CN104651928A - 金刚石同质外延横向生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金刚石同质外延横向生长方法，包括步骤一、在单晶金刚石衬底表面沉积掩膜层；步骤二、在衬底沉积有掩膜层的表面进行图形化处理，形成图形化表面的衬底，该图形化衬底表面被分为同质外延生长区域和横向生长区域；步骤三、在同质外延生长区域进行金刚石同质外延生长，并在横向生长区域进行的金刚石横向生长。结合横向生长方法，对于现有的单晶金刚石同质外延生长技术进行改进，能够有效的生长出位错密度低、质量高、表面光滑的单晶金刚石薄膜，降低了外延生长电子器件级单晶金刚石薄膜的难度，提高了薄膜质量；同时该技术可以用于单晶金刚石薄膜生长结构的控制，以方便地获得MEMS等所需的单晶金刚石微结构。

Description

金刚石同质外延横向生长方法

技术领域

本发明属于金刚石化学气相沉积技术领域，涉及一种金刚石同质外延横向生长方法。

背景技术

金刚石在热、电、声、光等方面具有优越的性能，其中金刚石作为一种第三代半导体材料，其禁带宽度、临界击穿电场强度、载流子的饱和漂移速率以及迁移率都非常大，介电常数非常小，特别适用于高频、高压、高功率等电子器件。除此之外，金刚石薄膜优越的性能，使得金刚石电子器件、MEMS等能够在苛刻的工作环境中工作，因此金刚石薄膜在这些领域有着极其重要的应用前景。高质量单晶金刚石薄膜是金刚石器件具有优越性能的基础。目前单晶金刚石同质外延生长技术有了很大的发展，通过调节化学气相沉积(CVD)工艺条件可以生长出质量好表面平整的单晶金刚石薄膜，满足器件要求。从而使金刚石器件的卓越性能得到初步的体现，比如目前报道已经制备出击穿场强高达7.7MV/cm的金刚石基肖特基二极管。

但是单晶金刚石薄膜相比其他单晶半导体薄膜，依然具有较高的位错密度。而半导体薄膜中较高的位错密度会影响器件性能的提升，比如金刚石肖特基二极管在金刚石薄膜位错密度增加时将引起肖特基二极管漏电流增大，导致金刚石肖特基二极管的耐压性能下降。因此，获得高质量单晶金刚石薄膜依然是当前需要解决的问题。

众所周知，衬底的位错可以向外延生长薄膜中延伸。而横向生长方法在III-V族半导体薄膜制备中被广泛用于抑制衬底位错向外延生长薄膜中延伸，来减少外延层位错密度。具体办法是在衬底上生长出III-V族半导体的成核层，再在表面沉积一层掩膜，然后利用光刻等工艺在掩膜上形成窗口，露出成核层，进而，经过在该窗口的外延生长加上掩膜上的横向生长，最终获得连续光滑的III-V族半导体薄膜。由于III-V族半导体只能在窗口成核层上生长，在掩膜上只能通过横向生长，而位错较多地在垂直方向延伸，因此，横向生长后的薄膜位错密度降低。

不同的横向生长形貌其位错延伸机制有所不同。横向生长面呈垂直形貌时，外延生长薄膜在窗口区域存在较高位错密度，在横向生长区域位错密度较低，如图5(a)所示；当横向生长面呈斜坡形貌时，外延生长出的薄膜在两个横向生长面结合附近以及窗口中央区域位错密度较高，而其他区域位错密度较低，如图5(b)所示。横向生长方法在III-V族半导体薄膜异质外延上已经十分成熟，但是目前尚无将横向生长方法应用于同质外延生长来改善薄膜质量的报道。

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发明内容

本发明的目的是提供一种金刚石同质外延横向生长方法，以解决现有采用同质外延生长法制备金刚石薄膜质量偏低的问题。

本发明所采用的技术方案是，金刚石同质外延横向生长方法，

步骤一、在单晶金刚石衬底表面沉积掩膜层；

步骤二、在衬底沉积有掩膜层的表面进行图形化处理，形成图形化表面的衬底，该图形化衬底表面被分为同质外延生长区域和横向生长区域；

步骤三、通过在同质外延生长区域进行金刚石同质外延生长，并在横向生长区域进行金刚石横向生长，在衬底上生长出单晶金刚石薄膜。

进一步的，步骤二的具体方法为：采用阻挡金刚石生长的物质膜作为掩膜层，通过光刻工艺对掩膜层进行图形化处理，经过刻蚀而裸露的单晶金刚石衬底表面区域为同质外延生长区域，未经刻蚀的掩膜覆盖区域为横向生长 区域。

进一步的，采用二氧化硅作为掩膜生成图形化表面衬底的方法具体为，在单晶金刚石衬底表面形成二氧化硅薄膜；在二氧化硅薄膜上旋涂感光胶，利用光刻工艺，曝光显影出同质外延生长区域；再以感光胶膜为掩膜刻蚀掉裸露的二氧化硅薄膜，使单晶金刚石衬底表面裸露出来，从而获得用二氧化硅作为横向生长区域掩膜的单晶金刚石衬底。

进一步的，采用铱作为掩膜生成图形化表面衬底表面的方法具体为，在单晶金刚石衬底表面旋涂上感光胶，再利用光刻工艺曝光显影出横向生长区域，然后在该衬底表面形成金属铱薄膜，然后将感光胶膜及其上的铱膜剥离，获得以铱作为横向生长区域掩膜的单晶金刚石衬底。

进一步的，步骤二的具体方法为：采用能够阻挡氧等离子体刻蚀的物质膜作为掩膜，利用反应离子刻蚀技术对掩膜进行图形化处理，通过氧等离子体刻蚀金刚石衬底表面并形成沟道，最后剥离衬底上的掩膜，未刻蚀区域为同质外延生长区域，刻蚀沟道区域为横向生长区域。

进一步的，采用铝作为掩膜生成图形化衬底表面形成沟道的方法具体为，在单晶金刚石衬底表面旋涂上感光胶，利用光刻工艺曝光显影出同质外延生长区域，再在衬底表面形成金属铝膜，然后将感光胶膜及其上的铝膜剥离，再通过氧等离子体刻蚀单晶金刚石衬底表面形成沟道，最后用盐酸去除单晶金刚石表面的铝膜，从而获得表面具有刻蚀沟道的单晶金刚石衬底。

进一步的，步骤三的具体方法为：采用微波等离子体CVD设备，在图形化的单晶金刚石衬底上同质外延生长区域外延生长单晶金刚石薄膜，再在该单晶金刚石薄膜侧面进行横向生长，从而获得低位错、高质量的单晶金刚石薄膜。

进一步的，单晶金刚石薄膜为单晶金刚石连续膜、单晶金刚石不连续膜或单晶金刚石微结构薄膜。

进一步的，将以二氧化硅材质作为单晶金刚石衬底表面掩膜层并图形化后生长出单晶金刚石连续膜，通过光刻工艺结合刻蚀技术，使部分二氧化硅裸露，再利用湿法刻蚀将二氧化硅膜去除，即获得单晶金刚石微通道结构。

进一步的，横向生长速率约为纵向生长速率的2倍。

本发明的有益效果是，结合横向生长方法，对于现有的单晶金刚石同质外延生长技术进行改进，能够有效的生长出位错密度低、质量高、表面光滑的单晶金刚石薄膜，降低了外延生长电子器件级单晶金刚石薄膜的难度，提高了薄膜质量；同时该方法可以用于单晶金刚石薄膜生长结构的控制，以方便地获得MEMS等所需的单晶金刚石微结构。

附图说明

图1是本发明金刚石同质外延横向生长方法中以阻挡金刚石生长的物质膜为掩膜时的生长示意图；

图2是本发明金刚石同质外延横向生长方法中直接在单晶金刚石衬底上刻蚀图形时的生长示意图；

图3是本发明以二氧化硅为掩膜层的图形化衬底的示意图；

图4是本发明生长完成的表面光滑的单晶金刚石连续薄膜示意图；

图5(a)和图5(b)是以二氧化硅为掩膜层进行横向生长的位错改善示意图。

图中，101.单晶金刚石衬底，102.掩膜层，103.同质生长区域，104.横向生长区域，105.沟道，106.二氧化硅掩膜层，107.单晶金刚石薄膜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种金刚石同质外延横向生长方法，利用光刻工艺对沉积于单晶金刚石衬底表面的掩膜进行图形化，形成同质外延生长和横向生长区域，然后采用CVD的方法在图形化后的单晶金刚石衬底上进行外延生长，最终生长出低位错、高质量、表面光滑的单晶金刚石薄膜，用本方法也可以获得MEMS等所需的单晶金刚石微结构薄膜。

作为衬底的金刚石可以是天然金刚石，也可以是人造金刚石，但必须是单晶金刚石。在单晶金刚石衬底中，有不同的晶面(100)、晶面(111)等，在晶面处还可以存在倾斜角。

掩膜层的材质为阻挡金刚石生长的物质膜，例如二氧化硅或者铱。利用二氧化硅或者铱等材料薄膜作为掩膜，通过光刻工艺对掩膜进行图形化。经过刻蚀，裸露出部分单晶金刚石衬底表面区域作为同质外延生长区域，保留的掩膜区域成为横向生长区域。其中以二氧化硅材质作为单晶金刚石衬底表面掩膜层并图形化后生长出单晶金刚石连续膜，通过光刻工艺结合刻蚀方法，使部分二氧化硅裸露，再利用湿法刻蚀将二氧化硅膜去除，也可以获得单晶金刚石微通道结构。这些微通道结构可以用于MEMS等领域。

对于以二氧化硅薄膜为掩膜的单晶金刚石衬底表面图形化的具体方法为：首先，利用PECVD或者磁控溅射在单晶金刚石衬底表面形成数百纳米厚的二氧化硅薄膜。在二氧化硅薄膜上旋涂上感光胶，然后利用光刻工艺，曝光显影出同质外延生长区域。再利用感光胶膜作为掩膜，利用湿法或者反应离子刻蚀干法刻蚀掉该区域的二氧化硅薄膜，使该区域的单晶金刚石衬底表面裸露出来，从而获得用二氧化硅作为横向生长区域掩膜的金刚石衬底，如图3所示。

对于以铱等较难刻蚀的薄膜为掩膜的单晶金刚石衬底表面图形化的具体 方法为：首先，在金刚石衬底表面旋涂上感光胶，然后利用光刻工艺，曝光显影出横向生长区域，然后利用磁控溅射在该衬底表面形成一百纳米左右厚度金属铱薄膜，进而采用lift-off剥离工艺，获得以铱作为横向生长区域掩膜的金刚石衬底。

图1中，在单晶金刚石衬底101上，用二氧化硅、铱或者其他阻挡金刚石生长的物质膜作为掩膜层102，掩膜层102上方形成横向生长区域104，在同质生长区域103处首先外延生长单晶金刚石薄膜，然后在掩膜层102上方横向生长单晶金刚石薄膜。

对于不需要掩膜层作为横向生长区域，而以沟道区域作为横向生长区域的单晶金刚石衬底的制备方法：

以能够阻挡氧等离子体刻蚀的物质膜，例如铝作为掩膜并图形化，再利用RIE设备通过氧等离子体刻蚀金刚石衬底表面，由于氧等离子体对于金刚石具有刻蚀作用，在单晶金刚石衬底表面形成条形沟道。这样，未刻蚀区域作为同质外延生长区域，刻蚀沟道成为横向生长区域。利用该衬底可生长出低位错，高质量单晶金刚石薄膜，也可生长出单晶金刚石微通道结构。

对于以铝膜为掩膜的单晶金刚石衬底表面图形化的具体方法为：首先，在单晶金刚石衬底表面旋涂上感光胶，再利用光刻工艺，曝光显影出同质外延生长区域，然后利用磁控溅射在该衬底表面形成约一百纳米厚度金属铝膜，进而采用lift-off剥离工艺，将感光胶膜及其上铝膜剥离。最后利用RIE设备通过氧等离子体刻蚀单晶金刚石衬底表面，形成条形沟道，沟道深度约为4μm，然后用盐酸去除单晶金刚石表面的铝膜，最终获得表面具有条形刻蚀沟道的单晶金刚石衬底。

图2中，在单晶金刚石衬底101上，刻蚀出金刚石沟道105作为横向生 长区域104，首先在同质生长区域103上外延生长金刚石薄膜，然后金刚石薄膜在沟道105上方横向生长，同时该横向生长薄膜阻止沟道区域105的衬底表面沟道区域的同质外延生长，最终完成同质外延横向生长，在单晶金刚石衬底上得到低位错、高质量单晶金刚石连续膜。

在单晶金刚石衬底表面图形化制备完成之后，采用CVD生长方法，同质外延生长区域生长出金刚石薄膜后，在该薄膜侧面进行横向生长，从而获得低位错、高质量的单晶金刚石薄膜，如图4所示，测定的横向生长速率约为5μm/h，纵向外延速率约为3μm/h。如果采用微波等离子体CVD设备来进行外延生长时，其生长条件为：功率3200W，H₂/CH₄＝490sccm/10sccm,压强16kPa。

本发明金刚石同质外延横向生长方法，利用光刻工艺以及掩膜的沉积方法对单晶金刚石衬底表面进行图形化处理，形成两种图形化表面的衬底：(a)在单晶金刚石衬底表面，用二氧化硅、铱或者其他可以阻挡金刚石生长的物质膜作为掩膜，掩膜所覆盖的区域为横向生长区域，裸露出的单晶金刚石衬底表面区域成为同质外延生长区域；(b)利用RIE设备在单晶金刚石衬底表面刻蚀形成条形沟道，该沟道区域作为横向生长区域，未刻蚀衬底表面区域是同质外延生长区域。

其中，掩膜的沉积方法包括化学气相沉积、电子束蒸发镀膜或磁控溅射镀膜等方法，然而薄膜的沉积方法并不局限这几种方法，只要能在单晶金刚石衬底表面形成所需薄膜的方法都可以应用。形成薄膜时，二氧化硅薄膜的厚度为不大于350nm，铱薄膜的厚度为100-500nm。

在准备二氧化硅图形化时光刻方法采用标准光刻工艺，而在准备金属的图形化时采用lift-off剥离工艺。

对图形化处理后的衬底，利用金刚石同质外延生长技术和横向生长方法，最终生长出低位错、高质量、表面光滑的单晶金刚石连续膜；也可以根据特殊需要形成不连续膜和微结构薄膜，以满足金刚石MEMS等需要。

其中，横向生长方法用于降低生长薄膜的位错密度，同时也可以用于控制金刚石生长结构。横向生长图形不限于条状，根据需要可以选择任意包含横向生长方法的其他图形。单晶金刚石同质外延生长采用CVD方法，横向生长速率约为纵向生长速率的2倍，但不局限于此速率比。

Claims (10)

1.金刚石同质外延横向生长方法，其特征在于，

步骤一、在单晶金刚石衬底表面沉积掩膜层；

步骤二、在衬底沉积有掩膜层的表面进行图形化处理，形成图形化表面的衬底，该图形化衬底表面被分为同质外延生长区域和横向生长区域；

步骤三、通过在同质外延生长区域进行金刚石同质外延生长，并在横向生长区域进行金刚石横向生长，在衬底上生长出单晶金刚石薄膜。

2.如权利要求1所述的金刚石同质外延横向生长方法，其特征在于，所述步骤二的具体方法为：采用阻挡金刚石生长的物质膜作为掩膜层，通过光刻工艺对掩膜层进行图形化处理，经过刻蚀而裸露的单晶金刚石衬底表面区域为同质外延生长区域，未经刻蚀的掩膜覆盖区域为横向生长区域。

3.如权利要求2所述的金刚石同质外延横向生长方法，其特征在于，采用二氧化硅作为掩膜生成图形化表面衬底的方法具体为，在单晶金刚石衬底表面形成二氧化硅薄膜；在二氧化硅薄膜上旋涂感光胶，利用光刻工艺，曝光显影出同质外延生长区域；再以感光胶膜为掩膜刻蚀掉裸露的二氧化硅薄膜，使单晶金刚石衬底表面裸露出来，从而获得用二氧化硅作为横向生长区域掩膜的单晶金刚石衬底。

4.如权利要求2所述的金刚石同质外延横向生长方法，其特征在于，采用铱作为掩膜生成图形化表面衬底表面的方法具体为，在单晶金刚石衬底表面旋涂上感光胶，再利用光刻工艺曝光显影出横向生长区域，然后在该衬底表面形成金属铱薄膜，然后将感光胶膜及其上的铱膜剥离，获得以铱作为横向生长区域掩膜的单晶金刚石衬底。

5.如权利要求1所述的金刚石同质外延横向生长方法，其特征在于，所述步骤二的具体方法为：采用能够阻挡氧等离子体刻蚀的物质膜作为掩膜，利用反应离子刻蚀技术对掩膜进行图形化处理，通过氧等离子体刻蚀金刚石衬底表面并形成沟道，最后剥离衬底上的掩膜，未刻蚀区域为同质外延生长区域，刻蚀沟道区域为横向生长区域。

6.如权利要求5所述的金刚石同质外延横向生长方法，其特征在于，采用铝作为掩膜生成图形化衬底表面形成沟道的方法具体为，在单晶金刚石衬底表面旋涂上感光胶，利用光刻工艺曝光显影出同质外延生长区域，再在衬底表面形成金属铝膜，然后将感光胶膜及其上的铝膜剥离，再通过氧等离子体刻蚀单晶金刚石衬底表面形成沟道，最后用盐酸去除单晶金刚石表面的铝膜，从而获得表面具有刻蚀沟道的单晶金刚石衬底。

7.如权利要求1至6中任意一项所述的金刚石同质外延横向生长方法，其特征在于，步骤三的具体方法为：采用微波等离子体CVD设备，在图形化的单晶金刚石衬底上同质外延生长区域外延生长单晶金刚石薄膜，再在该单晶金刚石薄膜侧面进行横向生长，从而获得低位错、高质量的单晶金刚石薄膜。

8.如权利要求7所述的金刚石同质外延横向生长方法，其特征在于，所述的单晶金刚石薄膜为单晶金刚石连续膜、单晶金刚石不连续膜或单晶金刚石微结构薄膜。

9.如权利要求8所述的金刚石同质外延横向生长方法，其特征在于，将以二氧化硅材质作为单晶金刚石衬底表面掩膜层并图形化后生长出单晶金刚石连续膜，通过光刻工艺结合刻蚀技术，使部分二氧化硅裸露，再利用湿法刻蚀将二氧化硅膜去除，即获得单晶金刚石微通道结构。

10.如权利要求7所述的金刚石同质外延横向生长方法，其特征在于，所述的横向生长速率约为纵向生长速率的2倍。