[发明专利]金刚石半导体结构的形成方法

说明书

本发明提供一种金刚石半导体结构的形成方法，包括：在提供氢气和甲烷的条件下，且在未加入催化气体的条件下，采用微波等离子体化学气相沉积法，在衬底上，进行金刚石生长初始阶段，以在衬底上生长第一多晶金刚石层；在提供氢气和甲烷的条件下，且在加入催化气体的条件下，继续采用微波等离子体化学气相沉积法，在第一多晶金刚石层上，进行金刚石生长加速阶段，以在第一多晶金刚石层上生长第二多晶金刚石层；对第二多晶金刚石层进行匹配研磨。本发明从产业化的角度提供一种工艺效率高且产品质量好的金刚石半导体结构的形成方法。

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别涉及一种金刚石半导体结构的形成方法。

背景技术

金刚石特殊的晶体结构和强的碳-碳键作用，使其具有许多出类拔萃的特性，具备现有其他半导体材料不可比拟的物理、化学、电子、光学、热学和机械性能。它的带隙宽、热导率高、击穿场强高、载流子迁移率高、耐高温、抗酸碱、抗腐蚀且抗辐照，这些优越性使其在高功率、高频和高温领域等方面发挥重要作用。然而，自然界中天然存在的金刚石无法满足广泛的应用需求。

人工培育金刚石的方法包括高压高温法(HPHT)与化学气相沉积法(CVD)等。高压高温法制备的金刚石合成尺寸小，纯度低，不易掺杂。化学气相沉积法既能够制备单晶，也能够制备多晶，还可进行掺杂，且在理论上化学气相沉积法制备的金刚石尺寸不受限制。

化学气相沉积法对金刚石的制备又有三种方法：热丝化学气相沉积法、直流等离子体喷射化学气相沉积法和微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)。微波等离子体化学气相沉积法具有微波能量无污染和气体原料纯净等优势，在众多金刚石制备方法中脱颖而出，成为制备大尺寸和高品质多晶金刚石最有发展前景的技术。

更多有关金刚石半导体结构形成方法的内容可以参考CN1705775A、GB2584010A、CN109911894A、US20190326030Al和CN107004639A的专利文献。

发明内容

为进一步提高金刚石半导体结构的形成效率并保证结构品质，本发明提供一种新的金刚石半导体结构的形成方法。

本发明是这样实现的：在提供氢气和甲烷的条件下，且在未加入催化气体的条件下，采用微波等离子体化学气相沉积法，在衬底上，进行金刚石生长初始阶段，以在衬底上生长第一多晶金刚石层；在提供氢气和甲烷的条件下，且在加入催化气体的条件下，继续采用微波等离子体化学气相沉积法，在第一多晶金刚石层上，进行金刚石生长加速阶段，以在第一多晶金刚石层上生长第二多晶金刚石层；对第二多晶金刚石层进行匹配研磨。

可选的，在金刚石生长加速阶段结束时，第一多晶金刚石层和第二多晶金刚石层的总厚度为30-100μm；在金刚石生长初始阶段结束时，第一多晶金刚石层的厚度达到总厚度的60-75％。然后进行金刚石生长加速阶段。

可选的，在金刚石生长加速阶段，加入的催化气体为氮气，催化气体占气源的比例为0.8-1.2％。

可选的，对第二多晶金刚石层进行的匹配研磨包括预研磨和梯度研磨；预研磨包括将金刚石磨粒砂浆(金刚石磨粒调配成相应砂浆)喷洒(充分喷洒)在磨盘上，对磨盘进行修盘研磨；梯度研磨先使用粒径为20μm的金刚石磨粒砂浆进行第一梯度研磨，再使用粒径为10μm的金刚石磨粒砂浆进行第二研磨。

可选的，在金刚石生长加速阶段结束时，第一多晶金刚石层和第二多晶金刚石层的总厚度为250-600μm；在金刚石生长初始阶段结束时，第一多晶金刚石层的厚度达到总厚度的60-80％。然后进行金刚石生长加速阶段。

可选的，在金刚石生长加速阶段，加入的催化气体为氮气，催化气体占气源的比例为0.04-0.2％。