CN109461648A - 一种碳化硅器件制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种碳化硅器件制造方法,包括如下步骤:步骤1:在SiC外延片上生长SiO2掩膜层;步骤2:将带有SiO2掩膜层的SiC外延片放入SiC刻蚀机中进行刻蚀,得到SiC沟槽;步骤3:对带有SiC沟槽的SiC外延片进行退火。本发明通过在制备SiO2掩膜层过程中采用“干法刻蚀+湿法刻蚀”,利用湿法刻蚀去除干法刻蚀SiO2掩膜层的过程中会产生的微掩膜,在制备SiC沟槽过程中采用“干法刻蚀+氧化刻蚀”,利用氧化刻蚀的方法去除干法刻蚀SiC沟槽的过程中产生的微掩膜和损伤层,解决了现有技术中微掩膜残留在刻蚀腔体内,影响碳化硅器件质量的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制造技术领域,具体涉及一种碳化硅器件制造方法。
背景技术
在碳化硅器件制造领域中,对SiC材料进行刻蚀是必要的步骤,使用干法刻蚀是一种非常有效的刻蚀方法。干法刻蚀的原理是:在刻蚀机的刻蚀腔的进气处设置一电极,电极通电后在刻蚀腔进气口处形成一电子区域,并产生一个温度场,同时在刻蚀腔两端施加电压,该电压在刻蚀腔内形成一偏压电场,气体进入刻蚀腔时,在温度场中,暴露在电子区域中的气体形成等离子体,由此产生的电离气体和释放高能电子组成的气体,从而形成了等离子或离子,电离气体原子通过电场加速接触材料表面,会释放足够的力量刻蚀材料表面。
现有技术中,对聚合物及富碳层的去除,主要是以离子的轰击作用为主,在较高的工艺压力下各种粒子的碰撞增加,在离子轰击下,溅射出来的微粒会沉积在刻蚀区域,并在刻蚀过程中逐渐地增加,会形成类似“微掩膜”(micro-mask)的形态。微掩膜的产生会导致刻蚀底部的粗糙度变差,并且降低了刻蚀质量。
因此,如何解决碳化硅刻蚀过程中产生的微掩膜是本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷,提出了一种碳化硅器件制造方法。具体的实施方式如下:
本发明实施例提出了一种碳化硅器件制造方法,包括如下步骤:
步骤1:在SiC外延片上生长SiO2掩膜层;
步骤2:将带有SiO2掩膜层的SiC外延片放入SiC刻蚀机中进行刻蚀,得到SiC沟槽;
步骤3:对带有SiC沟槽的SiC外延片进行退火。
在一个具体的实施例中,所述步骤1之前包括:
清洗SiC外延片。
在一个具体的实施例中,所述步骤1具体为:
步骤11:在SiC外延片上淀积形成2~4μm的SiO2掩膜;
步骤12:在所述SiO2掩膜上表面涂布光刻胶层,并通过光刻、显影形成光刻图形;
步骤13:以光刻胶层为掩膜,干法刻蚀所述SiO2掩膜,形成第一沟槽;
步骤14:以光刻胶层为掩膜,对所述第一沟槽进行湿法刻蚀,形成SiO2掩膜层。
在一个具体的实施例中,所述步骤2具体为:
步骤21;以SiO2掩膜层为掩膜,干法刻蚀所述SiC外延片,形成第二沟槽;
步骤22:以SiO2掩膜层为掩膜,对所述第二沟槽进行氧化刻蚀,得到SiC沟槽;
步骤23:将带有SiC沟槽的SiC外延片在缓冲氧化硅腐蚀液中浸泡2分钟。
在一个具体的实施例中,所述步骤3包括:
通入氯气和氧化性气体进行沟槽退火,其中,氯气的速率为10sccm~100sccm,氧化性气体的速率为20sccm~100sccm,载体气体的速率为20sccm~100sccm。
在一个具体的实施例中,所述步骤3之后包括:
使用HF酸浸泡SiC外延片1~10min去除SiO2掩膜层。
在一个具体的实施例中,所述缓冲氧化硅腐蚀液中NH4F:HF=7:1。
在一个具体的实施例中,步骤13具体为:
将带有光刻胶层的SiC外延片放入刻蚀机中;
在85mTorr~95mTorr压力下,向刻蚀机通入25sccm的CHF3、5sccm的SF6及3sccm的Ar,持续通入2~10分钟。
在一个具体的实施例中,所述步骤21具体为:
将带有SiO2掩膜层的SiC外延片放入刻蚀机中;
在10mTorr~50mTorr压力下,向刻蚀机通入速率为10sccm~80sccm的SF6或CF4,速率为5sccm~40sccm的O2,持续时间2~10分钟。
在一个具体的实施例中,所述氧化刻蚀具体为:
将带有第二沟槽的SiC外延片放入氧化炉管中,其中氧化炉管温度为1100℃,压强为880mbar;
向所述氧化炉管中通入1.6slm的H2和1slm的O2,持续通入10分钟。
本发明的有益效果为:
1、干法刻蚀SiO2掩膜层的过程中会产生微掩膜,本发明通过在生在SiO2掩膜层过程中采用“干法刻蚀+湿法刻蚀”的方法,利用湿法刻蚀可以完全去除干法刻蚀SiO2掩膜层过程中产生的微掩膜;
干法刻蚀SiC时,同样会产生微掩膜,甚至在干法刻蚀SiO2掩膜层的过程中产生的微掩膜也会进入SiC层中,本发明在制备SiC沟槽过程中采用“干法刻蚀+氧化刻蚀”的方法,采取氧化刻蚀的方法,可以去除微掩膜,提高刻蚀质量。
2、干法刻蚀易对材料造成损伤,形成损伤层,通过引入氧化刻蚀,可以去除刻蚀造成的损伤层,提高产品的良品率。
附图说明
图1为本发明所提出的碳化硅器件制造方法的工艺流程示意图;
图2为本发明中提出的制备SiO2掩膜层的工艺流程图;
图3a~图3e为本发明中提出的制备SiO2掩膜层的结构示意图;
图4为本发明中提出的制备SiC沟槽的工艺流示意图;
图5a~图5c为本发明中提出的制备SiC沟槽的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例,对本发明作进一步详细说明,但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
如图1所示,图1为本发明所提出的碳化硅器件制造方法的工艺流程示意图,本发明提出了一种碳化硅器件制造方法,包括如下步骤:
步骤1:在SiC外延片上生长SiO2掩膜层,即制备SiO2掩膜层,SiO2掩膜层覆盖在SiC外延片上表面,在后续的刻蚀时,对不需要进行刻蚀的SiC部分进行保护,阻止该部分被刻蚀气体刻蚀掉。
步骤2:将带有SiO2掩膜层的SiC外延片放入SiC刻蚀机中进行刻蚀,得到SiC沟槽,此步骤对SiC层进行刻蚀,利用步骤1得到的SiO2掩膜层的保护,将需要刻蚀的SiC部分暴露出来与刻蚀气体接触,刻蚀气体将暴露出的部分刻蚀掉,形成SiC沟槽。
步骤3:对带有SiC沟槽的SiC外延片进行退火,对碳化硅器件中进行干法刻蚀时,高能量的入射离子会与碳化硅器件晶格上的原子碰撞,使一些晶格原子发生位移,结果造成大量的空位,将使得注入区中的原子排列混乱或者变成为非晶区,所以在离子注入以后必须把碳化硅器件放在一定的温度下进行退火,以恢复晶体的结构和消除缺陷。同时,退火还有激活施主和受主杂质的功能,即把有些处于间隙位置的杂质原子通过退火而让它们进入替代位置。
进一步,步骤3的具体方法为:
将形成SiC沟槽的SiC外延片放入石英管中,加热至900℃的退火温度,然后通入20sccm的氯气、50sccm的氧气和100sccm氩气,保持7分钟,然后停止通入氯气,持续通入30sccm氧气,保持20分钟。
1000℃以下的低温条件下Cl2能够与损伤的SiC表面发生化学反应,生成SiCl4和C层。SiCl4以气体的形式离开SiC表面。C层则被通入的氧气氧化成CO或CO2,离开SiC表面。通入的氧气同时也会在沟槽表面和底部形成了SiO2。经过Cl2和氧气退火SiC沟槽后,SiC沟槽表面粗糙度可以降低到0.5nm以下,从而大大提高SiC-UMOS器件沟道迁移率和击穿电场。
进一步的,步骤1之前包括:清洗SiC外延片,目的是为了去除SiC外延片表面可能存在的有机物、颗粒和金属杂质等污染物,防止污染物的存在会影响SiC器件的电学特性,同时,污染物的存在,在后续步骤中,会使光刻胶与掩膜的粘附性下降,引起光刻胶的飘移,从而形成针孔,还会导致光刻胶涂布不均匀。
如图2所示,图2为本发明中提出的制备SiO2掩膜层的工艺流程图,进一步的,步骤1具体为:
步骤11:在SiC外延片上淀积形成4μm的SiO2掩膜,如图3a所示,在140℃的温度下,压强为900mtorr时,通入400sccm的SiH4He气体、800sccm的N2O气体和750sccm的N2气体,利用等离子体加强化学气相沉积法,在SiC外延片上表面沉积4μm厚的SiO2掩膜。
步骤12:在SiO2掩膜上表面涂布光刻胶层,如图3b所示,进一步的,通过光刻、显影形成光刻图形,如图3c所示,光刻胶层作为制备SiO2掩膜层过程中的保护层,防止将光刻图形转移到SiO2掩膜上时,将SiO2掩膜不需要刻蚀掉的部分刻蚀,造成工艺失败。
步骤13:以光刻胶层为掩膜,干法刻蚀SiO2掩膜,形成第一沟槽,如图3d所示。
需要特别指出,对SiO2掩膜进行干法刻蚀时,不是直接刻蚀到指定的深度,刻蚀的深度与指定刻蚀深度距离这样方便后续步骤进行更精确的处理。
进一步的,步骤13的具体过程为:
将带有光刻图形的SiO2掩膜的SiC外延片放入刻蚀机的刻蚀腔中,设置刻蚀机的源功率为400W、偏压功率为100W,则在刻蚀腔进气口处形成一电子区域,在刻蚀腔内形成一电场,同时设置刻蚀室电极温度为30℃,在85mTorr压力下,向刻蚀机的刻蚀腔通入25sccm的CHF3、5sccm的SF6及3sccm的Ar,持续通入10分钟,气体进入刻蚀腔时,暴露在电子区域中形成等离子体,由此产生的电离气体和释放高能电子组成的气体,从而形成了等离子或离子,电离气体原子通过电场加速接触带有光刻图形的SiO2掩膜层时,会释放足够的力量刻蚀SiO2掩膜层表面,形成第一沟槽。
步骤14:以光刻胶层为掩膜,对第一沟槽进行湿法刻蚀,形成SiO2掩膜层,如图3e所示,在25℃下,将带有第一沟槽的SiC外延片在缓冲氧化硅腐蚀液中浸泡2分钟,其中缓冲氧化硅腐蚀液中NH4F:HF=7:1。
在步骤13的干法刻蚀过程中,对SiO2掩膜的去除,主要是以离子的轰击作用为主,在较高的工艺压力下各种粒子的碰撞增加,离子所具有的能量显著变低,从而会导致SiO2掩膜的刻蚀速率显著降低。由于SiO2掩膜的刻蚀速率的降低,SiO2掩膜难以完全刻蚀去除,溅射出来的SiO2微粒也会沉积在刻蚀区域,并在刻蚀过程中逐渐地增加,会形成类似“微掩膜”(micro-mask)的形态,在本步骤14中,通过缓冲氧化硅腐蚀液去除未刻蚀完的掩膜,并去除残留的微掩膜,达到理想的刻蚀深度。
如图4所示,图4为本发明中提出的制备SiC沟槽的工艺流示意图,进一步的,步骤2具体为:
步骤21:以SiO2掩膜层为掩膜,干法刻蚀SiC外延片,形成第二沟槽,即将光刻图形从SiO2掩膜层转移到SiC上,如图5a所示。
需要特别指出,对SiC进行干法刻蚀时,不是直接刻蚀到指定的深度,刻蚀的深度与指定刻蚀深度距离这样方便后续步骤进行更精确的处理。
进一步的,步骤21的具体过程为:
将带有SiO2掩膜层的SiC外延片放入刻蚀机的刻蚀腔中,设置刻蚀机刻蚀腔的源功率为400W、偏压功率为100W,同时设置刻蚀室电极温度为25℃,在50mTorr压力下,向刻蚀机的刻蚀腔通入速率为10sccm的SF6或CF4,速率为5sccm的O2,持续时间10分钟,本步骤21的刻蚀原理与步骤13原理相同。
步骤22:以SiO2掩膜层为掩膜,对第二沟槽进行氧化刻蚀,得到SiC沟槽,如图5b所示,将带有第二沟槽的SiC外延片放入氧化炉管中,其中氧化炉管温度为1100℃,压强为880mbar,向氧化炉管中通入1.6slm的H2和1slm的O2,持续通入10分钟。
与步骤13产生微掩膜的原理相同,步骤21在刻蚀SiC过程中也会在刻蚀区域沉积形成微掩膜,甚至在步骤13过程中形成的微掩膜,也会在步骤21中的对SiC干法刻蚀过程中传递到SiC上,极大的影响了产品质量,本步骤22中,通过氧化气体对微掩膜进行氧化,从而去除微掩膜,同时,步骤21过程中还会造成对SiC的损伤形成损伤层,在本步骤22中,可以一并对损伤层进行氧化,从而去除损伤层。
步骤23:将带有SiC沟槽的SiC外延片在缓冲氧化硅腐蚀液中浸泡2分钟,如图5c所示,步骤22的氧化刻蚀过程在去除微掩膜和损伤层后,会形成一层氧化层,本步骤23通过缓冲氧化硅腐蚀液对该氧化层腐蚀,从而去除该氧化层。
进一步的,步骤3之后还需要使用HF酸浸泡SiC外延片10min去除SiO2掩膜层,SiO2掩膜层的作用是作为刻蚀SiC层时的掩膜,当产品完成后需要去除该层,本实施例中采取通过HF酸腐蚀SiO2掩膜层,从而去除SiO2掩膜层。
同样的,步骤3之后还需要去除SiC外延片上残留的光刻胶层,去除光刻胶层的工艺采用传统去除光刻胶工艺。
实施例二
一种碳化硅器件制造方法,包括如下步骤:
步骤1:在SiC外延片上淀积形成2μm的SiO2掩膜,具体过程为:
在300℃的温度下,压强为900mtorr时,通入400sccm的SiH4He气体、800sccm的N2O气体和750sccm的N2气体,利用等离子体加强化学气相沉积法,在SiC外延片上表面沉积2μm厚的SiO2掩膜。
步骤2:在SiO2掩膜上表面涂布光刻胶层,并通过光刻、显影形成光刻图形。
步骤3:以光刻胶层为掩膜,干法刻蚀SiO2掩膜,形成第一沟槽。
需要特别指出,对SiO2掩膜进行干法刻蚀时,不是直接刻蚀到指定的深度,刻蚀的深度与指定刻蚀深度距离这样方便后续步骤进行更精确的处理。
进一步的,步骤3的具体过程为:
将带有SiO2掩膜层的SiC外延片放入刻蚀机的刻蚀腔中,设置刻蚀机的刻蚀腔的源功率为400W、偏压功率为100W,同时设置刻蚀室电极温度为30℃,在95mTorr压力下,向刻蚀机的刻蚀腔通入25sccm的CHF3、5sccm的SF6及3sccm的Ar,持续通入2分钟。
步骤4:以光刻胶层为掩膜,对第一沟槽进行湿法刻蚀,形成SiO2掩膜层。
步骤5;以SiO2掩膜层为掩膜,干法刻蚀SiC外延片,形成第二沟槽。
需要特别指出,对SiC进行干法刻蚀时,不是直接刻蚀到指定的深度,刻蚀的深度与指定刻蚀深度距离这样方便后续步骤进行更精确的处理。
进一步的,步骤5的具体过程为:
将带有SiO2掩膜层的SiC外延片放入刻蚀机的刻蚀腔中,设置刻蚀机刻蚀腔的源功率为400W、偏压功率为100W,同时设置刻蚀室电极温度为25℃,在10mTorr压力下,向刻蚀机的刻蚀腔通入速率为80sccm的SF6或CF4,速率为40sccm的O2,持续时间2分钟。
步骤6:以SiO2掩膜层为掩膜,对第二沟槽进行氧化刻蚀,得到SiC沟槽,具体过程为:
将带有第二沟槽的SiC外延片放入氧化炉管中,其中氧化炉管温度为1100℃,压强为880mbar,向氧化炉管中通入1.6slm的H2和1slm的O2,持续通入10分钟。
步骤7:将带有SiC沟槽的SiC外延片在缓冲氧化硅腐蚀液中浸泡2分钟。
步骤8:对带有SiC沟槽的SiC外延片进行退火,具体方法为:
将形成SiC沟槽的SiC外延片放入石英管中,加热至800℃的退火温度,然后通入100sccm的氯气、100sccm的氧气和100sccm氩气,保持5分钟,然后停止通入氯气,持续通入50sccm氧气,保持15分钟。
步骤9:需要使用HF酸浸泡SiC外延片1min。
实施例三:
一种碳化硅器件制造方法,包括如下步骤:
步骤1:在SiC外延片上淀积形成3μm的SiO2掩膜,具体过程为:
在200℃的温度下,压强为900mtorr时,通入400sccm的SiH4He气体、800sccm的N2O气体和750sccm的N2气体,利用等离子体加强化学气相沉积法,在SiC外延片上表面沉积3μm厚的SiO2掩膜。
步骤2:在SiO2掩膜上表面涂布光刻胶层,并通过光刻、显影形成光刻图形。
步骤3:以光刻胶层为掩膜,干法刻蚀SiO2掩膜,形成第一沟槽。
需要特别指出,对SiO2掩膜进行干法刻蚀时,不是直接刻蚀到指定的深度,刻蚀的深度与指定刻蚀深度距离这样方便后续步骤进行更精确的处理。
进一步的,步骤3的具体过程为:
将带有光刻图形的SiO2掩膜的SiC外延片放入刻蚀机的刻蚀腔中,设置刻蚀机刻蚀腔的源功率为400W、偏压功率为100W,同时设置刻蚀室电极温度为30℃,在90mTorr压力下,向刻蚀机的刻蚀腔通入25sccm的CHF3、5sccm的SF6及3sccm的Ar,持续通入5分钟。
步骤4:以光刻胶层为掩膜,对第一沟槽进行湿法刻蚀,形成SiO2掩膜层。
步骤5;以SiO2掩膜层为掩膜,干法刻蚀SiC外延片,形成第二沟槽。
需要特别指出,对SiC进行干法刻蚀时,不是直接刻蚀到指定的深度,刻蚀的深度与指定刻蚀深度距离这样方便后续步骤进行更精确的处理。
进一步的,步骤5的具体过程为:
将带有SiO2掩膜层的SiC外延片放入刻蚀机的刻蚀腔中,设置刻蚀机刻蚀腔的源功率为400W、偏压功率为100W,同时设置刻蚀室电极温度为25℃,在40mTorr压力下,向刻蚀机的刻蚀腔通入速率为50sccm的SF6或CF4,速率为30sccm的O2,持续时间5分钟。
步骤6:以SiO2掩膜层为掩膜,对第二沟槽进行氧化刻蚀,得到SiC沟槽,具体过程为:
将带有第二沟槽的SiC外延片放入氧化炉管中,其中氧化炉管温度为1100℃,压强为880mbar,向氧化炉管中通入1.6slm的H2和1slm的O2,持续通入10分钟。
步骤7:将带有SiC沟槽的SiC外延片在缓冲氧化硅腐蚀液中浸泡2分钟。
步骤8:对带有SiC沟槽的SiC外延片进行退火,具体方法为:
将形成SiC沟槽的SiC外延片放入石英管中,加热至850℃的退火温度,然后通入10sccm的氯气、10sccm的氧气和20sccm氩气,保持15分钟,然后停止通入氯气,持续通入20sccm氧气,保持20分钟。
步骤9:需要使用HF酸浸泡SiC外延片5min。
综上所述,本文中应用了具体的优选实施方式对本发明提供的一种碳化硅器件制造方法进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方案及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制,本发明的保护范围应以所附的权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种碳化硅器件制造方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:在SiC外延片上生长SiO2掩膜层;
步骤2:将带有SiO2掩膜层的SiC外延片放入SiC刻蚀机中进行刻蚀,得到SiC沟槽;
步骤3:对带有SiC沟槽的SiC外延片进行退火。
2.根据权利要求1所述的碳化硅器件制造方法,其特征在于,所述步骤1之前包括:
清洗SiC外延片。
3.根据权利要求2所述的碳化硅器件制造方法,其特征在于,所述步骤1具体为:
步骤11:在SiC外延片上淀积形成2~4μm的SiO2掩膜;
步骤12:在所述SiO2掩膜上表面涂布光刻胶层,并通过光刻、显影形成光刻图形;
步骤13:以光刻胶层为掩膜,干法刻蚀所述SiO2掩膜,形成第一沟槽;
步骤14:以光刻胶层为掩膜,对所述第一沟槽进行湿法刻蚀,形成SiO2掩膜层。
4.根据权利要求3所述的碳化硅器件制造方法,其特征在于,所述步骤2具体为:
步骤21;以SiO2掩膜层为掩膜,干法刻蚀所述SiC外延片,形成第二沟槽;
步骤22:以SiO2掩膜层为掩膜,对所述第二沟槽进行氧化刻蚀,得到SiC沟槽;
步骤23:将带有SiC沟槽的SiC外延片在缓冲氧化硅腐蚀液中浸泡2分钟。
5.根据权利要求4所述的碳化硅器件制造方法,其特征在于,所述步骤3包括:
通入氯气和氧化性气体进行沟槽退火,其中,氯气的速率为10sccm~100sccm,氧化性气体的速率为20sccm~100sccm,载体气体的速率为20sccm~100sccm。
6.根据权利要求4所述的碳化硅器件制造方法,其特征在于,所述步骤3之后包括:
使用HF酸浸泡SiC外延片1~10min去除SiO2掩膜层。
7.根据权利要求4所述的碳化硅器件制造方法,其特征在于,所述缓冲氧化硅腐蚀液中NH4F:HF=7:1。
8.根据权利要求4所述的碳化硅器件制造方法,其特征在于,步骤13具体为:
将带有光刻胶层的SiC外延片放入刻蚀机中;
在85mTorr~95mTorr压力下,向刻蚀机通入25sccm的CHF3、5sccm的SF6及3sccm的Ar,持续通入2~10分钟。
9.根据权利要求4所述的碳化硅器件制造方法,其特征在于,所述步骤21具体为:
将带有SiO2掩膜层的SiC外延片放入刻蚀机中;
在10mTorr~50mTorr压力下,向刻蚀机通入速率为10sccm~80sccm的SF6或CF4,速率为5sccm~40sccm的O2,持续时间2~10分钟。
10.根据权利要求4所述的碳化硅器件制造方法,其特征在于,所述氧化刻蚀具体为:
将带有第二沟槽的SiC外延片放入氧化炉管中,其中氧化炉管温度为1100℃,压强为880mbar;
向所述氧化炉管中通入1.6slm的H2和1slm的O2,持续通入10分钟。
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