SF6+O2等离子体中SiC沟槽与MESA结构的ICP-RIE刻蚀速率差异：氧含量依赖性的几何效应解析

为解决SiC半导体器件加工中刻蚀速率与结构几何特性的关联性问题，研究人员通过ICP-RIE技术系统研究了SF6+O2等离子体下沟槽与MESA结构的刻蚀动力学，首次揭示两者对氧含量的相反响应趋势，为高精度SiC器件制造提供理论依据。

　　

碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料，因其宽禁带、高击穿场强和优异的热稳定性，成为高温高压器件的理想选择。然而，这种“硬核”特性也带来加工难题——传统化学方法难以实现SiC的精密刻蚀。在微机电系统（MEMS）和功率器件制造中，需要同时制备沟槽（trench）和台面（MESA）两种典型结构，但现有研究多聚焦平面刻蚀，对几何效应认知不足。更棘手的是，当采用SF₆/O₂混合等离子体时，文献报道的氧含量与刻蚀速率关系存在矛盾，这直接制约着器件性能的均一性控制。

针对这一技术瓶颈，?ukasiewicz微电子与光子学研究所联合国家科学中心的研究团队在《Vacuum》发表重要成果。研究人员采用双射频源ICP-RIE系统（Oxford Instruments PlasmaPro100），通过SEM、XPS等表征手段，首次系统对比了沟槽与MESA结构在SF₆+O₂等离子体中的刻蚀行为差异。实验选用SiO₂/Si载片保护电极，通过调控O₂浓度梯度（0-50%），结合SIMS深度剖析揭示表面化学演变规律。

材料与方法
研究采用13.56 MHz射频源的ICP-RIE系统，通过铬掩模制备特征结构。关键创新在于引入2.5μm厚SiO₂缓冲层消除微掩蔽效应，并采用触针轮廓仪实时监测刻蚀深度。XPS分析聚焦C1s和Si2p轨道变化，SEM观测侧壁形貌，SIMS追踪元素纵向分布。

结果与讨论
研究发现：沟槽结构在低氧区间（<50% O₂）呈现反常的“先降后升”刻蚀速率曲线，与MESA结构的单调上升趋势形成鲜明对比。XPS证实这是由于沟槽底部优先形成碳富集层（C-rich layer），阻碍刻蚀进行；当氧含量超过临界值后，表面转为SiO_x钝化层，恢复刻蚀活性。SEM显示MESA结构的各向异性度始终高于沟槽（89° vs 82°），这与离子通量分布差异直接相关。

结论
该研究首次阐明SiC刻蚀动力学的几何依赖性机制：沟槽结构因局部等离子体约束效应，导致底部碳残留积累，需更高氧阈值才能触发转化；而MESA结构的开放特征使其始终维持氟自由基主导的刻蚀路径。这一发现为功率MOSFET栅槽刻蚀、MEMS谐振腔加工等关键工艺提供了精准调控依据，推动SiC器件向亚微米尺度迈进。论文通讯作者Pawe? Piotr Micha?owski强调，该成果将指导工程师根据目标结构选择最佳O₂配比，有望将SiC器件良率提升30%以上。