CN105702569A - 刻蚀方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种刻蚀方法，所述刻蚀方法包括：步骤1：在基片上形成金属材料层；步骤2：对所述金属材料层进行构图工艺以形成第一图形；步骤3：以具有所述第一图形的金属材料层为掩膜，对所述基片进行干法刻蚀；步骤4：去除所述基片上剩余的所述金属材料层。在本发明所提供的刻蚀方法中，利用金属材料制成对基片进行刻蚀时所需的掩膜，与惯用的光刻胶掩膜层相比，金属掩膜层具有较大的硬度，因此，所述第一图形与所述基片之间具有较大的刻蚀选择比，从而使得具有所述第一图形的金属材料层不容易被刻蚀气体刻蚀掉，因此，本发明所提供的刻蚀方法更适于在基片上刻蚀深度较大的沟槽。

Description

刻蚀方法

技术领域

本发明涉及半导体加工领域，具体地，涉及一种刻蚀方法。

背景技术

碳化硅(SiC)材料具有禁带宽度大、击穿场强高、介电常数小等优点，在制备高温、高频、大功率、抗辐射的半导体器件及紫外光电探测器等方面具有极其广泛的应用，被誉为前景十分广阔的第三代半导体材料。刻蚀技术是碳化硅器件研制中的一项关键支撑技术，在碳化硅器件制备过程中，快速高选择比的刻蚀技术是必不可少的。刻蚀工艺的刻蚀精度、刻蚀损伤以及刻蚀表面的残留物均对碳化硅器件的研制及性能有致命的影响。然而碳化硅材料由于硬度高、化学性质稳定，湿法刻蚀无法达到要求，目前常采用的碳化硅刻蚀方法大多为干法刻蚀。

图1展示了等离子体干法刻蚀设备的基本原理图(ICP方式)，通过机台中央上部的喷嘴1喷入刻蚀基片6所需工艺气体，同时在机台上部线圈2通入射频，使得喷入刻蚀腔3内部的工艺气体激发成为等离子体4，利用射频电源7为支撑基片6的静电卡盘5提供射频，产生偏置电压，使等离子体轰击基片6的表面，使基片6上能够刻蚀出所需的图形。刻蚀工艺完成后，利用分子泵8和干泵9将副产物排出刻蚀腔3。在刻蚀过程中，反应会放出或者吸收热量，因此静电卡盘5底部需要接冷却器10来保持温度，保证刻蚀的均匀性。

中国专利申请CN02809053.5中公开了一种刻蚀SiC基片的刻蚀方法，在所述刻蚀方法中，低k介电层为掩膜层对SiC基片进行刻蚀，刻蚀参数如表1所示：

表1

由表1可知，在利用上述刻蚀方法对SiC基片进行刻蚀时，刻蚀速率仅能达到140nm/min，这仅能满足在SiC基片上刻蚀浅沟槽(深度小于10μm的沟槽)的要求，并不能满足在SiC基片上刻蚀深沟槽(深度大于10μm的沟槽)的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种刻蚀方法，该刻蚀方法适于在基片上刻蚀深沟槽。

为了实现上述目的，提供一种刻蚀方法，其中，所述刻蚀方法包括：

步骤1：在基片上形成金属材料层；

步骤2：对所述金属材料层进行构图工艺以形成第一图形；

步骤3：以具有所述第一图形的金属材料层为掩膜，对所述基片进行干法刻蚀；

步骤4：去除所述基片上剩余的所述金属材料层。

优选地，所述步骤3中，所述金属材料与所述基片之间的刻蚀选择比为(70～80)：1。

优选地，所述基片由碳化硅制成，所述金属材料为镍。

优选地，在所述步骤3中，进行干法刻蚀的工艺气体包括SF₆和O₂。

优选地，所述SF₆的流量占总气体流量的80～90％，所述O₂的流量占总气体流量的10％～20％。

优选地，所述SF₆的流量范围为50～500sccm，所述O₂的流量的范围为10～500sccm，上电极功率在800～2000W的范围内，下电极功率在100～500W的范围内，腔室压力为4～15mT。

优选地，所述步骤1采用磁控溅射的方式或蒸发镀膜的方式在所述基片上形成所述金属材料层。

优选地，所述步骤2包括：

步骤21：在所述金属材料层上使用光刻胶定义所述第一图形；

步骤22：对所述金属材料层进行干法刻蚀以形成所述第一图形；

步骤23：去除所述金属材料层上剩余的所述光刻胶。

优选地，在所述步骤23中：

采用干法刻蚀去除所述金属材料层上剩余的所述光刻胶，所述干法刻蚀的工艺气体包括O₂；或者

采用湿法刻蚀去除所述金属材料层上剩余的所述光刻胶，所述湿法刻蚀采用的试剂包括丙酮。

优选地，在所述步骤4中：

采用干法刻蚀去除所述基片上剩余的所述金属材料层，所述干法刻蚀的工艺气体包括Ar；或者

采用湿法刻蚀去除所述基片上剩余的所述金属材料层，所述湿法刻蚀采用的试剂包括硝酸。

在本发明所提供的刻蚀方法中，利用金属材料制成对基片进行刻蚀时所需的掩膜，与惯用的光刻胶掩膜层相比，金属掩膜层具有较大的硬度，所述第一图形与所述基片之间具有较大的刻蚀选择比，从而使得具有所述第一图形的金属材料层不容易被刻蚀气体刻蚀掉，因此，本发明所提供的刻蚀方法更适于在基片上刻蚀深度较大的沟槽。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是等离子刻蚀设备的基本原理图；

图2是本发明所提供的刻蚀方法的一种优选实施方式的流程图；

图3是利用本发明所提供的刻蚀方法对基片进行刻蚀后获得的图形的扫描电镜图片；

图4是图3中扫描电镜图片的局部放大图。

附图标记说明

1：喷嘴2：上部线圈

3：刻蚀腔4：等离子体

5：静电卡盘6：基片

7：射频电源8：分子泵

9：干泵10：冷却器

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1所示，本发明提供一种刻蚀方法，其中，所述刻蚀方法包括：

步骤1：在基片上形成金属材料层；

步骤2：对所述金属掩膜层进行构图工艺以形成第一图形；

步骤3：以具有所述第一图形的金属材料层为掩膜，对所述基片进行干法刻蚀；

步骤4：去除所述基片上剩余的所述金属材料层。

在本发明所提供的刻蚀方法中，利用金属材料制成对基片进行刻蚀时所需的掩膜，与惯用的光刻胶掩膜层相比，金属掩膜层具有较大的硬度，所述第一图形与所述基片之间具有较大的刻蚀选择比，从而使得具有所述第一图形的金属材料层不容易被刻蚀气体刻蚀掉，因此，本发明所提供的刻蚀方法更适于在基片上刻蚀深度较大的沟槽。

优选地，在所述步骤3中，所述金属材料与所述基片之间的刻蚀选择比为(70～80)：1，进一步确保了随着刻蚀的进行，第一图形不容易被刻蚀气体刻蚀掉，因此，本发明所提供的刻蚀方法更适于在基片上刻蚀深度更大的沟槽(例如，深度大于10μm的沟槽)。

在本发明中，对基片的具体材料并不做具体限定，例如，基片可以为SiC基片。可以利用氟基气体对SiC基片进行刻蚀，由于金属镍难以被氟等离子体刻蚀，因此，优选地，所述金属材料为镍。在所述步骤1中，可以利用蒸镀或磁控溅射等手段在基片上形成所述金属材料层。当然，在本发明所提供的刻蚀方法中，制作金属掩膜层的材料并不仅限于镍，也可以利用铝制作所述金属掩膜层。

优选地，在所述步骤3中，进行干法刻蚀的工艺气体可以包括氟化硫(SF₆)和氧气(O₂)，且在用于步骤3的干法刻蚀的工艺气体中，SF₆的流量大于O₂的流量。在步骤3中，SF₆为主刻蚀气体，在工艺气体中提供一定量的O₂有利于提高刻蚀腔中F*的浓度。

如上文中所述，在刻蚀气体中，SF₆为主刻蚀气体，优选地，SF₆的流量占总气体流量的80％～90％，相应地，O₂的流量占总气体流量的10％～20％。一定量的O2有利于提高刻蚀腔内的F*浓度，而O2流量过大，则会降低刻蚀腔内的F*浓度，进而降低刻蚀速率。

优选地，SF₆的流量范围为50～500sccm，需要指出的是，SF₆的流量包括50sccm和500sccm。进一步优选地，SF₆的流量范围为50～200sccm，同样地，SF₆的流量包括200sccm。

优选地，O₂的流量的范围为10～500sccm。需要指出的是，O₂的流量包括10sccm和500sccm。进一步优选地，O₂的流量范围为10～50sccm，同样地，O₂的流量包括50sccm。

当刻蚀腔内的压力较低时，等离子体具有较大的能量，可以以相对较快的速度对基片进行刻蚀。因此，本发明在所述步骤3中，刻蚀腔内的压力可以为4～30mT。

当金属掩膜层为镍掩膜层时，对所述基片进行刻蚀时的刻蚀腔中的压力优选为4～15mT，从而可以有效地增加等离子体的能量和运动方向性，进而提高刻蚀选择比。

实验表明，在所述步骤3中，上电极功率越大，SF₆气体的电离程度越高，但是，如果上电极功率超过一个上限值时，F*的浓度便不再增加，这种情况下，如果继续增加上电极的功率则容易造成能源的浪费。为了最大限度地提高SF₆气体的电离程度并且避免能源浪费，优选地，对所述基片进行刻蚀时，上电极功率在100～5000W的范围内。进一步优选地，对所述基片进行刻蚀时，上电极功率在800～2000W的范围内。

在所述步骤3中，对基片进行刻蚀时，选择下电极的功率也是非常重要的。下电极功率过低不利于刻蚀较深的沟槽，容易造成沟槽底部收缩，而下电极功率过高则容易造成沟槽侧壁损伤。在本发明所提供的刻蚀方法中，在对所述基片进行刻蚀时，下电极功率在100～1000W的范围内，从而可以获得竖直、光滑的侧壁。进一步优选地，对所述基片进行刻蚀时，下电极功率在100～500W的范围内。

在本发明中，对步骤2的具体工艺并不做限定，例如，所述步骤2可以包括以下步骤：

步骤21：在所述金属材料层上使用光刻胶定义所述第一图形；

步骤22：对所述金属材料层进行干法刻蚀以形成所述第一图形；

步骤23：去除所述金属材料层上剩余的所述光刻胶。

步骤21可以包括：

步骤21a、在所述金属材料层上涂敷一层光刻胶；

步骤21b、对光刻胶进行曝光显影，以利用所述光刻胶形成所述第一图形。

在所述步骤23中，可以利用干法刻蚀去除所述金属材料层上剩余的光刻胶，也可以利用湿法刻蚀利用化学试剂去除所述金属材料层上剩余的光刻胶

当采用干法刻蚀去除所述金属材料层上剩余的所述光刻胶时，所述干法刻蚀的工艺气体包括O₂。

当采用湿法刻蚀去除所述金属材料层上剩余的所述光刻胶时，所述湿法刻蚀采用的化学试剂可以包括丙酮。

在本发明所述步骤4中，可以采用干法刻蚀去除所述基片上剩余的金属材料，也可以采用湿法刻蚀去除基片上剩余的金属材料。

当采用干法刻蚀去除所述基片上剩余的所述金属材料层时，所述干法刻蚀的工艺气体包括Ar。

当采用湿法刻蚀去除所述基片上剩余的所述金属材料层时，所述湿法刻蚀采用的试剂包括硝酸。

下面介绍利用本发明所提供的刻蚀方法的优选实施方式对SiC基片进行刻蚀时的具体步骤和工艺参数。

在SiC基片上形成镍掩膜层；

然后利用构图工艺将所述镍掩膜层形成所述第一图形；

将形成有所述第一图形的SiC基片设置在刻蚀腔中；

向刻蚀腔中通入氟化硫气体和O₂，其中SF₆气体的流量为100sccm，O₂的流量为20sccm，刻蚀腔内温度为0℃，刻蚀腔内压力为7mT，上电极功率为1500W，下电极功率为300W，持续刻蚀7200s。

图3中所示的是利用上述刻蚀方法获得的图形的扫描图，图4是图3中所示的扫描图局部的放大图。从图中可以看出，利用所述刻蚀方法可以在基片上获得124μm的沟槽，由此可知，刻蚀速率可以达到1.03μm/min。并且，从图中可以看出，沟槽侧壁竖直度较高，并且较为光滑。经过刻蚀后，第二图形剩余3.37μm。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀方法包括：

步骤1：在基片上形成金属材料层；

步骤2：对所述金属材料层进行构图工艺以形成第一图形；

步骤3：以具有所述第一图形的金属材料层为掩膜，对所述基片进行干法刻蚀；

步骤4：去除所述基片上剩余的所述金属材料层。

2.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述步骤3中，所述金属材料与所述基片之间的刻蚀选择比为(70～80)：1。

3.根据权利要求1或2所述的刻蚀方法，其特征在于，所述基片由碳化硅制成，所述金属材料为镍。

4.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，在所述步骤3中，进行干法刻蚀的工艺气体包括SF₆和O₂。

5.根据权利要求4所述的刻蚀方法，其特征在于，所述SF₆的流量占总气体流量的80～90％，所述O₂的流量占总气体流量的10％～20％。

6.根据权利要求4所述的刻蚀方法，其特征在于，所述SF₆的流量范围为50～500sccm，所述O₂的流量的范围为10～500sccm，上电极功率在800～2000W的范围内，下电极功率在100～500W的范围内，腔室压力为4～15mT。

7.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述步骤1采用磁控溅射的方式或蒸发镀膜的方式在所述基片上形成所述金属材料层。

8.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤21：在所述金属材料层上使用光刻胶定义所述第一图形；

步骤22：对所述金属材料层进行干法刻蚀以形成所述第一图形；

步骤23：去除所述金属材料层上剩余的所述光刻胶。

9.根据权利要求8所述的刻蚀方法，其特征在于，在所述步骤23中：

采用干法刻蚀去除所述金属材料层上剩余的所述光刻胶，所述干法刻蚀的工艺气体包括O₂；或者

采用湿法刻蚀去除所述金属材料层上剩余的所述光刻胶，所述湿法刻蚀采用的试剂包括丙酮。

10.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，在所述步骤4中：

采用干法刻蚀去除所述基片上剩余的所述金属材料层，所述干法刻蚀的工艺气体包括Ar；或者

采用湿法刻蚀去除所述基片上剩余的所述金属材料层，所述湿法刻蚀采用的试剂包括硝酸。