Wie wir wissen, ist einkristallines Silizium (Si) im Halbleiterbereich das am weitesten verbreitete und volumenmäßig am häufigsten verwendete Halbleitergrundmaterial der Welt. Derzeit werden mehr als 90 % der Halbleiterprodukte aus Materialien auf Siliziumbasis hergestellt. Mit der steigenden Nachfrage nach Hochleistungs- und Hochspannungsgeräten im modernen Energiebereich wurden strengere Anforderungen an Schlüsselparameter von Halbleitermaterialien wie Bandlückenbreite, elektrische Durchbruchfeldstärke, Elektronensättigungsrate und Wärmeleitfähigkeit gestellt. Unter diesen Umständen werden Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke dargestellt durchSiliziumkarbid(SiC) haben sich zum Liebling von Anwendungen mit hoher Leistungsdichte entwickelt.
Als VerbindungshalbleiterSiliziumkarbidkommt in der Natur äußerst selten vor und kommt in Form des Minerals Moissanit vor. Derzeit wird fast das gesamte weltweit verkaufte Siliziumkarbid künstlich synthetisiert. Siliziumkarbid hat die Vorteile einer hohen Härte, einer hohen Wärmeleitfähigkeit, einer guten thermischen Stabilität und eines hohen kritischen elektrischen Durchbruchfelds. Es ist ein ideales Material für die Herstellung von Hochspannungs- und Hochleistungshalbleiterbauelementen.
Wie werden also Siliziumkarbid-Leistungshalbleiterbauelemente hergestellt?
Was ist der Unterschied zwischen dem Herstellungsprozess von Siliziumkarbid-Geräten und dem herkömmlichen Herstellungsprozess auf Siliziumbasis? Ausgehend von dieser Ausgabe „Things aboutSiliziumkarbid-Gerät„Herstellung“ wird die Geheimnisse nach und nach enthüllen.
I
Prozessablauf bei der Herstellung von Siliziumkarbid-Geräten
Der Herstellungsprozess von Siliziumkarbid-Geräten ähnelt im Allgemeinen dem von Geräten auf Siliziumbasis und umfasst hauptsächlich Fotolithographie, Reinigung, Dotierung, Ätzen, Filmbildung, Ausdünnung und andere Prozesse. Viele Hersteller von Leistungsgeräten können den Fertigungsanforderungen von Siliziumkarbid-Geräten gerecht werden, indem sie ihre Produktionslinien auf der Grundlage des siliziumbasierten Herstellungsprozesses aufrüsten. Aufgrund der besonderen Eigenschaften von Siliziumkarbid-Materialien ist es jedoch erforderlich, dass einige Prozesse bei der Geräteherstellung auf spezielle Geräte für die spezielle Entwicklung angewiesen sind, damit Siliziumkarbid-Geräte hohen Spannungen und hohen Strömen standhalten können.
II
Einführung in Siliziumkarbid-Spezialprozessmodule
Die Siliziumkarbid-Spezialprozessmodule umfassen hauptsächlich Injektionsdotierung, Gatestrukturbildung, Morphologieätzung, Metallisierung und Ausdünnungsprozesse.
(1) Injektionsdotierung: Aufgrund der hohen Kohlenstoff-Silizium-Bindungsenergie in Siliziumkarbid ist es schwierig, Verunreinigungsatome in Siliziumkarbid zu diffundieren. Bei der Herstellung von Siliziumkarbid-Bauelementen kann die Dotierung von PN-Übergängen nur durch Ionenimplantation bei hoher Temperatur erreicht werden.
Die Dotierung erfolgt normalerweise mit Verunreinigungsionen wie Bor und Phosphor, und die Dotierungstiefe beträgt normalerweise 0,1 μm bis 3 μm. Durch die Implantation hochenergetischer Ionen wird die Gitterstruktur des Siliziumkarbidmaterials selbst zerstört. Um die durch die Ionenimplantation verursachten Gitterschäden zu reparieren und die Auswirkung des Glühens auf die Oberflächenrauheit zu kontrollieren, ist ein Hochtemperaturglühen erforderlich. Die Kernprozesse sind die Hochtemperatur-Ionenimplantation und das Hochtemperatur-Glühen.
Abbildung 1 Schematische Darstellung der Ionenimplantation und der Hochtemperatur-Glüheffekte
(2) Bildung der Gate-Struktur: Die Qualität der SiC/SiO2-Schnittstelle hat großen Einfluss auf die Kanalmigration und die Gate-Zuverlässigkeit des MOSFET. Es ist notwendig, spezielle Gate-Oxid- und Postoxidations-Glühprozesse zu entwickeln, um die freien Bindungen an der SiC/SiO2-Grenzfläche mit speziellen Atomen (z. B. Stickstoffatomen) zu kompensieren, um die Leistungsanforderungen einer hochwertigen SiC/SiO2-Grenzfläche und hoher Qualität zu erfüllen Migration von Geräten. Die Kernprozesse sind Gate-Oxid-Hochtemperaturoxidation, LPCVD und PECVD.
Abbildung 2 Schematische Darstellung der gewöhnlichen Oxidfilmabscheidung und Hochtemperaturoxidation
(3) Ätzen der Morphologie: Siliziumkarbidmaterialien sind in chemischen Lösungsmitteln inert und eine präzise Kontrolle der Morphologie kann nur durch Trockenätzverfahren erreicht werden; Maskenmaterialien, Auswahl der Maskenätzung, Mischgas, Seitenwandkontrolle, Ätzrate, Seitenwandrauheit usw. müssen entsprechend den Eigenschaften von Siliziumkarbidmaterialien entwickelt werden. Die Kernprozesse sind Dünnschichtabscheidung, Fotolithographie, dielektrische Filmkorrosion und Trockenätzverfahren.
Abbildung 3 Schematische Darstellung des Siliziumkarbid-Ätzprozesses
(4) Metallisierung: Die Quellelektrode des Geräts benötigt Metall, um einen guten ohmschen Kontakt mit niedrigem Widerstand mit Siliziumkarbid zu bilden. Dies erfordert nicht nur die Regulierung des Metallabscheidungsprozesses und die Kontrolle des Grenzflächenzustands des Metall-Halbleiter-Kontakts, sondern erfordert auch ein Hochtemperaturglühen, um die Höhe der Schottky-Barriere zu reduzieren und einen ohmschen Kontakt zwischen Metall und Siliziumkarbid zu erreichen. Die Kernprozesse sind Metall-Magnetron-Sputtern, Elektronenstrahlverdampfung und schnelles thermisches Ausheilen.
Abbildung 4 Schematische Darstellung des Magnetron-Sputter-Prinzips und des Metallisierungseffekts
(5) Ausdünnungsprozess: Siliziumkarbidmaterial zeichnet sich durch hohe Härte, hohe Sprödigkeit und geringe Bruchzähigkeit aus. Der Schleifprozess kann zu Sprödbrüchen des Materials führen, was zu Schäden an der Waferoberfläche und darunter liegenden Oberflächen führt. Um den Herstellungsanforderungen von Siliziumkarbid-Geräten gerecht zu werden, müssen neue Schleifverfahren entwickelt werden. Die Kernprozesse sind das Ausdünnen von Schleifscheiben, das Anhaften und Ablösen von Filmen usw.
Abbildung 5 Schematische Darstellung des Wafer-Schleif-/Ausdünnungsprinzips
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 22. Okt. 2024