CN117059483A - 碳化硅器件表面碳保护膜的去除及检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种碳化硅器件表面碳保护膜的去除及检测方法，包括：提供已完成离子注入的SiC晶圆，并在SiC晶圆的表面形成一层碳保护膜；在1600℃~1800℃的温度下对SiC晶圆进行退火处理；采用碳膜软化剂对SiC晶圆进行浸泡处理，该碳膜软化剂为包括酸和表面活性剂的水溶液；以及采用氧气等离子体去除该碳保护膜。通过采用一种特定配方的碳膜软化剂处理软化碳保护膜，使碳保护膜在碳化硅器件表面的附着力下降，再通过干法去胶的方法采用氧气等离子体与碳保护膜反应，从而去除碳保护膜，且通过控制气体的流量、腔室压力、处理时间控制去除碳保护膜厚度，保证SiC晶圆表面的粗糙度，并通过水滴角的方法无损检测碳保护膜的去除效果，方便经济。

Description

碳化硅器件表面碳保护膜的去除及检测方法
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，具体而言，涉及碳化硅器件表面碳保护膜的去除及检测方法。
背景技术
碳化硅（SiC）作为第三代半导体中的典型代表，由于其具有热导率高、击穿场强高、载流子饱和迁移率高等优良的物理特性，使其能够替代硅（Si）材料制备高温、高压等功率电子器件，并在新能源汽车、光伏发电等领域具有广阔的应用前景。
SiC功率器件，如结势垒肖特基二极管（JBS）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等的器件制备过程，需要经过离子注入进行掺杂改变极型，并在离子注入后采用1600℃~1800℃的极高温度进行退火处理，以获得合适的晶格修复率和较高的离子激活效率。然而，在高温退火激活过程中，SiC表面通常会发生恶化，SiC表面的Si析出和表面原子发生迁移，重新沉积在SiC表面，形成台阶簇；另一方面，Si原子迁移会在SiC表面留下C原子，从而形成C簇或石墨层，从而导致SiC片表面粗糙度增加，引发界面粗糙度度散射，从而严重影响器件迁移率等电学性能。目前在工业上SiC高温退火时，常采用碳膜覆盖SiC表面，其制作方法一般为直接在SiC表面溅射一种碳膜保护层，或者通过SiC表面形成光刻胶再加热碳化光刻胶形成碳膜保护层。在高温退火完成后，覆盖SiC表面的碳膜保护层需要去除。如果碳膜去除不干净则会影响SiC器件的性能，例如影响影响器件的开关特性、导电特性、耐压特性等性能。
发明内容
鉴于此，本申请提供一种碳化硅器件表面碳保护膜的去除及检测方法，包括：
提供已完成离子注入的SiC晶圆，并在SiC晶圆的表面形成一层碳保护膜；
在1600℃~1800℃的温度下对SiC晶圆进行退火处理；
采用碳膜软化剂对SiC晶圆进行湿法浸泡处理，该碳膜软化剂为包括酸和表面活性剂的水溶液；以及
采用氧气等离子体去除该碳保护膜。
本申请SiC器件表面碳保护膜的去除方法，首先通过采用一种特定配方的碳膜软化剂处理软化碳保护膜，使碳保护膜在碳化硅器件表面的附着力下降，再通过干法去胶的方法采用氧气等离子体与碳保护膜反应，从而去除碳保护膜，且通过控制气体的流量、腔室压力、处理时间等严格控制去除碳保护膜厚度，保证SiC晶圆表面的粗糙度。另外，还可以通过水滴角的实验无损检测碳保护膜的去除效果，方便经济。
附图说明
图1为碳保护膜的去除及检测方法的流程图。
图2为碳保护膜的厚度测试点位示意图。
图3为去除了碳保护膜的SiC晶圆表面的原子力显微镜（Atomic ForceMicroscope，AFM）图。
图4为水滴角的原理示意图。
具体实施方式
请参阅图1，本申请提供一种碳化硅器件表面碳保护膜的去除方法，包括如下步骤。
步骤S1：提供已完成离子注入的SiC晶圆，并在SiC晶圆的表面形成一层碳保护膜。
该步骤通常采用物理气相沉积的方法（例如磁控溅射法）在完成离子注入的SiC晶圆的表面形成一层碳保护膜，碳保护膜的厚度通常为30nm-60nm。
本申请中的碳保护膜，不限于采用物理气相沉积的方法（例如磁控溅射法）形成的碳膜，还可为通过碳化光刻胶的方式获得的碳膜。
一实施例中，该SiC晶圆包括SiC基底和位于SiC基底一侧的SiC外延片，SiC外延片中经离子注入形成有P阱区域、N+区域和P+区域等。
一实施例中，通过爱发科型号为CS-200z的碳膜溅射机台，溅射厚度约为55nm的碳保护膜至完成离子注入的SiC晶圆的表面。
碳保护膜形成后，可采用椭偏仪测量该碳保护膜的厚度。通常是采用椭偏仪测量该碳保护膜上若干位置的厚度数值，然后根据多个厚度数值计算平均值。例如，如图2所示，采用椭偏仪测量碳保护膜的九个点位的厚度数值，然后根据九个厚度数值计算厚度平均值为54.8nm，通过公式计算均匀性为3%，该数据表明，溅射在整片SiC晶圆上的碳保护膜的膜厚均匀性较好，与设定的溅射膜厚基本吻合。
步骤S2：在1600℃~1800℃的温度下对SiC晶圆进行退火处理。
该步骤S2通常是在高温激活炉中，且在惰性气体氛围下进行。一实施例中，退火温度为1650℃，惰性气体采用氩气，即在1650℃的温度下且在Ar气氛围下退火30min，完成离子注入后的高温激活。
由于有碳保护膜覆盖SiC晶圆，因此高温退火处理的过程中，SiC表面的Si不会析出且在高温下SiC表面也不会发生原子迁移，从而导致SiC表面恶化出现表面石墨化以及严重粗糙化的问题。
步骤S3：采用碳膜软化剂对SiC晶圆进行湿法浸泡处理，之后水洗、甩干。
该步骤是将SiC晶圆短时间浸泡于碳膜软化剂中。该碳膜软化剂为包括酸和表面活性剂的水溶液。本实施例中，酸包括硫酸和硝酸，但不以此为限。硫酸可以促进硝酸的溶解度，以及促进硝酸的硝化反应，因此加入硫酸促进了硝酸软化碳膜的速率。表面活性剂能使液体的表面张力明显下降，起到分散和泡化的作用。即，该碳膜软化剂为包括硫酸、硝酸、表面活性剂的水溶液。表面活性剂为十六烷基吡啶基溴，但不以此为限。一些实施例中，硫酸在碳膜软化剂中的浓度为7.5*10-3-8.0*10-3mol/L，硝酸的浓度为14.5*10-3-15.5*10- 3mol/L，表面活性剂在碳膜软化剂中的浓度为0.95*10-3-1.2*10-3g/L，但不以此为限。该软化剂的配置可为：在表面活性剂加入适当的水使其充分溶解，然后再加入适量的浓硫酸和硝酸，搅拌均匀。
该步骤的目的是通过浓硫酸和硝酸的强腐蚀性软化碳膜，使碳膜在SiC晶圆表面的附着力下降，另外，在表面活性剂的加持下，使碳膜表层轻松去除。碳膜软化后通过去离子水清洗，以去除晶圆上残留的碳膜软化剂，并在甩干机下甩干备用。此外，该湿法碳膜软化剂处理时间不宜过长，温度不宜过高，防止碳膜软化剂刻蚀速率过快直接将碳膜去除造成SiC晶圆表面粗糙。
该步骤可对碳膜软化剂进行加热处理，使碳膜软化剂的温度达到约60℃-80℃，然后再将SiC晶圆放入碳膜软化剂中，作用SiC晶圆的时间（浸泡时间）约为5-10秒。升高碳膜软化剂的温度有利于提升软化碳膜的速率。
该步骤也可不对碳膜软化剂进行加热处理，而是直接在常温下对碳膜进行软化处理，同时需要相应延长作用SiC晶圆，例如作用SiC晶圆的时间可相对延长约为15-20秒。
步骤S4：采用氧气等离子体去除该碳保护膜。
该步骤S4使用干法去胶的方式且采用氧气等离子体处理，去除覆盖在SiC晶圆表面的碳保护膜。氧气等离子体能与碳保护膜反应，使之变成二氧化碳气体而脱离SiC晶圆。
该步骤S4使用等离子体刻蚀腔室，控制刻蚀腔室的温度为150℃-180℃，向刻蚀腔室中通入氧气和氮气，氧气在刻蚀腔室中被转化为氧气等离子体，氮气的作用是保持刻蚀腔室中压力稳定，使氧气等离子体保持稳定，其中氧气的通入流量为200sccm-800sccm，氮气的通入流量为20sccm-100sccm，处理时间为45-80秒。
一实施例中，氧气等离子体刻蚀腔室的温度为160℃，转化氧气等离子体的源功率为1000W，刻蚀腔室的压强设定为500mTorr，通入氧气360sccm，氮气40sccm，处理时间为60秒。经过以上条件氧气等离子体能有效去除SiC晶圆表面覆盖的碳膜，且不会使表面粗糙度增加。如图3所示，去除碳保护膜后SiC晶圆表面的原子力显微镜图，可知表面粗糙度Rrms为0.45nm，粗糙度Rrms为高度差的均方根值，可以看出碳保护膜覆盖激活退火保护效果明显，且氧气等离子体处理不会使SiC器件表面粗糙度增加。步骤S5：采用水接触角的方法判断碳保护膜的去除效果。
如图4所示，接触角（contact angle）是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线，此切线在液体一方的与固-液交界线之间的夹角θ。液体在固体材料表面上的接触角，是衡量该液体对材料表面润湿性能的重要参数。若θ<90°，则固体表面是亲水性的，即液体较易润湿固体，其角越小，表示润湿性越好；若θ>90°，则固体表面是疏水性的，即液体不容易润湿固体，容易在表面上移动。
在一个平衡状态下，水滴角的大小与材料表面的亲水性和表面张力有很大关系。碳保护膜的密度较小，表面张力较小，因此表现出较强的疏水性，故水滴滴落在碳保护膜表面呈现为球形结构，即水接触角θ>90°。而去除了碳保护膜的SiC晶圆的表面张力较大，因此表现出较强的亲水性，故水滴滴落在SiC晶圆表面呈现为平铺，即水接触角θ<90°。
该步骤是将水滴滴在SiC晶圆表面，根据水接触角的大小判断碳保护膜的去除效果。水滴优选去离子水的水滴。该方式可以通过水滴角实验无损检测碳膜的去除效果，且无需仪器精确测试水接触角的大小，只需肉眼观察水滴在SiC晶圆表面的状态，如果水滴为平铺的状态，则说明碳保护膜的去除效果较好，如果水滴为球形的液滴状态，则说明碳保护膜的去除效果较差。另外，为了提升判断的精确性，还可在SiC晶圆表面不同位置滴水滴，观察每一个水滴的形状，如果每个水滴均为平铺的状态，则说明SiC晶圆表面的碳保护膜基本都被去除。经多次测试，采用本申请的碳保护膜的去除方法，水滴滴在SiC晶圆表面的状态均为平铺的状态，说明本申请碳保护膜的去除方法的去除效果较佳。
本申请SiC器件表面碳保护膜的去除方法，首先通过采用上述特定配方的碳膜软化剂处理软化碳保护膜，使碳保护膜在碳化硅器件表面的附着力下降，再通过干法去胶的方法采用氧气等离子体与碳保护膜反应，从而去除碳保护膜，通过控制气体的流量、腔室压力、处理时间等严格控制去除碳保护膜厚度，保证SiC晶圆表面的粗糙度。另外，还可以通过水滴角的实验无损检测碳保护膜的去除效果，方便经济。
以上实施方式仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本申请技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种碳化硅器件表面碳保护膜的去除及检测方法，其特征在于，包括：
提供已完成离子注入的SiC晶圆，并在SiC晶圆的表面形成一层碳保护膜；
在1600℃~1800℃的温度下对SiC晶圆进行退火处理；
采用碳膜软化剂对SiC晶圆进行湿法浸泡处理，该碳膜软化剂为包括酸和表面活性剂的水溶液；以及
采用氧气等离子体去除该碳保护膜。
2.根据权利要求1所述的碳化硅器件表面碳保护膜的去除及检测方法，其特征在于，所述酸包括硫酸和硝酸。
3.根据权利要求2所述的碳化硅器件表面碳保护膜的去除及检测方法，其特征在于，所述碳膜软化剂中，所述硫酸的浓度为7.5*10-3-8.0*10-3mol/L，所述硝酸的浓度为14.5*10-3-15.5*10-3mol/L。
4.根据权利要求1或2所述的碳化硅器件表面碳保护膜的去除及检测方法，其特征在于，所述表面活性剂为十六烷基吡啶基溴；所述碳膜软化剂中，所述表面活性剂的浓度为0.95*10-3-1.2*10-3g/L。
5.根据权利要求1所述的碳化硅器件表面碳保护膜的去除及检测方法，其特征在于，所述碳膜软化剂的温度为60℃-80℃，作用所述SiC晶圆的时间为5-10秒。
6.根据权利要求1所述的碳化硅器件表面碳保护膜的去除及检测方法，其特征在于，所述碳膜软化剂的温度为常温，作用所述SiC晶圆的时间为15-20秒。
7.根据权利要求1所述的碳化硅器件表面碳保护膜的去除及检测方法，其特征在于，采用氧气等离子体去除该碳保护膜的步骤在刻蚀腔室中进行，控制所述刻蚀腔室的温度为150℃-180℃，向所述刻蚀腔室中通入氧气和氮气，其中氧气的通入流量为200sccm-800sccm，氮气的通入流量为20sccm-100sccm，处理时间为45-80秒。
8.根据权利要求1所述的碳化硅器件表面碳保护膜的去除及检测方法，其特征在于，所述方法还包括：在采用碳膜软化剂对SiC晶圆处理之后且采用氧气等离子体去除该碳保护膜之前，对所述SiC晶圆进行去离子水洗和甩干。
9.根据权利要求1所述的碳化硅器件表面碳保护膜的去除及检测方法，其特征在于，该去除方法还包括采用水接触角的方法判断碳保护膜的去除效果。
10.根据权利要求9所述的碳化硅器件表面碳保护膜的去除及检测方法，其特征在于，判断碳保护膜的去除效果步骤包括：将水滴滴在所述SiC晶圆表面，肉眼观察水滴在所述SiC晶圆表面的状态，如果水滴为平铺的状态，则说明所述碳保护膜的去除效果较好，如果水滴为球形的液滴状态，则说明所述碳保护膜的去除效果较差。
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