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【原創(chuàng)】半導(dǎo)體行業(yè)方興未艾,關(guān)于碳化硅單晶你了解多少?


來(lái)源:中國(guó)粉體網(wǎng)   星耀

[導(dǎo)讀]  作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的襯底材料,碳化硅單晶具有優(yōu)異的熱、電性能,在高溫、高頻、大功率、抗輻射集成電子器件領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

中國(guó)粉體網(wǎng)訊  我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)起步較晚,整體上落后于以美國(guó)、日本為代表的國(guó)際半導(dǎo)體強(qiáng)國(guó),但憑借政府持續(xù)出臺(tái)的多項(xiàng)半導(dǎo)體行業(yè)政策的支持,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。


 

圖片來(lái)源:pexels


作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的襯底材料,碳化硅單晶具有優(yōu)異的熱、電性能,在高溫、高頻、大功率、抗輻射集成電子器件領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景


1 半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展歷程


眾所周知,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今經(jīng)歷了三個(gè)階段。


階段一:20世紀(jì)50~60年代,硅和鍺構(gòu)成了第一代半導(dǎo)體材料,主要應(yīng)用于低壓、低頻、中功率晶體管以及光電探測(cè)器中。相比于鍺半導(dǎo)體器件,硅材料制造的半導(dǎo)體器件耐高溫和抗輻射性能較好。直到現(xiàn)在,我們使用的半導(dǎo)體產(chǎn)品大多是基于硅材料的。


階段二:進(jìn)入20世紀(jì)90年代后,砷化鎵、磷化銦代表了第二代半導(dǎo)體材料,可用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件。因信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起,第二代半導(dǎo)體材料被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、移動(dòng)通訊、光通信和GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域。


階段三:與前兩代半導(dǎo)體材料相比,第三代半導(dǎo)體材料通常又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料或高溫半導(dǎo)體材料。其中,碳化硅和氮化鎵在第三代半導(dǎo)體材料中是發(fā)展成熟的代表。


2 碳化硅單晶特點(diǎn)


碳化硅單晶作為第三代半導(dǎo)體中的典型材料,具有禁帶寬度大(2.3~3.3eV)、擊穿電場(chǎng)高(0.8~3.0MV/cm)、飽和電子漂移速率高(2.0×107cm/s)和熱導(dǎo)率高(3~4.9W/(cm·K))等特點(diǎn),這些特點(diǎn)十分符合高頻高功率電子器件的需求,是傳統(tǒng)半導(dǎo)體無(wú)法代替的。隨著單晶材料的技術(shù)突破,這些性質(zhì)使得SiC成為研究和產(chǎn)業(yè)的熱點(diǎn),有力推動(dòng)了SiC單晶材料的進(jìn)展。


3 碳化硅單晶的生長(zhǎng)方式


目前碳化硅單晶的生長(zhǎng)方法主要包括以下三種:液相法、高溫化學(xué)氣相沉積法、物理氣相傳輸法。


(1)液相法


液相法生長(zhǎng)碳化硅單晶最早是由德國(guó)人于1999年提出的。近年以來(lái),日本的一些單位又對(duì)于液相法生長(zhǎng)碳化硅進(jìn)行了大量的研究改進(jìn)。下圖是碳化硅液相生長(zhǎng)裝置及溫度梯度示意圖。采用射頻感應(yīng)線圈對(duì)反應(yīng)容器進(jìn)行加熱,選用石墨材料作為坩堝,同時(shí)將其作為碳源,在石墨坩堝中填充硅熔體。將碳化硅晶種放置在石墨坩堝頂部,剛好與熔體接觸,控制晶種溫度略低于熔體溫度。利用溫度梯度作為生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)晶體的生長(zhǎng)。生長(zhǎng)一般在惰性氣體氣氛(如Ar)中進(jìn)行,生長(zhǎng)溫度在1750~2100℃之間。為了提高晶體的生長(zhǎng)速率,在生長(zhǎng)過(guò)程中可以調(diào)節(jié)石墨坩堝和種子晶體的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度。

 

碳化硅單晶液相生長(zhǎng)裝置及溫度分布示意圖


(2)高溫化學(xué)氣相沉積法


高溫化學(xué)氣相沉積法(HTCVD)由瑞典Okmetric公司于20世紀(jì)90年代提出,并用于生長(zhǎng)碳化硅單晶。下圖為碳化硅單晶高溫化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)裝置原理圖。在此方法中,碳化硅單晶在一個(gè)垂直形態(tài)的石墨坩堝中進(jìn)行生長(zhǎng),H2或He作為載氣,SiH4、C2H4或C3H8分別作為Si源和C源。在反應(yīng)腔室高溫區(qū),源氣體發(fā)生分解并相互作用生成SiC。該方法設(shè)備費(fèi)用昂貴,生長(zhǎng)成本較高,限制了其推廣應(yīng)用。


 

碳化硅單晶高溫化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)裝置及溫度分布示意圖


(3)物理氣相傳輸法


物理氣相傳輸法(PVT法),又稱為籽晶升華法、改進(jìn)Lely法。SiC在常壓高溫下不熔化,但在1800℃以上的高溫時(shí),會(huì)發(fā)生分解升華成多種氣相組分,這些氣相組分在運(yùn)輸至較低溫度時(shí)又會(huì)發(fā)生反應(yīng),重新結(jié)晶生成固相SiC,PVT法正是利用了該特性。該方法于1978年首次提出,是在Lely法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)得來(lái)的,其生長(zhǎng)裝置如下圖所示。PVT法是目前SiC單晶生長(zhǎng)研究最多、最成熟的技術(shù)。

 

物理氣相傳輸法生長(zhǎng)裝置示意圖


4 碳化硅單晶加工工藝過(guò)程


碳化硅單晶的加工過(guò)程主要分為切片、薄化和拋光。


(1)碳化硅單晶的切片


作為碳化硅單晶加工過(guò)程的第一道工序,切片的性能決定了后續(xù)薄化、拋光的加工水平。切片加工易在晶片表面和亞表面產(chǎn)生裂紋,增加晶片的破片率和制造成本,因此控制晶片表層裂紋損傷,對(duì)推動(dòng)碳化硅器件制造技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。


目前碳化硅切片加工技術(shù)主要包括固結(jié)、游離磨料切片、激光切割、冷分離和電火花切片,不同技術(shù)對(duì)應(yīng)的性能指標(biāo)如下表所示,其中往復(fù)式金剛石固結(jié)磨料多線切割是最常應(yīng)用于加工碳化硅單晶的方法。


不同切割工藝性能對(duì)比表

 


(2)碳化硅晶片的薄化


碳化硅斷裂韌性較低,在薄化過(guò)程中易開(kāi)裂,導(dǎo)致碳化硅晶片的減薄非常困難。碳化硅切片的薄化主要通過(guò)磨削與研磨實(shí)現(xiàn)。


晶片磨削最具代表性的形式是自旋轉(zhuǎn)磨削,晶片自旋轉(zhuǎn)的同時(shí),主軸機(jī)構(gòu)帶動(dòng)砂輪旋轉(zhuǎn),同時(shí)砂輪向下進(jìn)給,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)減薄過(guò)程。但砂輪易隨加工時(shí)間增加而鈍化,使用壽命短且晶片易產(chǎn)生損傷,嚴(yán)重制約加工精度和效率,為了解決這些問(wèn)題,研究人員開(kāi)發(fā)出了不同的輔助技術(shù),如砂輪在線修整,或研制新型軟磨料砂輪,目前主要的技術(shù)包括超聲振動(dòng)輔助磨削和在線電解修整輔助磨削。為防止碎片,優(yōu)化單面研磨技術(shù)是未來(lái)薄化加工大尺寸碳化硅晶片的主要技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。


(3)碳化硅晶片的拋光


拋光工藝的實(shí)質(zhì)是離散原子的去除。碳化硅單晶襯底要求被加工表面有極低的表面粗糙度,Si面在0.3nm之內(nèi),C面在0.5nm之內(nèi)。


碳化硅晶片的拋光工藝可分為粗拋和精拋。粗拋為機(jī)械拋光,目的在于提高拋光的加工效率,其關(guān)鍵研究方向在于優(yōu)化工藝參數(shù),改善晶片表面粗糙度,提高材料去除率。精拋為單面拋光,作為單晶襯底加工的最后一道工藝,化學(xué)機(jī)械拋光是實(shí)現(xiàn)碳化硅襯底全局平坦化的常用方法,也是保證被加工表面實(shí)現(xiàn)超光滑、無(wú)缺陷損傷的關(guān)鍵工藝。


SiC精拋工藝對(duì)比

 


5 挑戰(zhàn)與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀


器件的飛速發(fā)展和應(yīng)用的擴(kuò)展給SiC單晶帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)。


一是成本問(wèn)題,SiC襯底的價(jià)格仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Si、藍(lán)寶石等襯底。降低成本需要更加成熟的生長(zhǎng)和加工技術(shù),需要提高襯底材料的成品率,另外,通過(guò)擴(kuò)徑研究增大面積,降低單個(gè)器件成本。


二是單晶質(zhì)量方面的問(wèn)題。SiC單晶襯底的位錯(cuò)密度仍高達(dá)103/cm2以上,其面型參數(shù)如Warp等也難以控制。因此如何控制相關(guān)參數(shù),減低缺陷密度、控制面型是6英寸和8英寸襯底質(zhì)量?jī)?yōu)化的主要工作。


最后一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)是包括新的生長(zhǎng)方法、溫場(chǎng)設(shè)計(jì)、摻雜和加工等技術(shù)探索。現(xiàn)階段如高溫化學(xué)氣相沉積法、液相生長(zhǎng)技術(shù)仍在研發(fā)階段,需要進(jìn)一步的關(guān)注。


參考來(lái)源:

【1】張璽,等.碳化硅單晶襯底加工技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).中央民族大學(xué)學(xué)報(bào).2021.

【2】龐龍飛,等.,SiC晶片超精密化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù).微納電子技術(shù).2021.

【3】 申思.國(guó)產(chǎn)碳化硅晶片產(chǎn)業(yè)的探路先鋒.科研技術(shù).2018.

【4】 郭金笛.碳化硅基半導(dǎo)體材料硬度及熱導(dǎo)率研究.山東大學(xué).2021.

(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/星耀)

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