（凝聚态物理专业论文）icp刻蚀sic机制及表面损伤的研究.pdf

摘要 刻蚀是s i c 器件制备过程中的一项关键工艺。由于s i c 材料的高硬度及稳定 的化学性质，普通的湿法刻蚀无法获得可行的刻蚀速率。目前，常采用的s i c 刻 蚀方法多为等离子体干法刻蚀，其中，i c p 刻蚀由于具有可同时提供较高的等离 子体密度及独立的衬底偏压源控制的特点，在较低的衬底偏压下即可获得合适的 刻蚀速率，从而可以获得较低的刻蚀损伤，因此i c p 刻蚀在s i c 器件制备中得到 广泛的应用。 本文采用c f 4 0 2 作为刻蚀气体，研究了不同刻蚀参数( 包括：工作压强、i c p 源功率、偏压源功率及0 2 流量) 下i c p 亥i j 蚀s i c 的刻蚀速率的变化。实验结果显 示，在高i c p 源功率、高偏压源功率及合适的0 2 含量( 这里为2 5 ) 、工作压强( 为 1 0 p a ) 下可以获得高的刻蚀速率。同时利用x 射线光电子能谱( s ) 及原子力 显微镜( a f m ) 对刻蚀后样品表面污染及表面粗糙度进行分析，研究了不同参 数下i c p i 蚀对s i c 材料引入的表面损伤，获得了低损伤刻蚀的优化工艺条件，为 i c p 源功率= 3 0 0 w ，偏压源功率= l o o w ，c f 4 0 2 流量= 1 5 1 5 s c c m ，工作压强 - - 0 2 5 p a 。文中还利用扫描电子显微镜( s e m ) 对刻蚀侧壁轮廓进行了观测。在 对刻蚀速率、刻蚀表面污染、刻蚀表面粗糙度及刻蚀侧壁轮廓的分析基础上，文 章对i c p 亥i 蚀s i c 的内在机理进行了探讨。 此外，本文通过在刻蚀后的样品表面制备n i 4 h s i c 肖特基二极管，进一步 衡量刻蚀对s i c 电学性质的影响。实验结果显示，刻蚀引入的损伤及污染使得肖 特基二极管器件电学性能严重退化。为了减少刻蚀引入的损伤，本文采用低刻蚀 损伤的工艺条件对样品进行第二次刻蚀，结果表明，二次刻蚀的器件性能较一次 刻蚀的器件性能有所改善。实验证明了采用第二次低损伤刻蚀处理可以一定程度 地去除高刻蚀速率下引入的高表面损伤。 关键词：4 h s i c ，i c p 刻蚀，c f 4 0 2 ，表面损伤 a b s t r a c t e t c h i n gi sak e yp r o c e s sf o rs i cd e v i c ef a b r i c a t i o n d u et o i t sh a r d n e s sa n d c h e m i c a li n e r t n e s s ，w e tc h e m i c a le t c hh a sb e e np r o v e nt ob ei n c o m p a t i b l e 谢t hd e v i c e p r o c e s s i n g 。d r ye t c h i n gi s ，t h e r e f o r e ，p l a y i n gac r i t i c a lr o l ei np r o c e s s i n gs i cd e v i c e s 。 a m o n gs e v e r a ld r ye t c hm e t h o d s ，i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a ( i c p ) e t c h i n gh a sb e e n w i d e l ya p p l i e di nt h es i cd e v i c ep r o c e s s ，b e c a u s ei tp r o v i d e sm u c hh i g h e rp l a s m a d e n s i t ya n da tt h es a n l et i m eo f f e r st h ec a p a b i l i t yo fs e p a r a t ec o n t r o lo fs u b s t r a t eb i a s t h i sm e a n sl o ws u b s t r a t eb i a se t c h i n g 、析t hr e a s o n a b l er a t ei sp o s s i b l ew h i c hs h o u l d l e a dt om i n i l n u n le t c h i n gi n d u c e dd a m a g e i nt h i sp a p e r , s i cw a sd r ye t c h e di ni c ps y s t e mu s i n gc f 4 0 2g a sm i x t u r e s e t c h r a t eh a sb e e ni n v e s t i g a t e d 嬲af u n c t i o no fd i f f e r e n tp a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gw o r k p r e s s u r e ，i c ps o u r c ep o w e r ，b i a sp o w e ra n dt h ef l o wr a t eo fo x y g e n t h er e s u l ts h o w s t h a th i g he t c hr a t eo fs i cc a nb ea c h i e v e dw i t hh i g hi c ps o u r c ep o w e r , h i g hb i a s p o w e r ，ap r e s s u r eo f1 0 p aa n d2 5 o x y g e nc o n t e n tw i t h i nt h ep l a s m a a n d 诵t i lt h e m e t h o d so fx r a yp h o t o e l e c t r o n i cs p e c t r u m ( x p s ) a n da t o mf o r c em i c r o s c o p e ( a f m ) ，t h es u r f a c ec o n t a m i n a t i o na n ds u r f a c er o u g h n e s si n d u c e di nt h ei c pe t c h i n g h a v ea l s ob e e ni n v e s t i g a t e d a no p t i m a le t c hc o n d i t i o n 、析ml o ws u r f a c ed a m a g ec a n b eo b t a i n e d , w h e r et h ei c ps o u r c ep o w e r ，b i a sp o w e r ，w o r kp r e s s u r e ，c f 4a n d0 2f l o w r a t e sw e r e3 0 0 w , 10 0 w ，0 2 5 p a ，15 s e e ma n d15 s e e m ，r e s p e c t i v e l y a n ds c a n n i n g e l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ( s e m ) w a sa l s ou s e dt os t u d yt h ee t c hp r o f i l e w i t ht h e s e a n a l y s e s ，t h es i ce t c hm e c h a n i s m sa r eu n c o v e r e d i na d d i t i o n ，t h ee l e c t r i c a ld a m a g et ot h es u r f a c ec a u s e db yi c pe t c h i n go fs i c w a sf u r t h e rc h a r a c t e r i s t i s e db yf a b r i c a t i n gn i 4 h s i cs c h o t t k yd i o d e so n t ot h e s u r f a c e se t c h e dw i t h i ni c pr e a c t o r t h er e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h ei c pe t c h i n g ，t h e p e r f o r m a n c e so ft h e d i o d e s g e tw o r s es i g n i f i c a n t l yd u e t ot h e d a m a g e a n d c o n t a m i n a t i o ni n d u c e di nt h ee t c h i n gp r o c e s s i no r d e rt or e d u c et h ed a m a g e ，as e c o n d e t c hp r o c e s sw i t hl o ws u r f a c ed a m a g ei si n t r o d u c e dt ot h ee t c h e ds a m p l e i ti s o b s e r v e dm a tt h ed i o d e sf a b r i c a t e do nt h es a m p l es u r f a c e sw h i c hw e r et r e a t e d 淅t l l t w o s t e pe t c hp r o c e s sh a v eab e r e rp e r f o r m a n c et h a nt h o s eo nt h es u r f a c et r e a t e d 、析t l l o n ee t c hp r o c e s s t h e r e f o r e ，i ti sb e l i e v e dt h a tt h eh i g hs u r f a c ed a m a g ew h i c hw a s i n d u c e di nt h eh i g h - - r a t ee t c h i n gc a nb er e d u c e dt h r o u g ha d d i n gas e c o n dl o w d a m a g e e t c hp r o c e s s k e y w o r d ：4 h s i c ，i c pe t c h ，c f 4 0 2 ，s u r f a c ed a m a g e i i i 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。本人在论文写 作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。本人依法享有 和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人( 签名) ： s 炙 础年岁月s 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学有权保留并向国 家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的 的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库 进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规 定。 本学位论文属于 1 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 2 不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“ ) 作者签名： 吕臭 日期：埘年f 月 j y 日 导师签名：杀谚 日期：谢年厂月 目 第一章绪论 第一章绪论 碳化硅( s i c ) 半导体材料是继第一代元素半导体材料硅( s i ) 和第二代化 合物半导体材料( g a a s 、g a p 、i n p 等) 之后发展起来的第三代宽禁隙( w b s ) 半导体材料。这类材料主要包括s i c 、c b n ( 立方氮化硼) 、g a n ( 氮化镓) 、 a 1 n ( 氮化铝) 、z n s e ( 硒化锌) 以及金刚石薄膜等【lj 。由于具有宽带隙、高临界 击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等一系列优点，s i c 材料在高温、 高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有极大的应用潜力【2 羽。此外，s i c 材料 的高硬度及化学稳定性使它在微机电系统( m e m s ) 中也有很好的应用前景。 1 1s i c 材料的基本性质 从结构上看，s i c 晶体结构具有同质多型的特点，即在化学计量成分相同情 况下，具有不同的晶体结构，如：闪锌矿结构、纤维锌矿结构和菱形结构。一般 把纤维锌矿结构和菱形结构的多型体统称为a s i c ，把闪锌矿结构的s i c 称为 b - s i c 。目前已发现的s i c 多型结构已超过2 0 0 种【l l 。所有的s i c 多型体均具有相 同的基本结构单元，即包含有4 个s i 原子及1 个c 原子的四面体结构。如图1 1 所示，4 个s i 原子位于四面体结构的四个顶点上，c 原子位于四面体的中心处。 邻近s i 或c 原子问的间距( 记为a ) 大约为3 0 8 a ，c 原子与每个s i 原子的距 离大约为1 9 9 a f 7 1 。在不同s i c 晶型间，所不同的是s i c 双分子层的堆垛次序。 在保持四面体结构的同时，每个s i c 双分子层相对格栅来说可处于三个不同的 s i a t o m c a t o m 图1 - 1c 原子和邻近的四个硅原子形成的基本四面体结构1 j i c p 刻蚀s i c 机制及表面损伤的研究 位置，分别由a 、b 、c 表示。双分子层堆积的次序决定了相邻双分子层平面中 的c 、s i 原子结合或呈现闪锌矿结构( 立方) 或呈现纤维锌矿结构( 六角) 【引。 每一种s i c 晶型结构都有各自不同的重复周期。如图1 2 所示，如果堆积顺序为 a b c a b c 则为立方结构，简写为3 c s i c ，这里3 指的是周期性次序中面的数 目。如果纯为纤维锌矿结构，堆积次序为a b a b 则称为2 h s i c 。图1 2 中同 样也显示了4 h s i c ( a b a c ) 和6 h s i c ( a b c a c b ) 的堆积顺序。4 h s i c 和6 h s i c 是最常见的两种六角晶型s i c 材料。它们是六角结构和立方结构的混 合体，两种结构所占的比例，在4 h s i c 中为1 ：l ，6 h s i c 中为1 ：2 t 8 1 。一般来说， 六角结构成分越大，禁带宽度越大。如：3 c s i c ，4 h s i c ，6 h s i c 及2 h s i c 的 禁带宽度分别为2 3 9 e v 9 1 ，3 2 e v 9 1 ，2 8 6 e v t 9 1 ，3 3 e v 引。s i c 双分子层的不同堆 垛顺序使得不同晶型的原胞高度( 记为c ) 也不尽相同。对2 h 、4 h 、6 h 型s i c 而言，其c a 比率相应为1 6 4 1 ，3 2 7 1 和4 9 0 8 t 1 1 。 a - b c | r c s i b a s e b a 圆c bo a 镑 茵a 圆b 母ab e oc 母a aba 圆e bo bo b a 黔a | 黔a 3 c2 t t 4 h 6 t l 图1 2 一般情况下2 h 、3 c 、4 h 、6 h s i c 材料的堆垛次序【1 1 秘2 图1 - 3 密勒指数描述六方结构1 l 借助一个六角密堆积坐标系统可以表示出s i c 材料的所有晶型。该坐标系由 2 第一章绪论 3 个同在a 平面的坐标轴a l ，a 2 ，a 3 和一个c 轴组成。c 轴方向为六角密堆积层的 堆积方向，a 平面垂直于c ，a 1 ，a 2 ，a 3 相隔1 2 0 0 角。商业化的s i c 体材料通常沿 平面偏离3 8 0 生长，以避免在生长4 h 外延层时引入3 c 晶型。在常用的 s i c 材料中沿垂直c 轴方向有两个不同的面：s i ( 0 0 0 1 ) 和c ( 0 0 0 1 ) 。而对于器 件应用，人们普遍选择“硅”面的s i c 材料，因为其外延层生长质量要好过“碳”面 的。 表1 - 1 不同半导体材料电学性质的比较1 9 1 表1 1 列出了常见的几种s i c 晶型结构及其他半导体材料电学性质的比较。 和传统的半导体材料如s i 、g a a s 相比，s i c 材料具有更宽的禁带宽度( 2 3 倍) ， 更高的热传导率( 3 1 3 倍) 、更高的临界击穿场( 4 2 0 倍) 和更大的载流子饱 和漂移速率( 2 2 5 倍) 。图1 4 给出了s i ，g a a s ，s i c 的电子速度与电场强度的 关系。由于内部光子散射较小，s i c 具有较大的饱和漂移速率。饱和漂移速度的 大小决定了器件所能达到的最大频率。较高的饱和电子漂移速度使得s i c 器件可 以工作在高频( 射频r f 或微波) 条件下。在高温器件应用中，本征载流子浓度 是一个很重要的参数，因为器件中p n 结漏电流通常与嘿或茸成正比。而本征载 流子浓度是温度及能量带隙的函数，其关系可由下面公式给出【lo 】： c p 刻蚀s i c 机制及表面损伤的研究 强= 瓜e x p ( 一嘉 ( 1 - ) 式中，k 为玻尔兹曼常数( 1 3 8 x1 0 彩j k ) ，t 为绝对温度，乓为禁带宽度，c 和 m 分别为导带和价带的有效态密度。图1 5 给出了不同材料的本征载流子浓度 随温度的变化曲线。在室温下，4 h s i c 材料的本征载流子浓度仅为7 x 1 0 _ 7 c m 。3 。 较宽的禁带宽度使s i c 具有较小的本征载流子浓度，这使得s i c 材料能够在更高 的温度下保持半导体特性。理论上，4 h s i c 的器件在超过1 5 0 0 。c 还可以工作。 宽的禁带宽度还使得s i c 材料对可见光部分没有响应，可直接用于紫外探测而不 需要像s i 紫外探测器那样加入额外的滤波片。此外，高的热传导率和高的临界击 穿电场预示着可以实现高的器件密度，基于s i c 材料的高频大功率器件能使固态 电路的功率密度至少提高4 个数量级，并大大地提高了这些器件的工作温度。 b e c t r i cf i e l di n t e n s i t y 。卅锄 图1 - 4s i 、g a a s 、s i c 材料的电子速度与电场强度的关系1 1 l j ： ： ： 7 j 1 0 0 ( 盯t 1 硝猢 图1 5 不同材料的本征载流子浓度随温度的变化曲线1 i 4 c5一fg嚣誊墓董警差薹 第一章绪论 由表1 1 还可以看到，不同晶型的s i c 的性质也有较大的差异。在常见的 s i c 多型结构中，3 c s i c 具有最小的禁带宽度( 2 3 9 e v ) ，最大的电子迁移率 ( 1 0 0 0 c m 2 v s ，对低掺杂材料) 及最大的载流子饱和漂移速率【1 1 】。这是因为 3 c s i c 具有高度对称的结构，这使得其内部光子散射减少，从而使饱和迁移率 增大。但是，3 c s i c 的缺点在于其不具有自己的衬底材料，不能像4 h s i c 及 6 h s i c 那样可以进行同质外延。而本实验采用的4 h s i c 材料则具有最大的禁带 宽度及较高的电子迁移率，它在紫外光电探测器、抗辐射器件及高温大功率器件 方面有着良好的应用前景。 1 2s i c 材料的发展及现状 s i c 材料最早由瑞士科学家j 5 n sj a c o bb e r z e l i u s 合成，它是一种坚硬、稳定 的一族二元化合物，它的莫氏硬度为9 2 9 。3 ，处于金刚石( 1 0 ) 及刚玉( 8 ) 之间，它在超过1 0 0 0 。c 的高温下仍能保持其机械性能。最初，s i c 作为一种研磨 材料，被用于切割、研磨及抛光上。1 9 0 7 年，研究者利用s i c 的场致发光效应 制得了第一只s i cl e d ，至此，s i c 作为半导体材料的潜力受到了人们的关注【1 】。 最古老的制备s i c 的方法是a c h e s o n 法，这是将焦炭与硅石混合物以及一定 量的含氯化钠等物质的掺入剂( 焦炭4 0 ，硅石5 0 ，掺入剂l o ) 放入槽形 熔炉中高温加热获得s i c 结晶的方法f l 】。这种方法下获得的s i c 是约2 - 3 c m 的鳞 状单晶小板或多晶体，显然，这种方法无法为规模生产s i c 器件提供高质量的 s i c 单晶。高质量s i c 单晶材料的生长方法由j a l e l y 在1 9 5 5 年提出，这种方 法基于“升华凝聚”原理，将工业级的s i c 块放入碳坩埚中，加热至2 5 0 0 ， 使s i c 发生明显的分解及升华，产生s i 和s i c 蒸汽压，在高温炉内形成的温度 梯度作用下向低温方向输运并凝聚在较低温度处，形成s i c 晶体。新方法的提出 促进了人们对s i c 电学性质的研究。然而这种方法由于温度过高，无法对晶体的 成核过程进行有效控制，获得的晶体质量不稳定，到7 0 年代早期关于s i c 的研 究基本停止。直到1 9 7 8 年，t a i r o va n dt s v e t k o v 提出改进l e l y 法【1 1 ，人们对s i c 的研究热情再次高涨。改进l e l y 法的特点在于使用籽晶使得成核过程变得可以 控制，改善了产率及多型控制的问题，这种方法也被称为物理气相传输( p h y s i c a l v a p o u r t r a n s p o r t ，p v t ) 。新的技术使得s i c 晶体质量不断提高。到1 9 9 1 年，美 i c p 刻蚀s i c 机制及表面损伤的研究 国c r e c 公司率先推出了商品化的6 h s i c 晶圆，之后又于1 9 9 4 年推出了4 h s i c 晶圆，自此s i c 材料才真正引起研究者的广泛重视，成为国际上新材料、微电子 和光电子领域的研究热点。 目前已经可以获得低电阻率( 1 0 。3 q c m ) 至绝缘( 1 0 1 5 q - c m ，4 h s i c ) 的s i c 晶圆。商业化生产的s i c 晶圆直径已经达到4 英寸( 4 h s i c ) 。在s i c 晶圆中存 在着两种主要的缺陷：微管及位错( 包括螺位错及刃位错) 。经过多年的努力， 微管密度已经大大降低。2 0 0 7 年l o 月，美国c r c e 公司宣布供应“零微管”n 型s i c 衬底，其微管平均密度低至o 7 个c m 2 ，这相当于制作芯片面积为1 c i n 2 见方的大 电流驱动元件时，能够确保6 5 的成品率。而引起元件成品率下降的另一缺陷 贯通螺旋位错缺陷，在3 英寸晶圆情况下，也被平均消减到3 7 5 个c m 2 【1 2 1 。 1 3s i c 材料的刻蚀综述 s i c 材料生长工艺的不断发展和进步促使人们对s i c 材料的研究空前地活跃 起来。近年来，人们已经利用s i c 材料制备出一些器件，如高压s c h o t t k y 势垒二极 管【1 3 1 、u m o s f e t 1 4 1 和m e s f e t 1 5 1 、静电感应晶体管( s i t ) b 6 、紫外( u v ) 光 电探测器【6 】等。在器件制备过程中，常常需要对s i c 材料进行图形化处理，比如： 在光电探测器、高压s c h o t t k y 势垒二极管中制备台面以进行电学隔离，及m e s f e t 制备过程中在特定区域挖掘凹槽用于埋栅制备。然而，由于s i c 材料的化学性质 十分稳定，常温下的湿法化学腐蚀无法实现s i c 的图形化。s i c 材料仅能在高温或 光电辅助条件下的强酸碱溶液内进行湿法化学腐蚀。例女i j s i c 材料可在温度为 4 8 0 c 的n a o h k o h 溶液中，在6 5 0 。c 的n 龇c 0 3 的熔融盐中，或在 4 0 0 的 n a 2 0 2 n a n 0 2 中进行湿法化学腐蚀【1 7 】。但是，这种高温湿法腐蚀的缺点在于：需 要昂贵的p t 制烧杯作为反应容器；只有很少的金属可以用作刻蚀掩膜；刻蚀为各 向同性，存在严重的钻蚀( u n d e r c u t ) 现象。利用能量高于禁带宽度的光辅助s i c 进行湿法腐蚀是可行的，其机制在于，能量高于禁带宽度的光照射在s i c 材料上 产生光生电子空穴对，随后，s i c 材料消耗光生空穴进行氧化分解，同时溶液中 的氧化剂与光生电子反应而减少。这种光电化学( p e c ) 腐蚀过程与材料的载流 子浓度及掺杂类型有关。s h o r 等k 1 8 l 利用此特性选择刻蚀了p 型p s i c 上的n 型 p - s i c 。在光的辅助下，光电化学腐蚀获得了合适的刻蚀速率且不需要高温反应 6 第一章绪论 条件，但是，它获得的刻蚀表面通常十分粗糙，且无法获得较小的特征尺寸。因 此，目前常采用的s i c 亥, j 蚀方法多为等离子体干法刻蚀。 用于s i c , j 蚀的等离子体干法刻蚀技术主要有：反应离子刻蚀( r e a c t i v ei o n e t c h i n g ，r e ) 【1 9 】，电子回旋共振等离子体( e l e c t r o nc y c l o t r o nr e s o n a n c ep l a s m a , e c r ) 刻蚀【2 0 1 及感应耦合等离子体( i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a , i c p ) 刻蚀口1 】等。 e 刻蚀系统是早期s i c 干法刻蚀研究中常使用的系统，它可以获得合适的刻蚀速 率且刻蚀各向异性，但是由于它的等离子体密度较低，获得的刻蚀速率相对较慢 ( 通常是几十n r n m i n ) 。般地讲，对于用r i e 系统刻蚀s i c ，要达到高的刻蚀速 率就需要高的衬底偏压，这也就导致了较高的表面损伤。因此，在e 刻蚀过程 中，高的刻蚀速率和低的表面损伤很难同时达到。而e c r 及i c p 亥i j 蚀系统均可以 提供较高的等离子体密度( 1 0 1 01 0 1 2 e m 3 ) ，同时提供独立的衬底偏压源控制性 能。这就意味着在较低的衬底偏压下即可获得合适的刻蚀速率，同时使获得最小 的表面刻蚀损伤成为可能【2 2 1 。又由于i c p 与e c r 亥i j 蚀设备相比，还具有结构简单、 外形小、操作简便、便于自动控制、适合大面积基片刻蚀等一系列优点，因此i c p 刻蚀系统在s i c 器件制备中得到了广泛应用。详细的等离子体反应腔介绍将在 2 4 中给出。 在等离子体反应腔中，为了有效地刻蚀s i c ，采用的刻蚀气体必须能够与s i c 发生化学反应且生成的产物必须具有挥发性以免刻蚀残留物留在s i c 表面上。目 前常采用的刻蚀气体有f 基气体及c l 基气体，其中f 基气体通常可以获得较c l 基气 体高的刻蚀速率，原因在于，在f 基气体下的刻蚀生成物具有更高的挥发性，更 易从s i c 表面去除。表1 2 【1 7 】给出t s i c 等离子体刻蚀中刻蚀产物的沸点，这在一 定程度上反应了刻蚀产物的挥发性。 表1 2s i c 等离子体刻蚀中刻蚀产物的沸点1 7 】 c l 基气体f 基气体 0 2 添加剂 刻蚀产物s i c hc c hs i f 4c f 4c 0 2 c o 沸点( ) 5 7 67 6 88 61 2 8 7 8 5 ( 升华) 一1 9 1 5 现在已经被研究的f 基刻蚀气体有：n f 3 【2 3 1 、s f 6 1 2 4 、c f 4 2 1 及c h f 3 【2 5 1 等，其 中最为有效的刻蚀气体为s f 6 。d w k i m 等a 瞄埽u m s f 6 获得了高达1 5 0 删蛐 7 i c p 刻蚀s i c 机制及表面损伤的研究 的s i c 亥u 蚀速率。一些气体添加剂，如0 2 、h 2 、m 等，也被添加到这些f 基气体 中以增加刻蚀速率或去除刻蚀残余物。实验发现 2 1 , 2 3 - 2 5 】，在低0 2 百分比下可以获 得更高的刻蚀速率，因为0 2 的添入使得这些气体在等离子体反应腔内产生更多的 f 活性基团。y i h 和s t e c k i l 2 7 】研究了h 2 的添入对s i c 亥u 蚀的影响。与0 2 的作用不同， h 2 的添入降低了s i c 的刻蚀速率，但是它阻碍了刻蚀残余物的形成，使得r i e 系 统中存在的“微掩膜”效应降低。所谓“微掩膜”效应即指：在r i e 系统中，电极( 通 常为a l 电极) 由于被置于等离子反应腔内，在刻蚀过程中不断受到离子轰击，溅 射出a l 原子并重新沉积在刻蚀样品上，形成刻蚀的“微掩膜”，阻碍了刻蚀的进行。 h 2 可与a l 反应形成挥发性物质a i h 3 ，从而使得刻蚀表面洁净。另外，虽然目前 c l 基气体获得的刻蚀速率没有f 基气体的高，但是实验发现【2 引，在c l 基气体下刻 蚀引入的s i c 亥u 蚀损伤较小，因此c l 基刻蚀气体也吸引了研究者的注意。 在s i c 等离子干法刻蚀过程中，不可避免地会引入表面污染及损伤。b s 飚m 【2 9 1 等人发现，在经s f 6 0 2 下r i e 亥u 蚀后的表面上制备肖特基二极管，其器件 性能较未刻蚀样品表面器件的性能差，他们认为这种差异的存在是由于刻蚀过程 中c 原子及s i 原子不同的去除速率导致了非化学计量比的表面，实验还观察到在 高0 2 含量下刻蚀获得的肖特基二极管的反向漏电流降低，原因可能在于0 2 的增加 使得非化学剂量比的刻蚀表面有所改善。vk h e r i l l ( a i 3 0 j 等人研究了不同刻蚀气体 下e 刻蚀s i c 对n i 4 h s i c 肖特基二极管的影响，他们发现，在c f 4 0 2 、c h f 3 0 2 及c h f 3 c f 4 下e 刻蚀均使得器件的性能变差，不过，相对于c h f 3 0 2 及c h f 3 c f 4 气体，c f d 0 2 下刻蚀获得的器件的i v 特性在低正向偏压下仍表现出良好的线性 特征，而对于c f i f 3 0 2 及c h f 3 c f 4 下刻蚀获得的器件在较低正向偏压下即受到串 联电阻的影响，而表现出偏离热电子发射理论的i v 特性。其中，c h f 3 c f 4 下刻 蚀获得的器件性能最差。由此可知，不同刻蚀气体在刻蚀过程中引入的表面污染 及损伤亦有所不同。b h l i t 2 2 】等人则研究了不同衬底直流偏压下i c p 刻蚀对 a u 6 h s i c 肖特基二极管电学性质的影响( 采用的刻蚀气体为c f 4 0 2 ) ，他们发现， 选择合适的衬底直流偏压( 这里为5 0 v ) 可以获得可与未刻蚀样品表面相比拟的 器件性能，他们认为，过高及过低衬底偏压造成肖特基二极管的势垒高度下降、 理想因子变大及反向漏电流变大的原因分别在于，高衬底偏压对应较高的离子轰 击能量造成较大的晶格损伤，而较低的衬底偏压不利于表面粗染污的去除，从而 8 第一章绪论 使器件性能变差。为了进一步降低刻蚀引入的刻蚀损伤，djm o r r i s o n 3 1 1 等人利 用不同后处理工艺对刻蚀后的样品表面进行处理，实验发现，利用牺牲氧化层 ( s a c r i f i c i a lo x i d a t i o n ) 处理可以有效地去除刻蚀污染及损伤。 1 4 本文工作及组织结构 本文的目的在于研究c f 们2 下i c p 芴j 蚀s i c 的物理机理及表面损伤。主要工作 分为两部分： ( 1 ) 研究了不同刻蚀参数对c f 4 0 2 下i c p 亥l j 蚀s i c 的刻蚀速率、刻蚀污染、刻蚀 表面粗糙度及刻蚀侧壁轮廓的影响，以此为基础探讨t i c p 刻蚀s i c 的内在机理， 优化了刻蚀工艺参数。 ( 2 ) 在刻蚀后的s i c 表面制备肖特基二极管，以此衡量刻蚀对s i c 电学性质的影 响，并尝试采用低损伤的第二次刻蚀对样品进行处理，以去除高刻蚀速率引入的 高刻蚀损伤。 本文其他章节的内容安排包括：第二章简单介绍了等离子体的相关知识及等 离子干法刻蚀的物理机理；第三章研究了不同刻蚀参数下i c p 亥l j 蚀s i c 的刻蚀结果 及其变化规律，第四章介绍了金属半导体接触理论，第五章则利用n i 4 h s i c 肖 特基二极管研究t i c v 刻蚀引入的损伤对s i c 材料电学性质的影响。 9 i c p 刻蚀s i c 机制及表面损伤的研究 参考文献 【l 】赫跃，彭军等碳化硅宽带隙半导体技术【m 】北京：科学出版社，2 0 0 0 ：1 1 5 【2 】k x i e ，j h z h a o ，j r f l e m i s h , e t a 1 ah i g h - c u r r e n ta n dh i g h - t e m p e r a t u r e6 h s i c t h y r i s t o r j i e e ee l e c t r o nd e v i c el e r e r ，19 9 6 ，l7 ( 3 ) ：14 2 14 4 3 】r j t r e w , j y a n ，em 。m o c k t h ep o t e n t i a lo fd i a m o n da n ds i ce l e c t r o n i cd e v i c e sf o r m i c r o w a v ea n dm i l l i m e t e r - w a v ep o w e ra p p l i c a t i o n s j p r o c e e d i n g so ft h ei e e e ，19 91 ，7 9 ： 5 9 8 6 2 0 【4 】a r p o w e l l ，l b r o w l a n d s i cm a t e r i a l s - p r o g r e s s ，s t a t u s ，a n dp o t e n t i a lr o a d b l o c k s j p r o c e e d i n g so ft h ei e e e ，2 0 0 2 ，9 0 ：9 4 2 - 9 5 5 【5 】a l b a r r y , b l e h m a n n , d f r i t s c h , e t a 1 e n e r g yd e p e n d e n c eo fe l e c t r o nd a m a g ea n d d i s p l a c e m e n tt h r e s h o l de n e r g yi n6 h - s i c j i e e et r a n s a c t i o n so nn u c l e a rs c i e n c e ，1 9 9 1 ，3 8 ： l l l i - i l l 5 【6 】d m b r o w n ，e t d o w n e y , m g h e z z o ，e t a 1 s i l i c o nc a r b i d eu vp h o t o d i o d e s j i e e e t r a n s a c t i o n so ne l e c t r o nd e v i c e s ，1 9 9 3 ，4 0 ( 2 ) ：3 2 5 3 3 3 【7 】ys p a r k s i cm a t e r i a l sa n dd e v i c e s ，s e m i c o n d u c t o ra n ds e m i m e t a l s ，v 0 1 5 2 m s a nd i e g o ： a c a d e m i cp r e s s ，19 9 8 【8 】h m o r k o c ，s s t r i t e ，gb g a o ，e t a 1 l a r g e b a n d g a ps i c ，i i i vn i t r i d e ，a n di i v iz n s e b a s e d s e m i c o n d u c t o rd e v i c et e c h n o l o g i e s j j o u r n a lo f a p p l i e dp h y s i c s ，19 9 4 ，7 6 ( 3 ) ：1 3 6 3 【9 】em o n r o y , fo r a n , s ，fc a l l e w i d e - b a n d g a ps e m i c o n d u c t o ru l t r a v i o l e tp h o t o d e t e c t o r s j s e m i c o n d u c t o rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , 2 0 0 3 ，1 8 ：r 3 3 - r 51 【1 0 】s m s z e s e m i c o n d u t o rd e v i c e s ：p h y s i c sa n dt e c h n o l o g y m j o h nw i l e y & s o n s i n c ， 1 9 8 5 【11 】s j p e a r t o n , p r o c e s s i n go fw i d eb a n dg a ps e m i c o n d u c t o r m n o r w i c h ：n o y e s p u b l i c a t i o n s ，2 0 0 0 【1 2 】大下淳一美国c r e e 开始供货无微管的1 0 0 m m 直径s i c 底板 h t t p ：w w w n i k k e i b p c o m c r g c h i n a n e w s s e m i p r _ s e m i 2 0 0 71 0 2 2 0 11 9 h t m l , 2 0 0 7 1 0 2 2 【13 】vs a x e n a ，j n s u a j s t e c k l h i g h v o l t a g en i a n dp t - s i cs c h o t t l c yd i o d e su t i l i z i n g m e t a lf i e l dp l a t e t e r m i n a t i o n j i e e e t r a n s a c t i o n so ne l e c t r o n d e v i c e s ，1 9 9 9 ， 4 6 ( 3 ) ：4 5 6 - 4 6 4 【1 4 】a k a g a r w a l ，j b c a s a d y , l b r o w l a n d , e t a 1 1 1 k v4 h s i cp o w e ru m o s f e t s 叽 i e e ee l e c t r o nd e v i c el e a e r , 19 9 7 ，18 ( 12 ) ：5 8 6 5 8 8 【l5 】c e w e i t z e l ，j w p a l m o u r , c h c a r t e r , e t a 1 s i l i c o nc a r b i d eh i g h p o w e rd e v i c e s j i e e et r a n s a c t i o n so ne l e c t r o nd e v i c e s ，1 9 9 6 ，4 3 ( 1 0 ) ：1 7 3 2 1 7 4 1 【1 6 】ym s u n g ，j b c a s a d y , j b d u f r e n e ，e t a lar e v i e wo fs i cs t a t i ci n d u c t i o nt r a n s i s t o r d e v e l o p m e n tf o rh i g h - f r e q u e n c yp o w e ra m p l i f i e r s j s o l i d s t a t ee l e c t r o n i c s ，2 0 0 2 ，4 6 ( 5 ) ： 6 0 5 6 l3 1 0 第一章绪论 【l7 】c m z e t t e r l i n g p r o c e s st e c h n o l o