碳化硅MOSFETs進(jìn)入量產(chǎn)階段

碳化硅(SiC)功率器件提供更高的開關(guān)效率，非常適合高溫和中高壓應(yīng)用(1，2)。因此，它們有望在未來十年刺激1000 V以上應(yīng)用的增長(zhǎng)，因?yàn)樗鼈兡軌蝻@著降低輻射(3)。SUNY理工學(xué)院的電力電子制造聯(lián)盟準(zhǔn)備利用這種增長(zhǎng)，因?yàn)樗褂?50 mm SiC晶片(4，5)為1200 V功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFETs)增加了中等產(chǎn)量。這個(gè)斜坡提供了一個(gè)機(jī)會(huì)來描述阻礙SiC MOSFETs批量生產(chǎn)的開發(fā)問題，包括成本、吞吐量、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(Si和SiC之間)的影響，那么就需要識(shí)別這些問題并構(gòu)建一個(gè)路線圖，以便在批量制造中進(jìn)行改進(jìn)。

SiC的化學(xué)惰性給功率MOSFETs制造過程中的清潔和表面處理帶來了獨(dú)特的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。之前的研究已經(jīng)提出了替代化學(xué)方法來解決這些挑戰(zhàn)，但是在這里我們給出了epi測(cè)試后清洗的結(jié)果，也稱為初始晶片清洗(IWC ),以及基于為Si開發(fā)的濃縮化學(xué)方法的爐前清洗并且我們討論了隨著SiC技術(shù)從中試到批量生產(chǎn)的過渡，稀釋化學(xué)品的清潔能力和成本權(quán)衡。

雖然在相似的溫度下，單晶SiC中的材料擴(kuò)散比Si中的慢得多(9)，但是SiC熱處理通常發(fā)生在更高的溫度下，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SiC上的氧化物中的金屬雜質(zhì)是至關(guān)重要的，因?yàn)殍F、鎳和其他金屬被認(rèn)為會(huì)降低柵極氧化物的固有壽命(10，11)。因此，這些金屬在與適當(dāng)?shù)腟i技術(shù)節(jié)點(diǎn)相當(dāng)?shù)乃缴媳槐O(jiān)控用于SiC處理；在這種情況下，用于180納米節(jié)點(diǎn)的ITRS FEP規(guī)格應(yīng)該是合適的(12)。TXRF是用于控制這些污染物的有效診斷工具，因此在爐前清潔和高溫爐處理步驟中，它被用于測(cè)量與器件批次一起運(yùn)行的Si和SiC監(jiān)控晶片。此外，在外延生長(zhǎng)的N層上制造1200V SiC MOSFET；這些層通常用汞(Hg)探針電容-電壓(MCV)來表征，在SiC晶片表面上留下痕量。因此，除了典型的金屬問題之外，在晶片進(jìn)入制造工藝流程之前，必須去除汞。

汞探針CV (MCV)，TXRF，和清潔實(shí)驗(yàn)

為了可控地將污染物引入到SiC表面并測(cè)試清潔能力，在Semilab MCV-530測(cè)試儀中對(duì)100 mm和150 mm超低微管密度epi-ready SiC晶片進(jìn)行汞探測(cè)，使用TXRF測(cè)量痕量金屬污染物，在各種不同的清潔化學(xué)中清潔晶片，并再次分析清潔后的晶片的痕量雜質(zhì)。使用多種測(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，清洗后的TXRF能夠與清洗前的狀態(tài)進(jìn)行比較。

MCV測(cè)量開始時(shí)，將汞抽出約0.5毫米至2毫米

毫米玻璃毛細(xì)管，然后降低毛細(xì)管，直到其與晶片表面接觸，約5 kPa的壓力迫使Hg與SiC表面接觸，并進(jìn)行測(cè)量。釋放壓力，將汞抽回到毛細(xì)管中，并重復(fù)該過程。探針下降時(shí)間約為1秒，測(cè)量時(shí)間約為2秒。第一組MCV處理在兩個(gè)100 mm SiC晶片上進(jìn)行，并且使用44點(diǎn)圖運(yùn)行，其中多次測(cè)量許多位置，以便建立關(guān)于可變性的基線特征。第二組MCV處理實(shí)驗(yàn)在150毫米的晶片上進(jìn)行。圖1的左圖顯示了10個(gè)MCV點(diǎn)的徑向掃描，每個(gè)點(diǎn)的直徑約為1.7毫米。這種測(cè)量模式的目的是將未受污染的區(qū)域與受污染的區(qū)域進(jìn)行比較，因?yàn)檩^大的斑點(diǎn)代表10毫米直徑的TXRF測(cè)量位置。這些晶片在晶片中心附近接受額外的重復(fù)性測(cè)量，一個(gè)晶片重復(fù)5次，另一個(gè)晶片在正面重復(fù)2次，在背面重復(fù)3次(晶片面朝下放置在卡盤上)。在兩個(gè)150毫米晶片上也進(jìn)行了完整的55點(diǎn)MCV圖。

MCV、預(yù)清洗TXRF和后清洗TXRF的結(jié)果

所有的清洗都顯示出能有效去除一定程度的感興趣的金屬雜質(zhì)。使用鉬陽(yáng)極TXRF在100 mm SiC晶片上測(cè)量的映射汞水平顯示，在epi測(cè)試后立即從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秒檢測(cè)極限~7x1010 atoms/cm2的水平。150 mm SiC晶片上的RCA清洗顯示出在去除Hg以及Ni、Fe和其他金屬方面是有效的，清洗后的測(cè)量值低于濃縮RCA序列的檢測(cè)極限，并且更低，但是對(duì)于稀釋RCA序列仍然是可測(cè)量的。

圖2舉例說明了稀釋RCA清洗前后的TXRF測(cè)量對(duì)比。在清洗之前，表面Fe污染物位于晶片邊緣附近，并且在稀釋RCA清洗之后，在這些位置仍然是可測(cè)量的，盡管減少了。清潔趨勢(shì)在產(chǎn)量和可靠性相關(guān)的各種金屬(包括汞、鐵和鎳)上可以觀察到，并且在多個(gè)晶片上重復(fù)觀察到。

需要使用1.7毫米毛細(xì)管進(jìn)行多次MCV測(cè)量，將足夠的汞引入SiC表面，以便在TXRF輕松測(cè)量。這種增加不是線性增加的，因此有可能是表面效應(yīng)，如吸附作用，使更多的汞在后續(xù)測(cè)量中被引入表面。如果這種機(jī)制成立，那么盡管第一次測(cè)量達(dá)到或低于TXRF檢測(cè)極限，但汞仍然存在，必須清除。圖4示出了多次MCV測(cè)量對(duì)SiC晶片的影響；最左邊的圖接收到如圖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，中心圖的晶片接收到10點(diǎn)圖案加上2個(gè)額外的測(cè)量，最右邊的圖顯示了來自77點(diǎn)圖的測(cè)量。77點(diǎn)圖中的汞測(cè)量沒有在具有相同圖案的第二個(gè)晶片上重復(fù)進(jìn)行，因此該測(cè)量可能來自一個(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)樗谇逑春髢H產(chǎn)生了接近1.9x1010 atoms/cm2檢測(cè)極限的測(cè)量值。根據(jù)對(duì)清潔度的要求，該限制對(duì)于制造來說是可以接受的。

由于已知RCA化學(xué)通過氧化硅表面和去除HF中的這些氧化物來去除污染物，因此該機(jī)制在SiC上可能是不可行的，因?yàn)檫@些化學(xué)不會(huì)在本工作中使用的溫度下蝕刻或氧化SiC。先前的工作(7)表明，粗糙度在捕獲金屬污染物中起作用，HF處理導(dǎo)致親水性表面大部分以Si-OH和C-O基團(tuán)終止(6)。此處的結(jié)果表明，使用較短時(shí)間和較低溫度的稀RCA在去除鐵、鎳和可能的汞方面效果較差。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。

審核編輯：符乾江