DE4202154C2

DE4202154C2 - Elektronikbauelemente mit halbleitendem polykristallinem Diamanten, bei denen eine isolierende Diamantschicht verwendet wird und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE4202154C2
Application number: DE4202154A
Authority: DE
Inventors: David L Dreifus; Kumar Das; Koichi Miyata; Koji Kobashi
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1991-01-28
Filing date: 1992-01-27
Publication date: 1996-01-25
Anticipated expiration: 2012-01-28
Also published as: GB9201739D0; JPH04312982A; GB2252202A; US5173761A; GB2252202B; DE4202154A1; JP2812832B2

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Technik des halbleitenden Diamanten und insbesondere ein verbessertes System für die Fer tigung von Elektronikbauelementen wie z. B. Gleichrichterdioden und Transistoren.

Es ist erkannt worden, daß halbleitender Diamant überlegene elektrische, thermische, mechanische und optische Eigenschaften liefert, die in einem weiten Anwendungsbereich für Elektronik bauelemente bzw. elektronische Geräte und optische Geräte ein schließlich Hochtemperatur- und Hochleistungselektronik sowie Geräten bzw. Bauelementen, die unter extremen Umgebungsbedin gungen arbeiten, angewandt werden können.

Zu der Entwicklung von Diamant-Elektronikbauelementen wie z. B. Diamant-Transistoren gehört die Arbeit von Shiomi u. a. im Japa nese Journal of Applied Physics, Bd. 12, L2153 (1989). Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Fertigung eines Transistors auf einem einkristallinen Diamanten, der verhältnismäßig schlechte elektrische Eigenschaften liefert. Shiomi u. a. führten dann in einem Vortrag bei der "Second International Conference on the New Diamond Science and Technology", 1990, in ihre Struktur ei ne undotierte Diamantschicht ein, um die Gateelektrodenleistung zu verbessern. Eine Schottky-Diode mit einer zusätzlichen, un dotierten Schicht zeigte eine Raumtemperatur-Durchbruchspannung von 520 V und lieferte eine Gleichrichtung bis zu einer Tempe ratur von 300°C. Die verbesserten Transistoreigenschaften wur den noch als zu schlecht für ein akzeptierbares handelsübliches Bauelement angesehen, und ferner wurde nur der Betrieb bei Raumtemperatur gezeigt. Die Konstruktion, die Materialeigen schaften und der Entwurf oder das Layout des Bauelements von Shiomi u. a. sind nicht optimiert.

Die Notwendigkeit eines Substrats aus einkristallinem Diamanten ist eines der Haupthindernisse für den Bau des Bauelements von Shiomi u. a. Die Homoepitaxie ist außerordentlich teuer und er fordert Substrate aus isolierendem natürlichem oder syntheti schem Diamanten.

Die Heteroepitaxie des Diamanten ist außer auf mikroskopisch kleinen kubischen Bornitridkristallen, die eine geringe Größe haben und deren Synthese durch ein Hochdruck/Hochtemperatur- Verfahren genauso schwierig ist wie die von synthetischen ein kristallinen Diamanten, bei keinem bekannten Material in aus reichendem Maße gezeigt worden.

Die Anwendung des abdeckenden Auftragens bzw. Abscheidens einer isolierenden Diamantschicht wie z. B. bei dem Bauelement von Shiomi u. a. liefert zwar auf der halbleitenden Diamantschicht eine verbesserte Gleichrichterdiode/ein verbessertes Gleich richter-Gate, erhöht jedoch den Source- und Drain-Serien- bzw. Vorwiderstand.

Andere bekannte Techniken, die die Ausnutzung von Diamanttech niken betreffen, wie z. B. Gildenblat, "Second International Conference on the New Diamond Science and Technology", Washing ton, DC, 1990, haben gezeigt, daß durch Verwendung von Silici umdioxid als Gateelektroden-Isolator ein Metall-Oxid-Halblei ter-Transistor-Betrieb erzielt werden kann. Die Struktur wurde auf ein Diamantsubstrat selektiv homoepitaxial aufwachsen ge lassen, worauf eine SiO₂-Abscheidung für das Gate-Oxid folgte. Die gemessene Strom-Spannungs-Kennlinie zeigte eine Modulation des Kanal-Wirkleitwerts, wie man sie von einem Feldeffekttran sistor des Verarmungstyps erwarten würde. Dieses Verhalten war jedoch mit einigen Nachteilen verbunden. Der erste Nachteil be steht darin, daß ähnlich wie bei der Arbeit von Shiomi u. a. einkristallines Material erforderlich ist. Zweitens ist es schwierig, die Grenzschicht bzw. -fläche zwischen dem Silicium dioxid und dem Diamanten in angemessener Weise zu erhalten und zu steuern. Als Folge werden Grenzschicht- bzw. Grenzflächenzu stände erzeugt, die die Bauelementleistung und die höchste Ab schnürspannung beeinträchtigen. Drittens ist bei diesen Bauele menten die Haftung von Siliciumdioxid an Diamant ein Grenzpara meter, wenn sie für eine gefährliche Umgebung bestimmt sind.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Siliciumdioxid und Diamant führt zu einer Fehlanpassung, die Temperaturschwankungen mögli cherweise nicht standhält.

Bei anderen bekannten Diamanttechniken wird entweder von einer einkristallinen Diamantstruktur Gebrauch gemacht oder ein Sub strat wie z. B. Bornitridkristalle bereitgestellt, dessen Syn these sehr schwierig ist. Ferner haben neuere Entwicklungen auf diesem Gebiet zu elektrischen Vorrichtungen geführt, die schlechte elektrische Eigenschaften wie z. B. eine ungenügende Durchbruchspannung haben oder eine teure und äußerst kritische geometrische Struktur erfordern, um eine akzeptierbare Vorrich tung zu erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Metall-Isolator-Halb leiter-Bauelemente bereitzustellen, die die Vorteile von halb leitendem Diamanten als halbleitendem Material ausnutzen, je doch aus Dünnschichten aus abgeschiedenem polykristallinem Dia manten gefertigt werden können.

Diese Aufgabe wird für Diamantbauelemente durch die Ansprüche 1 und 2 und für das Verfahren zu deren Herstellung durch die Ansprüche 18 und 19 gelöst.

Ferner soll durch die Erfindung eine vollkommen implantierte Struktur bereitgestellt werden, bei der eine Dünnschicht aus polykristallinem Diamanten verwendet wird und die mit einem selbstjustierten Verfahren verbunden ist.

Durch die Erfindung soll auch eine Metall-Isolator-Halbleiter- Diode bereitgestellt werden, bei der eine Dünnschicht aus poly kristallinem Diamanten verwendet wird.

Des weiteren soll durch die Erfindung eine Transistorstruktur bereitgestellt werden, die aus einer Dünnschicht aus polykri stallinem Diamanten gefertigt ist und verbesserte elektrische Transistoreigenschaften hat.

Durch die Erfindung soll ferner für die Verwirklichung der Technik des halbleitenden Diamanten gesorgt werden, ohne daß ein Substrat aus einkristallinem Diamanten erforderlich ist.

Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden nachste hend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher er läutert.

Fig. 1a bis 1g erläutern die Herstellungsstufen für die Fer tigung einer erfindungsgemäßen Metall-Isolator-Halbleiter- Struktur.

Fig. 2 erläutert eine unter Anwendung der Verfahrensstufen von Fig. 1 mit Dünnschichten aus polykristallinem Diamanten gefer tigte Metall-Isolator-Halbleiter-Diode.

Fig. 3 erläutert die Strom-Spannungs-Kennlinie für die MIS- Diode von Fig. 2.

Fig. 4a und 4b erläutern das Verfahren zur Ionenimplantation von erfindungsgemäßen Diamant-Bauelementen.

Fig. 5 erläutert die Ionenimplantation einer MIS-Feldeffekt transistor-Struktur.

Fig. 1a bis 1g zeigen die Schritte bei der Fertigung eines Halbleiters mit Dünnschichten aus polykristallinem Diamanten. Auf einem Silicium-Substrat 10 ist eine mindestens 20 µm dicke Schicht 20 aus isolierendem polykristallinem Diamanten abge schieden worden. Die Schicht 20 wird poliert, und etwaige Ver unreinigungen oder restliche graphitische Komponenten, die auf mechanische Schädigung zurückzuführen sind, werden durch chemi sches Ätzen entfernt, bevor auf der vorhandenen Schicht 20 eine zweite Diamant-Dünnschicht 25 abgeschieden wird. Diese zweite Diamant-Schicht 25 ist eine bordotierte P-Halbleiter-Transi stor-Kanalschicht, die eine "quasiepitaxiale" Schicht ist und verbesserte Eigenschaften zeigt, wenn sie mit einer auf ein anderes Substrat aufgewachsenen Einzelschicht verglichen wird. Diese Schicht 25 kann dann poliert werden, wie es in Fig. 1b gezeigt ist, und/oder es kann als dritte Abscheidung die einer undotierten isolierenden Diamant-Schicht 30 folgen.

Das Polieren der Schicht 20 und dann der Schicht 25 kann mit einem Poliergerät unter Verwendung von Diamantgrieß mit einer Größe von 0,1 µm durchgeführt werden. Es können andere geeig nete Verfahren angewandt werden, wobei berücksichtigt werden muß, daß die Schicht 20 eine Dicke von 20 µm und die dotierte Kanalschicht 25 eine Dicke von 1 bis 2 µm hat. Wegen der gerin gen Dicke der Schicht 25 kann solch eine Abscheidung in ausrei chendem Maße planar sein, so daß kein zusätzliches Polieren er forderlich ist. Durch das Polieren wird die Oberfläche des po lykristallinen Diamanten wirksam planarisiert bzw. geebnet, wie es in Fig. 1d gezeigt ist, wodurch gleichmäßigere Diamant schichten und folglich ein gleichmäßigeres elektrisches Feld erzielt werden. Das Vorhandensein eines gleichmäßigen elektri schen Feldes über der undotierten isolierenden Diamant-Schicht ist besonders entscheidend.

Die polykristallinen Diamant-Schichten wie z. B. 20 und 25 wur den beispielsweise durch die Anwendung eines chemischen Mikro wellenplasma-Aufdampfverfahrens gebildet, und diese Schichten wurden unter Verwendung von CH₄, das in H₂ auf 0,5% verdünnt war, als gasförmigem Ausgangsmaterial mit B₂H₆ als gasförmiger Dotierungssubstanz bei einem Gesamt-Gasdruck von 42,0 kPa und mit einer Substrattemperatur von 800°C aufwachsen gelassen. Das Bor/Kohlenstoff-Verhältnis (B/C-Verhältnis) im Reaktionsgas wurde bei 4 ppm gehalten. Undotierte Diamant-Schichten 30 wur den 15, 30 und 60 min lang in einer zweiten Aufwachskammer in Abwesenheit von Bohr abgeschieden bzw. aufgedampft. Die Diamant- Aufwachsgeschwindigkeit beträgt etwa 0,2 µm/h. Die dotierte p-Schicht 25 kann auch durch Ionenimplantation gebildet werden, wie nachstehend erörtert wird. Zur Bildung dieser Schichten kann auch irgendein anderes Verfahren zur Abscheidung von Dia mant, dessen Qualität für Elektronikbauelemente geeignet ist, angewandt werden.

Im nächsten Schritt wird, beispielsweise durch Abscheidung von Aluminium oder einem anderen Metall mittels eines Elektronen strahlverdampfungs- oder eines anderen Abscheidungsverfahrens, eine 0,1 bis 0,2 µm dicke Gateelektrode gebildet. Dann wurde die Aluminiumelektrode, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, gebil det, indem beispielsweise durch Photolithographie von Struktu ren bzw. Mustern auf dem aufgedampften Aluminium eine Maske hergestellt wurde, die angewandt wurde, um das nicht erwünschte Aluminium wegzuätzen.

Fig. 3 zeigt die Ergebnisse einer Strom-Spannungs-Messung bei einer Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur von Fig. 2 mit ver schiedenen Dicken der undotierten Diamant-Schicht 30. Das Sub strat besteht aus bordotiertem, (111)-orientiertem Silicium mit niedrigem spezifischem Widerstand (< 1 Ω·cm). Elektrischer Kon takt zu dem Substrat wird unter Verwendung von Silberpaste her gestellt. Kurve (a) in Fig. 3 resultiert aus einer Struktur von Fig. 2 ohne undotierte Diamant-Schicht 30, während Kurve (b) das Ergebnis zeigt, das bei einer 15 min betragenden Ab scheidungsdauer des undotierten Diamanten erhalten wurde, und Kurve (c) das Ergebnis zeigt, das bei einer 60 min betragenden Abscheidungsdauer des undotierten Diamanten erhalten wurde. Es ist zu beachten, daß die Einschaltspannung und, was noch wich tiger ist, die Durchbruchspannung in Sperrichtung der Struktur bei zunehmenden Dicken der undotierten Schicht zunimmt, wobei die Länge der Abscheidungsdauer der Dicke der Schicht propor tional ist. Es ist ersichtlich, daß bei Kurve (a), das heißt, in dem Fall, daß keine undotierte Schicht vorhanden war, eine schlechte Gleichrichtung beobachtet wurde. Der Verluststrom in Sperrichtung nahm jedoch bei zunehmender Dicke der undotierten Diamant-Schicht in bedeutendem Maße ab, so daß für Kurve (c) von Fig. 3 schließlich eine gute Gleichrichtung und eine er höhte Durchbruchspannung beobachtet wurden. Diese Strom-Span nungs-Kennlinien sind denen ähnlich, die für den Fall von homo epitaxialem Diamanten, d. h., eines Substrats aus einkristalli nem Diamanten, beobachtet werden.

Die verbesserten Gleichrichtereigenschaften für die Aluminium kontakte zu den Dünnschichten aus polykristallinem halbleiten dem Diamanten sind auf die Einführung der isolierenden undo tierten Diamant-Schicht 30 zurückzuführen, die die Durchbruch spannung in Sperrichtung in bedeutendem Maße verbesserte und einen verbesserten Gleichrichterkontakt lieferte.

Diese Erläuterung der Verbesserung der Durchbruchspannung in Sperrichtung bei der durch das vorstehend beschriebene Verfah ren hergestellten Metall-Isolator-Halbleiter-Diode von Fig. 2 bildet die Grundlage für die Fertigung anderer Bauelemente un ter Ausnutzung der undotierten Diamant-Schicht.

Einer der bedeutenden Vorteile dieser Struktur und dieses Ver fahrens besteht darin, daß jedes Substratmaterial verwendet werden kann, das fähig ist, eine zusammenhängende Abscheidung aus grobkörnigem polykristallinem Diamanten zu tragen. Tatsäch lich kann das Substrat im wesentlichen entfernt werden. Es hat den Zweck, als Träger für die polykristalline Abscheidung zu wirken.

Bei einer besonderen Modifikation kann die Schicht 25 durch Io nenimplantation gebildet werden, wobei die polykristalline ab geschiedene Schicht 20 in der vorstehend erwähnten Weise po liert wird und eine Dicke von 20 bis 30 µm hat. Die Kanal schicht 25 wird mit einer Borimplantation bei hoher Energie und niedrigen Temperaturen gebildet, damit die isolierende Ober schicht bewahrt und eine aktive p-Schicht gebildet wird. Die Notwendigkeit von mehrfachen Implantationen ist eine Folge der Schmalheit der Gaußschen Verteilung bzw. Streuung der implan tierten Dotierungsatome. Durch Ausbreitung der Kanaltiefe kön nen niedrigere Dotierungsniveaus angewandt werden, um dieselben Kanalleitfähigkeiten zu erzielen. Diese Konfiguration bzw. Aus führung dient zur Verminderung des elektrischen Feldes in der ganzen Struktur. Koimplantation unter Verwendung von Kohlen stoff wird angewandt, um in dem Kristallgitter Leerstellen zu erzeugen, die später nach dem Ausheilen bzw. Tempern durch B-Atome ausgefüllt werden können. Ein Vorteil eines Bauelements mit vollkommen implantierter Struktur besteht darin, daß das isolierende Gate 30 in einem Stück mit dem Bauelement gebildet wird. Mehrere Ionenimplantationsschritte werden angewandt, um einen vergrabenen Kanal zu bilden, der zwischen dem Kanal und der Oberfläche des Bauelements undotierten Diamanten aufweist. Fig. 4a zeigt die vergrabene bordotierte Schicht, und Fig. 4b zeigt den Aufbau der vergrabenen bordotierten Schicht mittels Ionenimplantation. Fig. 4b veranschaulicht auch die Bildung von ohmschen Kontakten 50 mit ausgewählter Fläche, die eben falls durch Ionenimplantation oder durch Modifizieren der Ober fläche gebildet werden.

Die Ionenimplantation findet bei den Temperaturen des flüssigen Stickstoffs statt und umfaßt in einem ersten Schritt die Koim plantation des tiefsten Teils der vergrabenen Schicht 25, die beispielsweise aus Kohlenstoff mit 200 keV besteht und eine Do sis von 2·10¹⁵/cm² hat. Der Kohlenstoff wirkt im wesentlichen als Erzeuger von Gitterleerstellen und erzeugt Leerstellen bzw. Zwischenräume, die durch die Bordotierung, die mit 120 keV und einer Dosis von 6·10¹⁴/cm² stattfindet, eingenommen werden kön nen. Der Rest des Kanals wird dann mit Kohlenstoff mit einer Energie von 145 keV und einer Dosis von 7·10¹⁴/cm² komplan tiert und dann doppelt mit Bor mit 90 keV und einer Dosis von 4·10¹⁴/cm² und mit 65 keV und einer Dosis von 3,5·10¹⁴/cm² im plantiert, um den dotierten Kanalbereich fertigzustellen. Diese Parameter können in einer Tiefe von 100,0 nm von der Oberflä che eine effektive Kanalträgerkonzentration von etwa 1·10¹⁷/ cm³ liefern.

Die Struktur wird dann ausgeheilt bzw. getempert, um Implanta tionsschäden zu beseitigen und die Dotierungssubstanz Bor zu aktivieren. Wegen der Möglichkeit von Oberflächenkriechströmen, die auf Implantationsschäden, die sich bis zur Oberfläche er strecken, zurückzuführen sind, kann für Bauelemente mit höherer Leistung auch eine nachfolgende Abscheidung einer zusätzlichen undotierten isolierenden Diamant-Schicht 30 notwendig sein.

Niederohmige ohmsche Kontakte 50 zu der vergrabenen Kanal schicht 25 können entweder durch Ionenimplantation oder durch Modifizieren der Oberfläche der Schicht 30 gebildet werden. Mit der Verbesserung der Ionenimplantation in Diamant kann die ge samte Struktur unter Anwendung einer Reihe von tiefen Implanta tionen hergestellt werden, um die Kanalschicht zu bilden, so daß ein Bauelement mit vollkommen implantierter Struktur gebil det wird. Diese ohmschen Kontakte 50 haben den Zweck, die Elektrodenstruktur, die später metallisiert wird, mit der ver grabenen dotierten Schicht 25 zu verbinden. Diese Schichten können bei Raumtemperatur gebildet werden und schließen eine Dotierung mit Bor mit 65 keV und einer Dosis von 3·10¹⁶/cm² ein.

Andere Veränderungen dieses Systems können den Zusatz der iso lierenden Schicht 30 aus undotiertem Diamanten nach der Ionen implantation und andere Verfahren zum selektiven Modifizieren der Oberflächenschicht 30 wie z. B. den Beschuß mit energiearmen Ionen oder Elektronen oder die Beschädigung durch Laserstrahlen umfassen.

Diese Ionenimplantation oder dieses Modifizieren der Oberfläche kann in einer Struktur des Justierungstyps stattfinden, die durch Maskierung bestimmter Flächen gebildet wird, oder kann als selbstjustiertes Verfahren gestaltet werden, wie es in Fig. 1e bis 1g gezeigt ist. Dasselbe selbstjustierende Verfah ren, das bei der Bildung der Diode von Fig. 2 angewandt wird, kann ausgenutzt werden, um andere Bauelemente zu erzeugen oder um spätere Schritte bei der Herstellung der anderen Bauelemente wie z. B. Dünnschichttransistoren durchzuführen.

Ein anderes Verfahren für die Bildung ohmscher Kontakte zu dem vergrabenen Kanal ist die selektive Entfernung der Schicht 30 in den Bereichen 50 von Fig. 4b unter Anwendung des Plasmaät zens von Diamant, wobei eine geeignete Maske z. B. aus Gold oder Chrom verwendet wird. Kobashi u. a. haben von einem in hohem Grade steuerbaren, durch einen Elektronenstrahl unterstützten Ätzen von Diamant berichtet.

Fig. 5a zeigt eine Implantation einer MIS-Feldeffekttransi stor-Struktur, bei der die vergrabene implantierte Schicht und die ohmschen Source/Drain-Kontakte in ähnlicher Weise wie in Fig. 4b bereitgestellt werden. Die gebildete Struktur ist die eines Feldeffekttransistors, und die Ionenimplantation, die zur Herstellung von Fig. 5a notwendig ist, ist eine Maskierstruk tur, die nicht selbstjustiert ist und die mit der mechanischen Justierung einer Maskierstruktur verbunden ist, auf die das Ät zen von Löchern folgt, um die Flächen bereitzustellen, die zu implantieren sind. Fig. 5b veranschaulicht eine MIS-Feldef fekttransistor-Struktur, die Fig. 5a ähnlich ist, wobei Fig. 5b jedoch als Ergebnis eines selbstjustierenden Verfahrens ge bildet wird. Dieses selbstjustierende Verfahren stellt gegen über Fig. 5a eine Verbesserung dar, weil diese Struktur gebil det werden kann, ohne daß die mechanische Justierung einer Mas kierstruktur erforderlich ist; es ist in Fig. 1e bis 1g ver anschaulicht. Dies kommt einfach deshalb zustande, weil alles, was außerhalb der Fläche der mit einem Photoresist strukturier ten Maske liegt, implantiert, modifiziert oder geätzt werden kann. In Fig. 1f ist auf der Diamant-Oberflächenschicht 30 eine Metallelektrode 40 abgeschieden. Dann wird eine Schicht aus einem selektiv ätzbaren Material wie z. B. SiO₂ oder amor phem Silicium abgeschieden. Die Elektrode wird unter Belichtung der Maskenoberfläche photolithographisch strukturiert. Die Mas ke wird geätzt, damit sie mit den Photoresiststrukturen über einstimmt. Dann wird die Metallelektrode überätzt, damit eine unterätzte bzw. unterschnittene oder verzweigte bzw. T-Struktur wie in Fig. 1g erhalten wird. Die verzweigte bzw. T-Struktur kann Überhänge von weniger als 1 µm haben. Demnach ist ersicht lich, daß zur Bildung eines ohmschen Source/Drain-Kontakts mit niedrigem Widerstand jede Ionenimplantation einfach über die gesamte Struktur erfolgen kann, wobei die einzige Fläche, die offengelassen wird, der Kanal zwischen Source und Drain ist, der direkt unter der Maske liegt. Die Metallisierung von Source und Drain kann dann unter Anwendung desselben Maskierschrittes durchgeführt werden. Dieser ist selbstjustierend und liefert abgesehen davon, daß er leicht anzuwenden und genau ist, auch einen verminderten Widerstand zwischen Source und Drain und kleinere geometrische Strukturen des Bauelements. Dieser ver minderte Widerstand zwischen Source und Drain wird dadurch her beigeführt, daß der Abstand zwischen Source und Drain bei einem selbstjustierten Verfahren kleiner sein kann als bei einem Sy stem mit mechanischer Justierung, wie es in Fig. 5a veran schaulicht ist. Der Widerstand zwischen Source und Drain er streckt sich tatsächlich durch die vergrabene implantierte Schicht, und der Widerstand wird geringer, wenn ein kürzerer Abstand erforderlich ist, um von dem Source durch die vergrabe ne implantierte Schicht zu dem Drain zu gelangen. Es ist klar, daß die Schicht, die sich direkt zwischen Source und Drain be findet, eine isolierende Schicht ist. Für den Fall der mechani schen Justierung sind Überhänge von mehr als 2 µm notwendig, um zu gewährleisten, daß die Gateelektrode weder an der Source elektrode noch an der Drainelektrode überlappt. Folglich können die Abstände zwischen Spource und Drain bei der mechanisch ju stierten Struktur nicht derart gefertigt werden, daß Source und Drain so nahe beieinander liegen wie im Fall der selbstjustier ten Struktur. Nachdem die modifizierten ohmschen Bereiche von Source und Drain und die vergrabene implantierte Schicht gebil det worden sind, wird die Kontakt-Metallstruktur metallisiert, um die Struktur fertigzustellen. Es kann auch wieder ein Ätzen des Diamanten angewandt werden, und die selbstjustierte Struk tur kann bewahrt werden, weil die meisten Arbeitsweisen des re aktiven Ionenätzens anisotrop sein können.

Wie vorstehend gezeigt wurde, ist das Polieren der Oberfläche wichtig, um die Rauheit zu vermindern, und es ist unerläßlich, um enge Gateleitungsbreiten von 1 µm oder weniger für brauchba re Bauelemente zu erhalten. Die Planarisierung der Oberfläche, die wegen des Polierens eintritt, macht eine polykristalline Struktur auch vom Standpunkt ihrer Verteilung des elektrischen Feldes über der undotierten Schicht gleichmäßiger.

Die Fähigkeit zur Verwendung eines nicht aus Diamant bestehen den Substrats liefert große Flächen für Elektronikbauelemente, ermöglicht eine Massenfertigung und stellt folglich einen ko stengünstigen Weg zum Marktfähigmachen von Diamant-Bauelementen bereit. Die Möglichkeit der Schaffung vieler Kombinationen von Halbleitern und Bauelementstrukturen wie z. B. Heteroübergängen für Nachweis/Emission von Strahlung und für die Erfassung bzw. Messung von Wärme oder Druck ist vielleicht noch wichtiger. Die einfache Verwendung isolierender Diamant-Schichten als verbes serte gleichrichtende oder isolierende Grenz- bzw. Verbindungs schichten für Techniken anderer Bauelemente ist vielverspre chend.

Die erste Schicht 20 wird nach dem Polieren und Ätzen als Sub strat für die Herstellung des danach gebildeten Bauelements verwendet, oder die Bauelementstruktur wird direkt in diese Schicht 20 implantiert.

Es sollte auch beachtet werden, daß die vollkommen implantierte Struktur auch auf einem einkristallinen Diamantmaterial verwen det werden kann. Diese Bauelemente stellen nützliche Merkmale bereit, und zwar sowohl in Form der offenbarten polykristalli nen Strukturen als auch in Form des Vorteils einer höheren Trä gerbeweglichkeit, wie sie bei Einkristall-Material/Bauelementen gefunden wird.

Wenn heteroepitaxiale Verfahren verfügbar werden, können unter der Voraussetzung, daß eine ausreichend dicke isolierende Dia mant-Pufferschicht verwendet wird, dieselben Verfahren, die vorstehend beschrieben wurden, angewandt werden.

Die Fähigkeit des offenbarten Verfahrens, ein Bauelement herzu stellen, das kein einkristallines Diamant-Substrat benötigt, ist auf die Doppelschichtstruktur zurückzuführen, die durch die Kombination der B-dotierten Diamant-Schicht 20 aus polykristal linem Diamanten und der undotierten Diamant-Schicht 30 erhalten wird und die den Bau eines MIS-Bauelements ermöglicht, dessen Strom-Spannungs-Kennlinie bis zu dem Grade verbessert ist, daß eine ausgezeichnete Gleichrichtung und eine erhöhte Durchbruch spannung möglich sind. Bei der Bildung einer solchen Struktur in selbstjustierenden Verfahren werden entweder in situ dotier te Kanäle und eine nachfolgend abgeschiedene undotierte Ober flächenschicht oder vollkommen implantierte vergrabene Schich ten, die durch die isolierende undotierte Diamant-Schicht 30 hindurch implantiert werden, angewandt. Zur Verbesserung der Leistung kann der implantierten Struktur eine zusätzliche undotierte Schicht zugesetzt werden. Ein Modifizieren der Ober fläche wird angewandt, um den Widerstand zwischen Source und Drain zu vermindern.

Es versteht sich, daß im Hinblick auf die vorstehend beschrie benen Lehren zahlreiche Modifikationen und Veränderungen der Erfindung möglich sind, beispielsweise die Anwendung einer ver tikalen Struktur anstelle der veranschaulichten Planartechnik, was ein leitendes Substrat erfordern würde, ohne daß eine iso lierende undotierte polykristalline Pufferschicht wie z. B. die Schicht 20 erforderlich ist.

Claims

1. Diamant-Bauelement des Halbleiterisolierschichttyps, gekenn zeichnet durch
ein leitendes Substrat,
eine erste polykristalline Diamant-Dünnschicht, die auf dem Substrat gebildet ist und eine bordotierte Schicht ist,
eine zweite polykristalline Diamant-Schicht, die auf der ersten Schicht gebildet ist, wobei die zweite Schicht eine undotierte Isolationsschicht ist,
eine Elektrode, die auf der Rückseite des Substrats metalli siert ist, und
eine andere Elektrodenstruktur, die auf der zweiten Schicht me tallisiert ist, um mit der ersten Schicht, der zweiten Schicht und der Substratschicht ein resultierendes Bauelement des Halb leiterisolierschichttyps mit ausgezeichneten Gleichrichtereigen schaften und großen Durchbruchspannungen zu bilden, wobei die erwähnte Struktur eine vertikale Metall-Isolator-Struktur ist.

2. Diamant-Bauelement des Halbleiterisolierschichttyps, gekenn zeichnet durch
ein Substrat,
eine erste, isolierende polykristalline Schicht, die auf dem Substrat gebildet ist,
eine zweite, polykristalline Diamant-Dünnschicht, die auf der ersten Schicht gebildet ist und einen bordotierten Teil hat, der als Kanalschicht dient,
eine dritte, isolierende undotierte polykristalline Diamant- Schicht, die auf dem bordotierten Teil der zweiten polykristal linen Schicht gebildet ist,
eine Elektrodenstruktur, die auf der dritten Schicht gebildet ist, um ein Bauelement des Halbleiterisolierschichttyps zu bil den,
wobei durch Modifizieren der Oberfläche oder durch Ionenimplan tation in die dritte Schicht oder durch chemisches Ätzen bis hinunter zur zweiten Schicht, auf das eine Elektrodenmetalli sierung folgt, ein niederohmiger ohmscher Kontakt zu der zwei ten, bordotierten Schicht erzielt wird, und
wobei auf der dritten Schicht eine Elektrodenstruktur metalli siert ist, um mit der ersten, der zweiten und der dritten Schicht ein resultierendes Bauelement des Halbleiterisolier schichttyps mit ausgezeichneten Gleichrichtereigenschaften und großen Durchbruchspannungen zu bilden, und
wobei die erwähnte Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur eine planare Struktur ist.

3. Sperrschicht-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die bordotierte zweite Dünnschicht mittels Ionen implantation durch die zweite Schicht gebildet ist.

4. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der bordotierte Teil als Ergebnis einer Ionenimplantation durch die dritte Schicht gebildet ist.

5. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche undotierte polykristalline Diamant-Schicht verwen det wird, um die elektrischen Eigenschaften des implantierten Oberflächenbereichs zu verbessern.

6. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche undotierte polykristalline Diamant-Schicht verwen det wird, um die elektrischen Eigenschaften des implantierten Oberflächenbereichs zu verbessern.

7. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht durch Dotieren in situ gebildet ist.

8. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht durch Dotieren in situ gebildet ist.

9. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das resultierende Bauelement des Halbleiterisolierschichttyps ein MIS-Feldeffekttransistor ist und daß das Bauelement ferner Source- und Drain-Kontakte, die in der dritten Schicht durch Ätzen, Ionenimplantation oder Modifizieren der Oberfläche ge bildet sind, und Source- und Drainelektroden aufweist, die auf den jeweiligen Source- und Drain-Kontakten gebildet sind.

10. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das resultierende Bauelement des Halbleiterisolierschichttyps eine Diode ist.

11. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das resultierende Bauelement des Halbleiterisolierschichttyps eine Diode ist.

12. Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode eine Schottky-Diode ist.

13. Bauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode eine Schottky-Diode ist.

14. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht eine Dicke von mehr als 20 µm und die zweite Schicht eine Dicke von 1 bis 2 µm hat.

15. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht eine polierte Schicht ist.

16. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat irgendein Material ist, das eine Abscheidung von grobkörnigem, zusammenhängendem polykristallinem Diamanten erlaubt.

17. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat Silicium ist.

18. Verfahren zur Bildung eines Diamant-Bauelements des Halb leiterisolierschichttyps, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Abscheiden einer Schicht aus isolierendem polykristallinem Dia manten auf einem Substrat,
Polieren der isolierenden polykristallinen Diamant-Schicht,
Abscheiden einer B-dotierten zweiten Diamant-Dünnschicht auf der ersten Schicht und Polieren der zweiten Schicht, um eine Halbleitertransistor-Kanalschicht zu bilden,
Abscheiden einer dritten Schicht aus undotiertem isolierendem Diamanten auf der zweiten Schicht und
Bildung einer Gateelektrode auf der dritten Schicht, um dadurch ein Bauelement des Halbleiterisolierschichttyps mit ausgezeichne ten Gleichrichtereigenschaften und großen Durchbruchspannungen zu bilden.

19. Verfahren zur Fertigung eines Diamant-Bauelements des Halb leiterisolierschichttyps, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Abscheiden einer ersten polykristallinen Schicht auf einem Sub strat,
Abscheiden einer zweiten polykristallinen Dünnschicht auf der ersten Dünnschicht,
Ionenimplantation der zweiten Dünnschicht, damit in der zweiten Schicht eine bordotierte Halbleiter-Kanalschicht gebildet wird,
Abscheiden einer dritten Schicht aus undotiertem isolierendem Diamanten auf der zweiten Schicht und
Bildung einer Gateelektrode auf der dritten Schicht, um dadurch ein resultierendes Bauelement des Halbleiterisolierschichttyps mit ausgezeichneten Widerstands- und Durchbruchspannungseigen schaften zu bilden.

20. Verfahren nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch die weite ren Schritte
der Ionenimplantation ohmscher Kontakte mit ausgewählter Fläche in die undotierte dritte Schicht und
der Bildung einer Kontakt-Metallisierung auf den ohmschen Kon takten mit ausgewählter Fläche,
wobei die Struktur als Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekt transistor angesehen wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Bildung ohmscher Kontakte dienende Schritt der Ionenimplan tation in die isolierende dritte Schicht einen Schritt umfaßt, bei dem die Gateelektrode in Verbindung mit einem Photoresist gebildet und die gesamte Struktur einer Ionenimplantation un terzogen wird, um in der dritten, isolierenden Schicht ohmsche Source- und Drain-Kontakte zu bilden und dadurch eine selbstju stierte Feldeffekttransistor-Struktur zu bilden, die zwischen Source und Drain einen minimierten Widerstand hat.

22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche undotierte polykristalline Schicht verwendet wird, um die Leistung der implantierten Sperrschicht zu verbes sern.

23. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Transistor-Kanals eine p-Dotierungssubstanz verwendet wird.

24. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal aus n-Material entweder in situ oder durch Ionen implantation gebildet wird.

25. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat nach der Fertigung des Bauelements entfernt werden kann.

26. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement selbstjustiert ist.