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DE19738512A1 - Doped diamond layer of a microelectronic component - Google Patents

Doped diamond layer of a microelectronic component

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DE19738512A1
DE19738512A1 DE19738512A DE19738512A DE19738512A1 DE 19738512 A1 DE19738512 A1 DE 19738512A1 DE 19738512 A DE19738512 A DE 19738512A DE 19738512 A DE19738512 A DE 19738512A DE 19738512 A1 DE19738512 A1 DE 19738512A1
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DE
Germany
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diamond layer
doping
per
doped
titanium
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DE19738512A
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Eckert Dr Boettger
Herrmann Ferber
Bernhard Dr Zachai
Andre Floeter
Silvia Dr Tomaschko
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Mercedes Benz Group AG
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Daimler Benz AG
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Publication date
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Abstract

A diamond layer of a microelectronic component is doped with a group IVb element and is free from or contains an insignificant amount of the doping element carbide. An Independent claim is included for a method of doping a diamond layer of a semiconductor component produced at least partially by epitaxy, in which the layer is doped with one or more group IVb elements. Preferred Features: The diamond layer is a heteroepitaxial oriented diamond layer on a silicon growth substrate and is doped with titanium preferably by ion implantation at a concentration of 0.8\*10<20>-2.0\*10<20> atoms per cm<3>.

Description

Die Erfindung betrifft Diamantschicht eines mikroelektronischen Bauteils gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Ver­ fahren zu deren Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 6 bzw. 11, wie beides aus der gattungsgemäß zugrundegelegten US 5,278,430 als bekannt hervorgeht.The invention relates to a microelectronic diamond layer Component according to the preamble of claim 1 and a Ver drive to their manufacture according to the preamble of the claim 6 and 11, as both from the generic US 5,278,430 emerges as known.

Aus der zugrundegelegten US 5,278,430 ist eine mikroelektroni­ sches Bauteil bekannt, daß u. a. Diamantschichten aufweist. Die Diamantschichten sind sowohl p- als auch n-dotiert, wobei zur p-Dotierung als Akzeptoren Elemente der III-ten Hauptgruppe des Periodensystems und zur n-Dotierung als Donatoren Elemente der V-ten Hauptgruppe des Periodensystems eingesetzt werden.US 5,278,430 is based on a microelectronic cal component known that u. a. Has diamond layers. The Diamond layers are p- as well as n-doped p-doping as acceptors elements of the III-th main group of the Periodic table and for n-doping as donors elements of Vth main group of the periodic table can be used.

Aus der US 5,508,208 ist eine Diamantschicht bekannt, die mit Lithium (Li) eine n-Dotierung aufweist. Die Dotierung erfolgt unter Zuhilfenahme eine aus LiN2 gebildeten Plasmas, wobei die angeregten Lithiumatome in die Diamantschicht eindiffundieren.From US 5,508,208 a diamond layer is known which has an n-doping with lithium (Li). The doping is carried out with the aid of a plasma formed from LiN 2 , the excited lithium atoms diffusing into the diamond layer.

Aus der US 5,382,809 sind als dotierend wirkende Elemente Stickstoff (N), Phosphor (P), Silizium (Si) und Kohlenstoff (C) bekannt.From US 5,382,809 are doping elements Nitrogen (N), phosphorus (P), silicon (Si) and carbon (C) known.

Bei allen diesen klassischen dotierend wirksamen Elementen ist die Reproduzierbarkeit insbesondere der n-Dotierung zu gering.With all of these classic doping elements the reproducibility, in particular of the n-doping, is too low.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Diamantschicht für ein mikroelektronisches Bauteil zu entwickeln, die mit hoher Repro­ duzierbarkeit eine gute, vorzugsweise n-Dotierung aufweist. The object of the invention is to provide a diamond layer for a to develop microelectronic device with high repro ducibility has a good, preferably n-doping.  

Desweiteren ist ein Verfahren zur Herstellung der Diamant­ schicht anzugeben.Furthermore, there is a process for producing the diamond layer to specify.

Die Aufgabe wird hinsichtlich der Diamantschicht des Bauteils mit den Merkmalen des Anspruch 1 und bzgl. des Verfahrens mit den Verfahrensschritten des Anspruch 6 bzw. 11 gelöst. Durch die Dotierung der Diamantschicht insbesondere mit Titan, die sowohl mittels Ionenimplantation als auch in-situ während des Wachstums der Diamantschicht vorgenommen werden kann, ergibt sich für die erfindungsgemäß dotierten Diamantschichten ein eindeutig halbleitendes Verhalten.The task is regarding the diamond layer of the component with the features of claim 1 and with respect to the method the method steps of claim 6 and 11 solved. By the doping of the diamond layer in particular with titanium, the both by means of ion implantation and in situ during the Growth of the diamond layer can be made results agree on the diamond layers doped according to the invention clearly semiconducting behavior.

Weitere sinnvolle Ausgestaltungen der Erfindung sind den zuge­ hörigen weiteren Ansprüchen entnehmbar. Im übrigen wird die Er­ findung anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungs­ beispieles dargestellt. Dabei zeigtOther useful embodiments of the invention are the hear further claims. Otherwise the Er Finding on the basis of an embodiment shown in the figures example shown. It shows

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer strukturierten Ti und -dotieren Diamantschicht einer intrinsischen Dia­ mantschicht, Fig. 1 is a perspective view of a patterned Ti and -dotieren diamond layer mantschicht an intrinsic slide,

Fig. 2 eine Schnitt durch die Schichtstruktur nach Fig. 1 entlang der Längsachse, Fig. 2 is a section through the layer structure of Fig. 1 along the longitudinal axis,

Fig. 3 eine Arrhenius-Darstellung der spez. Leitfähigkeit ei­ ner mit Titan dotierten Probe und Fig. 3 is an Arrhenius representation of the spec. Conductivity of a sample doped with titanium and

Fig. 4 ein Dotierprofil der mit Ti dotierten Probe. Fig. 4 is a doping profile of the Ti doped sample.

In Fig. 1 ist eine Schichtstruktur dargestellt, bei der auf einer intrinsisch halbleitenden Diamantschicht 2 eine mit einem Element dotierte Diamantschicht 2 angeordnet ist. In Fig. 2 ist der Querschnitt entlang der Längsachse dargestellt. Im Falle der Erfindung handelt es sich bei dem zum Dotieren ver­ wendeten Element um Titan. Die Schichtstruktur ist zur Messung der Leitfähigkeit der dotierten Diamantschicht vorgesehen, wo­ bei als Meßmethode die Hallmethode angelegt wird. Hierbei wir zwischen den beiden äußeren (links und rechts) Anschlüssen eine elektrische Spannung (UVersorgung) angelegt. Ferner wird mittels des Magneten in der Mitte der Struktur der dotierten Diamant­ schicht 2 ein inhomogenes Magnetfeld erzeugt. Zur Messung der Hallspannung wird der Magnet einmal von oben und einmal von un­ ten angelegt und auf bin maximales Hallsignal justiert. An den beiden oben und unten angeordneten randseitigen Anschlüssen wird dann die Hallspannung (UHall) abgegriffen, die sich durch die auf dem Ladungstrennung der Ladungsträger im Magnetfeld er­ gibt. Die Messung wurde anhand einer mit Ti dotierten Diamant­ schicht 2 vorgenommen, wobei als Referenz eine mit Bor p-dotierte Diamantschicht gemessen wurde. Als Magnet wurde in beiden Fällen ein Magnet der Firma Schallenhammer Magnetsysteme mit der Bezeichnung NdFeB35 und einer Stärke des Magnetfeldes ca. 1 Tesla verwendet. Zur Erzeugung eines inhomogenen Ma­ gnetfeldes wurde der Magnet vor der Messung angespitzt.In Fig. 1, a layer structure is shown, a doped with an element diamond layer 2 is disposed on at an intrinsically semi-conductive diamond layer 2. In FIG. 2, the cross section is shown along the longitudinal axis. In the case of the invention, the element used for doping is titanium. The layer structure is provided for measuring the conductivity of the doped diamond layer, where the Hall method is applied as the measuring method. Here, an electrical voltage (U supply ) is applied between the two outer (left and right) connections. Furthermore, an inhomogeneous magnetic field is generated by means of the magnet in the middle of the structure of the doped diamond layer 2 . To measure the Hall voltage, the magnet is applied once from above and once from below and adjusted to the maximum Hall signal. The Hall voltage (U Hall ) is then tapped off at the two connections arranged at the top and bottom, which results from the charge carriers in the magnetic field due to the charge separation. The measurement was carried out using a diamond layer 2 doped with Ti, a diamond layer p-doped with boron being measured as a reference. In both cases, a magnet from Schallenhammer Magnetsysteme with the designation NdFeB35 and a strength of the magnetic field of approximately 1 Tesla was used as the magnet. To generate an inhomogeneous magnetic field, the magnet was pointed before the measurement.

Aus den Messungen ergab sich, ein Verhältnis der Hallspannung in der Titan-Diamantschicht zu der Bor-Diamantschicht von ca. -35. Das entsprechende Stromverhältnis betrug etwa 10⁻4. Die Beweg­ lichkeit in der Bor-Diamantschicht betrug 50 cm2/(Vs) und die der Titan-Diamantschicht mit 1,7.103 cm2/(Vs). Diesen Werte deuten bzgl. der mit Titan dotierten Diamantschicht 2 auf eine n-Dotierung hin.The measurements showed a ratio of the Hall voltage in the titanium diamond layer to the boron diamond layer of approximately -35. The corresponding current ratio was about 10⁻. 4 The mobility in the boron diamond layer was 50 cm 2 / (Vs) and that of the titanium diamond layer was 1.7.10 3 cm 2 / (Vs). These values indicate an n-doping with regard to the titanium layer 2 doped with titanium.

In Fig. 3 ist eine Diagramm dargestellt, bei dem die spez. elektrische Leitfähigkeit in [1/(Q.cm)] einer Probe über dem Reziproken der Temperatur in [1/K] aufgetragen ist. Die Probe zeigt ein typisches halbleitendes Verhalten einer dotierten Schicht. Die Aktivierungsenergie der Leitfähigkeit dieser do­ tierten Diamantschicht kann in bekannter Weise aus der Steigung der Geraden ermittelt werden und beträgt 0,27 eV.In Fig. 3, a diagram is shown in which the spec. electrical conductivity is plotted in [1 / (Q.cm)] of a sample above the reciprocal of the temperature in [1 / K]. The sample shows a typical semiconducting behavior of a doped layer. The activation energy of the conductivity of this doped diamond layer can be determined in a known manner from the slope of the straight line and is 0.27 eV.

Zur Herstellung der Probe wurde ein Wachstums-Substrat aus Si­ lizium mittels einem Plasma-CVD-Verfahren mit einer heteroepi­ taktisch orientierten Diamantschicht versehen. Diese Diamant­ schicht wurde einem Ionenstrahl ausgesetzt. Zunächst wurde eine Dosis von 6.0.1014 Titanionen pro cm2 bei einer Energie von 170 keV implantiert. Anschließend wurde die Diamantschicht zusätz­ lich mit einer Dosis von 3.5.1014 Titanionen pro cm2 bei einer Energie des Ionenstrahls von 80 keV implantiert.To produce the sample, a growth substrate made of silicon was provided with a heteroepi-tactically oriented diamond layer by means of a plasma CVD method. This diamond layer was exposed to an ion beam. First, a dose of 6.0.10 14 titanium ions per cm 2 was implanted at an energy of 170 keV. The diamond layer was then implanted with a dose of 3.5.10 14 titanium ions per cm 2 with an energy of the ion beam of 80 keV.

In Fig. 4 ist das Dotierprofil der Probe gepunktet darge­ stellt. In dem Diagramm ist entlang der x-Koordinate die Tiefe der Diamantschicht beginnend von der freien Oberfläche - also die vom Wachstums-Substrat abgewandten Oberfläche - darge­ stellt. Auf der linken y-Koordinaten ist die Atomdichte in Ato­ men pro cm3 aufgetragen, während entlang der rechten y-Koordinaten der prozentuale Anteil von Titan in der Diamant­ schicht dargestellt ist. Das sich ergebende gewellte und punk­ tiert dargestellte Dotierprofil ist aus zwei einzelnen Vertei­ lungen gebildet, die mit durchgezogenen Linien dargestellt ist. Die Schwerpunkte der Verteilungen liegen bei ca. 380 Å und bei ca. 730 Å. Die zugehörigen Atomdichten des Titans sind hierbei 1.6.1020 Atome pro cm3 bzw. 1.3.1020Atome pro cm2.In Fig. 4 the doping profile of the sample is dotted Darge. In the diagram, along the x coordinate, the depth of the diamond layer starting from the free surface - that is, the surface facing away from the growth substrate - is shown. The atomic density in atoms per cm 3 is plotted on the left y-coordinate, while the percentage of titanium in the diamond layer is shown along the right y-coordinate. The resulting corrugated and dotted line doping profile is formed from two individual distributions, which is shown with solid lines. The focal points of the distributions are around 380 Å and around 730 Å. The associated atomic densities of titanium are 1.6.10 20 atoms per cm 3 or 1.3.10 20 atoms per cm 2 .

Claims (14)

1. Diamantschicht eines mikroelektronischen Bauteils, welches zumindest teilweise mittels eines epitaktischen Verfahrens her­ gestellt ist und elektrisch halbleitende Schichten, ein Wachs­ tums-Substrat und mit wenigstens eine mit einem Element des Pe­ riodensystems dotierte Diamantschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Diamantschicht (2) mit einem Element der Gruppe IVb des Periodensystems dotiert ist und daß die Diamantschicht (2) frei dem Karbid des dotierend wirkenden Elements ist bzw. das Karbid nur in vernachlässigbarer Menge aufweist.1. Diamond layer of a microelectronic component which is at least partially produced by an epitaxial method and has electrically semiconducting layers, a growth substrate and at least one diamond layer doped with an element of the periodic system, characterized in that the diamond layer ( 2 ) is doped with an element from group IVb of the periodic table and that the diamond layer ( 2 ) is free of the carbide of the doping element or has the carbide only in a negligible amount. 2. Diamantschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dotierend wirkende Element Titan (Ti) ist und daß die Diamantschicht (2) frei von Titancarbid (TiC) ist bzw. TiC nur vernachlässigbarer Menge aufweist.2. Diamond layer according to claim 1, characterized in that the doping element is titanium (Ti) and that the diamond layer ( 2 ) is free of titanium carbide (TiC) or TiC has only a negligible amount. 3. Diamantschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des dotierend wirkenden Elements in der Diamantschicht (2) zwischen 0.8.1020 pro cm3und 2.0.1020 pro cm3, insbesondere 1.2.1020 pro cm3und 1.6.1020 pro cm3 beträgt.3. Diamond layer according to claim 1, characterized in that the concentration of the doping element in the diamond layer ( 2 ) between 0.8.10 20 per cm 3 and 2.0.10 20 per cm 3 , in particular 1.2.10 20 per cm 3 and 1.6 .10 is 20 per cm 3 . 4. Diamantschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wachstums-Substrat (1) aus Silizium (Si) ist.4. Diamond layer according to claim 1, characterized in that the growth substrate ( 1 ) is made of silicon (Si). 5. Diamantschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wachstums-Substrat (1) aus Silizium (Si) ist und daß die Diamantschicht (2) eine heteroepitaktisch darauf orientierte Diamantschicht (2) ist.5. A diamond layer according to claim 1, characterized in that the growth substrate (1) is made of silicon (Si) and that the diamond layer (2) is a heteroepitaxially thereon oriented diamond layer (2). 6. Verfahren zum Dotieren einer Diamantschicht eines zumindest teilweise epitaktisch hergestellten halbleitenden Bauteils, bei dem in die Diamantschicht wenigstens ein dotierend wirkendes Element eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß als dotierend wirkendes Element ein Element der Gruppe IVb des Periodensystems gewählt wird.6. Method for doping a diamond layer at least one partially epitaxially manufactured semiconducting component, at at least one that has a doping effect in the diamond layer Element is introduced, characterized, that as a doping element an element of group IVb of the periodic table is chosen. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Element mittels Ionenimplantation in die Diamantschicht (2) eingebracht wird.7. The method according to claim 6, characterized in that the element is introduced into the diamond layer ( 2 ) by means of ion implantation. 8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß das Element mittels Ionenimplantation in die Diamantschicht (2) eingebracht wird und daß das dotierend wirkende Elements mit einer Dosis zwischen 1.1014 Ionen pro cm2 und 8.1014 Ionen pro cm2, insbesondere zwischen 3.5.1014 Ionen pro cm2 und 6.0.1014 Ionen pro cm2 implantiert wird.8. The method according to claim 6, characterized in that the element is introduced by means of ion implantation in the diamond layer ( 2 ) and that the doping element with a dose between 1.10 14 ions per cm 2 and 8.10 14 ions per cm 2 , in particular between 3.5. 10 14 ions per cm 2 and 6.0.10 14 ions per cm 2 is implanted. 9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Element mittels Ionenimplantation in die Diamantschicht (2) eingebracht wird und daß ein Ionenstrahl eine Energie zwi­ schen 50 und 200 keV, insbesondere zwischen 80 keV und 170 keV verwendet wird.9. The method according to claim 6, characterized in that the element is introduced by means of ion implantation in the diamond layer ( 2 ) and that an ion beam an energy between 50 and 200 keV's, in particular between 80 keV and 170 keV is used. 10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Element mittels Ionenimplantation in die Diamantschicht (2) eingebracht wird und daß das die Diamantschicht (2) bei der Implantation auf eine Temperatur zwischen 800 und 1200, bevor­ zugt auf etwa 1000°C erhitzt wird.10. The method according to claim 6, characterized in that the element is introduced by means of ion implantation in the diamond layer ( 2 ) and that the diamond layer ( 2 ) during the implantation to a temperature between 800 and 1200, before heated to about 1000 ° C. becomes. 11. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6, daß ein Wachstums-Substrat aus zumindest weitgehend monokri­ stallinem Silizium verwendet wird.11. The method according to the preamble of claim 6, that a growth substrate from at least largely monocri stallin silicon is used. 12. Verfahren nach Anspruch 6 oder 11, dadurch gekennzeichnete daß eine auf Silizium heteroepitaktisch orientierte Diamant­ schicht (2) verwendet wird.12. The method according to claim 6 or 11, characterized in that a silicon heteroepitaxially oriented diamond layer ( 2 ) is used. 13. Verfahren nach Anspruch 6 oder 11, dadurch gekennzeichnete daß als dotierend wirkendes Element Titan (Ti) verwendet wird und daß in der die Diamantschicht (2) ein Bildung von Titancar­ bid (TiC) vermieden bzw. zumindest weitgehend verhindert wird.13. The method according to claim 6 or 11, characterized in that titanium (Ti) is used as the doping element and that in the diamond layer ( 2 ) formation of titanium car bid (TiC) is avoided or at least largely prevented. 14 Verfahren nach Anspruch 6 oder 11, dadurch gekennzeichnete daß das dotierend wirkenden Element in der Diamantschicht (2) mit einer Konzentration zwischen 0.8.1020 Atomen pro cm3 und 2.0.1020 Atomen pro cm3, insbesondere 1.2.1020 Atomen pro cm3 und 1.6.1020 Atomen pro cm3 eingebracht wird.14 The method according to claim 6 or 11, characterized in that the doping element in the diamond layer ( 2 ) with a concentration between 0.8.1020 atoms per cm 3 and 2.0.10 20 atoms per cm 3 , in particular 1.2.10 20 atoms per cm 3 and 1.6.10 20 atoms per cm 3 is introduced.
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