專利名稱：減少ICP刻蝕SiC表面損傷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳化硅表面刻蝕，尤其是涉及一種采用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳化硅(SiC)材料刻蝕過(guò)程中一種減少ICP刻蝕SiC表面損傷的新方法。
背景技術(shù)：
SiC材料是繼第一代元素半導(dǎo)體材料硅(Si)和第二代化合物半導(dǎo)體材料(GaAs、GaP、InP等)之后發(fā)展起來(lái)的第三代寬禁隙半導(dǎo)體材料。由于其具有高臨界擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo)率、高載流子飽和漂移速度等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是制作高溫、高頻、大功率和抗輻射器件的極具潛力的寬禁帶半導(dǎo)體材料。
在SiC器件制備過(guò)程中，快速精確且低損傷的SiC刻蝕技術(shù)是必不可少的。由于SiC材料的化學(xué)穩(wěn)定性好，SiC材料僅能在高溫情形下溶于磷酸或堿性溶液中，且腐蝕的速率極其緩慢。因此，SiC材料的刻蝕一般都采用干法刻蝕而不采用濕法刻蝕。其中，感應(yīng)耦合等離子(ICP)刻蝕系統(tǒng)具有可以同時(shí)提供較高的等離子體密度及獨(dú)立的襯底偏壓源控制的特點(diǎn)，且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、適合大面積基片刻蝕，所以在SiC器件制備中得到了廣泛應(yīng)用。目前已有大量的關(guān)于ICP刻蝕SiC材料的研究，他們大多采用F基氣體對(duì)SiC材料進(jìn)行刻蝕。然而，由于C原子與F活性基結(jié)合形成非揮發(fā)性的聚合物，C原子的去除速率相對(duì)Si原子的去除速率低，因此在刻蝕后的SiC表面形成一層富C層，造成較大的表面粗糙度及刻蝕損傷，對(duì)后序制備器件的性能產(chǎn)生影響。此前，Liudi Jiang等(Liudi Jiang.et.al.，Inductivelycoupled plasma etching of SiC in SF6/O2and etch-induced surface chemical bondingmodifications，Journal of Applied Physics，2003，931376-1383)采用SF6/O2混合反應(yīng)氣體對(duì)SiC材料進(jìn)行ICP刻蝕，研究發(fā)現(xiàn)，O2的添入加快了C原子的去除速率，隨著O2成分的增大，刻蝕表面的C殘留物減少，因此在較大的O2百分比下可以獲得較光滑的刻蝕表面。然而，高的O2百分比使F基反應(yīng)氣體的有效濃度降低，限制了高刻蝕速率的實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有的對(duì)SiC材料進(jìn)行ICP刻蝕所存在的缺點(diǎn)，提供一種新的減少ICP刻蝕SiC表面損傷的方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是在采用CF4/O2混合反應(yīng)氣體的ICP刻蝕系統(tǒng)中，先進(jìn)行一次常規(guī)高刻蝕速率下SiC材料刻蝕，再增大O2流量，對(duì)SiC材料進(jìn)行第二次低刻蝕速率刻蝕處理，即二次刻蝕方法，降低刻蝕表面的粗糙度，以實(shí)現(xiàn)減少ICP刻蝕表面損傷的目的。
本發(fā)明的具體工藝步驟如下1)在清洗過(guò)的SiC表面上涂敷一層光刻膠，光刻膠厚度為刻蝕深度的1～2倍，經(jīng)曝光、顯影、腐蝕工藝后形成一層光刻掩膜層；2)在保留有光刻膠圖形的SiC樣品表面上濺射沉積一層不連續(xù)的金屬膜層，作為刻蝕過(guò)程中掩膜材料；3)去除光刻膠掩膜層及其上的金屬層，保留與SiC表面緊密接觸的金屬圖形；4)將保留金屬圖形的SiC材料置于感應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕系統(tǒng)中進(jìn)行第一次常規(guī)工藝的ICP刻蝕，實(shí)現(xiàn)SiC材料的圖形化；5)第一次ICP刻蝕工藝結(jié)束后，取出SiC材料，采用氮?dú)獯迪?，再次將SiC材料置于ICP刻蝕系統(tǒng)中，增大通入反應(yīng)腔的O2流量，進(jìn)行第二次ICP刻蝕。
在步驟2)中，所述的金屬膜層為鉻(Cr)膜層或鎳(Ni)膜層，作為刻蝕過(guò)程中掩膜材料，金屬膜厚度為所需刻蝕SiC深度的1/2～1/3。
在步驟5)中，所述的氮?dú)獯迪吹臅r(shí)間為3～5min，增大通入反應(yīng)腔的O2流量的增加量大于原來(lái)O2流量的50％。
由于本發(fā)明第一次ICP刻蝕的工藝條件不受限制，可以采用高刻蝕速率下的ICP刻蝕條件，實(shí)現(xiàn)較短的時(shí)間內(nèi)獲得足夠的刻蝕深度，因此可以保證整個(gè)工藝過(guò)程SiC材料的刻蝕速率維持在一個(gè)較高的水平上。然后加大O2的流量進(jìn)行第二次ICP刻蝕，加快表面殘余C原子的去除，從而降低了材料表面的損傷及粗糙度。高的O2流量對(duì)應(yīng)于相對(duì)較低的刻蝕速率。第二次高O2流量低刻蝕速率ICP刻蝕相當(dāng)于對(duì)一次刻蝕后的SiC材料表面進(jìn)行了等離子體拋光處理，從而實(shí)現(xiàn)了降低ICP刻蝕SiC表面損傷的目的。由此可見(jiàn)，本發(fā)明提供的方法不僅獲得了較高的刻蝕速率，而且減少了刻蝕表面損傷，表面粗糙度降低。


圖1～5為本發(fā)明二次刻蝕方法的工藝流程圖。在圖1～5中，1是SiC材料，2是光刻膠，3為金屬鉻。h1為第1次高速率刻蝕，h2為第2次高速率刻蝕。
圖6為采用二次刻蝕方法獲得的SiC的原子力顯微(AFM)表面形貌圖。
圖7為采用常規(guī)一次高刻蝕速率下刻蝕后的SiC的AFM表面形貌圖。
圖8為采用常規(guī)一次低刻蝕速率下刻蝕后的SiC的AFM表面形貌圖。
具體實(shí)施例方式
以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
實(shí)施例1選用北京創(chuàng)威納科技有限公司生產(chǎn)的ICP22B型刻蝕機(jī)，刻蝕采用的樣品為4H-SiC。其具體工藝過(guò)程為參見(jiàn)圖1～5，先在清洗過(guò)的4H-SiC材料1表面上涂敷一層1μm的光刻膠2，經(jīng)曝光、顯影、腐蝕工藝后形成一層光刻掩摸層；在保留有光刻膠圖形的4H-SiC樣品表面上濺射沉積一層厚為3000的鉻膜3，作為刻蝕過(guò)程中的掩膜材料；利用丙酮溶液剝離去除光刻膠掩膜層及其上的金屬層，保留與4H-SiC表面緊密接觸的金屬圖形；接著將樣品置于ICP刻蝕系統(tǒng)中進(jìn)行第一次常規(guī)工藝ICP刻蝕h1，刻蝕工藝條件為源功率(RF1)∶P1＝300W，偏壓源功率(RF2)∶P2＝100W，CF4/O2流量15/5sccm，真空度5.0×10-3pa，此條件下刻蝕速率為36.3nm/min；然后取出樣品，用氮?dú)獯迪?min；再一次將樣品置于原ICP系統(tǒng)中進(jìn)行第二次低刻蝕速率刻蝕h2，工藝條件為源功率(RF1)∶P1＝300W，偏壓源功率(RF2)∶P2＝100W，CF4/O2流量15/8sccm，真空度4.6×10-3pa，此條件下刻蝕速率為31.8nm/min。兩次刻蝕后的樣品表面形貌圖如圖6所示，表面粗糙度為3.05nm。與之相比較的常規(guī)一次高刻蝕速率刻蝕(工藝條件與二次刻蝕方法中第一次刻蝕的工藝條件相同)后的SiC樣品表面形貌圖如圖7所示，刻蝕后的樣品表面粗糙度為10.86nm。由此發(fā)現(xiàn)，二次刻蝕方法下獲得的SiC表面粗糙度明顯降低，從而表面損傷減少。另外，二次刻蝕方法獲得的材料表面粗糙度與常規(guī)一次低刻蝕速率(工藝條件與二次刻蝕方法中的第二次低刻蝕速率工藝條件相同)刻蝕后的材料表面粗糙度(如圖8所示，表面粗糙度為5.13nm)相當(dāng)，甚至更低。
實(shí)施例2與實(shí)施例1類似，其區(qū)別在于在清洗過(guò)的SiC表面上涂敷一層光刻膠，光刻膠厚度與刻蝕深度相同，經(jīng)曝光、顯影、腐蝕工藝后形成一層光刻掩膜層。在保留有光刻膠圖形的SiC樣品表面上濺射沉積一層不連續(xù)的鎳膜層，作為刻蝕過(guò)程中掩膜材料，鎳膜厚度為所需刻蝕SiC深度的1/2。去除光刻膠掩膜層及其上的鎳膜層，保留與SiC表面緊密接觸的金屬圖形。將保留金屬圖形的SiC材料置于感應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕系統(tǒng)中進(jìn)行第一次常規(guī)工藝的ICP刻蝕，實(shí)現(xiàn)SiC材料的圖形化。第一次ICP刻蝕工藝結(jié)束后，取出SiC材料，采用氮?dú)獯迪?min，再次將SiC材料置于ICP刻蝕系統(tǒng)中，增大通入反應(yīng)腔的O2流量為原來(lái)O2流量的50％。進(jìn)行第二次ICP刻蝕。
實(shí)施例3與實(shí)施例2類似，其區(qū)別在于在清洗過(guò)的SiC表面上涂敷一層光刻膠，光刻膠厚度為刻蝕深度的2倍，經(jīng)曝光、顯影、腐蝕工藝后形成一層光刻掩膜層。在保留有光刻膠圖形的SiC樣品表面上濺射沉積一層不連續(xù)的鎳膜層，作為刻蝕過(guò)程中掩膜材料，鎳膜厚度為所需刻蝕SiC深度的1/3。去除光刻膠掩膜層及其上的鎳膜層，保留與SiC表面緊密接觸的金屬圖形。將保留金屬圖形的SiC材料置于感應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕系統(tǒng)中進(jìn)行第一次常規(guī)工藝的ICP刻蝕，實(shí)現(xiàn)SiC材料的圖形化。第一次ICP刻蝕工藝結(jié)束后，取出SiC材料，采用氮?dú)獯迪?min，再次將SiC材料置于ICP刻蝕系統(tǒng)中，增大通入反應(yīng)腔的O2流量為原來(lái)O2流量的50％。進(jìn)行第二次ICP刻蝕。
實(shí)施例4與實(shí)施例2類似，其區(qū)別在于在清洗過(guò)的SiC表面上涂敷一層光刻膠，光刻膠厚度為刻蝕深度的1.5倍，經(jīng)曝光、顯影、腐蝕工藝后形成一層光刻掩膜層。在保留有光刻膠圖形的SiC樣品表面上濺射沉積一層不連續(xù)的鉻膜層，作為刻蝕過(guò)程中掩膜材料，鉻膜厚度為所需刻蝕SiC深度的0.4。去除光刻膠掩膜層及其上的鉻膜層，保留與SiC表面緊密接觸的金屬圖形。將保留金屬圖形的SiC材料置于感應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕系統(tǒng)中進(jìn)行第一次常規(guī)工藝的ICP刻蝕，實(shí)現(xiàn)SiC材料的圖形化。第一次ICP刻蝕工藝結(jié)束后，取出SiC材料，采用氮?dú)獯迪?min，再次將SiC材料置于ICP刻蝕系統(tǒng)中，增大通入反應(yīng)腔的O2流量為原來(lái)O2流量的50％。進(jìn)行第二次ICP刻蝕。
權(quán)利要求
1.減少ICP刻蝕SiC表面損傷的方法，其特征在于其步驟如下1)在清洗過(guò)的SiC表面上涂敷一層光刻膠，光刻膠厚度為刻蝕深度的1～2倍，經(jīng)曝光、顯影、腐蝕工藝后形成一層光刻掩膜層；2)在保留有光刻膠圖形的SiC樣品表面上濺射沉積一層不連續(xù)的金屬膜層，作為刻蝕過(guò)程中掩膜材料；3)去除光刻膠掩膜層及其上的金屬層，保留與SiC表面緊密接觸的金屬圖形；4)將保留金屬圖形的SiC材料置于感應(yīng)耦合等離子體刻蝕系統(tǒng)中進(jìn)行第一次常規(guī)工藝的ICP刻蝕，實(shí)現(xiàn)SiC材料的圖形化；5)第一次ICP刻蝕工藝結(jié)束后，取出SiC材料，采用氮?dú)獯迪?，再次將SiC材料置于ICP刻蝕系統(tǒng)中，增大通入反應(yīng)腔的O2流量，進(jìn)行第二次ICP刻蝕。
2.如權(quán)利要求1所述的減少ICP刻蝕SiC表面損傷的方法，其特征在于在步驟2)中，所述的金屬膜層為鉻膜層或鎳膜層。
3.如權(quán)利要求1或2所述的減少ICP刻蝕SiC表面損傷的方法，其特征在于在步驟2)中，金屬膜厚度為所需刻蝕SiC深度的1/2～1/3。
4.如權(quán)利要求1所述的減少ICP刻蝕SiC表面損傷的方法，其特征在于在步驟5)中，所述的氮?dú)獯迪吹臅r(shí)間為3～5min。
5.如權(quán)利要求1所述的減少ICP刻蝕SiC表面損傷的方法，其特征在于在步驟5)中，增大通入反應(yīng)腔的O2流量的增加量大于原來(lái)O2流量的50％。
全文摘要
減少ICP刻蝕SiC表面損傷的方法，涉及一種碳化硅表面刻蝕，尤其是涉及一種采用感應(yīng)耦合等離子體技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳化硅材料刻蝕過(guò)程中一種減少ICP刻蝕SiC表面損傷的新方法。提供一種新的減少ICP刻蝕SiC表面損傷的方法。其步驟為在SiC表面上涂敷光刻膠，經(jīng)曝光、顯影、腐蝕形成光刻掩膜層；在保留有光刻膠圖形的SiC樣品表面濺射沉積金屬膜層，去除光刻膠掩膜層及其上的金屬層，保留與SiC表面緊密接觸的金屬圖形；將保留金屬圖形的SiC材料置于感應(yīng)耦合等離子體刻蝕系統(tǒng)中進(jìn)行第一次ICP刻蝕，實(shí)現(xiàn)SiC材料的圖形化；再取出SiC材料，氮?dú)獯迪?，將SiC材料置于ICP刻蝕系統(tǒng)中，進(jìn)行第二次ICP刻蝕。
文檔編號(hào)H01L21/02GK1949463SQ20061013522
公開日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2006年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月9日
發(fā)明者吳正云, 呂英 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)