4H-SiC ICP深刻蚀工艺研究*

喻兰芳，梁 庭，熊继军，崔海波，刘雨涛，张 瑞

(1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西 太原 030051；2.中北大学 电子测试技术国防科技重点实验室,山西 太原 030051)

4H-SiC ICP深刻蚀工艺研究*

喻兰芳1,2，梁 庭1,2，熊继军1,2，崔海波1,2，刘雨涛1,2，张 瑞1,2

(1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西 太原 030051；2.中北大学 电子测试技术国防科技重点实验室,山西 太原 030051)

SiC是一种新型的半导体材料，由于化学性质十分稳定，目前还未发现有哪种酸或碱能在室温下对其起腐蚀作用，因此，在SiC的加工工艺中常采用干法刻蚀。采用GSE 200plus刻蚀机对SiC进行刻蚀，研究了刻蚀气体、源功率RF1、射频功率RF2及腔室压强对刻蚀结果的影响，并对产生的结果进行了相关分析。提出了一种SiC ICP深刻蚀方法，对SiC深刻蚀技术具有重要的指导意义。

SiC；ICP深刻蚀；刻蚀气体；源功率RF1；射频功率RF2；腔室压强

0 引 言

随着科技的高速发展，传统的硅基传感器已不能满足现代工业的需要，一大批新型材料涌现出来。SiC 材料以其特有的大禁带宽度、高临界击穿场强、高电子迁移率、高热导率等特性，成为制作高温、高频、大功率、抗辐照、短波长发光及光电集成器件的理想材料[1]。刻蚀技术是SiC器件研制中的一项关键支撑技术,在SiC器件制备过程中,刻蚀工艺的刻蚀精度、刻蚀损伤以及刻蚀表面残留物均对SiC器件的研制和性能有致命的影响。然而由于SiC的化学性质十分稳定，目前，对SiC进行体加工的方式主要包括熔盐冲刷、电化学腐蚀、激光刻蚀、超生加工或等离子刻蚀，为达到快速低损伤的刻蚀，通常采用等离子刻蚀[2]。

1 实验原理与方法

ICP刻蚀技术作为半导体加工工艺中的一种重要加工方法，具有低损伤、高刻蚀速率、高各向异性、选择比相对较高等其他等离子体刻蚀方法所不具有的独特优势[3]。如图1，ICP系统有2个独立的13.56 MHz的射频电源RF1和RF2,上电极功率(RF1)通过给反应腔外线圈加压产生交变的电磁场,当电场达一定程度时,气体启辉变成等离子态，同时通过调节功率大小达到控制等离子密度的目的。下电极功率(RF2)加到腔外电极上产生偏置电压来控制轰击能量，使等离子体垂直作用于基片,反应生成可挥发的气态物质,达到刻蚀的目的[4]。

SiC的干法刻蚀有光刻胶、Al,Ni等多种掩模方法，其中用光刻胶做掩模时刻蚀形成的台阶不垂直，而Al掩模刻蚀后易产生微掩模，利用Ni做掩模刻蚀得到台阶垂直且表面状况良好[5]，采用Ni作为掩模。溅射和蒸镀能达到的Ni的厚度都不能满足SiC深刻蚀所需的掩模厚度，本文选择电镀来生长厚Ni，实验步骤(图2)如下：1)清洗SiC晶片，先甩上一层LOR胶，烘干后再甩一层AZ5214胶，光刻掩模图形；2)溅射Ti粘附层、Au种子层；3)丙酮剥离；4)甩AZ4620厚胶，光刻掩模图形；5)电镀Ni；6)去胶；7)ICP刻蚀。

图1 ICP刻蚀原理图Fig 1 Principle of ICP etching

图2 工艺流程图Fig 2 Process flow diagram

2 结果与分析

影响刻蚀结果的因素主要包括刻蚀气体、源功率RF1、射频功率RF2和腔室压强，下面将从这四个方面进行分析。

2.1 刻蚀气体对刻蚀结果的影响

为了利用等离子体刻蚀SiC，使用的化学物质必须能够和SiC反应，并且反应产物在反应的温度和压力条件下必须具有挥发性，这样才能避免表面上有残留物质。目前刻蚀SiC最有效的化学物质是氟类物质[6]，反应机理如下

Si+xF→SiFx，x≤1～4,

C+xF→CFx，x≤1～2.

设定腔室压强为7 mTorr，源功率为1 000 W，射频功率为300 W，SF6流量为100 mL/min，刻蚀30 min，刻蚀形貌如图3(a)；维持腔室压强不变，加入流量为20 mL/min的钝化气体C4F8，其他条件保持不变时，刻蚀形貌如图3(b)；维持腔室压强不变，加入流量为20 mL/min的钝化气体O2，其他条件保持不变时，刻蚀形貌如图3(c)。

图3 刻蚀气体对刻蚀结果的影响Fig 3 Effect of etching gases on etching results

由刻蚀结果可知，只有SF6气体时，刻蚀垂直度较好；加入C4F8后，由于C4F8是钝化气体，nC4F8→(CF2)n，可以形成聚合物保护侧壁[7]，刻蚀垂直度降低；加入O2时，刻蚀速率增大，这是由于SiC中具有比较特殊的C元素，C和O能反应，所以,反应速率加快了[8]。

2.2 源功率RF1对刻蚀结果的影响

设定腔室压强为7 mTorr，射频电极功率为300 W，SF6流量为100 mL/min，刻蚀30 min，改变源功率大小，刻蚀形貌如图4。

图4 源功率RF1对刻蚀结果的影响Fig 4 Effect of source power RF1 on etching results

源功率增大时，等离子体密度变大，刻蚀速率变大，但是高功率密度下，反应离子的高浓度会加大对侧壁的侵蚀，使异向刻蚀降低；反之，源功率降低时，刻蚀速率变小，刻蚀各向异性提高[9]。

2.3 射频功率RF2对刻蚀结果的影响

设定腔室压强为7 mTorr，源电极功率为1 000 W，SF6流量为100 mL/min，刻蚀30 min，改变射频功率大小，刻蚀形貌如图5。

图5 射频功率RF2对刻蚀结果的影响Fig 5 Effect of RF power RF2 on etching results

射频功率增大时，等离子体能量变大，刻蚀速率变大，离子能量的增加，会造成对侧壁的侵蚀[10]；有的离子在底部反射，使得刻蚀槽底部变宽[11];反之，射频功率降低时，刻蚀速率变小，刻蚀各向异性降低。

2.4 腔室压强对刻蚀结果的影响

把腔室压强对刻蚀结果的影响转换到源功率RF1上来，在保持其他条件不变，增大压强时，等离子体的密度变大，相当于增大了源功率，从而达到了与变化源功率相同的结果：腔室压力增大时，刻蚀速率变大，异向刻蚀降低；反之，源功率降低时，刻蚀速率变小，刻蚀各向异性提高[12]。

3 结束语

ICP刻蚀技术作为半导体加工工艺中的一种重要加工方法，具有其他刻蚀方法所不具有的独特优势，但是由于刻蚀过程中对刻蚀结果影响的因素较多，刻蚀过程中需要综合考虑各种因素，对工艺进行优化。对于SiC刻蚀可选择金属Ni作为掩模，利用SF6和O2作为刻蚀气体，选择合适的源功率和射频功率，在适当的腔室压力下刻蚀出最好的效果。

[1] 朱作云，李跃进，杨银堂，等.SiC薄膜高温压力传感器[J].传感器技术学报,2001，20(2):1-3.

[2] 严子林.碳化硅高温压力传感器设计与工艺实验研究[D].北京：清华大学，2011:37-39.

[3] 张 鉴，黄庆安.ICP刻蚀技术与模型[J].微纳电子技术，2005(6):288-296.

[4] 郑志霞，冯勇建，张春权.ICP刻蚀技术研究[J].厦门大学学报：自然科学版，2004，43(8):365-368.

[5] 陈 刚，李哲洋，陈 征，等.4H-SiC MESFET工艺中的金属掩模研究[C]∥第十五届全国化合物半导体材料、微波器件和光电器件学术会议，广州，2008.

[6] Rebecca Cheung.用于恶劣环境的碳化硅微机电系统[M].王晓浩，唐 飞，王文弢，译.北京：科学出版社，2010:71-76.

[7] 陈 兢.ICP体硅深刻蚀中侧壁形貌控制的研究[J].中国机械工程，2005，24(2):200-203.

[8] 许艳阳.利用氟化气体和氧气的混和物进行SiC薄膜的反应离子刻蚀[J].半导体情报，1995(5):54-64.

[9] Frederilo S,Hiberx C,Frit Schi P,et al.Silicon sacrificial dry etching(SSLDE) for free-standing RF MEMS architectures[J].Microelectromechanical System,2003,10:19-23.

[10] Jansen H,De Boer M,Elwenspoek M.The black silicon method VI:high aspect ratio trench etching for MEMS applications[C]∥Proc of IEEE Microelectromechanical Systems Conf,Amesterdam,1995:88-93.

[11] Zhou Jiao,Chen Ying ,Zhou Wenli ,et al..Inductively coupled plasma etching for phase-change material with superlattice-like structure in phase change memory device[J].Applied Surface Science,2013,280:862-867.

[12] 张力江，幺锦强，周 俊，等.ICP腔体压力对直流偏压的影响[J].半导体技术，2010(8):794-796.

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

国家自然科学基金资助项目(51075375)；国家重点基础研究计划(“973”)资助项目(2010CB334703)

TN 212

A

1000—9787(2014)10—0008—03

喻兰芳(1990-)，女，安徽安庆人，硕士研究生，主要研究方向为SiC高温压力传感器。