ICP刻蝕4H-SiC柵槽工藝分析

1、ICP刻蝕4H-SiC柵槽工藝分析 為防止金屬掩膜易引起的微掩膜，本文采用SiO2介質(zhì)作為掩膜，SF6/O2/Ar作為刻蝕氣體，利用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(ICP)技術(shù)對4H-SiC trench MOSFET柵槽刻蝕工藝開展了研究。本文詳細(xì)研究了ICP刻蝕的不同工藝數(shù)對刻蝕速率、刻蝕選擇比以及刻蝕形貌的影響。實驗結(jié)果說明：SiC刻蝕速率隨著ICP功率和RF偏壓功率的增大而增加；隨著氣體壓強(qiáng)的增大刻蝕選擇比降低；而隨著氧氣含量的提高，不僅刻蝕選擇比增大，而且能夠有效地消除微溝槽效應(yīng)?？涛g柵槽形貌和表面粗糙度分別通過掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡開展表征，獲得了優(yōu)化的柵槽構(gòu)造，RMS表面粗糙度0.4

2、nm。 由于SiC具有寬禁帶(2.33.3eV)、高臨界擊穿電場(3106 V/cm)、高飽和電子漂移速度(2107 cm/s)、高熱導(dǎo)率(4.9 W/(cm K)等優(yōu)點，使得SiC材料在制備大功率、高溫、高頻、抗輻射的半導(dǎo)體器件等方面具有極其廣泛的應(yīng)用。 然而，SiC材料硬度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，難以通過濕法腐蝕形成各種構(gòu)造，目前只能采用干法刻蝕的方法。對于SiC槽柵構(gòu)造器件如UMOSFET、Trench Gate IGBT以及SiC MEMS器件等三維構(gòu)造器件，刻蝕形貌、刻蝕損傷以及刻蝕表面殘留物等均對SiC器件的研制及性能有很大的影響。目前刻蝕SiC最常用的氣體是F基氣體，如CF4、SF6，

3、本次實驗采用了SF6/O2/Ar作為刻蝕氣體。由于采用金屬做掩膜，容易在刻蝕過程中金屬簇會濺射到SiC表面，而金屬刻蝕速率遠(yuǎn)小于SiC刻蝕速率，從而導(dǎo)致微掩的形成，為了消除微掩膜效應(yīng)以及殘留金屬的污染，本實驗采用了高陡直的SiO2介質(zhì)作為刻蝕掩膜，通過掃描電鏡(SEM)觀測和原子力顯微鏡(AFM)觀測發(fā)現(xiàn)刻蝕表面很光滑，實驗中RMS表面粗糙度為0.36nm，未出現(xiàn)微掩膜；通過調(diào)節(jié)刻蝕參數(shù)，可以實現(xiàn)高刻蝕選擇比的SiC刻蝕。 在SiC的刻蝕工藝中，如何消除“微溝槽”是該工藝中的難點，微溝槽指在臨近側(cè)壁的底部形成的V形凹槽，它主要是由于該處刻蝕速率增強(qiáng)造成的；微溝槽的存在會導(dǎo)致器件的電場集中，降低

4、器件的穩(wěn)定性和可靠性，本文對微溝槽消除方法開展了探究，最終獲得了高刻蝕速率、高陡直性、高刻蝕選擇比、無微溝槽且底腳圓滑的柵槽刻蝕工藝條件。 1、實驗步驟 本實驗采用4H-SiC襯底作為刻蝕材料，經(jīng)常規(guī)清洗后，等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)生長2m厚SiO2作為SiC刻蝕的硬掩膜，之后LPCVD生長100nm非晶硅，此非晶硅作為刻蝕SiO2的掩膜，刻蝕圖形為寬度3m 長條形區(qū)域。對非晶硅和SiO2的刻蝕分別利用Lam Research 公司的Rainbow 4420和Rainbow 4520，對SiC的刻蝕采用德國Sentech公司的SI500系列ICP刻蝕機(jī)。為了研究不同刻蝕參數(shù)對SiC

5、刻蝕速率、刻蝕選擇比、微溝槽的消除的影響，選用了如下的刻蝕條件：ICP功率變化范圍為400800 W，偏壓功率為30200W，刻蝕壓強(qiáng)為0.22Pa，通過改變O2的流速使得O2含量變化范圍為10%50%來研究氧氣含量對刻蝕效果的影響。通過SEMS-5500觀測刻蝕形貌和刻蝕深度，利用AFM 分析了樣品刻蝕的表面粗糙度的變化情況。 3、結(jié)論 為防止金屬掩膜易引起的微掩膜，本文采用SiO2作為掩膜，詳細(xì)研究了不同工藝參數(shù)包括ICP功率、RF偏壓功率、壓強(qiáng)、氧氣含量等對SiC槽柵區(qū)域的刻蝕速率、SiC與SiO2的刻蝕選擇比、刻蝕形貌的影響。研究結(jié)果說明可通過調(diào)節(jié)ICP功率和RF功率優(yōu)化SiC刻蝕速率，可通過調(diào)節(jié)壓強(qiáng)和O2含量調(diào)節(jié)刻蝕選擇比，重點研究了消除微溝槽的方法。最終獲得了高刻蝕速率，高陡直性，高刻蝕選擇比，無微溝槽且底腳圓滑的優(yōu)化刻蝕工藝條件。在ICP功率為800 W，RF功率為100 W，反應(yīng)室壓強(qiáng)為0.4Pa，SF6/O2/Ar流量為15/45/30的