FAB PROCESS — DEEP DIVE

Deep Trench & Thick Oxide:
Deep Trench & Thick Oxide

FABRICATION

01 บทนำ: Deep Trench คืออะไร

ในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์กำลังสูง (Power Semiconductor) Deep Trench (DT) ถือเป็นเทคนิคการสร้างโครงสร้างแนวตั้งที่สำคัญอย่างยิ่งสำหรับการแยกส่วนประกอบ (Isolation) หรือการสร้าง Trench Gate MOSFET ที่ต้องรองรับแรงดันไฟฟ้าสูง กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการกัดเซาะซิลิคอนเวเฟอร์ให้มีความลึกตั้งแต่ 30 ถึง 100 ไมโครเมตร ซึ่งทำหน้าที่เป็นช่องทางสำหรับวางฉนวนไฟฟ้าหรือตัวนำไฟฟ้าเพื่อควบคุมกระแสไฟฟ้าภายในอุปกรณ์

ความท้าทายหลักของ Deep Trench คือการรักษาลักษณะรูปร่าง (Profile) ของร่องให้มีความตั้งฉาก (Verticality) และมีความเรียบของผนัง (Side-wall roughness) ที่ดีที่สุด เพื่อป้องกันการสะสมของสนามไฟฟ้าในจุดที่แหลมคม ซึ่งอาจนำไปสู่การทะลุผ่านของแรงดันไฟฟ้า (Dielectric Breakdown) ก่อนกำหนด เทคโนโลยีนี้จึงเป็นกุญแจสำคัญที่ทำให้ Power MOSFET หรือ IGBT รุ่นใหม่สามารถมีขนาดเล็กลงแต่ทนต่อแรงดันไฟฟ้าได้สูงขึ้น

📍 CAREER ROADMAP CONTEXT

STAGE 03 — FABRICATION: High-Voltage Process Technology
High-voltage implant (deep well, drift, p-body), deep trench etch (30–100µm), thick oxide (LOCOS / STI), ohmic contact (Ni silicide for SiC), backside process — wafer thinning (grinding/CMP), backside implant, laser anneal (SiC)
Equipment: Applied Materials implanter, deep trench etch tool, backside grinder
Path: Power Semiconductor Engineer

02 หลักการพื้นฐาน

หัวใจสำคัญของ Deep Trench คือเทคนิค Bosch Process (Time-Multiplexed Deep Reactive Ion Etching) ซึ่งเป็นกระบวนการสลับการทำงานระหว่างการกัดเซาะ (Etch) และการเคลือบผนัง (Passivation) ด้วยโพลิเมอร์ประเภท C4F8 โดยใช้พลาสมาพลังงานสูง

$ R_{etch} = k \cdot \frac{P_{RF} \cdot \Phi_{ion}}{P_{pressure} \cdot \sigma_{surface}} $

ในสมการนี้ $R_{etch}$ คืออัตราการกัดเซาะ ซึ่งขึ้นอยู่กับกำลังงานของ RF ($P_{RF}$) และฟลักซ์ของไอออน ($\Phi_{ion}$) การควบคุมความสมดุลระหว่างการกัดในแนวตั้งและการป้องกันด้านข้าง (Sidewall passivation) เป็นสิ่งจำเป็น เพื่อไม่ให้เกิดปัญหาร่องบานออก (Bowing) หรือการเกิดรอยหยัก (Scalloping) ซึ่งเกิดจากการสลับ Cycle ของก๊าซในกระบวนการ DRIE

03 กระบวนการและขั้นตอน

กระบวนการผลิตเริ่มต้นจากการเตรียมหน้าเวเฟอร์ด้วย Mask (มักเป็น SiO2 หรือ Si3N4) ผ่านกระบวนการ Photolithography หลังจากนั้นจะเข้าสู่ขั้นตอน DRIE โดยใช้ระบบ Inductively Coupled Plasma (ICP) เพื่อสร้างร่องลึกตามการออกแบบ โดยต้องควบคุมอุณหภูมิของ Electrode ให้คงที่เพื่อลดการเกิดความเค้นเชิงกล (Mechanical Stress)

Step 1: Hard Mask Deposition การเคลือบชั้นปกป้องหน้าเวเฟอร์
Step 2: DRIE Cycle กระบวนการสลับระหว่าง Etch (SF6) และ Passivation (C4F8) จนได้ความลึกที่ต้องการ
Step 3: Cleaning & Inspection การกำจัดโพลิเมอร์ตกค้างด้วย O2 Plasma และตรวจสอบความลึกผ่าน Metrology Tool เช่น Cross-section SEM

หลังจากกัดร่องเสร็จสิ้น จะเข้าสู่กระบวนการล้างร่อง (Sacrificial Oxidation) เพื่อลดความขรุขระของผนังก่อนจะดำเนินการบรรจุสารไดอิเล็กทริกหรือวัสดุนำไฟฟ้าในขั้นตอนถัดไป

04 เทคนิคขั้นสูง

Challenge: Aspect Ratio Dependent Etching (ARDE)

เมื่อร่องมีความลึกและแคบมาก ไอออนจะเคลื่อนที่เข้าถึงก้นร่องได้ยากขึ้น ทำให้ความเร็วในการกัดลดลงเมื่อเทียบกับร่องที่กว้างกว่า ปัญหานี้เรียกว่า Micro-loading effect ซึ่งนักวิศวกรรมต้องปรับจูน Bias Power และ Gas Flow Ratio อย่างละเอียดเพื่อรักษาความสม่ำเสมอของความลึกทั่วทั้งแผ่นเวเฟอร์ (Uniformity)

เทคโนโลยีขั้นสูงในปัจจุบันมักใช้ Cryogenic Etching ที่ใช้อุณหภูมิระดับติดลบในการควบคุมการกัดแทนการเคลือบโพลิเมอร์ ช่วยลดจำนวน Scalloping ลงอย่างมาก ส่งผลให้ผนังร่องเรียบเนียนขึ้นและเพิ่มประสิทธิภาพในการรองรับแรงดันไฟฟ้าสูงในอุปกรณ์ Power SiC หรือ GaN

05 เครื่องมือและอุปกรณ์

การผลิต Deep Trench ต้องอาศัยเครื่องจักรที่มีความแม่นยำสูง โดยมีผู้นำตลาดหลักดังนี้:

Etch Equipment: Applied Materials (AMAT) ในตระกูล Centura หรือ Producer และ Lam Research ในตระกูล DRIE (DSE) ซึ่งได้รับความนิยมสูงสุดในอุตสาหกรรม
Metrology: เครื่องมือตรวจวัด Optical Critical Dimension (OCD) จาก KLA Corporation หรือการวิเคราะห์เชิงลึกด้วย Focused Ion Beam (FIB) จาก Thermo Fisher
Software: การออกแบบและ Simulation ทำผ่าน Synopsys Sentaurus TCAD เพื่อจำลองพฤติกรรมของสนามไฟฟ้าภายใน Deep Trench ก่อนการเริ่มผลิตจริง

06 การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม

ในโรงงานผลิตระดับโลกอย่าง TSMC หรือ Infineon การใช้เทคโนโลยี Deep Trench คือมาตรฐานหลักสำหรับผลิตภัณฑ์ในกลุ่ม Industrial Power และ Automotive Power ซึ่งต้องผ่านการรับรองมาตรฐานความเชื่อถือได้ (Reliability) ระดับสูงสุด กระบวนการนี้ส่งผลโดยตรงต่อต้นทุนการผลิต เนื่องจากระยะเวลาในการกัดร่องที่ลึกและซับซ้อนใช้เวลา (Throughput) สูงมาก

การปรับปรุงกระบวนการ Deep Trench ให้มีความเร็วสูงขึ้นโดยยังคงคุณภาพไว้ จะช่วยลดต้นทุนต่อหน่วยของอุปกรณ์ Power Semiconductor ทำให้ผู้ผลิตสามารถตอบสนองความต้องการในตลาด EV (Electric Vehicle) และโครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงานหมุนเวียนได้ดีขึ้น ซึ่งถือเป็นหัวใจสำคัญของห่วงโซ่อุปทานชิปในอนาคต