许龙来;钟志亲
远程监控安防【摘 要】鉴于SiC材料具有很强的稳定性以及湿法刻蚀的种种缺点,目前主要使用干法刻蚀来刻蚀SiC材料.但是干法刻蚀后样品表面的粗糙度对器件的性能有一定的影响.针对这一问题,采用电感耦合等离子体-反应离子刻蚀技术,对SiC材料进行SF6/02混合气体和SF6/CF4/O2混合气体的刻蚀,并且探究了压强、ICP功率和混合气体比例对样品表面粗糙度的影响.实验结果表明使用SF6/O2混合气体刻蚀后,样品的表面平整度较好.在一定RIE功率条件下,当ICP功率为700 W、压强为20 mT和SF6/O2为50/40 sccm时,样品表面的粗糙度最小. 【期刊名称】《电子科技》
【年(卷),期】2019(032)002
【总页数】4页(P1-3,8)
隔离dcdc电源【关键词】碳化硅;电感耦合等离子体-反应离子刻蚀;粗糙度;压强;功率;SF6/O2
挂面纸
【作 者】许龙来;钟志亲
【作者单位】电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,四川成都610054;电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,四川成都610054
【正文语种】中 文
【中图分类】TN305
SiC材料作为第三代宽禁带半导体材料，可用于制造出与传统硅基器件相比，能在更高温度、更高功率和更恶劣的环境下工作的器件[1-2]。此外，SiC材料的高硬度及其化学稳定性使它在微机电系统中也有很好的应用前景[3-6]。由于Si-C共价键很强，使SiC化学性质非常稳定。常温下湿法腐蚀很难使SiC图形化，需要在高温辅助下进行强酸碱湿法化学腐蚀或者激光辅助光电化学刻蚀 [7]。但是，这种腐蚀的缺点在于只有很少的金属可以用作掩模。而且湿法腐蚀具有各向同性，致使侧壁出现严重的钻蚀现象，因此普遍使用干法刻蚀图案化SiC材料。常用的干法刻蚀技术包括：反应离子刻蚀(RIE)[8]、电子回旋共振等离子体(ECR)以及电感耦合等离子体刻蚀(ICP)等[9-10]。常用的刻蚀气体有F基气体和Cl基气体，
其中F基气体的刻蚀速率相对于Cl基气体更高[11]。一些气体添加剂如O2、H2和Ar等，也会被添加到刻蚀气体中以增加刻蚀速率或者除去残留物[12]。SiC材料刻蚀过后，其表面的粗糙度会影响器件的性能[13-14]。本文基于美国TRION公司的MNL III型刻蚀设备，分别采用SF6/O2混合气体和SF6/CF4/O2混合气体对SiC材料进行ICP-RIE工艺条件的探究。研究ICP功率、压强和混合气体的比例对SiC材料表面粗糙度的影响。
1 实验步骤
本实验所使用的4H-SiC材料来自天科合达，导电类型为氮掺杂n型，其中外延层掺杂浓度为5.5×1015 cm-3, 外延层厚度为25.4 μm。SiC样品由划片机切成5 mm×5 mm大小，并用标准RCA程序进行清洗，清洗步骤如下：磁化杯
步骤1 用去离子H2O∶NH4OH∶H2O2(5∶1∶1)溶液在80 ℃温度下清洗10 min；
步骤2 用去离子H2O∶HF(1∶50)溶液在常温下清洗15 s；
步骤3 用去离子H2O∶HCl∶H2O2(6∶1∶1)溶液在80 ℃温度下清洗10 min，最后用去离子水清洗数遍并用氮气吹干。
SiC干法刻蚀的掩模材料有光刻胶、Al、Ni等多种，其中用光刻胶做刻蚀掩模材料形成的台阶不垂直， Al做刻蚀掩模材料容易产生微掩模，而利用Ni做掩模刻蚀得到台阶垂直且表面状况良好[15]。由于直接在表面蒸Ni容易脱落，所以蒸镀之前需在SiC表面镀一层Ti以形成粘附层。本文采用电子束蒸发生长需要的掩模材料，在1×10-3 Pa的真空度下，以0.5 nm·s-1的速度生长10 nm的Ti和200 nm的Ni。实验步骤如下：(1)用AZ5214光刻掩模图形；(2)电子束蒸发蒸镀Ti和Ni；(3)使用超声波进行丙酮剥离；(4)使用ICP-RIE深槽反应离子刻蚀机进行刻蚀。
图1样品制备的工艺流程图(a)涂胶(b)光刻(c)电子束蒸发(d)剥离(e)刻蚀Figure 1.Flow chart of sample preparation(a)Gluing(b)Photolith(c)Electron beam evaporation(d)Be stripped(e)Etching
2 结果和分析
图2给出了当压强为20 mT，SF6/O2流量为50/20 sccm ，RIE功率100 W，ICP功率1 000 W，CF4/ SF6/O2流量为10/50/20 sccm，刻蚀时间为10 min时，扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，SEM)下的SiC样品。从图中可以看出，加入一定流量的
CF4气体后样品表面的平滑度降低。所以接下来的实验将探究在一定RIE功率下，压强、ICP功率和SF6/O2不同比例变化对样品表面粗糙度的影响。
图2混合气体为SF6/O2和SF6/CF4/O2刻蚀样品的SEM图(a)SF6/O2(b)SF6/CF4/O2Figure 2.The SEM image of etched sample in SF6/O2and SF6/CF4/O2(a)SF6/O2(b)SF6/CF4/O2
图3给出了ICP功率为1000 W，RIE功率为100 W，SF6/O2流量为50/20 sccm时，刻蚀后表面粗糙度随压强的变化。从图中可以看出，表面粗糙度随压强的上升先减小后增大，在20 mT时表面粗糙度最小。随着压强的增大，高能离子的平均自由程以及寿命减少，对SiC表面的轰击作用减弱，使其不能有效去除覆盖在SiC表面的杂质，导致样品表面的粗糙度增加。
图3SiC刻蚀表面样品的粗糙度随工作压强的变化Figure 3.Surface roughness of SiC etched sample varies with operating pressure
图4给出了压强为20 mT，RIE功率为100 W，SF6/O2流量为50/20 sccm时，刻蚀后表面的
粗糙度随ICP功率的变化。由图可知，样品表面的粗糙度大致随ICP功率的增加先减小后增大，在700 W时RMS最小。在小功率时，高能自由电子与刻蚀气体产生等离子体内的中性基团较少，此时物理刻蚀占主导地位，从而导致较大的表面粗造度。在700 W时，中性基团增多，物理刻蚀和化学刻蚀同时进行，SiC表面比较平整。在较大的ICP功率条件下，较多的中性基团含有F聚合物覆盖在SiC表面，从而使表面粗糙度变大。
图4SiC刻蚀表面样品的粗糙度随ICP功率的变化Figure 4.Surface roughness of SiC etched sample varies with ICP power
图5给出了压强为20 mT，ICP功率为1000 W，RIE功率为100 W时，样品表面的粗糙度随O2流量的变化。从图中可以看出，随着O2流量的变化，样品表面的粗糙度先减小然后增大继而又减小。在O2流量为40 sccm时，样片表面的粗糙度最小。这是由于加入O2流量促进了C原子的去除，所以样品表面的粗糙度有所下降[16]。然而在加入中间量的O2流量后，样品表面的粗糙度却变大，这可能是由于与Si原子反应生成一层类氧化层，使样品表面的粗糙度变大。
图5SiC刻蚀表面样品的粗造度随O2流量的变化Figure 5.Surface roughness of SiC etched
sample varies with O2 flow
3 结束语
本文讨论了以SF6/O2和CF4/ SF6/O2混合气体为刻蚀气体，采用ICP-RIE来刻蚀 4H-SiC材料，通过扫描电子显微镜比较了两者刻蚀过后的材料平整度，最终决定以SF6/O2混合气体为刻蚀气体。在RIE功率为100 W时，分别研究了刻蚀后材料的表面粗糙度随ICP功率、工作压强和O2流量的变化。通过原子力显微镜进行比较，发现在ICP为700 W，工作压强为20 mT和SF6/O2混合气体比例为50/40 sccm时，样品表面的粗糙度最小。
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