纳米金刚石薄膜等离子体生长掺硼机理与控制研究

Nano-crystalline diamond (NCD) thin film is a kind of wide band gap semiconductor which has wonderful application foreground in the field of high power transistor. Electronic devices based on boron-doped p-type NCD thin films have great stability under high temperature, high power and strong radiation. At present, the technical bottleneck in semiconductor application of NCD thin films is how to precisely control its hole concentration, hole mobility and electronic life. In this project, we want to study the whole boron-doping process by plasma diagnostics and material performance detection based on the theories of plasma chemistry, film growth and semiconductor doping. The inherent law of boron-doping process can be explored by the research on chemical reaction in plasma, nucleation and growth of NCD thin films on silicon substrate and the movement of boron atoms in NCD thin films. The project is expected to reveal the main influence mechanism of the boron-doping process of NCD thin films and to establish its theoretical model, which will provide theoretical guidance for promoting the application of NCD thin films in semiconductor field.

纳米金刚石薄膜是一种宽禁带半导体材料，以p型掺硼纳米金刚石薄膜为基础制作的电子器件能在高温、高功率和强辐射下稳定运行，在高功率晶体管领域具有极好的应用前景。但其应用目前仍存在纳米金刚石薄膜p型掺硼稳定性，特别是掺硼后空穴浓度、空穴迁移率及电子寿命等难以精确控制的问题亟待解决。本项目采用等离子体诊断与材料性能检测相结合的方法，利用等离子体化学反应热力学、薄膜生长及半导体掺杂相关理论，从生长掺硼过程中等离子体内部发生的化学反应、薄膜在基片表面的形核生长及硼原子在薄膜中的运动等过程出发，重点探讨纳米金刚石薄膜等离子体生长掺硼的内在机理，掌握影响纳米金刚石薄膜生长掺硼的内在因素及其影响规律，并以此为基础指导纳米金刚石薄膜的生长掺硼，实现纳米金刚石薄膜p型掺硼稳定性的精确控制。通过本项目的研究，可望找出提高硼掺杂纳米金刚石薄膜半导体性能的途径，推动掺硼纳米金刚石薄膜基半导体器件的发展。

金刚石具有一系列优异的半导体性能，是制作高频、高功率、高电压半导体器件的理想材料。本项目选择以纳米金刚石（NCD）薄膜作为研究对象，利用NCD薄膜平整的表面和均一的表面电性能，设计以掺硼NCD薄膜为p型层的半导体器件。在项目实施过程中，主要进行了如下研究：（1）NCD薄膜本征层的表面平整度优化。一方面通过工艺优化，探索提高NCD薄膜表面平整度的途径。结果表明：低的反应气压对生长金刚石（sp3）相含量较高的高质量NCD薄膜十分有利；较高的微波功率有利于减小晶粒尺寸、提高晶粒致密度；较高的CH4浓度能够提高二次成核速率。另一方面进行了超纳米金刚石（UNCD）薄膜的制备，结果表明：利用CH4/H2/Ar体系沉积的UNCD薄膜，其表面粗糙度都低于15nm，但Raman结果表明，该薄膜的金刚石相含量较低，不适合应用到半导体领域。（2）纳米金刚石薄膜的微波等离子体生长掺硼过程分析。朗缪尔探针诊断发现，在C-H等离子体体系中加入B2H6将会对朗缪尔探针诊断产生较大的干扰，不利于获得准确的诊断数据；对C-H-B等离子体系统进行等离子体发射光谱诊断时，含硼基团的种类和浓度很难界定，需要使用高端、昂贵的等离子体发射光谱诊断系统才能获得准确信息。（3）NCD薄膜生长掺硼过程的内在影响规律探讨。结果表明：较高的掺杂温度有利于获得较好的表面电性能，但不利于薄膜的表面平整度，综合本项目实验结果发现，700 ℃为较好的掺杂温度；在掺硼过程中，需要找到合适的硼烷浓度，并非硼烷浓度越高越好；随着掺杂时间的增加，薄膜的表面平整性能逐渐变差，可以根据实际需要尽量缩短掺硼时间。通过本项目的研究，掌握了NCD薄膜沉积和生长过程掺硼的一系列影响规律，利用相关理论分析了相关微观机理，获得了表面粗糙度满足半导体器件制作要求的NCD薄膜本征层，实现了对纳米金刚石薄膜生长掺硼整个过程的精确控制。项目研究成果将为纳米金刚石薄膜基高温、高功率晶体管的发展提供理论基础，加快多晶金刚石膜半导体器件的发展步伐。