碳化硅SiC器件制造工藝中的干法刻蝕技術

1、1998年10月第25卷第5期西安電子科技大學學報JOURNAL OF XIDIAN UNIVERSIT Y Oct. 1998V ol. 25N o. 5碳化硅(SiC 器件制造工藝中的干法刻蝕技術柴常春楊銀堂朱作云李躍進(西安電子科技大學微電子研究所西安710071 摘要簡述了在SiC 材料半導體器件制造工藝中, 對SiC 材料采用干法刻蝕工藝的必要性. 總結了近年來SiC 干法刻蝕技術的工藝發(fā)展狀況.關鍵詞碳化硅(SiC 干法刻蝕制造工藝中圖分類號T N304. 24; T N405. 98; T N405Dry etching technique for silicon carbide

2、 (S iC insilicon carbide device fabricationChai Changchun Yang Yintang Zhu Zuoy un L i Yuej in(Research Inst. of M icroelectronics, Xidian Univ. , Xi an, 710071Abstract 3C-SiC is a promising semiconductor for high temperature because of its high me-chanical hardness, chemical stability , and thermal

3、 stability. In SiC device fabrication pro-cess, dry etching technique for SiC replaces the conventional w et etching process to m eet theneeds of the pattern s etching quality . In this paper , the developments of dry etching tech-nique for SiC in recent years are introduced.Key Words silicon carbid

4、e (SiC dry etching fabrication process半導體器件已廣泛應用于各種場合, 近年來其應用領域已拓展至許多高溫環(huán)境中. 然而目前尚沒有關于硅(Si 器件在200以上應用的報導1, 而這些高溫器件要求它們工作在硅器件所不能正常工作的溫度以上, 例如300乃至更高.碳化硅器件是一種極具潛力應用于高溫環(huán)境下的半導體器件. 這是因為3C -SiC 在高溫下具有良好的物理化學性質, 如2. 2eV 的寬能隙、適中的電子遷移率等. 然而SiC 器件與Si 器件一樣, 其刻蝕工藝是SiC 器件在微細加工中形成圖形所必不可少的一項重要工藝技術環(huán)節(jié). 采用以往在Si 器件中積累了

5、豐富經驗的且一直沿用至今的用酸堿溶液等進行的濕法刻蝕已經完全不能應用于SiC 器件的制造工藝之中, 這是因為SiC 材料機械硬度高, 化學穩(wěn)定性好, 因而SiC 材料僅能在高溫情形下進行腐蝕2, 例如SiC 材料在溫度為500的熔融的堿中, 或者在1000高溫下氯氣或含氯的氣體中, 或者在高于1800的升華溫度下使用Si 蒸汽對SiC 進行拋光腐蝕3, 以及在9001000溫度下在熔融的鹽中進行濕法刻蝕4. 但是, SiC 器件圖形制備對刻蝕的質量, 即較低的腐蝕溫度, 良好的被腐蝕后的表面質量, 相對于掩膜材料具有較高的選擇性腐蝕, 以及高的刻蝕分辨率和腐蝕的各向異性等方面都有著嚴格的要求.

6、 既然SiC 材料因其不溶解性而不能采用濕法化學腐蝕, 因此, 需要尋求新的技術途徑, 即采用干法刻蝕技術從而實現(xiàn)SiC 材料滿足刻蝕質量要求的有效的刻蝕去除.1SiC 材料干法刻蝕技術的研究1985年, C. Y. Chen 等人利用射頻輝光放電系統(tǒng), 采用不同的幾種碳基有機材料源, 即CH 4, C 8H 10, C 7H 8, C 6H 6, C 2HCl 3, C 2H 3Cl 3或者是CCl 4等物質中的每一種分別與SiH 4作為反應的源物質, 制備出了多種采用不同源物質淀積而成的非摻雜、摻硼(B 或是摻磷(P 的氫化非晶碳化硅(a-SiC H 薄膜. 由于a-SiC H 薄膜是被用

7、來作為電子器件的最終鈍化膜, 而刻蝕速率可以作為鈍化膜質量的一個敏感指標來判斷其所制備的各種a-SiC H 薄膜的質量優(yōu)劣. 因此, C. Y. Chen 等人系統(tǒng)地研究了他們制備的各種薄膜的直流電阻率、擊穿強度、針孔密度、光折射系數等, 并且報導了采用CF 4+O 2氣體體系, 利用等離子體刻蝕(PE 工藝對a -SiC H 薄膜的刻蝕技術和粗略的結果. 該研究表明用CF 4和O 2作為刻蝕氣體, 在等離子體刻蝕工藝下能夠對未摻雜、摻B 或摻P 的各種a-SiC H 薄膜進行刻蝕去除5.值得注意的是作為器件鈍化膜的a-SiC H 薄膜與目前用來制造SiC 高溫器件的單晶3C-SiC 薄膜其物

8、理和化學性質有很大差別6. H . F . Winters 等報道了采用輝光放電濺射工藝制備的SiC 薄膜, 如果采用PE 工藝和反應離子刻蝕(RIE 工藝, 當采用XeF 2蒸汽作為刻蝕氣體時不能對所制備的SiC 薄膜進行刻蝕7. 據推測這種薄膜材料可能是非晶態(tài)的3C-SiC 薄膜8. 他們的研究工作中還發(fā)現(xiàn)盡管采用XeF 2氣體不能刻蝕SiC 薄膜, 然而在XeF 2氣體與電子發(fā)射和離子發(fā)射同時存在的條件下, 就可以對SiC 材料進行刻蝕去除9. 產生這一結果的原因在于離子和電子的發(fā)射能夠增強刻蝕氣體與被刻蝕表面的化學反應, 從而導致了SiC 材料的各向異性刻蝕, 并且認為在刻蝕反應中限制

9、刻蝕速率大小的因素似乎是由SiF 4分子形成的快慢所決定的. 對存在離子轟擊條件下的XeF 2與SiC 刻蝕反應的刻蝕生成物, H. F. Winters 進行了深入細致的研究10. 當使用XeF 2作為刻蝕氣體并且同時存在Ar +(氬離子 轟擊條件下可以較快地刻蝕去除SiC 材料, 其SiC 材料的主要含Si 刻蝕產物為SiF 4氣體. 與刻蝕Si, SiO 2和Si 3N 4材料所不同的是在SiC 的刻蝕過程中幾乎沒有SiF 2或者是SiF 的形成; 主要含C 的刻蝕產物尚不明確, 初步推測是CF 4, 而CF +3則幾乎沒有, 但是確有少量的CF +2和CF +存在. H . F . W

10、inters 的研究還指出, 用Ar +轟擊SiC 表面又同時通入XeF 2氣體的情況下使得SiC 表面的C 大為豐富. 俄歇能譜分析表明, SiC 的刻蝕速率由表面的C 去除速率決定.真正從SiC 材料用于制作光柵和SiC 器件角度出發(fā), 采用CF 4+O 2氣體體系的單晶3C -SiC 材料的刻蝕研究工作始于Shinji M atsui 等人8和J . W . Palmour 等人4. Shinji M atsui 等采用的是反應離子束刻蝕(RIBE 技術; 而J . W . Palmour 則致力于研究非射束(電子束或離子束 的SiC 干法刻蝕技術, 因而采用了PE 工藝和RIE 工藝.

11、 他們的研究工作得到了詳細的工藝實驗結果, 下面分別予以介紹. 2CF 4+O 2體系的SiC 反應離子束刻蝕(RIBEShinji M atsui 等是在制造SiC 光柵圖形的工藝中, 受到H. F. Winters 等人的研究結果影響和啟發(fā), 他們沒有選擇XeF 2氣體, 而采用了CF 4+O 2體系和RIBE 工藝進行SiC 光柵刻蝕的. 他們的研究表明在使用RIBE 技術時, 如果單獨使用CF 4作為刻蝕氣體, 在不通入O 2的情況下就可以進行單晶SiC 薄膜材料的刻蝕. 但是如果混合了O 2之后發(fā)現(xiàn)SiC 的刻蝕速率大為提高. 圖1給出了由實驗得到的O 2在CF 4氣體中的混合比與S

12、iC 刻蝕速率的關系曲線.在使用CF 4作為刻蝕氣體的情況下, 氟碳離子束撞擊被刻蝕的樣品表面然后由電子中和, SiC 與氟碳離子的反應為:SiC +CF n (離子 SiF 4+C而C 聚集在SiC 表面, 這一C 層的出現(xiàn)妨礙了SiC 的刻蝕速率. 根據圖1知, 覆蓋住SiC 表面的C 層與通入的氧發(fā)生反應, 從而生成了揮發(fā)性的CO 和CO 2氣體, 而干凈的被刻蝕表面可以增加SiC 的刻蝕速率. .660西安電子科技大學學報第25卷 圖1O 2在CF 4中的混合比與SiC 刻蝕速率之間圖2在純CF 4氣體中和CF 4+O 2(25% 氣體中SiC的實驗關系曲線刻蝕深度和刻蝕時間的關系Sh

13、inji M atsui 的實驗還表明采用CF 4+O 2體系對SiC 的刻蝕速率要比采用CF 4+Ar 體系的SiC 刻蝕速率大兩倍. 圖2的結果顯示了在CF 4和CF 4+O 2(25% 兩種不同的氣體體系條件下SiC 刻蝕深度對刻蝕時間的依賴關系. 圖2揭示了對任意的O 2在CF 4氣體中的混合比情況下, SiC 的刻蝕深度都正比于刻蝕時間.Shinji M atsui 等人的上述研究結果為SiC 器件的微制造提供了一條切實可行的工藝途徑. 他們制做的光柵圖形周期為1 m, 槽深為0. 13 m. 但反應離子束刻蝕工藝設備較為復雜, 價格昂貴.3采用CF 4+O 2體系的等離子刻蝕(PE

14、 和反應離子刻蝕(RIE 技術J. W. Palmour 等人研究了在無電子或離子束工藝條件下的SiC 干法刻蝕技術即SiC 刻蝕的PE 和RIE 工藝. 他們使用的是外延生長在Si 襯底之上的(100 面3C-SiC 樣品. PE 刻蝕是在常規(guī)的水冷平行板系統(tǒng)中進行的, 射頻功率源為30kHz, 反應室壓力為66. 661266. 645Pa, 電極直徑為28cm, 功率密度在0. 0810. 326W/cm 2之間變化. PE 刻蝕中采用不同的CF 4和O 2的混合比, 因此其刻蝕速率在1555nm /m in 的范圍內變化. 由于系統(tǒng)在氣體流量和反應室壓力等因素控制上的困難, 這些實驗的

15、重復性較差. 更重要的是這一工藝在被刻蝕樣品上形成了一層厚度為20150nm 的發(fā)暗的表面層, 該暗層厚度與刻蝕時間和所使用的功率有關. 開始認為這層物質是C 的殘留物, 但在1200下該層物質不能進行快速氧化, 也不能在熱HNO 3中加以腐蝕. 通過二次離子質譜(SIM S 對這一暗層進行分析, 確定該層具有幾乎與未刻蝕的SiC 完全相同的組分, 唯一的區(qū)別是該層比未刻蝕SiC 具有更高的氟含量, 但在數量上要低于Si 和C 的水平. 因此, 這一暗層實為富碳的殘余SiC 表面.反應離子刻蝕是在傳統(tǒng)的驅動電極直徑為15. 24cm 的平行板RIE 系統(tǒng)上進行的. 極板間距為5. 08cm ,

16、 功率源頻率為13. 56M Hz , 功率密度在0. 2741. 92W /cm 2之間變化. 實驗發(fā)現(xiàn), 在大多數的刻蝕實驗中沒有出現(xiàn)表面的發(fā)暗層, 然而被刻蝕表面有輕微的退色現(xiàn)象, 這可能與刻蝕過程中的表面變得粗糙有關, 也與形成富C 表面有關. 特別值得注意的是J . W . Palmour 在采用RIE 工藝刻蝕SiC 時, 將O 2和CF 4同時通入反應室后其結果并不像Shinji Matsui 在文獻8中所報道的那樣, 即在RIBE 中O 2的通入可以增大SiC 的刻蝕速率. 在RIE 工藝中, 如果CF 4和O 2同時通入, 即使O 2的比例增大至50%, 其RIE 速率并無明

17、顯變化, 如圖3所示, 事實上卻是隨著O 2引入量的不斷增加其刻蝕速率稍有下降. 這一結果是由于O 2比例的增高導致了有效的自由F 原子數量下降而引起的. 因此, O 2不影響SiC 刻蝕速率的事實表明了C 并不是以CO 或CO 2的形式被帶走的. 基于上述事實, J. W. Palmour 又繼續(xù)研究4661第5期柴常春等:碳化硅(SiC 器件制造工藝中的干法刻蝕技術 圖3壓力為2. 666P a, 功率密度為0. 548W/cm 2時, 圖4純CF 4中RIE 速率與射頻功率密度關系, O 2在CF 4中的比例變化與RI E 速率的關系流量為1. 667×10-6m 3/s ,

18、壓力5. 333P a 進一步的實驗表明, 在純CF 4氣體中隨著射頻功率密度的增加, SiC 的RIE 速率正如預料的那樣急劇增大. 圖4給出了在純CF 4氣體中刻蝕速率與射頻功率密度的關系曲線, 圖中系統(tǒng)壓力為5. 333Pa, CF 4流量為1. 667×10-6m 3/s. 由圖4可見在壓力為5. 333Pa 下刻蝕速率由0. 274W/cm 2的6. 8nm /min 上升到1. 92W/cm 2下的62. 2nm/m in. 然而較高的功率密度使得樣品表面更加粗糙. 功率密度最佳值約為0. 548W/cm 2, 這時既保持了適當的刻蝕速率(約23. 3nm /min 又將

19、表面的粗糙程度降至較低.圖5功率密度0. 548W /cm 2, 流量1. 667×10-6m 3/s時的R IE 速率與CF 4壓力的關系曲線圖5給出了SiC 的刻蝕速率與CF 4壓力的關系曲線. 由圖5可見當壓力低于2. 666Pa 時, 刻蝕速率急劇降低, 這是由于F 濃度的下降而導致的結果. 而當壓力高于5. 333Pa 時刻蝕速率也要下降, 這是由于偏置電壓的下降從而引起了與之相關的在較高壓力下的離子能量的降低11. SiC 材料最佳的RIE 壓力為5. 333Pa 左右.上述的RIE 實驗均是在未經冷卻的電極上進行的, 因此J . W . Palm our 等人又進行了在

20、純CF 4氣體中溫度由20至200, 功率密度為0. 548W /cm 2以及壓力為5. 333Pa 下的溫度對RIE 速率影響的研究. 實驗證實隨著樣品溫度的增加刻蝕速率有緩慢的增加,這種緩慢的增加說明留在SiC 表面的任何刻蝕產物都被及時地揮發(fā)掉了.J. W. Palm our 的研究提供了外延生長(100 3C-SiC RIE 的較為系統(tǒng)的結果, 他們在實驗中采用的均為0. 25cm 2的SiC 樣品, 因而沒有對SiC 的RIE 的負載特性進行研究. 4結束語現(xiàn)在已經提出了許多的SiC 材料固體器件的方案12, 如工作溫度高于500的器件, 大功率器件及強抗輻射器件等; 多種利用SiC

21、 材料的固體器件也已經研制成功, 如SiC 場效應晶體管等13. 對于這些器件的制造工藝來說利用干法刻蝕技術是十分重要和必不可少的. 通過對已進行的SiC 材料的刻蝕研究工作的總結, 作者認為采用CF 4+O 2氣體體系目前已獲得了較為深入的工藝研究結果, 且氣體購置容易; 而在刻蝕工藝方法的選擇上RIBE 系統(tǒng)相對復雜昂貴, 而等離子體刻蝕PE 和反應離子刻蝕RIE 則具有設備簡單、易于操作優(yōu)點. 但PE 工藝中出現(xiàn)的刻蝕暗層有待進一步研究解決, 如改變工藝條件或更換其他的氟化物氣體等. 此外刻蝕的各向異性研究, 選擇什么樣的材料如光刻膠或何種金屬膜才能滿足一定的刻蝕比要求及圖形精度的要求尚

22、有待進一步研究.參考文獻1Kondo Y , T akahashi T , et al. Ex perimental 3C-SiC M OSF ET. IEEE EDL , 1986, (7 :4042M arshall R C, et al. Silicon Car bide-1973. Columbia:U niv South Car olina P ress, 19743宋登元. SiC 器件基本制備工藝的原理與發(fā)展現(xiàn)狀. 半導體技術, 1994, (2 :54Palmo ur J W , Dav is R F. Dr y Etching of -SiC in CF 4and CF 4+

23、O 2M ix tur es. J Vac Sci T echnol, 1986, A 4(3 :5905Chen C Y , Fang Y K , et al. N ov el P assivation Dielectr ics T he Bo ron-or Phosphorus-Doped Hy dr og enated A mor -phous Silicon Carbide F ilm s. J Electrochem Soc, 1985, 132(2 :4186Kong H S , Glass J T , et al . An Ex amination of Do uble Posi

24、tioning Boundar ies and Inter face M isfit in Bet a -SiC Films on Alpha-SiC Substrates. J A ppl Phys, 1988, 63(8 :26457Winters H F, Co burn J W. T he Etching o f Silicon with XeF 2Vapor. A ppl Phy s L ett, 1979, 34(1 :708M atsui S, M izuki S, et al. Reactive Io n-Beam Etching of Silicon Car bide. Jp

25、n J A ppl Phy s, 1981, 20(1 :L389Co burn J W , W inters H F . Ion -and Electr on -A ssisted Gas -Surface Chemistry An Im por tant Effect in Plasma Etch-ing. J A ppl P hy s, 1979, 50(5 :318910Winters H F. Etch Pro ducts f rom the Reaction of XeF 2W ith SiO 2, Si 3N 4, SiC, and Si in the P resence of Ion Bombard-m ent . J V ac Sci T echnol , 1983, B 1(4 :92711DiM aria D J , et al . Radiation Damag e in Silicon Diox ide Films Ex po