SiC外延片制備技術(shù)解析

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(lèi)器件。

碳化硅一般采用PVT方法，溫度高達(dá)2000多度，且加工周期比較長(zhǎng)，產(chǎn)出比較低，因而碳化硅襯底的成本是非常高的。碳化硅外延過(guò)程和硅基本上差不多，在溫度設(shè)計(jì)以及設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不太一樣。在器件制備方面，由于材料的特殊性，器件過(guò)程的加工和硅不同的是，采用了高溫的工藝，包括高溫離子注入、高溫氧化以及高溫退火工藝。

SiC外延片是SiC產(chǎn)業(yè)鏈條的核心環(huán)節(jié)

若想最大程度利用碳化硅本身的特性，最為理想的方案便是在碳化硅單晶襯底上生長(zhǎng)外延層。碳化硅外延片是指在碳化硅襯底上生長(zhǎng)了一層有一定要求的、與襯底晶相同的單晶薄膜（外延層）的碳化硅片。

實(shí)際應(yīng)用中，寬禁帶半導(dǎo)體器件幾乎都做在外延層上，碳化硅晶片本身只作為襯底。目前我國(guó)已研制成功6英寸SiC外延晶片，且基本實(shí)現(xiàn)商業(yè)化?？蓾M足3.3kV及以下電壓等級(jí)SiC電力電子器件的研制。但還不能滿足研制10kV及以上電壓等級(jí)器件和研制雙極型器件的需求。

SiC外延片關(guān)鍵參數(shù)：我們所講外延的參數(shù)其實(shí)主要取決于器件的設(shè)計(jì)，比如說(shuō)根據(jù)器件的電壓檔級(jí)的不同，外延的參數(shù)也不同。一般低壓在600伏，我們需要的外延的厚度可能就是6個(gè)μm左右，中壓1200~1700，我們需要的厚度就是10~15個(gè)μm。高壓的話1萬(wàn)伏以上，可能就需要100個(gè)μm以上。所以隨著電壓能力的增加，外延厚度隨之增加，高質(zhì)量外延片的制備也就非常難，尤其在高壓領(lǐng)域，尤其重要的就是缺陷的控制，其實(shí)也是非常大的一個(gè)挑戰(zhàn)。

SiC外延片制備技術(shù)

碳化硅外延兩大主要技術(shù)發(fā)展，應(yīng)用在設(shè)備上。

【1】1980年提出的臺(tái)階流生長(zhǎng)模型

此對(duì)外延的發(fā)展、對(duì)外延的質(zhì)量都起到了非常重要的作用。它的出現(xiàn)首先是生長(zhǎng)溫度，可以在相對(duì)低的溫度下實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)于我們功率器件感興趣的4H晶型來(lái)說(shuō)，可以實(shí)現(xiàn)非常穩(wěn)定的控制。

【2】引入TCS，實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)速率的提升

引入TCS可以實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)速率達(dá)到傳統(tǒng)的生長(zhǎng)速率10倍以上，不光是生產(chǎn)速率得到提升，同時(shí)也是質(zhì)量得到大大的控制，尤其是對(duì)于硅滴的控制，所以說(shuō)對(duì)于厚膜外延生長(zhǎng)來(lái)說(shuō)是非常有利的。

碳化硅外延中的缺陷其實(shí)有很多，因?yàn)榫w的不同所以它的缺陷和其它一些晶體的也不太一樣。他的缺陷主要包括微管、三角形缺陷、表面的胡蘿卜缺陷，還有一些特有的如臺(tái)階聚集。基本上很多缺陷都是從襯底中直接復(fù)制過(guò)來(lái)的，所以說(shuō)襯底的質(zhì)量、加工的水平對(duì)于外延的生長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，尤其是缺陷的控制是非常重要的。

碳化硅外延缺陷一般分為致命性和非致命性：致命性缺陷像三角形缺陷，滴落物，對(duì)所有的器件類(lèi)型都有影響，包括二極管，MOSFET，雙極性器件，影響最大的就是擊穿電壓，它可以使擊穿電壓減少20%，甚至跌到90%。非致命性的缺陷比如說(shuō)一些TSD和TED，對(duì)這個(gè)二極管可能就沒(méi)有影響，對(duì)MOS、雙極器件可能就有壽命的影響，或者有一些漏電的影響，最終會(huì)使器件的加工合格率受到影響?？刂铺蓟柰庋尤毕莘椒ǎ阂皇侵?jǐn)慎選擇碳化硅襯底材料；二是設(shè)備選擇及國(guó)產(chǎn)化；三是工藝技術(shù)。

SiC外延技術(shù)進(jìn)展情況

在低、中壓領(lǐng)域，目前外延片核心參數(shù)厚度、摻雜濃度可以做到相對(duì)較優(yōu)的水平。但在高壓領(lǐng)域，目前外延片需要攻克的難關(guān)還很多，主要參數(shù)指標(biāo)包括厚度、摻雜濃度的均勻性、三角缺陷等。

在中、低壓應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅外延的技術(shù)相對(duì)是比較成熟的?；旧峡梢詽M足低中壓的SBD、JBS、MOS等器件的需求。在高壓領(lǐng)域外延的技術(shù)發(fā)展相對(duì)比較滯后。同時(shí)，高壓器件需要的厚膜方面，目前的缺陷還是比較多的，尤其是三角形缺陷，缺陷多主要影響大電流的器件制備。大電流需要大的芯片面積。同時(shí)它的少子壽命目前也比較低。

在高壓方面的話，器件的類(lèi)型趨向于使用于雙極器件，對(duì)少子壽命要求比較高，從右面這個(gè)圖我們可以看到，要達(dá)到一個(gè)理想的正向電流它的少子壽命至少要達(dá)到5μs以上，目前的外延片的少子壽命的參數(shù)大概在1~2個(gè)μs左右，所以說(shuō)還對(duì)高壓器件的需求目前來(lái)說(shuō)還沒(méi)法滿足，還需要后處理技術(shù)。

SiC外延片制備設(shè)備情況

碳化硅外延材料的主要設(shè)備，目前這個(gè)市場(chǎng)上主要有四家：

【1】德國(guó)的Aixtron：特點(diǎn)是產(chǎn)能比較大；

【2】意大利的LPE，屬于單片機(jī)，生長(zhǎng)速率非常大；

【3】日本的TEL和Nuflare，其設(shè)備的價(jià)格非常昂貴，其次是雙腔體，對(duì)提高產(chǎn)量有一定的作用。其中，Nuflare是最近幾年推出來(lái)的一個(gè)非常有特點(diǎn)的設(shè)備，其能高速旋轉(zhuǎn)，可以達(dá)到一分鐘1000轉(zhuǎn)，這對(duì)外延的均勻性是非常有利的。同時(shí)它的氣流方向不同于其他設(shè)備，是垂直向下的，所以它可以避免一些顆粒物的產(chǎn)生，減少滴落到片子上的概率。

應(yīng)用領(lǐng)域

從終端應(yīng)用層上來(lái)看在碳化硅材料在高鐵、汽車(chē)電子、智能電網(wǎng)、光伏逆變、工業(yè)機(jī)電、數(shù)據(jù)中心、白色家電、消費(fèi)電子、5G通信、次世代顯示等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，市場(chǎng)潛力巨大。在應(yīng)用上，分為低壓、中壓和高壓領(lǐng)域：

低壓領(lǐng)域

主要是針對(duì)一些消費(fèi)電子，比如說(shuō)PFC、電源；舉例子：小米和華為推出來(lái)快速充電器，所采用的器件就是氮化鎵器件。

中壓領(lǐng)域

主要是汽車(chē)電子和3300V以上的軌道交通和電網(wǎng)系統(tǒng)。舉例子：特斯拉是使用碳化硅器件最早的一個(gè)汽車(chē)制造商，使用的型號(hào)是model3。

中低壓領(lǐng)域

碳化硅已經(jīng)有非常成熟的二極管和MOSFET產(chǎn)品在市場(chǎng)當(dāng)中推廣應(yīng)用。

高壓領(lǐng)域

碳化硅有著獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)。但迄今為止，在高壓領(lǐng)域現(xiàn)在還沒(méi)有一個(gè)成熟的產(chǎn)品的推出，全球都在處于研發(fā)的階段。

電動(dòng)車(chē)是碳化硅的最佳應(yīng)用場(chǎng)景，豐田的電驅(qū)動(dòng)模塊（電動(dòng)車(chē)的核心部件），碳化硅的器件比硅基IGBT的體積縮小了50%甚至更多，同時(shí)能量密度也比硅基IGBT高很多。這也是很多廠商傾向于使用碳化硅的原因，可以?xún)?yōu)化零部件在車(chē)上的布置，節(jié)省更多的空間。

來(lái)源：半導(dǎo)體封裝工程師之家

審核編輯：湯梓紅