金剛石同質外延橫向生長方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于金剛石化學氣相沉積技術領域，涉及一種金剛石同質外延橫向生長方法。
【背景技術】
[0002]金剛石在熱、電、聲、光等方面具有優越的性能，其中金剛石作為一種第三代半導體材料，其禁帶寬度、臨界擊穿電場強度、載流子的飽和漂移速率以及遷移率都非常大，介電常數非常小，特別適用于高頻、高壓、高功率等電子器件。除此之外，金剛石薄膜優越的性能，使得金剛石電子器件、MEMS等能夠在苛刻的工作環境中工作，因此金剛石薄膜在這些領域有著極其重要的應用前景。高質量單晶金剛石薄膜是金剛石器件具有優越性能的基礎。目前單晶金剛石同質外延生長技術有了很大的發展，通過調節化學氣相沉積(CVD)工藝條件可以生長出質量好表面平整的單晶金剛石薄膜，滿足器件要求。從而使金剛石器件的卓越性能得到初步的體現，比如目前報道已經制備出擊穿場強高達7.7MV/cm的金剛石基肖特基~■極管。
[0003]但是單晶金剛石薄膜相比其他單晶半導體薄膜，依然具有較高的位錯密度。而半導體薄膜中較高的位錯密度會影響器件性能的提升，比如金剛石肖特基二極管在金剛石薄膜位錯密度增加時將引起肖特基二極管漏電流增大，導致金剛石肖特基二極管的耐壓性能下降。因此，獲得高質量單晶金剛石薄膜依然是當前需要解決的問題。
[0004]眾所周知，襯底的位錯可以向外延生長薄膜中延伸。而橫向生長方法在II1-V族半導體薄膜制備中被廣泛用于抑制襯底位錯向外延生長薄膜中延伸，來減少外延層位錯密度。具體辦法是在襯底上生長出II1-V族半導體的成核層，再在表面沉積一層掩膜，然后利用光刻等工藝在掩膜上形成窗口，露出成核層，進而，經過在該窗口的外延生長加上掩膜上的橫向生長，最終獲得連續光滑的II1-V族半導體薄膜。由于II1-V族半導體只能在窗口成核層上生長，在掩膜上只能通過橫向生長，而位錯較多地在垂直方向延伸，因此，橫向生長后的薄膜位錯密度降低。
[0005]不同的橫向生長形貌其位錯延伸機制有所不同。橫向生長面呈垂直形貌時，外延生長薄膜在窗口區域存在較高位錯密度，在橫向生長區域位錯密度較低，如圖5(a)所示；當橫向生長面呈斜坡形貌時，外延生長出的薄膜在兩個橫向生長面結合附近以及窗口中央區域位錯密度較高，而其他區域位錯密度較低，如圖5(b)所示。橫向生長方法在II1-V族半導體薄膜異質外延上已經十分成熟，但是目前尚無將橫向生長方法應用于同質外延生長來改善薄膜質量的報道。
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【發明內容】
[0014]本發明的目的是提供一種金剛石同質外延橫向生長方法，以解決現有采用同質外延生長法制備金剛石薄膜質量偏低的問題。
[0015]本發明所采用的技術方案是，金剛石同質外延橫向生長方法，
[0016]步驟一、在單晶金剛石襯底表面沉積掩膜層；
[0017]步驟二、在襯底沉積有掩膜層的表面進行圖形化處理，形成圖形化表面的襯底，該圖形化襯底表面被分為同質外延生長區域和橫向生長區域；
[0018]步驟三、通過在同質外延生長區域進行金剛石同質外延生長，并在橫向生長區域進行金剛石橫向生長，在襯底上生長出單晶金剛石薄膜。
[0019]進一步的，步驟二的具體方法為:采用阻擋金剛石生長的物質膜作為掩膜層，通過光刻工藝對掩膜層進行圖形化處理，經過刻蝕而裸露的單晶金剛石襯底表面區域為同質外延生長區域，未經刻蝕的掩膜覆蓋區域為橫向生長區域。
[0020]進一步的，采用二氧化硅作為掩膜生成圖形化表面襯底的方法具體為，在單晶金剛石襯底表面形成二氧化硅薄膜；在二氧化硅薄膜上旋涂感光膠，利用光刻工藝，曝光顯影出同質外延生長區域；再以感光膠膜為掩膜刻蝕掉裸露的二氧化硅薄膜，使單晶金剛石襯底表面裸露出來，從而獲得用二氧化硅作為橫向生長區域掩膜的單晶金剛石襯底。
[0021]進一步的，采用銥作為掩膜生成圖形化表面襯底表面的方法具體為，在單晶金剛石襯底表面旋涂上感光膠，再利用光刻工藝曝光顯影出橫向生長區域，然后在該襯底表面形成金屬銥薄膜，然后將感光膠膜及其上的銥膜剝離，獲得以銥作為橫向生長區域掩膜的單晶金剛石襯底。
[0022]進一步的，步驟二的具體方法為:采用能夠阻擋氧等離子體刻蝕的物質膜作為掩膜，利用反應離子刻蝕技術對掩膜進行圖形化處理，通過氧等離子體刻蝕金剛石襯底表面并形成溝道，最后剝離襯底上的掩膜，未刻蝕區域為同質外延生長區域，刻蝕溝道區域為橫向生長區域。
[0023]進一步的，采用鋁作為掩膜生成圖形化襯底表面形成溝道的方法具體為，在單晶金剛石襯底表面旋涂上感光膠，利用光刻工藝曝光顯影出同質外延生長區域，再在襯底表面形成金屬鋁膜，然后將感光膠膜及其上的鋁膜剝離，再通過氧等離子體刻蝕單晶金剛石襯底表面形成溝道，最后用鹽酸去除單晶金剛石表面的鋁膜，從而獲得表面具有刻蝕溝道的單晶金剛石襯底。
[0024]進一步的，步驟三的具體方法為:采用微波等離子體CVD設備，在圖形化的單晶金剛石襯底上同質外延生長區域外延生長單晶金剛石薄膜，再在該單晶金剛石薄膜側面進行橫向生長，從而獲得低位錯、高質量的單晶金剛石薄膜。
[0025]進一步的，單晶金剛石薄膜為單晶金剛石連續膜、單晶金剛石不連續膜或單晶金剛石微結構薄膜。
[0026]進一步的，將以二氧化硅材質作為單晶金剛石襯底表面掩膜層并圖形化后生長出單晶金剛石連續膜，通過光刻工藝結合刻蝕技術，使部分二氧化硅裸露，再利用濕法刻蝕將二氧化硅膜去除，即獲得單晶金剛石微通道結構。
[0027]進一步的，橫向生長速率約為縱向生長速率的2倍。
[0028]本發明的有益效果是，結合橫向生長方法，對于現有的單晶金剛石同質外延生長技術進行改進，能夠有效的生長出位錯密度低、質量高、表面光滑的單晶金剛石薄膜，降低了外延生長電子器件級單晶金剛石薄膜的難度，提高了薄膜質量；同時該方法可以用于單晶金剛石薄膜生長結構的控制，以方便地獲得MEMS等所需的單晶金剛石微結構。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發明金剛石同質外延橫向生長方法中以阻擋金剛石生長的物質膜為掩膜時的生長示意圖；
[0030]圖2是本發明金剛石同質外延橫向生長方法中直接在單晶金剛石襯底上刻蝕圖形時的生長示意圖；
[0031]圖3是本發明以二氧化硅為掩膜層的圖形化襯底的示意圖；
[0032]圖4是本發明生長完成的表面光滑的單晶金剛石連續薄膜示意圖；
[0033]圖5(a)和圖5(b)是以二氧化硅為掩膜層進行橫向生長的位錯改善示意圖。
[0034]圖中，101.單晶金剛石襯底，102.掩膜層，103.同質生長區域，104.橫向生長區域，105.溝道，106.二氧化硅掩膜層，107.單晶金剛石薄膜。
【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0036]本發明提供了一種金剛石同質外延橫向生長方法，利用光刻工藝對沉積于單晶金剛石襯底表面的掩膜進行圖形化，形成同質外延生長和橫向生長區域，然后采用CVD的方法在圖形化后的單晶金剛