碳化硅外延，“初学者”该了解哪些？

报告主题：碳化硅外延，“初学者”该了解哪些？

报告作者：Michael MacMillan（Epiluvac USA）

报告内容包含：（具体内容详见下方全部报告内容）

• 为什么碳化硅在电力电子领域备受关注？
• SiC供应链概览
• SiC外延--生长的基本原理
• 碳化硅外延设备
• 外延的表征技术和要求
• 总结

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报告详细内容

# 由于Si与C双原子层堆积序列的差异会导致不同的晶体结构，SiC有着超过200种（目前已知）同质多型族

最被人熟知的便是立方密排的3C-SiC和六方密排的2H-SiC、4H-SiC、6H-SiC（碳化硅具有优良的物理和化学性能）

最常用的多型是：

4H-SiC——功率集成电路应用

6H-SiC——射频应用

在不同的晶面上生长不同的晶锭多型体：

4H-SiC——在碳 (C) 面晶种上生长

6H-SiC——在硅 (Si) 面晶种上生长

与硅相比，SiC的多型性使SiC的外延生长和衬底制备更加复杂。

# 4H-SiC是功率器件的最佳选择

（6H-SiC的电子迁移率是各向异性的）

# SiC 相对于 Si 器件的优势

• SiC 的宽带隙允许更薄的外延层来阻挡给定的电压

• 较薄的漂移层降低了整体器件电阻

• 更高的电子饱和速度允许更高频率的运行

• SiC 的高导热性允许器件在 > 200C 的高温下运行

# 碳化硅供应链概览

# SiC外延生长：常见元素

衬底：

•用于电力电子的4H多型

•当前晶圆直径150 mm和200 mm

•定向4°离轴

•双面抛光

•在晶片的硅面上生长的外延

• 需要对硅表面进行仔细的化学机械抛光 (cmp) 以减少缺陷

生长参数：

•温度 ~ 1650 oC

•压力 ~ 50-100 mbar

•硅源

•碳源

•掺杂气体

•C/Si 比率——用于掺杂控制

•涂层石墨

外延片表征：

•厚度 - 目标和均匀度

•掺杂 - 目标和均匀度

•缺陷（表面缺陷、位错缺陷）

•晶圆形状（弓形等）

...

# SiC 外延生长的通用工艺示意图（温度与时间）

# SiC外延生长工艺:台阶流生长

# SiC外延工艺:气体流速和比率

碳化硅外延生长率

• 生长速度与Si 流量成正比

碳化硅外延掺杂受C/Si比控制

# 近 30 年的 SiC 外延系统演变

Epigress热壁式SiC外延生长系统

• 单晶片 2” 直径

• 手动装载和卸载外延片

• 过程手动控制

• 基于硅烷 (SiH4) 的工艺 – 不含氯

• 增长率限制在 10 微米/小时左右

Aixtron 暖壁系统

• 多晶片 6” 直径 (8”)

• 自动加载和卸载外延片

• 配方控制过程

• 基于氯硅烷的工艺

• (TCS) 增长率通常为 30 微米/小时

• 主要用于>30um 的外延层

Epiluvac 集群式热壁系统

• 最大直径为 8 英寸的单晶片室

• 腔室可以组合在一个集群设备中，用于不同的掺杂层（n、p 型）

• 腔室之间的晶片转移发生在空闲温度和真空下。

• 外延片的自动加载锁定加载、预热、冷却和卸载

• 通过配方控制过程

• 基于氯硅烷 (TCS) 的工艺证明生长速率超过 100 um/hr

# SiC外延设备的配置

# 热壁 SiC 外延反应器热区 - 示意图

# 行星式 SiC 外延反应器组件

# 外延表征

在每个外延片上收集的数据

在选定的样品外延片上收集的数据

# 外延厚度表征

# 外延掺杂表征

# 外延片形状表征

（通过电容探针技术测量外延片形状）

# SiC外延缺陷

# SiC外延表面缺陷

# 用 UVPL 检测碳化硅外延位错缺陷

# 总结

• 碳化硅在电力电子领域的发展迅速

• 为了向行业提供高质量的外延片，需要：

• 了解 SiC 外延生长过程至关重要

衬底

成长参数与机制

表征设备和技术

• SiC 外延设备——有多种选择（现在与未来）

• 外延片表征技术和商业要求

厚度和掺杂准确度和均匀度

缺陷类型和控制

特殊要求

# 作者个人简介

参考来源：Michael MacMillan（Epiluvac USA）