Όπως γνωρίζουμε, στον τομέα των ημιαγωγών, το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο (Si) είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο και μεγαλύτερου όγκου βασικό υλικό ημιαγωγών στον κόσμο. Επί του παρόντος, περισσότερο από το 90% των προϊόντων ημιαγωγών κατασκευάζονται με υλικά με βάση το πυρίτιο. Με την αυξανόμενη ζήτηση για συσκευές υψηλής ισχύος και υψηλής τάσης στο σύγχρονο ενεργειακό πεδίο, έχουν τεθεί πιο αυστηρές απαιτήσεις για βασικές παραμέτρους υλικών ημιαγωγών όπως το πλάτος του διακενού ζώνης, η ισχύς ηλεκτρικού πεδίου διάσπασης, ο ρυθμός κορεσμού ηλεκτρονίων και η θερμική αγωγιμότητα. Υπό αυτή την περίπτωση, τα υλικά ημιαγωγών ευρείας ζώνης αντιπροσωπεύονται απόκαρβίδιο του πυριτίου(SiC) έχουν αναδειχθεί ως το αγαπημένο των εφαρμογών υψηλής πυκνότητας ισχύος.
Ως σύνθετος ημιαγωγός,καρβίδιο του πυριτίουείναι εξαιρετικά σπάνιο στη φύση και εμφανίζεται με τη μορφή του ορυκτού moissanite. Επί του παρόντος, σχεδόν όλο το καρβίδιο του πυριτίου που πωλείται στον κόσμο συντίθεται τεχνητά. Το καρβίδιο του πυριτίου έχει τα πλεονεκτήματα της υψηλής σκληρότητας, της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας, της καλής θερμικής σταθερότητας και του ηλεκτρικού πεδίου υψηλής κρίσιμης διάσπασης. Είναι ιδανικό υλικό για την κατασκευή συσκευών ημιαγωγών υψηλής τάσης και υψηλής ισχύος.
Λοιπόν, πώς κατασκευάζονται οι συσκευές ημιαγωγών ισχύος από καρβίδιο του πυριτίου;
Ποια είναι η διαφορά μεταξύ της διαδικασίας κατασκευής συσκευών καρβιδίου του πυριτίου και της παραδοσιακής διαδικασίας κατασκευής με βάση το πυρίτιο; Ξεκινώντας από αυτό το τεύχος, «Things aboutΣυσκευή καρβιδίου πυριτίουManufacturing» θα αποκαλύψει τα μυστικά ένα προς ένα.
I
Ροή διαδικασίας κατασκευής συσκευών καρβιδίου του πυριτίου
Η διαδικασία κατασκευής των συσκευών καρβιδίου του πυριτίου είναι γενικά παρόμοια με εκείνη των συσκευών με βάση το πυρίτιο, που περιλαμβάνει κυρίως τη φωτολιθογραφία, τον καθαρισμό, το ντόπινγκ, τη χάραξη, το σχηματισμό φιλμ, την αραίωση και άλλες διαδικασίες. Πολλοί κατασκευαστές ηλεκτρικών συσκευών μπορούν να καλύψουν τις ανάγκες κατασκευής συσκευών καρβιδίου του πυριτίου αναβαθμίζοντας τις γραμμές παραγωγής τους με βάση τη διαδικασία κατασκευής με βάση το πυρίτιο. Ωστόσο, οι ειδικές ιδιότητες των υλικών καρβιδίου του πυριτίου καθορίζουν ότι ορισμένες διεργασίες στην κατασκευή συσκευών πρέπει να βασίζονται σε ειδικό εξοπλισμό για ειδική ανάπτυξη ώστε να μπορούν οι συσκευές καρβιδίου του πυριτίου να αντέχουν σε υψηλή τάση και υψηλό ρεύμα.
II
Εισαγωγή στις ειδικές μονάδες διεργασίας καρβιδίου του πυριτίου
Οι ειδικές μονάδες διεργασίας καρβιδίου του πυριτίου καλύπτουν κυρίως διαδικασίες ντόπινγκ με έγχυση, διαμόρφωση δομής πύλης, μορφολογική χάραξη, επιμετάλλωση και αραίωση.
(1) Έγχυση ντόπινγκ: Λόγω της υψηλής ενέργειας δεσμού άνθρακα-πυριτίου στο καρβίδιο του πυριτίου, τα άτομα ακαθαρσίας είναι δύσκολο να διαχυθούν στο καρβίδιο του πυριτίου. Κατά την προετοιμασία συσκευών καρβιδίου του πυριτίου, η ντόπινγκ των συνδέσεων PN μπορεί να επιτευχθεί μόνο με εμφύτευση ιόντων σε υψηλή θερμοκρασία.
Το ντόπινγκ γίνεται συνήθως με ιόντα ακαθαρσίας όπως το βόριο και ο φώσφορος και το βάθος ντόπινγκ είναι συνήθως 0,1μm~3μm. Η εμφύτευση ιόντων υψηλής ενέργειας θα καταστρέψει τη δομή του πλέγματος του ίδιου του υλικού καρβιδίου του πυριτίου. Απαιτείται ανόπτηση σε υψηλή θερμοκρασία για την αποκατάσταση της ζημιάς του πλέγματος που προκαλείται από την εμφύτευση ιόντων και τον έλεγχο της επίδρασης της ανόπτησης στην τραχύτητα της επιφάνειας. Οι βασικές διαδικασίες είναι η εμφύτευση ιόντων σε υψηλή θερμοκρασία και η ανόπτηση σε υψηλή θερμοκρασία.
Σχήμα 1 Σχηματικό διάγραμμα εμφύτευσης ιόντων και εφέ ανόπτησης σε υψηλή θερμοκρασία
(2) Σχηματισμός δομής πύλης: Η ποιότητα της διεπαφής SiC/SiO2 έχει μεγάλη επίδραση στη μετανάστευση καναλιών και την αξιοπιστία της πύλης του MOSFET. Είναι απαραίτητο να αναπτυχθούν συγκεκριμένες διεργασίες ανόπτησης οξειδίου πύλης και μετά την οξείδωση για την αντιστάθμιση των κρεματικών δεσμών στη διεπιφάνεια SiC/SiO2 με ειδικά άτομα (όπως άτομα αζώτου) για την κάλυψη των απαιτήσεων απόδοσης υψηλής ποιότητας διεπαφής SiC/SiO2 και υψηλής μετανάστευση συσκευών. Οι βασικές διεργασίες είναι η οξείδωση πύλης σε υψηλή θερμοκρασία, η LPCVD και η PECVD.
Σχήμα 2 Σχηματικό διάγραμμα εναπόθεσης συνηθισμένου φιλμ οξειδίου και οξείδωσης σε υψηλή θερμοκρασία
(3) Μορφολογική χάραξη: Τα υλικά καρβιδίου του πυριτίου είναι αδρανή σε χημικούς διαλύτες και ο ακριβής έλεγχος της μορφολογίας μπορεί να επιτευχθεί μόνο μέσω μεθόδων ξηρής χάραξης. υλικά μάσκας, επιλογή χάραξης μάσκας, μικτό αέριο, έλεγχος πλευρικών τοιχωμάτων, ρυθμός χάραξης, τραχύτητα πλευρικού τοιχώματος κ.λπ. πρέπει να αναπτυχθούν σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά των υλικών καρβιδίου του πυριτίου. Οι βασικές διεργασίες είναι η εναπόθεση λεπτού φιλμ, η φωτολιθογραφία, η διάβρωση με διηλεκτρικό φιλμ και οι διαδικασίες ξηρής χάραξης.
Σχήμα 3 Σχηματικό διάγραμμα διαδικασίας χάραξης καρβιδίου του πυριτίου
(4) Επιμετάλλωση: Το ηλεκτρόδιο πηγής της συσκευής απαιτεί μέταλλο για να σχηματίσει μια καλή ωμική επαφή χαμηλής αντίστασης με το καρβίδιο του πυριτίου. Αυτό όχι μόνο απαιτεί ρύθμιση της διαδικασίας εναπόθεσης μετάλλου και έλεγχο της κατάστασης διεπαφής της επαφής μετάλλου-ημιαγωγού, αλλά απαιτεί επίσης ανόπτηση υψηλής θερμοκρασίας για τη μείωση του ύψους φραγμού Schottky και την επίτευξη ωμικής επαφής μετάλλου-καρβιδίου του πυριτίου. Οι διεργασίες πυρήνα είναι η διασκορπισμός μεταλλικών μαγνητρονίων, η εξάτμιση δέσμης ηλεκτρονίων και η ταχεία θερμική ανόπτηση.
Σχήμα 4 Σχηματικό διάγραμμα της αρχής της επιμετάλλωσης μαγνητρονίων και του φαινομένου της επιμετάλλωσης
(5) Διαδικασία αραίωσης: Το υλικό καρβιδίου του πυριτίου έχει τα χαρακτηριστικά υψηλής σκληρότητας, υψηλής ευθραυστότητας και χαμηλής αντοχής σε θραύση. Η διαδικασία λείανσης του είναι επιρρεπής στο να προκαλέσει εύθραυστο σπάσιμο του υλικού, προκαλώντας ζημιά στην επιφάνεια και την υποεπιφάνεια του πλακιδίου. Πρέπει να αναπτυχθούν νέες διεργασίες λείανσης για να καλύψουν τις ανάγκες κατασκευής συσκευών καρβιδίου του πυριτίου. Οι βασικές διαδικασίες είναι η αραίωση των δίσκων λείανσης, η κόλληση και το ξεφλούδισμα μεμβράνης κ.λπ.
Σχήμα 5 Σχηματικό διάγραμμα αρχής λείανσης/ αραίωσης γκοφρέτας
Ώρα δημοσίευσης: Οκτ-22-2024