碳化硅外延：為什么非做不可？

碳化硅外延晶片是指在碳化硅襯底的基礎(chǔ)上，經(jīng)過外延工藝生長出晶格一致、高純度、低缺陷的特定單晶薄膜。碳化硅外延片是制作功率器件的基石和器件發(fā)揮效能的核心。與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅單晶材料上，必須在導(dǎo)電型碳化硅單晶襯底上使用外延技術(shù)生長出高質(zhì)量的外延材料，然后在外延層上制作各類器件。

來源：天域半導(dǎo)體

01 為何非“外延”不可？

碳化硅襯底無法直接制作器件，原因有二：其一，襯底自身存在各種生長缺陷，無法達(dá)到直接制作碳化硅器件的要求。其二，襯底制作工藝導(dǎo)致其很難精確控制摻雜濃度。外延生長技術(shù)可以改善襯底缺陷，避免對器件造成致命性影響。同時(shí)，外延生長技術(shù)也可以精確控制摻雜濃度，提升摻雜濃度均勻性。因此，外延生長技術(shù)是碳化硅器件必不可少的環(huán)節(jié)，外延質(zhì)量對器件性能影響極大。

02 三大外延技術(shù)，誰是主流？

常見的SiC外延技術(shù)有化學(xué)氣相沉積(CVD)、液相外延生長(LPE)、分子束外延生長(MBE)等，其中CVD是當(dāng)前的主流技術(shù)。

化學(xué)氣相沉積(CVD)

CVD外延生長通常使用硅烷和碳?xì)浠衔镒鳛榉磻?yīng)氣體，氫氣作為載氣，氯化氫作為輔助氣體，或使用三氯氫硅(TCS)作為硅源代替硅烷和氯化氫，在約1600℃的溫度條件下，反應(yīng)氣體分解并在SiC襯底表面外延生長SiC薄膜。目前CVD是主流技術(shù)，具備較高生長速率、能夠?qū)崿F(xiàn)可控?fù)诫s調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)。其難點(diǎn)在于合理控制成膜條件（氣體流量、壓力、生長溫度、碳硅比等），實(shí)現(xiàn)合理改善襯底缺陷和抑制外延生長缺陷產(chǎn)生。

液相外延生長(LPE)

LPE法是將SiC襯底浸入盛放于石墨坩堝中的Si基熔體實(shí)現(xiàn)，石墨會(huì)有少部分溶解到Si熔體中并輸送到SiC襯底作為碳源。難點(diǎn)在于控制石墨坩堝的雜質(zhì)摻入，并且材料表面容易形成巨型臺階缺陷。

分子束外延生長(MBE)

MBE法是使用固體源（硅，石墨）或氣體源（硅氫化合物或者碳?xì)浠衔锏龋y點(diǎn)在于加熱能力有限，利用MBE完成高溫生長技術(shù)（高品質(zhì)4H-SiC需要超過1500℃）較難實(shí)現(xiàn)。

03 決定外延片性能的三大關(guān)鍵因素

碳化硅外延片的性能主要由厚度、缺陷密度及摻雜濃度等因素決定。外延厚度直接影響碳化硅器件的耐壓能力，而耐壓能力越高，所需的外延層越厚，從而使得生長工藝越復(fù)雜。隨著外延厚度增加，應(yīng)力在外延片內(nèi)累積，致使缺陷規(guī)模呈指數(shù)級增長，這會(huì)顯著降低芯片良率。此外，厚膜外延通常要求摻雜濃度較低，與傳統(tǒng)厚度產(chǎn)品相比更難以控制均勻性。

厚度：耐壓能力的標(biāo)尺

碳化硅功率器件的耐壓性能與其外延層的厚度之間存在緊密的關(guān)聯(lián)。因此，針對半導(dǎo)體器件不同電壓應(yīng)用范圍，對外延片的厚度進(jìn)行控制是很重要的一環(huán)。

不同的功率器件對外延層厚度有著特定的需求，這些需求主要依據(jù)電壓應(yīng)用場景來定制。隨著外延生長技術(shù)的進(jìn)步，SiC外延層厚度也從幾微米發(fā)展到上百微米。常規(guī)器件所用外延材料的電壓等級通常介于650V級至3300V級之間。這些器件的外延層厚度通常較薄，大約在5至30微米之間，以適應(yīng)常規(guī)電力電子應(yīng)用的需求。相反，高壓及超高壓器件所用外延材料的電壓等級高達(dá)3300V級至20kV級。該類器件需要較厚的外延層，介于30至200微米，以應(yīng)對高壓或超高壓應(yīng)用場景的挑戰(zhàn)。此外，厚度均勻性（實(shí)際厚度與平均厚度的偏差越小，產(chǎn)品質(zhì)量越高）也是衡量外延片品質(zhì)的重要指標(biāo)。

摻雜濃度：性能調(diào)控的核心

控制外延層的摻雜濃度對SiC功率器件的性能至關(guān)重要。在水平式外延生長中，氣體高速流入生長腔室，中心流速高，兩側(cè)接近生長腔室邊界的地方流速降低；同時(shí)在氣體流動(dòng)的方向上，隨著反應(yīng)氣體的消耗，反應(yīng)氣體的濃度降低，這些現(xiàn)象會(huì)引起SiC外延層厚度和濃度的不均勻，進(jìn)而影響器件的性能。

缺陷控制：良率提升的關(guān)鍵

根據(jù)晶體缺陷理論，SiC外延材料的主要缺陷可歸納為4大類:點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)(屬于線缺陷)、層錯(cuò)(屬于面缺陷)和表面缺陷(屬于體缺陷)。

點(diǎn)缺陷主要有硅空位、碳空位、硅碳雙空位等缺陷，它們在禁帶中產(chǎn)生深能級中心，影響材料的載流子壽命；SiC材料的位錯(cuò)包括螺位錯(cuò)、刃位錯(cuò)和基平面位錯(cuò)。SiC外延層的位錯(cuò)缺陷基本都和襯底相關(guān)；SiC外延層中的層錯(cuò)缺陷會(huì)對器件性能產(chǎn)生不利影響，例如漏電流的增加。降低外延生長速率、原位氫氣刻蝕優(yōu)化、增加生長溫度、改善襯底質(zhì)量都可以有效降低層錯(cuò)數(shù)量；SiC外延的表面缺陷與器件性能的影響目前也已經(jīng)有了較多的研究報(bào)道，除淺坑缺陷外，其他表面缺陷基本都會(huì)對器件的性能產(chǎn)生一定的不利影響，導(dǎo)致器件擊穿電壓降低或者反向漏流增加。降低淺坑的主要途徑包括:優(yōu)選襯底位錯(cuò)數(shù)量較少的優(yōu)質(zhì)襯底、降低碳硅比和降低外延生長速率。

04 結(jié)語

碳化硅外延晶片是碳化硅功率器件從材料走向應(yīng)用的核心橋梁，也是決定器件性能、可靠性與良率的關(guān)鍵載體。作為SiC產(chǎn)業(yè)鏈中承上啟下的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，外延技術(shù)的成熟度與品質(zhì)把控能力，不僅決定器件的最終表現(xiàn)，更將深刻影響新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

參考來源：

郭鈺等.碳化硅同質(zhì)外延質(zhì)量影響因素的分析與綜述

劉英斌.4H-N型碳化硅外延片濃度均勻性控制技術(shù)研究

孫帥.碳化硅摻雜外延生長及缺陷研究

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