DE19743495C2 - Isolatorschicht für ein eine aktive Diamantschicht aufweisendes mikroelektronisches Bauteil mit einer durch die Isolatorschicht elektrisch isolierten Metallschicht als Elektrode - Google Patents
Isolatorschicht für ein eine aktive Diamantschicht aufweisendes mikroelektronisches Bauteil mit einer durch die Isolatorschicht elektrisch isolierten Metallschicht als ElektrodeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Isolatorschicht für ein eine aktive Dia
mantschicht aufweisendes mikroelektronisches Bauteil mit einer
durch die Isolatorschicht elektrisch isolierten Metallschicht
als Elektrode gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es
bspw. aus der gattungsbildend zugrundegelegten US 5,254,862
als bekannt hervorgeht.
Aus der US 5,254,862 ist ein mikroelektronisches Bauteil be
kannt, das als aktive Schicht eine Diamantschicht aufweist. Im
Sinne der Erfindung werden als mikroelektronische Bauteile so
wohl Grundelemente der Elektronik, wie bspw. FET-, MISFET- oder
MOSFET-Transistoren, Kondensatoren usw. als auch Operationsver
stärker u. a. integrierte Schaltkreise bezeichnet, bei denen ei
ne (ggf. auch mehrere) bestimmte Schicht durch eine elektrische
Isolatorschicht von einer anderen Schicht getrennt ist. Die Di
amantschicht ist Bor-dotiert, wobei das Bor oberflächennah,
d. h. im Bereich der drain- und source-Kontakte, höherkonzent
riert ist. Zwischen dem gate-Kontakt und der dotierten Diamant
schicht ist eine Isolationsschicht angeordnet. Die dotierte Di
amantschicht bildet somit je nach elektrischem Feld der gate-
Elektrode einen leitfähigen Kanal aus. Die Isolationsschicht
kann u. a. aus undotiertem Diamant oder aus Siliziumnitrid usw.
(SiN) sein, wobei die Isolatorschicht ihrerseits auf der do
tierten Diamantschicht angeordnet ist. Wird für die Isolations
schicht Diamant verwendet, ist das Ausschussverhalten bei
höheren Temperaturen aufgrund der höheren spez. Leitfähigkeit
verbesserungswürdig.
Aus der US 5,536,953 ist ein mikroelektronisches Bauteil mit
einer dotierten, also aktiven Diamantschicht bekannt. Aus Dia
mant hergestellte und/oder eine Diamantschicht aufweisende Bau
teile sind insbesondere für Anwendungen geeignet, bei denen im
Bauteil hohe Temperaturen auftreten können. Die Diamantschicht
ist durch eine Isolatorschicht von einer Metallschicht vorzugs
weise aus Titan (Ti) oder Gold (Au) getrennt. Derartige Bautei
le mit einer Metallschicht, die durch eine insbesondere als
Dielektrika wirkende elektrische Isolatorschicht von einer ak
tiven Schicht getrennt sind, sind bspw. als sogenannte JFET,
MISFET oder MOSFET aber auch Operationsverstärker u. a. integ
rierte Schaltkreise bekannt. Als Material für die Iso
latorschicht wird SiO2 verwendet, das in einem CVD-Verfahren
auf der Diamantschicht abgeschieden und anschließend auf seiner
freien Oberfläche mit dem Metall der Metallschicht beaufschlagt
wird. Die Isolatorschicht aus SiO2 weist eine hohe Spannungs
festigkeit und eine geringe spezifische elektrische Leitfähig
keit auf. Allerdings ist die Haftung von SiO2 auf Diamant ge
ring, so daß die Ausschußrate bei der Herstellung derartiger
Bauteile hoch ist. Desweiteren wird die Ausschußrate durch die
Verwendbarkeit
der Bauteile bei höheren Temperaturen erhöht, da bei
einigen Bauteilen die Isolationswirkung bei Temperaturen ober
halb 350°C irreversibel nachläßt. Als Ausweg könnte hier SiN
als Material für die Isolatorschicht verwendet werden, da hier
die spez. Leitfähigkeit bis zumindest 500°C anhält und dessen
Haftung auf Diamant außerdem gut ist. Allerdings ist die Isola
tionswirkung von SiN bei Temperaturen oberhalb 200°C zu ge
ring.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die zugrundegelegte Isolator
schicht dahingehend weiter zu entwickeln, daß die Ausschußrate
gesenkt ist.
Durch die Verwendung eines Mehrschichtsystems mit den angegebe
nen Materialkriterien für die Isolatorschicht wird die spez.
Leitfähigkeit und die Temperaturbeständigkeit der gesamten Iso
latorschicht gegenüber den jeweiligen einzelnen Materialien der
einzelnen Schichten verbessert, wodurch auch die Ausschußrate
für die genannten Bauteile gesenkt ist. Insbesondere ist bei
der Verwendung von SiN, SiO2, Al2O3 und/oder SixOyNz-
Mehrschichtsystemen bspw. auch mit insbesondere polykristallinem
Diamant für die Isolatorschicht die thermische Belastbarkeit
der Bauteile auch über 200°C, insbesondere über 350°C ermög
licht.
Zweckmäßige Ausgestaltungen sind der weiteren Ansprüchen ent
nehmbar. Im übrigen wird die Erfindung anhand eines in den
Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeipiels näher erläutert.
Dabei zeigt
Fig. 1 ein Ausschnitt eines Schnittes durch ein Bauteil und
Fig. 2 eine Arrhenius-Diagramm der spez. Leitfähigkeit der er
findungsgemäßen Isolatorschicht im Vergleich zu Isola
torschichten aus SiO2 und SiN.
In Fig. 1 ist ein Ausschnitt eines Schnitts durch ein mikro
elektronisches Bauteil 10 dargestellt, das in der Art eines
einfachen Feldeffekttransistors (FET) in horizontaler Bauweise
ausgebildet ist. Das Bauteil 10 weist ein Wachstums-Substrat 9
auf. Auf dem Wachstums-Substrat 9 ist eine p-dotierte Diamant
schicht 8 angeordnet. In der p-dotierten Diamantschicht 8 ist
eine n-dotierte Diamantschicht 2 eingelassen.
Verfahren und Elemente bzw. Substanzen zur p- oder n-Dotierung
von Diamantschichten 2, 8 können bspw. der US 5,254,862 oder
der US 5,536,953 entnommen werden.
An entgegengesetzten Bereichen der n-dotierten Diamantschicht 2
sind zwei metallische Kontakt-Elektroden (Source 6, Drain 7)
insbesondere aus Au und/oder Ti angeordnet. Zwischen der Sour
ce-Elektrode 6 und der Drain-Elektrode 7 und auf der freien
Oberfläche der n-dotierten Diamantschicht 2 ist die Isolator
schicht 1 angeordnet.
Die Isolatorschicht 1 weist drei einzelne Schickten und zwar
zwei außenliegende Außenschichten 3 und eine zwischen den bei
den Außenschichten 3 innenliegend angeordnete Zwischenschicht 4
auf, die jeweils parallel zur n-dotierten Diamantschicht 2 aus
gerichtet sind. Mit einer Oberfläche einer Außenschicht 3 ist
die Isolatorschicht 1 direkt an der n-dotierten Diamantschicht
2 angeordnet. Auf der gegenüberliegenden Oberfläche der anderen
Außenschicht 3 ist eine vorzugsweise Titan aufweisende und als
Gate-Elektrode verwendete Metallschicht 5 angeordnet.
Die beiden Außenschichten 3 weisen günstigerweise keinerlei di
rekten Kontakt miteinander auf, sondern sind vielmehr durch die
Zwischenschicht 4 räumlich voneinander beabstandet. Die Außen
schichten 3 sind aus dem Außenmaterial, im vorliegenden Fall
SiN, während die Zwischenschicht 4 aus dem Zwischenmaterial, im
vorliegenden Fall SiO2. Dies ist daher günstig, da SiN gegen
über Diamant eine bessere Haftung als SiO2 aufweist und ferner
gegenüber dem Titan der Metallschicht 5 auch thermisch stabiler
ist. Das als Zwischenmaterial für die Zwischenschicht verwende
te SiO2 hingegen weist eine günstigere, weil geringe spez.
Leitfähigkeit auf.
Interessanter Weise ist, wie aus dem die spez. Leitfähigkeit
von SiO2, SiN und der erfindungsgemäßen Isolatorschicht aus
SiN/SiO2/SiN darstellenden Arrhenius-Diagramm gemäß Fig. 2 er
sichtlich ist, die spez. Leitfähigkeit der gesamten Isolator
schicht 1 geringer als die des SiO2. Ebenso kann die Isolator
schicht 1 auch stärker thermisch belastet werden, ohne daß die
Isolatorschicht 1 Ermüdungs- und/oder Zerstörungserscheinungen
aufweist.
Anstelle von SiN und SiO2 können auch andere Nitride sowie Oxy
nitride, insbesondere Siliziumoxynitride (SixOyNz) für das Au
ßen- und/oder das Zwischenmaterial verwendet werden, wobei das
Zwischenmaterial auch ein Oxid, insbesondere ein Metalloxid wie
bspw. Al2O3 sein kann. Allerdings ist bei der Verwendung von
Oxynitriden für das Außen- und das Zwischenmaterial darauf zu
achten, daß das Oxynitrid des Zwischenmaterials eine sich von
dem Oxynitrid des Außenmaterials unterscheidende Zusammenset
zung aufweist.
Obwohl die Erfindung anhand eines horizontal ausgebildeten Bau
teils 10, dessen Schichten in etwa parallel zu der Oberfläche
des Wachstums-Substrat 9 angeordnet sind beschrieben ist, ist
die Erfindung nicht auf derartige horizontale Bauteile 10 be
schränkt, sondern kann auch ohne weiteres auf sogenannte verti
kale Bauteile übertragen werden.
Claims (8)
1. Isolatorschicht für ein eine aktive Diamantschicht aufwei
sendes mikroelektronisches Bauteil mit einer durch die Isola
torschicht elektrisch isolierten Metallschicht als Elektrode,
welche Isolatorschicht zwischen der aktiven Diamantschicht und
der Metallschicht angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Isolatorschicht (1) mindestens drei einzelne Schichten
aufweist, daß die einzelnen Schichten entsprechend der Diamant
schicht (2), insbesondere parallel dazu ausgerichtet sind, daß
die einzelnen Schichten - im folgenden Außenschicht (3) und
Zwischenschicht (4) genannt - aus mindestens zwei unterschied
lichen Materialien - im folgenden Außenmaterial und Zwischenma
terial genannt - gebildet sind, daß das Außenmaterial und das
Zwischenmaterial für sich allein jeweils elektrisch isolierend
sind, daß das Außenmaterial eine vom Zwischenmaterial unter
schiedliche spez. Leitfähigkeit aufweist, daß das Außenmate
rial der Außenschicht (2) hinsichtlich Diamant eine bessere
Haftung als das Zwischenmaterial der Zwischenschicht (4) auf
weist, daß eine der Außenschichten (3) auf der Diamantschicht
(2) angeordnet ist und daß eine der Außenschichten (3) einen
direkten Kontakt mit der Metallschicht aufweist.
2. Isolatorschicht nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die spez. Leitfähigkeit des Zwischenmaterials geringer als
die des Außenmaterials ist.
3. Isolatorschicht nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die spez. Leitfähigkeit des Zwischenmaterials geringer als
die des Außenmaterials ist und daß eine der Außenschichten (3)
einen direkten Kontakt mit der Diamantschicht (2) aufweist.
4. Isolatorschicht nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Außenmaterial Siliziumnitrid oder Siliziumoxynitrid ist
und daß das Zwischenmaterial Siliziumoxynitrid oder Siliziu
moxid ist, wobei im Fall von für die Außen- (3) und für die
Zwischenschicht (4) verwendeten Siliziumoxynitrid das Siliziu
moxynitrid des Zwischenmaterials eine gegenüber dem Siliziu
moxynitrid des Außenmaterials unterschiedliche Zusammensetzung
aufweist.
5. Isolatorschicht nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Außenmaterial Siliziumnitrid und das Zwischenmaterial
Siliziumoxid ist.
6. Isolatorschicht nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Isolatorschicht (1) zwei Außenschichten (3) und eine
zwischen den beiden Außenschichten (3) innenliegend angeordnete
Zwischenschicht (4) aufweist, daß die beiden Außenschichten (3)
aus Siliziumnitrid sind und daß die Zwischenschicht (4) aus Si
liziumoxid ist.
7. Isolatorschicht nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die insbesondere eine Gate-Elektrode bildende Metallschicht
(5) Titan aufweist.
8. Isolatorschicht nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Isolatorschicht (1) bei einer Temperatur von 400°C eine
spez. Leitfähigkeit kleiner 10-12, bvorzugt kleiner 10-13 und be
sonders bevorzugt kleiner 10-14 1/(Ω.cm) aufweist.
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| DE19743495A1 DE19743495A1 (de) | 1999-04-15 |
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4006701A1 (de) * | 1989-11-08 | 1991-05-16 | Samsung Electronics Co Ltd | Halbleitervorrichtung und verfahren zu deren herstellung |
| US5254862A (en) * | 1991-08-14 | 1993-10-19 | Kobe Steel U.S.A., Inc. | Diamond field-effect transistor with a particular boron distribution profile |
| US5536953A (en) * | 1994-03-08 | 1996-07-16 | Kobe Steel Usa | Wide bandgap semiconductor device including lightly doped active region |
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1997
- 1997-10-01 DE DE1997143495 patent/DE19743495C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
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| US5536953A (en) * | 1994-03-08 | 1996-07-16 | Kobe Steel Usa | Wide bandgap semiconductor device including lightly doped active region |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| JP 62-104176 A, In: Patent Abstracts of Japan * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE19743495A1 (de) | 1999-04-15 |
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