GaN功率元件效能提升 原子等級的蝕刻與薄膜沉積成關鍵角色
- 鄭斐文／DIGITIMES企劃
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GaN(氮化鎵)功率元件近年來在車用、消費性電子快充等應用領域一直扮演重要角色，投入的半導體業者，從整合元件廠(IDM)、晶片設計乃至於晶圓代工，都有相關業者投入，使用GaN功率元件可以有效縮減系統體積，同時也能提升電源效率表現，就發展上處於方興未艾的階段。
然而，GaN功率元件的發展相較於傳統矽製程而言，起步仍晚。所以產業界在製程方面的討論上相當熱絡，特別是在normal off的器件上。希望能進一步提升功率元件本身的效率與良率，藉此持續提升GaN功率元件的普及度。
牛津儀器歷史悠久 GaN功率元件發展扮演重要角色
英商牛津儀器成立於1959年，是英國牛津大學第一間成功商業化的上市公司，針對奈米與微米製程，為全球科技領先的公司與科研團隊，提供半導體製程設備、影像、材料分析與原子操縱等相關服務。除此之外，像是第二代、第三代半導體、光通訊與5G設備，乃至基礎研究，也都是牛津儀器所擅長的應用領域。
牛津儀器亞太製程技術與業務拓展經理黃承揚博士表示，牛津儀器電漿事業部經營三五族半導體領域已超過三十七年，產品整體的裝機數量全球高達3000多台。在GaN功率元件的發展上，主要專注於原子層沉積系統(ALD)與原子層蝕刻系統(ALE)，以精準奈米等級的控制，與零電漿損傷的特性，為業界提供關鍵製程的解決方案。
黃博士談到，從GaN整個生產流程來看，各項環結大都有對應的解決方案，但唯獨在GaN gate溝槽的極淺蝕刻仍存在問題，包含：
一、
簡言之，如何形成一層高質量的薄膜，來達到高崩壓的表現，成為當下必須克服的難題。
ALE與ALD為蝕刻與沉積成敗關鍵
以ALE來說，牛津儀器可以因應不同客戶的需求，提供量產型或是研究型的搭配。黃博士進一步談到，在GaN蝕刻領域中，像是Dit(介面缺陷密度)與Ron(電阻值)的控制如何能降至最低，與蝕刻的表現有直接且緊密的關係。
引用2014的文獻，透過分子動力學的模擬，傳統的蝕刻方法，其電漿浸入深度約落在3至7nm的範圍，即便使用低功率蝕刻過程中，電漿粒子仍會對材料表面造成3~5nm不等深度的損傷。但如果採用牛津所提供的ALE產品，利用原子層逐層進行剝離，可以輕易控制小於五個原子層的浸潤深度，整體深度可控於± 0.5nm，損傷大幅降低，甚至達到零電漿損傷的水準。
當然，若採用ALE的做法，蝕刻速率較慢約3~5nm/min，所以牛津儀器將傳統高速GaN蝕刻的製程與ALE進行搭配，在兼顧產能之餘，也能確保最後低電漿損傷的表現。
至於ALD，則是聚焦在氧化鋁所打造原子薄膜沉積系統，同樣也有量產與科研版本，一般的ALD需要五至六秒才能生成一層的原子層，而牛津儀器的ALD設備，可提升於一秒內即完成一層的原子層沉積，此外在八吋晶圓薄膜沉積的均勻性小於1%，目前該系統產能達到一個月五千片左右，現階段已有量產的客戶導入使用中。
綜觀而言，GaN功率元件的發展若需要再進一步突破，normal off的元件是趨勢，牛津儀器從關鍵瓶頸製程著手，提供原子層蝕刻與沉積的解決方案，進一步驗證GaN高功率器件的電性優異表現與ALE蝕刻/ALD薄膜沉積密不可分，若廠商能進一步導入ALE 與ALD 技術，未來GaN功率元件所對應的應用市場，應會更加出色。
