Wie ist der Herstellungsprozess von SIC-Geräten?
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Als langjähriger Lieferant von SIC-Geräten freue ich mich sehr, Ihnen den Herstellungsprozess von SIC-Geräten (Siliziumkarbid) vorstellen zu können. SIC-Geräte haben in der Leistungselektronikbranche aufgrund ihrer überlegenen Leistungsmerkmale wie hoher Durchbruchspannung, niedrigem Einschaltwiderstand und ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Geräten auf Siliziumbasis für Aufsehen gesorgt.
1. Rohstoffvorbereitung
Der erste entscheidende Schritt bei der Herstellung von SIC-Geräten ist die Vorbereitung hochwertiger SIC-Rohstoffe. Das Rohmaterial für SIC-Geräte sind typischerweise einkristalline Sic-Wafer. Diese Wafer werden durch einen komplexen Prozess hergestellt, der als physikalischer Dampftransport (PVT) bekannt ist.
Beim PVT-Verfahren wird hochreines Siliziumkarbidpulver in einen Graphittiegel gegeben. Der Tiegel wird dann in einer Inertgasatmosphäre (z. B. Argon) auf extrem hohe Temperaturen erhitzt, normalerweise über 2000 °C. Bei diesen hohen Temperaturen sublimiert das Siliziumkarbidpulver und der Dampf kondensiert an einem Impfkristall am kühleren Ende des Tiegels. Mit der Zeit wächst auf dem Impfkristall ein einkristalliner Sic-Barren.
Die Qualität des einkristallinen Sic-Barrens ist von größter Bedeutung, da sie sich direkt auf die Leistung der endgültigen SIC-Geräte auswirkt. Faktoren wie Kristalldefekte, Verunreinigungen und Gitterstruktur müssen während des Wachstumsprozesses sorgfältig kontrolliert werden. Nachdem der Barren gewachsen ist, wird er mit einer Diamantsäge in dünne Scheiben geschnitten. Anschließend werden diese Wafer poliert, um eine glatte und ebene Oberfläche zu erhalten, die für nachfolgende Gerätefertigungsprozesse unerlässlich ist.
2. Epitaktisches Wachstum
Sobald die Sic-Wafer vorbereitet sind, ist der nächste Schritt das epitaktische Wachstum. Epitaxie ist ein Prozess, bei dem eine dünne, einkristalline Sic-Schicht auf der Oberfläche des Sic-Wafers gezüchtet wird. Diese Epitaxieschicht ist so konzipiert, dass sie spezifische elektrische Eigenschaften wie Dotierungskonzentration und Dicke aufweist, die für die Leistung des endgültigen SIC-Bauelements entscheidend sind.
Die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) ist die am häufigsten verwendete Methode für das epitaktische Sic-Wachstum. Beim CVD-Verfahren wird eine Mischung aus Vorläufergasen wie Silan (SiH₄) und Propan (C₃H₈) zusammen mit einem Dotierstoffgas (wie Stickstoff für n-Typ-Dotierung oder Aluminium für p-Typ-Dotierung) in eine Reaktionskammer eingeführt. Der Wafer wird auf eine hohe Temperatur erhitzt, typischerweise etwa 1500–1600 °C. Die Vorläufergase zersetzen sich an der Waferoberfläche und die Atome werden in das Kristallgitter des Wafers eingebaut und bilden eine hochwertige Epitaxieschicht.
Die Steuerung des epitaktischen Wachstumsprozesses ist sehr präzise. Parameter wie Gasdurchflussraten, Temperatur und Druck müssen sorgfältig reguliert werden, um die Gleichmäßigkeit der Epitaxieschicht in Bezug auf Dicke und Dotierungskonzentration über den gesamten Wafer sicherzustellen.
3. Geräteisolierung
Nach dem epitaktischen Wachstum wird die Geräteisolierung durchgeführt. Der Zweck der Geräteisolierung besteht darin, einzelne Geräte auf dem Wafer elektrisch zu isolieren und so elektrische Interferenzen zwischen benachbarten Geräten zu verhindern.
Eine gängige Methode zur Geräteisolierung in SIC-Geräten ist die Ionenimplantation. Bei der Ionenimplantation werden hochenergetische Ionen beschleunigt und an bestimmten Stellen in die Sic-Epitaxieschicht implantiert. Diese Ionen erzeugen einen Bereich mit hohem Widerstand in der Epitaxieschicht, der benachbarte Geräte effektiv isoliert. Art und Energie der Ionen sowie Implantationsdosis und Implantationswinkel werden sorgfältig ausgewählt, um die gewünschte Isolationsleistung zu erreichen.
Eine weitere Methode zur Geräteisolierung ist die Grabenisolierung. Bei der Grabenisolation werden tiefe Gräben mittels reaktivem Ionenätzen (RIE) in die Sic-Epitaxieschicht geätzt. Die Gräben werden dann mit einem dielektrischen Material wie Siliziumdioxid (SiO₂) gefüllt, um die Geräte elektrisch zu isolieren. Die Grabenisolierung kann insbesondere für Hochspannungs-SIC-Geräte eine bessere Isolationsleistung bieten.
4. Quell- und Abflussbildung
Source- und Drain-Regionen sind wesentliche Komponenten von SIC-MOSFETs und anderen Transistoren. Diese Regionen werden durch eine Kombination aus Ionenimplantations- und Ausheilprozessen gebildet.
Bei SIC-Geräten vom n-Typ werden typischerweise Phosphor- oder Stickstoffionen in die Epitaxieschicht implantiert, um die Source- und Drain-Bereiche zu erzeugen. Die Implantationsenergie und -dosis werden angepasst, um die gewünschte Dotierungskonzentration und -tiefe zu erreichen. Nach der Ionenimplantation wird der Wafer bei hoher Temperatur, üblicherweise über 1600 °C, getempert, um die implantierten Ionen zu aktivieren und den durch den Implantationsprozess verursachten Kristallschaden zu reparieren.
Der Glühprozess ist von entscheidender Bedeutung, da er die elektrischen Eigenschaften der Source- und Drain-Regionen beeinflusst, wie z. B. den spezifischen Widerstand und die Ladungsträgermobilität. Durch ordnungsgemäßes Tempern kann auch die Gesamtleistung und Zuverlässigkeit des SIC-Geräts verbessert werden.
5. Gate-Oxidbildung
Bei SIC-MOSFETs spielt die Gate-Oxidschicht eine entscheidende Rolle bei der Steuerung des Stromflusses zwischen Source und Drain. Das Gate-Oxid wird typischerweise durch thermische Oxidation der Sic-Oberfläche gebildet.
Beim thermischen Oxidationsprozess wird der Sic-Wafer in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei hoher Temperatur erhitzt. Während des Oxidationsprozesses reagieren Sauerstoffatome mit der Sic-Oberfläche und bilden eine Siliziumdioxidschicht (SiO₂). Allerdings ist die Qualität der SiO₂/Sic-Schnittstelle eine große Herausforderung bei SIC-MOSFETs. Defekte an der Schnittstelle können zu einer hohen Grenzflächenfallendichte führen, was die Geräteleistung beeinträchtigen kann, z. B. durch eine Verringerung der Kanalmobilität und eine Erhöhung der Schwellenspannung.
Um die Qualität des Gateoxids und der SiO₂/Sic-Grenzfläche zu verbessern, werden verschiedene Oberflächenbehandlungen und Optimierungstechniken eingesetzt. Beispielsweise können Stickstoffglühen oder die Verwendung von Gateoxiden auf Nitridbasis dazu beitragen, die Grenzflächenfallendichte zu verringern und die Geräteleistung zu verbessern.
6. Metallisierung
Bei der Metallisierung werden Metallschichten auf dem Gerät abgeschieden, um elektrische Kontakte und Verbindungen zu bilden. Bei SIC-Geräten werden üblicherweise mehrere Metallschichten abgeschieden.
Die erste Metallschicht, das sogenannte ohmsche Kontaktmetall, wird auf den Source-, Drain- und Gate-Bereichen abgeschieden, um einen elektrischen Kontakt mit niedrigem Widerstand zu bilden. Für ohmsche Kontakte werden üblicherweise Metalle wie Titan (Ti), Nickel (Ni) und Aluminium (Al) verwendet. Das ohmsche Kontaktmetall wird mithilfe von PVD-Methoden (Physical Vapour Deposition) wie Sputtern oder Verdampfen abgeschieden. Nach der Metallabscheidung wird der Wafer getempert, um einen stabilen ohmschen Kontakt zu bilden.
Nachfolgende Metallschichten werden auf dem ohmschen Kontaktmetall abgeschieden, um Verbindungen zu bilden, die verschiedene Teile des Geräts verbinden. Diese Metallschichten werden mithilfe von Photolithographie- und Ätztechniken strukturiert, um das gewünschte Schaltungslayout zu erstellen.
7. Verpackung
Nachdem der Herstellungsprozess auf dem Wafer abgeschlossen ist, werden die einzelnen SIC-Geräte mithilfe einer Trennsäge vom Wafer getrennt. Diese einzelnen Chips werden dann in ein geeignetes Gehäuse verpackt, um sie vor der Umgebung zu schützen und elektrische Verbindungen bereitzustellen.
Für SIC-Geräte stehen verschiedene Arten von Gehäusen zur Verfügung, darunter oberflächenmontierte Gehäuse und Durchsteckgehäuse. Die Wahl des Gehäuses hängt von den Anwendungsanforderungen wie Verlustleistung, Nennspannung und physikalischer Größe ab.
Während des Verpackungsprozesses wird der SIC-Chip mit einem leitfähigen Kleber auf einem Leadframe oder einem Substrat befestigt. Anschließend werden Bonddrähte verwendet, um die Chip-Pads mit den Gehäuseanschlüssen zu verbinden. Abschließend wird das Gehäuse mit einer Formmasse vergossen, um den Chip vor Feuchtigkeit, Staub und mechanischer Belastung zu schützen.
8. Prüfung und Qualitätskontrolle
Der letzte Schritt im Herstellungsprozess von SIC-Geräten ist die Prüfung und Qualitätskontrolle. Jedes verpackte SIC-Gerät wird getestet, um sicherzustellen, dass es die angegebenen Leistungsanforderungen erfüllt.
Elektrische Tests werden durchgeführt, um Parameter wie Durchbruchspannung, Einschaltwiderstand, Schwellenspannung und Schalteigenschaften zu messen. Es werden auch thermische Tests durchgeführt, um die thermische Leistung des Geräts zu bewerten, beispielsweise die Sperrschichttemperatur und den thermischen Widerstand.
Basierend auf den Testergebnissen werden die SIC-Geräte entsprechend ihrer Leistung in verschiedene Klassen eingeteilt. Geräte, die die Spezifikationsanforderungen nicht erfüllen, werden zurückgewiesen, um sicherzustellen, dass nur qualitativ hochwertige SIC-Geräte an Kunden versendet werden.
Während des gesamten Herstellungsprozesses werden strenge Qualitätskontrollmaßnahmen umgesetzt, um die Zuverlässigkeit und Konsistenz der SIC-Geräte sicherzustellen. Dazu gehören In-Prozess-Inspektionen, Materialrückverfolgbarkeit und statistische Prozesskontrolle.
Abschluss
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Herstellungsprozess von SIC-Geräten ein komplexer und hochpräziser Prozess ist, der mehrere Schritte umfasst, von der Rohmaterialvorbereitung bis zur Verpackung und Prüfung. Unser Unternehmen ist als professioneller SIC-Gerätelieferant bestrebt, modernste Fertigungstechnologien und strenge Qualitätskontrollsysteme einzusetzen, um qualitativ hochwertige SIC-Geräte herzustellen, die den vielfältigen Anforderungen unserer Kunden gerecht werden.
Wir bieten eine breite Palette an SIC-Geräten an, darunterSic-Schottky-DiodeUndSic Mosfet. Wenn Sie Interesse an unseren SIC-Geräten haben oder Fragen zu deren Anwendung und Beschaffung haben, können Sie sich gerne an uns wenden. Wir freuen uns darauf, Ihre spezifischen Anforderungen zu besprechen und Ihnen die besten Lösungen anzubieten.
Referenzen
- Baliga, BJ (2005). Siliziumkarbid-Leistungsgeräte. Weltwissenschaftlich.
- Kimoto, T. & Cooper, JA (Hrsg.). (2014). Siliziumkarbid: Materialien, Verarbeitung und Geräte. Wiley - IEEE.
- Palmour, JW, & Davis, RF (2000). Siliziumkarbid: Ein Wundermaterial für die Leistungselektronik. IEEE Transactions on Electron Devices, 47(3), 417 - 431.
