是什么讓SiC開(kāi)始流行？

碳化硅是一種眾所周知的堅(jiān)硬和復(fù)雜的材料。用于制造 SiC 功率半導(dǎo)體的晶圓生產(chǎn)利用制造工藝、規(guī)格和設(shè)備的密集工程來(lái)實(shí)現(xiàn)商業(yè)質(zhì)量和成本效益。

必要性與發(fā)明

寬禁帶半導(dǎo)體正在改變電力電子領(lǐng)域的游戲規(guī)則，使系統(tǒng)級(jí)效率超越硅器件的實(shí)際限制，并帶來(lái)額外的技術(shù)特定優(yōu)勢(shì)。在碳化硅 （SiC） 的情況下，導(dǎo)熱性、耐溫能力和擊穿電壓與通道厚度的關(guān)系優(yōu)于硅，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)并確保了更高的可靠性。

由于它們的簡(jiǎn)單性，SiC 的孕育使二極管領(lǐng)先于 MOSFET 進(jìn)入市場(chǎng)?，F(xiàn)在，隨著技術(shù)進(jìn)步收緊工藝控制、提高良率并改善器件參數(shù)（包括單位芯片面積的導(dǎo)通電阻等品質(zhì)因數(shù)），成熟的功率晶體管系列正在進(jìn)入第四代和第五代。

圖 1.汽車(chē)和能源行業(yè)的高需求使 SiC 技術(shù)在需要高效率和耐用性的不同市場(chǎng)中得到廣泛認(rèn)可和采用。

不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，尤其是汽車(chē)和可再生能源行業(yè)（圖 1），推動(dòng)了規(guī)模經(jīng)濟(jì)，使 SiC 器件能夠在廣泛的應(yīng)用中提供經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。鐵路牽引系統(tǒng)、電信和數(shù)據(jù)中心電源、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及 X 光機(jī)和 MRI 掃描儀等大功率醫(yī)療設(shè)備都利用 SiC 來(lái)提高效率和功率密度。另一方面，井下鉆探設(shè)備等工業(yè)應(yīng)用依賴(lài)于高溫運(yùn)行和耐用性技術(shù)。

為了響應(yīng)市場(chǎng)需求，今天的制造能力提供了高產(chǎn)品質(zhì)量和商業(yè)良率，這要?dú)w功于從器件生命周期開(kāi)始時(shí)開(kāi)始的精心設(shè)計(jì)：生產(chǎn) SiC 鑄錠，裸晶片從中切割出來(lái)，隨后在外延之前進(jìn)行研磨和拋光，最后進(jìn)行器件制造。

制造商可用的設(shè)備也發(fā)生了變化。SiC 代工工作開(kāi)始使用小型單晶片反應(yīng)器。單晶圓加工的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，可以利用自 SiC 研究開(kāi)始以來(lái)多年積累的知識(shí)，對(duì)設(shè)置進(jìn)行高度優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)最佳良率。但是，商業(yè)生產(chǎn)的加工成本相對(duì)較高。最近，設(shè)備制造商生產(chǎn)了可以處理 6 英寸和 8 英寸晶圓直徑的多晶片反應(yīng)器。與單晶片反應(yīng)器相比，多晶片加工可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)，盡管均勻性要困難得多。

SiC 晶圓生產(chǎn)

以聚晶碳化硅或硅/碳粉末混合物為原料，在真空或惰性氣體氣氛中將其加熱至高溫直至升華，從而形成晶錠。引入晶種，蒸氣冷卻，使 SiC 分子沉積在晶種上，形成更大的晶體結(jié)構(gòu)。超過(guò) 200 種可能的 SiC 晶體構(gòu)型或多型具有六方（H 型）或立方（C 型）結(jié)構(gòu)。形成晶體的溫度和壓力以及存在的任何雜質(zhì)決定了哪種多型將占主導(dǎo)地位。

圖 2.在可以形成的眾多 SiC 多晶型中，4H 和 6H 分別具有適合功率和射頻器件的特性。

在可能的多型體中（圖 2），4H 為功率半導(dǎo)體器件提供了最佳特性。其帶隙能量為 3.26 eV，擊穿場(chǎng)強(qiáng)為 3.5 MV/cm，而 6H SiC 為 3.03 eV 和 3.0 MV/cm，因此具有處理高施加電壓的優(yōu)異性能。6H 多型通常用于 RF 器件。兩種類(lèi)型的熱導(dǎo)率均為 4.9 W/mK，遠(yuǎn)優(yōu)于硅的 1.31 W/mK，而 SiC 電子飽和速度至少是硅的兩倍，支持卓越的高頻性能。

由于 SiC 晶錠的硬度極高，通常使用鑲有金剛石的繩鋸將其切成晶片。然后將晶片磨平并拋光，并對(duì)襯底表面進(jìn)行處理，以形成促進(jìn)外延生長(zhǎng)的臺(tái)階和階地。晶錠以窄角度離軸切割，對(duì)于 4H 多型晶片，約為 4 度，這允許獲得卓越的表面光潔度和更長(zhǎng)的外延階層長(zhǎng)度。

硅錠可以以接近完美的純度生長(zhǎng)，然后切成非常均勻的平坦晶片，而 SiC 晶片可能包含晶體缺陷，例如基面位錯(cuò)、微管和螺釘位錯(cuò)。根據(jù)類(lèi)型和嚴(yán)重程度，這些缺陷會(huì)導(dǎo)致外延層出現(xiàn)缺陷。不可避免地，某些區(qū)域不適合器件制造，這降低了每個(gè)晶圓的最大產(chǎn)量。整個(gè)晶圓和局部站點(diǎn)的平整度也可能存在變化，這可能會(huì)影響光刻設(shè)備的聚焦。購(gòu)買(mǎi)外延片時(shí)，買(mǎi)方必須與硅片供應(yīng)商就規(guī)格達(dá)成一致，包括缺陷的容忍限度。通常，規(guī)格越嚴(yán)格，所提供的材料就越昂貴。

外延和摻雜

當(dāng)晶圓制備時(shí)，外延會(huì)在晶圓表面形成厚度均勻且電性能精確控制的結(jié)晶層。沉積的原子保持與底層襯底相同的結(jié)構(gòu)方向，為構(gòu)建分層器件結(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ)。

外延通常使用化學(xué)氣相沉積 （CVD） 生長(zhǎng)，使用硅基前驅(qū)體氣體的階梯流工藝。CVD 反應(yīng)器首先將晶圓溫度加熱到 1600 °C，以便進(jìn)行蝕刻工藝，這需要幾分鐘。然后將溫度再次升高到 1650 °C 以進(jìn)行外延層生長(zhǎng)。圖 3 說(shuō)明了反應(yīng)器中施加的溫度曲線(xiàn)。

圖 3.SiC 外延是通過(guò)一系列在高溫下激活的過(guò)程生長(zhǎng)的。

CVD 中的前驅(qū)體氣體原子吸附到 SiC 襯底上并沿表面擴(kuò)散?；瘜W(xué)反應(yīng)將原子鎖定在原位，晶體以與硅前驅(qū)體流動(dòng)成正比的速度生長(zhǎng)。在氯硅烷、鹵烴或 HCl 中引入氯可以加速生長(zhǎng)。結(jié)合高效加熱，生長(zhǎng)速度可高達(dá)每小時(shí) 100 微米。

層生長(zhǎng)通常在低壓條件下進(jìn)行，通常低于 100 mbar，這增強(qiáng)了對(duì)沉積參數(shù)的控制，并確保了更高的厚度均勻性和純度，減少了缺陷，并實(shí)現(xiàn)了卓越的覆蓋率。丙烷或鹵代烴 （CH， Cl） 等碳源也用于控制氣相以進(jìn)行精確沉積，并仔細(xì)管理碳硅比以實(shí)現(xiàn)所需的摻雜。碳硅的比例約為 1：3，通常是最佳的，具體取決于反應(yīng)器。

摻雜，通常使用氮（用于 N 型器件）和鋁基化合物（用于 P 型器件），通過(guò)向碳化硅晶格中引入特定元素來(lái)定制電氣性能。精確控制摻雜水平對(duì)于半導(dǎo)體性能至關(guān)重要。

外延沉積的結(jié)果在原位和實(shí)時(shí)測(cè)量，繪制整個(gè)晶圓表面的摻雜濃度，并使用光譜反射或橢圓偏振等無(wú)損技術(shù)進(jìn)行厚度表征。從這些測(cè)量中獲得的情報(bào)可以進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，以確保精確控制薄膜厚度、成分和晶體質(zhì)量。外延后，可以采用退火工藝來(lái)改善晶體結(jié)構(gòu)并去除缺陷。

結(jié)論

碳化硅的商業(yè)化需要長(zhǎng)期而密集的工程努力，以克服材料的固有挑戰(zhàn)，并為晶圓生長(zhǎng)和外延開(kāi)發(fā)可重復(fù)的工藝。隨著世界專(zhuān)注于高效電氣化以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，現(xiàn)在開(kāi)發(fā)的解決方案使設(shè)備制造商能夠滿(mǎn)足汽車(chē)、可再生能源和其他令人興奮的市場(chǎng)不斷增長(zhǎng)的需求。