碳化硅器件的生產(chǎn)流程，碳化硅有哪些優(yōu)劣勢？

一、碳化硅概述

SiC碳化硅是由碳元素和硅元素組成的一種化合物半導體材料，是制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一。 ? 碳化硅原材料核心優(yōu)勢體現(xiàn)在： ? （1）耐高壓：更低的阻抗、更寬的禁帶寬度，能承受更大的電流和電壓，帶來更小尺寸的產(chǎn)品設計和更高的效率； （2）耐高頻：SiC器件在關斷過程中不存在電流拖尾現(xiàn)象，能有效提高元件的開關速度（大約是Si的3-10倍），適用于更高頻率和更快的開關速度； （3）耐高溫：SiC相較硅擁有更高的熱導率，能在更高溫度下工作。 ? 相比傳統(tǒng)的硅材料（Si），碳化硅（SiC）的禁帶寬度是硅的3倍；導熱率為硅的4-5倍；擊穿電壓為硅的8-10倍；電子飽和漂移速率為硅的2-3倍。具體如下圖所示： ?

? SiC碳化硅器件是指以碳化硅為原材料制成的器件，按照電阻性能的不同分為導電型碳化硅功率器件和半絕緣型碳化硅基射頻器件。 ? 導電型碳化硅功率器件主要是通過在導電型襯底上生長碳化硅外延層，得到碳化硅外延片后進一步加工制成，品種包括肖特基二極管、?MOSFET、IGBT等，主要用于電動汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、數(shù)據(jù)中心、充電等基礎建設。? ? 半絕緣型碳化硅基射頻器件是通過在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層，制得碳化硅基氮化鎵外延片后進一步制成，包括HEMT等氮化鎵射頻器件，主要用于5G通信、車載通信、國防應用、數(shù)據(jù)傳輸、航空航天。 ?

? 二、碳化硅器件的生產(chǎn)流程

碳化硅從材料到半導體功率器件會經(jīng)歷單晶生長、晶錠切片、外延生長、晶圓設計、制造、封裝等工藝流程。在合成碳化硅粉后，先制作碳化硅晶錠，然后經(jīng)過切片、打磨、拋光得到碳化硅襯底，經(jīng)外延生長得到外延片。外延片經(jīng)過光刻、刻蝕、離子注入、金屬鈍化等工藝得到碳化硅晶圓，將晶圓切割成?die，經(jīng)過封裝得到器件，器件組合在一起放入特殊外殼中組裝成模組。 ?

? 晶體生長為碳化硅襯底制造最核心工藝環(huán)節(jié)，決定了碳化硅襯底的電學性質。 ? SiC?晶體生長方法主要有物理氣相傳輸法（PVT?法）、高溫化學氣相沉積法（CVD?法）、頂部籽晶溶液生長法（TSSG?法）等。其中，目前大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化中主要采用?PVT?法。 ?

? 碳化硅長晶環(huán)節(jié)主要存在三點難點：（1）對溫度和壓力的控制要求高，其生長溫度在2300℃以上；（2）長晶速度慢，7天的時間大約可生長2cm碳化硅晶棒；（3）晶型要求高、良率低，碳化硅具備200多種晶型，只有少數(shù)幾種晶體結構才可作為半導體材料。

SiC?襯底可分為半絕緣型和導電型兩類。半絕緣型襯底主要通過去除晶體中的各種雜質（尤其是淺能級雜質），來實現(xiàn)晶體本征高電阻率，而導電型襯底則是通過在晶體生長過程中引入氮元素，來實現(xiàn)低晶體電阻率。

單晶襯底加工是通過對?SiC?晶體整形加工、切片加工、晶片研磨、拋光、檢測、清洗等一系列機加工工序，制得透明或半透明、無損傷層、低粗糙度的?SiC?襯底的過程。晶體加工環(huán)節(jié)，切片和薄化為主要技術難點。 ? 切片是碳化硅單晶加工過程的第一道工序，切片的性能決定了后續(xù)薄化、拋光的加工水平。目前報道的碳化硅切片加工技術主要包括固結、游離磨料切片、激光切割、冷分離和電火花切片，其中往復式金剛石固結磨料多線切割是最常應用于加工碳化硅單晶的方法。但碳化硅硬度高，需要大量的金剛石線鋸和長達數(shù)小時的加工時間，且切片過程中多達40%的晶錠以碳化硅粉塵的形式成為廢料，單個晶錠生產(chǎn)出的晶圓數(shù)量少，造成碳化硅功率器件成本高昂。相關企業(yè)逐步采用更為先進的激光切割和冷分離技術提高切片效率，如2016年DISCO開發(fā)的激光切片技術不用經(jīng)歷研磨過程，生產(chǎn)效率提升3-5倍，而且大大提高了加工精度，減少了加工損耗。

? 碳化硅的薄化主要通過磨削與研磨實現(xiàn)，但碳化硅斷裂韌性較低，在薄化過程中易開裂，導致碳化硅晶片的減薄非常困難。目前多使用自旋轉磨削，晶片自旋轉的同時主軸機構帶動砂輪旋轉，同時砂輪向下進給，實現(xiàn)減薄。自旋轉磨削雖可有效提高加工效率，但砂輪經(jīng)長時間使用易鈍化，存在使用壽命短且晶片易產(chǎn)生表面與亞表面損傷的問題。為了解決這些問題，目前主要的技術包括超聲振動輔助磨削和在線電解修整輔助磨削。

? 碳化硅晶片的拋光工藝可分為粗拋和精拋，粗拋為機械拋光，目的在于提高拋光的加工效率。碳化硅單晶襯底機械拋光的關鍵研究方向在于優(yōu)化工藝參數(shù)，改善晶片表面粗糙度，提高材料去除率。精拋為單面拋光，化學機械拋光是應用最為廣泛的拋光技術，通過化學腐蝕和機械磨損協(xié)同作用，實現(xiàn)材料表面去除及平坦化。

化學機械拋光技術涉及多學科知識，如化學、物理、摩擦、力學和材料學等，因此影響其拋光效果的因素很多，主要為拋光液（磨粒、氧化劑、pH值、添加劑等），拋光墊（硬度、彈性、表面形貌等）和拋光參數(shù)（拋光壓力、拋光頭/拋光盤轉速、拋光液流量等）。 ?

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數(shù)據(jù)來源：億度數(shù)據(jù)

SiC外延環(huán)節(jié)是在SiC襯底上，通過化學氣相淀積（CVD）、分子束外延（MBE）、液相外延法（LPE）、脈沖激光淀積和升華法（PLD）等方法，生長一層具有特定要求且晶體取向與襯底相同的單晶薄膜的過程。目前大規(guī)模生產(chǎn)中主要采用化學氣相沉積法。

碳化硅功率器件與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，不能直接制作在碳化硅單晶材料上，須在經(jīng)過切、磨、拋等仔細加工的單晶襯底上生長一層微米級新單晶，新單晶和襯底可以是相同材料，也可以是不同材料，稱為同質外延或異質外延。外延層可以消除晶體生長和加工時引入的表面或亞表面缺陷，使晶格排列整齊，表面形貌更優(yōu)，外延的質量對最終器件的性能起關鍵影響作用。不同外延層厚度對應不同耐壓等級的器件規(guī)格，從而對應不同系列的產(chǎn)品。通常，1μm對應100V左右的耐壓。因此，耐壓在600V左右時，需要6μm左右厚度的外延層。

中游器件制造環(huán)節(jié)，不少功率器件制造廠商在硅基制造流程基礎上進行產(chǎn)線升級便可滿足碳化硅器件的制造需求。當然碳化硅材料的特殊性質決定其器件制造中某些工藝需要依靠特定設備進行特殊開發(fā)，以促使碳化硅器件耐高壓、大電流功能的實現(xiàn)。

碳化硅材料制成的器件分為導電型碳化硅功率器件和半絕緣型碳化硅射頻器件，兩種類型碳化硅器件的終端應用領域不同。導電型碳化硅功率器件是通過在低電阻率的導電型襯底上生長碳化硅外延層后進一步加工制成，包括肖特基二極管、MOSFET、IGBT?等，主要用于電動汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、高壓充電等。半絕緣型碳化硅基射頻器件是通過在高電阻率的半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層后進一步加工制成，包括?HEMT?等氮化鎵射頻器件，主要用于?5G?通信、車載通信、國防應用、數(shù)據(jù)傳輸、航空航天。

編輯：黃飛

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