碳化硅功率器件的基本原理与特点

基于碳化硅材料的半导体器件原理

碳化硅功率器件基于碳化硅（SiC）这种化合物半导体材料。在MOSFET（金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管）结构中，碳化硅材料存在N型和P型两种类型，通过掺杂手段可得到不同电导率类型。例如，其栅极由金属制成，源极和漏极采用N型或P型碳化硅材料。当在栅极施加正电压时，MOSFET内部形成电子气体，使得源极和漏极间形成导通通道；施加负电压时，电子气体消失，通道断开，MOSFET进入截止状态。

碳化硅功率器件的特点

1. 高工作温度与热稳定性

碳化硅功率器件具备出色的热稳定性，能够承受高温工作环境，工作温度可达300℃以上，例如在新能源汽车领域，可于高温环境下稳定工作，确保汽车的稳定性与可靠性。相比传统硅基材料，碳化硅的这一特性使其在175°C结温时不需要散热，并且能承受600°C以上的高温环境，而硅基材料在120°C场景便需要散热，这种高温特性满足了高功率密度与高效率应用需求。

2. 高化学稳定性

碳化硅具有高的化学稳定性，能够抵抗腐蚀和氧化，从而提高了器件的可靠性和使用寿命。这使其能适应多样的环境条件，减少了因化学因素导致的性能衰减和故障的可能性。

3. 低损耗提高效率

器件的导通损耗和开关损耗较低，其能耗效率比传统硅功率器件高，可达到90%以上，有助于提高电力转换效率，降低电能损耗，进而延长电池续航里程和提升设备的总体性能。例如在电动汽车方面，可提高汽车性能并优化续航里程；在工业设备的电力转换环节中，能够提升转换效率，减少能源浪费。

4. 高频特性

碳化硅功率器件在高频率下能量损耗减少，转换率高，开关速度比传统硅功率器件快可达100倍以上。这一特性对于高频工作环境下的应用，如通信、高速电机控制等领域至关重要，能有效地减少能量损失、提高设备运行效率和响应速度。

5. 高击穿场强和电子迁移率

具有高的击穿场强和高的电子迁移率，可以提供更高的电流密度和功率密度。这使其能承载较高的电压和电流，在高压、大功率应用场景下具有显著优势，例如用于制造高压大容量的电力电子器件。

6. 物理尺寸更小

碳化硅功率器件由于其特殊的材料特性，同性能的器件体积比硅基器件小，可以达到硅基器件的1/3左右，在一些对尺寸和重量有要求的应用场景，如新能源汽车、航空航天等领域，可以更好地满足节省空间和减轻重量的需求，提高能源密度。此外，在制作模组时，尺寸还能大幅缩小。

碳化硅功率器件的刻蚀工艺类型

干法刻蚀在碳化硅刻蚀中的必要性

由于碳化硅材料的特殊性质，如机械硬度高、化学稳定性好，使得传统在硅器件制造中常用的湿法刻蚀（利用酸碱溶液进行腐蚀）在碳化硅器件制造中难以适用。碳化硅材料在化学溶剂中呈现惰性，比如仅能在高温情形下进行腐蚀，例如在温度为500℃的熔融的碱中，或者在1000℃高温下氯气或含氯的气体中，或者在高于1800℃的升华温度下使用Si蒸汽对SiC进行抛光腐蚀，以及在900 - 1000℃温度下在熔融的盐中进行湿法刻蚀。然而，碳化硅器件图形制备对刻蚀的质量要求严格，包括较低的腐蚀温度、良好的被腐蚀后的表面质量、相对于掩膜材料具有较高的选择性腐蚀以及高的刻蚀分辨率和腐蚀的各向异性等。因此，必须采用干法刻蚀技术来实现有效的碳化硅材料刻蚀去除。

主要的干法刻蚀工艺

1. 等离子体刻蚀（PE）

这是一种较早被研究用于碳化硅刻蚀的干法刻蚀工艺。研究人员使用CF4+O2气体体系，利用射频辉光放电系统，能够对非掺杂、掺硼或掺磷的氢化非晶碳化硅（a - SiC:H）薄膜进行刻蚀去除。在该工艺过程中，等离子体中的活性粒子与碳化硅表面发生化学反应，从而实现对碳化硅材料的刻蚀。例如在制作碳化硅钝化膜相关结构时，该工艺可用于对氢化非晶碳化硅薄膜的刻蚀，从而达到制备需求的特定图形结构。但是，这种工艺用于制造SiC高温器件的单晶3C - SiC薄膜时，由于单晶和非晶薄膜物理化学性质的差异，效果可能需要进一步改进和优化。

2. 反应离子刻蚀（RIE）

反应离子刻蚀在碳化硅刻蚀中也有应用。H.F.Winters等报道了在一些特定情况下利用RIE工艺进行碳化硅薄膜刻蚀的研究。例如他们发现如果采用辉光放电溅射工艺制备的SiC薄膜，当采用XeF2蒸汽作为刻蚀气体，在单纯的PE或RIE工艺时不能对所制备的SiC薄膜进行刻蚀，但在XeF2气体与电子发射和离子发射同时存在的条件下，即存在离子轰击的情况下，可以对SiC材料进行刻蚀去除。这是因为离子和电子的发射能够增强刻蚀气体与被刻蚀表面的化学反应，从而导致了SiC材料的各向异性刻蚀。并且在刻蚀反应中限制刻蚀速率大小的因素似乎是由SiF4分子形成的快慢所决定的。

3. 反应离子束刻蚀（RIBE）

ShinjiMatsui等人采用反应离子束刻蚀技术对碳化硅单晶3C - SiC材料进行刻蚀研究。这种工艺通过产生特定能量和离子束的形式，精确地控制碳化硅表面的刻蚀过程，在碳化硅的一些高精度结构加工方面具有潜在的应用价值，例如对碳化硅器件中的微纳结构进行刻蚀，这种方法有利于实现较高的刻蚀分辨率和较好的侧壁控制。

碳化硅功率器件刻蚀工艺的技术难点

1. 硬脆性导致加工易损伤

碳化硅材料具有高硬度、高脆性和低断裂韧性的特点。在刻蚀工艺过程中，特别是研磨加工（下游加工中的减薄等工艺可能涉及）时，容易引发材料的脆性断裂情况，对晶圆表面与亚表面造成损伤。例如在要将碳化硅晶圆减薄到目标厚度时，这种硬脆性可能导致晶圆表面产生微裂纹或者内部结构受到不可恢复的破坏，从而影响器件的性能和成品率。这种损伤会导致平面度不佳、表面粗糙度增加等问题，对于极精密的功率器件制造而言是非常严重的，因为微小的结构损伤都可能改变器件的电学特性，降低器件在高电压、大电流等应用场景下的可靠性。

2. 刻蚀质量要求苛刻

虽然干法刻蚀技术适用于碳化硅，但要达到碳化硅器件图形制备的要求难度较大。刻蚀质量要求包括较低的腐蚀温度、良好的被腐蚀后的表面质量（如光滑度，粗糙度控制在纳米级别，低缺陷密度等）、相对于掩膜材料具有较高的选择性腐蚀（确保只对碳化硅进行有效的刻蚀而不损害掩膜材料，保证图形转移的准确性）、高的刻蚀分辨率（在亚微米甚至纳米尺度上形成精确的图形结构）以及腐蚀的各向异性（使刻蚀能够垂直向下或者按照预定的某个方向进行，避免侧向过度刻蚀影响结构精度）等。例如在制造沟槽型碳化硅器件时，需要精确控制刻蚀深度、侧壁垂直度和粗糙度等，如果刻蚀深度不均匀、侧壁倾斜度过大或者表面太粗糙，会影响后续电极制作和器件电学性能，如沟道迁移率下降、击穿电场减小等 。

3. 刻蚀副产物残留问题

在刻蚀过程中会产生如氟碳等刻蚀残留物，这些残留物很难去除。一方面，它们可能附着在刻蚀后的表面，影响下一步工艺环节（如影响金属化工艺中的金属 - 半导体接触质量）。另一方面，残留物还可能改变刻蚀表面的电学和化学性质，导致器件的电学性能下降，像降低沟道迁移率和击穿电场等。对于沟槽型碳化硅半导体器件，这些残留物会对沟槽栅金属氧化物半导体电容（MOS电容）的电学特性产生不良影响，在MOS器件结构中损害沟道的有效传导能力和耐压能力。

碳化硅功率器件刻蚀工艺的优化方法

1. 工艺条件优化

调整刻蚀气体成分

选择合适的刻蚀气体组合对提高刻蚀效果有重要作用。例如在一些碳化硅的刻蚀中使用SF6 + O2或者CF4 + O2的混合气体作为刻蚀气体，能够通过调整O2和另一气体成分的比例来控制刻蚀速率、选择性等参数。当增加O2的含量时，可能会提高对碳化硅的刻蚀速率但需要关注对掩膜材料的选择性，避免同时过度刻蚀掩膜材料；而减少O2可能会增加产物中可能造成污染的成分，需要取得一个平衡点。此外，像XeF2气体结合离子轰击（如Ar +轰击）的方式在某些碳化硅刻蚀场景下可以有效提高刻蚀的各向异性并且增强刻蚀效果，但需要精细地控制离子轰击的能量和电流密度等参数，以避免对碳化硅表面造成过度损伤。

控制刻蚀工艺参数

射频功率、气体流量和反应室压力等工艺参数影响刻蚀反应。提高射频功率可以增加等离子体的产生量，从而加快刻蚀速率，但也可能增加刻蚀的不均匀性；增加气体流量有助于补充刻蚀反应中的反应气体，保证刻蚀持续进行，但流量过大可能造成气流紊乱影响刻蚀分辨率；反应室压力过高或过低都不利于优化刻蚀过程，需要根据具体的设备和刻蚀要求进行调节来达到良好的刻蚀速率、表面质量及选择性。在实际的生产过程中可能需要通过多次实验测试来找到针对不同结构尺寸、不同批次碳化硅材料的最优工艺参数组合。

优化退火工序

对于刻蚀后的碳化硅，采用合适的退火工艺可改善刻蚀造成的损伤。如使用H2、Ar、SiH4/Ar、Cl2（高温1000°C以上）等气体进行退火，可消除栅槽底部微沟槽和表面粗糙度等问题。采用含氯的气体（如四氯化碳和/或氯气）和氧化性气体（如氧气、一氧化氮、二氧化氮、一氧化碳和二氧化碳中的至少一种）配合，再结合载体气体（如氦气、氖气、氩气、氪气和氙气中的一种），在700 - 1000°C的较低退火温度下，可实现降低碳化硅栅槽的损伤、提高光滑度的效果，既节省能源又能改善电学特性，如提高碳化硅器件反型层导电沟道迁移率、改善碳化硅正向导电性能 。

2. 掩膜技术改进

制备高质量掩膜层

掩膜材料、掩膜蚀刻的选择对碳化硅刻蚀至关重要。需要开发与碳化硅刻蚀工艺相匹配的掩膜材料，确保掩膜在刻蚀过程中有足够的抗刻蚀能力，并且在刻蚀结束后容易去除而不对碳化硅结构造成损伤。例如采用双层胶剥离工艺制备刻蚀所需的极小倾角金属掩膜，能够通过控制双层胶工艺形成的光刻胶倒台面形貌来控制剥离之后的金属掩膜形貌，可以获得边缘倾斜角度平均仅为1.6°的金属掩膜，利用这种掩膜能实现深度14.5μm而角度仅为27°的SiC刻蚀形貌 。

准确控制掩膜蚀刻过程

对掩膜蚀刻过程的精确控制包括蚀刻的深度、侧壁形状的控制等。要确保掩膜蚀刻能够准确地转移所需的图形到碳化硅表面，保证图形的精度和完整性，从而满足碳化硅功率器件复杂结构制造的要求。准确的掩膜蚀刻能保障在后续碳化硅刻蚀时，刻蚀图形与掩膜上预设图形的高度一致性，避免因为掩膜蚀刻误差导致碳化硅器件性能下降或者无法达到设计要求。

碳化硅功率器件刻蚀工艺的最新研究进展

1. 更深入与精确的刻蚀研究

当下，开发针对碳化硅材料的深刻蚀工艺成为研究热点之一，如沟槽栅技术中的应用。沟槽栅（Trench - Gate）技术可以缩小碳化硅芯片的表面积，提高单个晶圆的芯片产出量以降低成本，并且能避免寄生Jfet效应带来的额外内阻。国内有企业如「中锃半导体」成立专门的研发团队，专注于研发针对碳化硅的深刻蚀设备和工艺（DeepSiCEtch），以实现更好的沟槽栅结构，从而实现更广阔的器件设计窗口，助推碳化硅产品在成本和性能上更具竞争力，但要实现碳化硅的深刻蚀需要克服其高达莫氏硬度9.5的困难，以及满足各种性能要求的特殊刻蚀形貌需求，这仍是研究和开发过程中的一个重大挑战。

2. 多样化的工艺探索与应用

在金属场版刻蚀工艺方面，研究人员通过结合等离子体刻蚀和反应离子刻蚀等干法刻蚀技术开展试验研究与分析。通过多次调节反应条件，包括刻蚀气体、射频功率、气体流量、反应室压力等，并采用湿法刻蚀进行金属场版刻蚀，细致调整腐蚀液的成分和配比，成功提升了碳化硅肖特基二极管器件的成品率和可靠性，为碳化硅肖特基二极管制造工艺中的刻蚀技术发展提供了借鉴思路。

3. 碳化硅集成光量子纠缠器件刻蚀相关突破

在碳化硅集成光量子纠缠器件领域的工艺有新的进展。如哈尔滨工业大学（深圳）的研究团队在绝缘体上的碳化硅材料上制备出单个电子自旋阵列，这一过程必然涉及一些独特的碳化硅刻蚀、加工技术。他们通过精细操控展示了这些自旋的相干特性，为碳化硅片上集成的光量子信息处理提供重要基础。在研究过程中结合了多种工艺步骤，如将特殊的碳化硅外延层晶圆与氧化硅晶圆结合，通过磨削和抛光技术将碳化硅层减薄到200纳米过程中，需要精准的刻蚀控制以满足结构和量子特性的要求，这在碳化硅材料用于光量子信息和特殊微纳器件制造方面体现了新的起点和研究方向。

功率器件芯片清洗剂选择：

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