金刚石半导体结构的形成方法技术

本发明专利技术提供一种金刚石半导体结构的形成方法，包括：在提供氢气和甲烷的条件下，且在未加入催化气体的条件下，采用微波等离子体化学气相沉积法，在衬底上，进行金刚石生长初始阶段，以在衬底上生长第一多晶金刚石层；在提供氢气和甲烷的条件下，且在加入催化气体的条件下，继续采用微波等离子体化学气相沉积法，在第一多晶金刚石层上，进行金刚石生长加速阶段，以在第一多晶金刚石层上生长第二多晶金刚石层；对第二多晶金刚石层进行匹配研磨。本发明专利技术从产业化的角度提供一种工艺效率高且产品质量好的金刚石半导体结构的形成方法。质量好的金刚石半导体结构的形成方法。质量好的金刚石半导体结构的形成方法。

【技术实现步骤摘要】
金刚石半导体结构的形成方法


[0001]本专利技术涉及半导体领域，特别涉及一种金刚石半导体结构的形成方法。

技术介绍

[0002]金刚石特殊的晶体结构和强的碳
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碳键作用，使其具有许多出类拔萃的特性，具备现有其他半导体材料不可比拟的物理、化学、电子、光学、热学和机械性能。它的带隙宽、热导率高、击穿场强高、载流子迁移率高、耐高温、抗酸碱、抗腐蚀且抗辐照，这些优越性使其在高功率、高频和高温领域等方面发挥重要作用。然而，自然界中天然存在的金刚石无法满足广泛的应用需求。
[0003]人工培育金刚石的方法包括高压高温法(HPHT)与化学气相沉积法(CVD)等。高压高温法制备的金刚石合成尺寸小，纯度低，不易掺杂。化学气相沉积法既能够制备单晶，也能够制备多晶，还可进行掺杂，且在理论上化学气相沉积法制备的金刚石尺寸不受限制。
[0004]化学气相沉积法对金刚石的制备又有三种方法：热丝化学气相沉积法、直流等离子体喷射化学气相沉积法和微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)。微波等离子体化学气相沉积法具有微波能量无污染和气体原料纯净等优势，在众多金刚石制备方法中脱颖而出，成为制备大尺寸和高品质多晶金刚石最有发展前景的技术。
[0005]更多有关金刚石半导体结构形成方法的内容可以参考CN1705775A、GB2584010A、CN109911894A、US20190326030Al和CN107004639A的专利文献。

技术实现思路

[0006]为进一步提高金刚石半导体结构的形成效率并保证结构品质，本专利技术提供一种新的金刚石半导体结构的形成方法。
[0007]本专利技术是这样实现的：在提供氢气和甲烷的条件下，且在未加入催化气体的条件下，采用微波等离子体化学气相沉积法，在衬底上，进行金刚石生长初始阶段，以在衬底上生长第一多晶金刚石层；在提供氢气和甲烷的条件下，且在加入催化气体的条件下，继续采用微波等离子体化学气相沉积法，在第一多晶金刚石层上，进行金刚石生长加速阶段，以在第一多晶金刚石层上生长第二多晶金刚石层；对第二多晶金刚石层进行匹配研磨。
[0008]可选的，在金刚石生长加速阶段结束时，第一多晶金刚石层和第二多晶金刚石层的总厚度为30
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100μm；在金刚石生长初始阶段结束时，第一多晶金刚石层的厚度达到总厚度的60
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75％。然后进行金刚石生长加速阶段。
[0009]可选的，在金刚石生长加速阶段，加入的催化气体为氮气，催化气体占气源的比例为0.8
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1.2％。
[0010]可选的，对第二多晶金刚石层进行的匹配研磨包括预研磨和梯度研磨；预研磨包括将金刚石磨粒砂浆(金刚石磨粒调配成相应砂浆)喷洒(充分喷洒)在磨盘上，对磨盘进行修盘研磨；梯度研磨先使用粒径为20μm的金刚石磨粒砂浆进行第一梯度研磨，再使用粒径为10μm的金刚石磨粒砂浆进行第二研磨。
[0011]可选的，在金刚石生长加速阶段结束时，第一多晶金刚石层和第二多晶金刚石层的总厚度为250
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600μm；在金刚石生长初始阶段结束时，第一多晶金刚石层的厚度达到总厚度的60
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80％。然后进行金刚石生长加速阶段。
[0012]可选的，在金刚石生长加速阶段，加入的催化气体为氮气，催化气体占气源的比例为0.04
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0.2％。
[0013]可选的，对第二多晶金刚石层进行的匹配研磨包括预研磨和梯度研磨；预研磨包括将将金刚石磨粒砂浆喷洒在磨盘上，对磨盘进行修盘研磨；梯度研磨先使用粒径为40μm的金刚石磨粒砂浆进行第一梯度研磨，再使用粒径为20μm的金刚石磨粒砂浆进行第二梯度研磨，之后使用粒径为10μm的金刚石磨粒砂浆进行第三梯度研磨。
[0014]本专利技术上述不同可选方案中，采取不同粒径的金刚石磨料进行组合研磨，能够使快速生长(8
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10μm/h)的2英寸多晶金刚石的表面粗糙度，从微米级别降低至几十纳米以下(例如30nm以下或者20nm以下)。
[0015]为了减少生长和研磨金刚石的整体时间，本专利技术在多晶金刚石层生长的最后一步一个阶段，提高生长速率，使这个阶段成为金刚石生长加速阶段，从而生长出一个以备研磨的快速生长层，此快速生长层即为第二多晶金刚石层。
[0016]本专利技术还针对不同的生长层形貌(主要是由于厚度不同而导致的不同生长层形貌)，选用不同磨料粒径的金刚石磨料组合，以达到较高的去除效率和研磨效果。
[0017]本专利技术使用的衬底的材料可以为硅、钼、铱、氮化硼、氮化镓或者碳化硅。
[0018]可选的，金刚石生长初始阶段采用的微波功率可以为3000
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5000W，采用的气压可以为100
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200Torr，衬底的温度可以控制在600
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1200℃，气源包括氢气和甲烷，气体总流量可以为300
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600sccm，甲烷浓度可以为1
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5％。
[0019]可选的，金刚石生长加速阶段采用的微波功率可以为3000
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5000W，采用的气压可以为100
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200Torr，衬底的温度可以控制在800
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1200℃，气源包括氢气、甲烷和催化气体，气体总流量可以为300
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600sccm，甲烷浓度可以为1
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5％；催化气体可以为氮气。
[0020]可选的，金刚石生长加速阶段的进行时间可以是1.25
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12.5h，即在多晶金刚石生长结束前的1.25
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12.5h内添加相应的氮气作为催化气体，以加快本应被研磨去除的材料部分的生长速率。
[0021]可选的，控制第二多晶金刚石层的生长速率为8
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10μm/h，即本专利技术控制本应被研磨去除的材料部分的生长速度为8
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10μm/h。
[0022]可选的，匹配研磨可以采用游星轮式铸铁研磨盘进行研磨，研磨盘的转速为20
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40rpm，磨粒砂浆的磨料质量分数为5
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10wt％，研磨液的流量为10
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20ml/min，研磨压力为200
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2000g。
[0023]本专利技术的有益效果如下。
[0024]鉴于微波等离子体化学气相沉积法生长金刚石的难点在于生长速率较低，且对金刚石进行研磨加工的主要难点在于材料硬度极大，耗时极长。因此，本专利技术选择将金刚石生长的过程分为两个阶段，分别是金刚石生长初始阶段和金刚石生长加速阶段。金刚石生长初始阶段采用氢气和甲烷作为气源。而在金刚石生长加速阶段添加氮气，起到强催化作用，明显增加沉积速率(即生长速率)，且沉积形成的层结构中非金刚石相不断增多，生长质量不断降低，而这一降低正是本专利技术所利用的。因为，本专利技术利用此时出现的大量无定形碳结
构，使得第二多晶金刚石层的结晶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金刚石半导体结构的形成方法，其特征在于，包括：在提供氢气和甲烷的条件下，且在未加入催化气体的条件下，采用微波等离子体化学气相沉积法，在衬底上，进行金刚石生长初始阶段，以在所述衬底上生长第一多晶金刚石层；在提供氢气和甲烷的条件下，且在加入所述催化气体的条件下，继续采用微波等离子体化学气相沉积法，在所述第一多晶金刚石层上，进行金刚石生长加速阶段，以在所述第一多晶金刚石层上生长第二多晶金刚石层；对所述第二多晶金刚石层进行匹配研磨。2.如权利要求1所述的金刚石半导体结构的形成方法，其特征在于，在所述金刚石生长加速阶段结束时，所述第一多晶金刚石层和第二多晶金刚石层的总厚度为30
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100μm；在所述金刚石生长初始阶段结束时，所述第一多晶金刚石层的厚度达到所述总厚度的60
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75％。3.如权利要求2所述的金刚石半导体结构的形成方法，其特征在于，在所述金刚石生长加速阶段，加入的所述催化气体为氮气，所述催化气体占气源的比例为0.8
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1.2％。4.如权利要求3所述的金刚石半导体结构的形成方法，其特征在于，对所述第二多晶金刚石层进行的所述匹配研磨包括预研磨和梯度研磨；所述预研磨包括将金刚石磨粒砂浆喷洒在磨盘上，以对所述磨盘进行修盘研磨；所述梯度研磨先使用粒径为20μm的金刚石磨粒砂浆进行第一梯度研磨，再使用粒径为10μm的金刚石磨粒砂浆进行第二研磨。5.如权利要求1所述的金刚石半导体结构的形成方法，其特征在于，在所述金刚石生长加速阶段结束时，所述第一多晶金刚石层和第二多晶金刚石层的总厚度为250
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600μm；在所述金刚石生长初始阶段结束时，所述第一多晶金刚石层的厚度达到所述总厚度的60
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80％。6.如权利要求5所述的金刚石半导体结构的形成方法，其特征在于，在所述金刚石生长加速阶段，加入的所述催化气体为氮气，所述催化气体占气源的比例为0.04
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0.2％。7.如权利要求6所述的金刚石半导...

【专利技术属性】
技术研发人员：张粉红，李熙规，
申请(专利权)人：化合积电厦门半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：