來源:碳化硅研習(xí)社
外延層是在晶圓的基礎(chǔ)上,經(jīng)過外延工藝生長(zhǎng)出特定單晶薄膜,襯底晶圓和外延薄膜合稱外延片。其中在導(dǎo)電型碳化硅襯底上生長(zhǎng)碳化硅外延層制得碳化硅同質(zhì)外延片,可進(jìn)一步制成肖特基二極管、MOSFET、 IGBT 等功率器件,其中應(yīng)用最多的是4H-SiC 型襯底。
由于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,必須在導(dǎo)通型單晶襯底上額外生長(zhǎng)高質(zhì)量的外延材料,并在外延層上制造各類器件,所以外延的質(zhì)量對(duì)器件的性能是影響非常大。不同的功率器,它的性能的提高也對(duì)外延層的厚度、摻雜濃度以及缺陷提出了更高要求。
圖1.單極型器件外延層的摻雜濃度和厚度與阻斷電壓關(guān)系曲線
碳化硅外延層的制備方法主要有:蒸發(fā)生長(zhǎng)法;液相外延生長(zhǎng)(LPE);分子束外延生長(zhǎng)(MBE);化學(xué)氣相沉積(CVD)。
這里對(duì)這幾種制備方法做了一個(gè)基本的總結(jié),見表1?;瘜W(xué)氣相沉積(CVD)法是目前工廠大批量生產(chǎn)用的主要方法。
制備方法 | 工藝的優(yōu)點(diǎn) | 工藝的缺點(diǎn) |
液相外延生長(zhǎng) (LPE) | 設(shè)備需求簡(jiǎn)單并且成本較低的生長(zhǎng)方法。 | 很難控制好外延層的表面形貌。設(shè)備不能同時(shí)外延多片晶圓,限制了批量生產(chǎn)。 |
分子束外延生長(zhǎng)(MBE) | 可以在低生長(zhǎng)溫度下生長(zhǎng)不同的 SiC 晶型外延層 | 設(shè)備真空要求度很高,成本高昂。生長(zhǎng)外延層速率慢 |
化學(xué)氣相沉積(CVD) | 工廠批量生產(chǎn)最主要的方法。生長(zhǎng)厚外延層時(shí)能夠?qū)ιL(zhǎng)速率精確控制 | SiC 外延層仍然存在各種缺陷,從而對(duì)器件特性造成影響,所以針對(duì) SiC 的外延生長(zhǎng)工藝需要進(jìn)行不斷的優(yōu)化 |
蒸發(fā)生長(zhǎng)法 | 使用和SiC拉晶同樣的設(shè)備,工藝和拉晶稍微有區(qū)別。設(shè)備成熟,成本低 | SiC 的蒸發(fā)不均勻,很難利用其蒸發(fā)生長(zhǎng)出較高質(zhì)量的外延層 |
表1. 外延層主要制備方法的比較
在有一定傾斜角度的偏軸{0001}襯底上,如圖2(b)示意圖,臺(tái)階面的密度很大而且臺(tái)階面很小,晶體成核不容易在臺(tái)階面上發(fā)生,多發(fā)生在臺(tái)階的并入點(diǎn)出,這里只存在一種成核鍵位。所以外延層可以完美地復(fù)制襯底的堆垛次序,消除多型體共存的問題。
圖2. 4H-SiC臺(tái)階控制外延法的物理過程示意圖
圖3. 4H-SiC臺(tái)階控制外延法CVD生長(zhǎng)臨界條件
圖4. 4H-SiC外延中不同硅源下的生長(zhǎng)速率比較
目前在中低壓應(yīng)用領(lǐng)域(比如1200伏器件),碳化硅外延的技術(shù)相對(duì)成熟。它的厚度均勻性、摻雜濃度均勻性以及缺陷分布可以做到相對(duì)較優(yōu)的水平,基本可以滿足中低壓 SBD、MOS、JBS 等器件需求。
但在高壓領(lǐng)域,目前外延片需要攻克的難關(guān)還很多。比如10000伏的器件需要的外延層厚度為100μm左右,該外延層的厚度和摻雜濃度均勻性比低壓器件的外延層差很多,尤其是摻雜濃度的均勻性,同時(shí)它的三角缺陷也破壞了器件的整體性能。在高壓應(yīng)用領(lǐng)域,器件的類型趨向于使用雙極器件,對(duì)外延層的的少子壽命要求比較高,也需要優(yōu)化工藝來提高少子壽命。
當(dāng)前國(guó)內(nèi)外延主要以 4 英寸和 6 英寸為主,大尺寸碳化硅外延片占比逐年遞增。碳化硅外延尺寸主要受制于碳化硅襯底尺寸,當(dāng)前 6 英寸碳化硅襯底已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商用,因此碳化硅襯底外延也逐漸從 4 英寸向 6 英寸過渡。
隨著碳化硅襯底制備技術(shù)的提升及產(chǎn)能擴(kuò)張,碳化硅襯底價(jià)格正在逐步降低。在外延片價(jià)格構(gòu)成中,襯底占據(jù)了外延 50%以上的成本,隨著襯底價(jià)格的下降,碳化硅外延價(jià)格也有望降低。
審核編輯:湯梓紅
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原文標(biāo)題:SiC外延工藝基本介紹
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