北方华创：实现8吋SiC无缺陷超结沟槽刻蚀

近日，北方华创等团队发布了一篇论文，题目为《等离子刻蚀高深宽比和圆角SiC沟槽》。论文提到，他们通过优化等离子蚀刻配方，在8英寸SiC衬底上成功实现了无缺陷的超结器件高纵深比沟槽刻蚀（>5:1），以及沟槽栅SiC MOSFET器件的圆角沟槽刻蚀，这对于提高SiC沟槽功率器件的性能具有巨大的潜力。

北方华创的SiC沟槽刻蚀工艺主要有3个优势：

▲ 实现高纵深比SiC沟槽刻蚀，没有表现出弯曲、微沟槽和“V”形轮廓等明显异常；

▲ SiC 沟槽尺寸与后续外延工艺非常吻合；

▲ 引入氮气，能够直接实现圆角SiC沟槽结构刻蚀，无需退火。

沟槽刻蚀2大难点：

“V”形轮廓、微沟槽异常

众所周知，为了进一步提高 SiC功率器件的性能，业界正在推进沟槽栅SiC MOSFET和超结SiC器件的开发，但是超结SiC器件通常需要具有垂直侧壁的高纵深比（AR）沟槽，而沟槽SiC MOSFET必须要将沟槽拐角修圆形成“U”形。

制作高纵深比 (AR>10) 沟槽时会出现倾斜侧壁或“V”形轮廓，这会对超结器件的性能产生负面影响。通常，沟槽侧壁角度必须超过88°，以防止载流子在不同晶格平面漂移，“V”形沟槽会阻碍SiC器件内的载流子迁移率。

显然，SiC刻蚀需要消除“V”形，但这又会导致沟槽底部变平，导致出现微沟槽异常。

虽然在蚀刻后采用退火工艺，可以有效制作具有圆角的SiC沟槽，但通过等离子蚀刻实现这种结构仍然具有挑战性，这是因为SiC功率器件通常需要离子注入，退火会增加成本和生产率挑战。

该团队认为，截至目前，业界还没有办法仅仅通过等离子刻蚀而不采用退火，来实现SiC沟槽顶部圆角刻蚀。

北方华创：

优化刻蚀配方，突破SiC沟槽刻蚀难题

为了解决上述难题，以进一步提高SiC沟槽的纵深比，北方华创团队将等离子刻蚀配方进行了优化，主要包括：

▲针对超结器件调整气体流量比；

▲针对栅极沟槽器件引入氮气稀释。

整体刻蚀工艺流程如下：

▲对8英寸N掺杂SiC衬底（无外延层）进行湿法清洗；

▲采用等离子增强化学气相沉积 (PECVD) 在SiC衬底上生长不同厚度的SiO2硬掩模;

▲将光刻胶(PR)旋涂到SiC衬底上，通过SMEE SSB500光刻获得不同间距和宽度的矩形图案，然后进行PR显影；

▲使用NAURA GSE C200腔室打开SiO2硬掩模，去除剩余的PR；

▲使用NAURA GDE C200腔室进行SiC沟槽蚀刻。

为了优化栅极沟槽SiC功率器件的沟槽轮廓，该团队主要采取2个措施：

▲将侧壁角度调整为85°左右，以便于后续多晶硅填充时不会形成空隙，这得益于修改SiO2硬掩模的等离子蚀刻配方。

▲将沟槽角修圆，以减轻器件在拐角处的拱起，这是通过将N2引入到等离子蚀刻配方中，而且Cl2取代了BCl3，并从配方中完全去除SF6，以降低SiC对SiO2的选择性。

如果没有N2，拐角仍然很尖，因为N2稀释可能会影响SiC沟槽内的气体扩散，导致角处蚀刻剂浓度降低。而且，由于NO的形成，N2的引入会降低Cl原子在SiC (0001) 面的吸附强度，有助于通过Cl自由基的各向同性化学蚀刻在底部形成圆角。

圆角SiC 沟槽的优化等离子刻蚀结果

为了进一步提高SiC超结器件的沟槽纵横比，该团队优化了等离子蚀刻配方，成功将超结器件的 SiC 沟槽的纵横比提高到 5:1 以上，更详细的内容可下载查看该文献。

高纵深比 SiC 沟槽：(a) CD约为0.5μm。(b) CD约为 0.8 μm

来源：行家说三代半

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