กระบวนการผลิตอุปกรณ์ SiC ซิลิคอนคาร์ไบด์ (1)

ดังที่เราทราบ ในสาขาเซมิคอนดักเตอร์ ซิลิกอนผลึกเดี่ยว (Si) เป็นวัสดุพื้นฐานเซมิคอนดักเตอร์ที่มีการใช้กันอย่างแพร่หลายและมีปริมาณมากที่สุดในโลก ปัจจุบันผลิตภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์มากกว่า 90% ผลิตขึ้นโดยใช้วัสดุที่ทำจากซิลิคอน ด้วยความต้องการอุปกรณ์กำลังสูงและไฟฟ้าแรงสูงที่เพิ่มขึ้นในสาขาพลังงานสมัยใหม่ จึงมีการนำข้อกำหนดที่เข้มงวดมากขึ้นสำหรับพารามิเตอร์หลักของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ เช่น ความกว้างของแถบความถี่ ความแรงของสนามไฟฟ้าที่พังทลาย อัตราความอิ่มตัวของอิเล็กตรอน และการนำความร้อน ภายใต้สถานการณ์เช่นนี้ วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ bandgap แบบกว้างจะแสดงด้วยซิลิคอนคาร์ไบด์(SiC) ได้กลายเป็นที่รักของการประยุกต์ใช้ความหนาแน่นพลังงานสูง

เนื่องจากเป็นสารกึ่งตัวนำแบบผสมซิลิคอนคาร์ไบด์หายากมากในธรรมชาติและปรากฏอยู่ในรูปของแร่มอยซาไนต์ ปัจจุบันซิลิกอนคาร์ไบด์เกือบทั้งหมดที่ขายในโลกนี้ถูกสังเคราะห์ขึ้นมาเอง ซิลิคอนคาร์ไบด์มีข้อดีคือมีความแข็งสูง มีการนำความร้อนสูง มีความเสถียรทางความร้อนที่ดี และมีสนามไฟฟ้าสลายวิกฤตสูง เป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ไฟฟ้าแรงสูงและกำลังสูง

แล้วอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังของซิลิคอนคาร์ไบด์ผลิตขึ้นมาได้อย่างไร?

อะไรคือความแตกต่างระหว่างกระบวนการผลิตอุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์และกระบวนการผลิตที่ใช้ซิลิกอนแบบดั้งเดิม เริ่มจากฉบับนี้ “เรื่องต่างๆ เกี่ยวกับอุปกรณ์ซิลิคอนคาร์ไบด์การผลิต” จะมาเผยความลับทีละอย่าง

I

ผังกระบวนการของการผลิตอุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์

กระบวนการผลิตอุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์โดยทั่วไปจะคล้ายคลึงกับกระบวนการผลิตของอุปกรณ์ที่ใช้ซิลิกอน โดยส่วนใหญ่รวมถึงการพิมพ์หินด้วยแสง การทำความสะอาด การเติมสาร การกัดกรด การสร้างฟิล์ม การทำให้ผอมบาง และกระบวนการอื่นๆ ผู้ผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้าหลายรายสามารถตอบสนองความต้องการในการผลิตอุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์ได้โดยการอัพเกรดสายการผลิตตามกระบวนการผลิตที่ใช้ซิลิกอน อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติพิเศษของวัสดุซิลิกอนคาร์ไบด์กำหนดว่ากระบวนการบางอย่างในการผลิตอุปกรณ์จำเป็นต้องอาศัยอุปกรณ์เฉพาะเพื่อการพัฒนาพิเศษเพื่อให้อุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์ทนต่อไฟฟ้าแรงสูงและกระแสไฟฟ้าสูงได้

II

ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับโมดูลกระบวนการพิเศษซิลิคอนคาร์ไบด์

โมดูลกระบวนการพิเศษของซิลิคอนคาร์ไบด์ส่วนใหญ่ครอบคลุมถึงการฉีดยาสลบ การสร้างโครงสร้างเกต การแกะสลักทางสัณฐานวิทยา การทำให้เป็นโลหะ และกระบวนการทำให้ผอมบาง

(1) การเติมสารฉีด: เนื่องจากพลังงานพันธะคาร์บอนและซิลิคอนสูงในซิลิคอนคาร์ไบด์ อะตอมของสารเจือปนจึงยากต่อการแพร่กระจายในซิลิคอนคาร์ไบด์ เมื่อเตรียมอุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์ การเติมจุดเชื่อมต่อ PN สามารถทำได้โดยการฝังไอออนที่อุณหภูมิสูงเท่านั้น
การเติมมักจะทำด้วยไอออนที่ไม่บริสุทธิ์ เช่น โบรอนและฟอสฟอรัส และความลึกของการใช้สารต้องห้ามมักจะอยู่ที่ 0.1μm~3μm การฝังไอออนพลังงานสูงจะทำลายโครงสร้างโครงตาข่ายของวัสดุซิลิกอนคาร์ไบด์เอง การอบอ่อนที่อุณหภูมิสูงจำเป็นเพื่อซ่อมแซมความเสียหายของโครงตาข่ายที่เกิดจากการฝังไอออน และควบคุมผลกระทบของการอบอ่อนต่อความขรุขระของพื้นผิว กระบวนการหลักคือการฝังไอออนที่อุณหภูมิสูงและการหลอมที่อุณหภูมิสูง

รูปที่ 1 แผนผังของการฝังไอออนและการหลอมที่อุณหภูมิสูง

(2) การสร้างโครงสร้างเกต: คุณภาพของอินเทอร์เฟซ SiC/SiO2 มีอิทธิพลอย่างมากต่อการย้ายช่องสัญญาณและความน่าเชื่อถือของเกทของ MOSFET จำเป็นต้องพัฒนากระบวนการอบอ่อนเกตออกไซด์และโพสต์ออกซิเดชันที่เฉพาะเจาะจงเพื่อชดเชยพันธะห้อยที่ส่วนต่อประสาน SiC/SiO2 กับอะตอมพิเศษ (เช่น อะตอมไนโตรเจน) เพื่อตอบสนองความต้องการด้านประสิทธิภาพของส่วนต่อประสาน SiC/SiO2 คุณภาพสูงและสูง การโยกย้ายอุปกรณ์ กระบวนการหลักคือออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงเกตออกไซด์, LPCVD และ PECVD

รูปที่ 2 แผนผังของการสะสมฟิล์มออกไซด์ธรรมดาและการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง

(3) การแกะสลักทางสัณฐานวิทยา: วัสดุซิลิคอนคาร์ไบด์มีความเฉื่อยในตัวทำละลายเคมี และการควบคุมทางสัณฐานวิทยาที่แม่นยำสามารถทำได้โดยวิธีการแกะสลักแบบแห้งเท่านั้น วัสดุหน้ากาก การเลือกการกัดหน้ากาก ก๊าซผสม การควบคุมแก้มยาง อัตราการกัด ความหยาบของแก้มยาง ฯลฯ จำเป็นต้องได้รับการพัฒนาตามคุณลักษณะของวัสดุซิลิคอนคาร์ไบด์ กระบวนการหลักคือการสะสมของฟิล์มบาง การพิมพ์หินด้วยแสง การกัดกร่อนของฟิล์มอิเล็กทริก และกระบวนการกัดแบบแห้ง

รูปที่ 3 แผนผังของกระบวนการแกะสลักด้วยซิลิคอนคาร์ไบด์

(4) การทำให้เป็นโลหะ: อิเล็กโทรดต้นทางของอุปกรณ์ต้องใช้โลหะเพื่อสร้างหน้าสัมผัสโอห์มมิกที่มีความต้านทานต่ำกับซิลิคอนคาร์ไบด์ สิ่งนี้ไม่เพียงแต่ต้องมีการควบคุมกระบวนการสะสมของโลหะและการควบคุมสถานะส่วนต่อประสานของการสัมผัสระหว่างโลหะกับเซมิคอนดักเตอร์เท่านั้น แต่ยังต้องมีการอบอ่อนที่อุณหภูมิสูงเพื่อลดความสูงของแผงกั้น Schottky และบรรลุการสัมผัสโอห์มมิกของโลหะ-ซิลิคอนคาร์ไบด์ กระบวนการหลักคือการสปัตเตอร์แมกนีตรอนโลหะ การระเหยของลำอิเล็กตรอน และการหลอมด้วยความร้อนอย่างรวดเร็ว

รูปที่ 4 แผนผังของหลักการสปัตเตอร์แมกนีตรอนและเอฟเฟกต์การทำให้เป็นโลหะ

(5) กระบวนการทำให้ผอมบาง: วัสดุซิลิคอนคาร์ไบด์มีลักษณะความแข็งสูง มีความเปราะสูง และความเหนียวแตกหักต่ำ กระบวนการบดมีแนวโน้มที่จะทำให้วัสดุแตกหักง่าย ทำให้เกิดความเสียหายต่อพื้นผิวแผ่นเวเฟอร์และพื้นผิวด้านล่าง กระบวนการบดใหม่จำเป็นต้องได้รับการพัฒนาเพื่อตอบสนองความต้องการในการผลิตอุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์ กระบวนการหลักคือการทำให้แผ่นเจียรบางลง การติดและการลอกฟิล์ม ฯลฯ

รูปที่ 5 แผนผังของการบด/การทำให้ผอมบางของแผ่นเวเฟอร์