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引言
碳化硅(SiC)器件制造技術(shù)與硅制造有許多相似之處，但識(shí)別材料差異是否會(huì)影響清洗能力對(duì)于這個(gè)不斷發(fā)展的領(lǐng)域很有意義。材料參數(shù)差異包括擴(kuò)散系數(shù)、表面能和化學(xué)鍵強(qiáng)度，所有這些都可以在清潔關(guān)鍵表面方面發(fā)揮作用。這項(xiàng)工作將100毫米或150毫米4H碳化硅晶片經(jīng)過(guò)汞探針電容電壓(MCV)繪圖后的痕量表面污染水平與后續(xù)清洗后的水平進(jìn)行了比較。在MCV期間，痕量金屬如汞、鐵和鎳被可控地添加，并且顯示出多種清潔方法可以將碳化硅表面恢復(fù)到低于5x1010原子/cm2的清潔度水平。討論了這些清洗在集成器件工藝流程中的位置以及成本比較。
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介紹
碳化硅功率器件提高了開(kāi)關(guān)效率，非常適合高溫和中高壓應(yīng)用。因此，它們有望在未來(lái)十年刺激大于1000伏的應(yīng)用增長(zhǎng)，因?yàn)樗鼈兡軌蝻@著減少排放。SUNY理工學(xué)院的電力電子制造聯(lián)盟將利用這一增長(zhǎng)，因?yàn)樗褂?50毫米碳化硅晶片為1200伏功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFETs)提供了適度的體積。這個(gè)斜坡提供了一個(gè)機(jī)會(huì)來(lái)描述阻礙碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管批量生產(chǎn)的發(fā)展問(wèn)題，包括成本、產(chǎn)量、產(chǎn)量和可靠性的風(fēng)險(xiǎn)。如果這些參數(shù)中的任何一個(gè)受到材料差異(硅和碳化硅之間)的影響，那么就需要識(shí)別這些問(wèn)題，并建立一個(gè)路線圖來(lái)改進(jìn)批量生產(chǎn)。
雖然單晶碳化硅中的材料擴(kuò)散比類似溫度下的硅慢得多，但碳化硅熱處理通常在高得多的溫度下進(jìn)行，因此必須將金屬污染降至最低，以保持工藝控制和可靠性。此外，最小化生長(zhǎng)在碳化硅上的氧化物中的金屬雜質(zhì)至關(guān)重要，因?yàn)殍F、鎳和其他金屬被認(rèn)為會(huì)降低柵極氧化物(的本征壽命。因此，監(jiān)測(cè)這些金屬的碳化硅加工水平相當(dāng)于適當(dāng)?shù)墓杓夹g(shù)節(jié)點(diǎn)；在這種情況下，用于180納米節(jié)點(diǎn)的ITRS FEP規(guī)范預(yù)計(jì)是足夠的。TXRF是一個(gè)有效的診斷工具，用于控制這些污染物，因此它是通過(guò)測(cè)量硅和碳化硅監(jiān)測(cè)晶片運(yùn)行在設(shè)備批次在爐前清洗和高溫爐處理步驟。此外，1200伏碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管是在外延生長(zhǎng)的氮層上制造的；這些層的典型特征是汞探針電容電壓(MCV)，在碳化硅晶片表面留下痕量汞。因此，除了典型的金屬問(wèn)題之外，在晶片進(jìn)入制造工藝流程之前，必須去除汞。
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實(shí)驗(yàn)與討論
汞探針CV (MCV)、TXRF和清潔實(shí)驗(yàn)：為了可控地將污染物引入碳化硅表面，并測(cè)試清洗能力，在賽美拉布MCV-530測(cè)試儀中對(duì)100毫米和150毫米超低微管密度外延碳化硅晶片進(jìn)行汞探測(cè)，使用TXRF測(cè)量痕量金屬污染物，用各種不同的清洗化學(xué)物質(zhì)清洗晶片，并再次分析清洗后的晶片中的痕量雜質(zhì)。使用多種多重測(cè)量模式進(jìn)行MCV測(cè)量，例如半徑掃描、晶片測(cè)繪和在同一位置多次測(cè)量，這使得第一次TXRF測(cè)量能夠比較未污染區(qū)域和污染區(qū)域，后清潔TXRF能夠比較預(yù)清潔狀態(tài)。
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圖1
MCV、預(yù)清潔TXRF和后清潔TXRF結(jié)果：所有的清洗都被證明能有效地去除某種程度的金屬雜質(zhì)。用鉬陽(yáng)極TXRF在100毫米碳化硅晶片上測(cè)量的映射汞水平顯示，在外延后測(cè)試后立即從2.5x1013原子/平方厘米的典型平均值和2.4x1014原子/平方厘米的典型最大值降低到低于300秒檢測(cè)極限~7x1010原子/平方厘米的水平。150毫米碳化硅晶片上的RCA清洗被證明能有效去除汞以及鎳、鐵和其他金屬，清洗后的測(cè)量結(jié)果低于濃縮RCA序列的檢測(cè)限，低于稀釋RCA序列的檢測(cè)限，但仍可測(cè)量。
圖2舉例說(shuō)明了稀釋RCA清潔前后的映射TXRF測(cè)量值的比較。表面鐵污染物在清洗前局限在晶片邊緣附近，在稀釋的RCA清洗后仍可測(cè)量到這些位置，盡管減少了。出于產(chǎn)量和可靠性的考慮，在各種感興趣的金屬(包括汞、鐵和鎳)上可以觀察到清洗趨勢(shì)，并且在多個(gè)晶片上可以重復(fù)觀察到清洗趨勢(shì)。
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圖2
出于產(chǎn)量和可靠性的考慮，在各種相關(guān)金屬(包括鈣、汞、鐵和鎳)上可以觀察到清洗趨勢(shì)，并且在多個(gè)晶片上可以重復(fù)觀察到清洗趨勢(shì)，盡管一些元素被完全清洗到低于TXRF的檢測(cè)限采用稀釋的二氯醋酸(鈦、鉻、銅和鋅)。圖3說(shuō)明了使用稀釋的RCA工藝減少鎳的表面污染。再次注意到，鎳的濃度在晶片邊緣更高，并且清潔已經(jīng)使大多數(shù)區(qū)域低于測(cè)量的檢測(cè)極限。
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圖3
需要使用1.7毫米毛細(xì)管進(jìn)行多次MCV測(cè)量，才能在碳化硅表面引入足夠的汞，以便在TXRF輕松測(cè)量。這種增加不是線性倍增的，因此表面效應(yīng)(如吸附)可能會(huì)使更多的汞在隨后的測(cè)量中被引入表面。如果該機(jī)制成立，那么盡管第一次測(cè)量達(dá)到或低于TXRF檢測(cè)限值，但汞仍然存在，必須進(jìn)行清潔。圖4說(shuō)明了碳化硅晶片上多次MCV測(cè)量的效果；最左邊的面板接收到如圖1所示的10點(diǎn)徑向測(cè)量圖案，加上靠近晶片中心的5個(gè)額外的MCV測(cè)量值，來(lái)自中心面板的晶片接收到10點(diǎn)圖案加上2個(gè)額外的測(cè)量值，最右邊的面板示出了來(lái)自77點(diǎn)圖的測(cè)量值。來(lái)自77點(diǎn)圖的汞測(cè)量沒(méi)有在具有相同圖案的第二個(gè)晶片上重復(fù)，因此該測(cè)量可以來(lái)自一個(gè)TXRF點(diǎn)內(nèi)多個(gè)局部汞污染點(diǎn)的總和。所有清潔方法都降低了汞含量。稀釋的RCA清洗可能是最不有效的，因?yàn)樵谇逑春?，它?dǎo)致僅有的測(cè)量值接近1.9x1010原子/cm2的檢測(cè)極限。根據(jù)對(duì)清潔度的要求，這一限制對(duì)于制造來(lái)說(shuō)是可以接受的。
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總結(jié)
由于已知RCA化學(xué)可以通過(guò)氧化硅表面和去除氟化氫中的氧化物來(lái)去除污染物，因此這種機(jī)制可能無(wú)法在碳化硅上實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫@些化學(xué)物質(zhì)預(yù)計(jì)不會(huì)在這項(xiàng)工作中使用的溫度下蝕刻或氧化碳化硅。在以前的工作中已經(jīng)提出，粗糙度在捕獲金屬污染物中起作用，并且氟化氫處理導(dǎo)致親水表面大部分以氫氧化硅和碳氧基團(tuán)終止。結(jié)果表明，使用更短時(shí)間和更低溫度的稀釋的RCA去除鐵、鎳和可能的汞的效果較差。雖然粗糙度可能是一個(gè)因素，但溫度和時(shí)間的作用可能表明金屬在SC1和SC2化學(xué)中的溶解(鹽酸和NH4OH)是主要的機(jī)制，但是我們?cè)谶@里建議通過(guò)硅羥基和碳氧表面層的擴(kuò)散可以發(fā)揮作用。還應(yīng)注意的是，添加鐵和鎳的確切機(jī)理尚不清楚，浸沒(méi)盒的邊緣處理和/或晶片制造的污染是可能的根本原因。由于成本受時(shí)間(影響產(chǎn)量)和濃度(影響材料成本和處理成本)的影響很大，但受溫度(僅影響初始設(shè)備成本)的影響較小，因此未來(lái)探索控制金屬污染物去除的參數(shù)的工作很有意義。還希望在能夠進(jìn)行噴射處理的設(shè)備中進(jìn)行這項(xiàng)工作，因?yàn)榻咏妮^高流速可實(shí)現(xiàn)高溶解速率，這允許雜質(zhì)更快地?cái)U(kuò)散離開(kāi)表面(15)。這種效應(yīng)在聚合物去除(16)中得到了很好的評(píng)估，對(duì)碳化硅的評(píng)估也可以顯示出它與金屬污染物的關(guān)系，盡管在這種設(shè)備中加工可能會(huì)導(dǎo)致表面污染物值進(jìn)一步低于TXRF檢測(cè)限值。