金刚石半导体系统及方法
【专利摘要】在此披露了一种用于制造金刚石半导体的新型且改良的系统以及方法。该系统可包括具有n型供体原子（306）和金刚石晶格（304）的一种金刚石材料（200），其中在100kPa和300K，这些供体原子（306）的0.16%将迁移率大于770cm2/Vs的传导电子提供至该金刚石晶格（304）。制造金刚石半导体的方法（100）可包括以下步骤：选择一种具有金刚石晶格（304）的金刚石材料（200）；将最小量受体掺杂原子引入至该金刚石晶格（304）中，以建立离子轨道；将置换掺杂原子通过这些离子轨道引入至该金刚石晶格（304）中；并且退火该金刚石晶格（304）。
【专利说明】金刚石半导体系统及方法
相关申请的交叉引用
[0001]本申请要求了 2011年7月30日提交的美国临时申请号61/513569的权益。
发明背景
领域
[0002]本发明总体上涉及半导体系统及制造方法，并且更具体地涉及一种制造金刚石半导体的系统及方法。
发明背景
[0003]金刚石拥有良好的理论半导体性能特征。然而，实际基于金刚石的半导体装置应用仍有限制。限制实际的基于金刚石的半导体发展的一个问题是在金刚石中制造优质η型层的困难。虽然已进行尝试以基于限制空位产生的缺陷的浓度来改良η型金刚石制造，但是与在金刚石中制造优质η型层相关的困难仍未充分解决。因此，存在一种对于新型的并且改良的制造金刚石半导体的系统及方法的需要，该金刚石半导体包括金刚石半导体内的η型层。
【发明内容】
[0004]在此披露了一种用于制造金刚石半导体的新型且改良的系统及方法。根据该方法的一个方面，该系统可包括一种具有η型供体原子和金刚石晶格的金刚石材料，其中在IOOkPa及300Κ，这些供体原子的0.16%将迁移率大于770cm2/Vs的传导电子提供至该金刚
石晶格。
[0005]在本方法的另一个方面中，制造金刚石半导体的方法可包括以下步骤:选择一种具有金刚石晶格的金刚石材料；将最小量的受体掺杂原子引入至该金刚石晶格中，以建立离子轨道；将置换掺杂原子通过这些离子轨道引入至该金刚石晶格中；并且退火该金刚石晶格，其中该最小量的受体掺杂原子的引入不产生临界的空位密度，并且该最小量的受体掺杂原子的引入减小了该金刚石晶格的电阻性压力能力(resistive pressurecapability)。
[0006]本发明中披露的用于制造金刚石半导体的系统及方法的其他系统、方法、方面、特征、实施例及优点对于具备本领域普通技术的技术人员在检查以下图示及详细描述时将是明显的，或将变得明显。本发明旨在将所有此类额外系统、方法、方面、特征、实施例及优点包括于本说明书内，并且在所附的权利要求的范围内。
附图简要说明
[0007]应理解，图是单纯出于展示的目的。此外，图中的部件并非必需按比例绘制，而是强调说明本发明中披露的系统的原理。在图中，相似参考数字贯穿了不同的视图指示对应的部分。
[0008]图1是用于制造金刚石半导体的方法的第一实施例的一个框图。
[0009]图2A是一种本征(intrinsic)金刚石薄膜晶片的现有技术模型的透视图，在其上可实施图1的方法。[0010]图2B是图2A的金刚石的一个本征金刚石晶格结构的现有技术的模型。
[0011]图3A是一个掺杂金刚石薄膜晶片的例示性模型的透视图，诸如可通过在图2的本征金刚石薄膜晶片上实施图1中的方法来进行制造。
[0012]图3B是图3A的掺杂金刚石薄膜晶片的一种掺杂金刚石晶格结构的模型。
[0013]图4是用于制造金刚石半导体的方法的第二实施例的框图。
[0014]图5A及图5B是用于制造金刚石半导体的方法的第三实施例的框图。 [0015]图6是可根据图5A及图5B的方法制造的一个例示性P+_i_N 二极管模型的俯视图。
[0016]图7是可根据图5A及图5B的方法制造的一个例示性的六接针表面安装装置(surface mount device)的封装的模型的透视图。
[0017]图8展示了二极管测试条件设置的示意图，诸如可利用图6的二极管模型。
[0018]图9是可根据图5A及图5B的方法制造的二极管的阈值电压性能特征的图示。
[0019]图10是可根据图5A及图5B的方法制造的二极管在正向偏压下的电流-电压特征的图示。
[0020]图11是可根据图5A及图5B的方法制造的二极管在正向偏压下的电流密度特征的图示。
[0021]图12是可根据图5A及图5B的方法制造的二极管在反向偏压下的电流-电压特征的图示。
[0022]图13是可根据图5A及图5B的方法制造的二极管在反向偏压下的电流密度特征的图示。
[0023]图14展示了可使用可根据图5A及图5B的方法制造的二极管的一个RF衰减器驱动器的示意图。
详细说明
[0024]以下参考并结合附图的详细说明描述并举例说明了一个或多个具体的实施例。以充分的细节展示并且描述了这些实施例，以便使得那些本领域的技术人员可以实施本发明所提出权利要求的，提供这些实施例不是为了限制，而是仅为了举例说明和传授。因此，为简短起见，省略了对于那些本领域技术人员所已知的某些信息的描述。
[0025]图1展示了用于在金刚石材料内制造层的方法100的第一实施例的框图。该方法100可包括选择一种具有金刚石晶格结构的金刚石材料的第一步骤102。该金刚石材料是本征金刚石。本征金刚石是尚未刻意掺杂的金刚石。掺杂可引入杂质，目的是给予该金刚石材料电特征，诸如但不限于η型特性及P型特征。该金刚石材料可为单晶或多晶金刚石。
[0026]图2Α是一个本征金刚石薄膜晶片200的模型的透视图。尽管不限于任何特定金刚石材料，但是在一个实施例中，方法100的金刚石材料是本征金刚石薄膜晶片100。该本征金刚石薄膜晶片200可包含一个金刚石层202、二氧化娃层(Si02)204、娃晶片层206及娃晶片层208。金刚石层202可为但不限于超纳米结晶金刚石。该本征金刚石薄膜晶片200可为直径100mm。该金刚石层202可为具有约200nm至300nm的颗粒大小的I μ m多晶金刚石。该二氧化硅层(SiO2) 204可为约I μ m。该硅晶片层206可为约500 μ m Si，诸如可从先进金刚石公司(Advanced Diamond Technologies, Inc.)购得的 AqualOO。方法 100 的第一步骤100可包括选择多种基于金刚石的材料，诸如但不限于本征金刚石薄膜晶片200的例示性金刚石层200。
[0027]图2B是一个本征金刚石晶格结构210的模型，诸如但不限于金刚石层202的一个本征金刚石晶格结构。该本征金刚石晶格结构210可包含多个碳原子212。该本征金刚石晶格结构210是具备本领域技术的那些技术人员已知的。在该模型中，该本征金刚石晶格结构210展示没有缺陷，且所展示的所有原子是碳原子212。
[0028]方法100的第二步骤104可包含将最小量的受体掺杂原子引入至该金刚石晶格中，以建立离子轨道。离子轨道的建立可包含建立非临界浓度的空位，例如，对于单晶块体小于1022/cm3，并且减小该金刚石层202的电阻性压力的能力。例如，第二步骤104可包含在约293至298° K温度以低浓度使用离子植入而引入受体掺杂原子。这些受体掺杂原子可为P型受体掺杂原子。该P型掺杂剂可为但不限于硼、氢及锂。最小量的受体掺杂原子可为使得碳悬空键将与受体掺杂原子反应，但在该金刚石晶格中不形成受体能阶。
[0029]第二步骤104的最小量的受体掺杂原子可例如为(但不限于)约lxlO^Vcm2的硼。在其他实施例中，第二步骤104的最小量的受体掺杂原子可例如为(但不限于)约SxlO^Vcm2的硼以及1x107cm2至SxlO^Vcm2的范围的硼。第二步骤104可通过以室温共掺杂硼而完成，其中所产生的空位可迁移，但硼可采用间隙定位(interstitial positioning)。该第二步骤104可除一些置换定位之外产生用于随后掺杂剂的移动空位。
[0030]第二步骤104的离子轨道可看作用于引入较大置换掺杂原子的弹道(ballistic)通路(见下文第三步骤106)。第二步骤104还可通过能量偏向受体掺杂原子的间隙定位，并且改变金刚石晶格的局部形成能量动力而消除该金刚石晶格中的碳悬空键的排斥力(相对于置换掺杂原子(见下文之步骤106))。
[0031]方法100的第三步骤106可包含通过离子轨道将置换掺杂原子引入至该金刚石晶格。例如，第三步骤106可包含优选地在约78° K或低于约78° K以小于500keV的能量植入使用离子植入而引入较大置换掺杂原子。低于78° K植入可允许冻结金刚石晶格中的空位及间隙，同时最大化置换掺杂原子的置换植入。较大置换掺杂剂可以是例如(但不限于)磷、氮、硫及氧。`
[0032]为了在所希望的离子能量较高的地方植入，因为可出现局部自退火，可有利地与MeV能量植入结合使用环境温度。在所希望的离子能量较高的地方，可以存在进入的粒子采用置换定位的较高可能性。
[0033]可以远大于受体掺杂原子的浓度引入较大置换掺杂原子。较大置换掺杂原子的较高浓度可为(但不限于)约9.9xl017/cm3的磷及8xl017/cm3至2xl018/cm3的范围。
[0034]在第三步骤106中，弹道通路的存在及作用于置换掺杂原子上的负排斥力的最小化有助于置换掺杂原子以最小额外晶格畸变进入该金刚石晶格中。以约78° K或低于约78° K的置换掺杂原子的离子植入提供更好的杂质定位，偏向于置换定位超过间隙定位，并且还用于最小化金刚石晶格畸变，因为每次碰撞离子产生更少空位。
[0035]在一个实施例中，可于140keV以6度偏移最小化通道执行步骤106的离子植入。植入射束能量可以是使得在表面下方约25nm的一个有效植入区域中的剂量重迭，使得能量上不偏向石墨晶格松弛。可以磷团块31单电离的掺杂剂(B卩，31Ρ+)、0.8μ A的射束电流、140keV的射束能量、9.4X10n/Cm2的射束剂量、6度的入射角、及以约78° K或低于约78° K的温度在一个Varian离子植入系统中执行掺杂。[0036]方法100的第四步骤108可包含使该金刚石晶格经受快速热退火。该快速热退火可在1000°C完成。快速热退火可恢复可能已在该第二步骤104及该第三步骤106过程中损坏的金刚石晶格的部分，并且可电活化可能已被置换定位的剩余掺杂原子。以较短持续时间的较高温度可比较低温度、较长持续时间的退火更有利，因为在超过600C的温度的较长退火时间过程中可转变损坏恢复机制。
[0037]图3A是一个掺杂金刚石薄膜晶片300的模型的透视图，诸如可通过将本征金刚石薄膜晶片200经受方法100而制造。该掺杂金刚石薄膜晶片300可包含一个掺杂金刚石层302、二氧化硅层(SiO2) 204及硅晶片层208。
[0038]图3B是一个掺杂金刚石晶格结构304的模型，诸如可为使该金刚石层202经受方法100的结果。该掺杂金刚石晶格结构304可包含多个碳原子314、多个磷原子306和多个空位308以及一个硼原子310。
[0039]该方法100允许制造半导体系统，该半导体系统包含一种金刚石材料，诸如但不限于具有η型供体原子的掺杂金刚石薄膜晶片300，诸如但不限于多个磷原子306，和金刚石晶格，诸如但不限于掺杂的金刚石晶格结构304，其中例如经由约0.25eV的浅电离能量，在IOOkPa及300K，这些供体原子的0.16%将迁移率大于770cm2/Vs的传导电子提供至该金刚石晶格。
[0040]图4展示了用于在金刚石材料内制造层的方法400的第二实施例的框图。方法400的第一步骤可与方法100的第一步骤102相同，包含选择一种具有金刚石晶格结构的金刚石材料。
[0041]方法400的第二步骤402可包含清洗该金刚石材料，以移除表面污染物。例如，第一步骤402可包含清洗该本征金刚石薄膜晶片200(见图2)。该清洗可为强力清洗，例如但不限于具备本领域技术的那些技术人员已知的标准扩散清洗。此扩散清洗的实例包含:应用H2SO4M2O2的4:1溶液10分钟；应用H2O2溶液2.5分钟；应用H20/H202/HCL的5:1:1溶液10分钟；应用H2O2溶液2.5分钟；并且热旋转干燥5分钟。
[0042]方法400的第三步骤404可包含将该金刚石材料在该金刚石晶格的一个第一部分上经受预离子轨道掩蔽沉积。该预离子轨道掩蔽可在离子植入过程中保护该金刚石材料的一个第一部分。该预离子轨道掩蔽沉积可为铝预植入掩蔽沉积。可使用用99.99999%(6N)纯度的铝以21至24秒的沉积时间、7.5kff的功率、2.5xl(T3托的压力至30nm的厚度的Gryphon金属溅镀系统执行该预离子轨道掩蔽沉积。
[0043]方法400的第四步骤可与方法100的第二步骤104相同，包含将最小量的受体掺杂原子引入该金刚石晶格，以建立离子轨道。
[0044]方法400的第五步骤可与方法100的第三步骤106相同，包含将置换掺杂原子通过这些离子轨道引入至该金刚石晶格。
[0045]方法400的第六步骤406可包含对该金刚石晶格进行掩蔽蚀刻、清洗及退火。该掩蔽蚀刻可为铝掩蔽蚀刻。该掩蔽蚀刻可为以每分钟I μ m的速率使用铝蚀刻剂的湿式蚀亥|J，该蚀刻剂是例如，Cyantek AL-1I铝蚀刻剂混合物或具有72%磷酸、3%醋酸、3%硝酸、12%水及10%表面活性剂的组合物的蚀刻剂。在已视觉地移除铝之后(可花费约30秒)，这些晶片可在去离子水下浸泡(run)六十秒，并且通过加压空气枪干燥。
[0046]在其他的实施例中，该第六步骤406的掩蔽蚀刻可为使用反应性离子蚀刻(Ar(35SCCM)/02 (IOSCCM),以VB1AS576V，250W功率，在50毫托压力下，25nm的总蚀刻厚度的毯覆蚀刻(blanket etch)。Ar/Ο蚀刻可具有蚀刻及抛光/终止该金刚石材料表面两者的双重功能。除最初蚀刻之外，随后实施相同的程序配方，以形成装置架构，并且按照最终应用用途所要求而界定金刚石的不同作用及非作用区域(即，M0SFET、二极管、LED等等)。蚀刻掩蔽层，例如200nm厚度的铝沉积可通过标准电子束蒸发而形成。蚀刻可在Oxford系统IOOPlasmalab设备(Oxford深反应性离子蚀刻机)上执行。蚀刻条件可为:RIE功率:200W ;ICP功率:2000ff ;压力:9毫托；02流量:50sccm ；Ar流量=Isccm0金刚石层的蚀刻速率可为155nm/min,且对于招掩蔽层为34nm/min。
[0047]第六步骤406的清洗可类似于第二步骤402中描述的扩散清洗。第六步骤406的退火可为在约1000°C至1150°C的在流动N2下约5分钟的快速热退火，和/或该快速热退火可用Agilent RTA模型AG4108在表1中示出的设置下操作而执行。
表1
【权利要求】
1.一种半导体体统，该半导体系统包括: 一种具有η型供体原子和金刚石晶格的金刚石材料，其中在IOOkPa及300Κ，这些供体原子的0.16%将迁移率大于770cm2/Vs的传导电子提供至该金刚石晶格。
2.如权利要求1所述的半导体系统，其中这些供体原子的0.16%提供了具有浅电离能量的传导电子。
3.如权利要求2所述的半导体系统，其中该浅电离能量是约为0.25eV。
4.如权利要去I所述的半导体系统，其中该金刚石材料是结合至一个二极管中的。
5.一种制造金刚石半导体的方法，该方法包括以下步骤: 选择一种具有金刚石晶格的金刚石材料； 将最小量的受体掺杂原子引入至该金刚石晶格中，以建立离子轨道； 将置换掺杂原子通过这些离子轨道而引入至该金刚石晶格中；并且 退火该金刚石晶格； 其中该最小量的受体掺杂原子的引入并不产生一个临界的空位密度，并且该最小量的受体掺杂原子的引入减小了该金刚石晶格的电阻性压力能力。
6.如权利要求5所述的方法，其中该金刚石材料是本征金刚石。
7.如权利要求5所述的方法，其中以293°K至298° K引入这些受体掺杂原子。
8.如权利要求5所述的方法，其中这些受体掺杂原子是硼。
9.如权利要求5所述的方法，其中该最小量的受体掺杂原子是在5x107cm2与5X101(I/cm2之间。
10.如权利要求5所述的方法，其中以78°K或低于78° K引入这些置换掺杂原子。
11.如权利要求5所述的方法，其中以小于500keV引入这些置换掺杂原子。
12.如权利要求5所述的方法，其中以小于140keV及6度偏移引入这些置换掺杂原子。
13.如权利要求5所述的方法，其中这些置换掺杂原子是磷。
14.如权利要求5所述的方法，其中以大于9X1017/cm3的浓度引入这些置换掺杂原子。
15.如权利要求5所述的方法，其中该退火是发生在1000°C或高于1000°C。
16.—种根据权利要求5所述的方法制造的半导体。
【文档编号】C30B29/04GK103717791SQ201280038078
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年7月20日 优先权日:2011年7月30日
【发明者】亚当·卡恩 申请人:阿克汗技术有限公司