金剛石半導體系統(tǒng)及方法
【專利摘要】在此披露了一種用于制造金剛石半導體的新型且改良的系統(tǒng)以及方法。該系統(tǒng)可包括具有n型供體原子（306）和金剛石晶格（304）的一種金剛石材料（200），其中在100kPa和300K，這些供體原子（306）的0.16%將遷移率大于770cm2/Vs的傳導電子提供至該金剛石晶格（304）。制造金剛石半導體的方法（100）可包括以下步驟：選擇一種具有金剛石晶格（304）的金剛石材料（200）；將最小量受體摻雜原子引入至該金剛石晶格（304）中，以建立離子軌道；將置換摻雜原子通過這些離子軌道引入至該金剛石晶格（304）中；并且退火該金剛石晶格（304）。
【專利說明】金剛石半導體系統(tǒng)及方法
相關申請的交叉引用
[0001]本申請要求了 2011年7月30日提交的美國臨時申請?zhí)?1/513569的權益。
發(fā)明背景
領域
[0002]本發(fā)明總體上涉及半導體系統(tǒng)及制造方法，并且更具體地涉及一種制造金剛石半導體的系統(tǒng)及方法。
發(fā)明背景
[0003]金剛石擁有良好的理論半導體性能特征。然而，實際基于金剛石的半導體裝置應用仍有限制。限制實際的基于金剛石的半導體發(fā)展的一個問題是在金剛石中制造優(yōu)質(zhì)η型層的困難。雖然已進行嘗試以基于限制空位產(chǎn)生的缺陷的濃度來改良η型金剛石制造，但是與在金剛石中制造優(yōu)質(zhì)η型層相關的困難仍未充分解決。因此，存在一種對于新型的并且改良的制造金剛石半導體的系統(tǒng)及方法的需要，該金剛石半導體包括金剛石半導體內(nèi)的η型層。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在此披露了一種用于制造金剛石半導體的新型且改良的系統(tǒng)及方法。根據(jù)該方法的一個方面，該系統(tǒng)可包括一種具有η型供體原子和金剛石晶格的金剛石材料，其中在IOOkPa及300Κ，這些供體原子的0.16%將遷移率大于770cm2/Vs的傳導電子提供至該金剛
石晶格。
[0005]在本方法的另一個方面中，制造金剛石半導體的方法可包括以下步驟:選擇一種具有金剛石晶格的金剛石材料；將最小量的受體摻雜原子引入至該金剛石晶格中，以建立離子軌道；將置換摻雜原子通過這些離子軌道引入至該金剛石晶格中；并且退火該金剛石晶格，其中該最小量的受體摻雜原子的引入不產(chǎn)生臨界的空位密度，并且該最小量的受體摻雜原子的引入減小了該金剛石晶格的電阻性壓力能力(resistive pressurecapability)。
[0006]本發(fā)明中披露的用于制造金剛石半導體的系統(tǒng)及方法的其他系統(tǒng)、方法、方面、特征、實施例及優(yōu)點對于具備本領域普通技術的技術人員在檢查以下圖示及詳細描述時將是明顯的，或?qū)⒆兊妹黠@。本發(fā)明旨在將所有此類額外系統(tǒng)、方法、方面、特征、實施例及優(yōu)點包括于本說明書內(nèi)，并且在所附的權利要求的范圍內(nèi)。
附圖簡要說明
[0007]應理解，圖是單純出于展示的目的。此外，圖中的部件并非必需按比例繪制，而是強調(diào)說明本發(fā)明中披露的系統(tǒng)的原理。在圖中，相似參考數(shù)字貫穿了不同的視圖指示對應的部分。
[0008]圖1是用于制造金剛石半導體的方法的第一實施例的一個框圖。
[0009]圖2A是一種本征(intrinsic)金剛石薄膜晶片的現(xiàn)有技術模型的透視圖，在其上可實施圖1的方法。[0010]圖2B是圖2A的金剛石的一個本征金剛石晶格結構的現(xiàn)有技術的模型。
[0011]圖3A是一個摻雜金剛石薄膜晶片的例示性模型的透視圖，諸如可通過在圖2的本征金剛石薄膜晶片上實施圖1中的方法來進行制造。
[0012]圖3B是圖3A的摻雜金剛石薄膜晶片的一種摻雜金剛石晶格結構的模型。
[0013]圖4是用于制造金剛石半導體的方法的第二實施例的框圖。
[0014]圖5A及圖5B是用于制造金剛石半導體的方法的第三實施例的框圖。 [0015]圖6是可根據(jù)圖5A及圖5B的方法制造的一個例示性P+_i_N 二極管模型的俯視圖。
[0016]圖7是可根據(jù)圖5A及圖5B的方法制造的一個例示性的六接針表面安裝裝置(surface mount device)的封裝的模型的透視圖。
[0017]圖8展示了二極管測試條件設置的示意圖，諸如可利用圖6的二極管模型。
[0018]圖9是可根據(jù)圖5A及圖5B的方法制造的二極管的閾值電壓性能特征的圖示。
[0019]圖10是可根據(jù)圖5A及圖5B的方法制造的二極管在正向偏壓下的電流-電壓特征的圖示。
[0020]圖11是可根據(jù)圖5A及圖5B的方法制造的二極管在正向偏壓下的電流密度特征的圖示。
[0021]圖12是可根據(jù)圖5A及圖5B的方法制造的二極管在反向偏壓下的電流-電壓特征的圖示。
[0022]圖13是可根據(jù)圖5A及圖5B的方法制造的二極管在反向偏壓下的電流密度特征的圖示。
[0023]圖14展示了可使用可根據(jù)圖5A及圖5B的方法制造的二極管的一個RF衰減器驅(qū)動器的示意圖。
詳細說明
[0024]以下參考并結合附圖的詳細說明描述并舉例說明了一個或多個具體的實施例。以充分的細節(jié)展示并且描述了這些實施例，以便使得那些本領域的技術人員可以實施本發(fā)明所提出權利要求的，提供這些實施例不是為了限制，而是僅為了舉例說明和傳授。因此，為簡短起見，省略了對于那些本領域技術人員所已知的某些信息的描述。
[0025]圖1展示了用于在金剛石材料內(nèi)制造層的方法100的第一實施例的框圖。該方法100可包括選擇一種具有金剛石晶格結構的金剛石材料的第一步驟102。該金剛石材料是本征金剛石。本征金剛石是尚未刻意摻雜的金剛石。摻雜可引入雜質(zhì)，目的是給予該金剛石材料電特征，諸如但不限于η型特性及P型特征。該金剛石材料可為單晶或多晶金剛石。
[0026]圖2Α是一個本征金剛石薄膜晶片200的模型的透視圖。盡管不限于任何特定金剛石材料，但是在一個實施例中，方法100的金剛石材料是本征金剛石薄膜晶片100。該本征金剛石薄膜晶片200可包含一個金剛石層202、二氧化娃層(Si02)204、娃晶片層206及娃晶片層208。金剛石層202可為但不限于超納米結晶金剛石。該本征金剛石薄膜晶片200可為直徑100mm。該金剛石層202可為具有約200nm至300nm的顆粒大小的I μ m多晶金剛石。該二氧化硅層(SiO2) 204可為約I μ m。該硅晶片層206可為約500 μ m Si，諸如可從先進金剛石公司(Advanced Diamond Technologies, Inc.)購得的 AqualOO。方法 100 的第一步驟100可包括選擇多種基于金剛石的材料，諸如但不限于本征金剛石薄膜晶片200的例示性金剛石層200。
[0027]圖2B是一個本征金剛石晶格結構210的模型，諸如但不限于金剛石層202的一個本征金剛石晶格結構。該本征金剛石晶格結構210可包含多個碳原子212。該本征金剛石晶格結構210是具備本領域技術的那些技術人員已知的。在該模型中，該本征金剛石晶格結構210展示沒有缺陷，且所展示的所有原子是碳原子212。
[0028]方法100的第二步驟104可包含將最小量的受體摻雜原子引入至該金剛石晶格中，以建立離子軌道。離子軌道的建立可包含建立非臨界濃度的空位，例如，對于單晶塊體小于1022/cm3，并且減小該金剛石層202的電阻性壓力的能力。例如，第二步驟104可包含在約293至298° K溫度以低濃度使用離子植入而引入受體摻雜原子。這些受體摻雜原子可為P型受體摻雜原子。該P型摻雜劑可為但不限于硼、氫及鋰。最小量的受體摻雜原子可為使得碳懸空鍵將與受體摻雜原子反應，但在該金剛石晶格中不形成受體能階。
[0029]第二步驟104的最小量的受體摻雜原子可例如為(但不限于)約lxlO^Vcm2的硼。在其他實施例中，第二步驟104的最小量的受體摻雜原子可例如為(但不限于)約SxlO^Vcm2的硼以及1x107cm2至SxlO^Vcm2的范圍的硼。第二步驟104可通過以室溫共摻雜硼而完成，其中所產(chǎn)生的空位可遷移，但硼可采用間隙定位(interstitial positioning)。該第二步驟104可除一些置換定位之外產(chǎn)生用于隨后摻雜劑的移動空位。
[0030]第二步驟104的離子軌道可看作用于引入較大置換摻雜原子的彈道(ballistic)通路(見下文第三步驟106)。第二步驟104還可通過能量偏向受體摻雜原子的間隙定位，并且改變金剛石晶格的局部形成能量動力而消除該金剛石晶格中的碳懸空鍵的排斥力(相對于置換摻雜原子(見下文之步驟106))。
[0031]方法100的第三步驟106可包含通過離子軌道將置換摻雜原子引入至該金剛石晶格。例如，第三步驟106可包含優(yōu)選地在約78° K或低于約78° K以小于500keV的能量植入使用離子植入而引入較大置換摻雜原子。低于78° K植入可允許凍結金剛石晶格中的空位及間隙，同時最大化置換摻雜原子的置換植入。較大置換摻雜劑可以是例如(但不限于)磷、氮、硫及氧。`
[0032]為了在所希望的離子能量較高的地方植入，因為可出現(xiàn)局部自退火，可有利地與MeV能量植入結合使用環(huán)境溫度。在所希望的離子能量較高的地方，可以存在進入的粒子采用置換定位的較高可能性。
[0033]可以遠大于受體摻雜原子的濃度引入較大置換摻雜原子。較大置換摻雜原子的較高濃度可為(但不限于)約9.9xl017/cm3的磷及8xl017/cm3至2xl018/cm3的范圍。
[0034]在第三步驟106中，彈道通路的存在及作用于置換摻雜原子上的負排斥力的最小化有助于置換摻雜原子以最小額外晶格畸變進入該金剛石晶格中。以約78° K或低于約78° K的置換摻雜原子的離子植入提供更好的雜質(zhì)定位，偏向于置換定位超過間隙定位，并且還用于最小化金剛石晶格畸變，因為每次碰撞離子產(chǎn)生更少空位。
[0035]在一個實施例中，可于140keV以6度偏移最小化通道執(zhí)行步驟106的離子植入。植入射束能量可以是使得在表面下方約25nm的一個有效植入?yún)^(qū)域中的劑量重迭，使得能量上不偏向石墨晶格松弛?？梢粤讏F塊31單電離的摻雜劑(B卩，31Ρ+)、0.8μ A的射束電流、140keV的射束能量、9.4X10n/Cm2的射束劑量、6度的入射角、及以約78° K或低于約78° K的溫度在一個Varian離子植入系統(tǒng)中執(zhí)行摻雜。[0036]方法100的第四步驟108可包含使該金剛石晶格經(jīng)受快速熱退火。該快速熱退火可在1000°C完成?？焖贌嵬嘶鹂苫謴涂赡芤言谠摰诙襟E104及該第三步驟106過程中損壞的金剛石晶格的部分，并且可電活化可能已被置換定位的剩余摻雜原子。以較短持續(xù)時間的較高溫度可比較低溫度、較長持續(xù)時間的退火更有利，因為在超過600C的溫度的較長退火時間過程中可轉(zhuǎn)變損壞恢復機制。
[0037]圖3A是一個摻雜金剛石薄膜晶片300的模型的透視圖，諸如可通過將本征金剛石薄膜晶片200經(jīng)受方法100而制造。該摻雜金剛石薄膜晶片300可包含一個摻雜金剛石層302、二氧化硅層(SiO2) 204及硅晶片層208。
[0038]圖3B是一個摻雜金剛石晶格結構304的模型，諸如可為使該金剛石層202經(jīng)受方法100的結果。該摻雜金剛石晶格結構304可包含多個碳原子314、多個磷原子306和多個空位308以及一個硼原子310。
[0039]該方法100允許制造半導體系統(tǒng)，該半導體系統(tǒng)包含一種金剛石材料，諸如但不限于具有η型供體原子的摻雜金剛石薄膜晶片300，諸如但不限于多個磷原子306，和金剛石晶格，諸如但不限于摻雜的金剛石晶格結構304，其中例如經(jīng)由約0.25eV的淺電離能量，在IOOkPa及300K，這些供體原子的0.16%將遷移率大于770cm2/Vs的傳導電子提供至該金剛石晶格。
[0040]圖4展示了用于在金剛石材料內(nèi)制造層的方法400的第二實施例的框圖。方法400的第一步驟可與方法100的第一步驟102相同，包含選擇一種具有金剛石晶格結構的金剛石材料。
[0041]方法400的第二步驟402可包含清洗該金剛石材料，以移除表面污染物。例如，第一步驟402可包含清洗該本征金剛石薄膜晶片200(見圖2)。該清洗可為強力清洗，例如但不限于具備本領域技術的那些技術人員已知的標準擴散清洗。此擴散清洗的實例包含:應用H2SO4M2O2的4:1溶液10分鐘；應用H2O2溶液2.5分鐘；應用H20/H202/HCL的5:1:1溶液10分鐘；應用H2O2溶液2.5分鐘；并且熱旋轉(zhuǎn)干燥5分鐘。
[0042]方法400的第三步驟404可包含將該金剛石材料在該金剛石晶格的一個第一部分上經(jīng)受預離子軌道掩蔽沉積。該預離子軌道掩蔽可在離子植入過程中保護該金剛石材料的一個第一部分。該預離子軌道掩蔽沉積可為鋁預植入掩蔽沉積?？墒褂糜?9.99999%(6N)純度的鋁以21至24秒的沉積時間、7.5kff的功率、2.5xl(T3托的壓力至30nm的厚度的Gryphon金屬濺鍍系統(tǒng)執(zhí)行該預離子軌道掩蔽沉積。
[0043]方法400的第四步驟可與方法100的第二步驟104相同，包含將最小量的受體摻雜原子引入該金剛石晶格，以建立離子軌道。
[0044]方法400的第五步驟可與方法100的第三步驟106相同，包含將置換摻雜原子通過這些離子軌道引入至該金剛石晶格。
[0045]方法400的第六步驟406可包含對該金剛石晶格進行掩蔽蝕刻、清洗及退火。該掩蔽蝕刻可為鋁掩蔽蝕刻。該掩蔽蝕刻可為以每分鐘I μ m的速率使用鋁蝕刻劑的濕式蝕亥|J，該蝕刻劑是例如，Cyantek AL-1I鋁蝕刻劑混合物或具有72%磷酸、3%醋酸、3%硝酸、12%水及10%表面活性劑的組合物的蝕刻劑。在已視覺地移除鋁之后(可花費約30秒)，這些晶片可在去離子水下浸泡(run)六十秒，并且通過加壓空氣槍干燥。
[0046]在其他的實施例中，該第六步驟406的掩蔽蝕刻可為使用反應性離子蝕刻(Ar(35SCCM)/02 (IOSCCM),以VB1AS576V，250W功率，在50毫托壓力下，25nm的總蝕刻厚度的毯覆蝕刻(blanket etch)。Ar/Ο蝕刻可具有蝕刻及拋光/終止該金剛石材料表面兩者的雙重功能。除最初蝕刻之外，隨后實施相同的程序配方，以形成裝置架構，并且按照最終應用用途所要求而界定金剛石的不同作用及非作用區(qū)域(即，M0SFET、二極管、LED等等)。蝕刻掩蔽層，例如200nm厚度的鋁沉積可通過標準電子束蒸發(fā)而形成。蝕刻可在Oxford系統(tǒng)IOOPlasmalab設備(Oxford深反應性離子蝕刻機)上執(zhí)行。蝕刻條件可為:RIE功率:200W ;ICP功率:2000ff ;壓力:9毫托；02流量:50sccm ；Ar流量=Isccm0金剛石層的蝕刻速率可為155nm/min,且對于招掩蔽層為34nm/min。
[0047]第六步驟406的清洗可類似于第二步驟402中描述的擴散清洗。第六步驟406的退火可為在約1000°C至1150°C的在流動N2下約5分鐘的快速熱退火，和/或該快速熱退火可用Agilent RTA模型AG4108在表1中示出的設置下操作而執(zhí)行。
表1
【權利要求】
1.一種半導體體統(tǒng)，該半導體系統(tǒng)包括: 一種具有η型供體原子和金剛石晶格的金剛石材料，其中在IOOkPa及300Κ，這些供體原子的0.16%將遷移率大于770cm2/Vs的傳導電子提供至該金剛石晶格。
2.如權利要求1所述的半導體系統(tǒng)，其中這些供體原子的0.16%提供了具有淺電離能量的傳導電子。
3.如權利要求2所述的半導體系統(tǒng)，其中該淺電離能量是約為0.25eV。
4.如權利要去I所述的半導體系統(tǒng)，其中該金剛石材料是結合至一個二極管中的。
5.一種制造金剛石半導體的方法，該方法包括以下步驟: 選擇一種具有金剛石晶格的金剛石材料； 將最小量的受體摻雜原子引入至該金剛石晶格中，以建立離子軌道； 將置換摻雜原子通過這些離子軌道而引入至該金剛石晶格中；并且 退火該金剛石晶格； 其中該最小量的受體摻雜原子的引入并不產(chǎn)生一個臨界的空位密度，并且該最小量的受體摻雜原子的引入減小了該金剛石晶格的電阻性壓力能力。
6.如權利要求5所述的方法，其中該金剛石材料是本征金剛石。
7.如權利要求5所述的方法，其中以293°K至298° K引入這些受體摻雜原子。
8.如權利要求5所述的方法，其中這些受體摻雜原子是硼。
9.如權利要求5所述的方法，其中該最小量的受體摻雜原子是在5x107cm2與5X101(I/cm2之間。
10.如權利要求5所述的方法，其中以78°K或低于78° K引入這些置換摻雜原子。
11.如權利要求5所述的方法，其中以小于500keV引入這些置換摻雜原子。
12.如權利要求5所述的方法，其中以小于140keV及6度偏移引入這些置換摻雜原子。
13.如權利要求5所述的方法，其中這些置換摻雜原子是磷。
14.如權利要求5所述的方法，其中以大于9X1017/cm3的濃度引入這些置換摻雜原子。
15.如權利要求5所述的方法，其中該退火是發(fā)生在1000°C或高于1000°C。
16.—種根據(jù)權利要求5所述的方法制造的半導體。
【文檔編號】C30B29/04GK103717791SQ201280038078
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年7月20日 優(yōu)先權日:2011年7月30日
【發(fā)明者】亞當·卡恩 申請人:阿克汗技術有限公司