SiC功率器件制造中的湿法工艺设备研究

宋文超，贾祥晨，李家明，王洪建，刘广杰

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

近年来，SiC功率器件的出现大幅提升了半导体器件的性能，对电力电子行业的发展意义重大。与Si器件相比，SiC功率器件可使电力电子系统有效地实现高效率、小型化和轻量化。而且SiC功率器件的能量损耗只有Si器件的50%，发热量只有Si器件的50%，且有更高的电流密度，在相同功率等级下，SiC功率模块的体积明显小于Si功率模块。

SiC功率器件包括SiC功率二极管、SiC MOSFET器件、碳化硅绝缘栅双极晶体管（SiC BJT、SiC IGBT）和碳化硅晶闸管（SiC Thyristor）。SiC功率二极管有3种类型：肖特基二极管（SBD），PIN二极管和结势垒控制肖特基二极管（JBS）。SiC功率MOSFET作为一种重要的功率器件，由于栅极驱动电路简单、工作频率高、功率密度大以及转换效率高等优点，广泛用于电力电子系统，其基本结构如图1所示[1]。

图1 SiC MOSFET器件的基本结构

湿法工艺是SiC功率器件制造中的重要工艺环节，贯穿晶体生长、材料加工、器件制造和器件封装的整个过程，在晶圆切割、研磨、抛光、外延、光刻、淀积、离子注入、氧化、刻蚀、金属化以及封测等各工艺环节中均有涉及，其中主要湿法工艺包括抛光后清洗、栅氧清洗、SPM去胶、有机去胶、SiO2腐蚀、金属湿法腐蚀、金属剥离等，对应的设备国内均已研制成功，并在推广应用。

1 SiC功率器件制造工艺流程

SiC MOSFET功率器件制造流程包括材料制备、芯片制造和封装等步骤，其中工序较多的芯片制造流程如图2所示。

图2 SiC MOSFET器件制造工艺流程

2 常用湿法工艺设备

2.1 抛光片清洗设备

抛光片清洗是SiC晶圆制备关键工艺环节之一，提供无缺陷、超洁净的衬底表面，直接保证了外延层生长的质量。SiC晶圆制备面临的主要挑战是硬度高和化学惰性强，抛光后SiC晶圆表面残留硅胶体、化学物质以及研磨剂。抛光片清洗主要是为了清除抛光片表面各种污染物，如：微粒、有机物、无机物、金属离子等杂质。SiC晶圆抛光结束后，抛光片表面的断裂键力场很强，极易吸附抛光环境中的各种污染物。SiC抛光片表面主要沉积污染物通常为颗粒、金属、有机物、湿气分子和氧化膜。因为SiC抛光片的表面Si面会被有机物遮盖，使氧化膜和相关的污染难以去除。

SiC抛光片清洗设备外形如图3所示，其清洗工艺配置如表1所示，由DHF、SC1、SC2、SLD、IR干燥单元和2组SPM单元组成。首先，利用SPM对抛光片上的有机物残留进行去除。反应机理为H2SO4和有机物反应时在H2O2的强氧化作用下生成H2O和CO2从而达到去除有机物污染目的；其次，将氧化后的SiC抛光片，浸入至SC1溶液中，辅助兆声波振荡清洗；利用NH4OH的弱碱性来氧化SiC表面裸露的Si面表，同时辅助兆声作用，去除抛光片表面吸附的微粒，此外NH4OH具强氧化性，也可氧化、去除轻微的有机物污染及部分金属离子污染，溶液中的H2O2可将SiC表面裸露的Si面表层氧化并生成CO2氧化层，由于溶液中含有氨水，为碱性溶液，可将后续生成的氧化层反应去除，同时去除了吸附在氧化层上的微粒；再将清洗后的SiC抛光片浸入到SC2溶液中，利用HCl所形成的活性离子易与金属离子化合反应的原理，可溶解碱金属离子和铝、铁及镁的氢氧化物，由盐酸中氯离子与残留金属离子形成的化合物溶解于水溶液中，从而去除金属离子；最后，经过兆声去离子水清洗的SiC抛光片利用热水慢拉加红外干燥的方式，实现高质量的抛光片清洗干燥。

表1 SiC抛光片清洗工艺配置

图3 全自动SiC抛光片清洗设备外形图

2.2 RCA清洗设备

RCA清洗工艺设备是SiC功率器件制造过程中应用广泛的一种湿法工艺设备，能有效去除晶圆在器件制造过程中引入的各种有机物、金属、氧化物、颗粒等污染，可用于来料清洗、氧化前清洗、栅氧前清洗、刻蚀后清洗、退火后清洗和扩散前清洗等湿法工艺。RCA清洗设备配置SPM单元、DHF单元、SC1单元、SC2单元和对应的快排冲洗QDR单元。利用SPM的强氧化性去除有机无污染；DHF用于去除晶圆表面氧化层，以及吸附在氧化层上的微粒及金属；SC1主要作用是碱性氧化，并可氧化及去除晶圆表面少量的有机物和Au、Ag、Cu、Ni、Cd、Zn、Ca、Cr等金属原子污染；SC2主要作用是酸性氧化，用于溶解多种不被氨络合的金属离子，以及不溶解于氨水、但可溶解在盐酸中的Al（OH）3、Fe（OH）3、Mg(OH)2和Zn(OH)2等物质，对Al3+、Fe3+、Mg2+、Zn2+等离子的去除有较好效果[2]。QDR用于对应的药液槽化学液处理后的去离子水清洗，利用QDR单元的去离子水喷淋、快排、N2鼓泡、溢流、兆声等方式实现晶圆表面污染物和残留化学液的清洗，避免晶圆对下一个化学槽交叉污染。QDR单元配置旁路溢流功能，始终处于活水流动状态，避免细菌产生造成新的污染。RCA清洗设备工艺配置如表2所示。

表2 RCA清洗工艺配置

2.3 SPM湿法去胶设备

刻蚀后的步骤之一是去除光刻胶，光刻胶用来作为从光刻掩模版到硅片表面的图形转移媒介以及被刻蚀区或被离子注入区域的阻挡层。一旦刻蚀或注入完成，硅片表面光刻胶必须完全去除。另外，刻蚀过程带来的任何残留物也必须去除掉[3]。去胶工艺分为干法和湿法去胶；湿法去胶分为有机去胶和非有机去胶。

SPM去胶，属于非有机湿法去胶。采用H2SO4与H2O2的混合溶液，加热到120～140℃，其强氧化性使胶中的C氧化成CO2，并生成H2O。在大剂量注入和干法去胶效果较差时，为了完全去除残留的光刻胶，往往增加一道SPM去胶。SPM湿法去胶设备配置2组SPM单元、DHF单元以及对应的QDR单元，其工艺配置如表3所示。

表3 SPM湿法去胶工艺配置

2.4 有机去胶设备

使用有机溶剂去胶，主要是利用溶剂使聚合物溶胀分解并溶于有机溶剂中，从而达到去胶的目的。去胶使用的有机溶剂主要有丙酮和芳香族的有机溶剂。有机去胶设备主要用于金属之后的去胶及刻蚀后的金属颗粒物去除与清洗，去除Al上的光刻胶必须使用有机溶剂。

表4展示了一种有机去胶设备的工艺配置，配置了2组清洗单元，具有辅助超声和晶圆抛动功能，提升了去胶效果。常用的有机溶剂为EKC和IPA。EKC工艺温度为70～80℃，IPA工艺温度为室温。

表4 有机去胶工艺配置

2.5 SiO2湿法腐蚀设备

SiO2氧化膜在SiC功率器件制造工艺应用广泛，按照工艺用途，分为屏蔽氧化层、掺杂阻挡层、场氧化层和栅氧化层等。

在SiC器件制造工艺流程中，场氧化层、屏蔽氧化层、介质隔离层等氧化膜腐蚀，需要用SiO2湿法腐蚀设备。二氧化硅薄膜湿法刻蚀速率片内均匀性与化学槽中刻蚀剂流速呈现抛物线关系，片间均匀性随化学槽中刻蚀剂流速增加而减少。当刻蚀剂流速为零时可获得最优的片内及片间刻蚀均匀性。同时，化学清洗后，去离子水清洗的流量控制和管路设计优化能改变SiO2薄膜湿法刻蚀的片内及片间刻蚀均匀性。SiO2湿法腐蚀设备工艺配置如表5所示。设备中配置3组SiO2腐蚀单元，每组单元DHF溶液浓度配比不同，可满足不同氧化硅薄膜的腐蚀。

表5 SiO2湿法腐蚀工艺配置

2.6 金属湿法腐蚀设备

对SiC功率器件，欧姆接触制备是必不可少的关键工艺，欧姆接触电阻越小，由接触电阻带来的额外功耗就会减小，稳定性越好，系统的效率便越高，器件的可靠性就越高[1]。SiC功率器件欧姆接触金属的选择广泛，可使用Cr、Ni、TiAu、Ta、WTiNi、TiC、TiN、TiAl、Mo、WMo、AuTa等[4]。欧姆接触金属图形化有干法刻蚀、湿法腐蚀和金属剥离等方式实现。金属湿法腐蚀是通过腐蚀性溶剂对金属图形进行腐蚀。针对欧姆接触采用的不同金属，选取不同的湿法腐蚀溶剂进行针对性腐蚀。表6提供了Ti、Ni和Al等3种金属的湿法腐蚀工艺配置方案；其中Ti金属采用NH4OH、H2O2和H2O的混合 液进行腐蚀；Ni采用H3PO4、H2O2和H2O或者H2SO4、H2O2和H2O的混合液进行腐蚀；Al采用H3PO4、HNO3、CH3COOCH和H2O的混合液进行腐蚀。

表6 金属湿法腐蚀工艺配置

2.7 金属剥离设备

金属剥离工艺是制作微米、亚微米范围微细金属图形的关键工艺。采用剥离技术制作细线条电极图形的优点在于不需要购置价格昂贵的干法刻蚀设备，投资较少，金属图形制作过程无机械损伤，表面也不易受污染等[5]。对于有些材料如金、钽及硅化物等不易用光刻腐蚀的方法制备微细图形；有些多层金属用不同的腐蚀液交替使用时会发生严重的横向钻蚀；有些金属腐蚀液会对下层材料有腐蚀作用。这些问题可用正胶剥离工艺解决[6]。

剥离工艺是在基片表面涂上一层光刻胶，经过前烘、曝光、显影形成掩膜图形，要求在不需要金属膜的区域覆有光刻胶，用镀膜的方法在其表面覆盖一层金属，这种金属膜只在需要的区域与衬底相接触，最后浸泡在剥离液中、若允许可加少许超声效果更好，随着光刻胶的溶解，其上的金属也一并脱落，留下所需的金属图形。金属剥离工艺步骤如图4所示。

图4 金属剥离工艺步骤图

金属剥离设备采用单晶圆处理方式，配置浸泡腔、剥离腔和清洗干燥腔等关键工艺处理单元，采用“浸泡+高压剥离液喷射剥离+清洗”的工艺流程，辅助“IPA+兆声DIW”旋转冲洗、氮气干燥等技术实现金属膜剥离工艺。金属剥离设备工艺配置如表7所示。

表7 金属剥离工艺配置

3 结束语

按照SiC功率器件制造工艺流程，对常用的抛光片清洗、RCA清洗、SPM湿法去胶、有机物去除、SiO2腐蚀、金属湿法腐蚀和金属剥离等湿法工艺设备功能和应用进行了介绍。随着SiC制程水平的不断发展，芯片的复杂性和产品良率大幅度提高，制程对杂质的敏感度更高，微小污染物的高效清洗更难，对湿法设备提出更大的挑战，促使湿法设备技术水平不断进步，其市场前景更加广阔。