CN107275196A - 一种利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法，所述方法至少包括：1)提供SiC外延片，在所述SiC外延片表面生长氧化物掩膜层；2)在所述SiC外延片待刻蚀区域的所述氧化物掩膜层表面形成光刻胶层；3)在所述氧化物掩膜层和所述光刻胶层表面形成金属掩膜层；4)去除所述光刻胶层以及所述光刻胶表面的金属掩膜层，形成刻蚀窗口；5)通过所述刻蚀窗口刻蚀所述氧化物掩膜层和SiC外延片至所需深度；6)去除剩余的所述金属掩膜层和所述氧化物掩膜层，获得SiC栅槽结构。本发明利用氧化物掩膜作为阻挡层，可以防止金属元素向SiC外延片以及衬底扩散，从而解决元素污染的问题。另外，该方法可以获得高刻蚀速率、各向异性高、刻蚀表面光滑没有残留物的栅槽结构。

Description

一种利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法
技术领域
本发明涉及半导体器件制造领域，特别是涉及一种利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法。
背景技术
碳化硅(SiC)材料作为第三代宽带隙半导体材料，具有高临界击穿电场、高热导率、高电子饱和漂移速率等特点，在高温、高频、大功率、抗辐射等领域，尤其是高温或强腐蚀性等恶劣环境中具有巨大的应用潜力。
对于SiC栅槽结构器件如UMOSFET、Trench Gate IGBT以及SiC MEMS器件三维结构器件，刻蚀形貌、刻蚀损伤以及刻蚀表面残留物等均对SiC器件的研制及性能有很大的影响。刻蚀碳化硅的主要困难在于碳化硅材料具有很高的机械硬度和化学稳定性。实际工艺证明，以往在Si器件中积累了丰富经验的且一直沿用至今的用酸碱溶液等进行的湿法刻蚀已经完全不能应用于SiC器件的制造工艺之中，因此常采用的SiC刻蚀方法多为干法刻蚀。为了增大SiC器件的击穿电场强度、提高器件稳定性并增大沟道迁移率，栅槽的刻蚀结果应该包括高刻蚀速率、各向异性没有微沟槽效应、刻蚀表面光滑没有残留物。SiC刻蚀一般采用金属作为掩膜保证高刻蚀选择比，由于采用单层金属作为掩膜，在金属生长过程中与SiC衬底直接接触，金属元素向SiC发生扩散造成元素污染。因此亟需一种能够克服以上缺点的刻蚀SiC的方法。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法，用于解决现有技术中采用单层金属作为掩膜会造成金属元素污染SiC的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法，所述方法至少包括：
1)提供SiC外延片，在所述SiC外延片表面生长氧化物掩膜层；
2)在所述SiC外延片待刻蚀区域的所述氧化物掩膜层表面形成光刻胶层；
3)在所述氧化物掩膜层和所述光刻胶层表面形成金属掩膜层；
4)去除所述光刻胶层以及所述光刻胶层表面的金属掩膜层，形成刻蚀窗口；
5)通过所述刻蚀窗口刻蚀所述氧化物掩膜层和SiC外延片至所需深度；
6)去除剩余的所述金属掩膜层和所述氧化物掩膜层，获得SiC栅槽结构。
作为本发明利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法的一种优化的方案，所述步骤1)中，在所述SiC外延片表面生长氧化物掩膜层之前，还包括对所述SiC外延片进行清洗的步骤。
作为本发明利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法的一种优化的方案，所述步骤1)中，通过原子层沉积技术在所述SiC外延片表面生长10～50nm的氧化物掩膜层。
作为本发明利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法的一种优化的方案，所述氧化物掩膜层为Al2O3，HfO2或者La2O3。
作为本发明利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法的一种优化的方案，所述步骤2)的具体过程为：首先在所述氧化物掩膜层整个表面涂覆光刻胶材料，然后依次进行曝光、显影和坚膜步骤，将所述待刻蚀区域之外的光刻胶材料去除。
作为本发明利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法的一种优化的方案，所述步骤3)中，通过电子束蒸发工艺在所述氧化物掩膜层和所述光刻胶层表面形成金属掩膜层。
作为本发明利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法的一种优化的方案，所述金属掩膜层材料为Ni、Cu或者Al。
作为本发明利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法的一种优化的方案，所述金属掩膜层的厚度范围为80～150nm。
作为本发明利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法的一种优化的方案，所述步骤4)中，通过金属剥离工艺去除所述光刻胶层以及所述光刻胶表面的金属掩膜层，形成刻蚀窗口。
作为本发明利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法的一种优化的方案，所述步骤5)中，采用感应耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀所述氧化物掩膜层和SiC外延片至所需深度，采用的刻蚀气体为SF6与O2的混合气体，流量比(3～5):1，刻蚀气体总流量为15～20sccm，刻蚀的压强为1.5～2.5mtorr，温度为25～60℃，源功率为600～750W，射频功率为100～150W。
作为本发明利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法的一种优化的方案，所述步骤6)中，先采用磷酸、硝酸和乙酸的混合水溶液去除所述金属掩膜层，再通过缓冲氢氟酸去除所述氧化物掩膜层。
如上所述，本发明的一种利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法，具有以下有益效果：
1、本发明利用氧化物掩膜层作为阻挡层来防止金属元素污染SiC衬底，有利于提升器件的耐压值，并且可以保证高刻蚀速率，高各向异性。
2、该方法对侧壁和底部损伤比较小，制作的栅槽结构表面平滑，有利于后期栅介质的生长减少界面缺陷，有利于器件正向开启的性能。
3、该实验工艺简单，不会在工艺中引入污染元素和增加成本。本发明有利于制作SiC栅槽器件。
附图说明
图1为本发明利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法工艺流程示意图。
图2为本发明利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法步骤1)呈现的结构示意图。
图3为本发明利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法步骤2)呈现的结构示意图。
图4为本发明利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法步骤3)呈现的结构示意图。
图5为本发明利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法步骤4)呈现的结构示意图。
图6为本发明利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法步骤5)呈现的结构示意图。
图7为本发明利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法步骤6)呈现的结构示意图。
图8是本发明获得的栅槽结构的SEM测试图。
图9是本发明获得的栅槽结构表面的AFM测试图。
元件标号说明
1 SiC外延片
2 氧化物掩膜层
3 光刻胶层
4 金属掩膜层
5 刻蚀窗口
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明提供一种利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法，如图1所示，所述方法至少包括如下步骤：
首先执行步骤S1，如图2所示提供SiC外延片1，在所述SiC外延片1表面生长氧化物掩膜层2。
所述SiC外延片1外延生长在一SiC衬底上。在所述SiC外延片1表面生长所述氧化物掩膜层2之前，需要对所述SiC外延片1进行清洗，以去除SiC衬底1表面的自然氧化层，并对SiC外延片1进行烘干以去除水汽。具体地，首先采用缓冲的氢氟酸腐蚀液去除自然氧化层，然后利用去离子水进行最后的清洗；再使用100～120℃的热板，烘干5～10分钟以去除SiC外延片1上的水汽。
可以利用通过原子层沉积技术(Atomic layer deposition，ALD)生长致密且均匀的薄膜氧化物作为氧化物掩膜层2，生长的氧化物掩膜层2优选在10～50nm范围内。当然，也可以利用其他合适的工艺生长所述氧化物掩膜层2，更优地，所述氧化物掩膜层2在20～45nm范围内。本实施例中所述氧化物掩膜层2为30nm。生长形成的氧化物掩膜层2可以是Al2O3，HfO2，La2O3等等，在此不限。
其次执行步骤S2，如图3所示，在所述SiC外延片1待刻蚀区域的所述氧化物掩膜层2表面形成光刻胶层3。
具体地，首先在所述氧化物掩膜层2整个表面涂覆光刻胶材料，然后依次进行曝光、显影和坚膜步骤，将所述待刻蚀区域(即待形成栅槽的区域)之外的光刻胶材料去除，只剩下待刻蚀区域的光刻胶材料形成所需的光刻胶层3。其中的曝光和显影步骤可以对所述光刻胶材料进行图案化，坚膜则是热处理步骤，可以提高光刻胶与下层表面之前粘附性以及光刻胶的抗腐蚀能力，同时坚膜步骤也可以去除显影液和水。
接着执行步骤S3，如图4所示，在所述氧化物掩膜层2和所述光刻胶层3表面形成金属掩膜层4。
可以通过电子束蒸发工艺在所述氧化物掩膜层2和所述光刻胶层3表面形成金属掩膜层，形成的金属掩膜层4优选在80～150nm范围内。当然，也可以利用其他合适的工艺形成所述金属掩膜4层，更优地，所述金属掩膜层4在100～120nm范围内。本实施例中所述金属掩膜层4为100nm。形成的所述金属掩膜层4可以是Ni、Cu或者Al等等，在此不限。
所述金属掩膜层4和所述氧化物掩膜层2形成双层掩膜。
然后执行步骤S4，如图5所示，去除所述光刻胶层3以及所述光刻胶层3表面的金属掩膜层4，形成刻蚀窗口5。
可以通过金属剥离工艺去除所述光刻胶层3以及所述光刻胶层3表面的金属掩膜层4，形成刻蚀窗口5，即栅槽区域窗口。当然，也可以通过其他适合的工艺来去除所述光刻胶层3以及所述光刻胶层3表面的金属掩膜层4。本实施例中，通过金属剥离工艺去除所述光刻胶层3以及所述光刻胶层3表面的金属掩膜层4，形成刻蚀窗口5。具体过程为：利用剥离液(丙酮)溶解所述光刻胶层3，其上的金属掩膜层也随所述光刻胶层3一起脱落，剩余的金属作为金属掩膜层图形。
然后执行步骤S5，如图6所示，通过所述刻蚀窗口5刻蚀所述氧化物掩膜层2和SiC外延片1至所需深度。
本实施例中，采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)工艺刻蚀所述氧化物掩膜层2和SiC外延片1至所需深度。当然在其他实施例中，也可采用其他合适的工艺来进行刻蚀，在此不做限制。
所采用的刻蚀气体可以是含氟气体。本实施例中，采用SF6与O2的混合气体作为刻蚀气体。SF6与O2的流量比优选为(3～5):1，刻蚀气体总流量为15～20sccm。本实施例中，SF6与O2的流量比优选为4:1，刻蚀气体总流量为15sccm。
具体地刻蚀条件优选为：刻蚀的压强为1.5～2.5mtorr，温度为25～60℃，ICP源功率为600～750W，射频(RF)功率为100～150W。本实施例中，刻蚀的压强为2mtorr，温度为40℃，ICP源功率为700W，射频(RF)功率为120W。
然后执行步骤S6，如图7所示，去除剩余的所述金属掩膜层和所述氧化物掩膜层，获得SiC栅槽结构。
可以采用酸性腐蚀液进行腐蚀去除剩余的所述金属掩膜层4和所述氧化物掩膜层2，获得SiC栅槽结构。
具体地，先采用磷酸、硝酸和乙酸的混合水溶液(H3PO4:HNO3:CH3COOH:H2O＝3:3:1:1)去除所述金属掩膜层4，再通过缓冲氢氟酸腐蚀液去除所述氧化物掩膜层2。
如图8所示为SiC栅槽结构的SEM照片，可以看出，刻蚀SiC外延片后的各向异性高。图9所示为SiC栅槽结构的AFM照片，可以看出，刻蚀SiC外延片后，栅槽具有光滑的表面。
综上所述，本发明提供一种利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法，该方法利用氧化物掩膜作为阻挡层防止金属元素污染SiC外延片及衬底，有利于提升器件的耐压值；而且保证高刻蚀速率，各向异性高；此外该方法对侧壁和底部损伤比较小，栅槽表面平滑，有利于后期栅介质的生长减少界面缺陷，从而有利于器件正向开启的性能。此外，该实验工艺简单，不会在工艺中引入污染元素和增加成本。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法，其特征在于，所述方法至少包括：
1)提供SiC外延片，在所述SiC外延片表面生长氧化物掩膜层；
2)在所述SiC外延片待刻蚀区域的所述氧化物掩膜层表面形成光刻胶层；
3)在所述氧化物掩膜层和所述光刻胶层表面形成金属掩膜层；
4)去除所述光刻胶层以及所述光刻胶层表面的金属掩膜层，形成刻蚀窗口；
5)通过所述刻蚀窗口刻蚀所述氧化物掩膜层和SiC外延片至所需深度；
6)去除剩余的所述金属掩膜层和所述氧化物掩膜层，获得SiC栅槽结构。
2.根据权利要求1所述的利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法，其特征在于：所述步骤1)中，在所述SiC外延片表面生长氧化物掩膜层之前，还包括对所述SiC外延片进行清洗的步骤。
3.根据权利要求1所述的利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法，其特征在于：所述步骤1)中，通过原子层沉积技术在所述SiC外延片表面生长10～50nm的氧化物掩膜层。
4.根据权利要求1所述的利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法，其特征在于：所述氧化物掩膜层为Al2O3，HfO2或者La2O3。
5.根据权利要求1所述的利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法，其特征在于：所述步骤2)的具体过程为：首先在所述氧化物掩膜层整个表面涂覆光刻胶材料，然后依次进行曝光、显影和坚膜步骤，将所述待刻蚀区域之外的光刻胶材料去除。
6.根据权利要求1所述的利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法，其特征在于：所述步骤3)中，通过电子束蒸发工艺在所述氧化物掩膜层和所述光刻胶层表面形成金属掩膜层。
7.根据权利要求1所述的利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法，其特征在于：所述金属掩膜层材料为Ni、Cu或者Al。
8.根据权利要求1所述的利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法，其特征在于：所述金属掩膜层的厚度范围为80～150nm。
9.根据权利要求1所述的利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法，其特征在于：所述步骤4)中，通过金属剥离工艺去除所述光刻胶层以及所述光刻胶层表面的金属掩膜层，形成刻蚀窗口。
10.根据权利要求1所述的利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法，其特征在于：所述步骤5)中，采用感应耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀所述氧化物掩膜层和SiC外延片至所需深度，采用的刻蚀气体为SF6与O2的混合气体，流量比(3～5):1，刻蚀气体总流量为15～20sccm，刻蚀的压强为1.5～2.5mtorr，温度为25～60℃，源功率为600～750W，射频功率为100～150W。
11.根据权利要求1所述的利用金属/氧化物双层掩膜结构刻蚀SiC的方法，其特征在于：所述步骤6)中，先采用磷酸、硝酸和乙酸的混合水溶液去除所述金属掩膜层，再通过缓冲氢氟酸去除所述氧化物掩膜层。
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