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(dǎo)體及第二代砷化鎵半導(dǎo)體材料發(fā)展的成熟，其器件應(yīng)用也趨于極限?，F(xiàn)代科技越來越多的領(lǐng)域需要工作頻率高，功率密度高，耐高溫，化學(xué)穩(wěn)定性好以及可以在強(qiáng)輻射環(huán)境中工作的材料，因此第三代半導(dǎo)體(即寬禁帶半導(dǎo)體，禁帶寬度大于2.2eV)受到了人們的極大關(guān)注，這些材料包括SiC，AlN，GaN，ZnO，金剛石等等，其中技術(shù)最為成熟的就是SiC。SiC半導(dǎo)體行業(yè)三個(gè)重點(diǎn)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(jià)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(dòng)力。

圖源：億渡數(shù)據(jù)

SiC的晶體結(jié)構(gòu)

SiC單晶是由Si和C兩種元素按照1:1化學(xué)計(jì)量比組成的Ⅳ-Ⅳ族化合物半導(dǎo)體材料，硬度僅次于金剛石。C原子和Si原子都是4價(jià)電子，可以形成4個(gè)共價(jià)鍵，組成SiC基本結(jié)構(gòu)單元——Si-C四面體，每個(gè)C原子周圍都有4個(gè)Si原子，每個(gè)Si原子周圍都有4個(gè)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(jìn)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(dǎo)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(jìn)行堆垛的結(jié)構(gòu)稱為4H晶型。雖然不同晶型的SiC晶體具有相同的化學(xué)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(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用。

生長溫度、壓力等多種因素都會(huì)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(xué)性質(zhì)差異來看，碳化硅襯底材料可以分為導(dǎo)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(yīng)用于制造射頻器件、光電器件等。

●?導(dǎo)電型碳化硅襯底主要應(yīng)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

原料準(zhǔn)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(huì)直接影響晶體質(zhì)量，特別是半絕緣型襯底，對(duì)粉料的純度要求極高（雜質(zhì)含量低于0.5ppm）。

籽晶

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

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(diǎn)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(xué)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(gè)步驟：SiC源的升華、升華物質(zhì)的運(yùn)輸、表面反應(yīng)和結(jié)晶。

●?晶體生長時(shí)，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(huì)保留50-5000Pa壓強(qiáng)的惰性氣體以便增加對(duì)流；

●?然后通過感應(yīng)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(jié)晶成塊狀晶體。

該方法對(duì)生長設(shè)備要求低，過程簡單，可控性強(qiáng)，技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟，國內(nèi)開始逐步實(shí)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(gè)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(zhuǎn)化為氣體的過程中，能夠生成多種氣體。

高溫化學(xué)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(shí)通過感應(yīng)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(shí)現(xiàn)SiC晶體的生長；

●?籽晶處的溫度低于 SiC的蒸發(fā)點(diǎn)，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(dá)較為精準(zhǔn)的 Si/C比，進(jìn)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(huì)進(jìn)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(duì)流被傳輸?shù)阶丫路剑?/p>

●?籽晶端的溫度較低，對(duì)應(yīng)C的溶解度相應(yīng)降低，形成了C的過飽和溶液；

●?溶液中過飽和的C結(jié)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(duì)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(duì)較低，結(jié)晶質(zhì)量高、生長速度快，容易長厚、便于擴(kuò)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)?shí)現(xiàn)進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化。

晶錠加工

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

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(shí)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。

晶片研磨拋光

研磨拋光是將襯底表面加工至原子級(jí)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(huì)直接影響外延工藝的質(zhì)量。

碳化硅具有高硬度的特點(diǎn)，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。

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(jìn)行追溯?。

晶片檢測內(nèi)容包括：