SiC功率器件制造中的濕法工藝設備研究

宋文超，賈祥晨，李家明，王洪建，劉廣杰

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

近年來，SiC功率器件的出現大幅提升了半導體器件的性能，對電力電子行業的發展意義重大。與Si器件相比，SiC功率器件可使電力電子系統有效地實現高效率、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，由于柵極驅動電路簡單、工作頻率高、功率密度大以及轉換效率高等優點，廣泛用于電力電子系統，其基本結構如圖1所示[1]。

圖1 SiC MOSFET器件的基本結構

濕法工藝是SiC功率器件制造中的重要工藝環節，貫穿晶體生長、材料加工、器件制造和器件封裝的整個過程，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節中均有涉及，其中主要濕法工藝包括拋光后清洗、柵氧清洗、SPM去膠、有機去膠、SiO2腐蝕、金屬濕法腐蝕、金屬剝離等，對應的設備國內均已研制成功，并在推廣應用。

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 常用濕法工藝設備

2.1 拋光片清洗設備

拋光片清洗是SiC晶圓制備關鍵工藝環節之一，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量。SiC晶圓制備面臨的主要挑戰是硬度高和化學惰性強，拋光后SiC晶圓表面殘留硅膠體、化學物質以及研磨劑。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、有機物、無機物、金屬離子等雜質。SiC晶圓拋光結束后，拋光片表面的斷裂鍵力場很強，極易吸附拋光環境中的各種污染物。SiC拋光片表面主要沉積污染物通常為顆粒、金屬、有機物、濕氣分子和氧化膜。因為SiC拋光片的表面Si面會被有機物遮蓋，使氧化膜和相關的污染難以去除。

SiC拋光片清洗設備外形如圖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對拋光片上的有機物殘留進行去除。反應機理為H2SO4和有機物反應時在H2O2的強氧化作用下生成H2O和CO2從而達到去除有機物污染目的；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，同時輔助兆聲作用，去除拋光片表面吸附的微粒，此外NH4OH具強氧化性，也可氧化、去除輕微的有機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，可將后續生成的氧化層反應去除，同時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，實現高質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SiC拋光片清洗設備外形圖

2.2 RCA清洗設備

RCA清洗工藝設備是SiC功率器件制造過程中應用廣泛的一種濕法工藝設備，能有效去除晶圓在器件制造過程中引入的各種有機物、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、退火后清洗和擴散前清洗等濕法工藝。RCA清洗設備配置SPM單元、DHF單元、SC1單元、SC2單元和對應的快排沖洗QDR單元。利用SPM的強氧化性去除有機無污染；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，對Al3+、Fe3+、Mg2+、Zn2+等離子的去除有較好效果[2]。QDR用于對應的藥液槽化學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、兆聲等方式實現晶圓表面污染物和殘留化學液的清洗，避免晶圓對下一個化學槽交叉污染。QDR單元配置旁路溢流功能，始終處于活水流動狀態，避免細菌產生造成新的污染。RCA清洗設備工藝配置如表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移媒介以及被刻蝕區或被離子注入區域的阻擋層。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；濕法去膠分為有機去膠和非有機去膠。

SPM去膠，屬于非有機濕法去膠。采用H2SO4與H2O2的混合溶液，加熱到120～140℃，其強氧化性使膠中的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，為了完全去除殘留的光刻膠，往往增加一道SPM去膠。SPM濕法去膠設備配置2組SPM單元、DHF單元以及對應的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 有機去膠設備

使用有機溶劑去膠，主要是利用溶劑使聚合物溶脹分解并溶于有機溶劑中，從而達到去膠的目的。去膠使用的有機溶劑主要有丙酮和芳香族的有機溶劑。有機去膠設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溶劑。

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

表4 有機去膠工藝配置

2.5 SiO2濕法腐蝕設備

SiO2氧化膜在SiC功率器件制造工藝應用廣泛，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、介質隔離層等氧化膜腐蝕，需要用SiO2濕法腐蝕設備。二氧化硅薄膜濕法刻蝕速率片內均勻性與化學槽中刻蝕劑流速呈現拋物線關系，片間均勻性隨化學槽中刻蝕劑流速增加而減少。當刻蝕劑流速為零時可獲得最優的片內及片間刻蝕均勻性。同時，化學清洗后，去離子水清洗的流量控制和管路設計優化能改變SiO2薄膜濕法刻蝕的片內及片間刻蝕均勻性。SiO2濕法腐蝕設備工藝配置如表5所示。設備中配置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 金屬濕法腐蝕設備

對SiC功率器件，歐姆接觸制備是必不可少的關鍵工藝，歐姆接觸電阻越小，由接觸電阻帶來的額外功耗就會減小，穩定性越好，系統的效率便越高，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現。金屬濕法腐蝕是通過腐蝕性溶劑對金屬圖形進行腐蝕。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 液進行腐蝕；Ni采用H3PO4、H2O2和H2O或者H2SO4、H2O2和H2O的混合液進行腐蝕；Al采用H3PO4、HNO3、CH3COOCH和H2O的混合液進行腐蝕。

表6 金屬濕法腐蝕工藝配置

2.7 金屬剝離設備

金屬剝離工藝是制作微米、亞微米范圍微細金屬圖形的關鍵工藝。采用剝離技術制作細線條電極圖形的優點在于不需要購置價格昂貴的干法刻蝕設備，投資較少，金屬圖形制作過程無機械損傷，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圖形；有些多層金屬用不同的腐蝕液交替使用時會發生嚴重的橫向鉆蝕；有些金屬腐蝕液會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，經過前烘、曝光、顯影形成掩膜圖形，要求在不需要金屬膜的區域覆有光刻膠，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”旋轉沖洗、氮氣干燥等技術實現金屬膜剝離工藝。金屬剝離設備工藝配置如表7所示。

表7 金屬剝離工藝配置

3 結束語

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、有機物去除、SiO2腐蝕、金屬濕法腐蝕和金屬剝離等濕法工藝設備功能和應用進行了介紹。隨著SiC制程水平的不斷發展，芯片的復雜性和產品良率大幅度提高，制程對雜質的敏感度更高，微小污染物的高效清洗更難，對濕法設備提出更大的挑戰，促使濕法設備技術水平不斷進步，其市場前景更加廣闊。