一种碳化硅衬底的刻蚀方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种碳化硅衬底的刻蚀方法。

背景技术：

SiC(碳化硅)材料具有禁带宽度大、击穿场强高、介电常数小等优点，在制备高温、高频、大功率、抗辐射的半导体器件及紫外光电探测器等方面具有极其广泛的应用，被誉为前景十分广阔的第三代半导体材料。

刻蚀技术是SiC器件研制中的一项关键支撑技术，刻蚀工艺的刻蚀精度、刻蚀损伤以及刻蚀表面的残留物均对SiC器件的性能有重要影响。由于SiC材料硬度高、化学性质稳定，湿法刻蚀无法达到要求，因此目前对SiC的刻蚀常采用等离子体干法刻蚀工艺，刻蚀的基本过程为：在SiC衬底上形成具有图形的SiO₂(二氧化硅)掩膜，并将该SiC衬底置于刻蚀设备的腔室内；将SF₆(六氟化硫)气体和O₂(氧气)作为刻蚀气体通入腔室内，并向刻蚀设备的上下射频电极分别施加电压，产生电弧放电，使部分刻蚀气体电离生成离子、电子和自由基，这种由部分离化的气体组成的气相物质称为等离子体；等离子体会在电场的作用下高速运动到SiC衬底表面，通过化学反应和物理轰击双重作用刻蚀暴露的SiC衬底，在SiC衬底上形成图形。

但是，在实际的刻蚀过程中，本发明的发明人发现，刻蚀得到的图形拐角处(即图形底部与侧壁的交界处)容易形成如图1所示的微沟槽3，这种现象尤其在图形关键尺寸较小时更加严重。微沟槽3的存在会使下一步的填充工艺在该处形成空洞，极大地降低SiC器件的可靠性，并且对于SiC传感器，微沟槽3会使应力集中在该处，导致SiC传感器的性能下降。

技术实现要素：

为克服上述现有技术中的缺陷，本发明提出一种SiC衬底的刻蚀方法，以 防止在SiC衬底刻蚀时图形拐角处微沟槽的形成。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种SiC衬底的刻蚀方法，该刻蚀方法包括：将刻蚀气体通入刻蚀设备的腔室内，对SiC衬底进行刻蚀；其中，所述刻蚀气体包括含氟气体、O₂和HBr(溴化氢)气体。

本发明所提供的碳化硅衬底的刻蚀方法中，刻蚀气体包括含氟气体、O₂和HBr气体，相比现有技术(现有技术中刻蚀气体为SF₆和O₂)，增加了HBr气体，HBr气体能够发生化学反应生成聚合物，所生成的聚合物附着在图形的底部和侧壁上，能够对底部和侧壁，特别是图形拐角处，产生保护作用，从而减弱反应离子对图形拐角处的刻蚀，有效地防止了微沟槽在图形拐角处形成。

基于上述碳化硅衬底的刻蚀方法，可选的，所述溴化氢气体的气体流量占全部刻蚀气体总气体流量的60％～80％。

进一步的，所述含氟气体的气体流量与所述氧气的气体流量的比为1:1。

基于上述碳化硅衬底的刻蚀方法，可选的，刻蚀时向刻蚀设备的上电极施加上电极电压，所述上电极电压的功率为1000W～1200W。

可选的，刻蚀时向刻蚀设备的下电极施加下电极电压，所述下电极电压的功率为200W～350W。

可选的，所述含氟气体为六氟化硫气体、碳氟化合物气体或三氟甲烷气体。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为采用现有技术中的刻蚀方法所得到的图形的表面形貌；

图2为采用本发明实施例所提供的刻蚀方法所得到的图形的表面形貌；

图3为本发明实施例所提供的刻蚀方法采用的刻蚀设备的结构图。

附图标记说明：

1-SiC衬底； 2-SiO₂掩膜；

3-微沟槽； 4-上射频电极；

5-进气口； 6-腔室；

7-静电卡盘； 8-冷却器；

9-分子泵； 10-干泵；

11-等离子体； V1-上电极电压；

V2-下电极电压。

具体实施方式

正如背景技术所述，现有技术中对SiC衬底刻蚀得到的图形拐角处容易形成微沟槽3。发明人研究发现，形成微沟槽3的原因之一在于：理想状况下，刻蚀所得到的图形底部边缘与侧壁应呈90°角，且底部平整，但是由于图形拐角处相对于图形的其它区域反应生成物较难排出，加上O₂的存在，会在图形拐角处形成SiF_xO_y(硅氟氧化合物)层，该SiF_xO_y层相较SiC来说更容易被充电，SiF_xO_y层在充电后会吸引更多的离子，使离子偏转向图形拐角处，增强了该位置处的离子数量，引起该处的刻蚀作用相对于其它位置增强，形成微沟槽3。进一步的，在图形关键尺寸较小时(如：小于50μm)，图形拐角处气体交换较慢，反应生成物相对更难排出，因此更易形成SiF_xO_y层，加速微沟槽3的形成。

基于以上研究，本发明的发明人提出一种SiC衬底的刻蚀方法，如图2所示，该刻蚀方法包括：将刻蚀气体通入刻蚀设备的腔室内，对SiC衬底进行刻蚀；其中，该刻蚀气体包括含氟气体、O₂和HBr气体。

上述碳化硅衬底的刻蚀方法中，在刻蚀气体中增加了HBr气体，刻蚀过程中，HBr气体一方面能够对SiC衬底进行物理轰击，另一方面能够发生化学反应生成聚合物，所生成的聚合物附着在刻蚀图形的底部和侧壁上，从而对图形拐角处产生保护作用，减弱反应离子对图形拐角处的刻蚀，有效地防止了微沟槽在图形拐角处形成，进而解决了由微沟槽的存在所引起的SiC器件可靠性下 降，SiC传感器的性能下降的问题。

值得一提的是，在对SiC衬底的刻蚀中，Si(硅)原子的刻蚀既有化学反应作用，又有物理轰击作用，而C(碳)原子的化学性质比较稳定，对C原子的刻蚀起主要作用的是物理轰击，因此C原子的刻蚀速率远低于Si原子的刻蚀速率。当轰击粒子打在图形侧壁上时，引起C原子的一次溅射，之后C原子回弹到侧壁底部，引起C原子的二次溅射，这会加速微沟槽的出现。本实施例中，通过在刻蚀气体中加入HBr气体，HBr在轰击图形侧壁后，能够发生化学反应生成聚合物，所生成的聚合物附着在侧壁上，这减轻了C原子溅射对微沟槽形成的加速作用，有利于防止微沟槽的形成。

此外，由于HBr气体所生成的聚合物附着在刻蚀图形的侧壁上，对侧壁形成保护，减弱了反应离子对侧壁的刻蚀，因此有利于提高刻蚀图形的侧壁相对于底部的垂直度和侧壁的光滑程度，从而提高刻蚀图形的可靠性。

下面结合具体的刻蚀设备，对本实施例所提供的SiC衬底的刻蚀方法进行详细介绍。

参见图2和图3，首先在待刻蚀的SiC衬底1上形成具有图形的掩膜，此处以所形成的掩膜为SiO₂掩膜为例进行说明；然后将带有掩膜的SiC衬底1放入刻蚀设备的腔室6内，通过刻蚀设备的进气口5向腔室6内通入刻蚀气体，该刻蚀气体包括含氟气体、O₂和HBr气体；同时向上射频电极4施加上电极电压V1，上电极电压V1的功率为上电极射频功率，并向下射频电极(图3中未示出，位于静电卡盘7上)施加下电极电压V2，下电极电压V2的功率为下电极射频功率。上电极电压V1与下电极电压V2产生电弧放电，使部分刻蚀气体电离，形成等离子体11，等离子体11在上电极电压V1与下电极电压V2之间所形成的电场的作用下高速运动到SiC衬底1的表面，从而形成对SiC衬底1的物理轰击和化学反应刻蚀。

刻蚀气体所包括的含氟气体可为SF₆(六氟化硫)气体、C_xF_y(碳氟化合物)气体或CHF₃(三氟甲烷)气体等，其中C_xF_y气体例如可为CF₄(四氟化碳)气体。含氟气体的主要作用为通过电离得到氟离子，氟离子与SiC衬底1中Si原子发生化学反应，生成SiF₄(四氟化硅)气体，实现对Si原子的刻蚀。以含氟 气体为SF₆气体为例，其通过化学反应实现对Si原子的刻蚀的反应机理为：SiC+SF₆→SiF₄↑+CS₂↑+CF₄↑+SF₄↑；C+O₂→CO↑+CO₂↑。

前面已经提到，本实施中通过在刻蚀气体中加入HBr气体，防止刻蚀图形拐角处微沟槽的形成。所加入的HBr气体的气体流量在全部刻蚀气体总气体流量中所占的百分数不宜过多，过多会造成含氟气体和O₂的量太少，导致刻蚀速率下降；所加入的HBr气体的气体流量在全部刻蚀气体总气体流量中所占的百分数也不宜过少，过少会造成HBr无法有效地防止微沟槽形成。较为优选的是，所加入的HBr气体的气体流量在全部刻蚀气体总气体流量中所占的百分数为60％-80％。

刻蚀气体中，若含氟气体的气体流量超过O₂的气体流量过多，则会在增大刻蚀速率的同时，加剧微沟槽现象；若含氟气体的气体流量少于O₂的气体流量过多，则会导致刻蚀选择比下降。基于此，优选的可使刻蚀气体中含氟气体的气体流量与O₂的气体流量的比为1:1，以平衡微沟槽现象与刻蚀选择比之间的制衡关系。

需要说明的是，本实施例中所提到的刻蚀选择比具体是指SiC对SiO₂的刻蚀选择比。

为了保证较高的刻蚀选择比，上电极射频功率不宜过高，过高会造成粒子间碰撞的几率加大，造成粒子运动的平均自由程增加，直流自偏压下降，最终导致C刻蚀选择比降低；为了保证较高的刻蚀速率，上电极射频功率不宜过低，过低会造成含氟气体不能有效电离，反应离子的量减少，导致刻蚀速率下降。本实施例中，上电极射频功率的范围优选的可为1000W～1200W。

下电极射频功率如果过高，会导致刻蚀选择比下降，如果过低，会导致不能产生高速刻蚀，基于此，本实施例中下电极射频功率的范围优选的可为200W～350W。

需要补充说明的是，在对SiC衬底1的刻蚀过程中，化学反应会放出或吸收热量，可通过静电卡盘7底部连接冷却器8，来使放置于静电卡盘7上的SiC衬底1保持一定的温度，以保证刻蚀的均匀性。此外，刻蚀过程的反应生成物及剩余气体可通过分子泵9和干泵10抽走。

本实施例所提供的SiC衬底1刻蚀方法，能够改善各种图形关键尺寸的刻蚀时产生的微沟槽现象，尤其对于图形关键尺寸较小(小于2μm)的刻蚀时产生的微沟槽现象，改善效果特别显著。

需要说明的是，为了较为清楚的描述本实施例所提供的刻蚀方法，本实施例基于图3所示出的刻蚀设备对刻蚀方法进行了具体介绍，但是该刻蚀设备不应对本实施例所提供的刻蚀方法的适用范围构成限定，本领域技术人员基于本实施例所提供的技术方案，能够将该刻蚀方法用于其它结构的刻蚀设备。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。