天科合達(dá)的高質(zhì)量SiC晶體生長(zhǎng)方法

天科合達(dá)的該項(xiàng)專(zhuān)利提出的改進(jìn)物理物理氣相傳輸法工藝所生成的碳化硅芯片質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方式生成的芯片。

集微網(wǎng)消息，隨著碳化硅（SiC）芯片應(yīng)用領(lǐng)域中高鐵、電動(dòng)汽車(chē)、智能電網(wǎng)、5G通信的快速發(fā)展，碳化硅芯片成了全球的搶手貨，市場(chǎng)需求大大增加。而我國(guó)天科合達(dá)半導(dǎo)體公司作為國(guó)內(nèi)碳化硅行業(yè)的領(lǐng)頭人，是少數(shù)幾家可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)4英寸導(dǎo)電芯片的企業(yè)，具有雄厚的科研實(shí)力。

碳化硅材料由于具有寬帶隙、高臨界擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo)率、高載流子飽和漂

移速度等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料Si和GaAs相比，碳化硅具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)異性能，在高溫、高頻、高功率及抗輻射器件方面擁有巨大的應(yīng)用前景。目前生長(zhǎng)SiC晶體最有效的方法是物理氣相傳輸法，在實(shí)際工藝過(guò)程中，隨著晶體厚度增加，原料的邊緣由于溫度最高，最先發(fā)生石墨化，留下大量的碳顆粒，從而在原料的外側(cè)產(chǎn)生一個(gè)環(huán)形的石墨化區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)的碳顆粒本身非常蓬松，密度較小，很容易被SiC原料升華形成的氣相帶動(dòng)到晶體表面，從而被包裹到晶體中，形成包裹物缺陷，影響SiC晶體的質(zhì)量和產(chǎn)率。

針對(duì)這一問(wèn)題，天科合達(dá)公司早在2014年12月10日就提出一項(xiàng)名為“一種高質(zhì)量碳化硅晶體生長(zhǎng)的方法”的發(fā)明專(zhuān)利（申請(qǐng)?zhí)枺?01410754298.5），申請(qǐng)人為北京天科合達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司。

此專(zhuān)利提供了一種高質(zhì)量碳化硅晶體生長(zhǎng)的方法和裝置，相比于常規(guī)的SiC晶體生長(zhǎng)方法，其可以大幅度減少SiC晶體中包裹物缺陷的密度，獲得高質(zhì)量的SiC晶體，顯著提高碳化硅晶體生長(zhǎng)的合格率。

圖1生長(zhǎng)SiC晶體的坩堝結(jié)構(gòu)示意圖

此專(zhuān)利提出的物理氣相傳輸法生長(zhǎng)SiC晶體的坩堝結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，1為石墨蓋、2為石墨堝、3為SiC原料、4為粘合劑、5為籽晶、6為生長(zhǎng)的晶體。與傳統(tǒng)物理氣相傳輸法不同的地方在于覆蓋于原料之上的層耐高溫化學(xué)性能穩(wěn)定碳化物粉末層7，可以讓升華的氣相組分通過(guò)，同時(shí)可以過(guò)濾掉被升華的氣相組分帶起來(lái)的固態(tài)碳顆粒8，其中碳化物粉末層的環(huán)形區(qū)面積大于發(fā)生碳化的原料塊的環(huán)形區(qū)面積，從而大大降低了晶體中包裹物缺陷密度。

在實(shí)際的操作工藝中，首先取4H-SiC籽晶一片，選擇C面作為晶體生長(zhǎng)面。首先在坩堝中裝入足量的SiC粉末原料，然后在SiC原料表面裝入一層顆粒狀TaC粉末層，原料結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中TaC粉末層的直徑等同于原料表面直徑100nm，TaC顆粒的粒徑分布在500um-1mm之間。將裝有上述SiC原料、SiC籽晶、TaC粉末層的坩堝結(jié)構(gòu)裝入到生長(zhǎng)爐中，設(shè)定原料處溫度在2200- 2300℃，籽晶處溫度低于原料150℃，從而生長(zhǎng)獲得4H- SiC晶體。

圖2 兩種方式SiC芯片的光學(xué)顯微鏡透射模式對(duì)比圖

將生成的碳化硅晶體切割并加工成400微米厚的4英寸SiC芯片，采用光學(xué)顯微鏡在50倍放大倍數(shù)下檢測(cè)晶體中包裹物的數(shù)量，如圖2左側(cè)所示。而采用常規(guī)物理氣相傳輸法生長(zhǎng)SiC晶體，其光學(xué)檢測(cè)下晶體透射圖如圖2右側(cè)所示，其中黑點(diǎn)為包裹物，可以看出包裹物密度很大，有大量雜質(zhì)存在。因此本專(zhuān)利提出的改進(jìn)物理物理氣相傳輸法工藝所生成的碳化硅芯片質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方式生成的芯片。

碳化硅對(duì)于未來(lái)半導(dǎo)體、集成電路產(chǎn)業(yè)極為重要，而天科合達(dá)半導(dǎo)體公司提出的這項(xiàng)碳化硅晶體生長(zhǎng)方法相對(duì)傳統(tǒng)方式極大提升了生成的碳化硅晶體質(zhì)量，對(duì)我國(guó)自主創(chuàng)新國(guó)產(chǎn)化影響深遠(yuǎn)。