在半導(dǎo)體領(lǐng)域里，單晶硅（Si）是全球應(yīng)用最廣泛、產(chǎn)量最大的半導(dǎo)體基礎(chǔ)材料，目前90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品都是使用硅基材料制造。隨著現(xiàn)代能源領(lǐng)域?qū)?/span>高功率、高電壓器件的需求徒增，對(duì)半導(dǎo)體材料的禁帶寬度、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、電子飽和速率、熱導(dǎo)率等關(guān)鍵參數(shù)也提出了更加嚴(yán)苛的要求。在此情況下，以碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料脫穎而出，成為高功率密度應(yīng)用的寵兒。
碳化硅作為一種化合物半導(dǎo)體，在自然界中極其稀有，以礦物莫桑石的形式出現(xiàn)。目前世界上銷售的碳化硅幾乎都是人工合成的。碳化硅具有硬度高、熱導(dǎo)率高、熱穩(wěn)定性好、臨界擊穿電場(chǎng)高等優(yōu)點(diǎn)，是制作高壓大功率半導(dǎo)體器件的理想材料。
01 碳化硅器件制造的工藝流程
碳化硅器件制造環(huán)節(jié)與硅基器件的制造工藝流程大體類似，主要包括光刻、清洗、摻雜、蝕刻、成膜、減薄等工藝。不少功率器件制造廠商在硅基制造流程基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)線升級(jí)便可滿足碳化硅器件的制造需求。而碳化硅材料的特殊性質(zhì)決定其器件制造中某些工藝需要依靠特定設(shè)備進(jìn)行特殊開發(fā)，以促使碳化硅器件耐高壓、大電流功能的實(shí)現(xiàn)。
02 碳化硅特色工藝模塊簡介
碳化硅特色工藝模塊主要涵蓋注入摻雜、柵結(jié)構(gòu)成型、形貌刻蝕、金屬化、減薄工藝。
1、注入摻雜
由于碳化硅中碳硅鍵能高，雜質(zhì)原子在碳化硅中難以擴(kuò)散，制備碳化硅器件時(shí)PN結(jié)的摻雜只能依靠高溫下離子注入的方式實(shí)現(xiàn)。
注入摻雜通常為硼、磷等雜質(zhì)離子，摻雜注入深度通常為0.1μm~3μm。高能量的離子注入會(huì)破壞碳化硅材料本身的晶格結(jié)構(gòu)，需要采用高溫退火修復(fù)離子注入帶來的晶格損傷，同時(shí)控制退火對(duì)表面粗糙度的影響。核心工藝為高溫離子注入和高溫退火。
離子注入和高溫退火效果示意圖
2、柵結(jié)構(gòu)成型
SiC/SiO2界面質(zhì)量對(duì)MOSFET溝道遷移和柵極可靠性影響很大，需要開發(fā)特定的柵氧及氧化后退火工藝，以特殊原子（例如氮原子）補(bǔ)償SiC/SiO2界面處的懸掛鍵，滿足高質(zhì)量SiC/SiO2界面以及器件高遷移的性能需求。核心工藝為柵氧高溫氧化、LPCVD、PECVD。
普通氧化膜淀積和高溫氧化示意圖
3、形貌刻蝕
碳化硅材料在化學(xué)溶劑中呈現(xiàn)惰性，精確的形貌控制只有通過干法刻蝕方法實(shí)現(xiàn)；掩膜材料、掩膜蝕刻的選擇、混合氣體、側(cè)壁的控制、蝕刻速率、側(cè)壁粗糙度等都需要根據(jù)碳化硅材料特性開發(fā)。核心工藝為薄膜沉積、光刻、介質(zhì)膜腐蝕、干法刻蝕工藝。
碳化硅刻蝕過程示意圖
4、金屬化
器件的源電極需要金屬與碳化硅形成良好的低電阻歐姆接觸。這不僅需要調(diào)控金屬淀積工藝，控制金屬-半導(dǎo)體接觸的界面狀態(tài)，還需采用高溫退火的方式降低肖特基勢(shì)壘高度，實(shí)現(xiàn)金屬-碳化硅歐姆接觸。核心工藝是金屬磁控濺射、電子束蒸發(fā)、快速熱退火。
磁控濺射原理和金屬化效果示意圖
5、減薄工藝
碳化硅材料具有高硬度、高脆性和低斷裂韌性的特點(diǎn)，其研磨加工過程中易引起材料的脆性斷裂，對(duì)晶圓表面與亞表面造成損傷，需要新開發(fā)研磨工藝來滿足碳化硅器件制造需求。核心工藝是磨片減薄、貼膜揭膜等。
晶圓磨拋/減薄原理示意圖
來源：碳化硅研習(xí)社