專利名稱：純化碳化硅結(jié)構(gòu)的方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種純化碳化硅結(jié)構(gòu)的方法，該結(jié)構(gòu)在高溫硅晶片制造方法中是有用的。更特別地，本發(fā)明涉及一種降低適用于高溫硅晶片制造方法中的碳化硅結(jié)構(gòu)的鐵含量的方法。該方法產(chǎn)生了在其表面具有基本無(wú)鐵裸露區(qū)域(denuded zone)的碳化硅結(jié)構(gòu)，在高溫硅晶片處理步驟中這些結(jié)構(gòu)不會(huì)擴(kuò)散有問(wèn)題數(shù)量的鐵進(jìn)入硅晶片氣氛中。
在硅晶片的高溫處理過(guò)程中，碳化硅結(jié)構(gòu)或部件通常在爐子內(nèi)部使用。通常稱作舟(boat)的這些部件與硅晶片密切接觸，因?yàn)樵谠S多處理步驟過(guò)程中它們事跡在適當(dāng)?shù)奈恢帽３止杈?。?duì)這種應(yīng)用而言，碳化硅基片是有利的，因?yàn)閹讉€(gè)原因，包括(1)在超過(guò)1150℃的溫度下它們可使用非常長(zhǎng)的時(shí)間而不損失任何尺寸容忍性；(2)它們是高度化學(xué)惰性的；以及(3)它們是非常結(jié)實(shí)的。由于這些特性，碳化硅是所有高溫硅晶片熱處理的優(yōu)選基片材料。
碳化硅基片通常含有相對(duì)高水平的雜質(zhì)如鐵，因?yàn)樗鼈冓呌谑歉叨榷嗫椎?，這產(chǎn)生了更多的可收集雜質(zhì)并使它們難以移去的表面區(qū)域。基于此，許多碳化硅基片在使用之前用非常高純度的碳化硅涂層涂覆。這種碳化硅涂層比基片密度大得多，這降低了表面的孔隙率。然而，在一些硅晶片熱處理方法所需的高溫下，置于碳化硅結(jié)構(gòu)上的碳化硅涂層的純度可以帶來(lái)許多問(wèn)題。例如，當(dāng)在等于或高于約1200℃的溫度下在氬/氫或者氧/氮?dú)夥障绿幚砉杈瑫r(shí)，存在于碳化硅涂層表面層或本體中的鐵可從碳化硅涂層擴(kuò)散入硅晶片中，這導(dǎo)致了硅晶片中不能接受的高水平的鐵污染。通過(guò)化學(xué)蒸氣沉積引入到基片上的高純度碳化硅涂層的本體鐵含量典型地為約0.1到約10×1015原子/立方厘米。在市場(chǎng)上得到的碳化硅涂覆舟中處理的硅晶片中通常觀測(cè)到1013鐵原子/立方厘米的鐵濃度。其污染水平比多數(shù)硅晶片用戶會(huì)接受的高約1000倍。
對(duì)于碳化硅涂覆舟的制造商而言，這個(gè)污染問(wèn)題的一個(gè)解決方法是通過(guò)化學(xué)蒸氣沉積將碳化硅涂層沉積到基片上，關(guān)于鐵它是當(dāng)前使用涂料的至少約1000倍純凈。雖然這會(huì)潛在地解決鐵污染的問(wèn)題，但如果市場(chǎng)上可得到，這種超純的碳化硅涂料是非常昂貴且易于被沉積后所需的加工方法所污染。而且，直接證實(shí)這種超高純度的分析方法是不存在的。
目前為止，工業(yè)中用于降低碳化硅舟中鐵污染的一種解決辦法是在碳化硅表面上生長(zhǎng)相當(dāng)厚的碳化硅層，典型地這在含有氯的氣體的存在下進(jìn)行，所述氣體如單獨(dú)的氯化氫(HCl)或二氯乙烯或者與氧組合。這種氧化物層作為鐵擴(kuò)散阻擋層并阻止氧化物層下面的碳化硅中的鐵向外擴(kuò)散并達(dá)到停留在生長(zhǎng)的氧化物層頂部的硅晶片。使用這種方法有兩個(gè)主要的問(wèn)題。首先，被氧化的碳化硅層中的一些鐵在氧化層的頂部表面被俘獲，并在處理過(guò)程中通過(guò)向外擴(kuò)散污染硅晶片。第二，氧化物層通過(guò)一些處理環(huán)境如氫被腐蝕掉，并留下直接暴露在污染的碳化硅下的硅晶片。間歇性地再氧化碳化硅層導(dǎo)致有價(jià)值的處理時(shí)間的損失和增加的總成本。而且，這種再氧化又一次捕獲在表面處的鐵(如上所述在處理過(guò)程中這可被釋放)。
降低碳化硅結(jié)構(gòu)中污染的另一種方法包括利用氣體的三氟化氯(ClF3)腐蝕方法從表面腐蝕至少約0.1微米但不多于10微米的碳化硅。典型地在從約20℃到約600℃的溫度下實(shí)施這種過(guò)程。雖然這種過(guò)程確實(shí)除去碳化硅涂層的表面層中發(fā)現(xiàn)的鐵污染，但它通常不能從結(jié)構(gòu)的本體或者任何碳化硅涂層中除去鐵污染。在晶片處理過(guò)程中這種本體鐵(bulk iron)可擴(kuò)散到結(jié)構(gòu)或者涂層的表面并進(jìn)入到包圍被處理晶片的環(huán)境中。
降低來(lái)自碳化硅結(jié)構(gòu)和涂層的污染的另一種方法包括利用徹底的原位清潔方法來(lái)減少碳化硅中存在的鐵污染的數(shù)量。典型的清潔方法包括至少兩個(gè)步驟。第一個(gè)步驟是在氯化氫氣體或者二氯乙烯(與氧一起)存在的情況下在高于約950℃的溫度下在爐子中氧化碳化硅涂層。該步驟導(dǎo)致了碳化硅中氯化鐵的形成，它是一定條件下可從碳化硅蒸發(fā)的揮發(fā)性的物質(zhì)。
原位清潔方法中的第二步涉及到在從約1200℃到約1350℃的正常硅晶片加工溫度下、用包括在各次運(yùn)轉(zhuǎn)中的新的、低鐵硅晶片進(jìn)行一系列從約10到約20爐加工循環(huán)。典型地氣氛為氫、氫和氬的混合物或者只有氬。在加工步驟中新的、低鐵硅晶片用于從碳化硅層中提取鐵。通過(guò)用表面光電壓測(cè)量暴露于碳化硅涂覆的舟的硅晶片的鐵含量來(lái)間接地監(jiān)控舟純化的進(jìn)展。一般而言，當(dāng)通過(guò)表面光電壓測(cè)定的、熱處理過(guò)的硅晶片中鐵含量低于約1010鐵原子/立方厘米時(shí)，舟純化和鑒定完成。
雖然在高溫硅晶片處理過(guò)程中，這種原位清潔方法確實(shí)產(chǎn)生不會(huì)產(chǎn)生大量鐵污染的、高質(zhì)量碳化硅舟，但是它是非常耗費(fèi)時(shí)間且昂貴的。在某些情況下，必須犧牲多于$100,000價(jià)值的新硅晶片來(lái)制造純化過(guò)的舟。此外，這種純化可需要5或更多次爐運(yùn)轉(zhuǎn)(furnace run)，這也可顯著增加所產(chǎn)生的花費(fèi)。
如此，在工業(yè)中需要以較不昂貴、時(shí)間效率高的方式純化適用于高溫硅晶片制造方法中的碳化硅結(jié)構(gòu)的方法。此外，如果這種方法不需要犧牲很大數(shù)量的第一質(zhì)量硅晶片，也會(huì)是有利的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種通過(guò)從碳化硅表面向內(nèi)創(chuàng)造所需深度的基本無(wú)鐵的裸露區(qū)域，純化適用于高溫硅晶片制造方法中的碳化硅結(jié)構(gòu)的方法。這種公開(kāi)的方法以新順序使用常規(guī)的純化步驟，且用比現(xiàn)有已知方法明顯更少的爐運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)確認(rèn)用于高溫硅晶片制造方法中的碳化硅結(jié)構(gòu)。此外，該新順序顯著降低或者消除了需要被犧牲以純化碳化硅結(jié)構(gòu)的第一質(zhì)量硅晶片的數(shù)目。純化之后，碳化硅結(jié)構(gòu)可在與碳化硅的基本化學(xué)性能相容的任何環(huán)境中在升高的溫度下使用，而不用將大量的鐵以除氣形式排入周圍環(huán)境。
這樣，本發(fā)明涉及一種純化適用于高溫硅晶片制造方法中的碳化硅結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括(a)使碳化硅結(jié)構(gòu)處于水分中；(b)從碳化硅結(jié)構(gòu)化學(xué)剝離至少約1微米的碳化硅；(c)將碳化硅結(jié)構(gòu)在至少約1200℃的溫度下暴露在氫中約1小時(shí)至100小時(shí)；(d)在約1150℃至約1250℃的溫度下在碳化硅結(jié)構(gòu)表面上生長(zhǎng)厚度為約2納米到約400納米的氧化硅層；(e)從碳化硅結(jié)構(gòu)化學(xué)剝離氧化硅層；以及(f)重復(fù)步驟c、d和e約1到約4次。
本發(fā)明還涉及一種包含碳化硅結(jié)構(gòu)的適用于高溫硅晶片制造方法中的高純度碳化硅結(jié)構(gòu)，所述碳化硅結(jié)構(gòu)含有不多于約1×1012原子的鐵/立方厘米，該碳化硅結(jié)構(gòu)通過(guò)包括下述步驟的方法制造(a)使碳化硅結(jié)構(gòu)處于水分中；(b)從碳化硅結(jié)構(gòu)化學(xué)剝離至少約1微米的碳化硅；(c)將碳化硅結(jié)構(gòu)在至少約1200℃的溫度下暴露在氫中約1小時(shí)至100小時(shí)；(d)在約1150℃至約1250℃的溫度下在碳化硅結(jié)構(gòu)表面上生長(zhǎng)厚度為約2納米到約400納米的氧化硅層；(e)從碳化硅結(jié)構(gòu)化學(xué)剝離氧化硅層；以及(f)重復(fù)步驟c、d和e約1到約4次。
本發(fā)明的其它特征部分是明顯的，部分在下文中指出。
優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述本發(fā)明一般涉及一種通過(guò)從外表面向內(nèi)產(chǎn)生所需深度的基本無(wú)鐵裸露區(qū)域來(lái)純化碳化硅結(jié)構(gòu)的方法。一般地，從該結(jié)構(gòu)的外表面向內(nèi)創(chuàng)造多達(dá)約25微米的基本無(wú)鐵的裸露區(qū)域，以降低在高溫方法中使用碳化硅結(jié)構(gòu)的過(guò)程中所釋放入氣氛中的鐵數(shù)量。令人驚奇地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)常規(guī)的碳化硅純化步驟可以新的順序來(lái)使用，從而以時(shí)間和成本上高效率的方式來(lái)制造高純度碳化硅結(jié)構(gòu)。一旦進(jìn)行本文所述的方法，碳化硅結(jié)構(gòu)就可以用于高溫硅晶片制造方法中，而不需要常規(guī)的漫長(zhǎng)而昂貴的原位清潔步驟。
如本文所用的，術(shù)語(yǔ)“碳化硅結(jié)構(gòu)”意思是指包括適用于高溫硅晶片處理的四種不同類型的碳化硅類部件。首先，該術(shù)語(yǔ)包括包含碳化硅基底結(jié)構(gòu)的碳化硅部件，所述碳化硅基底結(jié)構(gòu)具有被施加的高純度碳化硅涂層以得到碳化硅涂覆的碳化硅基片。一般地，這些結(jié)構(gòu)具有通過(guò)化學(xué)蒸氣沉積方法引入碳化硅基底結(jié)構(gòu)上的碳化硅涂層。施加到碳化硅基底結(jié)構(gòu)的碳化硅涂層是通常厚度為約30微米到約200微米、適當(dāng)?shù)貫榧s50微米到約80微米的高純度碳化硅涂層。與基底基片相比，關(guān)于鐵，碳化硅涂層通常具有高得多的純度。另外，碳化硅涂層比碳化硅基片密度大得多，并在其表面上具有明顯更少的、雜質(zhì)滲透其中的孔。對(duì)于如本文所述的本發(fā)明的方法時(shí)，正是這種碳化硅涂層在這種實(shí)施方式中被純化。
第二，該術(shù)語(yǔ)包括由碳化硅而沒(méi)有高純度碳化硅涂層組成碳化硅部件。這些碳化硅部件通常通過(guò)將高純度粒狀碳化硅粉漿澆鑄(slip casting)成適當(dāng)?shù)男螤睢⒉⒏邷責(zé)Y(jié)粉漿澆鑄制件以形成所需形狀的部件。典型地，該粉漿澆鑄的碳化硅部件然后會(huì)進(jìn)行硅處理以將硅引入粉漿澆鑄部件的頂層上或頂層中，從而降低碳化硅表面的多孔性，并然后機(jī)加工成其最后的形狀。本發(fā)明的方法用于純化粉漿澆鑄的碳化硅部件的最外層。
第三，該術(shù)語(yǔ)包括所需形狀的、由通過(guò)首先在高純度石墨基片上引入高純度碳化硅厚層制造的碳化硅構(gòu)成的碳化硅部件。一旦將碳化硅涂層引入到石墨基片上，就燒掉石墨基片，僅留下隨后成型為所需形狀的碳化硅。這樣產(chǎn)生了具有低孔隙率的高質(zhì)量碳化硅部件。本發(fā)明的方法用于純化這種碳化硅部件。
第四，該術(shù)語(yǔ)包括由通過(guò)將石墨基片制成所需形狀并隨后將成型的石墨化學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)樘蓟枰援a(chǎn)生碳化硅結(jié)構(gòu)而制備的碳化硅組成的碳化硅部件。用于將成型的石墨化學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)樘蓟璧幕瘜W(xué)方式可包括暴露在硅或砂中或者它們的組合。這些碳化硅部件或者可以以純形式使用，或者可包括如上所述的高純度碳化硅涂層。
如上所述，在純化方法的第一個(gè)步驟中，碳化硅結(jié)構(gòu)暴露于水分中。該結(jié)構(gòu)可以在室溫或者升高的溫度下浸入水中，或者可以暴露在室溫或升高的溫度下的正常濕度下，以使得碳化硅吸收水進(jìn)入晶粒間界。優(yōu)選所用的水分是高純的，且基本上無(wú)鐵、鉬和其它過(guò)渡金屬元素，從而避免將另外的污染物引入碳化硅涂層中。碳化硅涂覆的結(jié)構(gòu)處于水分中的時(shí)間不是非常關(guān)鍵的，可以是例如，1小時(shí)、4小時(shí)、8小時(shí)、10小時(shí)、20小時(shí)或者甚至24小時(shí)。這種進(jìn)入碳化硅晶粒間界的水吸附使得其中存在的各種鐵物質(zhì)可化學(xué)地得到氧。這種氧會(huì)與碳化硅中存在的各種含鐵物質(zhì)例如硅化鐵(FeSi)和碳化鐵(Fe3C)反應(yīng)以形成氧化鐵(FeO)，它在隨后的處理步驟中，易于轉(zhuǎn)化為下面方程式中示出的Fe(0)FeSi+3/2O2→FeO+SiO22FeSi+7/2O2→Fe2O3+2SiO2FeO+H2→Fe(0)+H2O與在硅化鐵或碳化鐵中相比，在碳化硅中Fe(0)具有高得多的遷移率。如此，在Fe(0)可從表面層除去的隨后加工步驟中，F(xiàn)e(0)可更易于朝向碳化硅表面擴(kuò)散。
或者，通過(guò)使碳化硅結(jié)構(gòu)暴露于基本無(wú)水分的干燥空氣，可使得碳化硅中的各種含鐵物質(zhì)可得到氧。干燥空氣包括可滲透入晶粒間界并與上述各種含鐵物質(zhì)反應(yīng)的氧。干燥空氣可包括約1％至約100％的氧。
在將水分引入碳化硅的晶粒間界之后，使碳化硅進(jìn)行化學(xué)剝離或者腐蝕加工以除去至少約1微米、適當(dāng)?shù)貫閺募s1微米到約20微米、更適當(dāng)?shù)貫閺募s1微米到約6微米、更適當(dāng)?shù)貫閺募s2微米到約4微米。這種化學(xué)剝離除去了碳化硅的最外層，由于許多方法(包括化學(xué)蒸氣沉積方法)的本性，與碳化硅本體相比，所述碳化硅的最外層典型地含有高得多濃度的鐵。一般地，這種高水平的污染主要與完成化學(xué)蒸氣沉積的爐子的純度有關(guān)。
利用兩種方法中的一種，可完成碳化硅最外層的化學(xué)剝離或腐蝕(etching)。在一種方法中，碳化硅結(jié)構(gòu)暴露于溫度高于約1000℃、適當(dāng)?shù)貫榧s1000℃到約1350℃、更適當(dāng)?shù)貫榧s1000℃到約1200℃的腐蝕氣體中，暴露約10分鐘到約2小時(shí)的時(shí)間以除去所需量的碳化硅，例如可以是上述的至少約1微米、適當(dāng)?shù)貜募s2微米到約4微米。適當(dāng)?shù)母g氣體是本領(lǐng)域已知的，可包括例如氯氣、HCl、SF6等的任何含鹵化物氣體。此外，可使用腐蝕氣體的組合。另外，腐蝕氣體可以是三氟化氯(ClF3)。當(dāng)使用這種腐蝕氣體時(shí)，腐蝕的溫度典型地從約20℃到約600℃。
一般地，在腐蝕過(guò)程中腐蝕氣體與碳化硅反應(yīng)以形成揮發(fā)離開(kāi)涂層表面的揮發(fā)性物質(zhì)如四氯化硅和/或四氯化碳。優(yōu)選在產(chǎn)生各向同性腐蝕的條件下進(jìn)行腐蝕以在碳化硅結(jié)構(gòu)上維持適當(dāng)?shù)谋砻妗?br> 所用的腐蝕氣體或多種腐蝕氣體在腐蝕爐子中一般具有總氣體流速的約1％到約100％、適當(dāng)?shù)貫榧s30％到約100％的流量百分比，這可以是例如約1SLM到約100SLM、適當(dāng)?shù)貫榧s5 SLM到約50SLM、更適當(dāng)?shù)貫榧s8SLM到約40SLM。當(dāng)腐蝕氣體流速低于總流速的100％時(shí)，可使用氣體如氬、氮或者氬與氮的混合物作為載體氣體。
隨同腐蝕氣體一起，等離子體也可用于幫助腐蝕；也就是說(shuō)，在腐蝕步驟中可以開(kāi)啟等離子體以在碳化硅涂層表面上產(chǎn)生自由基物質(zhì)，它們也是揮發(fā)性的且從碳化硅涂層表面除去。等離子體腐蝕也可幫助確保碳化硅的總?cè)コ歉飨蛲?。等離子體腐蝕時(shí)，可以單獨(dú)使用許多有機(jī)或無(wú)機(jī)氟化物、氯化物和/或溴化物中的任意一種或者組合使用它們以與碳化硅層反應(yīng)從而形成從表面蒸發(fā)的各種揮發(fā)性產(chǎn)物。
在從表面剝離碳化硅的第二種適當(dāng)方法中，要從表面去除的所需數(shù)量的碳化硅在表面被氧化并隨后化學(xué)剝離。適當(dāng)?shù)难趸椒òㄔ诩s1000℃或更高的溫度下引入氧和氮和/或氬，或者二氯乙烯和氧與氮或氬的組合，引入時(shí)間為足以氧化所需量表面碳化硅。足夠的時(shí)間可以是，例如，從1小時(shí)到幾百小時(shí)，或者更長(zhǎng)，根據(jù)被氧化碳化硅的量。當(dāng)與氮和/或氬組合使用氧時(shí)，氧的流量百分比典型地為總流速的約1％到約99％，適當(dāng)?shù)貫榭偭魉俚募s10％到約99％。當(dāng)與二氯乙烯一起使用氧時(shí)，氧的流量百分比適當(dāng)?shù)貫榧s97％到約99.5％，其余是二氯乙烯和氮或氬。在一些實(shí)施方式中，氧可構(gòu)成總氣體流速的約100％。
這種氧化步驟在碳化硅結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生了二氧化硅，它隨后利用含水的剝離或腐蝕化合物來(lái)除去。適當(dāng)?shù)暮g化合物是氫氟酸溶液。適當(dāng)?shù)貧浞崛芤嚎删哂屑s1重量％到約49重量％的濃度。
一般地，利用上述腐蝕氣體方法來(lái)優(yōu)選完成化學(xué)剝離，因?yàn)檫@種方法并不需要從腐蝕步驟與隨后加工步驟之間的爐子移除碳化硅結(jié)構(gòu)。因?yàn)椴恍枰獜臓t子中移除，化學(xué)腐蝕過(guò)程中進(jìn)一步污染碳化硅結(jié)構(gòu)的機(jī)會(huì)被顯著降低或消除。另外，在化學(xué)腐蝕工藝中，在該方法第一步驟中擴(kuò)散入晶粒間界中的水分的作用下，晶粒間界中存在的硅化鐵也轉(zhuǎn)化為氧化鐵。如本文中所述的，這種氧化鐵然后在隨后的加工步驟中易于轉(zhuǎn)為Fe(0)，其易于從碳化硅涂層揮發(fā)。
在碳化硅頂層被如上所述剝離之后，使碳化硅結(jié)構(gòu)進(jìn)行高溫氫退火處理一段持續(xù)的時(shí)間，從而促進(jìn)碳化硅純化。氫處理或者氫退火可以用約1％到約100％、適當(dāng)?shù)貫榧s1％到約4％的氫流量百分比來(lái)進(jìn)行，其余為氬和/或氮。一般地，優(yōu)選更低百分比的氫以保持在更低的氫爆炸極限之下。
氫退火是在高于約1200℃的溫度下并持續(xù)約1小時(shí)至約100小時(shí)，適當(dāng)?shù)貫榧s10小時(shí)至約24小時(shí)。碳化硅結(jié)構(gòu)維持在高溫氫退火的時(shí)間越長(zhǎng)，碳化硅結(jié)構(gòu)中的基本無(wú)鐵區(qū)域、或者“裸露區(qū)域”越深。
在這樣的高溫氫處理過(guò)程中，存在于碳化硅中的氧化鐵轉(zhuǎn)化成Fe(0)，如上所述，其在碳化硅中具有高得多的擴(kuò)散性并可更易于移向碳化硅表面，在此其可通過(guò)腐蝕來(lái)除去或者揮發(fā)離開(kāi)碳化硅并進(jìn)入周圍氣氛中以增強(qiáng)純度。另外，在這種高溫氫處理中，存在于各個(gè)碳化硅晶粒中的其它鐵物質(zhì)移動(dòng)到晶粒間界，在那里它們可與硅反應(yīng)以形成硅化鐵分子。在隨后的純化步驟中加入水分之后，這些硅化鐵分子與水反應(yīng)且形成氧化鐵。這種氧化鐵可易于成為Fe(0)且揮發(fā)離開(kāi)碳化硅或者用氧化物層捕獲，如本文所述。
在高溫氫處理完成之后，薄氧化物層然后生長(zhǎng)在碳化硅表面上以捕獲在高溫氫退火過(guò)程中遷移到表面的表面鐵?？稍谘趸飳又胁东@不同的含鐵物質(zhì)，包括Fe(0)、硅化鐵和碳化鐵。適當(dāng)?shù)匮趸飳涌缮L(zhǎng)在碳化硅層上，在氧或在氧和氬的組合的氣氛中，在約950℃至約1300℃、適當(dāng)?shù)貫榧s1150℃至約1250℃、適當(dāng)?shù)丶s1200℃的溫度下，持續(xù)約6小時(shí)至約10小時(shí)、適當(dāng)?shù)丶s8小時(shí)。氧化物層可以是約2納米到約400納米厚，以便在所需深度捕獲鐵物質(zhì)。
在薄氧化物層生長(zhǎng)到碳化硅結(jié)構(gòu)上之后，碳化硅結(jié)構(gòu)從爐子中移除并用含水腐蝕劑化學(xué)腐蝕以從碳化硅結(jié)構(gòu)中剝離氧化物層和其中含有的鐵物質(zhì)。適當(dāng)?shù)暮g劑是可含有約0.05重量％到約49重量％氫氟酸的、稀釋的氫氟酸的水溶液。
典型地，稀釋的氫氟酸腐蝕溶液維持在約15℃到約90℃的溫度下。在這個(gè)范圍之內(nèi)，更典型地溫度為至少約20℃且不高于約85℃。在水溶液中腐蝕碳化硅結(jié)構(gòu)約1分鐘到約4小時(shí)的時(shí)間，直至除去含有各種鐵物質(zhì)的氧化物層。這種腐蝕溶解了氧化物層，和其中含有的、在上述高溫氫工藝過(guò)程中從碳化硅本體擴(kuò)散到表面的表面鐵物質(zhì)。另外，碳化硅暴露在含水腐蝕溶液中所含的水中使得晶粒間界再次充滿水，并使得在涂層中殘留鐵物質(zhì)可得到氧。如上所述，這導(dǎo)致了在碳化硅中形成氧化鐵。
在一些實(shí)施方式中，另外的酸可與氫氟酸組合使用以腐蝕氧化物層并增強(qiáng)鐵的去除。例如，在量高達(dá)約20重量％、適當(dāng)?shù)貫榧s1重量％到約10重量％的腐蝕溶液中，稀釋的硝酸和/或稀釋的鹽酸可與氫氟酸組合使用以腐蝕氧化物層。一些存在于氧化物層中的鐵物質(zhì)在這些另外酸中可能具有更高的溶解性，同樣，這些另外的酸可促進(jìn)進(jìn)一步除去鐵。在水腐蝕完成之后，在進(jìn)一步加工之前，典型地用去離子水徹底清洗基片并干燥。
一旦氧化物層被剝離掉，將碳化硅結(jié)構(gòu)再次引入爐子中，且重復(fù)下述三個(gè)步驟約1到約4次以進(jìn)一步純化碳化硅結(jié)構(gòu)(1)在升高的溫度下長(zhǎng)時(shí)間氫退火；(2)生長(zhǎng)厚度為約2納米到約400納米的氧化物層；和(3)用稀釋的含水腐蝕劑化學(xué)剝離氧化物層。重復(fù)這三個(gè)步驟的次數(shù)取決于初始碳化硅純度和所需的最終裸露區(qū)域深度以及在用于高溫硅晶片加工之前碳化硅結(jié)構(gòu)的純度。
一般地，當(dāng)碳化硅結(jié)構(gòu)具有約5微米至約25微米、適當(dāng)?shù)貫榧s5微米到約10微米的裸露區(qū)域時(shí)，停止本發(fā)明的純化方法；也就是說(shuō)，當(dāng)最外面的約5微米到約25微米、適當(dāng)?shù)丶s5微米到約10微米的碳化硅基本無(wú)鐵時(shí)，停止該方法?！盎緹o(wú)鐵”意思是指所希望區(qū)域含有不多于約1×1012原子的鐵/立方厘米、適當(dāng)?shù)夭欢嘤诩s1×1011原子的鐵/立方厘米。與來(lái)自制造商的碳化硅結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明的方法因此降低了碳化硅所需范圍內(nèi)的鐵數(shù)量約100倍到約1000倍或更多。
在完成本發(fā)明的方法且碳化硅裸露區(qū)域中的鐵量被降低到所需數(shù)量之后，碳化硅結(jié)構(gòu)已經(jīng)準(zhǔn)備好以被終端用戶在高溫硅晶片制造方法中在完成常規(guī)的烘烤(bake out)步驟之后使用。這種烘烤步驟被完成以適當(dāng)干燥碳化硅結(jié)構(gòu)，并包括在擴(kuò)散爐中的常規(guī)干燥方法。在烘烤完成之后，可用新的、低鐵硅晶片裝載碳化硅結(jié)構(gòu)，并用于高溫硅晶片制造方法中。然后，典型地分析加工之后的產(chǎn)品樣品的鐵水平以證實(shí)在高溫加工中碳化硅結(jié)構(gòu)沒(méi)有引入不需要的鐵到硅晶片中。如果加工過(guò)的基片中鐵水平太高，則本發(fā)明的方法可再使用一次、兩次、或者甚至三次，以降低碳化硅結(jié)構(gòu)中的鐵含量。
考慮到上述內(nèi)容，可以看出實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的幾個(gè)目的且得到了其它有利的結(jié)論。
當(dāng)引入本發(fā)明或者其優(yōu)選實(shí)施方式的元件時(shí)，冠詞“一個(gè)”、“該”、“所述的”意思是指有一個(gè)或多個(gè)元件。術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”和“具有”意思是指包含性的并意味著除了所列舉元件之外可以有另外元件。
由于在不偏離本發(fā)明范圍內(nèi)對(duì)上述內(nèi)容中可進(jìn)行各種改變，因此以上說(shuō)明書中含有的和附圖
所示的所有內(nèi)容都應(yīng)該解釋為說(shuō)明性的且并沒(méi)有限制意義。
權(quán)利要求
1.一種純化適用于高溫硅晶片處理中的碳化硅結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括a.使碳化硅結(jié)構(gòu)處于水分中；b.從碳化硅結(jié)構(gòu)化學(xué)剝離至少約1微米的碳化硅；c.將碳化硅結(jié)構(gòu)在至少約1200℃的溫度下暴露在氫氣中約1小時(shí)至約100小時(shí)；d.在約1150℃至約1250℃的溫度下在碳化硅結(jié)構(gòu)表面上生長(zhǎng)厚度為約2納米到約400納米的氧化硅層；e.使用含水腐蝕劑從碳化硅結(jié)構(gòu)化學(xué)剝離氧化硅層；以及f.重復(fù)步驟c、d和e約1到約4次。
2.如權(quán)利要求1中所述的方法，其中通過(guò)將結(jié)構(gòu)浸入水中來(lái)使碳化硅結(jié)構(gòu)處于水分中。
3.如權(quán)利要求1中所述的方法，其中通過(guò)將結(jié)構(gòu)暴露于水氣中來(lái)使碳化硅結(jié)構(gòu)處于水分中。
4.如權(quán)利要求1中所述的方法，其中在步驟b中化學(xué)剝離約1微米至約20微米的碳化硅。
5.如權(quán)利要求1中所述的方法，其中在步驟b中化學(xué)剝離約2微米至約4微米的碳化硅。
6.如權(quán)利要求1中所述的方法，其中通過(guò)在至少約1000℃的溫度下在含有鹵化物的氣體中腐蝕碳化硅結(jié)構(gòu)約10分鐘到約2小時(shí)完成步驟b。
7.如權(quán)利要求6中所述的方法，其中腐蝕溫度為約1000℃到約1350℃。
8.如權(quán)利要求6中所述的方法，其中含有鹵化物的氣體選自氯氣、氯化氫氣體、SF6以及它們的組合。
9.如權(quán)利要求6中所述的方法，其中等離子體與含有鹵化物的氣體組合用于腐蝕碳化硅結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求9中所述的方法，其中使用選自有機(jī)或無(wú)機(jī)氟化物、有機(jī)或無(wú)機(jī)氯化物和有機(jī)或無(wú)機(jī)溴化物的氣體產(chǎn)生等離子體。
11.如權(quán)利要求4中所述的方法，其中通過(guò)在約20℃到約600℃的溫度下在含有ClF3的氣氛中腐蝕碳化硅結(jié)構(gòu)完成步驟b。
12.如權(quán)利要求1中所述的方法，其中通過(guò)首先氧化碳化硅結(jié)構(gòu)、然后化學(xué)剝離氧化層完成步驟b。
13.如權(quán)利要求12中所述的方法，其中氧化包括在至少約1000℃的溫度下將碳化硅結(jié)構(gòu)暴露在二氯乙烯與氧的混合物中。
14.如權(quán)利要求12中所述的方法，其中氧化包括在至少約1000℃的溫度下將碳化硅結(jié)構(gòu)暴露在氯化氫氣體與氧的混合物中。
15.如權(quán)利要求12中所述的方法，其中使用含水腐蝕溶液將氧化層從碳化硅結(jié)構(gòu)剝離。
16.如權(quán)利要求15中所述的方法，其中含水腐蝕溶液包含氫氟酸。
17.如權(quán)利要求1中所述的方法，其中將碳化硅結(jié)構(gòu)暴露在氫氣中約10小時(shí)到約24小時(shí)。
18.如權(quán)利要求1中所述的方法，其中在約1200℃的溫度下生長(zhǎng)步驟d的氧化硅層。
19.如權(quán)利要求1中所述的方法，其中在約6小時(shí)到約10小時(shí)內(nèi)生長(zhǎng)步驟d的氧化硅層。
20.如權(quán)利要求1中所述的方法，其中在約8小時(shí)內(nèi)生長(zhǎng)步驟d的氧化硅層。
21.如權(quán)利要求1中所述的方法，其中使用含水氫氟酸腐蝕劑來(lái)進(jìn)行步驟e的化學(xué)剝離。
22.如權(quán)利要求21中所述的方法，其中含水氫氟酸腐蝕劑包含約0.05重量％到約49重量％氫氟酸。
23.如權(quán)利要求21中所述的方法，其中在約15℃到約90℃的溫度下進(jìn)行剝離。
24.如權(quán)利要求21中所述的方法，其中在約1分鐘到約4小時(shí)內(nèi)進(jìn)行化學(xué)剝離。
25.如權(quán)利要求1中所述的方法，其中碳化硅結(jié)構(gòu)包含具有高純度碳化硅涂層的碳化硅基底結(jié)構(gòu)。
26.一種適用于高溫硅晶片制造中的高純度碳化硅結(jié)構(gòu)，包括具有裸露區(qū)域的碳化硅結(jié)構(gòu)，所述區(qū)域含有不多于約1×1012原子的鐵/立方厘米，該碳化硅結(jié)構(gòu)通過(guò)包括下述步驟的方法制造(a)使碳化硅結(jié)構(gòu)處于水分中；(b)從碳化硅結(jié)構(gòu)化學(xué)剝離至少約1微米的碳化硅；(c)將碳化硅結(jié)構(gòu)在至少約1200℃的溫度下暴露在氫氣中約1小時(shí)至100小時(shí)；(d)在約1150℃至約1250℃的溫度下在碳化硅結(jié)構(gòu)表面上生長(zhǎng)厚度為約2納米到約400納米的氧化硅層；(e)使用含水腐蝕劑從碳化硅結(jié)構(gòu)化學(xué)剝離氧化硅層；以及(f)重復(fù)步驟c、d和e約1到約4次。
27.如權(quán)利要求26中所述的高純度碳化硅結(jié)構(gòu)，其中裸露區(qū)域含有不多于約1×1011原子的鐵/立方厘米。
28.如權(quán)利要求26中所述的高純度碳化硅結(jié)構(gòu)，其中裸露區(qū)域具有約5微米到約25微米的深度。
29.如權(quán)利要求28中所述的高純度碳化硅結(jié)構(gòu)，其中裸露區(qū)域具有約5微米到約10微米的深度。
30.如權(quán)利要求26中所述的高純度碳化硅結(jié)構(gòu)，其中通過(guò)將結(jié)構(gòu)浸入水中使碳化硅結(jié)構(gòu)處于水分中。
31.如權(quán)利要求26中所述的高純度碳化硅結(jié)構(gòu)，其中通過(guò)將結(jié)構(gòu)暴露于水氣中使碳化硅結(jié)構(gòu)處于水分中。
32.如權(quán)利要求26中所述的高純度碳化硅結(jié)構(gòu)，其中在步驟b中化學(xué)剝離約1微米至約20微米的碳化硅。
33.如權(quán)利要求26中所述的高純度碳化硅結(jié)構(gòu)，其中在步驟b中化學(xué)剝離約2微米至約4微米的碳化硅。
34.如權(quán)利要求26中所述的高純度碳化硅結(jié)構(gòu)，其中通過(guò)在至少約1000℃的溫度下在含有鹵化物的氣體中腐蝕碳化硅結(jié)構(gòu)約10分鐘到約2小時(shí)完成步驟b。
35.如權(quán)利要求34中所述的高純度碳化硅結(jié)構(gòu)，其中腐蝕溫度為約1000℃到約1350℃。
36.如權(quán)利要求34中所述的高純度碳化硅結(jié)構(gòu)，其中含有鹵化物的氣體選自氯氣、氯化氫氣體、SF6以及它們的組合。
37.如權(quán)利要求34中所述的高純度碳化硅結(jié)構(gòu)，其中等離子體與含有鹵化物的氣體組合用于腐蝕碳化硅結(jié)構(gòu)。
38.如權(quán)利要求37中所述的高純度碳化硅結(jié)構(gòu)，其中使用選自有機(jī)或無(wú)機(jī)氟化物、有機(jī)或無(wú)機(jī)氯化物和有機(jī)或無(wú)機(jī)溴化物的氣體產(chǎn)生等離子體。
39.如權(quán)利要求32中所述的高純度碳化硅結(jié)構(gòu)，其中通過(guò)在約20℃到約600℃的溫度下在含有ClF3的氣氛中腐蝕碳化硅結(jié)構(gòu)完成步驟b。
40.如權(quán)利要求26中所述的高純度碳化硅結(jié)構(gòu)，其中通過(guò)首先氧化碳化硅結(jié)構(gòu)、然后化學(xué)剝離氧化層完成步驟b。
41.如權(quán)利要求40中所述的高純度碳化硅結(jié)構(gòu)，其中氧化包括在至少約1000℃的溫度下將碳化硅結(jié)構(gòu)暴露在二氯乙烯與氧的混合物中。
42.如權(quán)利要求40中所述的高純度碳化硅結(jié)構(gòu)，其中氧化包括在至少約1000℃的溫度下將碳化硅結(jié)構(gòu)暴露在氯化氫氣體與氧的混合物中。
43.如權(quán)利要求40中所述的高純度碳化硅結(jié)構(gòu)，其中使用含水腐蝕溶液將氧化層從碳化硅結(jié)構(gòu)剝離。
44.如權(quán)利要求43中所述的高純度碳化硅結(jié)構(gòu)，其中含水腐蝕溶液包含氫氟酸。
45.如權(quán)利要求26中所述的高純度碳化硅結(jié)構(gòu)，其中將碳化硅結(jié)構(gòu)暴露在氫氣中約10小時(shí)到約24小時(shí)。
46.如權(quán)利要求26中所述的高純度碳化硅結(jié)構(gòu)，其中在約1200℃的溫度下生長(zhǎng)步驟d的氧化硅層。
47.如權(quán)利要求26中所述的高純度碳化硅結(jié)構(gòu)，在約6小時(shí)到約10小時(shí)內(nèi)生長(zhǎng)步驟d的氧化硅層。
48.如權(quán)利要求26中所述的高純度碳化硅結(jié)構(gòu)，其中在約8小時(shí)內(nèi)生長(zhǎng)步驟d的氧化硅層。
49.如權(quán)利要求26中所述的高純度碳化硅結(jié)構(gòu)，其中用含水氫氟酸腐蝕劑進(jìn)行步驟e的化學(xué)剝離。
50.如權(quán)利要求49中所述的高純度碳化硅結(jié)構(gòu)，其中含水氫氟酸腐蝕劑包含約0.05重量％到約49重量％氫氟酸。
51.如權(quán)利要求49中所述的高純度碳化硅結(jié)構(gòu)，在約15℃到約90℃的溫度下進(jìn)行剝離。
52.如權(quán)利要求49中所述的高純度碳化硅結(jié)構(gòu)，其中在約1分鐘到約4小時(shí)內(nèi)進(jìn)行化學(xué)剝離。
全文摘要
本文公開(kāi)了一種純化碳化硅結(jié)構(gòu)、包括碳化硅涂覆的碳化硅結(jié)構(gòu)的方法。所述方法可將碳化硅結(jié)構(gòu)中鐵污染物的數(shù)量降低100到1000倍。純化后，碳化硅結(jié)構(gòu)適用于高溫硅晶片處理。
文檔編號(hào)H01L21/00GK101027267SQ200580032316
公開(kāi)日2007年8月29日 申請(qǐng)日期2005年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月27日
發(fā)明者L·W·夏夫, B·L·吉爾摩 申請(qǐng)人:Memc電子材料有限公司