Như chúng ta đã biết, trong lĩnh vực bán dẫn, silicon đơn tinh thể (Si) là vật liệu cơ bản bán dẫn được sử dụng rộng rãi nhất và có khối lượng lớn nhất trên thế giới. Hiện nay, hơn 90% sản phẩm bán dẫn được sản xuất bằng vật liệu gốc silicon. Với nhu cầu ngày càng tăng về các thiết bị công suất cao và điện áp cao trong lĩnh vực năng lượng hiện đại, các yêu cầu nghiêm ngặt hơn đã được đặt ra đối với các thông số chính của vật liệu bán dẫn như độ rộng vùng cấm, cường độ điện trường đánh thủng, tốc độ bão hòa electron và độ dẫn nhiệt. Trong trường hợp này, vật liệu bán dẫn có vùng cấm rộng được biểu diễn bằngcacbua silic(SiC) đã nổi lên như một ứng dụng yêu thích của mật độ năng lượng cao.
Là một chất bán dẫn phức hợp,cacbua siliccực kỳ hiếm trong tự nhiên và xuất hiện dưới dạng khoáng vật moissanite. Hiện nay, hầu hết silicon cacbua bán trên thế giới đều được tổng hợp nhân tạo. Cacbua silic có ưu điểm là độ cứng cao, độ dẫn nhiệt cao, ổn định nhiệt tốt và điện trường đánh thủng tới hạn cao. Nó là vật liệu lý tưởng để chế tạo các thiết bị bán dẫn điện áp cao và công suất cao.
Vậy các thiết bị bán dẫn điện cacbua silic được sản xuất như thế nào?
Sự khác biệt giữa quy trình sản xuất thiết bị cacbua silic và quy trình sản xuất dựa trên silicon truyền thống là gì? Bắt đầu từ số báo này “Những điều vềThiết bị cacbua silicManufacturing” sẽ tiết lộ từng bí mật một.
I
Quy trình sản xuất thiết bị cacbua silic
Quy trình sản xuất thiết bị cacbua silic nhìn chung tương tự như quy trình sản xuất thiết bị dựa trên silicon, chủ yếu bao gồm quang khắc, làm sạch, pha tạp, khắc, tạo màng, làm mỏng và các quy trình khác. Nhiều nhà sản xuất thiết bị điện có thể đáp ứng nhu cầu sản xuất thiết bị cacbua silic bằng cách nâng cấp dây chuyền sản xuất của họ dựa trên quy trình sản xuất dựa trên silicon. Tuy nhiên, các đặc tính đặc biệt của vật liệu cacbua silic xác định rằng một số quy trình trong quá trình sản xuất thiết bị cần phải dựa vào thiết bị cụ thể để phát triển đặc biệt nhằm cho phép các thiết bị cacbua silic chịu được điện áp cao và dòng điện cao.
II
Giới thiệu các mô-đun quy trình đặc biệt cacbua silic
Các mô-đun quy trình đặc biệt cacbua silic chủ yếu bao gồm các quy trình pha tạp phun, tạo cấu trúc cổng, khắc hình thái, kim loại hóa và làm mỏng.
(1) Doping tiêm: Do năng lượng liên kết cacbon-silic cao trong cacbua silic nên các nguyên tử tạp chất khó khuếch tán trong cacbua silic. Khi chuẩn bị các thiết bị cacbua silic, việc pha tạp các mối nối PN chỉ có thể đạt được bằng cách cấy ion ở nhiệt độ cao.
Việc pha tạp thường được thực hiện với các ion tạp chất như boron và phốt pho, và độ sâu pha tạp thường là 0,1μm ~ 3μm. Việc cấy ion năng lượng cao sẽ phá hủy cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu cacbua silic. Cần ủ nhiệt độ cao để sửa chữa các hư hỏng mạng tinh thể do cấy ion và kiểm soát ảnh hưởng của ủ lên độ nhám bề mặt. Các quy trình cốt lõi là cấy ion ở nhiệt độ cao và ủ ở nhiệt độ cao.
Hình 1 Sơ đồ cấy ion và hiệu ứng ủ ở nhiệt độ cao
(2) Sự hình thành cấu trúc cổng: Chất lượng của giao diện SiC/SiO2 có ảnh hưởng lớn đến việc di chuyển kênh và độ tin cậy cổng của MOSFET. Cần phát triển các quy trình ủ cổng oxit và sau oxy hóa cụ thể để bù đắp cho các liên kết lơ lửng ở bề mặt tiếp xúc SiC/SiO2 với các nguyên tử đặc biệt (như nguyên tử nitơ) để đáp ứng yêu cầu về hiệu suất của bề mặt SiC/SiO2 chất lượng cao và độ bền cao. di chuyển của các thiết bị. Các quy trình cốt lõi là quá trình oxy hóa nhiệt độ cao oxit cổng, LPCVD và PECVD.
Hình 2 Sơ đồ lắng đọng màng oxit thông thường và quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao
(3) Khắc hình thái: Vật liệu cacbua silic trơ trong dung môi hóa học và việc kiểm soát hình thái chính xác chỉ có thể đạt được thông qua phương pháp khắc khô; vật liệu mặt nạ, lựa chọn khắc mặt nạ, khí hỗn hợp, kiểm soát thành bên, tốc độ ăn mòn, độ nhám của thành bên, v.v. cần được phát triển theo đặc tính của vật liệu cacbua silic. Các quá trình cốt lõi là lắng đọng màng mỏng, quang khắc, ăn mòn màng điện môi và quá trình khắc khô.
Hình 3 Sơ đồ quy trình ăn mòn cacbua silic
(4) Kim loại hóa: Điện cực nguồn của thiết bị yêu cầu kim loại để tạo thành tiếp xúc ohmic có điện trở thấp tốt với cacbua silic. Điều này không chỉ yêu cầu điều chỉnh quá trình lắng đọng kim loại và kiểm soát trạng thái giao diện của tiếp điểm bán dẫn kim loại mà còn yêu cầu ủ ở nhiệt độ cao để giảm chiều cao rào cản Schottky và đạt được tiếp xúc ohmic kim loại-silic. Các quy trình cốt lõi là phún xạ magnetron kim loại, bay hơi chùm electron và ủ nhiệt nhanh.
Hình 4 Sơ đồ nguyên lý phún xạ magnetron và hiệu ứng kim loại hóa
(5) Quá trình làm mỏng: Vật liệu cacbua silic có đặc tính độ cứng cao, độ giòn cao và độ bền gãy thấp. Quá trình mài của nó dễ gây ra hiện tượng gãy giòn của vật liệu, gây hư hỏng bề mặt wafer và bề mặt phụ. Các quy trình nghiền mới cần được phát triển để đáp ứng nhu cầu sản xuất các thiết bị cacbua silic. Các quy trình cốt lõi là làm mỏng đĩa mài, dán và bóc màng, v.v.
Hình 5 Sơ đồ nguyên lý mài/làm mỏng wafer
Thời gian đăng: 22-10-2024