DE19743496C2 - Isolatorschicht für ein eine aktive Diamantschicht aufweisendes mikroelektronisches Bauteil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Isolatorschicht für ein eine aktive Dia­ mantschicht aufweisendes mikroelektronisches Bauteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es bspw. aus der gattungsbil­ dend zugrundegelegten US 5,254,862 als bekannt hervorgeht.

Aus der US 5,254,862 A1 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 5,173,761 ist ein weiteres mikroelektronisches Bau­ teil bekannt, bei dem zwischen einer Al-Elektrode und einem p- dotierten Si-Substrat eine Bor-dotierte Diamantschicht und an­ schließend eine undotierte, isolierende Diamant­ schicht angeordnet ist. Die undotierte Diamantschicht isoliert die Al-Elektrode von der dotierten Diamantschicht. Das Aus­ schuss- bzw. Ausfallverhalten bei höheren Temperaturen auf­ grund der zunehmenden spez. Leitfähigkeit ist hier ebenfalls verbesserungswürdig.

Aus der US 5,538,911 ist ein mikroelektronisches Bauteil be­ kannt, das als aktive Schicht eine Diamantschicht aufweist. Die Diamantschicht ist auf einer elektrisch isolierenden Isolator­ schicht aus Siliziumnitrid (SiN) und die Isolatorschicht ih­ rerseits auf einem Wachstums-Substrat aus Silizium (Si) ange­ ordnet. Die Verwendung dieses Bauteiles ist hinsichtlich der thermischen Belastbarkeit u. a. daher beschränkt, da die spezifische Leitfähigkeit des SiN der Isolatorschicht bei stei­ gender Temperatur stark zunimmt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, das zugrundegelegte Bauteil dahingehend zu verbessern, daß bei einer möglichst geringen Ausschußrate bei der Herstellung des Bauteils dessen Beständig­ keit gegenüber einer thermischen Belastung verbessert ist.

Diese Aufgabe wird bei dem zugrundegelegten Bauteil erfindungs­ gemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Verwendung eines Mehrschichtsystems mit den an­ gegebenen Materialkriterien für die Isolatorschicht wird die spez. Leitfähigkeit und die Temperaturbeständigkeit der gesam­ ten Isolatorschicht sogar gegenüber den jeweiligen einzelnen Materialien der einzelnen Schichten verbessert, wodurch auch die Ausschußrate für die genannten Bauteile gesenkt ist. Insbe­ sondere ist bei der Verwendung von SiN, SiO₂, Al₂O₃ und/oder Si_xO_yN_z-Mehrschichtsystemen für die Isolatorschicht die thermi­ sche Belastbarkeit der Bauteile auch über 200°C, insbesondere über 350°C ermöglicht.

Zweckmäßige Ausgestaltungen sind den weiteren Ansprüchen ent­ nehmbar. Im übrigen wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeipiels nähers erläutert.

Dabei zeigt

Fig. 1 ein Ausschnitt eines Schnittes durch ein Bauteil in ho­ rizontaler Bauweise,

Fig. 2 ein Ausschnitt eines Schnittes durch ein Bauteil in vertikaler Bauweise und

Fig. 3 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 Diamant 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 Schichten und zwar zwei außenliegende Außenschichten 3 und eine zwischen den bei­ den Außenschichten 3 innenliegend angeordnete Zwischenschicht 4 auf, die alle parallel zur n-dotierten Diamantschicht 2 ausge­ richtet 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 die vorzugsweise Titan aufweisende und als Gate-Elektrode verwendete Metallschicht 5 angeordnet.

Die beiden Außenschichten 3 weisen vorzugsweise 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, ist. Dies ist daher günstig, da SiN ge­ genüber Diamant eine bessere Haftung wie SiO_, aufweist und fer­ ner gegenüber dem Metall der Metallschicht 5 auch thermisch stabiler ist. Das als Zwischenmaterial für die Zwischenschicht verwendete SiO₂ hingegen weist den bessere, weil geringe spez. elektrische Leitfähigkeit auf.

Interessanter Weise ist die spez. Leitfähigkeit der gesamten Isolatorschicht 1 geringer als die des SiO₂, wie aus dem die spez. Leitfähigkeit von SiO₂, SiN und der erfindungsgemäßen Isolatorschicht 1 aus SiN/SiO₂/SiN darstellenden Arrhenius- Diagramm gemäß Fig. 3 ersichtlich ist. Ebenso kann die Isola­ torschicht 1 auch stärker thermisch belastet werden, ohne daß die Isolatorschicht 1 Ermüdungs- und/oder Zerstörungserschei­ nungen aufweist.

Anstelle von SiN und SiO₂ können auch andere Nitride, Oxide, insbesondere Metalloxide sowie Oxynitride, insbesondere Silizi­ umoxynitride (Si_xO_yN_z) für das Außen- und/oder das Zwischenmate­ rial verwendet werden, wobei das Zwischenmaterial auch ein Oxid, insbesondere ein Metalloxid wie bspw. Al₂O₃ sein kann. Al­ lerdings ist bei der Verwendung von Oxynitriden für die Außen­ schichten 3 und die Zwischenschicht 4 darauf zu achten, daß das Oxynitrid des Zwischenmaterials eine sich von dem Oxynitrid des Außenmaterials unterscheidende Zusammensetzung aufweist.

In Fig. 2 ist ein Ausschnitt einer Kompositstruktur darge­ stellt, die mehrere Bauteile 10 aufweist. Die Bauteile 10 sind durch eine Isolatorschicht 1 elektrisch voneinander isoliert. Im Gegensatz zu dem Bauteil 10 nach Fig. 1 weisen die Bauteile 10 nach Fig. 2 eine vertikale Bauweise auf. Bei der Darstel­ lung wurden die Anschlüsse und die Feinstrukturen der Bauteile nicht eingezeichnet. Bei Kompositstrukturen gemäß Fig. 2 müs­ sen die einzelnen Bauteile 10 zumindest zum Teil in einer par­ allel zur Oberfläche des Wachstums-Substrats 9 verlaufenden Richtung elektrisch voneinander isoliert werden. Dies erfolgt im vorliegenden Fall dadurch, daß die Außenschichten 3 und die Zwischenschicht 4 der Isolatorschicht 1 zwar gleichartig, ins­ besondere parallel zueinander ausgerichtet sind, aber quer zur Oberfläche des Wachstums-Substrats 9 verlaufen. Insbesondere ragt die Isolatorschicht 1 bis in das Wachstums-Substrat 9 hin­ ein, wodurch eine gute und temperaturbeständige gegenseitige Isolation der einzelnen Bauteile 10 voneinander gewährleistet ist.

Claims (7)

1. Isolatorschicht für ein eine aktive Diamantschicht aufwei­ sendes mikroelektronisches Bauteil, welche Isolatorschicht di­ rekt auf der Diamantschicht angeordnet ist und die Diamant­ schicht elektrisch von wenigstens einer weiteren Schicht elek­ trisch isoliert, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolatorschicht (1) mindestens zwei einzelne Schichten aufweist, daß die einzelnen Schichten entsprechend der Diamant­ schicht (2), insbesondere parallel zur ihr 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 die Außen­ schicht (3) gegenüber Diamant eine bessere Haftung als die Zwi­ schenschicht (4) aufweist und daß die Außenschicht (4) in di­ rektem Kontakt zu der Diamantschicht (2) angeordnet ist.

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 Isolatorschicht (1) mindestens drei einzelne Schichten aufweist und daß die aus dem Zwischenmaterial gebildete und gegenüber dem Außenmaterial eine geringere spez. Leitfähigkeit aufweisende Zwischenschicht (4) zwischen zwei Außenschichten (3) aus dem Außenmaterial angeordnet ist.

4. Isolatorschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenmaterial Siliziumnitrid oder Siliziumoxynitrid ist und daß das Zwischenmaterial Siliziumoxynitrid oder Silizi­ umoxid ist, wobei im Falle von für die Außen- (3) und für die Zwischenschicht (4) verwendetem 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 Sili­ ziumoxid ist.

6. Isolatorschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolatorschicht (1) drei einzelne Schichten aufweist, daß die beiden Außenschichten (3) aus Siliziumnitrid (SiN) und die zwischen den beiden Außenschichten (3) innenliegend ange­ ordnete Zwischenschicht (4) aus Siliziumoxid (SiO₂) ist.

7. 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.