碳化硅功率器件的基本原理與特點(diǎn)

基于碳化硅材料的半導(dǎo)體器件原理

碳化硅功率器件基于碳化硅（SiC）這種化合物半導(dǎo)體材料。在MOSFET（金屬 - 氧化物 - 半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）結(jié)構(gòu)中，碳化硅材料存在N型和P型兩種類型，通過摻雜手段可得到不同電導(dǎo)率類型。例如，其柵極由金屬制成，源極和漏極采用N型或P型碳化硅材料。當(dāng)在柵極施加正電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)部形成電子氣體，使得源極和漏極間形成導(dǎo)通通道；施加負(fù)電壓時(shí)，電子氣體消失，通道斷開，MOSFET進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。

碳化硅功率器件的特點(diǎn)

1. 高工作溫度與熱穩(wěn)定性

碳化硅功率器件具備出色的熱穩(wěn)定性，能夠承受高溫工作環(huán)境，工作溫度可達(dá)300℃以上，例如在新能源汽車領(lǐng)域，可于高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作，確保汽車的穩(wěn)定性與可靠性。相比傳統(tǒng)硅基材料，碳化硅的這一特性使其在175°C結(jié)溫時(shí)不需要散熱，并且能承受600°C以上的高溫環(huán)境，而硅基材料在120°C場景便需要散熱，這種高溫特性滿足了高功率密度與高效率應(yīng)用需求。

2. 高化學(xué)穩(wěn)定性

碳化硅具有高的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠抵抗腐蝕和氧化，從而提高了器件的可靠性和使用壽命。這使其能適應(yīng)多樣的環(huán)境條件，減少了因化學(xué)因素導(dǎo)致的性能衰減和故障的可能性。

3. 低損耗提高效率

器件的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗較低，其能耗效率比傳統(tǒng)硅功率器件高，可達(dá)到90%以上，有助于提高電力轉(zhuǎn)換效率，降低電能損耗，進(jìn)而延長電池續(xù)航里程和提升設(shè)備的總體性能。例如在電動(dòng)汽車方面，可提高汽車性能并優(yōu)化續(xù)航里程；在工業(yè)設(shè)備的電力轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中，能夠提升轉(zhuǎn)換效率，減少能源浪費(fèi)。

4. 高頻特性

碳化硅功率器件在高頻率下能量損耗減少，轉(zhuǎn)換率高，開關(guān)速度比傳統(tǒng)硅功率器件快可達(dá)100倍以上。這一特性對(duì)于高頻工作環(huán)境下的應(yīng)用，如通信、高速電機(jī)控制等領(lǐng)域至關(guān)重要，能有效地減少能量損失、提高設(shè)備運(yùn)行效率和響應(yīng)速度。

5. 高擊穿場強(qiáng)和電子遷移率

具有高的擊穿場強(qiáng)和高的電子遷移率，可以提供更高的電流密度和功率密度。這使其能承載較高的電壓和電流，在高壓、大功率應(yīng)用場景下具有顯著優(yōu)勢，例如用于制造高壓大容量的電力電子器件。

6. 物理尺寸更小

碳化硅功率器件由于其特殊的材料特性，同性能的器件體積比硅基器件小，可以達(dá)到硅基器件的1/3左右，在一些對(duì)尺寸和重量有要求的應(yīng)用場景，如新能源汽車、航空航天等領(lǐng)域，可以更好地滿足節(jié)省空間和減輕重量的需求，提高能源密度。此外，在制作模組時(shí)，尺寸還能大幅縮小。

碳化硅功率器件的刻蝕工藝類型

干法刻蝕在碳化硅刻蝕中的必要性

由于碳化硅材料的特殊性質(zhì)，如機(jī)械硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好，使得傳統(tǒng)在硅器件制造中常用的濕法刻蝕（利用酸堿溶液進(jìn)行腐蝕）在碳化硅器件制造中難以適用。碳化硅材料在化學(xué)溶劑中呈現(xiàn)惰性，比如僅能在高溫情形下進(jìn)行腐蝕，例如在溫度為500℃的熔融的堿中，或者在1000℃高溫下氯氣或含氯的氣體中，或者在高于1800℃的升華溫度下使用Si蒸汽對(duì)SiC進(jìn)行拋光腐蝕，以及在900 - 1000℃溫度下在熔融的鹽中進(jìn)行濕法刻蝕。然而，碳化硅器件圖形制備對(duì)刻蝕的質(zhì)量要求嚴(yán)格，包括較低的腐蝕溫度、良好的被腐蝕后的表面質(zhì)量、相對(duì)于掩膜材料具有較高的選擇性腐蝕以及高的刻蝕分辨率和腐蝕的各向異性等。因此，必須采用干法刻蝕技術(shù)來實(shí)現(xiàn)有效的碳化硅材料刻蝕去除。

主要的干法刻蝕工藝

1. 等離子體刻蝕（PE）

這是一種較早被研究用于碳化硅刻蝕的干法刻蝕工藝。研究人員使用CF4+O2氣體體系，利用射頻輝光放電系統(tǒng)，能夠?qū)Ψ菗诫s、摻硼或摻磷的氫化非晶碳化硅（a - SiC:H）薄膜進(jìn)行刻蝕去除。在該工藝過程中，等離子體中的活性粒子與碳化硅表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)碳化硅材料的刻蝕。例如在制作碳化硅鈍化膜相關(guān)結(jié)構(gòu)時(shí)，該工藝可用于對(duì)氫化非晶碳化硅薄膜的刻蝕，從而達(dá)到制備需求的特定圖形結(jié)構(gòu)。但是，這種工藝用于制造SiC高溫器件的單晶3C - SiC薄膜時(shí)，由于單晶和非晶薄膜物理化學(xué)性質(zhì)的差異，效果可能需要進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化。

2. 反應(yīng)離子刻蝕（RIE）

反應(yīng)離子刻蝕在碳化硅刻蝕中也有應(yīng)用。H.F.Winters等報(bào)道了在一些特定情況下利用RIE工藝進(jìn)行碳化硅薄膜刻蝕的研究。例如他們發(fā)現(xiàn)如果采用輝光放電濺射工藝制備的SiC薄膜，當(dāng)采用XeF2蒸汽作為刻蝕氣體，在單純的PE或RIE工藝時(shí)不能對(duì)所制備的SiC薄膜進(jìn)行刻蝕，但在XeF2氣體與電子發(fā)射和離子發(fā)射同時(shí)存在的條件下，即存在離子轟擊的情況下，可以對(duì)SiC材料進(jìn)行刻蝕去除。這是因?yàn)殡x子和電子的發(fā)射能夠增強(qiáng)刻蝕氣體與被刻蝕表面的化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致了SiC材料的各向異性刻蝕。并且在刻蝕反應(yīng)中限制刻蝕速率大小的因素似乎是由SiF4分子形成的快慢所決定的。

3. 反應(yīng)離子束刻蝕（RIBE）

ShinjiMatsui等人采用反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)對(duì)碳化硅單晶3C - SiC材料進(jìn)行刻蝕研究。這種工藝通過產(chǎn)生特定能量和離子束的形式，精確地控制碳化硅表面的刻蝕過程，在碳化硅的一些高精度結(jié)構(gòu)加工方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，例如對(duì)碳化硅器件中的微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻蝕，這種方法有利于實(shí)現(xiàn)較高的刻蝕分辨率和較好的側(cè)壁控制。

碳化硅功率器件刻蝕工藝的技術(shù)難點(diǎn)

1. 硬脆性導(dǎo)致加工易損傷

碳化硅材料具有高硬度、高脆性和低斷裂韌性的特點(diǎn)。在刻蝕工藝過程中，特別是研磨加工（下游加工中的減薄等工藝可能涉及）時(shí)，容易引發(fā)材料的脆性斷裂情況，對(duì)晶圓表面與亞表面造成損傷。例如在要將碳化硅晶圓減薄到目標(biāo)厚度時(shí)，這種硬脆性可能導(dǎo)致晶圓表面產(chǎn)生微裂紋或者內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到不可恢復(fù)的破壞，從而影響器件的性能和成品率。這種損傷會(huì)導(dǎo)致平面度不佳、表面粗糙度增加等問題，對(duì)于極精密的功率器件制造而言是非常嚴(yán)重的，因?yàn)槲⑿〉慕Y(jié)構(gòu)損傷都可能改變器件的電學(xué)特性，降低器件在高電壓、大電流等應(yīng)用場景下的可靠性。

2. 刻蝕質(zhì)量要求苛刻

雖然干法刻蝕技術(shù)適用于碳化硅，但要達(dá)到碳化硅器件圖形制備的要求難度較大。刻蝕質(zhì)量要求包括較低的腐蝕溫度、良好的被腐蝕后的表面質(zhì)量（如光滑度，粗糙度控制在納米級(jí)別，低缺陷密度等）、相對(duì)于掩膜材料具有較高的選擇性腐蝕（確保只對(duì)碳化硅進(jìn)行有效的刻蝕而不損害掩膜材料，保證圖形轉(zhuǎn)移的準(zhǔn)確性）、高的刻蝕分辨率（在亞微米甚至納米尺度上形成精確的圖形結(jié)構(gòu)）以及腐蝕的各向異性（使刻蝕能夠垂直向下或者按照預(yù)定的某個(gè)方向進(jìn)行，避免側(cè)向過度刻蝕影響結(jié)構(gòu)精度）等。例如在制造溝槽型碳化硅器件時(shí)，需要精確控制刻蝕深度、側(cè)壁垂直度和粗糙度等，如果刻蝕深度不均勻、側(cè)壁傾斜度過大或者表面太粗糙，會(huì)影響后續(xù)電極制作和器件電學(xué)性能，如溝道遷移率下降、擊穿電場減小等 。

3. 刻蝕副產(chǎn)物殘留問題

在刻蝕過程中會(huì)產(chǎn)生如氟碳等刻蝕殘留物，這些殘留物很難去除。一方面，它們可能附著在刻蝕后的表面，影響下一步工藝環(huán)節(jié)（如影響金屬化工藝中的金屬 - 半導(dǎo)體接觸質(zhì)量）。另一方面，殘留物還可能改變刻蝕表面的電學(xué)和化學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致器件的電學(xué)性能下降，像降低溝道遷移率和擊穿電場等。對(duì)于溝槽型碳化硅半導(dǎo)體器件，這些殘留物會(huì)對(duì)溝槽柵金屬氧化物半導(dǎo)體電容（MOS電容）的電學(xué)特性產(chǎn)生不良影響，在MOS器件結(jié)構(gòu)中損害溝道的有效傳導(dǎo)能力和耐壓能力。

碳化硅功率器件刻蝕工藝的優(yōu)化方法

1. 工藝條件優(yōu)化

調(diào)整刻蝕氣體成分

選擇合適的刻蝕氣體組合對(duì)提高刻蝕效果有重要作用。例如在一些碳化硅的刻蝕中使用SF6 + O2或者CF4 + O2的混合氣體作為刻蝕氣體，能夠通過調(diào)整O2和另一氣體成分的比例來控制刻蝕速率、選擇性等參數(shù)。當(dāng)增加O2的含量時(shí)，可能會(huì)提高對(duì)碳化硅的刻蝕速率但需要關(guān)注對(duì)掩膜材料的選擇性，避免同時(shí)過度刻蝕掩膜材料；而減少O2可能會(huì)增加產(chǎn)物中可能造成污染的成分，需要取得一個(gè)平衡點(diǎn)。此外，像XeF2氣體結(jié)合離子轟擊（如Ar +轟擊）的方式在某些碳化硅刻蝕場景下可以有效提高刻蝕的各向異性并且增強(qiáng)刻蝕效果，但需要精細(xì)地控制離子轟擊的能量和電流密度等參數(shù)，以避免對(duì)碳化硅表面造成過度損傷。

控制刻蝕工藝參數(shù)

射頻功率、氣體流量和反應(yīng)室壓力等工藝參數(shù)影響刻蝕反應(yīng)。提高射頻功率可以增加等離子體的產(chǎn)生量，從而加快刻蝕速率，但也可能增加刻蝕的不均勻性；增加氣體流量有助于補(bǔ)充刻蝕反應(yīng)中的反應(yīng)氣體，保證刻蝕持續(xù)進(jìn)行，但流量過大可能造成氣流紊亂影響刻蝕分辨率；反應(yīng)室壓力過高或過低都不利于優(yōu)化刻蝕過程，需要根據(jù)具體的設(shè)備和刻蝕要求進(jìn)行調(diào)節(jié)來達(dá)到良好的刻蝕速率、表面質(zhì)量及選擇性。在實(shí)際的生產(chǎn)過程中可能需要通過多次實(shí)驗(yàn)測試來找到針對(duì)不同結(jié)構(gòu)尺寸、不同批次碳化硅材料的最優(yōu)工藝參數(shù)組合。

優(yōu)化退火工序

對(duì)于刻蝕后的碳化硅，采用合適的退火工藝可改善刻蝕造成的損傷。如使用H2、Ar、SiH4/Ar、Cl2（高溫1000°C以上）等氣體進(jìn)行退火，可消除柵槽底部微溝槽和表面粗糙度等問題。采用含氯的氣體（如四氯化碳和/或氯氣）和氧化性氣體（如氧氣、一氧化氮、二氧化氮、一氧化碳和二氧化碳中的至少一種）配合，再結(jié)合載體氣體（如氦氣、氖氣、氬氣、氪氣和氙氣中的一種），在700 - 1000°C的較低退火溫度下，可實(shí)現(xiàn)降低碳化硅柵槽的損傷、提高光滑度的效果，既節(jié)省能源又能改善電學(xué)特性，如提高碳化硅器件反型層導(dǎo)電溝道遷移率、改善碳化硅正向?qū)щ娦阅?nbsp;。

2. 掩膜技術(shù)改進(jìn)

制備高質(zhì)量掩膜層

掩膜材料、掩膜蝕刻的選擇對(duì)碳化硅刻蝕至關(guān)重要。需要開發(fā)與碳化硅刻蝕工藝相匹配的掩膜材料，確保掩膜在刻蝕過程中有足夠的抗刻蝕能力，并且在刻蝕結(jié)束后容易去除而不對(duì)碳化硅結(jié)構(gòu)造成損傷。例如采用雙層膠剝離工藝制備刻蝕所需的極小傾角金屬掩膜，能夠通過控制雙層膠工藝形成的光刻膠倒臺(tái)面形貌來控制剝離之后的金屬掩膜形貌，可以獲得邊緣傾斜角度平均僅為1.6°的金屬掩膜，利用這種掩膜能實(shí)現(xiàn)深度14.5μm而角度僅為27°的SiC刻蝕形貌 。

準(zhǔn)確控制掩膜蝕刻過程

對(duì)掩膜蝕刻過程的精確控制包括蝕刻的深度、側(cè)壁形狀的控制等。要確保掩膜蝕刻能夠準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)移所需的圖形到碳化硅表面，保證圖形的精度和完整性，從而滿足碳化硅功率器件復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造的要求。準(zhǔn)確的掩膜蝕刻能保障在后續(xù)碳化硅刻蝕時(shí)，刻蝕圖形與掩膜上預(yù)設(shè)圖形的高度一致性，避免因?yàn)檠谀のg刻誤差導(dǎo)致碳化硅器件性能下降或者無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

碳化硅功率器件刻蝕工藝的最新研究進(jìn)展

1. 更深入與精確的刻蝕研究

當(dāng)下，開發(fā)針對(duì)碳化硅材料的深刻蝕工藝成為研究熱點(diǎn)之一，如溝槽柵技術(shù)中的應(yīng)用。溝槽柵（Trench - Gate）技術(shù)可以縮小碳化硅芯片的表面積，提高單個(gè)晶圓的芯片產(chǎn)出量以降低成本，并且能避免寄生Jfet效應(yīng)帶來的額外內(nèi)阻。國內(nèi)有企業(yè)如「中锃半導(dǎo)體」成立專門的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，專注于研發(fā)針對(duì)碳化硅的深刻蝕設(shè)備和工藝（DeepSiCEtch），以實(shí)現(xiàn)更好的溝槽柵結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)更廣闊的器件設(shè)計(jì)窗口，助推碳化硅產(chǎn)品在成本和性能上更具競爭力，但要實(shí)現(xiàn)碳化硅的深刻蝕需要克服其高達(dá)莫氏硬度9.5的困難，以及滿足各種性能要求的特殊刻蝕形貌需求，這仍是研究和開發(fā)過程中的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

2. 多樣化的工藝探索與應(yīng)用

在金屬場版刻蝕工藝方面，研究人員通過結(jié)合等離子體刻蝕和反應(yīng)離子刻蝕等干法刻蝕技術(shù)開展試驗(yàn)研究與分析。通過多次調(diào)節(jié)反應(yīng)條件，包括刻蝕氣體、射頻功率、氣體流量、反應(yīng)室壓力等，并采用濕法刻蝕進(jìn)行金屬場版刻蝕，細(xì)致調(diào)整腐蝕液的成分和配比，成功提升了碳化硅肖特基二極管器件的成品率和可靠性，為碳化硅肖特基二極管制造工藝中的刻蝕技術(shù)發(fā)展提供了借鑒思路。

3. 碳化硅集成光量子糾纏器件刻蝕相關(guān)突破

在碳化硅集成光量子糾纏器件領(lǐng)域的工藝有新的進(jìn)展。如哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）的研究團(tuán)隊(duì)在絕緣體上的碳化硅材料上制備出單個(gè)電子自旋陣列，這一過程必然涉及一些獨(dú)特的碳化硅刻蝕、加工技術(shù)。他們通過精細(xì)操控展示了這些自旋的相干特性，為碳化硅片上集成的光量子信息處理提供重要基礎(chǔ)。在研究過程中結(jié)合了多種工藝步驟，如將特殊的碳化硅外延層晶圓與氧化硅晶圓結(jié)合，通過磨削和拋光技術(shù)將碳化硅層減薄到200納米過程中，需要精準(zhǔn)的刻蝕控制以滿足結(jié)構(gòu)和量子特性的要求，這在碳化硅材料用于光量子信息和特殊微納器件制造方面體現(xiàn)了新的起點(diǎn)和研究方向。

功率器件芯片清洗劑選擇：

水基清洗的工藝和設(shè)備配置選擇對(duì)清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會(huì)作為一個(gè)長期的使用和運(yùn)行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學(xué)遷移，形成樹枝狀結(jié)構(gòu)體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內(nèi)的浮點(diǎn)、灰塵、塵埃等，這些污染物會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)質(zhì)量降低、焊接時(shí)焊點(diǎn)拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關(guān)注的呢？助焊劑或錫膏普遍應(yīng)用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導(dǎo)，從產(chǎn)品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質(zhì)引發(fā)接觸電阻增大，嚴(yán)重者導(dǎo)致開路失效，因此焊后必須進(jìn)行嚴(yán)格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

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