Come sappiamo, nel campo dei semiconduttori, il silicio monocristallino (Si) è il materiale di base per semiconduttori più utilizzato e di maggior volume al mondo. Attualmente, oltre il 90% dei prodotti a semiconduttori sono realizzati utilizzando materiali a base di silicio. Con la crescente domanda di dispositivi ad alta potenza e alta tensione nel moderno campo energetico, sono stati proposti requisiti più rigorosi per i parametri chiave dei materiali semiconduttori come l'ampiezza del bandgap, l'intensità del campo elettrico di rottura, il tasso di saturazione degli elettroni e la conduttività termica. In questa circostanza, i materiali semiconduttori ad ampio gap di banda rappresentati dacarburo di silicio(SiC) sono emersi come i preferiti delle applicazioni ad alta densità di potenza.
Come semiconduttore composto,carburo di silicioè estremamente raro in natura e appare sotto forma di minerale moissanite. Attualmente, quasi tutto il carburo di silicio venduto nel mondo è sintetizzato artificialmente. Il carburo di silicio presenta i vantaggi di elevata durezza, elevata conduttività termica, buona stabilità termica e campo elettrico ad elevata rottura critica. È un materiale ideale per realizzare dispositivi a semiconduttore ad alta tensione e alta potenza.
Quindi, come vengono prodotti i dispositivi a semiconduttore di potenza in carburo di silicio?
Qual è la differenza tra il processo di produzione dei dispositivi in carburo di silicio e il tradizionale processo di produzione a base di silicio? A partire da questo numero, “Cose suDispositivo al carburo di silicioManufacturing” vi svelerà i segreti uno per uno.
I
Flusso del processo di produzione di dispositivi in carburo di silicio
Il processo di produzione dei dispositivi in carburo di silicio è generalmente simile a quello dei dispositivi a base di silicio, e comprende principalmente fotolitografia, pulizia, drogaggio, incisione, formazione di film, assottigliamento e altri processi. Molti produttori di dispositivi di potenza possono soddisfare le esigenze di produzione di dispositivi in carburo di silicio aggiornando le proprie linee di produzione in base al processo di produzione a base di silicio. Tuttavia, le proprietà speciali dei materiali in carburo di silicio determinano che alcuni processi nella produzione dei dispositivi debbano fare affidamento su apparecchiature specifiche per uno sviluppo speciale per consentire ai dispositivi in carburo di silicio di resistere all'alta tensione e alla corrente elevata.
II
Introduzione ai moduli di processo speciale del carburo di silicio
I moduli di processo speciali del carburo di silicio coprono principalmente il drogaggio per iniezione, la formazione della struttura del gate, l'incisione della morfologia, la metallizzazione e i processi di assottigliamento.
(1) Doping per iniezione: a causa dell'elevata energia del legame carbonio-silicio nel carburo di silicio, gli atomi di impurità sono difficili da diffondere nel carburo di silicio. Quando si preparano dispositivi in carburo di silicio, il drogaggio delle giunzioni PN può essere ottenuto solo mediante impiantazione ionica ad alta temperatura.
Il drogaggio viene solitamente effettuato con ioni impuri come boro e fosforo e la profondità del drogaggio è solitamente compresa tra 0,1 μm e 3 μm. L'impianto di ioni ad alta energia distruggerà la struttura reticolare del materiale stesso in carburo di silicio. La ricottura ad alta temperatura è necessaria per riparare il danno reticolare causato dall'impianto di ioni e controllare l'effetto della ricottura sulla rugosità superficiale. I processi principali sono l'impianto ionico ad alta temperatura e la ricottura ad alta temperatura.
Figura 1 Diagramma schematico dell'impianto ionico e degli effetti di ricottura ad alta temperatura
(2) Formazione della struttura del gate: la qualità dell'interfaccia SiC/SiO2 ha una grande influenza sulla migrazione del canale e sull'affidabilità del gate del MOSFET. È necessario sviluppare specifici processi di ricottura con ossido di gate e post-ossidazione per compensare i legami pendenti sull'interfaccia SiC/SiO2 con atomi speciali (come gli atomi di azoto) per soddisfare i requisiti prestazionali dell'interfaccia SiC/SiO2 di alta qualità e alta migrazione dei dispositivi. I processi principali sono l'ossidazione ad alta temperatura con ossido di gate, LPCVD e PECVD.
Figura 2 Diagramma schematico della deposizione ordinaria del film di ossido e dell'ossidazione ad alta temperatura
(3) Incisione morfologica: i materiali in carburo di silicio sono inerti nei solventi chimici e il controllo preciso della morfologia può essere ottenuto solo attraverso metodi di incisione a secco; i materiali della maschera, la selezione dell'incisione della maschera, il gas misto, il controllo della parete laterale, la velocità di incisione, la rugosità della parete laterale, ecc. devono essere sviluppati in base alle caratteristiche dei materiali in carburo di silicio. I processi principali sono la deposizione di film sottile, la fotolitografia, la corrosione del film dielettrico e i processi di incisione a secco.
Figura 3 Diagramma schematico del processo di attacco del carburo di silicio
(4) Metallizzazione: l'elettrodo sorgente del dispositivo richiede che il metallo formi un buon contatto ohmico a bassa resistenza con il carburo di silicio. Ciò non richiede solo la regolazione del processo di deposizione del metallo e il controllo dello stato dell'interfaccia del contatto metallo-semiconduttore, ma richiede anche una ricottura ad alta temperatura per ridurre l'altezza della barriera Schottky e ottenere un contatto ohmico metallo-carburo di silicio. I processi principali sono lo sputtering del magnetron metallico, l'evaporazione del fascio di elettroni e la ricottura termica rapida.
Figura 4 Diagramma schematico del principio dello sputtering del magnetron e dell'effetto di metallizzazione
(5) Processo di assottigliamento: il materiale in carburo di silicio ha le caratteristiche di elevata durezza, elevata fragilità e bassa tenacità alla frattura. Il suo processo di macinazione tende a causare fratture fragili del materiale, causando danni alla superficie e al sottosuolo del wafer. È necessario sviluppare nuovi processi di rettifica per soddisfare le esigenze di produzione dei dispositivi in carburo di silicio. I processi principali sono l'assottigliamento dei dischi abrasivi, l'applicazione e la pelatura della pellicola, ecc.
Figura 5 Diagramma schematico del principio di macinazione/assottigliamento dei wafer
Orario di pubblicazione: 22 ottobre 2024