前言

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈包含碳化硅粉末、碳化硅晶錠、碳化硅襯底、碳化硅外延、碳化硅晶圓、碳化硅芯片和碳化硅器件封裝環(huán)節(jié)。其中襯底、外延片、晶圓、器件封測(cè)是碳化硅價(jià)值鏈中最為關(guān)鍵的四個(gè)環(huán)節(jié)，襯底成本占到碳化硅器件總成本的50%，外延、晶圓和封裝測(cè)試成本分別為25%、20%和5%。碳化硅材料的可靠性對(duì)最終器件的性能有著舉足輕重的意義，基本半導(dǎo)體從產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)探究材料特性及缺陷產(chǎn)生的原因，與上下游企業(yè)協(xié)同合作提升碳化硅功率器件的可靠性。

01

碳化硅晶錠生長(zhǎng)及制備方法

碳化硅有多達(dá)250余種同質(zhì)異構(gòu)體，用于制作功率半導(dǎo)體的主要是4H-SiC單晶結(jié)構(gòu)。碳化硅單晶生長(zhǎng)過程中，4H晶型生長(zhǎng)窗口小，對(duì)溫度和氣壓設(shè)計(jì)有著嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)，生長(zhǎng)過程中控制不精確將會(huì)得到2H、3C、6H和15R等其他結(jié)構(gòu)的碳化硅晶體。

圖1 各種碳化硅同質(zhì)異構(gòu)體生成的條件

在產(chǎn)業(yè)界，碳化硅單晶晶錠的制備有升華PVT、HT-CVD、LPE（溶液生長(zhǎng)法）三種方法。其中升華PVT是目前最主流的制備方法，大約95%的商用碳化硅晶錠是由PVT生長(zhǎng)。其過程是將碳化硅粉末放入專用設(shè)備中加熱，溫度上升到2200—2500℃后粉末開始升華。由于碳化硅沒有液態(tài)，只有氣態(tài)和固態(tài)，升華后在頂部會(huì)結(jié)晶出晶錠。硅單晶的生長(zhǎng)速度約為300mm/h，碳化硅單晶的生長(zhǎng)速度約為400μm/h，兩者相差近800倍。舉例來說，五六厘米的晶錠形成，需連續(xù)穩(wěn)定生長(zhǎng)200-300小時(shí)，由此可見碳化硅晶錠制備速率十分緩慢，這使得晶錠造價(jià)高昂。

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碳化硅單晶晶錠及襯底片缺陷

碳化硅晶錠和襯底片中均含有多種晶體缺陷，如堆垛層錯(cuò)、微管、貫穿螺型位錯(cuò)、貫穿刃型位錯(cuò)、基平面位錯(cuò)等等。碳化硅晶錠缺陷會(huì)極大地影響最終器件的良率，這是產(chǎn)業(yè)鏈中非常重要的話題，各襯底廠家都在不遺余力地降低碳化硅晶錠缺陷密度。

03

碳化硅襯底可靠性

襯底片是晶錠切成薄片，磨平并拋光后得到的產(chǎn)物。襯底片在拋光工藝后獲得良好的表面質(zhì)量，可抑制外延生長(zhǎng)中缺陷的產(chǎn)生，從而獲得高質(zhì)量的外延片。其表面質(zhì)量包括平整度、近表面位錯(cuò)以及殘余應(yīng)力。為了在外延生長(zhǎng)的初始階段抑制缺陷的產(chǎn)生，襯底表面必須是無應(yīng)力和無近表面位錯(cuò)。如果近表面的殘余損傷沒有被充分的去除，襯底上的外延生長(zhǎng)將導(dǎo)致宏觀缺陷的產(chǎn)生。所以襯底環(huán)節(jié)的質(zhì)量水平會(huì)嚴(yán)重影響后續(xù)的外延生長(zhǎng)環(huán)節(jié)的質(zhì)量水平。

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碳化硅外延生長(zhǎng)及可靠性

外延是指在襯底的上表面生長(zhǎng)一層與襯底同質(zhì)的單晶材料4H-SiC。碳化硅有很多種同質(zhì)異構(gòu)體，為保證高品質(zhì)外延材料的制備，需要特殊技術(shù)來避免引入其他晶型，目前標(biāo)準(zhǔn)化工藝是使用4°斜切的4H-SiC單晶襯底，采用臺(tái)階控制生長(zhǎng)技術(shù)。目前常用工藝為CVD法：常用設(shè)備為熱壁式水平外延爐，常用反應(yīng)前驅(qū)氣體為硅烷 (SiH₄)、甲烷 (CH₄)、乙烯 (C₂H₄)等，并以氮?dú)?(N₂)和三甲基鋁 (TMA)作為雜質(zhì)源。典型生長(zhǎng)溫度范圍為1500~1650 ℃，生長(zhǎng)速率5~30μm/h。

外延層的生長(zhǎng)可以消除許多晶體生長(zhǎng)和晶片加工中所引入的表面或近表面的缺陷，使晶格排列整齊，表面形貌較襯底大為改觀。厚的外延層、好的表面形貌和較低的摻雜濃度對(duì)提高擊穿電壓有重要意義。這樣的外延片用于制造功率器件，可以極大提高參數(shù)穩(wěn)定性和良率。

圖2 襯底層和外延層結(jié)構(gòu)

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碳化硅外延片與襯底片缺陷的關(guān)聯(lián)關(guān)系

上文提到了碳化硅外延層缺陷與襯底和生長(zhǎng)過程有關(guān)。外延層缺陷有表面形貌缺陷、微管缺陷、位錯(cuò)等類型。其中表面形貌缺陷包含胡蘿卜缺陷（某些情況下為彗星型）、淺坑、三角形缺陷、掉落物；襯底中的微管缺陷會(huì)被復(fù)制到外延層中。目前襯底中的微管密度已經(jīng)遠(yuǎn)低于0.1/cm²，基本被消除。碳化硅外延層中的位錯(cuò)大多源于襯底位錯(cuò)，襯底位錯(cuò)主要包括TSD，TED及BPD。普通位錯(cuò)以及胡蘿卜缺陷等外延引入的缺陷是影響碳化硅外延質(zhì)量的重要問題。

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碳化硅外延片缺陷對(duì)最終器件的影響

在外延生長(zhǎng)過程中，襯底中的TSD約98%轉(zhuǎn)化為TSD，其余轉(zhuǎn)換為Frank SFs；TED則100%轉(zhuǎn)化為TED；BPD約95%轉(zhuǎn)化為TED，少量維持BPD。

圖3 碳化硅外延片缺陷與襯底片缺陷的關(guān)聯(lián)性

TSD和TED基本不影響最終的碳化硅器件的性能，而BPD會(huì)引發(fā)器件性能的退化，因此人們對(duì)BPD的關(guān)注度比較高。堆垛層錯(cuò)，胡蘿卜缺陷，三角形缺陷，掉落物等缺陷，屬于殺手級(jí)缺陷，一旦出現(xiàn)在器件上，這個(gè)器件就會(huì)測(cè)試失敗，導(dǎo)致良率降低。雙極型器件，例如三極管、IGBT，對(duì)BPD的敏感程度更高。

表1 外延片缺陷對(duì)最終器件的影響

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碳化硅材料面臨的兩個(gè)挑戰(zhàn)

碳化硅材料推廣面臨的重要挑戰(zhàn)之一是價(jià)格過高，襯底價(jià)格遠(yuǎn)高于硅和藍(lán)寶石襯底。目前碳化硅襯底的主流直徑只有4~6英寸，需要更成熟的生長(zhǎng)技術(shù)來擴(kuò)大尺寸，以降低價(jià)格。 

另一方面，碳化硅位錯(cuò)密度量級(jí)處于102-104，遠(yuǎn)高于硅、砷化鎵等材料。此外，碳化硅還存在較大的應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致面型參數(shù)出現(xiàn)問題。改善碳化硅襯底質(zhì)量，是提高外延材料質(zhì)量、器件制備的良率、器件可靠性和壽命的重要途徑。

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