利用光学发射光谱诊断技术辅助的小角度SiC ICP刻蚀研究

《Vacuum》：Investigation of small-angle SiC ICP etching assisted by optical emission spectroscopy diagnostics

SiC小角度刻蚀方法及等离子体化学参数模型研究，采用SF6/O2混合气体ICP刻蚀技术制备表面质量高的小角度沟槽，建立基于OES的K参数非线性模型实现刻蚀角度实时估算，优化条件下成功制备暗电流pA级、增益超10^6的SiC APD器件。

　　

袁登文|钟宇|贾秋邦|刘泽东|李亚欣|蔡晶晶|张瑞|徐明生|徐向刚|韩继生

山东大学新型半导体研究所及晶体材料国家重点实验室，中国济南，250100

摘要

碳化硅（SiC）的小角度刻蚀在先进功率器件和光电子器件的制造中得到广泛应用。本文介绍了一种利用感应耦合等离子体（ICP）刻蚀技术在4H-SiC上制备高质量小角度沟槽的方法。通过结合光发射光谱（OES）技术，研究了ICP功率、射频功率以及SF₆/O₂气体混合物中O₂比例对SiC刻蚀角度和表面粗糙度的影响。研究结果表明，在这三个因素中，O₂比例起主导作用。基于OES特征峰的分析，首次建立了一个模型参数K，该参数与SiC刻蚀角度具有强烈的非线性指数关联。这使得无需额外复杂测量即可实现刻蚀角度的实时估计。最终，在最佳刻蚀条件下制备出了SiC雪崩光电二极管（APD），该器件实现了pA级别的暗电流和超过10⁶的最大增益。本研究为简化工艺的小角度斜面SiC器件的开发与制造提供了关键见解。

引言

碳化硅（SiC）因其宽禁带、高导热性和高击穿场强而受到关注，并已广泛应用于功率电子学和光电子学领域[[1], [2], [3], [4]]。尽管许多研究集中在实现高度各向异性和无损伤的SiC垂直沟槽结构上，但关于小角度（<10°）SiC刻蚀的报道仍然有限[[5], [6], [7]]。特别是，小角度刻蚀的优化策略及其潜在机制尚不明确。小角度刻蚀在光电子器件的光发射控制、功率器件的终端钝化结构以及MEMS或传感器的特殊微结构构建中起着关键作用[8,9]，因此系统研究SiC小角度刻蚀具有重要意义。

感应耦合等离子体（ICP）刻蚀是一种广泛使用的SiC干法刻蚀方法[10,11]。该系统通常配备有光发射光谱（OES）装置，用于检测刻蚀终点并实时监测刻蚀腔内的等离子体化学成分。然而，OES是一种半定量诊断方法，无法准确反映等离子体中活性物种的实际浓度或反应活性。目前，一些研究虽然利用OES分析了等离子体化学性质，但尚未系统探讨光谱特征与刻蚀结果（如沟槽角度）之间的关联[[12], [13], [14]]。探索OES光谱特征与SiC刻蚀性能之间的定量关系不仅有助于加深对刻蚀机制的理解，还能简化实验制备过程，对大规模商业化生产中的工艺优化和成本降低具有重要意义。

在本研究中，使用光刻胶（PR）掩模在SF₆/O₂气体混合物中通过ICP刻蚀获得了小角度SiC沟槽。系统研究了ICP功率、射频功率和O₂比例对沟槽角度和表面粗糙度的影响。通过OES技术建立了等离子体参数K模型，以定量关联OES信号与SiC刻蚀角度。随后制备并测量了SiC雪崩光电二极管（APD），验证了刻蚀方法的有效性。这项工作将微观等离子体化学与宏观刻蚀结果联系起来，为未来的SiC器件开发提供了指导。

样品制备

实验样品为n型4H-SiC衬底（表面取向[[11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20]]：±0.5°，Si面，电阻率：0.015–0.028 Ω·cm），尺寸为1.2 × 1.2 cm²（广州 Summit Crystal Semiconductor有限公司，中国）。完整的实验流程如图1所示，步骤如下：

1. (a)
   所有样品均采用标准RCA工艺进行清洗。
2. (b-g)
   在SiC衬底上制备带有图案的光刻胶（PR）掩模。
3. (h)
   在SF₆/O₂气体中进行ICP刻蚀。

ICP功率

图4显示了不同ICP功率下的SiC刻蚀速率、选择性、刻蚀角度和K值。如图4(a)所示，当ICP功率从600 W增加到1200 W时，SiC刻蚀速率从392 nm/min增加到600 nm/min，PR/SiC选择性（$S^{\prime }$ = 1/ ）从2.92降低到2.55。这种行为可归因于ICP功率增加导致刻蚀气体电离增强，从而提高了腔内的等离子体密度[[23], [24], [25]]。

结论

总结来说，本文研究了一种使用弧形光刻胶掩模制备高质量小角度SiC沟槽的ICP刻蚀方法。系统研究了ICP功率、射频功率和O₂比例对刻蚀角度和表面粗糙度的影响。研究发现，O₂比例起主导作用：增加O₂比例可显著减小SiC刻蚀角度并减少表面氟残留物；然而，它也会促进SiO_x/SiO_xC_y的形成，从而污染表面。

CRediT作者贡献声明

袁登文：撰写——初稿。

钟宇：撰写——审阅与编辑。 贾秋邦：资源准备。 刘泽东：实验研究。 李亚欣：实验研究。 蔡晶晶：实验研究。 张瑞：实验研究。 徐明生：资源准备。 徐向刚：资源准备。 韩继生：资源准备。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：62204142）、山东省泰山学者基金（编号：tsqn202306332）以及山东省重点研发计划（编号：2022CXGC010103和2022ZLGX02）的支持。