一种碳化硅U型槽的制备方法

摘要

本发明公开了一种碳化硅U型槽的制备方法，包括如下步骤：(1)在SiC材料表面淀积氮化硅层；(2)在氮化硅层表面制备留有待刻蚀区域窗口的第一光刻胶层；(3)以第一光刻胶层为掩膜，对待刻蚀区域窗口对应的氮化硅层进行刻蚀，待刻蚀完成后去除第一光刻胶层；(4)以经刻蚀的氮化硅层为掩膜，将与待刻蚀区域对应的部分SiC氧化为二氧化硅层；(5)腐蚀去除氮化硅层；(6)腐蚀去除二氧化硅层得到缓变沟槽底；(7)在缓变沟槽底外的SiC材料上表面区域制备第二光刻胶层；(8)以第二光刻胶层为掩膜，刻蚀SiC材料以将缓变沟槽底结构转移到U型沟槽底。本发明能制备得到侧壁陡直、底部平缓、光滑的U型槽结构。

权利要求

1.一种碳化硅U型槽的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在SiC材料表面淀积氮化硅层；

(2)在所述氮化硅层表面涂覆光刻胶，通过第一光刻显影在所述氮化硅层表面形成留有待刻蚀区域窗口的第一光刻胶层；

(3)以第一光刻胶层为掩膜，刻蚀去除所述待刻蚀区域窗口与所述SiC材料之间的氮化硅层，待刻蚀完成后去除所述第一光刻胶层；

(4)以经步骤(3)刻蚀后的氮化硅层为掩膜，将与待刻蚀区域窗口对应的SiC部分氧化，形成二氧化硅层；

(5)腐蚀去除所述经步骤(3)刻蚀的氮化硅层；

(6)腐蚀去除所述二氧化硅层，得到具有缓变沟槽底结构的SiC材料；

(7)在步骤(6)得到的SiC材料表面涂覆光刻胶，通过第二光刻显影在所述缓变沟槽底结构以外的SiC材料的上表面形成第二光刻胶层；

(8)以所述第二光刻胶层为掩膜，干法刻蚀SiC材料以将缓变沟槽底结构转移到U型沟槽底，得到侧壁陡直、底部平缓、光滑的U型槽结构。

2.如权利要求1所述的碳化硅U型槽的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述氧化的条件为：氧化温度为1000℃～1400℃。

3.如权利要求1所述的碳化硅U型槽的制备方法，其特征在于，在所述步骤(1)前，还包括清洗SiC材料的步骤。

4.如权利要求3所述的碳化硅U型槽的制备方法，其特征在于，所述清洗SiC材料的步骤包括：先在120℃下用3号液清洗10分钟，按体积比，所述3号液中浓硫酸∶双氧水＝8∶1；然后在60℃下用1号液清洗10分钟，按体积比，所述1号液中氨水∶双氧水∶去离子水＝1∶1∶5；接着在80℃下用2号液清洗10分钟，按体积比，所述2号液中盐酸∶双氧水∶去离子水＝1∶1∶6；

再采用BHF溶液腐蚀15秒，按体积比，所述BHF溶液中氢氟酸∶去离子水＝20∶1，最后用去离子水冲洗后甩干。

5.如权利要求1所述的碳化硅U型槽的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述淀积氮化硅层采用等离子体增强化学气相淀积方法PECVD、电感耦合等离子体化学气相淀积方法ICP-CVD、高密度等离子体化学气相淀积方法HDPCVD、低压化学气相淀积方法LPCVD中的任一种方法。

6.如权利要求1～5中任意一项所述的碳化硅U型槽的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述刻蚀采用干法刻蚀法，且所述干法刻蚀法包括：采用CF3和CF4工艺气体干法刻蚀氮化硅层。

7.如权利要求1～5中任意一项所述的碳化硅U型槽的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中，所述腐蚀为湿法腐蚀，采用的腐蚀剂为热磷酸或氢氟酸。

8.如权利要求1～5中任意一项所述的碳化硅U型槽的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中，所述腐蚀为湿法腐蚀，采用的腐蚀剂为BOE溶液。

9.如权利要求1～5中任意一项所述的碳化硅U型槽的制备方法，其特征在于，所述步骤(8)中，所述干法刻蚀SiC材料包括：采用SF6、O2干法刻蚀SiC。

10.如权利要求1～5中任意一项所述的碳化硅U型槽的制备方法，其特征在于，所述步骤(8)还包括去除所述第二光刻胶层的步骤。

说明书

一种碳化硅U型槽的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种碳化硅U型槽的制备方法。

背景技术

[0002] 在SiC材料的刻蚀中，SiC材料的高硬度和化学稳定性使其只能在高温和熔融盐条件下被腐蚀，这种高温加工工艺一方面难以满足在器件制造中所要求的刻蚀精度，另一方面也为相关工装材料的选择造成了极大的困难，因此，目前干法刻蚀工艺被广泛应用于SiC材料的图形化。相对于平面栅SiC MOS器件，沟道栅SiC MOS器件由于消除了JFET区从而明显降低了导通电阻。但是，侧壁陡直底角平缓的U型槽是制备沟槽SiC MOS器件的一个技术难点。目前，SiC材料的干法刻蚀工艺一般为：SiC材料清洗、沉积掩膜层、光刻、干法刻蚀膜层、去胶、干法刻蚀SiC材料，以在SiC材料上形成刻蚀台阶形貌。采用该方法获得的台阶一般较陡峭，但是侧壁一般较粗糙。目前，主要是通过调节干法刻蚀SiC材料的工艺来优化工艺，很难同时保证刻蚀速率以及陡直、光滑、U型沟槽形貌。

[0003] 为了控制SiC U型槽的侧壁陡直度和缓变沟槽底部，目前主要通过调节干法刻蚀SiC材料的工艺参数来实现。首先利用物理刻蚀的各向异性形成陡直的侧壁，接着利用化学刻蚀的各向同性形成缓变的U型槽底部。由于两步刻蚀工艺涉及的工艺参量很多，使得工艺开发非常困难，耗时耗力，即使完成了工艺开发，最终获得的工艺窗口也很窄，对器件制备工艺的稳定性和器件的可靠性带来严重的影响。实际的工艺中非常难同时达到侧壁陡直、底部缓变的U型槽形貌。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种陡直、光滑、U型沟槽形貌的SiC刻蚀方法，该方法突破了依靠调节干法刻蚀SiC材料狭窄的工艺窗口的技术障碍，实现宽工艺窗口的工艺技术。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

[0006] 一种碳化硅U型槽的制备方法，所述方法包括如下步骤：

[0007] (1)在SiC材料表面淀积氮化硅层；

[0008] (2)在所述氮化硅层表面涂覆光刻胶，通过第一光刻显影在所述氮化硅层表面形成留有待刻蚀区域窗口的第一光刻胶层；

[0009] (3)以第一光刻胶层为掩膜，刻蚀去除所述待刻蚀区域窗口与所述SiC材料之间的氮化硅层，待刻蚀完成后去除所述第一光刻胶层；

[0010] (4)以经步骤(3)刻蚀后的氮化硅层为掩膜，将与待刻蚀区域窗口对应的SiC部分氧化，形成二氧化硅层；

[0011] (5)腐蚀去除所述经步骤(3)刻蚀的氮化硅层；

[0012] (6)腐蚀去除所述二氧化硅层，得到具有缓变沟槽底结构的SiC材料；

[0013] (7)在步骤(6)得到的SiC材料表面涂覆光刻胶，通过第二光刻显影在所述缓变沟槽底结构以外的SiC材料的上表面形成第二光刻胶层；

[0014] (8)以所述第二光刻胶层为掩膜，干法刻蚀SiC材料以将缓变沟槽底结构转移到U型沟槽底，得到侧壁陡直、底部平缓、光滑的U型槽结构。

[0015] 作为本发明的进一步改进，

[0016] 所述步骤(4)中，所述氧化的条件为：氧化温度为1000℃～1400℃。形成的二氧化硅层具有缓变沟槽底部，且可以根据对最终得到的U型槽底部的形貌要求调整高温氧化的时间，以调整二氧化硅层的结构。

[0017] 作为本发明的进一步改进，

[0018] 上述的碳化硅U型槽的制备方法中，在所述步骤(1)前，还包括清洗SiC材料的步骤。

[0019] 作为本发明的进一步改进，

[0020] 上述的碳化硅U型槽的制备方法中，所述清洗SiC材料的步骤包括：

[0021] 先在120℃温度下用3号液清洗10分钟，按体积比，所述3号液中浓硫酸：双氧水＝8：1；然后在60℃温度下用1号液清洗10分钟，按体积比，所述1号液中氨水：双氧水：去离子水＝1：1：5；接着在80℃温度下用2号液清洗10分钟，按体积比，所述2号液中盐酸：双氧水：
去离子水＝1：1：6；再采用BHF溶液腐蚀15秒，按体积比，所述BHF溶液中氢氟酸：去离子水＝
20：1，最后用去离子水冲洗后甩干。

[0022] 作为本发明的进一步改进，

[0023] 上述的碳化硅U型槽的制备方法中，所述步骤(1)中，所述淀积氮化硅层采用等离子体增强化学气相淀积方法PECVD、电感耦合等离子体化学气相淀积方法ICP-CVD、高密度等离子体化学气相淀积方法HDPCVD、低压化学气相淀积方法LPCVD中的任一种方法。其中优选PECVD法，可以制备得到具有较低压应力的氮化硅薄膜层。

[0024] 作为本发明的进一步改进，

[0025] 上述的碳化硅U型槽的制备方法中，所述步骤(3)中，所述刻蚀采用干法刻蚀法，且所述干法刻蚀法包括：采用CF3和CF4工艺气体干法刻蚀氮化硅层。

[0026] 作为本发明的进一步改进，

[0027] 上述的碳化硅U型槽的制备方法中，所述步骤(5)中，所述腐蚀为湿法腐蚀，采用的腐蚀剂为热磷酸或氢氟酸。

[0028] 作为本发明的进一步改进，

[0029] 上述的碳化硅U型槽的制备方法中，所述步骤(6)中，所述腐蚀为湿法腐蚀，采用的腐蚀剂为BOE溶液。

[0030] 作为本发明的进一步改进，

[0031] 上述的碳化硅U型槽的制备方法中，所述步骤(8)中，所述干法刻蚀SiC材料包括：采用SF6、O2干法刻蚀SiC。

[0032] 作为本发明的进一步改进，

[0033] 上述的碳化硅U型槽的制备方法中，所述步骤(8)还包括去除第二光刻胶层的步骤。

[0034] 本发明提出以氮化硅作为掩膜，采用高温氧化与干法刻蚀相结合的工艺方法，利用SiNx作为掩膜对SiC进行局部氧化，利用扩散的各向同性形成平缓的沟槽，然后利用干法刻蚀将此形貌转移到U型槽底部，以制备侧壁陡直底角平缓的SiC U型槽结构。

[0035] 与现有技术相比，本发明的优点在于：

[0036] (1)本发明以氮化硅作为掩膜进行SiC的高温氧化，利用高温氧化时氧原子扩散的各向同性形成缓变沟槽底部结构，同时利用高温氧化后二氧化硅与SiC之间良好的界面特性形成光滑的沟槽底部结构。然后，通过普通的干法刻蚀的方法将此光滑缓变的沟槽底结构转移到U型沟槽底。

[0037] (2)本发明中的氮化硅沉积、氮化硅刻蚀、SiC高温氧化、干法刻蚀SiC等工艺技术都是成熟的工艺技术，因此，本发明可以降低工艺开发的困难，扩大工艺窗口，增强器件制备工艺的稳定性和器件的可靠性。

附图说明

[0038] 图1为本发明实施例提供的普通的SiC外延片的结构示意图。

[0039] 图2为本发明实施例提供的沉积氮化硅薄膜后的SiC外延片的结构示意图。

[0040] 图3为本发明实施例提供的第一次光刻后的SiC外延片的结构示意图。

[0041] 图4为本发明实施例提供的干法刻蚀氮化硅薄膜并除去第一光刻胶层后的SiC外延片的结构示意图。

[0042] 图5为本发明实施例提供的氧化部分SiC为二氧化硅层后的SiC外延片的结构示意图。

[0043] 图6为本发明实施例提供的经湿法腐蚀氮化硅薄膜和二氧化硅层后的SiC外延片的结构示意图。

[0044] 图7为本发明实施例提供的第二次光刻后的SiC外延片的结构示意图。

[0045] 图8为本发明实施例提供的干法刻蚀SiC并出去第二光刻胶层后的SiC外延片的结构示意图。

[0046] 图中各标号表示：

[0047] 1、SiC外延片；2、氮化硅薄膜层；3、第一光刻胶层；4、二氧化硅层；5、第二光刻胶层。

具体实施方式

[0048] 以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

[0049] 以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。

[0050] 实施例：

[0051] 一种碳化硅U型槽的制备方法，所述方法包括如下步骤：

[0052] 1)清洗SiC外延片1

[0053] 首先将图1所示的SiC外延片1在120℃下用3号液(体积比，浓硫酸∶双氧水＝8∶1)清洗10分钟；然后在60℃下用1号液(体积比，氨水∶双氧水∶去离子水＝1∶1∶5)清洗10分钟，接着在80℃下用2号液(体积比，盐酸∶双氧水∶去离子水＝1∶1∶6)清洗10分钟，然后采用BHF溶液(体积比，氢氟酸∶去离子水＝20∶1)腐蚀15秒，再用去离子水冲洗后甩干。

[0054] 2)淀积氮化硅薄膜层2

[0055] 采用PECVD，即等离子体增强化学气相淀积方法沉淀氮化硅薄膜层2，具体为：采用SiH4(由He或Ar稀释到体积百分数10％)和纯NH3气体淀积如图2所示的低应力氮化硅薄膜层2。淀积氮化硅薄膜层2的工艺条件为：功率源频率为13.56MHz，反应压力为120Pa，射频功率为20W，温度为350℃。

[0056] 此外，也可以采用电感耦合等离子体化学气相淀积方法ICP-CVD、高密度等离子体化学气相淀积方法HDPCVD或低压化学气相淀积方法LPCVD替代PECVD。

[0057] 3)制备第一光刻胶层3

[0058] 将淀积完氮化硅薄膜层2的SiC外延片1于120℃干燥2分钟；然后于90℃下熏蒸HMDS蒸汽90秒以增加光刻胶与SiC外延片1的粘附力；再设置涂胶转速为2000转/分钟～5000转/分钟，在氮化硅薄膜层2表面涂厚度为1.5μm～2.5μm的光刻胶AZ5214。涂胶后，在90℃软烘1分钟，再采用Stepper光刻机进行光刻，爆光能量为165mJ～255mJ。将显影转速设定为150转/分钟，显影12秒～16秒。完成显影后于120℃烘箱中固胶30分钟，在氮化硅薄膜层2的表面制备图3中所示的第一光刻胶层3，氮化硅薄膜层2上表面留有待刻蚀区域窗口，优选地，该窗口位于所述氮化硅薄膜层2的上表面中部。

[0059] 4)干法刻蚀氮化硅薄膜层2

[0060] 以第一光刻胶层3为掩膜，采用CF3和CF4工艺气体干法刻蚀氮化硅薄膜层2，以刻蚀去除待刻蚀区域窗口与SiC外延片1之间的氮化硅薄膜层2，即利用步骤3)中的待刻蚀区域窗口刻蚀氮化硅薄膜层2至SiC外延片1上表面，其中，刻蚀的射频功率为400W，反应腔室压强为5Pa。完成干法刻蚀后，通过3号液去除第一光刻胶层3，形成图4所示的结构。

[0061] 5)高温氧化SiC外延片1

[0062] 以氮化硅薄膜层2为掩膜，在1000℃～1400℃高温下，干氧或湿氧至少氧化部分与待刻蚀区域窗口对应的SiC，形成图5所示的具有缓变沟槽底部结构的二氧化硅层4。根据对最终SiC所需获得的U型槽底部的形貌要求调整高温氧化的时间。

[0063] 6)湿法腐蚀氮化硅薄膜层2

[0064] 采用体积分数为85％～88％的磷酸，于155℃～165℃下腐蚀去除氮化硅薄膜层2。

[0065] 7)湿法腐蚀二氧化硅层4

[0066] 采用BOE溶液(体积比，40％氟化铵∶49％氢氟酸＝6∶1)腐蚀去除二氧化硅层4，制备如图6所示结构。

[0067] 8)制备第二光刻胶层5

[0068] RCA清洗SiC外延片1后，将SiC外延片1于120℃干燥2分钟，然后于90℃下熏蒸HMDS蒸汽90秒以增加光刻胶与SiC外延片1的粘附力，接着设置涂胶转速为2000转/分钟～5000转/分钟，在SiC外延片1表面涂1.5μm～2.5μm的光刻胶AZ5214。涂胶后在90℃软烘1分钟，再采用Stepper光刻机进行光刻，爆光能量为165mJ～255mJ。将显影转速设定为150转/分钟，显影12秒～16秒。完成显影后于120℃烘箱中固胶30分钟，在SiC外延片1上表面除缓变沟槽底结构以外的区域制备如图7所示的第二光刻胶层5。

[0069] 9)干法刻蚀SiC外延片1

[0070] 以第二光刻胶层5为掩膜，采用SF6、O2干法刻蚀SiC外延片1，干法刻蚀时，射频功率为100W，ICP功率为1500W，腔体内压力为2╳10-2Torr。通过刻蚀将缓变沟槽底结构转移到U型沟槽底，然后去除第二光刻胶层5，形成如图8所示具有侧壁陡直、底部平缓、光滑的碳化硅U型槽结构。

[0071] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。