DE4310345C2 - Process for dry etching of SiC - Google Patents
Process for dry etching of SiCInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Trockenätzen von Siliziumcarbid gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention is based on a method for dry etching Silicon carbide according to the preamble of claim 1.
Ein solches Verfahren ist aus der deutschen Anmeldung DE 36 03 725 A1 bekannt. Zur Strukturierung von Siliziumcarbid durch Photolithographie und Plasmaätzung wird ein Substrat aus dem Siliziumcarbid auf einer Flachseite mit einer strukturierten Silizium-Schicht abgedeckt und dann die Plasmaätzung mit einem Sauerstoffanteil von mindestens 40%, insbesondere etwa 70 bis 95% vorgenommen. Dem Sauerstoff wird Kohlenstofftetrafluorid beigemischt. Dabei wird die Siliziumschicht mit einer wesentlich geringeren Ätzrate abgetragen als das Siliziumcarbid des Substrats.Such a procedure is from the German application DE 36 03 725 A1 known. For structuring silicon carbide a substrate is formed by photolithography and plasma etching the silicon carbide on a flat side with a structured silicon layer and then covered the Plasma etching with an oxygen content of at least 40%, in particular made about 70 to 95%. The oxygen will Carbon tetrafluoride added. The Silicon layer with a much lower etching rate removed as the silicon carbide of the substrate.
Zur Behandlung von Halbleitersubstraten durch reaktives Ionenätzen wird in der deutschen Offenlegungsschrift DE 39 35 189 A1 vorgeschlagen, eine Lackmaske zur Abdeckung von Substraten von dotiertem, polykristallinem Silizium zu verwenden, das auf einer vorzugsweise aus SiO₂ bestehenden Unterlage angebracht ist. Als Ätzgase werden Chlor, SiCl₄ und N₂ verwendet. Durch die Auswahl der Prozeßgase werden eine hohe Selektivität und eine hohe Anisotropie der Ätzung von Silizium und Siliziden erreicht.For the treatment of semiconductor substrates by reactive Ion etching is described in the German patent application DE 39 35 189 A1 proposed a paint mask to cover Doped polycrystalline silicon substrates use that on a preferably made of SiO₂ Pad is attached. As etching gases are chlorine, SiCl₄ and N₂ used. By selecting the process gases, a high Selectivity and high anisotropy in the etching of silicon and silicides reached.
Ein weiteres Verfahren ist aus der Veröffentlichung von Barclett, R. W. and Barlow, M.: "Surface Polarity and Etching of Beta-Silicon-Carbide" in J. electrochem. Soc.: SOLID STATE SCIENCE, Nov. 1970, Seite 1436-1437, bekannt. Darin wird eine Gasmischung, welche 6% Chlor und 26% Sauerstoff in Argon enthält, bei 850-900°C zum Ätzen von Beta-Silizium- Carbid verwendet. Mit dieser Mischung wird allerdings nicht beabsichtigt, gleichmäßige Schichten von SiC abzuätzen, sondern es werden sogenannte Ätzgruben gebildet, welche ein Indiz für Stapelfehler, Versetzungen und ähnliches sein sollen.Another method is known from the publication by Barclett, R. W. and Barlow, M .: "Surface Polarity and Etching of Beta-Silicon Carbide" in J. electrochem. Soc .: SOLID STATE SCIENCE, Nov. 1970, pages 1436-1437, known. A gas mixture containing 6% chlorine and 26% Contains oxygen in argon, at 850-900 ° C for etching beta silicon Carbide used. However, this mixture is not intended etch away even layers of SiC, but so-called Etching pits formed, which are an indication of stacking errors, dislocations and should be similar.
Zum Ätzen von reinem Silizium sind eine Reihe von Verfahren entwickelt worden, deren Übertragung auf SiC aber nicht ohne weiteres möglich ist. Geht man von Trockenätzverfahren mit Chlor aus, so zeigt sich, daß reines Chlor relativ unwirksam ist. Fügt man zum Chlor noch BCl3 hinzu, so ist die Ätzgeschwindigkeit bei SiC zu gering. Auch Mischungen von Chlor mit Sauerstoff sind ungeeignet, da das Reaktionsgefäß von den Rückständen nur sehr schwer zu reinigen ist. Außerdem ist dem Fachmann klar, daß ein Ätzmittel zur Erzeugung von Ätzgruben nicht unbedingt geeignet ist, um Materialschichten mit ausreichender Geschwindigkeit abzuätzen.A number of processes have been developed for etching pure silicon, but their transfer to SiC is not readily possible. If one starts with dry etching with chlorine, it shows that pure chlorine is relatively ineffective. If BCl 3 is added to the chlorine, the etching rate for SiC is too slow. Mixtures of chlorine and oxygen are also unsuitable because the reaction vessel is very difficult to clean from the residues. It is also clear to the person skilled in the art that an etchant for producing etching pits is not absolutely suitable for etching material layers at a sufficient speed.
Die Erfindung eignet sich für die Maskentechnik in Verbindung mit SiC und damit zur Herstellung von integrierten Bauelementen auf der Basis dieses Halbleitermaterials. Die bisher verwendete Methode benutzte Fluor als Halogen für den Trockenätzprozeß und hatte insbesondere den Nachteil, daß man Metallmasken für diese Technik verwenden mußte. The invention is suitable for mask technology in connection with SiC and thus for the production of integrated components on the basis of this semiconductor material. The previously used method used fluorine as halogen for the dry etching process and in particular had the disadvantage that one had to use metal masks for this technique.
Insbesondere sind Masken aus Aluminium in der Handhabung ungünstig, da Aluminium sehr leicht zu Aluminiumoxid umgesetzt wird, welches nur schwer zu beseitigen ist. Der Sauerstoff stammt von den üblichen Sputterverfahren, welche zum Oxidieren des Kohlenstoffs einen bestimmten Sauerstoffanteil im Ätzgas benötigen.In particular, masks made of aluminum are unfavorable to handle because Aluminum is converted very easily to aluminum oxide, which is only is difficult to eradicate. The oxygen comes from the usual Sputtering process, which uses a certain amount to oxidize the carbon Need oxygen content in the etching gas.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu gestalten, daß in einer herkömmlichen Maske aus SiO2 ausgesparte Oberflächenbereiche von SiC gleichmäßig in die Tiefe des Substrats fortschreitend abgetragen werden. Dabei sollten Temperaturdruck und ähnliche Parameter so eingestellt werden, daß eine möglichst große Ätzgeschwindigkeit und einer relativ steilen Wand nahe bei 90° liegender Böschungswinkel des so entstehenden Grabens erzielt werden.The invention is based on the object of designing a method according to the preamble of claim 1 in such a way that in a conventional mask made of SiO 2, surface areas of SiC which have been recessed are progressively removed in the depth of the substrate. Temperature pressure and similar parameters should be set so that the greatest possible etching speed and a relatively steep wall near the 90 ° slope angle of the trench thus formed are achieved.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.This problem is solved with the in the characterizing part of the claim 1 specified characteristics.
Der Gegenstand des Anspruchs 1 weist die Vorteile auf, daß man die vom Silizium bekannte Maskentechnik mit SiO2 benutzen kann, welche sich dort bereits hervorragend bewährt hat.The subject matter of claim 1 has the advantages that the mask technology known from silicon with SiO 2 can be used, which has already proven itself there excellently.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands des Anspruchs 1 sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the subject matter of claim 1 are in the Subclaims specified.
Die Vorteile der Ausgestaltungen der Erfindung nach den Unteransprüchen sind darin zu sehen, daß mit dem Chlorverfahren bei entsprechender Wahl der Zusatzgase (CCl4 und Ar bzw. N2) technisch verwendbare Ätzgeschwindigkeiten zu verwirklichen sind.The advantages of the embodiments of the invention according to the subclaims can be seen in the fact that technically usable etching speeds can be achieved with the chlorine process with a corresponding choice of the additional gases (CCl 4 and Ar or N 2 ).
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnung erläutert.The invention will now be described using an exemplary embodiment Using the drawing explained.
Es zeigtIt shows
Fig. 1 einen SiC-Kristall, welcher thermisch oxidiert ist; Fig. 1 is a SiC crystal, which is thermally oxidized;
Fig. 2 die Abscheidung von CVD-Oxid; FIG. 2 shows the deposition of CVD oxide;
Fig. 3 das Strukturieren des Oxids; Fig. 3, the patterning of the oxide;
Fig. 4 das Ätzen in den strukturierten Lücken und Fig. 4 the etching in the structured gaps and
Fig. 5 das naßchemische Entfernen des Oxids. Fig. 5 shows the wet chemical removal of the oxide.
Bei dem folgenden Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Herstellen von Gräben zur lateralen Randisolation von in SiC-Bauelementen beschrieben. Als erstes wird das SiC-Substrat gereinigt und thermisch oxidiert. Die Schicht des thermischen Oxids ist etwa 0,3 µm dick. Als nächstes wird auf dieser Schicht chemisch abgeschiedenes Oxid erzeugt (CVD-Verfahren). Diese beiden Schritte sind in Fig. 1 und 2 dargestellt. Als nächstes wird das Oxid mittels Ätzen durch reaktive Ionen (RIE) in der für die Schaltung benötigten Form strukturiert (Fig. 3). Das Ätzen des SiC mittels eines in die Tiefe des Substrats gehenden Ätzprozesses geschieht nach dem erfindungsgemäßen Cl-Prozeß. Durch dieses Ätzen mittels reaktiver Ionen werden die tiefen Gräben erzeugt, welche in Fig. 4 dargestellt sind. Den letzten Verfahrensschritt, das naßchemische Entfernen des Oxids zeigt Fig. 5.In the following exemplary embodiment of the invention, the production of trenches for the lateral edge insulation of SiC components is described. First, the SiC substrate is cleaned and thermally oxidized. The thermal oxide layer is about 0.3 µm thick. Next, chemically deposited oxide is produced on this layer (CVD process). These two steps are shown in Figs. 1 and 2. Next, the oxide is structured in the form required for the circuit by means of etching by reactive ions (RIE) ( FIG. 3). The etching of the SiC by means of an etching process going deep into the substrate takes place according to the Cl process according to the invention. The deep trenches, which are shown in FIG. 4, are produced by this etching by means of reactive ions. The last process step, the wet-chemical removal of the oxide FIG. 5 shows.
Die folgenden Beispiele beziehen sich auf den Prozeßschritt, welcher in Fig. 4 dargestellt ist und behandeln verschiedene Rezepturen für den RIE- Prozeß.The following examples relate to the process step which is shown in FIG. 4 and deal with various recipes for the RIE process.
Als Substrat wird SiC gewählt. Als thermisches Oxid wird pyrogenes Oxid verwendet, welches vier Stunden bei 1250°C aufgebracht wurde. Die Stärke des Oxids beträgt 0,3 µm. Das CVD-Oxid wird bei 0,5 mbar und 6 W Hochfrequenzleistung hergestellt. Die Gase setzen sich zusammen aus 70 Standard- cm³ N2O, 7 sccm SiH4. Die Dicke der Oxidschicht wird auf etwa 1 µm festgelegt. Das Hochfrequenzplasma heizt das Substrat auf etwa 300°C bei dieser Prozedur auf. Der nächste Schritt der Strukturierung des Oxids wird mit einem Gemisch aus CF4, mit 14 Standard-cm³, CH3SF mit 50 Standard-cm³ bei 200 W, einem Druck von 0,16 mbar und Raumtemperatur vorgenommen. Der daran anschließende und maßgebliche Cl-Prozeß besteht in einem RIE-Prozeß bei 0,25 mbar und 300 W Leistung, wobei das Gasgemisch aus 40 Standard-cm³ Cl2, 10 Standard-cm³ N2 und SiCl4 mit einem Anteil von 20 Standard-cm³ durchgeführt wird. Die Ätzgeschwindigkeit beträgt dabei 127-135 nm/min. Die Selektivität in bezug auf die Abtragung des Oxids beträgt 2,2.SiC is chosen as the substrate. Fumed oxide, which was applied at 1250 ° C. for four hours, is used as the thermal oxide. The thickness of the oxide is 0.3 µm. The CVD oxide is produced at 0.5 mbar and 6 W high frequency power. The gases are composed of 70 standard cm³ N 2 O, 7 sccm SiH 4 . The thickness of the oxide layer is set at about 1 µm. The high-frequency plasma heats the substrate to about 300 ° C in this procedure. The next step in structuring the oxide is carried out using a mixture of CF 4 with 14 standard cm 3, CH 3 SF with 50 standard cm 3 at 200 W, a pressure of 0.16 mbar and room temperature. The subsequent and decisive Cl process consists of a RIE process at 0.25 mbar and 300 W output, the gas mixture consisting of 40 standard cm³ Cl 2 , 10 standard cm³ N 2 and SiCl 4 with a proportion of 20 standard -cm³ is carried out. The etching rate is 127-135 nm / min. The selectivity with respect to the removal of the oxide is 2.2.
Es wird für den Cl-Prozeß alternativ ein weiterer Verfahrensschritt vorgeschlagen. Das Hochfrequenzplasma, welches bei einer Frequenz von 13,56 mHz erzeugt wird, steht unter einem Druck von 0,25 mbar und arbeitet bei einer Leistung von 300 W. Another process step is alternatively used for the Cl process suggested. The high-frequency plasma, which at a frequency of 13.56 mHz is generated, is under a pressure of 0.25 mbar and works at a power of 300 W.
Das Substrat, d. h. die Kathode, wird gekühlt, so daß die Temperatur nicht höher als 50°C ansteigen kann. Das Ätzgas setzt sich so zusammen aus 40 Standard-cm³ Cl2, 10 Standard-cm³ N2 und 20 Standard-cm³ SiCl4. Die Ätzgeschwindigkeit beträgt 127-135 nm/min. Die Selektivität bezüglich der SiO2-Maske beträgt 2,2.The substrate, ie the cathode, is cooled so that the temperature cannot rise above 50 ° C. The etching gas is composed of 40 standard cm³ Cl 2 , 10 standard cm³ N 2 and 20 standard cm³ SiCl 4 . The etching rate is 127-135 nm / min. The selectivity with regard to the SiO 2 mask is 2.2.
Der erfindungsgemäße Ätzvorgang kann erfolgreich mit einer Kombination durchgeführt werden, bei welcher noch etwas Sauerstoff zugeführt wird. Die Gaszusammensetzung ist wie folgt: 40 Standard-cm³ Cl2, 20 Standard-cm³ SiCl4, 10 Standard-cm³ N2 und 2 Standard-cm³ O2. Die Ätzgeschwindigkeit beträgt bei den übrigen gleichen Parametern für das Hochfrequenzplasma etwa 129 nm/min.The etching process according to the invention can be successfully carried out with a combination in which some oxygen is added. The gas composition is as follows: 40 standard cm³ Cl 2 , 20 standard cm³ SiCl 4 , 10 standard cm³ N 2 and 2 standard cm³ O 2 . The etching rate for the other same parameters for the high-frequency plasma is approximately 129 nm / min.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht ein Ätzgas mit 40 Standard-cm³ Cl2, 20 Standard-cm³ SiCl4, 10 Standard-cm³ Ar und 2 Standard-cm³ O2 vor. Druck, Temperatur und Leistung sind wie in den vorigen Beispielen gewählt. Die Ätzgeschwindigkeit beträgt dabei etwa 154 nm/min und die Selektivität beträgt etwa 3,4.Another advantageous embodiment of the invention provides an etching gas with 40 standard cm³ Cl 2 , 20 standard cm³ SiCl 4 , 10 standard cm³ Ar and 2 standard cm³ O 2 . Pressure, temperature and power are chosen as in the previous examples. The etching rate is about 154 nm / min and the selectivity is about 3.4.
In diesem Beispiel ist ein höherer Anteil an Sauerstoff benutzt worden mit 40 Standard-cm³ Cl2, 20 Standard-cm³ SiCl4, 10 Standard-cm³ N2 und 20 Standard-cm³ O2.In this example, a higher proportion of oxygen was used with 40 standard cm³ Cl 2 , 20 standard cm³ SiCl 4 , 10 standard cm³ N 2 and 20 standard cm³ O 2 .
Die Beispiele gelten für 6-H SiC und β-SiC.The examples apply to 6-H SiC and β-SiC.
Die mit diesen Verfahren hergestellten Bauelemente finden Verwendung bei allen Anwendungen, bei denen ein Substratmaterial mit grober Bandbreite benötigt wird. Solche Anwendungen sind in der Weltraumtechnik, der Automobilindustrie und in allen Anwendungen zu sehen, bei denen Sensoren oder elektronische Bauteile hohen Temperaturen ausgesetzt sind.The components manufactured using these methods are used in all applications where a substrate material with a wide range is needed. Such applications are in space technology, the Automotive industry and seen in all applications where sensors or electronic components exposed to high temperatures are.
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