碳化硅長晶“黑匣子”揭秘：如何從47%的成本中摳出利潤？

在碳化硅產業鏈中，由于襯底占器件總成本的47%，因此降低晶體缺陷，提升晶體生長良率是助推碳化硅實現大規模產業化應用的主要途徑。

制備碳化硅單晶的主流方法是物理氣相傳輸法（PVT），結構主要由石英管腔體、發熱體（感應線圈或石墨加熱器）、石墨碳氈隔熱材料、石墨坩堝、碳化硅籽晶、碳化硅粉體和高溫測量溫度計組成，其中碳化硅粉料位于石墨坩堝底部，籽晶固定在坩堝頂部。

晶體生長工藝過程為：通過加熱（感應或電阻式）使坩堝底部溫度達到2 100～2 400℃，位于坩堝底部的碳化硅粉料在高溫下進行分解并產生Si、Si2C和SiC2等氣相物質，在腔體內部溫度梯度和濃度梯度的作用下，氣象物質被輸送到溫度較低的籽晶表面并逐步實現凝結成核，最終實現碳化硅晶體的生長。

影響SiC單晶品質關鍵技術要點

中國電子科技集團公司第二研究所專研第三代半導體材料裝備與工藝的高級工程師認為，采用物理氣相傳輸法生長碳化硅晶體需要注意以下5大技術要點：

第一，長晶溫場內部石墨材料純度要到達要求。

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，二者在碳化硅生長過程中會產生游離的空穴，兩種元素過多會導致碳化硅的電學性能不穩定，影響碳化硅器件的性能。同時雜質的存在可能導致晶體缺陷、位錯，最終影響晶體的品質。

第二，籽晶極性選擇要正確。

經驗證在C（0001）面可用于生長4H-SiC晶體，Si（0001）面用于生長6H-SiC晶體。

第三，使用偏軸籽晶生長。

偏軸籽晶的角度優值為4°，并指向[1120]晶向，因為偏軸籽晶不僅可以改變晶體生長的對稱性，減少晶體中的缺陷，還可以使晶體沿著特定的晶向生長，有利于制備單一晶型的晶體，同時可以使晶體生長更加均勻，減少晶體中的內應力和應變，提高晶體質量。

第四，良好的籽晶粘接工藝。

籽晶的背面在高溫下發生分解升華，在長晶過程中晶體內部會形成六方空洞，甚至生成微管缺陷，嚴重會生成大面積多型晶體。為此，需對籽晶背面進行預處理，可以在籽晶Si面涂抹一層厚度約為20μm的致密光刻膠，經過600℃左右的高溫碳化，形成一層致密的碳化膜層，再經過高溫和壓力作用與石墨板或石墨紙粘結，這樣得到的籽晶可以大大改善晶體的結晶質量，并可有效抑制籽晶背面燒蝕。

第五，在長晶周期中保持晶體生長界面穩定性。

隨著碳化硅晶體厚度逐漸增加，長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，導致長晶界面的生長環境發生變化，界面的熱場、碳硅比等參數面臨波動的風險，同時使得氣氛物質輸送速率下降，長晶速度減慢，給晶體持續穩定生長帶來風險。

可以通過優化結構和控制方式在一定程度上緩解上述問題，增加坩堝運動機構，并控制坩堝以長晶速率沿軸性方向緩慢向上移動，來滿足長晶界面生長環境的穩定性，并持續保持穩定的軸向和徑向溫度梯度。

碳化硅晶體生長5個關鍵技術

據中國電子科技集團公司第二研究所的研究人員介紹，生長單一的4H-SiC晶型有助于避免晶體中缺陷的產生，也是制備高品質碳化硅晶體的必要條件。

碳化硅粉料摻雜技術

在碳化硅粉料中摻雜適量的Ce元素，可以實現對4H-SiC單一晶型穩定生長的作用。實踐證明，在粉料對Ce元素的摻雜，可以提高碳化硅晶體的生長速率，使晶體生長得更快；可以控制碳化硅的取向，即使得晶體生長方向更單一，更規則；抑制晶體中雜質的產生，減少缺陷的生成，更易獲取單一晶型的晶體和高品質的晶體；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。

軸向與徑向溫場梯度控制技術

碳化硅長晶的溫度場由兩部分構成：一個是晶體生長的徑向溫度梯度，另一個是晶體生長軸向溫度梯度。

徑向溫度梯度主要對生長的晶型產生影響，具體表現為生長出的晶體表面顯示凹或凸的界面，其中凹的界面會引起6H或15R多型，凸的界面是由于徑向梯度過大使緩慢生長的臺階發生聚并導致生長基平面與邊緣部分之間形成比較陡的臺階。

軸向溫度梯度主要對晶體生長晶型和長晶效率產生影響，過小的溫度梯度在長晶過程中會導致雜晶的出現，同時會影響氣相物質的運輸速率，導致長晶速率降低。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（BPD）控制技術

BPD缺陷形成的主要原因是晶體中的剪切應力超過SiC晶體的臨界剪切應力，導致滑移系統的激活。這種缺陷會導致碳化硅器件SiC pn結二極管在長期正向電壓工作后出現劣化，或使功率金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）和結晶型場效應晶體管（JFET）在阻斷模式下漏電流增大，從而限制SiC器件的應用。

由于BPD垂直于晶體生長方向，所以主要是在晶體生長過程中和后期晶體冷卻過程中產生的。抑制BPD的采取的主要方法是：1）調節晶體生長后期的冷卻速率，2）優化籽晶粘接工藝，3）采用與SiC籽晶的熱膨脹系數相近的石墨坩堝。

氣相組分比調節控制技術

在晶體生長工藝中，提高生長環境中的碳硅比氣相組分比是實現單一晶型穩定生長的有效措施。因為高的碳硅比可以減少大的臺階聚并，保持籽晶表面生長信息的遺傳，所以可以抑制多型產生。

通過一些方法可以提高生長環境中的碳硅比：

1）4H-SiC單晶生長溫度窗口中盡可能提高坩堝底部的溫度，使粉料充分升華實現氣相質量運輸，使得生長界面出現富C環境。

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。同時石墨坩堝也可以與Si氣氛反應生成Si2C、SiC2和SiC，相當于Si氣氛從石墨坩堝上將C源帶入了生長氣氛中，增加了C的比率，也可以增大碳硅比，因此可以通過采用大氣孔率的石墨坩堝增大碳硅比，抑制多型產生。

3）在碳化硅長晶工藝中，采用多孔石墨板或增加多孔石墨桶來實現生長環境中的碳硅比氣相組分。

低應力控制技術

在晶體生長過程中，由于應力的存在會導致SiC晶體內部晶面彎曲，導致晶體質量差，甚至晶體開裂，而且大的應力會導致晶片的基平面位錯的增加，這些缺陷會在外延工藝時進入外延層嚴重影響后期器件的性能。

為了減小晶體內的應力，可以采取幾種方法改進工藝：

1）調整溫場分布和工藝參數，使SiC單晶生長盡可能在近平衡狀態下生長。

2）優化坩堝結構形狀，盡量使晶體在無束縛狀態下自由的生長。

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程中的膨脹系數差異，減小4H-SiC單晶內部的應力，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，并調整晶體退火溫度和退火時間，充分釋放晶體內部的應力。

資料來源：王宏杰等，高品質碳化硅單晶制備技術，中國電子科技集團公司第二研究所