CN117524866B - 一种碳化硅沟槽表面的修复方法、修复设备及半导体器件 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种碳化硅沟槽表面的修复方法、修复设备及半导体器件，其中，所述碳化硅沟槽由干法刻蚀形成，碳化硅沟槽表面的修复方法包括：将含氟基气体或氯基气体和氧基气体的工艺气体进行离子化处理，以形成等离子体；将等离子体中的带电粒子进行过滤，得到氟自由基或氯自由基和氧自由基；将氟自由基或氯自由基和氧自由基与碳化硅沟槽表面反应预设时间，以完成碳化硅沟槽表面的修复。本申请通过将氟自由基或氯自由基和氧自由基与碳化硅沟槽表面反应预设时间，与表面的硅碳等元素结合形成气体，可以改变沟槽表面的成分和价态，从而可以去掉晶格发生畸变的薄层，使碳化硅沟槽表面得到修复。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，具体涉及一种碳化硅沟槽表面的修复方法、修复设备及半导体器件。
背景技术
随着半导体材料的发展，衬底由硅基发展到碳化硅和氮化镓等材料，其中，第三代化合物半导体SiC是宽禁带化合物，具有高电压、大电流、高温、高频率、低损耗等特点，在智能电网、轨道交通、电动汽车、新能源并网、通讯电源等领域具有非常高的应用价值。
SiC基半导体芯片的制造涉及沉积、光刻、干刻、湿刻、离子注入等多种工艺。干刻一般是采用等离子体进行刻蚀，其原理是刻蚀气体在射频电压作用下，形成等离子体，等离子体可以在晶圆表面形成鞘层，鞘层内的电势差可以让离子轰击晶圆表面，以刻蚀出沟槽。
申请人研究发现，沟槽刻蚀过程会使沟槽的表面被改性，这种改性不仅影响了表面膜层的成分，而且影响了表面晶格和价态，进而可能影响半导体器件的性能。
发明内容
本申请实施例提供一种碳化硅沟槽表面的修复方法、修复设备及半导体器件，可以对干刻形成的碳化硅沟槽表面进行修复，以解决碳化硅沟槽表面被改性而影响碳化硅半导体器件的性能的问题。
第一方面，本申请实施例提供一种碳化硅沟槽表面的修复方法，其中，所述碳化硅沟槽由干法刻蚀形成，其特征在于，所述修复方法包括：
将含氟基气体或氯基气体和氧基气体的工艺气体进行离子化处理，以形成等离子体；
将所述等离子体中的带电粒子进行过滤，得到氟自由基或氯自由基与氧自由基；
将所述氟自由基或所述氯自由基和所述氧自由基与所述碳化硅沟槽表面反应预设时间，以完成所述碳化硅沟槽表面的修复。
可选的，所述工艺气体的压力为10mTorr~10Torr；和/或，
所述离子化处理所采用的射频源的频率为13.56Mz、27M、40M、60M、100M或2.45G，功率为100-5000W。
可选的，所述氟基气体包括SF6、NF3、CF4、C2F6、C4F8、C5F8和C4F6中的至少一种。
可选的，所述氯基气体包括Cl2和/或BCl3。
可选的，所述氧基气体包括O2、CO2、SO2和NO2中的至少一种。
第二方面，本申请实施例提供一种碳化硅沟槽表面的修复设备，包括上下设置并相互连通的第一腔体和第二腔体、设置于所述第一腔体和所述第二腔体之间的过滤组件、环绕所述第一腔体的侧壁设置的线圈组件，以及设置于所述第二腔体底部的基座；
所述线圈组件，用于将通入所述第一腔体内的工艺气体激发形成等离子体，其中，所述工艺气体包含氟基气体或氯基气体和氧基气体；
所述过滤组件，用于将所述等离子体中的带电粒子进行过滤，仅使氟自由基或氯自由基和氧自由基进入所述第二腔体；所述氟自由基或所述氯自由基和所述氧自由基对承载在所述基座上的碳化硅晶片进行处理预设时间，以对所述碳化硅晶片的沟槽表面进行修复。
可选的，所述线圈组件包括至少两个线圈，所述至少两个线圈沿所述第一腔体的高度方向间隔设置，并且各自独立接受射频供电。
可选的，所述第一腔体的腔室为锥形，所述线圈沿所述腔室的侧壁呈螺旋形盘绕。
可选的，所述线圈内置于所述第一腔体的侧壁中，并且所述第一腔体的外表面设置有磁屏蔽涂层。
可选的，所述过滤组件包括至少两层间隔设置的过滤板，并且两层所述过滤板之间的过滤孔错开设置。
第三方面，本申请实施例提供一种碳化硅半导体器件，包括干法刻蚀形成的沟槽，所述沟槽的表面采用如上各实施例所述的修复方法进行修复。
如上所述本申请的碳化硅沟槽表面的修复方法、修复设备及半导体器件，修复时，首先将含氟基气体或氯基气体和氧基气体的工艺气体进行离子化处理，以形成等离子体，然后将等离子体中的带电粒子进行过滤，得到氟自由基或氯自由基和氧自由基，最后将氟自由基或氯自由基和氧自由基与碳化硅沟槽表面反应预设时间，以完成碳化硅沟槽表面的修复。反应时，氟自由基或氯自由基与表面的硅结合形成气体，氧自由基与碳结合形成气体，可以改变沟槽表面的成分和价态，反应过程相当于将沟槽的表面刻蚀掉一层，从而可以去掉晶格发生畸变的薄层，使碳化硅沟槽表面得到修复。相比等离子体刻蚀，自由基的反应相对温和，不会形成强烈轰击造成碳化硅晶格的变形，以及不会对碳化硅晶片原有的成分造成影响。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的一种碳化硅沟槽表面的修复方法的流程示意图；
图2是本申请实施例提供的一种碳化硅沟槽加工全过程对应的结构示意图；
图3是本申请实施例提供的一种碳化硅沟槽表面的修复设备的结构示意图。
本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。通过上述附图，已示出本申请明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
需要说明的是，尽管在本文可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本文范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。
应当理解的是，术语“顶”、“底”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
如上所述，碳化硅晶片在干刻形成沟槽时，沟槽表面会被改性，这种改性不仅影响了表面膜层的成分，而且影响了表面晶格和价态，进而可能影响半导体器件的性能。基于此，本申请提供了一种碳化硅沟槽表面的修复方法、修复设备及半导体器件。
请参阅图1、图1是本申请实施例提供的一种碳化硅沟槽表面的修复方法的流程示意图，其中，碳化硅沟槽由干法刻蚀形成，该修复方法可以包括S110-S130。
S110、将含氟基气体或氯基气体和氧基气体的工艺气体进行离子化处理，以形成等离子体。
具体来说，本申请可以采用含氟基气体和氧基气体作为工艺气体，也可以采用含氯基气体和氧基气体作为工艺气体。工艺时，将工艺气体进行离子化处理，可以采用电容耦合等离子体（Capacitively Coupled Plasma，CCP）工艺，也可以采用电感耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma，ICP）工艺，本实施例优选采用ICP工艺，这是由于其产生的等离子体密度比CCP工艺产生的等离子体密度高约两个数量级，可以提高生产效率。
需要说明的是，通入工艺气体时，还可以同时通入惰性气体对工艺气体进行稀释。稀释气体可以包括Ar、N2和He中的至少一种。
S120、将等离子体中的带电粒子进行过滤，得到氟自由基或氯自由基和氧自由基。
工艺气体进行离子化处理形成的等离子体，包含了正离子、负离子、电子和自由基，带电粒子会对碳化硅晶片造成比较强烈的轰击，影响碳化硅晶片表面的晶格和价态，对碳化硅晶片的表面形貌进行改性，因此，本实施例对等离子体进行过滤，以去除其中的带电粒子，仅保留其中的氟自由基或氯自由基和氧自由基。
S130、将氟自由基或氯自由基和氧自由基与碳化硅沟槽表面反应预设时间，以完成碳化硅沟槽表面的修复。
请参阅图2，图2是本申请实施例提供的一种碳化硅表面沟槽的加工流程示意图，在执行本实施例的修复流程之前，首先在碳化硅晶片100的表面制作掩膜层200，并经过刻蚀在碳化硅晶片100的表面形成开口，请参阅2a，掩膜层200可以是氧化层，比如氧化硅、氮氧化硅等，也可以是氮化硅。
然后采用干法刻蚀，请参阅2b，在碳化硅晶片100的顶面刻蚀沟槽101，刻蚀完成后，由于沟槽101的表面300遭受等离子体刻蚀会发生成分、晶格和价态等方面的改变，因此本申请进一步采用前述步骤形成的氟自由基或氯自由基和氧自由基与沟槽101的表面300反应预设时间，以进行表面修复。请参阅2c，反应时，氟自由基或氯自由基与表面的硅基结合形成气体，氧自由基与碳形成气体，可以改变碳化硅沟槽表面的成分和价态，反应过程相当于将沟槽101的表面300刻蚀掉一层，从而可以去掉碳化硅沟槽表面的晶格畸变薄层，使碳化硅沟槽表面得到修复。相比等离子体刻蚀，自由基的反应相对温和，不会形成强烈轰击造成碳化硅晶格的变形，以及不会对碳化硅晶片100原有的成分造成影响。反应的预设时间可以根据气体流量以及射频源的频率、功率等参数进行设定，以能够刻蚀掉一个薄层为准。反应完成后，可以去除掩膜层200，请参阅2d。
请参阅表1，表1是一种碳化硅沟槽表面改性前后的元素成分含量数据，在干刻前，碳化硅表面的元素主要为Si和C，采用氟基等离子体干刻以后，碳化硅沟槽表面的Si和C的含量减少，O含量升高，但是经采用NF3或CF4加O2进行修复改性后，碳化硅沟槽表面的Si和C的含量与干刻前相比接近复原。需要说明的是，F元素为干刻以及改性过程工艺气体所引入。其中，修复改性的工艺参数分别为：工艺气体为NF3加O2(体积比5:1)，工艺气体的压力为200mT, 射频源的功率为1000W，射频源的频率为13.56M，反应温度为100℃，反应时间为180s。
表1. 碳化硅沟槽表面改性前后的元素成分含量（/%）
在一些可选的实施方式中，工艺气体进行离子化处理时，工艺腔室内的工艺气体的压力可以是10mTorr~10Torr，例如，压力可以是10mTorr、30mTorr、60mTorr、100mTorr、300mTorr、600mTorr、1Torr、5Torr、10mTorr；反应温度可以是50~300℃，确保反应顺利进行的同时，反应产物能够挥发排出。工艺气体离子化处理所采用的射频源的频率大小会影响等离子体的密度和分布。较高的频率可以提高等离子体的密度，使更多的反应物种参与到工艺过程中，从而提高工艺效率。而较低的频率可能会导致等离子体分布不均匀，影响工艺的一致性，本实施例中频率可以是13.56Mz、27M、40M、60M、100M、2.45G。工艺气体离子化处理所采用的射频源的功率大小决定了等离子体的能量水平、温度和反应速率。较高的功率可以提高等离子体的温度，加快反应速率，从而提高工艺效率，然而过高的功率可能会导致等离子体不稳定，甚至引起等离子体的熄灭。本实施例中，功率可以是100-5000W ，例如100W、300W 、600W 、1000W 、1500W、2000W、3000W、5000W。具体可以根据实际工艺环境进行选择。
在一些可选的实施方式中，氟基气体可以包括SF6、NF3、CF4、C2F6、C4F8、C5F8和C4F6中的至少一种。氯基气体可以是Cl2或BCl3，也可以同时包括Cl2和BCl3。氧基气体可以包括O2、SO2、CO2和NO2中的至少一种。
本申请实施例还提供一种碳化硅沟槽表面的修复设备，请参阅图3，图3是本申请实施例提供的一种碳化硅沟槽表面的修复设备的结构示意图，该修复设备可以包括：第一腔体10、第二腔体20、过滤组件30、线圈组件40，以及基座50。
第一腔体10和第二腔体20相互连通，过滤组件30设置于第一腔体10和第二腔体20之间，例如过滤组件30封盖在第二腔体20的顶部，第一腔体10的侧壁支撑于过滤组件30的顶面，第一腔体10和第二腔体20通过过滤组件30的小孔保持连通，工艺气体可以从第一腔体10的顶部通入，其中，工艺气体包含氟基气体或氯基气体和氧基气体。线圈组件40环绕第一腔体10的侧壁设置，用于将通入第一腔体10内的工艺气体激发形成等离子体，基座50设置于第二腔体20底部，用于承载碳化硅晶片，基座50内可以同时设置加热组件。过滤组件30用于将等离子体中的离子进行过滤，仅使氟自由基或氯自由基和氧基气体进入第二腔体20。氟自由基或氯自由基和氧基气体对承载在基座50上的碳化硅晶片进行处理预设时间，以改变所述碳化硅沟槽表面的成分和价态，以及去掉所述碳化硅沟槽表面的晶格畸变薄层，以对碳化硅晶片的沟槽表面进行修复。
本实施例的修复设备，当线圈组件40加载射频电压时，线圈组件40会在第一腔体10的腔室内产生交变磁场，可以对腔室内的工艺气体进行电离形成等离子体，等离子体经过过滤组件30将其中的离子去除，仅使氟自由基或氯自由基和氧基气体能够进入第二腔体20。氟自由基或氯自由基与表面的硅基结合形成气体，氧自由基与碳结合形成气体，可以改变沟槽表面的成分和价态，反应过程相当于将沟槽的表面刻蚀掉一层，从而可以去掉晶格发生畸变的薄层，使碳化硅沟槽表面得到修复。相比等离子体刻蚀，自由基的反应相对温和，不会形成强烈轰击造成碳化硅晶格的变形，以及不会对碳化硅晶片原有的成分造成影响。
在一个实施例中，线圈组件40可以包括至少两个线圈，所有线圈沿第一腔体10的高度方向间隔设置，并且各自独立接受射频供电。图3中以设置有两个线圈为例，分别为第一线圈41和第二线圈42。由于第一线圈41和第二线圈42独立供电，因此，可以根据需要开启第一线圈41、第二线圈42或同时开启第一线圈41和第二线圈42，从而可以调节等离子体的密度分布以及等离子体的范围（边界），增大修复设备的工艺窗口。
优选的，第一腔体10的腔室为锥形，线圈沿腔室的侧壁呈螺旋形盘绕（而非平面缠绕）。由于线圈沿径向的覆盖面积以及纵向高度均会影响等离子体的密度分布，本实施例的线圈沿锥形腔室的侧壁呈螺旋形盘绕，可以同时兼顾到覆盖面积以及高度两方面因素，并结合多线圈独立供电，可以调节形成更均匀的等离子体，经过过滤组件30过滤后也可以获得密度更均匀的自由基，以提高碳化硅沟槽表面的修复均匀性。
作为一个示例，所有线圈均内置于第一腔体10的侧壁中，并且第一腔体10的外表面设置有磁屏蔽涂层，可以防止线圈产生的磁场对外部电路形成干扰。
在一个实施例中，过滤组件30包括至少两层间隔设置的过滤板，并且所有过滤板之间的过滤孔错开设置。图中以过滤组件30包括两层过滤板为例，分别为第一过滤板31和第二过滤板32，第一过滤板31和第二过滤板32之间设有间隙33，第一过滤板31的过滤孔311和第二过滤板32的过滤孔321错开，等离子体由第一腔体10经第一过滤板31的过滤孔311首次过滤后进入间隙33，然后再经过第二过滤板32的过滤孔321进行第二次过滤，再进入第二腔体20内。经过多层过滤，可以获得更纯净的自由基。所有过滤板之间的过滤孔错开设置，可以增加过滤路径，进一步提高所得的自由基的纯净度。
本申请实施例还提供一种碳化硅半导体器件，该碳化硅半导体器件包括干法刻蚀形成的沟槽，并且，沟槽的表面采用如上各实施例所述的修复方法进行修复。由于消除了沟槽表面的碳化硅成分偏差、晶格畸变以及价态问题，使碳化硅沟槽表面得到修复，本实施例的碳化硅半导体器件的性能指标能够更符合设计理想值。
以上对本申请所提供的一种碳化硅沟槽表面的修复方法、修复设备及半导体器件进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述。需要说明的是，在本申请中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，本申请技术方案的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种碳化硅沟槽表面的修复方法，其中，所述碳化硅沟槽由干法刻蚀形成，其特征在于，所述修复方法包括：
将含NF3和O2的工艺气体进行离子化处理，以形成等离子体，其中，NF3和O2的体积比为5:1，所述工艺气体的压力为200mT，所述离子化处理所采用的射频源的频率为13.56M，功率为1000W；
将所述等离子体中的带电粒子进行过滤，得到氟自由基和氧自由基；
将所述氟自由基和所述氧自由基与所述碳化硅沟槽表面在100℃下反应180s，刻蚀掉一薄层，以改变所述碳化硅沟槽表面的成分和价态，以及去掉所述碳化硅沟槽表面的晶格畸变薄层，以完成所述碳化硅沟槽表面的修复。
2.一种碳化硅沟槽表面的修复设备，其特征在于，包括上下设置并相互连通的第一腔体和第二腔体、设置于所述第一腔体和所述第二腔体之间的过滤组件、环绕所述第一腔体的侧壁设置的线圈组件，以及设置于所述第二腔体底部的基座；
所述线圈组件，用于将通入所述第一腔体内的工艺气体激发形成等离子体，其中，所述工艺气体包含NF3和O2，NF3和O2的体积比为5:1，所述工艺气体的压力为200mT，所述线圈组件所加载的射频源的频率为13.56M，功率为1000W；
所述过滤组件，用于将所述等离子体中的带电粒子进行过滤，仅使氟自由基和氧自由基进入所述第二腔体；所述氟自由基和所述氧自由基在100℃下对承载在所述基座上的碳化硅晶片进行处理180s，刻蚀掉一薄层，以改变所述碳化硅沟槽表面的成分和价态，以及去掉所述碳化硅沟槽表面的晶格畸变薄层，以对所述碳化硅晶片的沟槽表面进行修复。
3.根据权利要求2所述的修复设备，其特征在于，所述线圈组件包括至少两个线圈，所述至少两个线圈沿所述第一腔体的高度方向间隔设置，并且各自独立接受射频供电。
4.根据权利要求3所述的修复设备，其特征在于，所述第一腔体的腔室为锥形，所述线圈沿所述腔室的侧壁呈螺旋形盘绕。
5.根据权利要求4所述的修复设备，其特征在于，所述线圈内置于所述第一腔体的侧壁中，并且所述第一腔体的外表面设置有磁屏蔽涂层。
6.根据权利要求2所述的修复设备，其特征在于，所述过滤组件包括至少两层间隔设置的过滤板，并且两层所述过滤板之间的过滤孔错开设置。
7.一种碳化硅半导体器件，包括干法刻蚀形成的沟槽，其特征在于，所述沟槽的表面采用权利要求1所述的修复方法进行修复。
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