CN106024586B - 一种碳化硅表面清洁方法 - Google Patents

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Abstract

一种碳化硅表面清洁方法。提供了一种方便清洁、降低表面消耗，操作可靠性高的碳化硅表面清洁方法。包括以下步骤：S1：在碳化硅具有杂质的表面沉积一层固体物质；S2：将固体物质与碳化硅表面物质进行反应，形成反应层；S3：去除反应层以及反应层上剩余的固体物质；S4：清洁完成。本发明在工作中，与碳化硅紧密接触的固体材料，在高温下，短时间内与碳化硅材料（以及其表面杂质污染物质）反应，形成化合物，并且可以被这种固体材料以及其化合物对应的湿法腐蚀工艺去除，留下干净新鲜的理想碳化硅表面。

Description

一种碳化硅表面清洁方法
技术领域
本发明涉及碳化硅加工领域，尤其涉及碳化硅的表面清洁方法。
背景技术
碳化硅是一种新的宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大，材料耐受场强大，导热性好等突出优势。以之为器件材料的产品，被认为将在高压高频高温高功率等级的电力电子，微波射频，光电探测等领域代替现有的硅材料产品，称为一个可观规模的产业，策划。同时碳化硅还是高端蓝光LED照明发光器件的衬底材料。近年来，碳化硅半导体材料和器件技术取得很大进步，产品的性能得到提高，市场应用领域不断扩展。
但是与硅对比，独特的材料特性也给碳化硅材料器件的加工工艺带来很大挑战。
众所周知，硅能取得在集成电路和其他半导体器件领域的绝对优势材料地位，很大程度上是因为其氧化特性。硅的氧化机制非常清晰，遵从著名的Deal-Grove模型。其氧化产物二氧化硅膜成分均一，结构致密，是优良的栅介质。同时硅/二氧化硅界面也非常理想。这是整个硅集成电路技术迅速发展，引发工业技术革命，改变人类生活的基石。
在标准的主流硅半导体工艺流程中，硅氧化有三个主要应用，就是所谓栅氧，场氧和牺牲氧。而碳化硅材料的优越性，除了前面提到的之外，还包括了其氧化机制类似，固体产物也是二氧化硅。因此，人们曾经期望可以简单移植利用硅器件的氧化工艺。然而，由于其氧化速率低，同时还有碳元素的影响，碳化硅的氧化在上述三个方面都遇到极大困难：
一：其中由于氧化速率低，场氧基本不可能；
二：碳化硅栅氧的二氧化硅薄膜性质不如硅上栅氧，与下面碳化硅的界面性质也有很大问题，成为碳化硅Mosfet的核心技术困难和关键。由于碳化硅Mosfet 驱动简单，在系统层面最容易替代现有硅IGBT，因此吸引了最多的工业研发资源。碳化硅Mosfet的核心技术困难和关键，也就是整个碳化硅电力电子器件产业的的核心技术困难和关键；
三：碳化硅的牺牲氧，实际上也是无法完成硅牺牲氧的功能。
发明内容
本发明针对以上问题，提供了一种方便清洁、降低表面消耗，操作可靠性高的碳化硅表面清洁方法。
本发明的技术方案是：包括以下步骤：
S1：在碳化硅具有杂质的表面沉积一层固体物质；
S2：将固体物质与碳化硅表面物质进行反应，形成反应层；
S3：去除反应层以及反应层上剩余的固体物质；
S4：清洁完成。
其中，S1.1：所述固体物质为金属镍；
S1.2：先使用真空蒸发镀膜的方法在碳化硅晶圆上沉积一层厚度为3000到5000埃的金属镍层；
然后，在保护性气体氮气的气氛中，加热至810℃，反应10分钟，金属镍与碳化硅表面物质反应形成反应层，所述反应层为包含镍-硅-碳化合物的体系；
S1.3：使用腐蚀液在常温下去除反应层和镍层；
S1.4：再通过冲洗甩干得到新鲜、干净、平滑的碳化硅表面。
其中，S2.1：所述固体物质为金属钛；
S2.2：先使用真空等离子磁控溅射的方法在碳化硅晶圆上沉积一层厚度为1000到1500埃的金属钛层；
然后，在还原性的氮气和氢气的混合气氛中，加热至500℃，反应6分钟，金属钛与碳化硅表面物质反应形成反应层，所述反应层为包含钛-硅-碳化合物的体系；
S2.3：使用钛腐蚀液在常温下去除反应层和钛层；
S2.4：再通过冲洗甩干得到新鲜、干净、平滑的碳化硅表面。
步骤S2.3中的钛腐蚀液包括蒸馏水、氢氟酸和硝酸。
其中，S3.1：所述固体物质为金属钼；
S3.2：先使用等离子真空磁控溅射的方法在碳化硅晶圆上沉积一层厚度为2000埃的金属钼；
然后，在惰性气体氩气气氛中，加热至430℃，反应5分钟，金属钼与碳化硅表面物质反应形成反应层，所述反应层为包含钼-硅-碳化合物的体系；
S3.3：使用钼腐蚀液去除反应层和钼层，
S3.4：再通过冲洗甩干得到新鲜、干净、平滑的碳化硅表面。
本发明在工作中，与碳化硅紧密接触的固体材料，在高温下，短时间内与碳化硅材料（以及其表面杂质污染物质）反应，形成化合物，并且可以被这种固体材料以及其化合物对应的湿法腐蚀工艺去除，留下干净新鲜的理想碳化硅表面。
附图说明
图1是本发明中常态下碳化硅的结构示意图，
图2是本发明中S1加工后碳化硅的结构示意图，
图3是本发明中S2加工后碳化硅的结构示意图，
图4是本发明中S3加工后碳化硅的结构示意图，
图5是现有技术中常态下硅材料的结构示意图，
图6是现有技术中硅表面加工步骤一的结构示意图，
图7是现有技术中硅表面加工步骤二的结构示意图；
图中1是碳化硅，2是表面，3是固体物质，4是反应层，5是硅材料，6是不理想表面，7是二氧化硅层。
具体实施方式
本发明如图1-4所示，包括以下步骤：
S1：在碳化硅1具有杂质的表面2沉积一层固体物质3；
S2：将固体物质与碳化硅表面物质进行反应，形成反应层4；
S3：去除反应层以及反应层上剩余的固体物质；
S4：清洁完成。
本发明包括以下三个实施例：
实施例一为：
S1.1：所述固体物质为金属镍；
S1.2：先使用真空蒸发镀膜的方法在碳化硅晶圆上沉积一层厚度为3000到5000埃的金属镍层；
然后，在保护性气体氮气的气氛中，加热至810℃，反应10分钟，金属镍与碳化硅表面物质反应形成反应层，所述反应层为包含镍-硅-碳的的体系；
S1.3：使用腐蚀液在常温下去除反应层和镍层；
S1.4：再通过冲洗甩干得到新鲜、干净、平滑的碳化硅表面。由于固体之间的反应界面光滑，能够达到原子尺度的光滑度。
实施例二为：
S2.1：所述固体物质为金属钛；
S2.2：先使用真空等离子磁控溅射的方法在碳化硅晶圆上沉积一层厚度为1000到1500埃的金属钛层；
然后，在还原性的氮气和氢气的混合气氛中，加热至500℃，反应6分钟，金属钛与碳化硅表面物质反应形成反应层，所述反应层为包含钛-硅-碳的的体系；
S2.3：使用钛腐蚀液在常温下去除反应层和钛层；
S2.4：再通过冲洗甩干得到新鲜、干净、平滑的碳化硅表面。由于固体之间的反应界面光滑，能够达到原子尺度的光滑度。
其中，步骤S2.3中的钛腐蚀液包括蒸馏水、氢氟酸和硝酸。
实施例三为：
S3.1：所述固体物质为金属钼；
S3.2：先使用等离子真空磁控溅射的方法在碳化硅晶圆上沉积一层厚度为2000埃的金属钼；
然后，在惰性气体氩气气氛中，加热至430℃，反应5分钟，金属钛与碳化硅表面物质反应形成反应层，所述反应层包含钼-硅-碳的的体系；
S3.3：使用钼腐蚀液（如阿法埃莎公司的商用钼腐蚀液）去除反应层和钼层，
S3.4：再通过冲洗甩干得到新鲜、干净、平滑的碳化硅表面。由于固体之间的反应界面光滑，能够达到原子尺度的光滑度。
如图5-7所示，硅材料的普遍实用的牺牲氧化方法的加工工艺，其通过在硅材料5的不理想表面6，通过氧化形成二氧化硅层7，其消耗硅材料，分隔硅材料和剩余其他无法氧化的表面杂质污染；最后，湿法去除二氧化硅层，露出理想表面。
然而，碳化硅器件工艺的技术成熟度远逊于硅工艺，对材料表面状况和清洗工艺的认识也是如此，更加难以通过一般的湿法化学清洗获得新鲜表面。因此，现有的碳化硅器件工艺频繁采用类似硅的这一牺牲氧化工艺，希望能够得到新鲜清洁的理想表面。但是实际上，由于碳化硅氧化速度远远低于硅，在合理的时间里，得到的二氧化硅薄膜厚度极小，以至于一般常用工艺检测设备都无法检测这个厚度，因此消耗的碳化硅材料极少。同时碳化硅氧化得到的二氧化硅薄膜的致密性也不好。这种情况下，氧化过程中无法完全避免的杂质向下扩散可能反而恶化表面状况。
其他消耗碳化硅材料的刻蚀方法也不理想。碳化硅材料硬度大，仅次于金刚石；由于禁带宽度大，化学性能稳定，极其耐腐蚀。已知的唯一湿法刻蚀是500度左右高温KOH溶液。不但从设备角度看难以采用，而且因为由于碳化硅材料缺陷多，刻蚀的结果是放大表面的粗糙度，与目标背道而驰。干法刻蚀的结果更是在表面留下很多刻蚀气体以及刻蚀中间产物的残留。
本发明在应用中，固体物质与碳化硅材料表面层物质产生复杂的物理吸附渗透以及化学反应，形成复杂的包括硅化物和游历碳的复合体系，体系与下面的碳化硅材料的界面光滑；
控制温度以及时间，可以控制反应的速度和反应层和厚度，控制碳化硅材料的消耗，以及界面的平滑度，使得固体物质（金属）主要与碳化硅“表面层”以及“表面层”之下合适厚度的碳化硅体材料反应，产生最佳的界面平滑度，以最少的时间达到改善表面状况的目的。
敷设的固体物质可以是镍、钛、钼，也可以是其他元素或者化合物。
与没有经过这种处理（或者其他湿法清洗处理）的表面相比，经过处理的表面，在器件电性能，良率上有可见的改善。
以上处理过程可以多次进行以增强效果。

Claims (2)

1.一种碳化硅表面清洁方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在碳化硅具有杂质的表面沉积一层固体物质；
S2：将固体物质与碳化硅表面物质进行反应，形成反应层；
S3：去除反应层以及反应层上剩余的固体物质；
S4：清洁完成；
S1.1：所述固体物质为金属镍；
S1.2：先使用真空蒸发镀膜的方法在碳化硅晶圆上沉积一层厚度为3000到5000埃的金属镍层；
然后，在保护性气体氮气的气氛中，加热至810℃，反应10分钟，金属镍与碳化硅表面物质反应形成反应层，所述反应层为包含镍-硅-碳的的体系；
S1.3：使用腐蚀液在常温下去除反应层和镍层；
S1.4：再通过冲洗甩干得到新鲜、干净、平滑的碳化硅表面；
或
S2.1：所述固体物质为金属钛；
S2.2：先使用真空等离子磁控溅射的方法在碳化硅晶圆上沉积一层厚度为1000到1500埃的金属钛层；
然后，在还原性的氮气和氢气的混合气氛中，加热至500℃，反应6分钟，金属钛与碳化硅表面物质反应形成反应层，所述反应层为包含钛-硅-碳的的体系；
S2.3：使用钛腐蚀液在常温下去除反应层和钛层；
S2.4：再通过冲洗甩干得到新鲜、干净、平滑的碳化硅表面；
或
S3.1：所述固体物质为金属钼；
S3.2：先使用等离子真空磁控溅射的方法在碳化硅晶圆上沉积一层厚度为2000埃的金属钼；
然后，在惰性气体氩气气氛中，加热至430℃，反应5分钟，金属钼与碳化硅表面物质反应形成反应层，所述反应层为包含钼-硅-碳的的体系；
S3.3：使用钼腐蚀液去除反应层和钼层，
S3.4：再通过冲洗甩干得到新鲜、干净、平滑的碳化硅表面。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硅表面清洁方法，其特征在于，步骤S2.3中的钛腐蚀液包括蒸馏水、氢氟酸和硝酸。
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