宽禁带半导体金刚石(6)

宽禁带半导体金刚石

宽禁带半导体金刚石

法制备金刚石膜，在CH4与H2比例大于4％条件下，生长速率可达到2um/h以上，且同质外延的金刚石膜表面光滑平整。考虑到要用金刚石膜来做半导体器件，期望膜的生长速率要大于10um/h以上。已有文献报道生长速率达到10um/h[10]，但是质量很差。所以关于MPCVD法还需要加以改进。Matusmoto对其装置进行过改进设计，可以实现在大面积上沉积金刚石膜，在5~15kPa低压下，生长速率为0.5~3um/h.若工作在常压下，可获得30um/h的生长速率。

为了进一步提高膜的生长速率，可以在CH4和H2加入氩气，同时衬底加上负偏压,这样可以大大提高膜的生长速率，膜的质量也大大改善。据报道在不加偏压条件下，其生长速率低，只有0.1~0.2um/h，若施加-250V的直流电压，得到的生长速率为0.3~0.4um/h。如果在有氩气和负偏压的条件下，其生长速率可以达到0.7~0.8um/h[6]。 由于氩原子的半径较大,产生的氩等离子能量较大,与沉积气体碰撞，可以加速其离化和衬底表面吸附原子的扩散,进而提高了溅积速率。同时也应该考虑另一个因素，等离子体的轰击也会对金刚石膜和衬底产生损伤,导致膜的缺陷的产生，因此氩气的含量控制就显得很重要。关于这种方法还需进一步研究，要进一步弄清楚膜的生长机理，有望进一步提高膜的生长速率。

作为CVD金刚石沉积的初始条件，对于金刚石的沉积的基体的选择也是很重要的。以国内外的目前研究情况来看，研究的焦点在金刚石的异质外延上。由于Si是目前集成电路最常用的半导体材料，人们把研究的目光集中在Si衬底上的金刚石的异质外延。在CVD金刚石沉积过程中，碳氢基团将产生多种碳的形态,除金刚石外，还有石墨、类金刚石、非晶碳等。在尚未形核时，为了sp3金刚石结构的形成往往是通过提高碳的过饱和度来实现的。同时，沉积过程中 C原子往Si基底的扩散，以及Si原子往表面的扩散，将形成非晶或晶态的SiC。金刚石与Si之间大的晶格失配(52%)使得这一过程比较困难。但是，研究表明：金刚石的形核过程是一个与不同反应、不同产物的形成竞争的结果； SiC、非晶碳等过渡层既不是形核的必要条件，也不是充分条件，尽管它们可能在不同程度上对形核起促进作用。金刚石在Si衬底上的基本形核规律48 IT Age/Jul. 15, 2004

如下（在形核过程中，样品表面发生下列过程）： (1) C原子(或碳氢基团)吸附到样品表面； (2) C原子往样品内部扩散，或与扩散上来的Si原子结合，形成SiC； (3) C原子在表面进行迁移；

(4) 不同C原子通过sp2、sp3结合，形成非晶碳、石墨或金刚石的核；

(5) C原子在表面活性空位处成核，可以是在Si上，也可以是在SiC或非晶碳上； (6) C原子加入到上述核中，使核长大； (7) C原子从核中游离，进入表面或回到气相； (8) 随时间增长和SiC层的形成，C和Si扩散逐渐困难，表面碳过饱和度增加，使过程(4)-(6)加快;

(9) 部分C原子重新进入气相； (10)部分sp2转化为sp3；

(11)衬底表面的缺陷可以作为成核点，H 原子也可以萃取表面原子产生空位，作为形核点。

此外还有其他一些过程，如衬底的刻蚀等。金刚石膜能否成核，成核于什么位置以及形核密度的高低，主要取决于这些过程的相对速率。

在上表中可以看到，各种CVD法中源气体中都有H2，对于H2的关键作用人们也进行了广泛研究。虽然现在还有争论，但实验表明必须有大量的超平衡H原子存在。H2的作用主要有：（1）使H2激活、离化成H原子，有助于有机气体碳化物的离解，以利于产生活性的甲基原子团的化学反应. 原子H萃取碳氢化合物分子中的H原子, 使其成为带有悬键的具有反应活性的基团。一般来说, 碳氢化合物的分子是难以直接用以生长金刚石的。（2）H原子的存在，有利于稳定金刚石的sp3键，不利于石墨的sp2键。在反应温度(300～1100℃)下, 只有存在有足够的原子H时, 才能使表面C原子的sp2杂化变为sp3杂化。否则, 表面H 原子高温脱附, 出现金刚石表面的石墨化。(3) H原子对膜层中生成的石墨具有很强的刻蚀作用。石墨及非金刚石碳表面原子由于与体原子键合较弱, 很容易被溶解或刻蚀。相反,金刚石表面C 原子与体原子键合强，不易被刻蚀，这样就可除去膜层中的石墨，保留膜层中的金刚石。在考虑到在低压气相沉积条件下，石墨或者非金刚石碳成核密度和成核率相对比金刚石大，所以在气源系统中，有机碳化物的气体所占