CN1013965B - 金刚石膜的选择性气相生长 - Google Patents
金刚石膜的选择性气相生长Info
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Abstract
本发明属一种在半导体衬底表面选择性生长金刚石膜的方法。本方法利用了在不同材料表面金刚石成核密度具有很大差异这一性质，实现了金刚石膜的选择性生长。主要工艺过程为研磨，生长隔离膜，光刻，制备金刚石膜，化学腐蚀等。所制备的金刚石膜具有质量高，选择性生长好，不破坏衬底等优点，而且制备参数易于控制，工艺简单，成品率高。本方法制备的金刚石膜可应用于大规模集成电路，微波器件，光电器件等半导体器件的制备。
Description
本发明属于在半导体衬底表面选择性生长金刚石膜的方法。
金刚石膜的高绝缘高导热性在大规模集成电路，微波器件和光电器件等半导体器件的制备中具有广阔的应用前景。在半导体衬底表面选择性生长金刚石膜，目前采用溅射刻蚀方法使衬底表面凸凹不平，其中凸起部分表面较粗糙，用于生长金刚石膜，凹陷部分表面较光滑，不易生长金刚石膜，已有技术参见“Selective deposition of diamond crystals by chemical vapour deposition using a tungsten-filament method”，刊登在Appl.Phys.Lett.Vol.53，No.19，（1988）P1815-1817。文章介绍了在硅衬底上选择性生长金刚石薄膜的方法，其工艺过程大致为：研磨，光刻，溅射刻蚀，制备金刚石膜等;所谓研磨是使硅衬底表面粗糙，有利于生长金刚石;所谓光刻是在研磨过的硅衬底表面覆盖一层“保护胶”，用光刻方法，按设计的图案使不需要生长金刚石的地方露出硅衬底的粗糙表面;所谓溅射刻蚀是用Ar′轰击露出的硅衬底表面，使其溅射刻蚀成凹陷形状，凹陷下去的表面较光滑，再用硫酸清除凸起表面上的“保护胶”;金刚石膜的制备是采用热解化学气相沉积方法只生长在硅衬底表面的凸起部位。这种选择性生长是利用在同种材料的不同表面状态下金刚石成核密度的差异来实现的，即在刻蚀后的硅衬底表面上粗糙的凸起的部分金刚石成核密度远大于表面较光滑的凹陷部分。已有技术有如下缺点：（1）不易实现高质量金刚石膜的选择性生长，成品率低;（2）半导体衬底表面凸凹不平，不利于应用;（3）溅射刻蚀工艺复杂，要求苛刻。
本发明的目的在于对半导体衬底表面进行特殊处理，使金刚石膜的选择性生长工艺简单，制备参数易于控制，实现高质量的选择性生长。
本发明与已有技术的重要区别在于：是利用了在不同材料表面金刚石的成核密度有很大差异这一特点实现金刚石膜的选择生长;而已有技术是利用了在同一种材料的不同的表面状态下金刚石成核密度有很大差异实现选择性生长的。
本发明的大致工艺过程有：（1）研磨，用金刚石研磨膏对半导体衬底表面进行研磨，研磨的目的在于使衬底表面粗糙，有利于提高金刚石的成核密度。（2）生长隔离膜，在研磨过的半导体衬底表面生长一层另一种材料的薄膜，比如用化学气相沉积方法在表面生长氧化物膜。在适当的制备条件下，在研磨的半导体衬底和生长的隔离膜上金刚石的成核密度应具有很大的差异，从而实现金刚石膜的选择性生长。（3）光刻，用常规的光刻方法制备出所需图形，然后化学腐蚀除去需要生长金刚石膜部位的隔离膜，即用光刻腐蚀方法在衬底表面的隔离膜上开出“窗口”，使需要生长金刚石膜的部位裸露出研磨过的半导体衬底表面。（4）制备金刚石膜，用热解化学气相沉积方法以CH4和H2为原气体，通过适当控制制备参数使金刚石膜生长在“窗口”处裸露的研磨过的半导体衬底表面上，而在隔离膜上只生成数量很少的分立的金刚石颗粒，当满足一定条件时，在隔离膜上几乎不生长金刚石。（5）酸腐蚀，用酸腐蚀方法除去衬底表面上的隔离膜及生长于其上的分立的金刚石颗粒，从而达到在半导体衬底表面选择性生长金刚石膜的目的。
下面以单晶硅衬底为例叙述本发明的工艺过程。
研磨：对抛光过的硅衬底表面用金刚石研磨膏（0.5um）研磨半小时，使硅衬底表面粗糙，提高金刚石的成核密度，宜于金刚石生长。
生长隔离膜：用化学气相淀积方法在研磨过的硅衬底表面上形成隔离膜，这种隔离膜可以是SiO2膜，合成SiO2膜的原料气体是O2，N2和SiH4，沉积温度为400℃，合成时间为10分钟。实验证明，在适当制备条件下，金刚石的成核密度在硅和二氧化硅上有很大差异，本发明正是利用这种差异实现金刚石膜的选择性生长的。
光刻：按照事先设计的图案，用常规的光刻技术与化学腐蚀方法在SiO2膜上开出裸露研磨过的硅衬底表面的“窗口”，金刚石膜将只生长在“窗口”处的硅衬底表面上。
制备金刚石膜：金刚石膜是采用热解化学气相沉积法制备的。其制备条件是：原料气体为CH4和H2;CH4浓度为0.2%，衬底温度为950℃，生长时间为5小时。金刚石在“窗口”处裸露的硅衬底表面形成致密而连续的金刚石膜，而在SiO2隔离膜上面只生长数量极少的分立的金刚石颗粒。
酸腐蚀：把样品沉浸在31%的HF酸溶液中，腐蚀掉衬底表面上的SiO2膜，同时也除掉了生长在SiO2上的数量极少的金刚石颗粒，从而实现在硅衬底表面选择性生长金刚石膜。
发明人对硅衬底表面上形成的金刚石膜进行了X-光，电子衍射，喇曼光谱以及扫描电镜测量，结果表明生成物为具有立方结构的金刚石多晶薄膜，而且形成的金刚石膜是均匀而致密的，完全按设计图案形成，结晶晶面较完整，无明显表面缺陷。
本发明的在半导体衬底材料表面选择性生长的金刚石膜，可用做隔离和散热材料，在大规模集成电路，微波器件，光电器件等半导体器件及超高速计算机芯片等的制备中具有广阔的应用前景。本发明的制备方法具有衬底表面处理容易，衬底表面平整无损，易控制制备参数，易实现高质量的选择性生长等优点，是目前最易实现而且高成品率的选择性生长金刚石膜的方法。
Claims (2)
1、一种在半导体材料衬底表面选择性生长金刚石膜的方法，首先对衬底表面进行研磨，其特征在于研磨之后，进行生长隔离膜、光刻、制备金刚石膜、酸腐蚀等工艺过程，
-所说的生长隔离膜，是在研磨过的半导体衬底表面生长另一种材料的薄膜，以便造成金刚石成核密度随材料不同而有差异的条件；
-所说的光刻是用光刻腐蚀法在衬底表面的隔离膜上开出“窗口”，使需要生长金刚石膜的部位裸露出研磨过的半导体衬底表面；
-所说的制备金刚石膜是以CH4和H2作原料气体用热解化学气相沉积法制备金刚石膜；
-所说的酸腐蚀，是在生长金刚石膜之后，用酸溶液除去隔离膜及生长于其上的分立的金刚石颗粒。
2、按照权利要求1所述的在半导体材料衬底表面选择性生长金刚石膜的方法，其特征在于所说的半导体材料衬底是单晶硅材料衬底;所说的生长隔离膜是在研磨过的硅衬底表面用化学气相淀积方法生长SiO2膜。
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- 1989-09-29 CN CN 89107565 patent/CN1013965B/zh not_active Expired
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