SiC功率器件制造中的濕法工藝設(shè)備研究

宋文超，賈祥晨，李家明，王洪建，劉廣杰

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

近年來，SiC功率器件的出現(xiàn)大幅提升了半導(dǎo)體器件的性能，對電力電子行業(yè)的發(fā)展意義重大。與Si器件相比，SiC功率器件可使電力電子系統(tǒng)有效地實(shí)現(xiàn)高效率、小型化和輕量化。而且SiC功率器件的能量損耗只有Si器件的50%，發(fā)熱量只有Si器件的50%，且有更高的電流密度，在相同功率等級(jí)下，SiC功率模塊的體積明顯小于Si功率模塊。

SiC功率器件包括SiC功率二極管、SiC MOSFET器件、碳化硅絕緣柵雙極晶體管（SiC BJT、SiC IGBT）和碳化硅晶閘管（SiC Thyristor）。SiC功率二極管有3種類型：肖特基二極管（SBD），PIN二極管和結(jié)勢壘控制肖特基二極管（JBS）。SiC功率MOSFET作為一種重要的功率器件，由于柵極驅(qū)動(dòng)電路簡單、工作頻率高、功率密度大以及轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于電力電子系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 SiC MOSFET器件的基本結(jié)構(gòu)

濕法工藝是SiC功率器件制造中的重要工藝環(huán)節(jié)，貫穿晶體生長、材料加工、器件制造和器件封裝的整個(gè)過程，在晶圓切割、研磨、拋光、外延、光刻、淀積、離子注入、氧化、刻蝕、金屬化以及封測等各工藝環(huán)節(jié)中均有涉及，其中主要濕法工藝包括拋光后清洗、柵氧清洗、SPM去膠、有機(jī)去膠、SiO2腐蝕、金屬濕法腐蝕、金屬剝離等，對應(yīng)的設(shè)備國內(nèi)均已研制成功，并在推廣應(yīng)用。

1 SiC功率器件制造工藝流程

SiC MOSFET功率器件制造流程包括材料制備、芯片制造和封裝等步驟，其中工序較多的芯片制造流程如圖2所示。

圖2 SiC MOSFET器件制造工藝流程

2 常用濕法工藝設(shè)備

2.1 拋光片清洗設(shè)備

拋光片清洗是SiC晶圓制備關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)之一，提供無缺陷、超潔凈的襯底表面，直接保證了外延層生長的質(zhì)量。SiC晶圓制備面臨的主要挑戰(zhàn)是硬度高和化學(xué)惰性強(qiáng)，拋光后SiC晶圓表面殘留硅膠體、化學(xué)物質(zhì)以及研磨劑。拋光片清洗主要是為了清除拋光片表面各種污染物，如：微粒、有機(jī)物、無機(jī)物、金屬離子等雜質(zhì)。SiC晶圓拋光結(jié)束后，拋光片表面的斷裂鍵力場很強(qiáng)，極易吸附拋光環(huán)境中的各種污染物。SiC拋光片表面主要沉積污染物通常為顆粒、金屬、有機(jī)物、濕氣分子和氧化膜。因?yàn)镾iC拋光片的表面Si面會(huì)被有機(jī)物遮蓋，使氧化膜和相關(guān)的污染難以去除。

SiC拋光片清洗設(shè)備外形如圖3所示，其清洗工藝配置如表1所示，由DHF、SC1、SC2、SLD、IR干燥單元和2組SPM單元組成。首先，利用SPM對拋光片上的有機(jī)物殘留進(jìn)行去除。反應(yīng)機(jī)理為H2SO4和有機(jī)物反應(yīng)時(shí)在H2O2的強(qiáng)氧化作用下生成H2O和CO2從而達(dá)到去除有機(jī)物污染目的；其次，將氧化后的SiC拋光片，浸入至SC1溶液中，輔助兆聲波振蕩清洗；利用NH4OH的弱堿性來氧化SiC表面裸露的Si面表，同時(shí)輔助兆聲作用，去除拋光片表面吸附的微粒，此外NH4OH具強(qiáng)氧化性，也可氧化、去除輕微的有機(jī)物污染及部分金屬離子污染，溶液中的H2O2可將SiC表面裸露的Si面表層氧化并生成CO2氧化層，由于溶液中含有氨水，為堿性溶液，可將后續(xù)生成的氧化層反應(yīng)去除，同時(shí)去除了吸附在氧化層上的微粒；再將清洗后的SiC拋光片浸入到SC2溶液中，利用HCl所形成的活性離子易與金屬離子化合反應(yīng)的原理，可溶解堿金屬離子和鋁、鐵及鎂的氫氧化物，由鹽酸中氯離子與殘留金屬離子形成的化合物溶解于水溶液中，從而去除金屬離子；最后，經(jīng)過兆聲去離子水清洗的SiC拋光片利用熱水慢拉加紅外干燥的方式，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的拋光片清洗干燥。

表1 SiC拋光片清洗工藝配置

圖3 全自動(dòng)SiC拋光片清洗設(shè)備外形圖

2.2 RCA清洗設(shè)備

RCA清洗工藝設(shè)備是SiC功率器件制造過程中應(yīng)用廣泛的一種濕法工藝設(shè)備，能有效去除晶圓在器件制造過程中引入的各種有機(jī)物、金屬、氧化物、顆粒等污染，可用于來料清洗、氧化前清洗、柵氧前清洗、刻蝕后清洗、退火后清洗和擴(kuò)散前清洗等濕法工藝。RCA清洗設(shè)備配置SPM單元、DHF單元、SC1單元、SC2單元和對應(yīng)的快排沖洗QDR單元。利用SPM的強(qiáng)氧化性去除有機(jī)無污染；DHF用于去除晶圓表面氧化層，以及吸附在氧化層上的微粒及金屬；SC1主要作用是堿性氧化，并可氧化及去除晶圓表面少量的有機(jī)物和Au、Ag、Cu、Ni、Cd、Zn、Ca、Cr等金屬原子污染；SC2主要作用是酸性氧化，用于溶解多種不被氨絡(luò)合的金屬離子，以及不溶解于氨水、但可溶解在鹽酸中的Al（OH）3、Fe（OH）3、Mg(OH)2和Zn(OH)2等物質(zhì)，對Al3+、Fe3+、Mg2+、Zn2+等離子的去除有較好效果[2]。QDR用于對應(yīng)的藥液槽化學(xué)液處理后的去離子水清洗，利用QDR單元的去離子水噴淋、快排、N2鼓泡、溢流、兆聲等方式實(shí)現(xiàn)晶圓表面污染物和殘留化學(xué)液的清洗，避免晶圓對下一個(gè)化學(xué)槽交叉污染。QDR單元配置旁路溢流功能，始終處于活水流動(dòng)狀態(tài)，避免細(xì)菌產(chǎn)生造成新的污染。RCA清洗設(shè)備工藝配置如表2所示。

表2 RCA清洗工藝配置

2.3 SPM濕法去膠設(shè)備

刻蝕后的步驟之一是去除光刻膠，光刻膠用來作為從光刻掩模版到硅片表面的圖形轉(zhuǎn)移媒介以及被刻蝕區(qū)或被離子注入?yún)^(qū)域的阻擋層。一旦刻蝕或注入完成，硅片表面光刻膠必須完全去除。另外，刻蝕過程帶來的任何殘留物也必須去除掉[3]。去膠工藝分為干法和濕法去膠；濕法去膠分為有機(jī)去膠和非有機(jī)去膠。

SPM去膠，屬于非有機(jī)濕法去膠。采用H2SO4與H2O2的混合溶液，加熱到120～140℃，其強(qiáng)氧化性使膠中的C氧化成CO2，并生成H2O。在大劑量注入和干法去膠效果較差時(shí)，為了完全去除殘留的光刻膠，往往增加一道SPM去膠。SPM濕法去膠設(shè)備配置2組SPM單元、DHF單元以及對應(yīng)的QDR單元，其工藝配置如表3所示。

表3 SPM濕法去膠工藝配置

2.4 有機(jī)去膠設(shè)備

使用有機(jī)溶劑去膠，主要是利用溶劑使聚合物溶脹分解并溶于有機(jī)溶劑中，從而達(dá)到去膠的目的。去膠使用的有機(jī)溶劑主要有丙酮和芳香族的有機(jī)溶劑。有機(jī)去膠設(shè)備主要用于金屬之后的去膠及刻蝕后的金屬顆粒物去除與清洗，去除Al上的光刻膠必須使用有機(jī)溶劑。

表4展示了一種有機(jī)去膠設(shè)備的工藝配置，配置了2組清洗單元，具有輔助超聲和晶圓拋動(dòng)功能，提升了去膠效果。常用的有機(jī)溶劑為EKC和IPA。EKC工藝溫度為70～80℃，IPA工藝溫度為室溫。

表4 有機(jī)去膠工藝配置

2.5 SiO2濕法腐蝕設(shè)備

SiO2氧化膜在SiC功率器件制造工藝應(yīng)用廣泛，按照工藝用途，分為屏蔽氧化層、摻雜阻擋層、場氧化層和柵氧化層等。

在SiC器件制造工藝流程中，場氧化層、屏蔽氧化層、介質(zhì)隔離層等氧化膜腐蝕，需要用SiO2濕法腐蝕設(shè)備。二氧化硅薄膜濕法刻蝕速率片內(nèi)均勻性與化學(xué)槽中刻蝕劑流速呈現(xiàn)拋物線關(guān)系，片間均勻性隨化學(xué)槽中刻蝕劑流速增加而減少。當(dāng)刻蝕劑流速為零時(shí)可獲得最優(yōu)的片內(nèi)及片間刻蝕均勻性。同時(shí)，化學(xué)清洗后，去離子水清洗的流量控制和管路設(shè)計(jì)優(yōu)化能改變SiO2薄膜濕法刻蝕的片內(nèi)及片間刻蝕均勻性。SiO2濕法腐蝕設(shè)備工藝配置如表5所示。設(shè)備中配置3組SiO2腐蝕單元，每組單元DHF溶液濃度配比不同，可滿足不同氧化硅薄膜的腐蝕。

表5 SiO2濕法腐蝕工藝配置

2.6 金屬濕法腐蝕設(shè)備

對SiC功率器件，歐姆接觸制備是必不可少的關(guān)鍵工藝，歐姆接觸電阻越小，由接觸電阻帶來的額外功耗就會(huì)減小，穩(wěn)定性越好，系統(tǒng)的效率便越高，器件的可靠性就越高[1]。SiC功率器件歐姆接觸金屬的選擇廣泛，可使用Cr、Ni、TiAu、Ta、WTiNi、TiC、TiN、TiAl、Mo、WMo、AuTa等[4]。歐姆接觸金屬圖形化有干法刻蝕、濕法腐蝕和金屬剝離等方式實(shí)現(xiàn)。金屬濕法腐蝕是通過腐蝕性溶劑對金屬圖形進(jìn)行腐蝕。針對歐姆接觸采用的不同金屬，選取不同的濕法腐蝕溶劑進(jìn)行針對性腐蝕。表6提供了Ti、Ni和Al等3種金屬的濕法腐蝕工藝配置方案；其中Ti金屬采用NH4OH、H2O2和H2O的混合 液進(jìn)行腐蝕；Ni采用H3PO4、H2O2和H2O或者H2SO4、H2O2和H2O的混合液進(jìn)行腐蝕；Al采用H3PO4、HNO3、CH3COOCH和H2O的混合液進(jìn)行腐蝕。

表6 金屬濕法腐蝕工藝配置

2.7 金屬剝離設(shè)備

金屬剝離工藝是制作微米、亞微米范圍微細(xì)金屬圖形的關(guān)鍵工藝。采用剝離技術(shù)制作細(xì)線條電極圖形的優(yōu)點(diǎn)在于不需要購置價(jià)格昂貴的干法刻蝕設(shè)備，投資較少，金屬圖形制作過程無機(jī)械損傷，表面也不易受污染等[5]。對于有些材料如金、鉭及硅化物等不易用光刻腐蝕的方法制備微細(xì)圖形；有些多層金屬用不同的腐蝕液交替使用時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的橫向鉆蝕；有些金屬腐蝕液會(huì)對下層材料有腐蝕作用。這些問題可用正膠剝離工藝解決[6]。

剝離工藝是在基片表面涂上一層光刻膠，經(jīng)過前烘、曝光、顯影形成掩膜圖形，要求在不需要金屬膜的區(qū)域覆有光刻膠，用鍍膜的方法在其表面覆蓋一層金屬，這種金屬膜只在需要的區(qū)域與襯底相接觸，最后浸泡在剝離液中、若允許可加少許超聲效果更好，隨著光刻膠的溶解，其上的金屬也一并脫落，留下所需的金屬圖形。金屬剝離工藝步驟如圖4所示。

圖4 金屬剝離工藝步驟圖

金屬剝離設(shè)備采用單晶圓處理方式，配置浸泡腔、剝離腔和清洗干燥腔等關(guān)鍵工藝處理單元，采用“浸泡+高壓剝離液噴射剝離+清洗”的工藝流程，輔助“IPA+兆聲DIW”旋轉(zhuǎn)沖洗、氮?dú)飧稍锏燃夹g(shù)實(shí)現(xiàn)金屬膜剝離工藝。金屬剝離設(shè)備工藝配置如表7所示。

表7 金屬剝離工藝配置

3 結(jié)束語

按照SiC功率器件制造工藝流程，對常用的拋光片清洗、RCA清洗、SPM濕法去膠、有機(jī)物去除、SiO2腐蝕、金屬濕法腐蝕和金屬剝離等濕法工藝設(shè)備功能和應(yīng)用進(jìn)行了介紹。隨著SiC制程水平的不斷發(fā)展，芯片的復(fù)雜性和產(chǎn)品良率大幅度提高，制程對雜質(zhì)的敏感度更高，微小污染物的高效清洗更難，對濕法設(shè)備提出更大的挑戰(zhàn)，促使?jié)穹ㄔO(shè)備技術(shù)水平不斷進(jìn)步，其市場前景更加廣闊。