CN114664649A - 碳化硅高深宽比槽刻蚀工艺优化方法 - Google Patents

碳化硅高深宽比槽刻蚀工艺优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了碳化硅高深宽比槽刻蚀工艺优化方法，包括以下步骤：S1、采用镀膜设备镀膜，测量非金属掩膜层膜厚H1、折射率N1；S2、采用加密设备加密，测量其膜厚H2、折射率N2；S3、判断加密工艺有效性；S4、判断S1、S2步骤是否结束；S5、采用光刻工艺制作光刻胶掩膜；S6、采用刻蚀工艺刻蚀非金属掩膜、采用化学腐蚀工艺去除残留光刻胶；S7、采用刻蚀工艺刻蚀碳化硅沟槽；S8、观察碳化硅沟槽刻蚀形貌，计算选择比Selectivity，判定刻蚀完整性。本发明用以解决非金属掩膜作碳化硅刻蚀掩膜刻蚀选择比小于3，碳化硅沟槽线宽损失大的问题。

Description

碳化硅高深宽比槽刻蚀工艺优化方法
技术领域
本发明属于第三代半导体领域，尤其涉及基于氟基气体的非金属掩膜的碳化硅高深宽比槽刻蚀工艺优化方法。
背景技术
第三代半导体材料碳化硅由于其具有高临界击穿电场、高热导率以及高饱和电子漂移速度等特点，使其在高温、高压、高频领域能够发挥比硅材料更加优异的作用。在电力电子、射频器件和光电器件领域，以碳化硅为衬底的MOSFET、HEMT等正得到越来越多的研究。
在碳化硅深槽刻蚀工艺中，刻蚀常用气体有氟基、氯基和溴基气体，氯基及溴基气体因为自身毒性的原故，正逐渐被氟基气体所取代。刻蚀碳化硅常用掩膜有金属和非金属的区分，碳化硅与金属掩膜的刻蚀选择比可达20以上。但在器件的工艺开发过程中，涉及部分工艺设备对金属离子的禁止要求，所以碳化硅器件的深槽刻蚀工艺开发只能用非金属掩膜替代。
目前氟基气体刻蚀碳化硅的典型选择比小于3，想要达到高深宽比的碳化硅槽要求，必须提高碳化硅与非金属掩膜的刻蚀选择比，提高刻蚀选择比的途径主要可分为改善非金属掩膜层致密性和刻蚀工艺优化两条路径。通过上述两条路径优化，使非金属掩膜层刻蚀速率降低，碳化硅刻蚀速率升高，最终得到高深宽比的碳化硅槽。
发明内容
本发明目的在于提供基于氟基气体的非金属掩膜的碳化硅高深宽比槽刻蚀工艺优化方法，以解决非金属掩膜作碳化硅刻蚀掩膜刻蚀选择比小于3，碳化硅沟槽线宽损失大的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
碳化硅高深宽比槽刻蚀工艺优化方法，包括以下步骤：
S1.采用镀膜设备镀膜，测量非金属掩膜层膜厚H1、折射率N1；
S2.采用加密设备加密，测量非金属介质层膜厚H2、折射率N2；
S3.判断加密工艺有效性；
S4.判断S1、S2步骤是否结束；
S5.采用光刻工艺制作光刻胶掩膜；
S6.采用刻蚀工艺刻蚀非金属掩膜、采用化学腐蚀工艺去除残留光刻胶；
S7.采用刻蚀工艺刻蚀碳化硅沟槽；
S8.观察碳化硅沟槽刻蚀形貌，计算选择比Selectivity，判定刻蚀完整性。
作为本发明的一种优选方案，所述碳化硅包括碳化硅衬底片和碳化硅外延片；所述镀膜设备的原理包括电镀、化学气相沉积与物理气相沉积，所述镀膜设备包括PECVD、LPCVD或ALD；非金属掩膜包括氧化硅、氮化硅或多晶硅，非金属掩膜层厚度≤2μm。
作为本发明的一种优选方案，S1中，非金属掩膜膜厚及折射率的测量方法为采用 椭偏仪测量多点数据，多点为大于1的点数，经公式拟合得到膜厚、折射率数据，
Figure 725211DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 30159DEST_PATH_IMAGE002
。
作为本发明的一种优选方案，S2中，加密设备的原理为在一定气氛下，通过加温，长时间作用，使非金属掩膜层致密性提高，加密设备包括LPCVD、退火炉或氧化炉；加密工艺为温度大于500℃、时间大于1min，加密气体包括O2、N2或稀有气体。
作为本发明的一种优选方案，S2中，非金属介质层膜厚及折射率的测量方法为采 用椭偏仪测量步骤S1的多点数据，经公式拟合得到膜厚、折射率数据，
Figure 784488DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 521500DEST_PATH_IMAGE004
。
作为本发明的一种优选方案，S3中，加密有效性的判断依据为膜厚满足
Figure 310465DEST_PATH_IMAGE005
≥10%，折射率满足
Figure 740309DEST_PATH_IMAGE006
≥1%，则加密有效，否则加密无效；加密有效则再次进行S1步 骤，加密无效则返回S2步骤；在多次循环S1、S2步骤后，每一次S2步骤结束后测量非金属介 质层膜厚及折射率，测量方法为采用椭偏仪测量步骤S1的多点数据，经公式拟合得到膜厚， 折射率数据，
Figure 591722DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 866845DEST_PATH_IMAGE002
。
作为本发明的一种优选方案，S4中，S1、S2步骤结束判据为膜厚Hl≥3μm，Nl≥N标准，N标准指掩膜层在波长为632.8nm的标准折射率。
作为本发明的一种优选方案，S5中，采用光刻工艺制作刻蚀掩模/刻蚀沟槽图形；光刻工艺光刻胶厚度定量方法为采用椭偏仪或台阶仪，测得厚度为Hp；光刻工艺刻蚀沟槽的线宽的判断方法为采用扫描电子显微镜观察表面形貌，定量刻蚀沟槽的白边宽度Lw，刻蚀沟槽的顶部宽度Lt，则光刻胶底部宽度为Lt-2Lw，光刻胶角度angle p=90-arctan(Lw/Hp)×180/π。
S6中，非金属掩膜刻蚀完成判据为采用刻蚀设备自带终点检测检测到非金属掩膜/SiC界面渐变；残胶是否去除完成判据为：在光学显微镜20×物镜下肉眼观察刻蚀掩模/刻蚀沟槽图像处是否有残留光刻胶。
作为本发明的一种优选方案，S7中，刻蚀工艺参数包括刻蚀温度、刻蚀时间、气体种类、气体比例与含量、压强、源功率与偏压功率；在保证非刻蚀气体/刻蚀气体含量大于1，刻蚀温度大于50℃的前提下，调节其他参数得到碳化硅刻蚀沟槽；刻蚀气体包括氟基、氯基或溴基气体，非刻蚀气体包括氧气、氩气、氢气或氮气。
作为本发明的一种优选方案，S8中，所述碳化硅沟槽形貌观察步骤为碳化硅裂片，扫描电子显微镜观察并定量截面碳化硅刻蚀后非金属掩膜层厚度Hs，碳化硅槽深度Hc，碳化硅槽口宽度Lk，碳化硅槽底宽度Ld，刻蚀选择比Selectivity=Hc/（Hl-Hs），碳化硅槽倾角angle t=90- arctan(（Lt-Ld）/2Hc)×180/π；刻蚀完整性判据为Hc≥5μm，Selectivity≥3，angle t≥angle p。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1）本发明基于氟基气体的非金属掩膜的碳化硅高深宽比槽刻蚀工艺优化方法，解决了非金属掩膜作碳化硅刻蚀掩膜刻蚀选择比小于3，碳化硅沟槽线宽损失大的问题，得到高深宽比的碳化硅槽；
2）本发明的优化方法简单有效，提高了制备效率。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，本发明提供了碳化硅高深宽比槽刻蚀工艺优化方法，包括以下步骤：
S1.采用镀膜设备镀膜，测量非金属掩膜层膜厚H1、折射率N1；
S2.采用加密设备加密，测量非金属介质层膜厚H2、折射率N2；
S3.判断加密工艺有效性；
S4.判断S1、S2步骤是否结束；
S5.采用光刻工艺制作光刻胶掩膜；
S6.采用刻蚀工艺刻蚀非金属掩膜、采用化学腐蚀工艺去除残留光刻胶；
S7.采用刻蚀工艺刻蚀碳化硅沟槽；
S8.观察碳化硅沟槽刻蚀形貌，计算选择比Selectivity，判定刻蚀完整性。
实施例1
本实施例中，S1：取4寸碳化硅衬底片，进行LPCVD镀膜，采用椭偏仪测量镀膜厚度 及折射率，椭偏仪测量3点，数据如表1，经计算公式
Figure 572633DEST_PATH_IMAGE001
，H1=1822nm，
Figure 907799DEST_PATH_IMAGE002
，N1= 1.4381。
表1 一次镀氧化硅膜后氧化硅膜厚及折射率
Figure 636721DEST_PATH_IMAGE007
S2：采用栅氧炉加密，测量加密后厚度及折射率，数据如表2，经计算公式
Figure 230382DEST_PATH_IMAGE003
，H2=1594nm，
Figure 728360DEST_PATH_IMAGE004
，N2=1.4921。
表2.一次加密后氧化硅膜厚及折射率
Figure 359061DEST_PATH_IMAGE008
S3：判断加密有效性，根据判据
Figure 309700DEST_PATH_IMAGE005
=12.5%≥10%，
Figure 192205DEST_PATH_IMAGE006
≥1%，加密有 效。
再次进行LPCVD镀膜，采用椭偏仪测量镀膜厚度及折射率，椭偏仪测量3点，数据如 表3，经计算公式
Figure 357738DEST_PATH_IMAGE009
，H3=3645 nm，
Figure 300286DEST_PATH_IMAGE010
，N3=1.4558。
表3.二次镀氧化硅膜后氧化硅膜厚及折射率
Figure 738221DEST_PATH_IMAGE011
再次采用栅氧炉加密，测量加密后厚度及折射率，数据如表4，经计算公式
Figure 221155DEST_PATH_IMAGE001
，Hl=3370 nm，
Figure 693725DEST_PATH_IMAGE002
，Nl=1.4977。
表4.二次加密后氧化硅膜厚及折射率
Figure 118759DEST_PATH_IMAGE012
S4：判断S1、S2步骤是否结束：第二次加密后，Hl=3.370 nm＞3μm，氧化硅在在波长为632.8nm的标准折射率为1.457，Nl为1.4977＞1.457，即S4结束。
S5：采用光刻工艺制作刻蚀掩模/刻蚀沟槽图形，台阶仪测量得到光刻胶厚度Hp为1.38μm，SEM定量得到刻蚀沟槽的白边宽度Lw为120nm，刻蚀沟槽的顶部宽度Lt为2.1μm，采用式angle p=90-arctan(Lw/Hp)×180/π计算得到光刻胶倾角angle p为85°。
S6：刻蚀氧化硅介质层，湿法去胶完成后，在光学显微镜20×物镜下肉眼观察刻蚀掩模/刻蚀沟槽图像处无残留光刻胶。
S7：刻蚀碳化硅，刻蚀温度为80℃、腔压为1Pa、上电极源功率为1800W、下电极功率为300W、O2流量为30sccm，SF6流量为20sccm，刻蚀时间为1200S，刻蚀得到刻蚀后碳化硅沟槽。
S8：切片，在SEM下观察槽口的截面形貌，定量氧化硅层厚度Hs为915nm，碳化硅槽深度Hc为26.44μm，碳化硅槽口宽度Lk为4.373μm，碳化硅槽底宽度Ld为3.403μm，刻蚀选择比由式Selectivity=Hc/（Hl-Hs），计算得到Selectivity为10.7，碳化硅槽倾角angle t由式angle t=90- arctan(（Lk-Ld）/2Hc)×180/π，经计算得到angle t为89°，根据刻蚀完整性判据， Hc=26.44μm≥5μm，Selectivity=10.7≥3，angle t=89°≥angle p=85°，故得到高深宽比碳化硅沟槽。
可见，本发明基于氟基气体的非金属掩膜的碳化硅高深宽比槽刻蚀工艺优化方法，解决了非金属掩膜作碳化硅刻蚀掩膜刻蚀选择比小于3，碳化硅沟槽线宽损失大的问题，得到高深宽比的碳化硅槽。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.碳化硅高深宽比槽刻蚀工艺优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.采用镀膜设备镀膜，测量非金属掩膜层膜厚H1、折射率N1；
S2.采用加密设备加密，测量非金属介质层膜厚H2、折射率N2；
S3.判断加密工艺有效性；
S4.判断S1、S2步骤是否结束；
S5.采用光刻工艺制作光刻胶掩膜；
S6.采用刻蚀工艺刻蚀非金属掩膜、采用化学腐蚀工艺去除残留光刻胶；
S7.采用刻蚀工艺刻蚀碳化硅沟槽；
S8.观察碳化硅沟槽刻蚀形貌，计算选择比Selectivity，判定刻蚀完整性。
2.根据权利要求1所述的碳化硅高深宽比槽刻蚀工艺优化方法，其特征在于，所述碳化硅包括碳化硅衬底片和碳化硅外延片；所述镀膜设备的原理包括电镀、化学气相沉积与物理气相沉积，所述镀膜设备包括PECVD、LPCVD或ALD；非金属掩膜包括氧化硅、氮化硅或多晶硅，非金属掩膜层厚度≤2μm。
3.根据权利要求1所述的碳化硅高深宽比槽刻蚀工艺优化方法，其特征在于，S1中，非 金属掩膜膜厚及折射率的测量方法为采用椭偏仪测量多点数据，多点为大于1的点数，经公 式拟合得到膜厚、折射率数据，
Figure 890301DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 807441DEST_PATH_IMAGE002
。
4.根据权利要求1所述的碳化硅高深宽比槽刻蚀工艺优化方法，其特征在于，S2中，加密设备的原理为在一定气氛下，通过加温，长时间作用，使非金属掩膜层致密性提高，加密设备包括LPCVD、退火炉或氧化炉；加密工艺为温度大于500℃、时间大于1min，加密气体包括O2、N2或稀有气体。
5.根据权利要求1所述的碳化硅高深宽比槽刻蚀工艺优化方法，其特征在于，S2中，非 金属介质层膜厚及折射率的测量方法为采用椭偏仪测量步骤S1的多点数据，经公式拟合得 到膜厚、折射率数据，
Figure 400228DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 795437DEST_PATH_IMAGE004
。
6.根据权利要求1所述的碳化硅高深宽比槽刻蚀工艺优化方法，其特征在于，S3中，加 密有效性的判断依据为膜厚满足
Figure 672126DEST_PATH_IMAGE005
≥10%，折射率满足
Figure 494589DEST_PATH_IMAGE006
≥1%，则加密有 效，否则加密无效；加密有效则再次进行S1步骤，加密无效则返回S2步骤；在多次循环S1、S2 步骤后，每一次S2步骤结束后测量非金属介质层膜厚及折射率，测量方法为采用椭偏仪测 量步骤S1的多点数据，经公式拟合得到膜厚，折射率数据，
Figure 761622DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 272107DEST_PATH_IMAGE003
。
7.根据权利要求1所述的碳化硅高深宽比槽刻蚀工艺优化方法，其特征在于，S4中，S1、S2步骤结束判据为膜厚Hl≥3μm，Nl≥N标准，N标准指掩膜层在波长为632.8nm的标准折射率。
8.根据权利要求1所述的碳化硅高深宽比槽刻蚀工艺优化方法，其特征在于，S5中，采用光刻工艺制作刻蚀掩模/刻蚀沟槽图形；光刻工艺光刻胶厚度定量方法为采用椭偏仪或台阶仪，测得厚度为Hp；光刻工艺刻蚀沟槽的线宽的判断方法为采用扫描电子显微镜观察表面形貌，定量刻蚀沟槽的白边宽度Lw，刻蚀沟槽的顶部宽度Lt，则光刻胶底部宽度为Lt-2Lw，光刻胶角度angle p=90-arctan(Lw/Hp)×180/π。
9.根据权利要求1所述的碳化硅高深宽比槽刻蚀工艺优化方法，其特征在于，S7中，刻蚀工艺参数包括刻蚀温度、刻蚀时间、气体种类、气体比例与含量、压强、源功率与偏压功率；在保证非刻蚀气体/刻蚀气体含量大于1，刻蚀温度大于50℃的前提下，调节其他参数得到碳化硅刻蚀沟槽；刻蚀气体包括氟基、氯基或溴基气体，非刻蚀气体包括氧气、氩气、氢气或氮气。
10.根据权利要求1所述的碳化硅高深宽比槽刻蚀工艺优化方法，其特征在于，S8中，所述碳化硅沟槽形貌观察步骤为碳化硅裂片，扫描电子显微镜观察并定量截面碳化硅刻蚀后非金属掩膜层厚度Hs，碳化硅槽深度Hc，碳化硅槽口宽度Lk，碳化硅槽底宽度Ld，刻蚀选择比Selectivity=Hc/（Hl-Hs），碳化硅槽倾角angle t=90- arctan(（Lt-Ld）/2Hc)×180/π；刻蚀完整性判据为Hc≥5μm，Selectivity≥3，angle t≥angle p。
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