碳化硅長(zhǎng)晶“黑匣子”揭秘：如何從47%的成本中摳出利潤(rùn)？

在碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈中，由于襯底占器件總成本的47%，因此降低晶體缺陷，提升晶體生長(zhǎng)良率是助推碳化硅實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的主要途徑。

制備碳化硅單晶的主流方法是物理氣相傳輸法（PVT），結(jié)構(gòu)主要由石英管腔體、發(fā)熱體（感應(yīng)線圈或石墨加熱器）、石墨碳?xì)指魺岵牧?、石墨坩堝、碳化硅籽晶、碳化硅粉體和高溫測(cè)量溫度計(jì)組成，其中碳化硅粉料位于石墨坩堝底部，籽晶固定在坩堝頂部。

晶體生長(zhǎng)工藝過(guò)程為：通過(guò)加熱（感應(yīng)或電阻式）使坩堝底部溫度達(dá)到2 100～2 400℃，位于坩堝底部的碳化硅粉料在高溫下進(jìn)行分解并產(chǎn)生Si、Si2C和SiC2等氣相物質(zhì)，在腔體內(nèi)部溫度梯度和濃度梯度的作用下，氣象物質(zhì)被輸送到溫度較低的籽晶表面并逐步實(shí)現(xiàn)凝結(jié)成核，最終實(shí)現(xiàn)碳化硅晶體的生長(zhǎng)。

影響SiC單晶品質(zhì)關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所專研第三代半導(dǎo)體材料裝備與工藝的高級(jí)工程師認(rèn)為，采用物理氣相傳輸法生長(zhǎng)碳化硅晶體需要注意以下5大技術(shù)要點(diǎn)：

第一，長(zhǎng)晶溫場(chǎng)內(nèi)部石墨材料純度要到達(dá)要求。

石墨件要求小于5×10-6，保溫氈要求小于10×10-6，其中B和Al元素要求在0.1×10-6以下，二者在碳化硅生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生游離的空穴，兩種元素過(guò)多會(huì)導(dǎo)致碳化硅的電學(xué)性能不穩(wěn)定，影響碳化硅器件的性能。同時(shí)雜質(zhì)的存在可能導(dǎo)致晶體缺陷、位錯(cuò)，最終影響晶體的品質(zhì)。

第二，籽晶極性選擇要正確。

經(jīng)驗(yàn)證在C（0001）面可用于生長(zhǎng)4H-SiC晶體，Si（0001）面用于生長(zhǎng)6H-SiC晶體。

第三，使用偏軸籽晶生長(zhǎng)。

偏軸籽晶的角度優(yōu)值為4°，并指向[1120]晶向，因?yàn)槠S籽晶不僅可以改變晶體生長(zhǎng)的對(duì)稱性，減少晶體中的缺陷，還可以使晶體沿著特定的晶向生長(zhǎng)，有利于制備單一晶型的晶體，同時(shí)可以使晶體生長(zhǎng)更加均勻，減少晶體中的內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變，提高晶體質(zhì)量。

第四，良好的籽晶粘接工藝。

籽晶的背面在高溫下發(fā)生分解升華，在長(zhǎng)晶過(guò)程中晶體內(nèi)部會(huì)形成六方空洞，甚至生成微管缺陷，嚴(yán)重會(huì)生成大面積多型晶體。為此，需對(duì)籽晶背面進(jìn)行預(yù)處理，可以在籽晶Si面涂抹一層厚度約為20μm的致密光刻膠，經(jīng)過(guò)600℃左右的高溫碳化，形成一層致密的碳化膜層，再經(jīng)過(guò)高溫和壓力作用與石墨板或石墨紙粘結(jié)，這樣得到的籽晶可以大大改善晶體的結(jié)晶質(zhì)量，并可有效抑制籽晶背面燒蝕。

第五，在長(zhǎng)晶周期中保持晶體生長(zhǎng)界面穩(wěn)定性。

隨著碳化硅晶體厚度逐漸增加，長(zhǎng)晶界面逐漸向位于坩堝底部的碳化硅粉料上表面方向移動(dòng)，導(dǎo)致長(zhǎng)晶界面的生長(zhǎng)環(huán)境發(fā)生變化，界面的熱場(chǎng)、碳硅比等參數(shù)面臨波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)使得氣氛物質(zhì)輸送速率下降，長(zhǎng)晶速度減慢，給晶體持續(xù)穩(wěn)定生長(zhǎng)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。

可以通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)和控制方式在一定程度上緩解上述問(wèn)題，增加坩堝運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并控制坩堝以長(zhǎng)晶速率沿軸性方向緩慢向上移動(dòng)，來(lái)滿足長(zhǎng)晶界面生長(zhǎng)環(huán)境的穩(wěn)定性，并持續(xù)保持穩(wěn)定的軸向和徑向溫度梯度。

碳化硅晶體生長(zhǎng)5個(gè)關(guān)鍵技術(shù)

據(jù)中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所的研究人員介紹，生長(zhǎng)單一的4H-SiC晶型有助于避免晶體中缺陷的產(chǎn)生，也是制備高品質(zhì)碳化硅晶體的必要條件。

碳化硅粉料摻雜技術(shù)

在碳化硅粉料中摻雜適量的Ce元素，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)4H-SiC單一晶型穩(wěn)定生長(zhǎng)的作用。實(shí)踐證明，在粉料對(duì)Ce元素的摻雜，可以提高碳化硅晶體的生長(zhǎng)速率，使晶體生長(zhǎng)得更快；可以控制碳化硅的取向，即使得晶體生長(zhǎng)方向更單一，更規(guī)則；抑制晶體中雜質(zhì)的產(chǎn)生，減少缺陷的生成，更易獲取單一晶型的晶體和高品質(zhì)的晶體；可以抑制晶體背面的腐蝕并提高晶體的單晶率。

其中，鈰源一般為CeO2或CeSi2，而在相同的長(zhǎng)晶條件下，利用CeSi2作為鈰源制備的晶體電阻率更低。

軸向與徑向溫場(chǎng)梯度控制技術(shù)

碳化硅長(zhǎng)晶的溫度場(chǎng)由兩部分構(gòu)成：一個(gè)是晶體生長(zhǎng)的徑向溫度梯度，另一個(gè)是晶體生長(zhǎng)軸向溫度梯度。

徑向溫度梯度主要對(duì)生長(zhǎng)的晶型產(chǎn)生影響，具體表現(xiàn)為生長(zhǎng)出的晶體表面顯示凹或凸的界面，其中凹的界面會(huì)引起6H或15R多型，凸的界面是由于徑向梯度過(guò)大使緩慢生長(zhǎng)的臺(tái)階發(fā)生聚并導(dǎo)致生長(zhǎng)基平面與邊緣部分之間形成比較陡的臺(tái)階。

軸向溫度梯度主要對(duì)晶體生長(zhǎng)晶型和長(zhǎng)晶效率產(chǎn)生影響，過(guò)小的溫度梯度在長(zhǎng)晶過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致雜晶的出現(xiàn)，同時(shí)會(huì)影響氣相物質(zhì)的運(yùn)輸速率，導(dǎo)致長(zhǎng)晶速率降低。解決主要辦法是減小徑向的溫度梯度，增大軸向溫度梯度。

基平面位錯(cuò)（BPD）控制技術(shù)

BPD缺陷形成的主要原因是晶體中的剪切應(yīng)力超過(guò)SiC晶體的臨界剪切應(yīng)力，導(dǎo)致滑移系統(tǒng)的激活。這種缺陷會(huì)導(dǎo)致碳化硅器件SiC pn結(jié)二極管在長(zhǎng)期正向電壓工作后出現(xiàn)劣化，或使功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）和結(jié)晶型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）在阻斷模式下漏電流增大，從而限制SiC器件的應(yīng)用。

由于BPD垂直于晶體生長(zhǎng)方向，所以主要是在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中和后期晶體冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的。抑制BPD的采取的主要方法是：1）調(diào)節(jié)晶體生長(zhǎng)后期的冷卻速率，2）優(yōu)化籽晶粘接工藝，3）采用與SiC籽晶的熱膨脹系數(shù)相近的石墨坩堝。

氣相組分比調(diào)節(jié)控制技術(shù)

在晶體生長(zhǎng)工藝中，提高生長(zhǎng)環(huán)境中的碳硅比氣相組分比是實(shí)現(xiàn)單一晶型穩(wěn)定生長(zhǎng)的有效措施。因?yàn)楦叩奶脊璞瓤梢詼p少大的臺(tái)階聚并，保持籽晶表面生長(zhǎng)信息的遺傳，所以可以抑制多型產(chǎn)生。

通過(guò)一些方法可以提高生長(zhǎng)環(huán)境中的碳硅比：

1）4H-SiC單晶生長(zhǎng)溫度窗口中盡可能提高坩堝底部的溫度，使粉料充分升華實(shí)現(xiàn)氣相質(zhì)量運(yùn)輸，使得生長(zhǎng)界面出現(xiàn)富C環(huán)境。

2）采用大氣孔率的石墨坩堝，孔隙率大的石墨坩堝可以額外引入C源，吸收氣相組分中的Si蒸汽，減小氣相組分中的Si，從而增大碳硅比。同時(shí)石墨坩堝也可以與Si氣氛反應(yīng)生成Si2C、SiC2和SiC，相當(dāng)于Si氣氛從石墨坩堝上將C源帶入了生長(zhǎng)氣氛中，增加了C的比率，也可以增大碳硅比，因此可以通過(guò)采用大氣孔率的石墨坩堝增大碳硅比，抑制多型產(chǎn)生。

3）在碳化硅長(zhǎng)晶工藝中，采用多孔石墨板或增加多孔石墨桶來(lái)實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)環(huán)境中的碳硅比氣相組分。

低應(yīng)力控制技術(shù)

在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，由于應(yīng)力的存在會(huì)導(dǎo)致SiC晶體內(nèi)部晶面彎曲，導(dǎo)致晶體質(zhì)量差，甚至晶體開(kāi)裂，而且大的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致晶片的基平面位錯(cuò)的增加，這些缺陷會(huì)在外延工藝時(shí)進(jìn)入外延層嚴(yán)重影響后期器件的性能。

為了減小晶體內(nèi)的應(yīng)力，可以采取幾種方法改進(jìn)工藝：

1）調(diào)整溫場(chǎng)分布和工藝參數(shù)，使SiC單晶生長(zhǎng)盡可能在近平衡狀態(tài)下生長(zhǎng)。

2）優(yōu)化坩堝結(jié)構(gòu)形狀，盡量使晶體在無(wú)束縛狀態(tài)下自由的生長(zhǎng)。

3）籽晶固定方面，改變籽晶固定工藝，降低籽晶與石墨托在升溫過(guò)程中的膨脹系數(shù)差異，減小4H-SiC單晶內(nèi)部的應(yīng)力，通常采用的方法是在籽晶與石墨托之間留有2mm的間隙。

4）改變晶體退火工藝，使晶體隨爐退火，并調(diào)整晶體退火溫度和退火時(shí)間，充分釋放晶體內(nèi)部的應(yīng)力。

資料來(lái)源：王宏杰等，高品質(zhì)碳化硅單晶制備技術(shù)，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所