CN100546007C - 一种碳化硅器件制备的平坦化及侧壁钝化工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化硅器件制备的平坦化及侧壁钝化工艺，即在碳化硅器件制备过程中减小器件表面台阶高度，平滑器件表面的尖角、凹槽，并且使侧壁钝化的工艺，该工艺通过采用在碳化硅器件表面和侧面普遍生长介质材料薄膜的方法使侧壁钝化，同时填平碳化硅器件制备过程中出现的影响器件性能的凹槽、台阶以及减小器件尖角、直角等部位尖锐程度，使碳化硅器件表面平整，实现侧壁钝化，使引线处于同一平面内，防止了金属断裂，避免了尖端放电效应，同时提高了工作电压以及功率密度，减小了漏电，增加了效率。

Description

一种碳化硅器件制备的平坦化及侧壁钝化工艺

技术领域

本发明属于半导体微电子器件制备技术领域，具体涉及一种碳化硅金属场效应管器件制备过程中实现碳化硅器件侧壁钝化以及填平由于台面刻蚀所引起的凹槽的工艺。

背景技术

半导体材料碳化硅是自第一代元素半导体材料和第二代化合物半导体材料砷化镓、磷化镓、磷化铟等之后发展起来的第三代宽带隙半导体材料。碳化硅室温禁带宽度可以达到3.2eV，是硅材料的3倍多，砷化镓材料的两倍多。硅器件工作温度最高为175℃，而碳化硅器件可以在300℃稳定工作。碳化硅的热导率比金属铜还大，是常见半导体材料的十倍左右，散热快，因此器件的功率密度可以非常大。碳化硅材料的临界击穿场强是硅材料的5倍，碳化硅器件可以在更高的工作电压下工作，器件的效率可以更高，功率可以更大。碳化硅材料还具有载流子饱和漂移速度高、物理稳定性、化学稳定性以及热稳定性高，强度高等优点，采用其研制的器件具有高频率、宽频带、高温工作、高功率密度、大占空比工作、高的击穿电场和高工作电流密度及良好的抗辐射性能，采用碳化硅器件的系统具有体积小、重量轻、匹配电路简单等特性，越来越受到人们的关注。

由于碳化硅材料以及器件的突出优势，各国纷纷投入大量的人力、财力进行研究开发。以美国为例，美国军方对碳化硅器件的开发予以了大力资助，2002年美国Cree公司获得美国海军投资2300多万美元用于开发碳化硅微波器件，2005年该公司再获军方2700多万美元的资助用于开发碳化硅功率器件，开发下一代军事雷达用核心器件，2006年8月初该公司新建成2万平方米新厂房，用于生产电力电子器件和雷达及通信用场效应管(MESFET)。2005年4月NASA也在重返月球的计划中明确提出采用碳化硅器件来提高电子系统的可靠性。

相对于传统半导体，碳化硅在大功率微波器件应用方面具有很多优势，如沟道工作温度高、工作温度范围宽，散热简单、系统体积小、重量轻，工作电压高、功率密度高、单元功率大、附加效率高，输入阻抗高，便于宽带匹配和抗辐射能力强等。碳化硅金属场效应管(MESFET)在地面通讯基站、雷达、航空航天等领域有着很好的应用前景。为了保证栅对于沟道的有效夹断，保证器件之间的隔离，减小器件的寄生电容，台面隔离工艺是最常见的工艺之一。但是采用台面刻蚀工艺会导致以下问题的出现：

(1)直接后果是MESFET的栅与其互连的栅引线不在同一平面内，将有可能导致栅条金属断裂，无法实现有效的互连；

(2)同时因为栅条不光滑，即使栅条金属能够连续不断，也很容易导致尖端放电效应，造成局部电场强度过高，在远远低于设计工作电压的时候就导致器件失效；

(3)源、漏极的引线在侧面同时与有源层、缓冲层接触，有可能导致漏电。

因此，有必要采用绝缘的介质材料将台面刻蚀所造成的凹槽填平，同时实行侧壁钝化。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种能够使碳化硅器件表面平整，同时实现侧壁钝化，防止金属断裂以及尖端放电效应，提高工作电压，减小漏电，提高功率密度，增加效率的碳化硅器件制备的平坦化及侧壁钝化工艺。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：一种碳化硅器件制备的平坦化及侧壁钝化工艺，其工艺过程如下：

1)在已经经过台面刻蚀工艺的材料表面沉积生长绝缘介质薄膜，其薄膜的厚度不小于台面刻蚀引起的凹槽深度，其沉积生长方式可以是采用化学气相沉积、物理气相沉积、磁控溅射等中的一种，其介质材料可以是碳化硅、二氧化硅、氮化硅、氮化铝中的一种或者几种，形成的沉积绝缘介质层可以是单层薄膜，也可以是复合材料的复合薄膜；

2)对沉积绝缘介质后的材料涂敷光刻胶，采用原来的台面光刻版进行光刻、显影，去掉高度较高的台面上的光刻胶，保留高度较低的台面下凹槽表面的光刻胶；

3)采用湿法腐蚀或者干法刻蚀的方式去除高度较高的台面上的沉积的绝缘介质，保留原来台面凹槽部分沉积的绝缘介质，露出未沉积介质之前的较高台面的碳化硅表面，使得凹槽部分沉积介质后的高度不低于原较高台面的高度，两者高度基本在同一平面内，实现初步平坦化和侧壁钝化；

4)去掉所有光刻胶，在初步平坦化的材料表面再次沉积介质层，而后将沉积的介质层进行大面积去除，直至高度较高的台面上的沉积的介质层全部去除，实现最终平坦化和侧壁钝化。

为了适应产品的需要，本发明的改进在于：碳化硅器件制备过程中平坦化和侧壁钝化工艺过程可以减至只进行一次绝缘介质生长沉积，然后进行光刻去除较高台面的介质来实现，或者进行多于两次的绝缘介质生长沉积、去除过程来实现。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：通过采用在碳化硅器件表面和侧面普遍生长介质材料薄膜的方法使侧壁钝化，同时填平碳化硅器件制备过程中出现的影响器件性能的凹槽、台阶以及减小器件尖角、直角等部位尖锐程度，使碳化硅器件表面平整，实现侧壁钝化，使引线处于同一平面内，防止了金属断裂，避免了尖端放电效应，同时提高了工作电压以及功率密度，减小了漏电，增加了效率。

附图说明

图1是本发明台面刻蚀之后材料结构立体截面图；

图2是本发明淀积介质层之后的材料结构；

图3是本发明平坦化完成之后的材料结构。

其中：1、台面，2、凹槽，3、介质薄膜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明的内容主要是采用沉积绝缘介质材料的方式来填平由于台面刻蚀所引起的深的凹坑、尖峰、直角等，依照工艺步骤的先后，具体工艺原理如下所述：

1、大面积淀积平坦化介质层

本步骤主要是在已经经过台面刻蚀工艺的材料(如图1所示)表面沉积绝缘介质，厚度不小于台面1刻蚀引起的凹槽2深度。沉积方式可以是各种化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、磁控溅射(MS)等，介质材料可以包括碳化硅、二氧化硅、氮化硅、氮化铝等，最终衬底表面全部覆盖上所淀积的介质，如图2所示，

2、光刻、显影

目的是采用光刻胶掩蔽已经填平的原来台面下的凹槽2部位的介质层，暴露出高的台面1上的介质层，便于在以下的处理中能够去除台面1的介质层，但是不腐蚀在凹槽2区域沉积的介质层。

3、去除台面上介质，实现初步平坦化

采用相应的介质去除方式去除暴露出的台面1的介质，保留原来台面凹槽2部位的介质，使得台面上表面为碳化硅，台面1与沉积介质的凹槽2基本在同一水平面上，但是沉积介质的凹槽2高度不低于台面1高度，达到初步平坦化。

4、淀积介质层，大面积腐蚀，最终平坦化

在初步平坦化的表面重新淀积介质层，然后减薄表面的介质层，直至台面上部分的介质层又重新完全去除，见图2。这部分主要是利用淀积介质的各向同性腐蚀性质，平滑初步平坦化之后仍然可能存在的尖角以及凹槽，使之不影响器件特性，实现最终的台面凹槽平坦化，得到如图3所示的材料结构。

假如待平坦化的碳化硅材料，台面高度1μm，如图1所示，介质材料选择二氧化硅和氮化硅，本发明可以通过以下步骤得以实施。

1)将采用化学气相沉积方法在已经经过台面刻蚀工艺的碳化硅衬底上淀积生长二氧化硅薄膜，控制生长薄膜的厚度为1.2μm(略大于台面高度)。

2)在沉积了二氧化硅薄膜衬底的薄膜上涂敷光刻胶，采用制作碳化硅台面的光刻版光刻、，显影，去掉高度较高的台面上的光刻胶，保留高度较低的台面下凹槽表面的光刻胶。

3)将经过上述处理的衬底放置在氢氟酸缓冲溶液中进行腐蚀，控制溶液温度在温度30℃，经过时间300秒后，台面上的二氧化硅被完全去除，初步平坦化完成。

4)将第三步处理完的衬底依次浸没在以下液体中，去除衬底上的光刻胶：去离子水、无水乙醇、丙酮、无水乙醇、去离子水，经过上述步骤后捞出烘干衬底。

5)再次采用化学气相沉积方法在已经初步平坦化和侧壁钝化的衬底上淀积生长氮化硅薄膜，薄膜平面厚度0.5μm(由于化学气相沉积的特点，凸起的尖峰部位厚度会小于平面部分的厚度)。

6)采用热磷酸腐蚀氮化硅薄膜，溶液温度70℃，时间12分钟，由于二氧化硅尖峰纵向腐蚀速率大约为横向腐蚀速率的二分之一，所以在平面部分的氮化硅全部腐蚀之前，尖峰表面的氮化硅已经全部腐蚀，暴露出二氧化硅表面。

7)再采用氢氟酸缓冲溶液腐蚀表面，去除二氧化硅尖峰。

8)采用热磷酸腐蚀全部氮化硅薄膜，暴露出二氧化硅与碳化硅表面。

9)采用台阶仪测试要求平坦化的凹槽部位二氧化硅表面与台面上碳化硅表面的高度差，由于二氧化硅表面仍然高于碳化硅表面，因此，采用氢氟酸缓冲溶液腐蚀，使得凹槽部位二氧化硅表面与台面上碳化硅表面高度一致，完成平坦化过程。

Claims (6)

1、一种碳化硅器件制备的平坦化及侧壁钝化工艺，即在碳化硅器件制备过程中减小器件表面台阶高度，平滑器件表面的尖角、凹槽，并且使侧壁钝化的工艺，其工艺过程如下：

1)在已经经过台面刻蚀工艺的材料表面沉积生长绝缘介质薄膜，

2)对沉积绝缘介质后的材料涂敷光刻胶，采用台面光刻版进行光刻、显影，去掉高度较高的台面上的光刻胶，保留高度较低的台面下凹槽表面的光刻胶，

3)去除高度较高的台面上的沉积的绝缘介质，实现初步平坦化和侧壁钝化，

4)去掉所有光刻胶，在初步平坦化的材料表面再次沉积介质层，而后将沉积的介质层进行大面积去除，直至高度较高的台面上的沉积的介质层全部去除，实现最终平坦化和侧壁钝化。

2、根据权利要求1所述的一种碳化硅器件制备的平坦化及侧壁钝化工艺，其特征在于所述沉积生长的绝缘介质薄膜的材料是碳化硅材料、二氧化硅材料、氮化硅材料、氮化铝材料中的一种或者几种组合。

3、根据权利要求1所述的一种碳化硅器件制备的平坦化及侧壁钝化工艺，其特征在于所述步骤1)中沉积生长绝缘介质薄膜和步骤4)中再次沉积介质层所采用的方式是化学气相沉积、物理气相沉积或磁控溅射中的一种。

4、根据权利要求1所述的一种碳化硅器件制备的平坦化及侧壁钝化工艺，其特征在于步骤3)中去除高度较高的台面上的沉积的绝缘介质所采用的去除介质的方法是湿法腐蚀、干法刻蚀或者两种方法结合使用。

5、根据权利要求1所述的一种碳化硅器件制备的平坦化及侧壁钝化工艺，其特征在于步骤1)中经过台面刻蚀工艺的材料表面的凹槽、台阶、尖角、直角以及非平滑过渡区域为需要平坦化和侧壁钝化的区域。

6、根据权利要求1所述的一种碳化硅器件制备的平坦化及侧壁钝化工艺，其特征在于所述最终平坦化是相对的平坦化，即台阶、凹槽的相对高度减小，尖端部位变得圆滑，已不影响器件性能。

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