CN117947509A - 基于mpcvd工艺的n型硼-氧共掺金刚石结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于MPCVD工艺的N型硼‑氧共掺金刚石结构及其制备方法，先将经过预处理后的金刚石衬底置于MPCVD腔体中，通入刻蚀气体进行刻蚀，消除金刚石衬底表面残余污染物；然后通入碳源气体，调整微波功率和MPCVD腔体内压力至沉积温度和压力，在金刚石衬底上外延本征金刚石层；之后通入硼源和氧源，在本征金刚石层上沉积硼‑氧共掺的单晶金刚石；最后关闭碳源气体、硼源和氧源，保留刻蚀气体，刻蚀掉硼‑氧共掺的单晶金刚石表面的非晶碳，形成N型硼‑氧共掺金刚石层。本发明的制备方法步骤简单、成本低、可调控掺杂浓度。制备的N型金刚石薄膜兼具高电子迁移率和高电子浓度，可广泛用于金刚石基电子器件的制造，特别是高功率器件。
Description
技术领域
本发明属于半导体工艺技术领域，涉及一种金刚石半导体制备技术，具体涉及一种基于MPCVD工艺的N型硼-氧共掺金刚石结构及其制备方法。
背景技术
金刚石是一种具有宽禁带(～5.5eV)、高热导率(20W/cm·K)、高化学稳定性的半导体材料。其电子迁移率约是Si的电子迁移率3倍，是现有宽禁带半导体材料GaN、SiC的电子迁移率的2倍以上。金刚石的空穴迁移率则是Si空穴迁移率的4倍。同时，金刚石的击穿电场强度是硅的约33倍，是GaN、SiC的2～3倍。考虑到金刚石优异的性质，其是用于制备高功率器件的理想材料。
为了顺利在电子器件中应用金刚石的诸多优异性质，制备性能优异，工艺简单的掺杂半导体金刚石材料是其广泛应用的基础。金刚石半导体材料主要分为P型及N型导电。通过微波等离子体气相沉积法(MPCVD)生长及掺杂硼元素能够实现较好导电性能的P型金刚石。然而，较好导电性能的N型金刚石材料目前还无法获得突破。
常见的N型金刚石材料主要是通过MPCVD法制备磷掺杂金刚石来实现，然而，其电子迁移率及电子浓度较低，且还不能满足迁移率和浓度都处于较高水平，比如Stenger I，Pinault Thaury M A，Temhuki N等公开的论文掺磷金刚石(100)外延层的电子迁移率【Stenger I,Pinault-Thaury M A,Temahuki N,et al.Electron mobility in(100)homoepitaxial layers of phosphorus-doped diamond[J].Journal of AppliedPhysics,2021,129(10).】，该技术中制备的金刚石半导体的电子迁移率670cm2/V·s，载流子浓度仅为1016cm-3。另外，磷掺杂金刚石激活能为0.6eV，室温下电子较难电离。
此外现有技术CN110565066A(一种共掺杂金刚石及制备方法与半导体材料、装置)公开了一种利用MPCVD共掺杂方法，通过硼硫掺杂剂共掺实现N型金刚石半导体，该技术提供的实施例中，载流子浓度为2.58×1015cm-2，霍尔迁移率为84.97cm2/V·s，该水平任然不足以大规模使用。
此外，现有技术，Liu X,Chen X,Singh D J，等提供的论文硼-氧络合物在半导体金刚石中产生n型表面层【Liu X,Chen X,Singh D J,et al.Boron-oxygen complexyields n-type surface layer in semiconducting diamond[J].Proceedings of theNational Academy of Sciences,2019,116(16):7703-7711.】，该论文中通过高温高压法制备硼氧共掺金刚石来实现N型金刚石半导体材料，常温下，电子迁移率仅为70.85cm2/V·s，电子浓度为1.2×1020cm-3，虽然电子浓度比较高，但是电子迁移率难以满足高功率器件的使用要求。而且高温高压法制备的掺杂金刚石时长含有多种杂质，其晶体质量也稍逊。该方法也限制了制成金刚石面积的大小，使其难以在大规模生产中应用。
通过上述可知，现有的研究结果并不能支持N型半导体金刚石应用于电子器件，尤其是高功率器件中。因此，N型半导体金刚石的掺杂困难严重限制了高性能金刚石基电子器件的发展和应用。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种基于MPCVD工艺的N型硼-氧共掺金刚石结构制备方法，采用MPCVD工艺，在金刚石生长中引入硼元素和氧元素，在碳源气体和刻蚀气体的生长氛围下，完成硼-氧共掺N型金刚石外延。本发明通过引入硼-氧共掺的方式得到了同时兼具高电子迁移率和高电子浓度的金刚石半导体结构，使得N型半导体金刚石能应用于高功率器件。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种基于MPCVD工艺的N型硼-氧共掺金刚石结构制备方法，包括以下步骤：
将经过预处理后的金刚石衬底置于MPCVD腔体中，通入刻蚀气体进行刻蚀，消除金刚石衬底表面残余污染物；
通入碳源气体，调整微波功率和MPCVD腔体内压力至沉积温度和压力，在金刚石衬底上沉积单晶金刚石，外延本征金刚石层；
通入硼源和氧源，在本征金刚石层上沉积硼-氧共掺的单晶金刚石；
关闭碳源气体、硼源和氧源，保留刻蚀气体，刻蚀掉硼-氧共掺的单晶金刚石表面的非晶碳，形成N型硼-氧共掺金刚石层。
进一步优选，金刚石衬底的预处理包括对金刚石衬底进行抛光和表面清洁处理。
进一步优选，抛光后，金刚石衬底表面粗糙度范围为0.5～20nm。
进一步优选，所述表面清洁方式为浓酸浸泡后超声清洗，并干燥。
进一步优选，所述刻蚀气体包括氢气、氢气-氩气混合气体。
进一步优选，所述本征金刚石层的厚度为0～500μm。
进一步优选，所述碳源气体包括甲烷、乙醇蒸汽、丙酮蒸汽和二氧化碳中的任意一种。
进一步优选，沉积硼-氧共掺的单晶金刚石时，所述硼源和氧源中，硼、氧元素比为1:1～1:5。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、通过MPCVD的共掺技术，获得了困扰业界的高电子浓度和高电子迁移率的N型金刚石薄膜。
2、本发明的制备方法步骤简单、成本低、可调控掺杂浓度。制备的N型金刚石薄膜可广泛用于金刚石基电子器件的制造，应用于多种高功率器件。
附图说明
图1为本发明实施例1中N型硼-氧共掺金刚石结构的示意图。
图2为本发明实施例2中N型硼-氧共掺金刚石结构的制备流程图。
100-金刚石衬底，200-本征金刚石层，300-N型硼-氧共掺金刚石层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
实施例1：参见图1所示，本发明实施例提供一种N型硼-氧共掺金刚石结构，从下至上依次包括金刚石衬底100、本征金刚石层200和N型硼-氧共掺金刚石层300，所述金刚石衬底100为单晶金刚石，所述本征金刚石层200和N型硼-氧共掺金刚石层300采用不中断的连续工艺制备，通过高质量外延制备本征金刚石层200避免了衬底的缺陷等对掺杂金刚石的影响；本发明利用硼-氧共掺在金刚石中形成载流子，得到N型半导体，在得到高浓度载流子的情况下，还能得到非常高的电子迁移率，使得N型半导体金刚石能够实际应用在电子器件中，尤其是用在高功率器件中，具有其他类型半导体无法企及的优势。
一般来说，N型硼-氧共掺金刚石层300中硼、氧掺杂比例为1:1～1:5，在该比例范围能获得更大电子迁移率的N型半导体。一般来说，N型硼-氧共掺金刚石层300中硼的掺杂浓度为0.05ppma～1000ppma范围内，N型硼-氧共掺金刚石层300中氧的掺杂浓度为0.05ppma～5100ppma范围内。
实施例2：如图2所示，本发明提供一种基于MPCVD工艺的N型硼-氧共掺金刚石结构制备方法，包括以下步骤：
S1、金刚石衬底抛光，准备好金刚石衬底，金刚石衬底尺寸根据需要进行选择(比如可以选择7mm×7mm×0.25mm)，采用CMP工艺对金刚石衬底进行双面抛光处理，抛光后表面粗糙度为0.5～20nm；
S2、金刚石衬底表面清洁处理，表面清洁处理方法为：浓酸浸泡后超声清洗，并干燥。
浓酸包括但不限于浓硫酸、浓盐酸等；超声清洗包括有机溶剂超声清洗和去离子水超声清洗。
本实施例提供一种示例性可行操作如下：
将放入金刚石衬底浓硫酸溶液煮30分钟；再丙酮、无水乙醇、去离子水，各超声15分钟，最后用氮气吹干。
S3、金刚石衬底刻蚀，将金刚石衬底置于MPCVD腔体中，通入刻蚀气体进行刻蚀，消除金刚石衬底表面缺陷；
刻蚀时间为10～20分钟，通入刻蚀气体的同时提升温微波功率和MPCVD腔体内压力，使得MPCVD腔体内温度逐步升温到750℃，调节压力和微波功率使其逐步分别达到140～150mbar，2.6～2.8kW。调整压力的方式为调整刻蚀气体进出量来调整。
刻蚀气体可以是氢气、氢气-氩气混合气体等等。
S4、外延本征金刚石层，通入碳源气体，调整微波功率和MPCVD腔体内压力至沉积温度和压力，在金刚石衬底上沉积单晶金刚石，外延本征金刚石层；
所述碳源气体包括甲烷、乙醇蒸汽、丙酮蒸汽和二氧化碳中的任意一种。
外延本征金刚石层时，以氢气作为刻蚀气体，甲烷作为碳源，本实施例提供一种具体可操作工艺参数如下：
MPCVD工艺温度(MPCVD腔体内温度)为750～900℃，微波功率为3.7～6.0kW，压强为140～210mbar，氢气流量为200～1000sccm，甲烷浓度为2％～10％。
结合金刚石衬底表面质量差异以及N型硼-氧共掺金刚石层的质量要求，可以不外延本征金刚石层(厚度为0)，或者外延500μm厚度以内的本征金刚石层。
S5、外延硼-氧共掺的单晶金刚石，通入硼源和氧源，在本征金刚石层上沉积硼-氧共掺的单晶金刚石，单晶金刚石厚度根据后续制备半导体器件类型而定，比如常见厚度为5～100nm；
常见硼源为：乙硼烷、三甲基硼；常见氧源为：氧气。
在一些实施例中，以乙硼烷作为硼源，氧气作为氧源，提供一种可行工艺参数如下：
通入硼源和氧源时，保持MPCVD腔体内压力和温度不变，乙硼烷的流量保持在1～20sccm，氧气的流量保持在0.1～10sccm，总体保持硼氧比在1:1～1:5(元素摩尔比)。
S6、刻蚀非晶碳，关闭碳源气体、硼源和氧源，保留刻蚀气体，保持温度、压力不变，刻蚀3～5分钟，刻蚀掉硼-氧共掺的单晶金刚石表面的非晶碳，形成N型硼-氧共掺金刚石层，得到N型硼-氧共掺金刚石结构。
改变硼氧比，制得不同的N型硼-氧共掺金刚石结构样品，通过霍尔测试仪测试，测得400～1500cm2/V·s的电子迁移率和1015～1018cm-3的电子浓度，该材料可以应用于高功率器件。具体测试结果如表1所示。
表1不同硼氧比样品性能表
分析：通过表1可知，硼-氧共掺可以使样品有效显示出N型掺杂性质。但通过调整硼和氧元素的比例，则对其掺杂性质有较大影响。当氧元素比重增大时，样品的电子迁移率和电子浓度明显上升。掺杂比例在1:3和1:4之间时，样品的N型掺杂性质表现最好。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种基于MPCVD工艺的N型硼-氧共掺金刚石结构制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用MPCVD工艺，在金刚石生长中引入硼元素和氧元素，在碳源气体和刻蚀气体的生长氛围下，完成硼-氧共掺N型金刚石外延。
2.根据权利要求1所述的N型硼-氧共掺金刚石结构制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
将经过预处理后的金刚石衬底置于MPCVD腔体中，通入刻蚀气体进行刻蚀，消除金刚石衬底表面残余污染物；
通入碳源气体，调整微波功率和MPCVD腔体内压力至沉积温度和压力，在金刚石衬底上沉积单晶金刚石，外延本征金刚石层；
通入硼源和氧源，在本征金刚石层上沉积硼-氧共掺的单晶金刚石；
关闭碳源气体、硼源和氧源，保留刻蚀气体，刻蚀掉硼-氧共掺的单晶金刚石表面的非晶碳，形成N型硼-氧共掺金刚石层。
3.根据权利要求1所述的N型硼-氧共掺金刚石结构制备方法，其特征在于，金刚石衬底的预处理包括对金刚石衬底进行抛光和表面清洁处理。
4.根据权利要求3所述的N型硼-氧共掺金刚石结构制备方法，其特征在于，抛光后，金刚石衬底表面粗糙度范围为0.5～20nm。
5.根据权利要求3所述的N型硼-氧共掺金刚石结构制备方法，其特征在于，所述表面清洁方式为浓酸浸泡后超声清洗，并干燥。
6.根据权利要求2所述的N型硼-氧共掺金刚石结构制备方法，其特征在于，所述刻蚀气体包括氢气、氢气-氩气混合气体。
7.根据权利要求2所述的N型硼-氧共掺金刚石结构制备方法，其特征在于，所述本征金刚石层的厚度为0～500μm。
8.根据权利要求2所述的N型硼-氧共掺金刚石结构制备方法，其特征在于，所述碳源气体包括甲烷、乙醇蒸汽、丙酮蒸汽和二氧化碳中的任意一种。
9.根据权利要求2所述的N型硼-氧共掺金刚石结构制备方法，其特征在于，沉积硼-氧共掺的单晶金刚石时，所述硼源和氧源中，硼、氧元素比为1:1～1:5。
10.一种基于MPCVD工艺的N型硼-氧共掺金刚石结构，其特征在于，采用权利要求1-9任意一项所述制备方法所制备。
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