CN100533678C - 减少ICP刻蚀SiC表面损伤的方法 - Google Patents
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Abstract
减少ICP刻蚀SiC表面损伤的方法，涉及一种碳化硅表面刻蚀，尤其是涉及一种采用感应耦合等离子体技术实现碳化硅材料刻蚀过程中一种减少ICP刻蚀SiC表面损伤的新方法。提供一种新的减少ICP刻蚀SiC表面损伤的方法。其步骤为在SiC表面上涂敷光刻胶，经曝光、显影、腐蚀形成光刻掩膜层；在保留有光刻胶图形的SiC样品表面溅射沉积金属膜层，去除光刻胶掩膜层及其上的金属层，保留与SiC表面紧密接触的金属图形；将保留金属图形的SiC材料置于感应耦合等离子体刻蚀系统中进行第一次ICP刻蚀，实现SiC材料的图形化；再取出SiC材料，氮气吹洗，将SiC材料置于ICP刻蚀系统中，进行第二次ICP刻蚀。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳化硅表面刻蚀，尤其是涉及一种采用感应耦合等离子体(ICP)技术实现碳化硅(SiC)材料刻蚀过程中一种减少ICP刻蚀SiC表面损伤的新方法。
背景技术
SiC材料是继第一代元素半导体材料硅(Si)和第二代化合物半导体材料(GaAs、GaP、InP等)之后发展起来的第三代宽禁隙半导体材料。由于其具有高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等优点，被认为是制作高温、高频、大功率和抗辐射器件的极具潜力的宽禁带半导体材料。
在SiC器件制备过程中，快速精确且低损伤的SiC刻蚀技术是必不可少的。由于SiC材料的化学稳定性好，SiC材料仅能在高温情形下溶于磷酸或碱性溶液中，且腐蚀的速率极其缓慢。因此，SiC材料的刻蚀一般都采用干法刻蚀而不采用湿法刻蚀。其中，感应耦合等离子(ICP)刻蚀系统具有可以同时提供较高的等离子体密度及独立的衬底偏压源控制的特点，且其结构简单、操作简便、适合大面积基片刻蚀，所以在SiC器件制备中得到了广泛应用。目前已有大量的关于ICP刻蚀SiC材料的研究，他们大多采用F基气体对SiC材料进行刻蚀。然而，由于C原子与F活性基结合形成非挥发性的聚合物，C原子的去除速率相对Si原子的去除速率低，因此在刻蚀后的SiC表面形成一层富C层，造成较大的表面粗糙度及刻蚀损伤，对后序制备器件的性能产生影响。此前，Liudi Jiang等(Liudi Jiang.et.al.，Inductivelycoupled plasma etching of SiC in SF6/O2 and etch-induced surface chemical bondingmodifications，Journal of Applied Physics，2003，93：1376-1383)采用SF6/O2混合反应气体对SiC材料进行ICP刻蚀，研究发现，O2的添入加快了C原子的去除速率，随着O2成分的增大，刻蚀表面的C残留物减少，因此在较大的O2百分比下可以获得较光滑的刻蚀表面。然而，高的O2百分比使F基反应气体的有效浓度降低，限制了高刻蚀速率的实现。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的对SiC材料进行ICP刻蚀所存在的缺点，提供一种新的减少ICP刻蚀SiC表面损伤的方法。
本发明的技术方案是在采用CF4/O2混合反应气体的ICP刻蚀系统中，先进行一次常规高刻蚀速率下SiC材料刻蚀，再增大O2流量，对SiC材料进行第二次低刻蚀速率刻蚀处理，即二次刻蚀方法，降低刻蚀表面的粗糙度，以实现减少ICP刻蚀表面损伤的目的。
本发明的具体工艺步骤如下：
1)在清洗过的SiC表面上涂敷一层光刻胶，光刻胶厚度为刻蚀深度的1～2倍，经曝光、显影、腐蚀工艺后形成一层光刻掩膜层；
2)在保留有光刻胶图形的SiC样品表面上溅射沉积一层不连续的金属膜层，作为刻蚀过程中掩膜材料；
3)去除光刻胶掩膜层及其上的金属层，保留与SiC表面紧密接触的金属图形；
4)将保留金属图形的SiC材料置于感应耦合等离子体(ICP)刻蚀系统中进行第一次常规工艺的ICP刻蚀，实现SiC材料的图形化；
5)第一次ICP刻蚀工艺结束后，取出SiC材料，采用氮气吹洗，再次将SiC材料置于ICP刻蚀系统中，增大通入反应腔的O2流量，进行第二次ICP刻蚀。
在步骤2)中，所述的金属膜层为铬(Cr)膜层或镍(Ni)膜层，作为刻蚀过程中掩膜材料，金属膜厚度为所需刻蚀SiC深度的1/2～1/3。
在步骤5)中，所述的氮气吹洗的时间为3～5min，增大通入反应腔的O2流量的增加量大于原来O2流量的50％。
由于本发明第一次ICP刻蚀的工艺条件不受限制，可以采用高刻蚀速率下的ICP刻蚀条件，实现较短的时间内获得足够的刻蚀深度，因此可以保证整个工艺过程SiC材料的刻蚀速率维持在一个较高的水平上。然后加大O2的流量进行第二次ICP刻蚀，加快表面残余C原子的去除，从而降低了材料表面的损伤及粗糙度。高的O2流量对应于相对较低的刻蚀速率。第二次高O2流量低刻蚀速率ICP刻蚀相当于对一次刻蚀后的SiC材料表面进行了等离子体抛光处理，从而实现了降低ICP刻蚀SiC表面损伤的目的。由此可见，本发明提供的方法不仅获得了较高的刻蚀速率，而且减少了刻蚀表面损伤，表面粗糙度降低。
附图说明
图1～5为本发明二次刻蚀方法的工艺流程图。在图1～5中，1是SiC材料，2是光刻胶，3为金属铬。h1为第1次高速率刻蚀，h2为第2次低速率刻蚀。
图6为采用二次刻蚀方法获得的SiC的原子力显微(AFM)表面形貌图。
图7为采用常规一次高刻蚀速率下刻蚀后的SiC的AFM表面形貌图。
图8为采用常规一次低刻蚀速率下刻蚀后的SiC的AFM表面形貌图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
实施例1
选用北京创威纳科技有限公司生产的ICP22B型刻蚀机，刻蚀采用的样品为4H-SiC。其具体工艺过程为：参见图1～5，先在清洗过的4H-SiC材料1表面上涂敷一层1μm的光刻胶2，经曝光、显影、腐蚀工艺后形成一层光刻掩摸层；在保留有光刻胶图形的4H-SiC样品表面上溅射沉积一层厚为
的铬膜3，作为刻蚀过程中的掩膜材料；利用丙酮溶液剥离去除光刻胶掩膜层及其上的金属层，保留与4H-SiC表面紧密接触的金属图形；接着将样品置于ICP刻蚀系统中进行第一次常规工艺ICP刻蚀h1，刻蚀工艺条件为：源功率(RF1)：P1＝300W，偏压源功率(RF2)：P2＝100W，CF4/O2流量：15/5sccm，真空度：5.0×10-3pa，此条件下刻蚀速率为36.3nm/min；然后取出样品，用氮气吹洗3min；再一次将样品置于原ICP系统中进行第二次低刻蚀速率刻蚀h2，工艺条件为：源功率(RF1)：P1＝300W，偏压源功率(RF2)：P2＝100W，CF4/O2流量：15/8sccm，真空度：4.6×10-3pa，此条件下刻蚀速率为31.8nm/min。两次刻蚀后的样品表面形貌图如图6所示，表面粗糙度为3.05nm。与之相比较的常规一次高刻蚀速率刻蚀(工艺条件与二次刻蚀方法中第一次刻蚀的工艺条件相同)后的SiC样品表面形貌图如图7所示，刻蚀后的样品表面粗糙度为10.86nm。由此发现，二次刻蚀方法下获得的SiC表面粗糙度明显降低，从而表面损伤减少。另外，二次刻蚀方法获得的材料表面粗糙度与常规一次低刻蚀速率(工艺条件与二次刻蚀方法中的第二次低刻蚀速率工艺条件相同)刻蚀后的材料表面粗糙度(如图8所示，表面粗糙度为5.13nm)相当，甚至更低。
实施例2
与实施例1类似，其区别在于在清洗过的SiC表面上涂敷一层光刻胶，光刻胶厚度与刻蚀深度相同，经曝光、显影、腐蚀工艺后形成一层光刻掩膜层。在保留有光刻胶图形的SiC样品表面上溅射沉积一层不连续的镍膜层，作为刻蚀过程中掩膜材料，镍膜厚度为所需刻蚀SiC深度的1/2。去除光刻胶掩膜层及其上的镍膜层，保留与SiC表面紧密接触的金属图形。将保留金属图形的SiC材料置于感应耦合等离子体(ICP)刻蚀系统中进行第一次常规工艺的ICP刻蚀，实现SiC材料的图形化。第一次ICP刻蚀工艺结束后，取出SiC材料，采用氮气吹洗3min，再次将SiC材料置于ICP刻蚀系统中，增大通入反应腔的O2流量为原来O2流量的50％。进行第二次ICP刻蚀。
实施例3
与实施例2类似，其区别在于在清洗过的SiC表面上涂敷一层光刻胶，光刻胶厚度为刻蚀深度的2倍，经曝光、显影、腐蚀工艺后形成一层光刻掩膜层。在保留有光刻胶图形的SiC样品表面上溅射沉积一层不连续的镍膜层，作为刻蚀过程中掩膜材料，镍膜厚度为所需刻蚀SiC深度的1/3。去除光刻胶掩膜层及其上的镍膜层，保留与SiC表面紧密接触的金属图形。将保留金属图形的SiC材料置于感应耦合等离子体(ICP)刻蚀系统中进行第一次常规工艺的ICP刻蚀，实现SiC材料的图形化。第一次ICP刻蚀工艺结束后，取出SiC材料，采用氮气吹洗5min，再次将SiC材料置于ICP刻蚀系统中，增大通入反应腔的O2流量为原来O2流量的50％。进行第二次ICP刻蚀。
实施例4
与实施例2类似，其区别在于在清洗过的SiC表面上涂敷一层光刻胶，光刻胶厚度为刻蚀深度的1.5倍，经曝光、显影、腐蚀工艺后形成一层光刻掩膜层。在保留有光刻胶图形的SiC样品表面上溅射沉积一层不连续的铬膜层，作为刻蚀过程中掩膜材料，铬膜厚度为所需刻蚀SiC深度的0.4。去除光刻胶掩膜层及其上的铬膜层，保留与SiC表面紧密接触的金属图形。将保留金属图形的SiC材料置于感应耦合等离子体(ICP)刻蚀系统中进行第一次常规工艺的ICP刻蚀，实现SiC材料的图形化。第一次ICP刻蚀工艺结束后，取出SiC材料，采用氮气吹洗4min，再次将SiC材料置于ICP刻蚀系统中，增大通入反应腔的O2流量为原来O2流量的50％。进行第二次ICP刻蚀。
Claims (5)
1.减少ICP刻蚀SiC表面损伤的方法，其特征在于其步骤如下：
1)在清洗过的SiC表面上涂敷一层光刻胶，光刻胶厚度为刻蚀深度的1～2倍，经曝光、显影、腐蚀工艺后形成一层光刻掩膜层；
2)在保留有光刻胶图形的SiC样品表面上溅射沉积一层不连续的金属膜层，作为刻蚀过程中的掩膜材料；
3)去除光刻胶掩膜层及其上的金属层，保留与SiC表面紧密接触的金属图形；
4)将保留金属图形的SiC材料置于感应耦合等离子体刻蚀系统中进行第一次常规工艺的ICP刻蚀，实现SiC材料的图形化；
5)第一次ICP刻蚀工艺结束后，取出SiC材料，采用氮气吹洗，再次将SiC材料置于ICP刻蚀系统中，增大通入反应腔的O2流量，进行第二次ICP刻蚀。
2.如权利要求1所述的减少ICP刻蚀SiC表面损伤的方法，其特征在于在步骤2)中，所述的金属膜层为铬膜层或镍膜层。
3.如权利要求1或2所述的减少ICP刻蚀SiC表面损伤的方法，其特征在于在步骤2)中，金属膜厚度为所需刻蚀SiC深度的1/2～1/3。
4.如权利要求1所述的减少ICP刻蚀SiC表面损伤的方法，其特征在于在步骤5)中，所述的氮气吹洗的时间为3～5min。
5.如权利要求1所述的减少ICP刻蚀SiC表面损伤的方法，其特征在于在步骤5)中，增大通入反应腔的O2流量的增加量大于原来O2流量的50％。
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