碳化硅SiC衬底生产工艺流程与革新方法

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的晶体结构

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。

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。

SiC衬底分类

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。

碳化硅单晶衬底的生产流程

01

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）。

02

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。 

03

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。

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。

04

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。

 

05

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。

06

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。

抛光材料一般有氧化铝、氧化铈、氧化硅等。

07

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 。

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。

转载： 艾邦半导体网

审核编辑：黄飞