碳化硅SiC襯底生產(chǎn)工藝流程與革新方法

隨著第一代硅半導體及第二代砷化鎵半導體材料發(fā)展的成熟，其器件應用也趨于極限?，F(xiàn)代科技越來越多的領域需要工作頻率高，功率密度高，耐高溫，化學穩(wěn)定性好以及可以在強輻射環(huán)境中工作的材料，因此第三代半導體(即寬禁帶半導體，禁帶寬度大于2.2eV)受到了人們的極大關注，這些材料包括SiC，AlN，GaN，ZnO，金剛石等等，其中技術最為成熟的就是SiC。SiC半導體行業(yè)三個重點環(huán)節(jié)（襯底、外延和器件）中，襯底是SiC產(chǎn)業(yè)鏈的核心，在產(chǎn)業(yè)鏈中價值量占比最高，接近50%。襯底行業(yè)的發(fā)展也是未來SiC產(chǎn)業(yè)降本、大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的主要驅(qū)動力。

圖源：億渡數(shù)據(jù)

SiC的晶體結構

SiC單晶是由Si和C兩種元素按照1:1化學計量比組成的Ⅳ-Ⅳ族化合物半導體材料，硬度僅次于金剛石。C原子和Si原子都是4價電子，可以形成4個共價鍵，組成SiC基本結構單元——Si-C四面體，每個C原子周圍都有4個Si原子，每個Si原子周圍都有4個C原子。

圖源：天岳股份

SiC襯底作為一種晶體材料，也具有原子層周期性堆垛的特性。Si-C雙原子層沿著[0001]方向進行堆垛，由于層與層之間的鍵能差異小，原子層之間容易產(chǎn)生不同的連接方式，這就導致SiC具有較多種類的晶型。常見晶型有2H-SiC、3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC等，其中，按照“ABCB”順序進行堆垛的結構稱為4H晶型。雖然不同晶型的SiC晶體具有相同的化學成分，但是它們的物理性質(zhì)，特別是禁帶寬度、載流子遷移率等特性有較大的差別。其中，4H晶型各方面的性能更適合半導體領域的應用。

生長溫度、壓力等多種因素都會影響SiC襯底的晶型穩(wěn)定性，因此想要獲得高質(zhì)量、晶型均一的單晶材料，在制備過程中必須精確控制如生長溫度、生長壓力、生長速度等多種工藝參數(shù)。

SiC襯底分類

從電化學性質(zhì)差異來看，碳化硅襯底材料可以分為導電型襯底（電阻率區(qū)間15~30mΩ·cm）和半絕緣型襯底（電阻率高于105Ω·cm）。

●?半絕緣型碳化硅襯底主要應用于制造射頻器件、光電器件等。

●?導電型碳化硅襯底主要應用于制造肖特基二極管、MOSFET、IGBT等功率器件。

碳化硅單晶襯底的生產(chǎn)流程

01

原料準備

物理氣相傳輸法（PVT）需要將Si和C按1:1合成SiC多晶顆粒粉料，其粒度、純度都會直接影響晶體質(zhì)量，特別是半絕緣型襯底，對粉料的純度要求極高（雜質(zhì)含量低于0.5ppm）。

02

籽晶

碳化硅籽晶是晶體生長的基底，為晶體生長提供基礎晶格結構，同樣也是決定晶體質(zhì)量的核心原料。籽晶位于反應器內(nèi)部或原料上方。?

03

晶體生長?

SiC晶體生長是SiC襯底生產(chǎn)的核心工藝，核心難點在于提升良率。目前SiC晶體的生長方法主要有物理氣相傳輸法(Physical Vapor Transport Method, PVT法)、高溫化學氣相沉積法(High Temperature Chemical Vapor Deposition, HTCVD法)、液相法(Liquid Phase Epitaxy)等。

物理氣相傳輸法（PVT）

物理氣相傳輸法（PVT）主要包含三個步驟：SiC源的升華、升華物質(zhì)的運輸、表面反應和結晶。

●?晶體生長時，通過改變石墨坩堝上保溫材料散熱孔的大小和形狀，使生長室內(nèi)形成15-35℃/cm區(qū)間范圍的溫度梯度，SiC原料處于高溫區(qū)，籽晶處于低溫區(qū)，爐內(nèi)會保留50-5000Pa壓強的惰性氣體以便增加對流；

●?然后通過感應加熱或電阻加熱將坩鍋內(nèi)的溫度升至 2000-2500℃， SiC原料升華產(chǎn)生的氣相 Si2C、SiC2和 Si 在溫度梯度的作用下從原料表面?zhèn)鬏數(shù)降蜏刈丫?，結晶成塊狀晶體。

該方法對生長設備要求低，過程簡單，可控性強，技術發(fā)展相對成熟，國內(nèi)開始逐步實現(xiàn)8英寸襯底的大量量產(chǎn)。

但PVT法難以制備P型襯底，且有兩個本征的不夠純凈：

1.原料是碳化硅固體，所以純度不好控制；

2.粉體轉化為氣體的過程中，能夠生成多種氣體。

高溫化學氣相沉積法（HTCVD）

●?高溫氣相沉積法利用的是電磁耦合原理；

●?生長時通過感應線圈將生長室加熱到1800℃-2300℃；

●?向生長室內(nèi)穩(wěn)定地通入SiH4+C3H8或SiH4+C2H4氣體，由 He和 H2承載向上朝著籽晶方向輸送，為晶體生長提供Si源與C源，在籽晶處實現(xiàn)SiC晶體的生長；

●?籽晶處的溫度低于 SiC的蒸發(fā)點，使得氣相的碳化硅能夠在籽晶下表面凝華，獲得純凈的碳化硅晶錠。

HTCVD法能通過控制源輸入氣體比例可以到達較為精準的 Si/C比，進而獲得高質(zhì)量、高純凈度的碳化硅晶體，但由于氣體作為原材料晶體生長的成本很高，該法主要用于生長半絕緣型晶體。

液相法（LPE）

液相法SiC晶體生產(chǎn)流程：

●?液相法利用石墨坩堝為晶體生長提供C源；

●?坩堝壁處的溫度較高，會進行C的大量溶解，形成C的飽和溶液；

●?飽和溶液隨著助溶劑內(nèi)的對流被傳輸?shù)阶丫路剑?/p>

●?籽晶端的溫度較低，對應C的溶解度相應降低，形成了C的過飽和溶液；

●?溶液中過飽和的C結合助溶劑中的Si，在籽晶上生長SiC晶體；

●?過飽和部分的C析出后，溶液隨著對流回到壁處的高溫端，并再次的溶解C，形成飽和溶液。

液相法生長碳化硅單晶裝置示意圖

液相法生長溫度相對較低，結晶質(zhì)量高、生長速度快，容易長厚、便于擴徑，可獲得p型低阻襯底。目前國內(nèi)可以使用液相法生產(chǎn)4-6英寸的碳化硅晶體。憑借節(jié)能降本的優(yōu)勢，未來液相法或?qū)崿F(xiàn)進一步產(chǎn)業(yè)化。

04

晶錠加工

將制得的碳化硅晶錠使用 X射線單晶定向儀進行定向，之后磨平、滾圓，去除籽晶面，去除圓頂面，加工成標準直徑尺寸的碳化硅晶體。

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05

晶體切割

將生長出的晶體切成片狀，由于碳化硅的硬度僅次于金剛石，屬于高硬脆性材料，因此切割過程耗時久，易裂片。

切割方法主要有砂漿線切割、金剛線多線切割和激光輻照剝離。

06

晶片研磨拋光

研磨拋光是將襯底表面加工至原子級光滑平面，襯底的表面狀態(tài)，例如表面粗糙度，厚度均勻性都會直接影響外延工藝的質(zhì)量。

碳化硅具有高硬度的特點，常用的適合碳化硅的磨料有碳化硼、金剛石等高硬度磨料。

拋光材料一般有氧化鋁、氧化鈰、氧化硅等。

07

晶片清洗檢測

該步驟用于去除加工過程中殘留的顆粒物以及金屬雜質(zhì)，最終檢測可以獲取襯底表面、面型、晶體質(zhì)量等全面的質(zhì)量信息，幫助下游工藝進行追溯?。

晶片檢測內(nèi)容包括：

●?晶體完整性：微管密度、結晶質(zhì)量、六方空洞和裂紋、位錯密度、多型；

●?晶型：晶型確定；

●?雜質(zhì)：體雜質(zhì)含量；

●?電學測試：電阻率。

轉載：?艾邦半導體網(wǎng)

審核編輯：黃飛

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