一种二氧化硅倾斜台面结构的制作方法及其应用与流程

1.本发明属于半导体工艺技术领域，特别是半导体电力电子器件工艺技术领域，尤其涉及一种二氧化硅倾斜台面结构的制作方法及其应用。


背景技术：

2.二氧化硅(sio2)薄膜材料是一种物理和化学性能都十分优良的介质薄膜，具有介电性能优良、损耗小及材料稳定性好等优点，是半导体微加工工艺中使用最广泛的材料之一。它既可以用于半导体材料的刻蚀掩膜，也可以用于半导体器件的表面钝化，还可以用于金属层间的介质隔离，应用十分广泛，因此，二氧化硅薄膜的制备以及图形化工艺在半导体微加工工艺中是十分重要且基础的工艺技术。二氧化硅薄膜的制备方法有很多，既可以通过各种类型的化学气相沉积(cvd)设备(如pecvd、icpcvd以及lpcvd等)进行生长，也可以通过磁控溅射这类物理气相沉积设备进行生长，对于si或者sic材料来说还可以通过热氧化的方法在表面进行二氧化硅薄膜生长，而二氧化硅薄膜的图形化工艺则通常采用的是等离子体干法刻蚀工艺(如rie、icp刻蚀)或者湿法腐蚀工艺(如boe或者hf溶液湿法腐蚀)。
3.对于sio2的干法刻蚀工艺，由于干法刻蚀过程的各向异性以及使用光刻胶掩膜刻蚀sio2过程的刻蚀选择比通常大于1，因此采用rie或icp设备干法刻蚀得到的sio2刻蚀形貌一般都比较陡直。陡直的sio2刻蚀形貌在一些器件工艺场景中不如具有倾斜角度的sio2形貌有优势。例如，在加厚金属层间介质隔离这一应用场景中陡直的sio2开孔形貌会造成上层加厚金属的台阶覆盖性变差，而在利用sio2为掩膜刻蚀sic材料时陡直的sio2掩膜形貌容易造成sic刻蚀过程中在刻蚀底角处产生刻蚀微沟槽，最后在制作器件场板终端结构时，陡直的sio2形貌获得的耐压效率不如小角度的sio2形貌高。
4.如果采用湿法腐蚀工艺进行sio2薄膜的刻蚀，由于湿法腐蚀工艺的各向同性以及腐蚀药液的侧向钻蚀作用，湿法工艺得到的sio2刻蚀形貌其刻蚀倾角相较于干法工艺会更小，侧壁刻蚀倾角一般在20～45
°
之间。日本kimoto课题组的hiyoshi等人在2008年其发表于ted的文章中采用该方法制得了形貌近似为1/4圆弧的sio2倾斜台面并将其用于了刻蚀形成近似圆弧状的sic倾斜台面。但湿法腐蚀工艺的固有缺点是它在工艺上的控制更困难且工艺重复性与均匀性较差。尤其当光刻图形线宽尺寸较小的情况下使用湿法工艺腐蚀sio2会存在很大的光刻胶随机掉落风险，这将使得不应被腐蚀区域的sio2同样地被腐蚀掉，造成不可逆的工艺损失。另外湿法腐蚀所用的boe或者hf药液会对某些金属具有腐蚀作用，这限制了其在器件加厚金属层间介质隔离场景中的应用范围。
5.因此，考虑到工艺重复性及稳定性方面的原因，通常还是希望采用干法刻蚀工艺的方法来获得更小刻蚀角度的sio2结构，这就需要对传统的干法刻蚀工艺进行改进。根据公开报道，中科院半导体所的唐龙娟等人公开了一种采用光刻和干法刻蚀制作倾斜侧壁二氧化硅结构的方法，主要步骤为：1、对衬底进行清洗；2、在衬底上淀积二氧化硅薄膜；3、在淀积有薄膜的衬底上涂敷光刻胶，进行光刻；4、对光刻胶进行减薄处理；5、高温坚膜；6、对光刻后的衬底进行rie干法刻蚀获得倾斜的二氧化硅侧壁形貌。作者通过该方法获得了角
度在40～70
°
之间厚度为1.5μm左右的二氧化硅倾斜台面结构。另外工艺上通过光刻胶回流技术也能实现对sio2材料进行较小角度的刻蚀，光刻胶回流技术的特点如下：1、以光刻胶直接做为刻蚀sio2材料的掩膜；2、通过对光刻胶进行高温回流使得胶边沿的角度变小；3、对覆盖着光刻胶的sio2进行干法刻蚀，通过刻蚀过程中的图形转移得到具有较小倾角的sio2倾斜台面结构。上述提到的两种方法有相似之处，它们都利用了高温对光刻胶进行烘烤处理从而降低光刻胶掩膜的角度形貌，并最终通过刻蚀过程中的图形转移将小角度形貌转移到sio2薄膜上。尽管可以实现sio2倾斜台面结构的制备，但由于上述方法采用了高温烘烤工艺，会造成光刻胶碳化，这将导致后续的去胶过程较为困难，无法简单地通过丙酮清洗完全去除残余光刻胶。而无论通过浓硫酸+双氧水清洗或者等离子体去胶机去胶在某些器件应用场景中均由于会损伤已有器件工艺结构而无法实施。若降低光刻胶的烘烤温度，虽然有利于后续的去胶过程，但获得的sio2刻蚀角度也将更陡直。例如唐龙娟等人的专利申请中提到，当光刻胶烘烤温度为120℃时，获得的sio2刻蚀倾角仅为60～70
°
，无法很好地满足相关应用场景的使用需求。
6.综合上述讨论可知，当前已有的制作形成二氧化硅倾斜台面结构的工艺方法都有各自的不足。因此，为了进一步地简化工艺、改善形貌、增强应用场景适应性以及提高工艺稳定性等，新的制作sio2倾斜台面结构的工艺方法有待进一步的开发。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明提供一种二氧化硅倾斜台面结构的制作方法及其应用，该方法无需通过高温烘烤工艺即可实现二氧化硅倾斜台面结构的制作，为后续去胶提供方便，且通过本发明制备的二氧化硅倾斜台面结构可用于各类半导体器件的绝缘层、sic材料的刻蚀掩膜以及sic或gan等材料制备的功率器件的终端结构，具有广阔的应用前景。
8.为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种二氧化硅倾斜台面结构的制作方法，所述二氧化硅倾斜台面结构的斜坡顶部与底部均具有1～15
°
的小角度，中部具有15～60
°
的大角度，所述二氧化硅倾斜台面结构是一种上小下大且边缘形貌圆润光滑的倾斜台面结构；二氧化硅倾斜台面结构利用双层胶工艺对膜厚介于0.5～5μm之间二氧化硅薄膜进行剥离形成的，过程如下：
9.s1：在样片上旋涂厚度为1～5μm的垫厚胶层a；
10.s2：在垫厚胶层a上继续旋涂厚度为0.5～5μm的光刻曝光胶层b；
11.s3：对由垫厚胶层a和光刻曝光胶层b共同组成的双层胶进行光刻及显影，显影液同时对垫厚胶层a进行侧向腐蚀，垫厚胶层a的图形开孔尺寸大于光刻曝光胶层b的开孔尺寸，在双胶层结构上形成倒台面开孔结构；
12.s4：通过化学气相沉积设备或磁控溅射设备淀积sio2薄膜，淀积温度介于25～200℃之间，在光刻曝光胶层b上形成第一部分sio2薄膜，在双层胶倒台面开孔图形中形成第二部分sio2薄膜；
13.s5：剥离第一部分sio2薄膜，第二部分得到图形化的二氧化硅倾斜台面结构。
14.优选的，所述步骤s1中，所述样片包括但不限于si、sic和gan。
15.优选的，所述垫厚胶层a采用lor系列垫厚胶，所述光刻曝光胶层b采用az系列光刻胶。
16.一种二氧化硅倾斜台面结构的应用，所述二氧化硅倾斜台面结构作为绝缘介质层应用于各类型半导体器件的加厚金属层间，实现金属层间的电学隔离并改善上层金属在sio2介质开孔处的台阶覆盖性以及提高其电流承载能力。
17.一种二氧化硅倾斜台面结构的应用，所述二氧化硅倾斜台面结构作为刻蚀掩膜被应用于sic材料的倾斜角度刻蚀。
18.一种二氧化硅倾斜台面结构的应用，所述二氧化硅倾斜台面结构用于由sic或gan材料制备的功率器件的倾斜场板终端结构。
19.一种二氧化硅倾斜台面结构的应用，所述二氧化硅倾斜台面结构用于制作二氧化硅倾斜台面结构或者其他类型介质薄膜的倾斜台面结构，所述其他类型介质薄膜包括但不限于sin
x
薄膜。
20.本发明的有益效果是：本发明提供的二氧化硅倾斜台面结构的制作方法，该方法无需通过高温烘烤工艺即可实现二氧化硅倾斜台面结构的制作，为后续去胶提供方便。通过本发明制备的二氧化硅倾斜台面结构可用于：1、将该sio2倾斜台面结构应用于器件加厚金属层间隔离可改善其上层金属在介质开孔处的台阶覆盖特性，从而增强其通流能力；2、将该sio2倾斜台面结构应用于sic材料的倾斜刻蚀可避免刻蚀微沟槽的产生，若应用于制备形成倾斜刻蚀终端则与垂直刻蚀终端相比更能缓解边缘场强聚集效应，提升器件终端的耐压能力；3、将该sio2倾斜台面结构应用于sic或gan等材料功率器件的倾斜场板终端结构，则相较于传统的垂直或大角度场板终端结构，倾斜场板终端结构的耐压效率将明显提高。
附图说明
21.图1为所述二氧化硅倾斜台面结构的工艺制作流程；
22.图2为采用图1中工艺制作流程实际制得的二氧化硅倾斜台面结构的扫描电镜(sem)照片；
23.图3为实施例1中半导体开关器件门极与阳极金属加厚结构的截面示意图；
24.图4为实施例2中利用所述二氧化硅倾斜台面结构作为掩膜进行sic材料倾斜刻蚀的扫描电镜(sem)照片；
25.图5为实施例3中具有不同角度的sic肖特基二极管器件倾斜场板终端的器件耐压仿真结果。
具体实施方式
26.一种二氧化硅倾斜台面结构的制作方法及其应用，所述二氧化硅倾斜台面结构的斜坡顶部与底部具有1～15
°
的小角度，中部具有15～60
°
的大角度，形成了一种上小下大且边缘形貌圆润光滑的倾斜台面结构；该结构是利用双层胶工艺对二氧化硅薄膜进行剥离形成的，二氧化硅薄膜的膜厚介于0.5～5μm之间。其工艺制作流程如图1所示，采用上述工艺方法实际制得的二氧化硅倾斜台面结构如图2所示。本发明提供的二氧化硅倾斜台面结构的制作方法可在包括但不限于以下三方面的场景中应用：1、作为绝缘介质层被应用于各类型器件加厚金属层间电学隔离；2、作为刻蚀掩膜被应用于sic材料的倾斜角度刻蚀；3、作为钝化介质层被应用于sic或gan等材料功率器件的倾斜场板终端结构。
27.为了更好地理解本发明，下面将结合具体实施例来进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
28.实施例1
29.一种半导体开关器件，其器件正面存在门极加厚金属层和阳极加厚金属层两种金属互联结构以便进行电信号引出，阴极加厚金属位于衬底背面。在器件正面，为避免电学短路，门阳极加厚金属层间由sio2介质进行电学隔离，其中sio2隔离介质需要在阳极欧姆接触位置被刻蚀开窗以便阳极欧姆接触与加厚金属能够有效电学接触，其结构示意图如图3所示。其中，门极加厚金属厚度为3～4μm，sio2隔离介质厚度为2～3μm，阳极加厚金属为4～5μm。工艺上通常采用rie/icp等离子体干法刻蚀设备对上述sio2隔离介质进行开窗且得到的开窗侧壁为较为陡直的结构。该陡直的sio2刻蚀开窗工艺将造成后续在介质上方覆盖的阳极加厚金属在台阶位置的覆盖特性较差，进而导致器件阳极的通流能力显著恶化。为了改善上述提及的阳极加厚金属台阶覆盖性，可行的方法便是减小其下方sio2层在阳极开窗位置的刻蚀角度形貌，而采用本发明所提出的方法制作二氧化硅倾斜台面结构则可很容易的实现上述目标。
30.实施例2
31.利用本发明制作方法制得的二氧化硅倾斜台面结构可用于对碳化硅材料进行倾斜小角度刻蚀。具体工艺实施过程如下：
32.1、按照附图1中所展示的工艺制作流程在sic样片上制作图形化的二氧化硅倾斜台面结构，并将其作为后续进行sic材料刻蚀的掩膜；
33.2、将步骤1中制得的具有sio2图形化掩膜的sic样片放入icp等离子体干法刻蚀设备中，以sf6/o2为刻蚀气体对sic材料进行干法刻蚀；
34.3、采用boe湿法腐蚀方法去除残余的sio2掩膜并最终获得碳化硅的小角度刻蚀形貌；
35.图4为上述步骤2中sic刻蚀工艺完成之后样片的扫描电镜(sem)截面形貌，采用上述工艺方法获得的sic小角度刻蚀形貌可应用于sic刻蚀终端的制作，由于刻蚀角度较小，其将能显著改善刻蚀底角处的场强聚集效应，从而有效地提升器件刻蚀终端的刻蚀工艺窗口。
36.实施例3
37.利用本发明制作方法制得的二氧化硅倾斜台面结构可作为钝化介质层被应用于sic或gan等材料功率器件的倾斜场板终端结构。下面以sic肖特基二极管器件的倾斜场板终端结构对本发明内容在该方面的应用进行具体说明。
38.sic肖特基二极管器件(sic sbd)，其sic材料结构从上到下为n-/n+/substrate。n-为漂移层，其掺杂浓度为5
×
10
15
cm-3
，厚度为5μm；n+为缓冲层，其掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
，厚度为2μm；substrate为n+的4h-sic本征衬底，掺杂浓度为5
×
10
18
cm-3
，厚度为350μm。
39.其器件制备的工艺流程如下：
40.1、使用rca标准清洗方法对sic样片进行清洗；
41.2、在样片背面淀积150nm的ni金属并进行rta高温退火以形成背面欧姆接触；
42.3、按照附图1中所展示的工艺制作流程在sic样片正面制作图形化的二氧化硅倾斜台面结构，其中sio2图形开孔区域为定义的sic sbd器件有源区；
43.4、在样片正面通过光刻剥离工艺制作正面肖特基金属，肖特基金属可采用金属ni或金属ti，厚度为150nm；其中肖特基金属图形尺寸与sio2图形开孔尺寸相比向外扩展了30μm，金属扩展部分沿着二氧化硅钝化介质的倾斜台面结构正常地覆盖于其上；
44.5、对器件正面进行al金属加厚，背面进行ag金属加厚以方便打线封装；
45.6、在器件正面制作pi钝化层以完成整个器件制备工艺。
46.为验证倾斜场板终端对sic sbd器件耐压性能的影响，通过器件仿真软件对采用不同角度的器件场板终端结构进行了击穿耐压仿真，仿真结果如图5所示。可以明显看到随着场板终端倾斜角度的减小，器件终端的耐压效率在不断提升。其中45
°
倾角对应的终端效率为68％；26
°
倾角对应的终端效率为74％；11
°
倾角对应的终端效率为88％；6
°
倾角对应的终端效率为96.5％。因此通过采用本发明提出的二氧化硅倾斜台面结构制作方法制备形成的倾斜场板终端结构与传统的大角度或垂直场板终端相比将能显著地提升器件的击穿耐压效率。