CN1272557A - 硅衬底上适于键合技术的金刚石膜制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明的硅衬底上适于键合技术的金刚石膜的制备工艺,包括前处理—形成等离子体球—调整压力—生长金刚石膜—后处理的过程。将硅片表面在金刚石纳米粉溶液中磨研;之后在H₂气氛中启动微波形成等离子体球;再按顺序调整CH₄与H₂比例、微波功率、气压和温度;最后在低气压下生长金刚石膜;后处理是在硅衬底上加负偏压,保温再缓慢降温。经上述过程制得的金刚石膜大面积均匀、品质好、消除了内应力,完全适合于硅片键合技术要求。

Description

硅衬底上适于键合技术的金刚石膜制备工艺

本发明属一种微波等离子体化学气相沉积的金刚石膜的制备方法，特别涉及用作具有高可靠性能的集成电路芯片材料的硅衬底上适于键合技术的金刚石膜制备方法。

适合键合技术的金刚石膜要求硅衬底上的金刚石膜的面积大，比如要直径4英寸的金刚石膜，要求金刚石生长有很高的均匀性，并且不会引起硅片衬底的明显变形，只有这样，才能保证以后键合的成功率和集成电路芯片材料的有效性，即最终能用于制作高可靠性能的集成电路。

与本发明最接近的现有技术是载于《DIAMOND AND RELATEDMATERIALS》(荷兰，96年第5期P251～255)上的一篇文章，题目为“2英寸硅衬底上沉积异质外延的金刚石膜”。其制备金刚石膜的方法是微波等离子体化学气相沉积的方法。过程主要分为成核和生长金刚石膜两步骤。其特点是在成核和生长过程中甲烷CH₄的浓度较高(0.4～0.5％)，气体压力高(20mbar)在成核阶段对硅衬底施加负偏置电压。现有技术的不足之处在于，第一，在较高气体压力下等离子体球比较稳定集中，因而衬底上温度也较大，金刚石膜生长区域小，不能制备大面积的金刚石膜，而且造成在2英寸范围内均匀性也差，是不能用来实现键合的。第二，在沉积金刚石膜过程中通常会使膜内产生张应力。特别是大面积金刚石膜的生长，这种张应力的存在造成硅片边缘翘曲，也不能用来实现键合。现有技术也没能解决金刚石膜的张应力问题。

本发明的目的在于，不增大微波功率的条件下，通过对硅衬底的前处理、选择反应气体成分比例、衬底温度、压力等一系列参数；通过后处理消除应力的方法，制备出大面积、均匀生长、低应力的适于键合技术的金刚石膜。

本发明通过对硅衬底的处理—表面均匀划痕以及低CH₄浓度、低压力和扩大稳定的等离子体范围实现金刚石膜大面积均匀生长的，通过后处理对硅衬底施加负偏置电压消除张应力，从而达到本发明的目的的。

本发明的工艺仍采用微波等离子体化学气相沉积的方法，以CH₄和H₂为原料气体，分为前处理—形成等离子体球—调整压力—生长金刚石膜—后处理等几个过程，在硅衬底上生成金刚石膜。

所说的前处理，是对硅衬底的表面进行研磨，以形成均匀划痕，提高金刚石膜的成核密度。具体做法是将纳米级金刚石粉溶于乙醇中，将硅衬底表面向上放入溶液中超声振荡1.5小时以上，清洗后放人微波反应室内。

所说的形成等离子体球，是将微波反应室抽真空至10^-2mbar以下，充入氢气至气压为20mbar，加热衬底至400～500℃，开启微波功率至650～750W。硅衬底表面将形成等离子体球。这里的硅衬底温度不能低于400℃，否则很难将等离子体球引到衬底表面。

所说的调整压力，是在等离子体球在硅衬底表面形成并稳定后，通入CH₄气体，按顺序调整CH₄/H₂为0.3～0.5％，微波功率至1000～1200W，气体压力至13～17mbar范围，同时保持衬硅衬底温度750±20℃。至此，等离子体球均均覆盖在硅衬底表面。注意此步骤的各项参数和调节顺序控制严格，否则会造成等离子体球在硅衬底表面消失，或不能合成出高质量的金刚石膜。特别是CH₄和H₂的比例，如果过高将造成气压在18～25mbar左右时等离子体球消失，或生长的金刚石膜内含较高的石墨或非晶碳成份。所以最好将CH₄/H₂控制在0.30～0.38％范围。

所说的生长金刚石，是保持硅衬底温度、CH₄/H₂、微波功率不变，气体压力为5～7mbar，使金刚石膜大约以0.1μm/h速度均匀沉积于大于4英寸的硅衬底上。沉积时间依据需要的金刚石膜的厚度决定。

所说的后处理主要是为了消除大面积金刚石膜的张应力设计的。金刚石膜生长结束，关闭CH₄气体，将H₂调至400～500Sccm，压力增至8～12mbar，微波功率降至800～900W，硅衬底温度升至780±10℃，并在硅衬底上施加-60～-120V的直流偏置电压1.5～3小时，最后关闭负偏置电压，降低微波功率；调整加热功率，使硅衬底温度在700±20℃时维持20-30分钟，关闭微波源，再降低加热功率，在H₂气氛中，使金刚石膜逐渐冷至常温。

这里的负偏置电压的作用是使H⁺被加速到金刚石膜表面并轰击表面，将有效地消除张应力，使膜内应力接近于零。若偏置电压高于-60V则对张应力的改变很小，而低于-120V将使膜内产生压应力，也十分有害。因此，该偏置电压最好控制在-80～-100V范围。在后处理过程中，也可以同时关掉CH₄和H₂，充入400～500Sccm的N₂气或Ar气，在N₂或Ar气氛使金刚石膜最后冷却到常温，其余条件与H₂处理相同，消除张应力的效果和金刚石膜的质量将更好。

在前处理过程中，纳米级金刚石粉的粒度应小于100nm，溶于乙醇的浓度为(50±5)g/l，并超声振荡均匀悬浮。

实施例1，前处理的比较好的过程是：

将5克50nm的金刚石粉溶于100ml乙醇溶液中，在功率为100W的超声波仪器中振荡1小时，使纳米级金刚石粉均匀悬浮于乙醇浓液中。将4英寸的Si片放入溶液中再超声处理2小时。

实施例2，将由实施例1处理的Si片经形成等离子体球和调节压力过程，生长金刚石膜。形成等离子体球时先抽真空至10^-2mbar，再充入200Sccm的H₂，保持气压在20mbar，加热衬底至500℃，开启微波功率700W，则有等离子体球形成。经调整压力过程，CH₄/H₂＝0.35％，气体压力5～7mbar，衬底温底740℃，微波功率1200W，生长时间约20小时，得膜厚约为2μm的直径4英寸大面积金刚石膜，并测得其张应力为0.3～0.5Gpa，硅衬底边缘向上翘曲。应力测量是用Dekta³仪器测硅衬底弯曲程度，通过计算得到的。

实施例3，将经实施例1前处理的硅衬底，再经实施例2的形成等离子体球、调节压力、生长金刚石膜的过程后，关闭CH₄，将H₂调至500Sccm，压力增至10mbar，在衬底上加-90V的偏置电压2小时。关闭偏置电压，维持硅衬底温度700℃ 30分钟，直至关闭微波源，缓慢降低压加热功率，最后冷却直常温。张应力非常小，适于键合要求。

实施例4，将经实施例1前处理的硅衬底，再经实施例2的形成等离子体球、调节压力、生长金刚石膜的过程后，关闭CH₄和H₂，抽出微波反应室内的CH₄、H₂，充N₂气体，在硅衬底上施加-80V偏置电压条件下进行后处理，结果金刚石膜张应力几乎为零，完全适合于键合要求。

本发明的金刚石膜的制备方法，是在较低微波功率的性况下制备出适于键合技术的Si衬底上的金刚石膜。由于在低浓度CH₄和低压力条件下生长金刚石膜，由于经过研磨的前处理过程，由于调整了各项参数，形成了稳定等离子体球，因此生成了大面积均匀的金刚石膜。由于有后处理过程，即在H₂或N₂、Ar气氛下，加负偏置电压后H⁺离子对硅衬底的轰击，以及加热和缓慢降温，而消除了金刚石膜的张应力，使其边缘也不翘曲，达到键合技术的要求。本发明的方法制备出的金刚石膜为保证键合的成功率及具有高可靠性能的集成电路芯片材料的有效性，并最终用于制作高可靠的集成电路，奠定了基础。

Claims (3)

1.一种硅衬底上适于键合技术的金刚石膜的制备工艺，采用微波等离子体化学气相沉积的方法，以CH₄和H₂为原料气体，在Si衬底上生长金刚石膜，其特征在于，工艺过程分为衬底表面前处理—形成等离子体球—调整压力一生长金刚石膜—后处理；

所说的前处理，是对衬底的表面进行研磨，具体做法是将纳米级金刚石粉溶于乙醇中，将硅衬底表面向上放人溶液中超声振荡1.5小时以上，清洗后放入微波反应室内；

所说的形成等子体球，将微波反应室抽空至10^-2mbar以下，充入氢气至气压为20-25mbar，加热硅衬底至400-500℃，开启微波功率至650-750W；

所说的调整压力，当硅衬底表面形成等离子体球时，通入CH₄气体，按顺序调整CH₄/H₂为0.3-0.5％；微波功率至1000-1200W，气压至13～17mbar，同时保持硅衬底温度750±20℃；

所说的生长金刚石膜，是保持硅衬底温度、CH₄/H₂、微波功率不变，气体压力为5～7mbar，金刚石膜将生长于硅衬底上；

所说的后处理，是金刚石膜生长结束，关闭CH₄气体，将H₂调至400～500sccm，压力增至8～12mbar。微波功率降至800-900W，硅衬底温底升至780±20℃，并在硅衬底上施加-60～-120V的直流偏置电压1.5～3小时；最后关闭偏量电压，降低微波功率，使硅衬底温度维持在700±20℃ 20～30分钟，关闭微波源，再降低加热功率，在H₂气氛中使金刚石膜冷至常温。

2.按照权利要求1所述的硅衬底上适于键合技术的金刚石膜的制备工艺，其特征在于，所说的前处理中的纳米级金刚石粉的粒度小于100nm，溶于乙醇的浓度为(50±5)克/1，并超声振荡，使纳米级金刚石粉均匀悬浮于乙醇浓液中。

3.按照权利要求1或2所述的硅衬底上适于键合技术的金刚石膜的制备工艺，其特征在于，所说的后处理中，关闭CH₄同时，也关闭H₂，再用400～500Sccm的N₂或Ar气；最后在N₂或Ar气氛中使金刚石膜冷至常温；施加-80～-100V的直流偏量电压。