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【原创】半导体行业方兴未艾,关于碳化硅单晶你了解多少?

   2021-12-27 中国粉体网4550
导读

日前,重庆市地勘局川东南地质大队提交的重庆市合川区大石盐矿区外围普查地质报告通过评审。专家组确认,本次普查工作探获的岩

中国粉体网讯  我国半导体产业起步较晚,整体上落后于以美国、日本为代表的国际半导体强国,但凭借政府持续出台的多项半导体行业政策的支持,半导体产业发展迅速。



作为半导体产业中的衬底材料,碳化硅单晶具有优异的热、电性能,在高温、高频、大功率、抗辐射集成电子器件领域有着广泛的应用前景。


1 半导体行业发展历程


众所周知,半导体产业发展至今经历了三个阶段。


阶段一:20世纪50~60年代,硅和锗构成了第一代半导体材料,主要应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中。相比于锗半导体器件,硅材料制造的半导体器件耐高温和抗辐射性能较好。直到现在,我们使用的半导体产品大多是基于硅材料的。


阶段二:进入20世纪90年代后,砷化镓、磷化铟代表了第二代半导体材料,可用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件。因信息高速公路和互联网的兴起,第二代半导体材料被广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信和GPS导航等领域。


阶段三:与前两代半导体材料相比,第三代半导体材料通常又被称为宽禁带半导体材料或高温半导体材料。其中,碳化硅和氮化镓在第三代半导体材料中是发展成熟的代表。


2 碳化硅单晶特点


碳化硅单晶作为第三代半导体中的典型材料,具有禁带宽度大(2.3~3.3eV)、击穿电场高(0.8~3.0MV/cm)、饱和电子漂移速率高(2.0×107cm/s)和热导率高(3~4.9W/(cm·K))等特点,这些特点十分符合高频高功率电子器件的需求,是传统半导体无法代替的。随着单晶材料的技术突破,这些性质使得SiC成为研究和产业的热点,有力推动了SiC单晶材料的进展。


3 碳化硅单晶的生长方式


目前碳化硅单晶的生长方法主要包括以下三种:液相法、高温化学气相沉积法、物理气相传输法。


(1)液相法


液相法生长碳化硅单晶最早是由德国人于1999年提出的。近年以来,日本的一些单位又对于液相法生长碳化硅进行了大量的研究改进。下图是碳化硅液相生长装置及温度梯度示意图。采用射频感应线圈对反应容器进行加热,选用石墨材料作为坩埚,同时将其作为碳源,在石墨坩埚中填充硅熔体。将碳化硅晶种放置在石墨坩埚顶部,刚好与熔体接触,控制晶种温度略低于熔体温度。利用温度梯度作为生长驱动力来实现晶体的生长。生长一般在惰性气体气氛(如Ar)中进行,生长温度在1750~2100℃之间。为了提高晶体的生长速率,在生长过程中可以调节石墨坩埚和种子晶体的旋转方向和旋转速度。



碳化硅单晶液相生长装置及温度分布示意图



(2)高温化学气相沉积法


高温化学气相沉积法(HTCVD)由瑞典Okmetric公司于20世纪90年代提出,并用于生长碳化硅单晶。下图为碳化硅单晶高温化学气相沉积生长装置原理图。在此方法中,碳化硅单晶在一个垂直形态的石墨坩埚中进行生长,H2或He作为载气,SiH4、C2H4或C3H8分别作为Si源和C源。在反应腔室高温区,源气体发生分解并相互作用生成SiC。该方法设备费用昂贵,生长成本较高,限制了其推广应用。




碳化硅单晶高温化学气相沉积生长装置及温度分布示意图



(3)物理气相传输法



物理气相传输法(PVT法),又称为籽晶升华法、改进Lely法。SiC在常压高温下不熔化,但在1800℃以上的高温时,会发生分解升华成多种气相组分,这些气相组分在运输至较低温度时又会发生反应,重新结晶生成固相SiC,PVT法正是利用了该特性。该方法于1978年首次提出,是在Lely法的基础上进一步改进得来的,其生长装置如下图所示。PVT法是目前SiC单晶生长研究最多、最成熟的技术。


 

物理气相传输法生长装置示意图



4 碳化硅单晶加工工艺过程



碳化硅单晶的加工过程主要分为切片、薄化和抛光。



(1)碳化硅单晶的切片


作为碳化硅单晶加工过程的第一道工序,切片的性能决定了后续薄化、抛光的加工水平。切片加工易在晶片表面和亚表面产生裂纹,增加晶片的破片率和制造成本,因此控制晶片表层裂纹损伤,对推动碳化硅器件制造技术的发展具有重要意义。


目前碳化硅切片加工技术主要包括固结、游离磨料切片、激光切割、冷分离和电火花切片,不同技术对应的性能指标如下表所示,其中往复式金刚石固结磨料多线切割是最常应用于加工碳化硅单晶的方法。


不同切割工艺性能对比表




(2)碳化硅晶片的薄化


碳化硅断裂韧性较低,在薄化过程中易开裂,导致碳化硅晶片的减薄非常困难。碳化硅切片的薄化主要通过磨削与研磨实现。


晶片磨削最具代表性的形式是自旋转磨削,晶片自旋转的同时,主轴机构带动砂轮旋转,同时砂轮向下进给,进而实现减薄过程。但砂轮易随加工时间增加而钝化,使用寿命短且晶片易产生损伤,严重制约加工精度和效率,为了解决这些问题,研究人员开发出了不同的辅助技术,如砂轮在线修整,或研制新型软磨料砂轮,目前主要的技术包括超声振动辅助磨削和在线电解修整辅助磨削。为防止碎片,优化单面研磨技术是未来薄化加工大尺寸碳化硅晶片的主要技术发展趋势。



(3)碳化硅晶片的抛光



抛光工艺的实质是离散原子的去除。碳化硅单晶衬底要求被加工表面有极低的表面粗糙度,Si面在0.3nm之内,C面在0.5nm之内。



碳化硅晶片的抛光工艺可分为粗抛和精抛。粗抛为机械抛光,目的在于提高抛光的加工效率,其关键研究方向在于优化工艺参数,改善晶片表面粗糙度,提高材料去除率。精抛为单面抛光,作为单晶衬底加工的最后一道工艺,化学机械抛光是实现碳化硅衬底全局平坦化的常用方法,也是保证被加工表面实现超光滑、无缺陷损伤的关键工艺。




SiC精抛工艺对比



5 挑战与产业现状



器件的飞速发展和应用的扩展给SiC单晶带来诸多挑战。



一是成本问题,SiC衬底的价格仍远远高于Si、蓝宝石等衬底。降低成本需要更加成熟的生长和加工技术,需要提高衬底材料的成品率,另外,通过扩径研究增大面积,降低单个器件成本。


二是单晶质量方面的问题。SiC单晶衬底的位错密度仍高达103/cm2以上,其面型参数如Warp等也难以控制。因此如何控制相关参数,减低缺陷密度、控制面型是6英寸和8英寸衬底质量优化的主要工作。


最后一个技术挑战是包括新的生长方法、温场设计、掺杂和加工等技术探索。现阶段如高温化学气相沉积法、液相生长技术仍在研发阶段,需要进一步的关注。


 
(文/小编)
 
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