一種利用金屬/氧化物雙層掩膜結構刻蝕SiC的方法與流程

本發明涉及半導體器件制造領域，特別是涉及一種利用金屬/氧化物雙層掩膜結構刻蝕sic的方法。

背景技術：

碳化硅(sic)材料作為第三代寬帶隙半導體材料，具有高臨界擊穿電場、高熱導率、高電子飽和漂移速率等特點，在高溫、高頻、大功率、抗輻射等領域，尤其是高溫或強腐蝕性等惡劣環境中具有巨大的應用潛力。

對于sic柵槽結構器件如umosfet、trenchgateigbt以及sicmems器件三維結構器件，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。刻蝕碳化硅的主要困難在于碳化硅材料具有很高的機械硬度和化學穩定性。實際工藝證明，以往在si器件中積累了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，因此常采用的sic刻蝕方法多為干法刻蝕。為了增大sic器件的擊穿電場強度、提高器件穩定性并增大溝道遷移率，柵槽的刻蝕結果應該包括高刻蝕速率、各向異性沒有微溝槽效應、刻蝕表面光滑沒有殘留物。sic刻蝕一般采用金屬作為掩膜保證高刻蝕選擇比，由于采用單層金屬作為掩膜，在金屬生長過程中與sic襯底直接接觸，金屬元素向sic發生擴散造成元素污染。因此亟需一種能夠克服以上缺點的刻蝕sic的方法。

技術實現要素：

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種利用金屬/氧化物雙層掩膜結構刻蝕sic的方法，用于解決現有技術中采用單層金屬作為掩膜會造成金屬元素污染sic的問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種利用金屬/氧化物雙層掩膜結構刻蝕sic的方法，所述方法至少包括：

1)提供sic外延片，在所述sic外延片表面生長氧化物掩膜層；

2)在所述sic外延片待刻蝕區域的所述氧化物掩膜層表面形成光刻膠層；

3)在所述氧化物掩膜層和所述光刻膠層表面形成金屬掩膜層；

4)去除所述光刻膠層以及所述光刻膠層表面的金屬掩膜層，形成刻蝕窗口；

5)通過所述刻蝕窗口刻蝕所述氧化物掩膜層和sic外延片至所需深度；

6)去除剩余的所述金屬掩膜層和所述氧化物掩膜層，獲得sic柵槽結構。

作為本發明利用金屬/氧化物雙層掩膜結構刻蝕sic的方法的一種優化的方案，所述步驟1)中，在所述sic外延片表面生長氧化物掩膜層之前，還包括對所述sic外延片進行清洗的步驟。

作為本發明利用金屬/氧化物雙層掩膜結構刻蝕sic的方法的一種優化的方案，所述步驟1)中，通過原子層沉積技術在所述sic外延片表面生長10～50nm的氧化物掩膜層。

作為本發明利用金屬/氧化物雙層掩膜結構刻蝕sic的方法的一種優化的方案，所述氧化物掩膜層為al2o3，hfo2或者la2o3。

作為本發明利用金屬/氧化物雙層掩膜結構刻蝕sic的方法的一種優化的方案，所述步驟2)的具體過程為：首先在所述氧化物掩膜層整個表面涂覆光刻膠材料，然后依次進行曝光、顯影和堅膜步驟，將所述待刻蝕區域之外的光刻膠材料去除。

作為本發明利用金屬/氧化物雙層掩膜結構刻蝕sic的方法的一種優化的方案，所述步驟3)中，通過電子束蒸發工藝在所述氧化物掩膜層和所述光刻膠層表面形成金屬掩膜層。

作為本發明利用金屬/氧化物雙層掩膜結構刻蝕sic的方法的一種優化的方案，所述金屬掩膜層材料為ni、cu或者al。

作為本發明利用金屬/氧化物雙層掩膜結構刻蝕sic的方法的一種優化的方案，所述金屬掩膜層的厚度范圍為80～150nm。

作為本發明利用金屬/氧化物雙層掩膜結構刻蝕sic的方法的一種優化的方案，所述步驟4)中，通過金屬剝離工藝去除所述光刻膠層以及所述光刻膠表面的金屬掩膜層，形成刻蝕窗口。

作為本發明利用金屬/氧化物雙層掩膜結構刻蝕sic的方法的一種優化的方案，所述步驟5)中，采用感應耦合等離子體刻蝕工藝刻蝕所述氧化物掩膜層和sic外延片至所需深度，采用的刻蝕氣體為sf6與o2的混合氣體，流量比(3～5):1，刻蝕氣體總流量為15～20sccm，刻蝕的壓強為1.5～2.5mtorr，溫度為25～60℃，源功率為600～750w，射頻功率為100～150w。

作為本發明利用金屬/氧化物雙層掩膜結構刻蝕sic的方法的一種優化的方案，所述步驟6)中，先采用磷酸、硝酸和乙酸的混合水溶液去除所述金屬掩膜層，再通過緩沖氫氟酸去除所述氧化物掩膜層。

如上所述，本發明的一種利用金屬/氧化物雙層掩膜結構刻蝕sic的方法，具有以下有益效果：

1、本發明利用氧化物掩膜層作為阻擋層來防止金屬元素污染sic襯底，有利于提升器件的耐壓值，并且可以保證高刻蝕速率，高各向異性。

2、該方法對側壁和底部損傷比較小，制作的柵槽結構表面平滑，有利于后期柵介質的生長減少界面缺陷，有利于器件正向開啟的性能。

3、該實驗工藝簡單，不會在工藝中引入污染元素和增加成本。本發明有利于制作sic柵槽器件。

附圖說明

圖1為本發明利用金屬/氧化物雙層掩膜結構刻蝕sic的方法工藝流程示意圖。

圖2為本發明利用金屬/氧化物雙層掩膜結構刻蝕sic的方法步驟1)呈現的結構示意圖。

圖3為本發明利用金屬/氧化物雙層掩膜結構刻蝕sic的方法步驟2)呈現的結構示意圖。

圖4為本發明利用金屬/氧化物雙層掩膜結構刻蝕sic的方法步驟3)呈現的結構示意圖。

圖5為本發明利用金屬/氧化物雙層掩膜結構刻蝕sic的方法步驟4)呈現的結構示意圖。

圖6為本發明利用金屬/氧化物雙層掩膜結構刻蝕sic的方法步驟5)呈現的結構示意圖。

圖7為本發明利用金屬/氧化物雙層掩膜結構刻蝕sic的方法步驟6)呈現的結構示意圖。

圖8是本發明獲得的柵槽結構的sem測試圖。

圖9是本發明獲得的柵槽結構表面的afm測試圖。

元件標號說明

1sic外延片

2氧化物掩膜層

3光刻膠層

4金屬掩膜層

5刻蝕窗口

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。

請參閱附圖。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為復雜。

本發明提供一種利用金屬/氧化物雙層掩膜結構刻蝕sic的方法，如圖1所示，所述方法至少包括如下步驟：

首先執行步驟s1，如圖2所示提供sic外延片1，在所述sic外延片1表面生長氧化物掩膜層2。

所述sic外延片1外延生長在一sic襯底上。在所述sic外延片1表面生長所述氧化物掩膜層2之前，需要對所述sic外延片1進行清洗，以去除sic襯底1表面的自然氧化層，并對sic外延片1進行烘干以去除水汽。具體地，首先采用緩沖的氫氟酸腐蝕液去除自然氧化層，然后利用去離子水進行最后的清洗；再使用100～120℃的熱板，烘干5～10分鐘以去除sic外延片1上的水汽。

可以利用通過原子層沉積技術(atomiclayerdeposition，ald)生長致密且均勻的薄膜氧化物作為氧化物掩膜層2，生長的氧化物掩膜層2優選在10～50nm范圍內。當然，也可以利用其他合適的工藝生長所述氧化物掩膜層2，更優地，所述氧化物掩膜層2在20～45nm范圍內。本實施例中所述氧化物掩膜層2為30nm。生長形成的氧化物掩膜層2可以是al2o3，hfo2，la2o3等等，在此不限。

其次執行步驟s2，如圖3所示，在所述sic外延片1待刻蝕區域的所述氧化物掩膜層2表面形成光刻膠層3。

具體地，首先在所述氧化物掩膜層2整個表面涂覆光刻膠材料，然后依次進行曝光、顯影和堅膜步驟，將所述待刻蝕區域(即待形成柵槽的區域)之外的光刻膠材料去除，只剩下待刻蝕區域的光刻膠材料形成所需的光刻膠層3。其中的曝光和顯影步驟可以對所述光刻膠材料進行圖案化，堅膜則是熱處理步驟，可以提高光刻膠與下層表面之前粘附性以及光刻膠的抗腐蝕能力，同時堅膜步驟也可以去除顯影液和水。

接著執行步驟s3，如圖4所示，在所述氧化物掩膜層2和所述光刻膠層3表面形成金屬掩膜層4。

可以通過電子束蒸發工藝在所述氧化物掩膜層2和所述光刻膠層3表面形成金屬掩膜層，形成的金屬掩膜層4優選在80～150nm范圍內。當然，也可以利用其他合適的工藝形成所述金屬掩膜4層，更優地，所述金屬掩膜層4在100～120nm范圍內。本實施例中所述金屬掩膜層4為100nm。形成的所述金屬掩膜層4可以是ni、cu或者al等等，在此不限。

所述金屬掩膜層4和所述氧化物掩膜層2形成雙層掩膜。

然后執行步驟s4，如圖5所示，去除所述光刻膠層3以及所述光刻膠層3表面的金屬掩膜層4，形成刻蝕窗口5。

可以通過金屬剝離工藝去除所述光刻膠層3以及所述光刻膠層3表面的金屬掩膜層4，形成刻蝕窗口5，即柵槽區域窗口。當然，也可以通過其他適合的工藝來去除所述光刻膠層3以及所述光刻膠層3表面的金屬掩膜層4。本實施例中，通過金屬剝離工藝去除所述光刻膠層3以及所述光刻膠層3表面的金屬掩膜層4，形成刻蝕窗口5。具體過程為：利用剝離液(丙酮)溶解所述光刻膠層3，其上的金屬掩膜層也隨所述光刻膠層3一起脫落，剩余的金屬作為金屬掩膜層圖形。

然后執行步驟s5，如圖6所示，通過所述刻蝕窗口5刻蝕所述氧化物掩膜層2和sic外延片1至所需深度。

本實施例中，采用感應耦合等離子體刻蝕(icp)工藝刻蝕所述氧化物掩膜層2和sic外延片1至所需深度。當然在其他實施例中，也可采用其他合適的工藝來進行刻蝕，在此不做限制。

所采用的刻蝕氣體可以是含氟氣體。本實施例中，采用sf6與o2的混合氣體作為刻蝕氣體。sf6與o2的流量比優選為(3～5):1，刻蝕氣體總流量為15～20sccm。本實施例中，sf6與o2的流量比優選為4:1，刻蝕氣體總流量為15sccm。

具體地刻蝕條件優選為：刻蝕的壓強為1.5～2.5mtorr，溫度為25～60℃，icp源功率為600～750w，射頻(rf)功率為100～150w。本實施例中，刻蝕的壓強為2mtorr，溫度為40℃，icp源功率為700w，射頻(rf)功率為120w。

然后執行步驟s6，如圖7所示，去除剩余的所述金屬掩膜層和所述氧化物掩膜層，獲得sic柵槽結構。

可以采用酸性腐蝕液進行腐蝕去除剩余的所述金屬掩膜層4和所述氧化物掩膜層2，獲得sic柵槽結構。

具體地，先采用磷酸、硝酸和乙酸的混合水溶液(h3po4:hno3:ch3cooh:h2o＝3:3:1:1)去除所述金屬掩膜層4，再通過緩沖氫氟酸腐蝕液去除所述氧化物掩膜層2。

如圖8所示為sic柵槽結構的sem照片，可以看出，刻蝕sic外延片后的各向異性高。圖9所示為sic柵槽結構的afm照片，可以看出，刻蝕sic外延片后，柵槽具有光滑的表面。

綜上所述，本發明提供一種利用金屬/氧化物雙層掩膜結構刻蝕sic的方法，該方法利用氧化物掩膜作為阻擋層防止金屬元素污染sic外延片及襯底，有利于提升器件的耐壓值；而且保證高刻蝕速率，各向異性高；此外該方法對側壁和底部損傷比較小，柵槽表面平滑，有利于后期柵介質的生長減少界面缺陷，從而有利于器件正向開啟的性能。此外，該實驗工藝簡單，不會在工藝中引入污染元素和增加成本。

所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。

上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。