如何在现有硅片厂内集成 SiC 制造? - Pcim展会

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功率半导体器件领域知名专家 Victor Veliadis 在网络研讨会上，对在现有硅片厂内集成碳化硅制造进行了全面的分析，探讨了这种集成的技术、经济和实际因素，并强调了半导体行业的困难、解决方案和更广泛的影响。这一分析强调了 SiC 带来变革的强大能力及其在塑造电力电子未来方面的关键意义。

SiC的战略重要性

硅碳化物和氮化镓在功率电子领域的重要性日益增强。基于SiC的功率器件相较于传统硅器件具有多种优势，尤其是在超高压功率电子领域。

SiC拥有几种关键特性，包括：

更高的临界电场强度：SiC能够承受的电场强度约为硅的10倍，使得设备能够在更高电压下运行而不增加物理尺寸。

热导率：SiC的优越热导率对于管理高功率应用中的热量至关重要，使设备能够在更高温度下运行，从而提高可靠性和使用寿命。

更宽的带隙：SiC的带隙是硅的3倍，这意味着在功率转换应用中可以降低漏电流并提高效率。这种特性在高频操作中尤为重要，因为切换损失会显著影响整体性能。

这些特性使得可以制造出更小、更薄的器件，降低电阻和导电损耗，从而提高功率密度。这些发展有潜力极大地促进电动汽车、可再生能源系统和工业自动化等应用。

SiC集成的经济合理性

在现有硅制造厂内生产SiC器件的经济可行性。通过针对特定工具和设备进行投资，硅制造厂可以在不需要完全新基础设施的情况下转向SiC制造。这种方法通过利用硅的规模经济优势，显著降低了SiC器件的整体生产成本。

关键设备升级包括：

高温注入机：这些工具对于掺杂过程至关重要，必须在高温下运行，以确保有效注入而不损坏SiC晶体结构。

退火工具：高温退火对修复注入过程中造成的损伤和激活掺杂剂至关重要，需要对温度和气体环境进行精确控制。

计量设备：需要专门的工具用于缺陷检测和表征，针对SiC独特的光学特性进行定制设计。传统的硅计量工具可能因SiC在某些波长下的透明性而无法有效工作。

通过利用成熟的光刻设备，成本得到了显著降低。许多公司有效地利用现有的硅规模经济，在同一设施中同时处理硅和SiC。

克服SiC加工的挑战

SiC独特的材料特性需要使用多种专用工具和技术，将SiC制造整合到硅制造厂中。

关键挑战及解决方案包括：

蚀刻技术：SiC的惰性特性需要干法蚀刻方法，因为湿法蚀刻不可行。常用的氟和氯基化学反应离子蚀刻需要对蚀刻速率和选择性进行精确控制。锥形蚀刻技术通过在蚀刻过程中创造锥形轮廓，可以改善侧壁特性，从而提升器件性能。

离子注入及后退火：传统的热扩散方法对SiC无效，因为其高熔点和低扩散常数。因此，采用精确控制物种、剂量和能量的注入技术。高温离子注入和随后的退火对有效修复晶格损伤和激活掺杂剂是必要的。

金属化挑战：优化金属化过程对于确保可靠的接触形成至关重要。在SiC上实现可靠的欧姆接触需要使用具有兼容热膨胀特性的金属和特定的退火过程。使用镍和钛层，随后进行快速热或激光退火的方式已被证明可以产生稳定且低电阻的接触。

检测与计量：传统的硅检测和计量工具由于其透明性，往往不适用于SiC晶圆。采用高分辨率成像和激光散射技术的先进光学检测系统被用来检测SiC晶圆中的亚微米缺陷。

通过边缘终结优化器件性能

为了确保高压SiC器件的稳健运行，有效的边缘终结至关重要。技术包括：

浮动保护环：该技术涉及在器件的活跃区域外围植入保护环，通过最大化电压阻断能力，同时最小化芯片的横向扩展，优化性能。图1是保护环边缘终结部分的扫描电子显微镜图像。这种方法提升了SiC的高压能力，通常在氮化镓技术中不使用。

图1：保护环边缘终止部分的扫描电子显微镜图像

结终止扩展(JTE)：JTE涉及从边缘到器件外缘逐步降低掺杂浓度，以扩散电场并增强击穿电压。影响边缘终止效果的设计参数包括终止的范围和掺杂区的数量。

120区JTE：一个设计良好的边缘终止可以显著提高器件的可靠性和性能。多个注入区进一步增强了边缘终止的效果。

120区JTE的实施通过单次光刻和注入步骤，增强了高压SiC器件的击穿电压。该方法通过在活跃区域周围的同心区域中逐渐降低掺杂浓度，实现从边缘到外缘的平滑过渡。这种逐步过渡有助于减轻器件边缘的失效风险，缓解电场集中。这项技术(图2)不仅通过减轻电场集中效应提高了器件的整体可靠性，降低了早期失效的风险，还增强了击穿电压。120区JTE注入是加热注入，以最小化晶体晶格损伤。

图2：120 区 JTE 展示了植入物从设备边缘到外围的平稳、渐进的过渡

SiC应用

SiC的优势使其特别适合多种高功率应用，包括：

电动汽车(EV)：SiC器件提高了电动汽车中功率转换器的效率，从而延长续航里程并缩短充电时间。其能够在更高温度下运行也减少了对庞大冷却系统的需求。

可再生能源系统：在太阳能逆变器和风能系统中，SiC增强了效率并减少了损耗，使这些技术更具可行性和成本效益。

工业自动化：SiC在工业应用中越来越多地被使用，如电动机驱动和电源，其中效率和可靠性至关重要。

扩大SiC应用的视野

Veliadis指出了SiC技术未来的几个研究方向，强调了持续创新以应对现有挑战的必要性。这些方向包括：

改进制造技术：持续的研究旨在精炼SiC处理方法，关注提高产量和降低成本，包括开发可以整合到现有硅制造厂中的新蚀刻和掺杂技术。

材料表征：表征技术的进步对理解SiC材料特性和提高器件性能至关重要。这包括专门为SiC开发的新计量和检测工具。

探索新应用：随着SiC技术的成熟，研究人员正在探索超越传统功率电子的新应用，包括在高频、高温和高宇宙辐射环境中的潜在用途。

总结

Veliadis的网络研讨会全面探讨了将SiC制造整合进现有硅制造厂的机会和挑战。通过阐明这一转型所需的技术进步、经济考虑和实际实施，研讨会为行业利益相关者提供了宝贵的见解。随着半导体行业的不断发展，SiC的成功整合有望加速高效可靠功率电子的开发，对电动汽车、可再生能源和工业自动化等领域产生深远影响。

    文章来源：浮思特科技

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