4H-SiC ICP深刻蝕工藝研究*

喻蘭芳，梁 庭，熊繼軍，崔海波，劉雨濤，張 瑞

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國防科技重點實驗室,山西 太原 030051)

4H-SiC ICP深刻蝕工藝研究*

喻蘭芳1,2，梁 庭1,2，熊繼軍1,2，崔海波1,2，劉雨濤1,2，張 瑞1,2

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國防科技重點實驗室,山西 太原 030051)

SiC是一種新型的半導(dǎo)體材料，由于化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，目前還未發(fā)現(xiàn)有哪種酸或堿能在室溫下對其起腐蝕作用，因此，在SiC的加工工藝中常采用干法刻蝕。采用GSE 200plus刻蝕機對SiC進(jìn)行刻蝕，研究了刻蝕氣體、源功率RF1、射頻功率RF2及腔室壓強對刻蝕結(jié)果的影響，并對產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)分析。提出了一種SiC ICP深刻蝕方法，對SiC深刻蝕技術(shù)具有重要的指導(dǎo)意義。

SiC；ICP深刻蝕；刻蝕氣體；源功率RF1；射頻功率RF2；腔室壓強

0 引 言

隨著科技的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的硅基傳感器已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的需要，一大批新型材料涌現(xiàn)出來。SiC 材料以其特有的大禁帶寬度、高臨界擊穿場強、高電子遷移率、高熱導(dǎo)率等特性，成為制作高溫、高頻、大功率、抗輻照、短波長發(fā)光及光電集成器件的理想材料[1]。刻蝕技術(shù)是SiC器件研制中的一項關(guān)鍵支撐技術(shù),在SiC器件制備過程中,刻蝕工藝的刻蝕精度、刻蝕損傷以及刻蝕表面殘留物均對SiC器件的研制和性能有致命的影響。然而由于SiC的化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，目前，對SiC進(jìn)行體加工的方式主要包括熔鹽沖刷、電化學(xué)腐蝕、激光刻蝕、超生加工或等離子刻蝕，為達(dá)到快速低損傷的刻蝕，通常采用等離子刻蝕[2]。

1 實驗原理與方法

ICP刻蝕技術(shù)作為半導(dǎo)體加工工藝中的一種重要加工方法，具有低損傷、高刻蝕速率、高各向異性、選擇比相對較高等其他等離子體刻蝕方法所不具有的獨特優(yōu)勢[3]。如圖1，ICP系統(tǒng)有2個獨立的13.56 MHz的射頻電源RF1和RF2,上電極功率(RF1)通過給反應(yīng)腔外線圈加壓產(chǎn)生交變的電磁場,當(dāng)電場達(dá)一定程度時,氣體啟輝變成等離子態(tài)，同時通過調(diào)節(jié)功率大小達(dá)到控制等離子密度的目的。下電極功率(RF2)加到腔外電極上產(chǎn)生偏置電壓來控制轟擊能量，使等離子體垂直作用于基片,反應(yīng)生成可揮發(fā)的氣態(tài)物質(zhì),達(dá)到刻蝕的目的[4]。

SiC的干法刻蝕有光刻膠、Al,Ni等多種掩模方法，其中用光刻膠做掩模時刻蝕形成的臺階不垂直，而Al掩?？涛g后易產(chǎn)生微掩模，利用Ni做掩?？涛g得到臺階垂直且表面狀況良好[5]，采用Ni作為掩模。濺射和蒸鍍能達(dá)到的Ni的厚度都不能滿足SiC深刻蝕所需的掩模厚度，本文選擇電鍍來生長厚Ni，實驗步驟(圖2)如下：1)清洗SiC晶片，先甩上一層LOR膠，烘干后再甩一層AZ5214膠，光刻掩模圖形；2)濺射Ti粘附層、Au種子層；3)丙酮剝離；4)甩AZ4620厚膠，光刻掩模圖形；5)電鍍Ni；6)去膠；7)ICP刻蝕。

圖1 ICP刻蝕原理圖Fig 1 Principle of ICP etching

圖2 工藝流程圖Fig 2 Process flow diagram

2 結(jié)果與分析

影響刻蝕結(jié)果的因素主要包括刻蝕氣體、源功率RF1、射頻功率RF2和腔室壓強，下面將從這四個方面進(jìn)行分析。

2.1 刻蝕氣體對刻蝕結(jié)果的影響

為了利用等離子體刻蝕SiC，使用的化學(xué)物質(zhì)必須能夠和SiC反應(yīng)，并且反應(yīng)產(chǎn)物在反應(yīng)的溫度和壓力條件下必須具有揮發(fā)性，這樣才能避免表面上有殘留物質(zhì)。目前刻蝕SiC最有效的化學(xué)物質(zhì)是氟類物質(zhì)[6]，反應(yīng)機理如下

Si+xF→SiFx，x≤1～4,

C+xF→CFx，x≤1～2.

設(shè)定腔室壓強為7 mTorr，源功率為1 000 W，射頻功率為300 W，SF6流量為100 mL/min，刻蝕30 min，刻蝕形貌如圖3(a)；維持腔室壓強不變，加入流量為20 mL/min的鈍化氣體C4F8，其他條件保持不變時，刻蝕形貌如圖3(b)；維持腔室壓強不變，加入流量為20 mL/min的鈍化氣體O2，其他條件保持不變時，刻蝕形貌如圖3(c)。

圖3 刻蝕氣體對刻蝕結(jié)果的影響Fig 3 Effect of etching gases on etching results

由刻蝕結(jié)果可知，只有SF6氣體時，刻蝕垂直度較好；加入C4F8后，由于C4F8是鈍化氣體，nC4F8→(CF2)n，可以形成聚合物保護(hù)側(cè)壁[7]，刻蝕垂直度降低；加入O2時，刻蝕速率增大，這是由于SiC中具有比較特殊的C元素，C和O能反應(yīng)，所以,反應(yīng)速率加快了[8]。

2.2 源功率RF1對刻蝕結(jié)果的影響

設(shè)定腔室壓強為7 mTorr，射頻電極功率為300 W，SF6流量為100 mL/min，刻蝕30 min，改變源功率大小，刻蝕形貌如圖4。

圖4 源功率RF1對刻蝕結(jié)果的影響Fig 4 Effect of source power RF1 on etching results

源功率增大時，等離子體密度變大，刻蝕速率變大，但是高功率密度下，反應(yīng)離子的高濃度會加大對側(cè)壁的侵蝕，使異向刻蝕降低；反之，源功率降低時，刻蝕速率變小，刻蝕各向異性提高[9]。

2.3 射頻功率RF2對刻蝕結(jié)果的影響

設(shè)定腔室壓強為7 mTorr，源電極功率為1 000 W，SF6流量為100 mL/min，刻蝕30 min，改變射頻功率大小，刻蝕形貌如圖5。

圖5 射頻功率RF2對刻蝕結(jié)果的影響Fig 5 Effect of RF power RF2 on etching results

射頻功率增大時，等離子體能量變大，刻蝕速率變大，離子能量的增加，會造成對側(cè)壁的侵蝕[10]；有的離子在底部反射，使得刻蝕槽底部變寬[11];反之，射頻功率降低時，刻蝕速率變小，刻蝕各向異性降低。

2.4 腔室壓強對刻蝕結(jié)果的影響

把腔室壓強對刻蝕結(jié)果的影響轉(zhuǎn)換到源功率RF1上來，在保持其他條件不變，增大壓強時，等離子體的密度變大，相當(dāng)于增大了源功率，從而達(dá)到了與變化源功率相同的結(jié)果：腔室壓力增大時，刻蝕速率變大，異向刻蝕降低；反之，源功率降低時，刻蝕速率變小，刻蝕各向異性提高[12]。

3 結(jié)束語

ICP刻蝕技術(shù)作為半導(dǎo)體加工工藝中的一種重要加工方法，具有其他刻蝕方法所不具有的獨特優(yōu)勢，但是由于刻蝕過程中對刻蝕結(jié)果影響的因素較多，刻蝕過程中需要綜合考慮各種因素，對工藝進(jìn)行優(yōu)化。對于SiC刻蝕可選擇金屬Ni作為掩模，利用SF6和O2作為刻蝕氣體，選擇合適的源功率和射頻功率，在適當(dāng)?shù)那皇覊毫ο驴涛g出最好的效果。

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Research on ICP deep etching process of 4H-SiC*

YU Lan-fang1,2, LIANG Ting1,2, XIONG Ji-jun1,2, CUI Hai-bo1,2, LIU Yu-tao1,2, ZHANG Rui1,2

(1.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China)

SiC is a new type semiconductor material,because of its stable chemical properties,any acid or alkali which can corrode it at room temperature have not be found,so dry etching is often used in SiC machining.GSE 200 plus etching machine is used to etch SiC,influence of etching gas,source power RF1,radiofrequency power RF2 and chamber pressure on etching result are studied,relative analysis of generated results is carried out.A SiC ICP deep etching method is proposed,which has an important guiding significance on SiC deep etching technique.

SiC; ICP deep etching; etching gas; source power RF1; radio frequency power RF2; chamber pre-ssure

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0008—03

2014—07—29

國家自然科學(xué)基金資助項目(51075375)；國家重點基礎(chǔ)研究計劃(“973”)資助項目(2010CB334703)

TN 212

A

1000—9787(2014)10—0008—03

喻蘭芳(1990-)，女，安徽安慶人，碩士研究生，主要研究方向為SiC高溫壓力傳感器。