Processus de fabrication de dispositifs en carbure de silicium SiC (1)

Comme nous le savons, dans le domaine des semi-conducteurs, le silicium monocristallin (Si) est le matériau de base semi-conducteur le plus largement utilisé et le plus répandu au monde. Actuellement, plus de 90 % des produits semi-conducteurs sont fabriqués à partir de matériaux à base de silicium. Avec la demande croissante de dispositifs haute puissance et haute tension dans le domaine énergétique moderne, des exigences plus strictes ont été proposées pour les paramètres clés des matériaux semi-conducteurs tels que la largeur de la bande interdite, l'intensité du champ électrique de claquage, le taux de saturation électronique et la conductivité thermique. Dans ces circonstances, les matériaux semi-conducteurs à large bande interdite représentés parcarbure de silicium(SiC) sont devenus le chouchou des applications à haute densité de puissance.

En tant que semi-conducteur composé,carbure de siliciumest extrêmement rare dans la nature et apparaît sous la forme du minéral moissanite. Actuellement, presque tout le carbure de silicium vendu dans le monde est synthétisé artificiellement. Le carbure de silicium présente les avantages d'une dureté élevée, d'une conductivité thermique élevée, d'une bonne stabilité thermique et d'un champ électrique de claquage critique élevé. C'est un matériau idéal pour fabriquer des dispositifs semi-conducteurs haute tension et haute puissance.

Alors, comment sont fabriqués les dispositifs semi-conducteurs de puissance en carbure de silicium ?

Quelle est la différence entre le processus de fabrication des dispositifs en carbure de silicium et le processus de fabrication traditionnel à base de silicium ? À partir de ce numéro, « Les choses surDispositif en carbure de siliciumFabrication » vous dévoilera les secrets un à un.

I

Flux de processus de fabrication de dispositifs en carbure de silicium

Le processus de fabrication des dispositifs en carbure de silicium est généralement similaire à celui des dispositifs à base de silicium, comprenant principalement la photolithographie, le nettoyage, le dopage, la gravure, la formation de film, l'amincissement et d'autres processus. De nombreux fabricants de dispositifs électriques peuvent répondre aux besoins de fabrication de dispositifs en carbure de silicium en modernisant leurs lignes de production basées sur le processus de fabrication à base de silicium. Cependant, les propriétés particulières des matériaux en carbure de silicium déterminent que certains processus de fabrication de dispositifs doivent s'appuyer sur des équipements spécifiques pour un développement spécial afin de permettre aux dispositifs en carbure de silicium de résister à des tensions et à des courants élevés.

II

Introduction aux modules de processus spéciaux en carbure de silicium

Les modules de processus spéciaux en carbure de silicium couvrent principalement les processus de dopage par injection, de formation de structure de grille, de gravure morphologique, de métallisation et d'amincissement.

(1) Dopage par injection : en raison de l'énergie élevée de la liaison carbone-silicium dans le carbure de silicium, les atomes d'impuretés sont difficiles à diffuser dans le carbure de silicium. Lors de la préparation de dispositifs en carbure de silicium, le dopage des jonctions PN ne peut être réalisé que par implantation ionique à haute température.
Le dopage est généralement effectué avec des ions d'impuretés tels que le bore et le phosphore, et la profondeur de dopage est généralement de 0,1 μm à 3 μm. L’implantation ionique à haute énergie détruira la structure de réseau du matériau en carbure de silicium lui-même. Un recuit à haute température est nécessaire pour réparer les dommages au réseau causés par l'implantation ionique et contrôler l'effet du recuit sur la rugosité de la surface. Les processus principaux sont l'implantation ionique à haute température et le recuit à haute température.

Figure 1 Diagramme schématique de l'implantation ionique et des effets de recuit à haute température

(2) Formation de la structure de porte : La qualité de l'interface SiC/SiO2 a une grande influence sur la migration des canaux et la fiabilité de la porte du MOSFET. Il est nécessaire de développer des procédés spécifiques d'oxyde de grille et de recuit post-oxydation pour compenser les liaisons pendantes à l'interface SiC/SiO2 avec des atomes spéciaux (tels que des atomes d'azote) afin de répondre aux exigences de performances d'une interface SiC/SiO2 de haute qualité et d'une haute qualité. migration des appareils. Les processus principaux sont l’oxydation à haute température de l’oxyde de grille, le LPCVD et le PECVD.

Figure 2 Diagramme schématique du dépôt de film d'oxyde ordinaire et de l'oxydation à haute température

(3) Gravure morphologique : les matériaux en carbure de silicium sont inertes dans les solvants chimiques et un contrôle précis de la morphologie ne peut être obtenu que par des méthodes de gravure sèche ; Les matériaux du masque, la sélection de gravure du masque, le gaz mélangé, le contrôle des parois latérales, la vitesse de gravure, la rugosité des parois latérales, etc. doivent être développés en fonction des caractéristiques des matériaux en carbure de silicium. Les procédés principaux sont le dépôt de couches minces, la photolithographie, la corrosion de films diélectriques et les procédés de gravure sèche.

Figure 3 Diagramme schématique du processus de gravure au carbure de silicium

(4) Métallisation : L'électrode source de l'appareil nécessite du métal pour former un bon contact ohmique à faible résistance avec le carbure de silicium. Cela nécessite non seulement de réguler le processus de dépôt de métal et de contrôler l'état d'interface du contact métal-semi-conducteur, mais nécessite également un recuit à haute température pour réduire la hauteur de la barrière Schottky et obtenir un contact ohmique métal-carbure de silicium. Les processus principaux sont la pulvérisation magnétron métallique, l’évaporation par faisceau d’électrons et le recuit thermique rapide.

Figure 4 Diagramme schématique du principe de pulvérisation magnétron et de l'effet de métallisation

(5) Processus d'amincissement : le matériau en carbure de silicium présente les caractéristiques d'une dureté élevée, d'une fragilité élevée et d'une faible ténacité à la rupture. Son processus de meulage est susceptible de provoquer une fracture fragile du matériau, endommageant ainsi la surface et le sous-sol de la plaquette. De nouveaux procédés de meulage doivent être développés pour répondre aux besoins de fabrication de dispositifs en carbure de silicium. Les processus principaux sont l'amincissement des disques abrasifs, le collage et le pelage du film, etc.

Figure 5 Diagramme schématique du principe de meulage/amincissement des plaquettes