-Elektrode 48 weist
einen den dritten Endabschnitt zugewandten vierten Endabschnitt auf.
Eine isolierende Schicht 49 liegt über dem dritten und dem vierten
Endabschnitt und der zweiten undotierten Diamantschicht 45.
Eine Gate-Elektrode 50 ist auf der auf der zweiten undotierten
Diamantschicht 45 liegenden isolierenden Schicht 49 angeordnet. Bei
der abgewandelten Diamanthalbleitervorrichtung sowie bei der Diamanthalbleitervorrichtung
gemäß dem vorstehend
beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel
können
Defekte 46 in einem Abschnitt der undotierten Diamantschicht 45 in
einigen Fällen
ausgebildet sein, die zwischen der ersten und der zweiten stark
bordotierten Diamantschicht 43a, 43b angeordnet
ist. Die Defekte 46 erreichen die Oberfläche der
zweiten undotierten Diamantschicht 45 nicht, sondern werden
in der zweiten undotierten Diamantschicht 45 beseitigt.
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Die
abgewandelte Diamanthalbleitervorrichtung beinhaltet gemäß vorstehender
Beschreibung die als Hochwiderstandsdiamantschicht wirkende erste
undotierte Diamantschicht 42; die erste und die zweite
stark bordotierte Diamantschicht 43a, 43b, die auf
der undotierten Diamantschicht 42 lokal angeordnet sind
und als Halbleiterdiamantschichten wirken; sowie die zweite undotierte
Diamantschicht 45, von der ein Abschnitt zwischen der ersten
und der zweiten stark bordotierten Diamantschicht 43a, 43b angeordnet
ist, und die als Hochwiderstandsdiamantschicht wirkt. Diese Vorrichtung
wird daher als pip-FET bezeichnet. Bei der Vorrichtung mit einer derartigen
Konfiguration arbeitet zumindest ein Teil des nachstehend beschriebenen
Abschnitts als Kanalbereich: der Abschnitt der zweiten undotierten
Diamantschicht 45, der zwischen der ersten und der zweiten
stark bordotierten Diamantschicht 43a, 43b angeordnet
ist, oder ein Abschnitt der ersten undotierten Diamantschicht 42,
der zwischen der ersten und der zweiten stark bordotierten Diamantschicht 43a, 43b angeordnet
ist.
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Bei
der Diamanthalbleitervorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel
und seiner Abwandlung sowie bei den Diamanthalbleitervorrichtungen gemäß dem ersten
und dem zweiten Ausführungsbeispiel
werden die erste und die zweite stark bordotierte Halbleiterschicht 43a und 43b epitaktisch
auf der undotierten Diamantschicht 42 unter eingestellten
Bedingungen ausgebildet, wodurch Neigungen jeweils am ersten und
zweiten Endabschnitt der ersten und der zweiten stark bordotierten
Halbleiterschicht 43a, 43b ausgebildet werden.
Dies reduziert die Größe der Endflächen der
ersten und der zweiten stark bordotierten Halbleiterschicht 43a, 43b,
wobei sich die Endflächen
senkrecht zum Diamantsubstrat 41 befinden. Daher wird eine
Konzentration von elektrischen Feldern auf dem Kanalbereich und
der darauf angeordneten isolierenden Schicht 49 vermieden,
wodurch der Bereich und die Schicht eine hohe dielektrische Festigkeit
zur Verbesserung der Transistorleistungsfähigkeit aufweisen können.
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Die
Diamanthalbleitervorrichtungen gemäß dem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel
beinhalten jeweils die als dritte Diamantschichten wirkenden undotierten
Diamantschichten, wie es vorstehend beschrieben ist. Die Erfindung
ist jedoch nicht auf derartige Konfigurationen beschränkt. Als
Source- oder Drain-Bereiche wirkende stark bordotierte Diamantschichten
können
beispielsweise auf einem Halbleitersubstrat angeordnet sein. Bei
dieser Konfiguration ist eine als dritte Diamantschicht wirkende
undotierte Diamantschicht nicht nötig, weil Ladungen durch das Halbleitersubstrat übertragen
werden.
-
Beispiele
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Nachstehend
sind Beispiele der Erfindung unter Verwendung von Feldeffekttransistoren
mit Diamantdünnschichten
beschrieben. Vergleichsbeispiele werden ebenfalls zum Vergleich
beschrieben.
-
Beispiel 1
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Nachstehend
ist ein pip-FET (nachstehend als „Transistor" bezeichnet) gemäß dem vorliegenden
Beispiel beschrieben. 6 zeigt eine TEM-Fotografie
(Transmissionselektrodenmikroskop), die den Transistor teilweise
im Querschnitt zeigt. Der Transistor wurde im Wesentlichen durch
denselben Ablauf und unter im Wesentlichen denselben Bedingungen
hergestellt, wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben
ist. Für
den in 6 gezeigten Transistor wurde eine stark bordotierte
Diamantschicht 3a auf einem Diamantsubstrat 1 mit
einer {110}-Oberfläche
ausgebildet, und eine undotierte Diamantschicht 5 wurde
sodann auf der stark bordotierten Diamantschicht 3a ausgebildet.
Eine isolierende Schicht 9 und eine Gate-Elektrode 10 wurden
auf der undotierten Diamantschicht 5 in dieser Reihenfolge ausgebildet.
Bei dem Transistor lag die Längsrichtung
der Endabschnitte der stark bordotierten Diamantschicht 3a parallel
zur <110>- Richtung. Die undotierte Diamantschicht 5 wies
eine Neigung 5b mit einem Neigungswinkel von etwa 35°; eine Grundoberfläche 5c;
und eine sanfte Neigung 5d, die dazwischen angeordnet war,
mit einem Neigungswinkel von etwa 16° auf. Die stark bordotierte
Diamantschicht 3a wies eine senkrechte Endfläche 31a in Kontakt
mit der undotierten Diamantschicht 5 auf, die Defekte 6 darin
enthielt. Die Anlegung einer Spannung zwischen Elektroden des Transistors
zeigte, dass der Transistor befriedigende isolierende Eigenschaften
und Betriebscharakteristiken aufwies.
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Vergleichsbeispiel 1
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Zum
Vergleich mit dem Transistor von Beispiel 1 wurde ein Transistor
derart hergestellt, dass stark bordotierte Diamantschichten als
Source- oder Drain-Bereich nicht durch einen Epitaxieaufwachsvorgang
sondern durch den bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel 2 der
Druckschrift JP-A-2002-57167
beschriebenen Ätzvorgang
ausgebildet wurden, so dass senkrecht zum Substrat vorliegende Endflächen ausgebildet
wurden. Bei diesem Vergleichsbeispiel waren die von der Dicke und
der Form dieser Schichten verschiedenen Faktoren dieselben wie bei
dem Transistor nach Beispiel 1. Im Vergleich zwischen dem Transistor
dieses Vergleichsbeispiels und dem Transistor nach Beispiel 1 wies
der Transistor nach Beispiel 1 eine um etwa viermal größere dielektrische
Festigkeit, einen etwa 20-fach größeren Gegenwirkleitwert, eine
etwa 80-mal größere Ausgabe,
und eine etwa 20-mal größere Grenzfrequenz
als der Transistor gemäß dem vorliegenden
Vergleichsbeispiel auf.
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Beispiel 2
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Ein
(nachstehend als „Transistor" bezeichneter) pip-FET
gemäß dem vorliegenden
Beispiel ist nachstehend beschrieben. 7 zeigt
eine den Transistor teilweise in Schnittansicht zeigende TEM-Fotografie.
Der Transistor wurde im Wesentlichen durch denselben Ablauf wie
den bei Beispiel 1 beschriebenen unter Verwendung eines Diamantsubstrats 11 mit
einer {100}-Oberfläche
hergestellt, so dass stark bordotierte Diamantschichten mit einer Dicke
von 55 nm und jeweils einander zugewandten entsprechenden Endabschnitten
enthalten waren. Die Längsrichtung
der Endabschnitte war parallel zur <100>-Richtung.
Bei dem in 7 gezeigten Transistor wiesen
die einander zugewandten Endabschnitte senkrechte Flächen 32a auf,
die sich senkrecht von dem Diamantsubstrat 11 mit einer Höhe von 20
nm erstreckten. Die senkrechten Flächen 32 wurden durch
Ausbildung einer undotierten Diamantschicht 15 über den
Endabschnitten eliminiert. Die undotierte Diamantschicht 15 in
Kontakt mit den senkrechten Flächen 32a wies
Hohlräume 16a mit
einer Tiefe von 5 nm auf. Dies lag daran, dass die Diamantschichten
relativ langsam um die senkrechten Flächen 32a gewachsen
wurden, und die Hohlräume 16a dort
verblieben. Die undotierte Diamantschicht 15 wies eine
in einem Winkel von etwa 45° geneigte
Neigung 15a mit einer {100}-Oberfläche sowie eine in einem Winkel
von etwa 33° geneigte
sanfte Neigung 15c auf, die zwischen der Neigung 15a und
der Grundoberfläche
der undotierten Diamantschicht 15 angeordnet war. Das Anlegen
einer Spannung zwischen den Elektroden des Transistors zeigte, dass
der Transistor befriedigende isolierende Eigenschaften und Betriebscharakteristiken
aufwies.
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Vergleichsbeispiel 2
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Zum
Vergleich mit dem Transistor nach Beispiel 2 wurde ein Transistor
derart hergestellt, dass stark bordotierte Diamantschichten als
Source- bzw. Drain-Bereich nicht durch einen Epitaxieaufwachsvorgang,
sondern durch den bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel 2 der
Druckschrift JP-A-2002-57167
beschriebenen Ätzvorgang
ausgebildet wurde, so dass Endabschnitte ohne Neigungen ausgebildet
wurden. Bei dem vorliegenden Vergleichsbeispiel waren die von der
Dicke und der Form jener Schichten verschiedenen Faktoren dieselben, wie
die bei dem vorstehend beschriebenen Transistor nach Beispiel 2.
Im Vergleich zwischen dem Transistor gemäß dem vorliegenden Vergleichsbeispiel und
dem Transistor nach Beispiel 2 zeigte der Transistor nach Beispiel
2 eine etwa dreimal größere dielektrische
Festigkeit, einen etwa zehnmal größeren Gegenwirkleitwert, eine
etwa 40-mal größere Ausgabe,
und eine etwa zehnmal größere Grenzfrequenz als
der Transistor gemäß dem vorliegenden
Vergleichsbeispiel.
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Beispiel 3
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Ein
(nachstehend als „Transistor" bezeichneter) pip-FET
gemäß dem vorliegenden
Beispiel ist nachstehend beschrieben. 8 zeigt
eine den Transistor teilweise in Querschnitt zeigende TEM-Fotografie.
Der Transistor wurde im Wesentlichen durch denselben Ablauf wie
den bei Beispiel 1 oder 2 beschriebenen unter Verwendung eines Substrats
mit einer {100}-Oberfläche
hergestellt, so dass stark bordotierte Diamantschichten mit einander
zugewandten Endabschnitten enthalten sind. Die Längsrichtung der Endabschnitte
lag parallel zur <100>-Richtung. Der Transistor
beinhaltete eine undotierte Diamantschicht 25, die einen
oberen Abschnitt 25a aufwies; eine Neigung 25b mit
einem Neigungswinkel von etwa 45°;
eine erste sanfte Neigung 25d, die zwischen dem oberen
Abschnitt 25a und der Neigung 25b angeordnet war,
mit einem Neigungswinkel von etwa 29°; eine Grundoberfläche 25c;
und einer zwischen der Grundoberfläche 25c und der Neigung 25b angeordnete
zweite sanfte Neigung 25e mit einem Neigungswinkel von
etwa 16°.
Die Neigung 25b wies eine {100}-Oberfläche auf. Die undotierte Diamantschicht 25 wies
keine Defekte auf. Das Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden
des Transistors zeigte, dass der Transistor befriedigende isolierende Eigenschaften
und Betriebscharakteristiken zeigte.
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Vergleichsbeispiel 3
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Zum
Vergleich mit dem Transistor von Beispiel 3 wurde ein Transistor
derart hergestellt, dass stark bordotierte Diamantschichten als
Source- bzw. Drain-Bereich nicht durch einen Epitaxieaufwachsvorgang,
sondern durch den bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel 2 der
Druckschrift JP-A-2002-57167
beschriebenen Ätzvorgang
ausgebildet wurden, so dass Endabschnitte ohne Neigungen vorlagen.
Bei dem vorliegenden Vergleichsbeispiel waren die von der Dicke
und der Form der Schichten verschiedenen Faktoren dieselben wie
die des Transistors nach Beispiel 3. Im Vergleich zwischen dem Transistor
gemäß dem vorliegenden
Vergleichsbeispiel und dem Transistor nach Beispiel 3 wies der Transistor
nach Beispiel 3 eine etwa viermal größere dielektrische Festigkeit,
einen etwa 40-mal größeren Gegenwirkleitwert,
eine etwa 160-mal größere Ausgabe
und eine etwa 40-mal größere Grenzfrequenz
als der Transistor gemäß dem vorliegenden Vergleichsbeispiel
auf.
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Nach
vorstehender Beschreibung beinhaltet eine Diamanthalbleitervorrichtung
ein Substrat aus einkristallinem Diamant; eine erste Diamantschicht, die
auf dem Substrat angeordnet ist und einen Dotierstoff enthält; eine
zweite Diamantschicht mit dem Dotierstoff, wobei die zweite Diamantschicht
auf dem Substrat angeordnet und von der ersten Diamantschicht beabstandet
ist; und eine dritte Diamantschicht, die einen geringeren Dotierstoffgehalt
als die erste und die zweite Diamantschicht aufweist, und die als
Kanalbereich wirkt, und durch die Ladungen von der ersten Diamantschicht
zu der zweiten Diamantschicht übertragen
werden. Die erste und die zweite Diamantschicht weisen einen ersten
bzw. einen zweiten Endabschnitt auf, die mit einer dazwischen angeordneten
Lücke einander
zugewandt sind. Der erste und der zweite Endabschnitt weisen in Abhängigkeit
von der Orientierung des Substrates epitaktisch ausgebildete Neigungen
auf. Die dritte Diamantschicht liegt über den Neigungen und einem Abschnitt
des Substrats, der unter der Lücke
angeordnet ist.