碳化硅功率 MOSFET 制造中外延后和炉前清洁

碳化硅MOSFETs进入量产阶段

碳化硅(SiC)功率器件提供更高的开关效率，非常适合高温和中高压应用(1，2)。因此，它们有望在未来十年刺激1000 V以上应用的增长，因为它们能够显著降低辐射(3)。SUNY理工学院的电力电子制造联盟准备利用这种增长，因为它使用150 mm SiC晶片(4，5)为1200 V功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)增加了中等产量。这个斜坡提供了一个机会来描述阻碍SiC MOSFETs批量生产的开发问题，包括成本、吞吐量、产量和可靠性的风险。如果这些参数中的任何一个受到材料差异(Si和SiC之间)的影响，那么就需要识别这些问题并构建一个路线图，以便在批量制造中进行改进。

SiC的化学惰性给功率MOSFETs制造过程中的清洁和表面处理带来了独特的机遇和挑战。之前的研究已经提出了替代化学方法来解决这些挑战，但是在这里我们给出了epi测试后清洗的结果，也称为初始晶片清洗(IWC ),以及基于为Si开发的浓缩化学方法的炉前清洗并且我们讨论了随着SiC技术从中试到批量生产的过渡，稀释化学品的清洁能力和成本权衡。

虽然在相似的温度下，单晶SiC中的材料扩散比Si中的慢得多(9)，但是SiC热处理通常发生在更高的温度下，因此必须将金属污染降至最低，以保持工艺控制和可靠性。此外，最小化生长在SiC上的氧化物中的金属杂质是至关重要的，因为铁、镍和其他金属被认为会降低栅极氧化物的固有寿命(10，11)。因此，这些金属在与适当的Si技术节点相当的水平上被监控用于SiC处理；在这种情况下，用于180纳米节点的ITRS FEP规格应该是合适的(12)。TXRF是用于控制这些污染物的有效诊断工具，因此在炉前清洁和高温炉处理步骤中，它被用于测量与器件批次一起运行的Si和SiC监控晶片。此外，在外延生长的N层上制造1200V SiC MOSFET；这些层通常用汞(Hg)探针电容-电压(MCV)来表征，在SiC晶片表面上留下痕量。因此，除了典型的金属问题之外，在晶片进入制造工艺流程之前，必须去除汞。

汞探针CV (MCV)，TXRF，和清洁实验

为了可控地将污染物引入到SiC表面并测试清洁能力，在Semilab MCV-530测试仪中对100 mm和150 mm超低微管密度epi-ready SiC晶片进行汞探测，使用TXRF测量痕量金属污染物，在各种不同的清洁化学中清洁晶片，并再次分析清洁后的晶片的痕量杂质。使用多种测量模式进行MCV测量，例如半径扫描、晶片测绘和在同一位置多次测量，这使得第一次TXRF测量能够比较未污染区域和污染区域，清洗后的TXRF能够与清洗前的状态进行比较。

MCV测量开始时，将汞抽出约0.5毫米至2毫米

毫米玻璃毛细管，然后降低毛细管，直到其与晶片表面接触，约5 kPa的压力迫使Hg与SiC表面接触，并进行测量。释放压力，将汞抽回到毛细管中，并重复该过程。探针下降时间约为1秒，测量时间约为2秒。第一组MCV处理在两个100 mm SiC晶片上进行，并且使用44点图运行，其中多次测量许多位置，以便建立关于可变性的基线特征。第二组MCV处理实验在150毫米的晶片上进行。图1的左图显示了10个MCV点的径向扫描，每个点的直径约为1.7毫米。这种测量模式的目的是将未受污染的区域与受污染的区域进行比较，因为较大的斑点代表10毫米直径的TXRF测量位置。这些晶片在晶片中心附近接受额外的重复性测量，一个晶片重复5次，另一个晶片在正面重复2次，在背面重复3次(晶片面朝下放置在卡盘上)。在两个150毫米晶片上也进行了完整的55点MCV图。

MCV、预清洗TXRF和后清洗TXRF的结果

所有的清洗都显示出能有效去除一定程度的感兴趣的金属杂质。使用钼阳极TXRF在100 mm SiC晶片上测量的映射汞水平显示，在epi测试后立即从2.5x1013 atoms/cm2的典型平均值和2.4x1014 atoms/cm2的典型最大值降低到低于300秒检测极限~7x1010 atoms/cm2的水平。150 mm SiC晶片上的RCA清洗显示出在去除Hg以及Ni、Fe和其他金属方面是有效的，清洗后的测量值低于浓缩RCA序列的检测极限，并且更低，但是对于稀释RCA序列仍然是可测量的。

图2举例说明了稀释RCA清洗前后的TXRF测量对比。在清洗之前，表面Fe污染物位于晶片边缘附近，并且在稀释RCA清洗之后，在这些位置仍然是可测量的，尽管减少了。清洁趋势在产量和可靠性相关的各种金属(包括汞、铁和镍)上可以观察到，并且在多个晶片上重复观察到。

需要使用1.7毫米毛细管进行多次MCV测量，将足够的汞引入SiC表面，以便在TXRF轻松测量。这种增加不是线性增加的，因此有可能是表面效应，如吸附作用，使更多的汞在后续测量中被引入表面。如果这种机制成立，那么尽管第一次测量达到或低于TXRF检测极限，但汞仍然存在，必须清除。图4示出了多次MCV测量对SiC晶片的影响；最左边的图接收到如图1所示的10点径向测量图案，加上靠近晶片中心的5个额外的MCV测量，中心图的晶片接收到10点图案加上2个额外的测量，最右边的图显示了来自77点图的测量。77点图中的汞测量没有在具有相同图案的第二个晶片上重复进行，因此该测量可能来自一个TXRF点内多个局部汞污染点的总和。所有清洁方法都降低了汞含量。稀释的RCA清洗可能是最不有效的，因为它在清洗后仅产生了接近1.9x1010 atoms/cm2检测极限的测量值。根据对清洁度的要求，该限制对于制造来说是可以接受的。

由于已知RCA化学通过氧化硅表面和去除HF中的这些氧化物来去除污染物，因此该机制在SiC上可能是不可行的，因为这些化学不会在本工作中使用的温度下蚀刻或氧化SiC。先前的工作(7)表明，粗糙度在捕获金属污染物中起作用，HF处理导致亲水性表面大部分以Si-OH和C-O基团终止(6)。此处的结果表明，使用较短时间和较低温度的稀RCA在去除铁、镍和可能的汞方面效果较差。虽然粗糙度可能是一个因素，但温度和时间的作用可能。

审核编辑：符乾江