電漿拋光乾式蝕刻為下一代SiC帶來品質優勢

2023-02-24
作者 Maurizio Di Paolo Emilio,EE Times歐洲特派記者

儘管化學機械拋光(CMP)有一段時期一直是最常用的基板拋光技術,但隨著一種新引進的技術——電漿拋光乾式蝕刻(PPDE)被提出,可望克服CMP帶來的一些限制。

任何半導體製程都可以分為五個主要階段:晶體生長、切片和研磨、拋光、磊晶(epi)與元件製造。第三個步驟,即一般所謂的 「拋光」,正是基板生產的最後階段。這個步驟對於原子級平滑基板的表面特別重要,可以使其獲得高度的平面性,這對於晶圓的後續處理至關重要。

儘管化學機械拋光(CMP)有一段時期一直是最常用的基板拋光技術,但隨著一種新引進的技術——電漿拋光乾式蝕刻(PPDE),成為牛津儀器公司(Oxford Instruments Plc.)旗下業務單位Oxford Instruments Plasma Technology提出的有效替代方案,可望克服CMP帶來的一些限制。

在日前於瑞士達沃斯(Davos, Switzerland)舉行的國際碳化矽及相關材料會議(International Conference on Silicon Carbide and Related Materials,ICSCRM)上,Oxford Instruments推出這種用於碳化矽(SiC)基板的新型電漿拋光技術。電漿拋光可作為傳統CMP技術的直接替代方式,主要用於巧妙地填補CMP目前的需求不足。

電漿拋光乾式蝕刻

本文主要介紹Oxford Instruments所開發的PPDE技術。Oxford Instruments成立於1950年代末,是英國牛津大學(University of Oxford)的衍生企業。目前,該公司為許多世界領導公司與科學研究團體提供高科技產品與服務。

Oxford Instruments Plasma Technology策略生產市場副總裁Brian Dlugosch說:「我們的電漿技術有近50%的業務集中在企業研發與大學。然而,剩下的50%業務則圍繞著服務生產客戶而展開,隨著我們的化合物解決方案在依賴先進材料的高成長市場上取得動能,其趨勢正明顯朝向生產方向發展。」

根據Dlugosch,SiC是Oxford Instruments希望導入客製生產的產品之一,因為市場對於這種半導體有很高的需求,隨之而來的是需要大量的製造過程。

根據市場分析,對汽車產業的6吋晶圓供應預測正在增加,需求缺口明顯,這對整個電子產業是相當具有挑戰性的。這項解決方案目前支援150mm,但硬體可相容200mm的生產。該公司的專利方法可提供光滑與無損傷的SiC基板表面與底面。這項成就對於實現低缺陷密度的磊晶生長至關重要。

Dlugosch說:「CMP有其局限性,可能減緩SiC在電動車與永續能源使用的裝置應用。電漿拋光技術有助於克服這些限制,並能滿足高度成長市場的需求。」

電漿拋光技術具有可擴展性,無論晶圓大小,都能為SiC基板提供相同的效果。這使得符合產業標準的晶圓處理、監測與控制技術得以應用,從而減少接觸時間,同時提高產量與效率。

除了缺乏可擴展性,CMP還存在一些限制,涉及大量的環境成本與高營運成本,包括其所附帶產生的泥漿,這些都導致了更高的購買成本、處理成本,以及大量用水。一座半導體製造廠的用水量幾乎有40%與CMP有關。再者,CMP對晶圓施加的物理壓力表示可能發生破損問題。

「而我們這種電漿拋光製程的首要好處是降低成本,」Dlugosch提到,「相較於CMP,電漿拋光每片晶圓的成本更低,化學品與耗材的使用量更少,製程穩定性也有極大的改善。」

化學機械過程會對於基板產生壓力,從而增加晶圓的損耗與斷裂。當顆粒與SiC刮擦時,會在表面留下劃痕。電漿拋光是一種無接觸的方式,可以有選擇性地從表面去除受損的SiC,同時保持良好的表面品質。

PPDE的其他好處是每個晶圓的成本較低,化學品與消耗品的使用較少,以及更好的製程穩定性與MTBC。

關於晶圓表面與底面所發生的問題,必須瞭解的關鍵之一在於表面更光滑不一定更好。CMP對SiC表面進行很好的均勻化處理,並產生平坦的表面,但針對表面下的損傷並不一定有效。相反地,電漿拋光可以選擇性地針對存在缺陷與損壞的材料,這些材料接合力弱,也更容易蝕刻。最後一點在圖1中也特別強調:剩下的部份不一定是更光滑,但卻是更高品質的晶體。

 

圖1:比較CMP與電漿拋光最後產生的晶體品質。

 

製程驗證

Oxford Instruments以兩個步驟驗證其電漿拋光製程。第一個步驟包括透過KOH蝕刻、Candela與磊晶表面粗糙度來驗證磊晶層的特性。第二步是與合作夥伴Clas-SiC晶圓廠合作製造裝置,以驗證電漿拋光基板。Clas-SiC在其位於蘇格蘭的晶圓廠運作,提供CMP與PPDE製備的晶圓,並評估晶圓的品質,將其在同一裝置生產線上運作,用於生產二極體與MOSFET。1,200V SiC MOSFET元件的整個晶圓皆合格,提供與CMP製備的晶圓相當的參數結果與產能,甚至是更好的良率。

最後,經由Clas-SiC進行的評估顯示,在PPDE基板上生長的磊晶具有與在CMP基板上生長的磊晶特性相同,而且MOSFET元件顯示出相當的性能。Oxford Instruments在最近的ICSCRM上分享了來自Clas-SiC的全晶圓性能資料。

Dlugosch說:「我們相信解決方案對CMP有明顯的優勢,它同時也是環保的解決方案,不僅成本更低,產量可能也更高。」

由於需求量大,SiC基板目前供不應求,而在基板上生產的寬能隙半導體也存在需求。業界需要新的解決方案,特別是隨著高度成長的電動車與永續能源市場在其應用中使用越來越多的這一類化合物半導體,預計這一製造差距將會成倍速增加。根據Oxford Instruments表示,電漿拋光是一種自動配置的CMP替代方式,由於降低營運支出而能夠立即降低每片晶圓的成本,同時也是加速朝200mm過渡轉換的關鍵技術。

Dlugosch提到:「我們已經驗證並推出了一種更乾淨、更環保且成本更低的CMP替代方式,它有潛力克服CMP的技術限制,並加速SiC在一些令人振奮的應用中採用。」

為了讓道路上的每輛車都能電動化,續航里程更長的電動車不僅應該成為標準,其所使用的電池也應該更實惠,充電更快速。由於矽即將達到其理論極限,業界正在轉向將SiC用於電力電子,因為它具有更寬能隙、更高擊穿電場與更高的熱導率。相較於矽元件,基於SiC的MOSFET確實能夠實現更低的損耗、更高的轉換頻率,以及更高的功率密度。

(參考原文:Plasma Polish Dry Etch Brings Next-Level SiC Quality,by Maurizio Di Paolo Emilio)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2023年2月號

 

 

 

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