SiC炭化ケイ素デバイスの製造プロセス(1)

ご存知のとおり、半導体分野では単結晶シリコン (Si) が世界で最も広く使用され、最大量の半導体基本材料です。現在、半導体製品の 90% 以上がシリコンベースの材料を使用して製造されています。現代のエネルギー分野における高出力および高電圧デバイスへの需要の高まりに伴い、バンドギャップ幅、絶縁破壊電界強度、電子飽和率、熱伝導率などの半導体材料の主要なパラメータに対してより厳しい要件が提示されています。このような状況下で、以下に代表されるワイドバンドギャップ半導体材料が注目されています。炭化ケイ素(SiC) は、高出力密度アプリケーションの最愛の人として浮上しています。

化合物半導体としては、炭化ケイ素自然界では非常に稀であり、鉱物モアサナイトの形で現れます。現在、世界中で販売されている炭化ケイ素のほとんどは人工合成されたものです。炭化ケイ素は、高硬度、高熱伝導率、良好な熱安定性、および高い臨界破壊電界という利点を持っています。これは、高電圧および高出力の半導体デバイスを製造するのに理想的な材料です。

では、炭化ケイ素パワー半導体デバイスはどのように製造されるのでしょうか?

炭化ケイ素デバイスの製造プロセスと従来のシリコンベースの製造プロセスの違いは何ですか?今号からは『炭化ケイ素デバイスものづくり』の秘密をひとつひとつ明らかにしていきます。

I

炭化珪素デバイス製造のプロセスフロー

炭化ケイ素デバイスの製造プロセスは、一般にシリコンベースのデバイスの製造プロセスと同様であり、主にフォトリソグラフィー、洗浄、ドーピング、エッチング、膜形成、薄膜化およびその他のプロセスが含まれます。多くのパワーデバイスメーカーは、シリコンベースの製造プロセスに基づいて生産ラインをアップグレードすることで、炭化ケイ素デバイスの製造ニーズを満たすことができます。ただし、炭化ケイ素材料の特殊な特性により、デバイス製造の一部のプロセスでは、炭化ケイ素デバイスが高電圧および大電流に耐えられるようにするために、特別な開発のための特定の装置に依存する必要があります。

II

炭化ケイ素特殊プロセスモジュールの紹介

炭化ケイ素特殊プロセスモジュールは、主に注入ドーピング、ゲート構造形成、モフォロジーエッチング、メタライゼーション、および薄化プロセスをカバーします。

(1) 注入ドーピング：炭化珪素は炭素と珪素の結合エネルギーが高いため、不純物原子が炭化珪素内に拡散しにくい。炭化ケイ素デバイスを準備する場合、PN 接合のドーピングは高温でのイオン注入によってのみ実現できます。
ドーピングはボロンやリンなどの不純物イオンを用いて行うのが一般的で、ドーピング深さは通常0.1μm～3μmです。高エネルギーのイオン注入は、炭化ケイ素材料自体の格子構造を破壊します。高温アニールは、イオン注入によって生じた格子損傷を修復し、表面粗さに対するアニールの影響を制御するために必要です。中心となるプロセスは、高温イオン注入と高温アニールです。

図1 イオン注入と高温アニール効果の模式図

(2) ゲート構造の形成: SiC/SiO2 界面の品質は、MOSFET のチャネル マイグレーションとゲートの信頼性に大きな影響を与えます。高品質の SiC/SiO2 界面と高品質の SiC/SiO2 界面の性能要件を満たすには、特殊な原子 (窒素原子など) を使用して SiC/SiO2 界面のダングリングボンドを補償する、特定のゲート酸化物および酸化後アニーリングプロセスを開発する必要があります。デバイスの移行。中心となるプロセスは、ゲート酸化膜の高温酸化、LPCVD、および PECVD です。

図2 通常の酸化膜堆積と高温酸化の模式図

(3) 形態エッチング: 炭化ケイ素材料は化学溶剤に対して不活性であり、正確な形態制御はドライ エッチング法によってのみ達成できます。炭化珪素材料の特性に応じて、マスク材料、マスクエッチングの選択、混合ガス、側壁制御、エッチングレート、側壁粗さなどを開発する必要がある。中心となるプロセスは、薄膜堆積、フォトリソグラフィー、誘電体膜の腐食、およびドライ エッチング プロセスです。

図3 炭化ケイ素のエッチングプロセスの模式図

(4) メタライゼーション: デバイスのソース電極には、炭化ケイ素との良好な低抵抗オーム接触を形成する金属が必要です。これには、金属の堆積プロセスを調整し、金属と半導体の接触の界面状態を制御するだけでなく、ショットキー障壁の高さを下げ、金属と炭化ケイ素のオーミック接触を実現するために高温アニールも必要です。中心となるプロセスは、金属マグネトロン スパッタリング、電子ビーム蒸着、急速熱アニーリングです。

図4 マグネトロンスパッタリング原理とメタライゼーション効果の模式図

(5) 薄化プロセス: 炭化ケイ素材料は、高硬度、高脆性、低破壊靱性という特性を持っています。その研削プロセスは材料の脆性破壊を引き起こす傾向があり、ウェーハの表面や表面下に損傷を与えます。炭化ケイ素デバイスの製造ニーズを満たすには、新しい研削プロセスを開発する必要があります。研磨ディスクの薄化、フィルムの貼り付け、剥離等が主な工程となります。

図5 ウェーハ研削・薄化原理の模式図