随着第一代硅半导体及第二代砷化镓半导体材料发展的成熟,其器件应用也趋于极限。现代科技越来越多的领域需要工作频率高,功率密度高,耐高温,化学稳定性好以及可以在强辐射环境中工作的材料,因此第三代半导体(即宽禁带半导体,禁带宽度大于2.2eV)受到了人们的极大关注,这些材料包括SiC,AlN,GaN,ZnO,金刚石等等,其中技术最为成熟的就是SiC。SiC半导体行业三个重点环节(衬底、外延和器件)中,衬底是SiC产业链的核心,在产业链中价值量占比最高,接近50%。衬底行业的发展也是未来SiC产业降本、大规模产业化的主要驱动力。
图源:亿渡数据
SiC单晶是由Si和C两种元素按照1:1化学计量比组成的Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体材料,硬度仅次于金刚石。C原子和Si原子都是4价电子,可以形成4个共价键,组成SiC基本结构单元——Si-C四面体,每个C原子周围都有4个Si原子,每个Si原子周围都有4个C原子。
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图源:天岳股份
SiC衬底作为一种晶体材料,也具有原子层周期性堆垛的特性。Si-C双原子层沿着[0001]方向进行堆垛,由于层与层之间的键能差异小,原子层之间容易产生不同的连接方式,这就导致SiC具有较多种类的晶型。常见晶型有2H-SiC、3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC等,其中,按照“ABCB”顺序进行堆垛的结构称为4H晶型。虽然不同晶型的SiC晶体具有相同的化学成分,但是它们的物理性质,特别是禁带宽度、载流子迁移率等特性有较大的差别。其中,4H晶型各方面的性能更适合半导体领域的应用。
生长温度、压力等多种因素都会影响SiC衬底的晶型稳定性,因此想要获得高质量、晶型均一的单晶材料,在制备过程中必须精确控制如生长温度、生长压力、生长速度等多种工艺参数。
从电化学性质差异来看,碳化硅衬底材料可以分为导电型衬底(电阻率区间15~30mΩ·cm)和半绝缘型衬底(电阻率高于105Ω·cm)。
● 半绝缘型碳化硅衬底主要应用于制造射频器件、光电器件等。
● 导电型碳化硅衬底主要应用于制造肖特基二极管、MOSFET、IGBT等功率器件。
原料准备
物理气相传输法(PVT)需要将Si和C按1:1合成SiC多晶颗粒粉料,其粒度、纯度都会直接影响晶体质量,特别是半绝缘型衬底,对粉料的纯度要求极高(杂质含量低于0.5ppm)。
籽晶
碳化硅籽晶是晶体生长的基底,为晶体生长提供基础晶格结构,同样也是决定晶体质量的核心原料。籽晶位于反应器内部或原料上方。
晶体生长
SiC晶体生长是SiC衬底生产的核心工艺,核心难点在于提升良率。目前SiC晶体的生长方法主要有物理气相传输法(Physical Vapor Transport Method, PVT法)、高温化学气相沉积法(High Temperature Chemical Vapor Deposition, HTCVD法)、液相法(Liquid Phase Epitaxy)等。
物理气相传输法(PVT)
物理气相传输法(PVT)主要包含三个步骤:SiC源的升华、升华物质的运输、表面反应和结晶。
● 晶体生长时,通过改变石墨坩埚上保温材料散热孔的大小和形状,使生长室内形成15-35℃/cm区间范围的温度梯度,SiC原料处于高温区,籽晶处于低温区,炉内会保留50-5000Pa压强的惰性气体以便增加对流;
● 然后通过感应加热或电阻加热将坩锅内的温度升至 2000-2500℃, SiC原料升华产生的气相 Si2C、SiC2和 Si 在温度梯度的作用下从原料表面传输到低温籽晶处,结晶成块状晶体。
该方法对生长设备要求低,过程简单,可控性强,技术发展相对成熟,国内开始逐步实现8英寸衬底的大量量产。
但PVT法难以制备P型衬底,且有两个本征的不够纯净:
1.原料是碳化硅固体,所以纯度不好控制;
2.粉体转化为气体的过程中,能够生成多种气体。
高温化学气相沉积法(HTCVD)
● 高温气相沉积法利用的是电磁耦合原理;
● 生长时通过感应线圈将生长室加热到1800℃-2300℃;
● 向生长室内稳定地通入SiH4+C3H8或SiH4+C2H4气体,由 He和 H2承载向上朝着籽晶方向输送,为晶体生长提供Si源与C源,在籽晶处实现SiC晶体的生长;
● 籽晶处的温度低于 SiC的蒸发点,使得气相的碳化硅能够在籽晶下表面凝华,获得纯净的碳化硅晶锭。
HTCVD法能通过控制源输入气体比例可以到达较为精准的 Si/C比,进而获得高质量、高纯净度的碳化硅晶体,但由于气体作为原材料晶体生长的成本很高,该法主要用于生长半绝缘型晶体。
液相法(LPE)
液相法SiC晶体生产流程:
● 液相法利用石墨坩埚为晶体生长提供C源;
● 坩埚壁处的温度较高,会进行C的大量溶解,形成C的饱和溶液;
● 饱和溶液随着助溶剂内的对流被传输到籽晶下方;
● 籽晶端的温度较低,对应C的溶解度相应降低,形成了C的过饱和溶液;
● 溶液中过饱和的C结合助溶剂中的Si,在籽晶上生长SiC晶体;
● 过饱和部分的C析出后,溶液随着对流回到壁处的高温端,并再次的溶解C,形成饱和溶液。
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液相法生长碳化硅单晶装置示意图
液相法生长温度相对较低,结晶质量高、生长速度快,容易长厚、便于扩径,可获得p型低阻衬底。目前国内可以使用液相法生产4-6英寸的碳化硅晶体。凭借节能降本的优势,未来液相法或将实现进一步产业化。
晶锭加工
将制得的碳化硅晶锭使用 X射线单晶定向仪进行定向,之后磨平、滚圆,去除籽晶面,去除圆顶面,加工成标准直径尺寸的碳化硅晶体。
晶体切割
将生长出的晶体切成片状,由于碳化硅的硬度仅次于金刚石,属于高硬脆性材料,因此切割过程耗时久,易裂片。
切割方法主要有砂浆线切割、金刚线多线切割和激光辐照剥离。
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多线切割SiC晶体
晶片研磨抛光
研磨抛光是将衬底表面加工至原子级光滑平面,衬底的表面状态,例如表面粗糙度,厚度均匀性都会直接影响外延工艺的质量。
碳化硅具有高硬度的特点,常用的适合碳化硅的磨料有碳化硼、金刚石等高硬度磨料。
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晶片研磨
抛光材料一般有氧化铝、氧化铈、氧化硅等。
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晶片抛光
晶片清洗检测
该步骤用于去除加工过程中残留的颗粒物以及金属杂质,最终检测可以获取衬底表面、面型、晶体质量等全面的质量信息,帮助下游工艺进行追溯 。
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晶片检测
晶片检测内容包括:
● 晶体完整性:微管密度、结晶质量、六方空洞和裂纹、位错密度、多型;
● 晶型:晶型确定;
● 杂质:体杂质含量;
● 电学测试:电阻率。
原文始发于微信公众号(艾邦半导体网):碳化硅SiC衬底生产工艺流程及方法