是什么讓SiC開(kāi)始流行？

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

必要性與發(fā)明

寬禁帶半導體正在改變電力電子領(lǐng)域的游戲規則，使系統級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。在碳化硅 （SiC） 的情況下，導熱性、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)化了系統設計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在，隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步收緊工藝控制、提高良率并改善器件參數（包括單位芯片面積的導通電阻等品質(zhì)因數），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)中得到廣泛認可和采用。

不斷增長(cháng)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)了規模經(jīng)濟，使 SiC 器件能夠在廣泛的應用中提供經(jīng)濟實(shí)惠且經(jīng)濟高效的解決方案。鐵路牽引系統、電信和數據中心電源、工業(yè)電機驅動(dòng)器以及 X 光機和 MRI 掃描儀等大功率醫療設備都利用 SiC 來(lái)提高效率和功率密度。另一方面，井下鉆探設備等工業(yè)應用依賴(lài)于高溫運行和耐用性技術(shù)。

為了響應市場(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，這要歸功于從器件生命周期開(kāi)始時(shí)開(kāi)始的精心設計：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，對設置進(jìn)行高度優(yōu)化以實(shí)現最佳良率。但是，商業(yè)生產(chǎn)的加工成本相對較高。最近，設備制造商生產(chǎn)了可以處理 6 英寸和 8 英寸晶圓直徑的多晶片反應器。與單晶片反應器相比，多晶片加工可以實(shí)現規模經(jīng)濟，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，形成更大的晶體結構。超過(guò) 200 種可能的 SiC 晶體構型或多型具有六方（H 型）或立方（C 型）結構。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 為功率半導體器件提供了最佳特性。其帶隙能量為 3.26 eV，擊穿場(chǎng)強為 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)型的熱導率均為 4.9 W/mK，遠優(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，并對襯底表面進(jìn)行處理，以形成促進(jìn)外延生長(cháng)的臺階和階地。晶錠以窄角度離軸切割，對于 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(cháng)的外延階層長(cháng)度。

硅錠可以以接近完美的純度生長(cháng)，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、微管和螺釘位錯。根據類(lèi)型和嚴重程度，這些缺陷會(huì )導致外延層出現缺陷。不可避免地，某些區域不適合器件制造，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 )影響光刻設備的聚焦。購買(mǎi)外延片時(shí)，買(mǎi)方必須與硅片供應商就規格達成一致，包括缺陷的容忍限度。通常，規格越嚴格，所提供的材料就越昂貴。

外延和摻雜

當晶圓制備時(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晶層。沉積的原子保持與底層襯底相同的結構方向，為構建分層器件結構提供基礎。

外延通常使用化學(xué)氣相沉積 （CVD） 生長(cháng)，使用硅基前驅體氣體的階梯流工藝。CVD 反應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(cháng)。圖 3 說(shuō)明了反應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(cháng)的。

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

層生長(cháng)通常在低壓條件下進(jìn)行，通常低于 100 mbar，這增強了對沉積參數的控制，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，并仔細管理碳硅比以實(shí)現所需的摻雜。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于半導體性能至關(guān)重要。

外延沉積的結果在原位和實(shí)時(shí)測量，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。從這些測量中獲得的情報可以進(jìn)行參數調整，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)改善晶體結構并去除缺陷。

結論

碳化硅的商業(yè)化需要長(cháng)期而密集的工程努力，以克服材料的固有挑戰，并為晶圓生長(cháng)和外延開(kāi)發(fā)可重復的工藝。隨著(zhù)世界專(zhuān)注于高效電氣化以實(shí)現可持續發(fā)展，現在開(kāi)發(fā)的解決方案使設備制造商能夠滿(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(cháng)的需求。