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碳化硅器件工艺难点在哪里?

文章出处:启哥有何妙计网责任编辑:作者:陈启人气:-发表时间:2022-09-14 17:19:00【

衬底片完了之后就是长外延,外延之后就是一系列的光刻,刻蚀,涂胶,沉积,清洗,离子注入等工艺,和硅工艺基本一致,然后就是后道的晶圆切die,封装测试等,基本流程和硅差不多。

其中长外延,光刻胶,背面退火,刻蚀,以及氧化栅极工艺区别,欧姆接触和硅工艺区别非常大。

硅的外延工艺就是普通的硅外延炉之类价格也很便宜国产的大约400-500万一台(8英寸的);碳化硅的是特殊的MOCVD/HT-CVD,且价格非常贵,基本要800-1500万人民币一台,而且产能很低,一台炉子一个月产能是30片。

外延炉主要是国外的爱思强,意大利的LPE(被ASM收购),日本的TEL,Nuflare。国内有不少公司干这个,类似北方华创,中微,以及一些小公司。

PVT法的长的碳化硅晶体天然是N型,没有P型,但是做外延层就可以调节N还是P,以及掺杂浓度(至少硅的外延层就是这样的)。

之所以要做外延层,道理也很简单,消除衬底本身的缺陷问题,提高器件良率,其次是根据不同工艺,需要做不同外延掺杂工艺。

那么对于碳化硅而言,外延之后,能明显提高良率。外延片质量和衬底质量有一定的关系,但是不是绝对100%的关系,高水平的外延能很大程度上弥补衬底固有缺陷,但是缺陷太多长一层外延也并不解决问题,但是外延长的好确实降低了器件对衬底的要求。

所以哪怕衬底有这么点瑕疵,外延之后,依然能用!现阶段,是有衬底就行了,所以哪怕衬底质量有些问题,依然能用,敢用原因就在这里,碳化硅需求太旺盛了。

其次器件是在外延层上,除了IGBT那种垂直穿通型的结构,大部分都是在外延层上做的结构,衬底甚至还要减薄,剥离,反正有相当一部分衬底都要被剥离,有点小问题也所谓,因此外延工艺降低了器件对衬底的要求,至少二极管之类肯定是能用的。

第二,光刻胶与曝光工艺。

我一直以为碳化硅曝光和硅基本一致,后面发现并不是这样,还是那个问题碳化硅有很好的透光性,普通6英寸光刻工艺的硅的光刻胶是完成不了曝光工序的!必须用的是一种特殊光刻胶?干膜光刻胶?具体名称我叫不上来了,反正和硅肯定不一样。

第三刻蚀,这里涉及非常复杂的工艺结构问题,现在玩碳化硅的国际三大家,英飞凌,罗姆,和CREE。

其中CREE主要搞平面型,英飞凌的是非对称半包结构,罗姆是双/深沟槽结构,还有一个住友整过一个接地双掩埋。

之所有英飞凌和罗姆要整这么复杂的沟槽结构,原因很简单,碳化硅和硅不一样,掺杂后的扩散推结动作异常困难,只能搞挖沟槽。其次,是增加功率/面积比,相比之下沟槽能比平面型降低30%的成本,这招业内俗称“偷面积”,能偷30%,相当可观了!

显然CREE平面型的刻蚀工序就不会很多,但是英飞凌和罗姆都是类似沟槽结构,刻蚀工序必然又多又复杂。

到现在这沟槽结构已经异常复杂,已经变成多级沟槽。洒家推测,以后的碳化硅刻蚀设备不仅仅是一个台ICP刻蚀,应该是一台ICP-CVD刻蚀设备,在挖多级沟槽的时候,一边挖一边砌墙,刻蚀与沉积保护膜同步进行。

第四,栅极工艺的问题。

罗姆曾经吃过亏,整个碳化硅一大块面积都糊了。洒家请教过很多专家,有部分人的认为,问题出在氧化栅极上,MOSFET的栅极就是这一层二氧化硅。

相比硅上整一个二氧化硅栅极,碳化硅上整一个二氧化硅就不这么简单了,显然两者界面的接触显然是不如硅的二氧化硅,因为碳化硅里面有碳原子,如果界面不清晰形成团簇,就极容易发生问题,尽管现在业内过1000小时的案例比比皆是,但是我始终觉得这是影响碳化硅MOSFET长期可靠的性的一个大问题,急需新材料和新的薄膜沉积工艺,来解决这些问题。

第五,掺杂问题

碳化硅最烦就是这个离子注入掺杂问题,因为碳化硅的N型掺杂氮,P型掺杂是铝。这铝原子他妈比硅原子和碳原子大太多了,简直异物插入!因此需要高能粒子注入机,目前只有应材和爱发科有,爱发科的机台适合小批量生产,应材的产能更大但是更贵,都300万美金朝上的价格,不管爱发科还是应材都是1年半起步的订货周期,一台设备就是产能,看谁动作快。

硅离子注入机能改,但是代价不小,效果一般,建议买新的,这个钱必须花。

第六,退火

掺杂完了,退火工艺也和硅不一样,是一个点一个点的激光退火!国内类似大族的激光设备是可以用的。

第七,背面欧姆接触

同理离子注入,半导体与金属接触会形成势垒,当半导体的掺杂浓度很高的时候电子可以借助“隧穿效应”穿过势垒,从而形成低阻的欧姆接触,形成良好的欧姆接触是有利于电流的输入和输出,因此选择什么金属材料对于碳化硅做欧姆接触很重要。

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