第三代半导体器件制备关键环节：外延（上）

以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料，由于其宽带隙、高电子饱和漂移速度、高热导率、大击穿场强等优势，是制备高功率密度、高频率、低损耗电子器件的理想材料。其中， SiC功率器件具有能量密度高、损失小、体积小的优势，在新能源汽车、光伏、轨道交通、大数据等领域具有广阔的应用前景；GaN射频器件具有高频、高功率、较宽频带、低功耗、小尺寸的优势，在 5G 通讯、物联网、军用雷达等领域有广泛的应用。而在加工制备中，衬底上制备高质量外延材料是提高器件性能及可靠性，推动第三代半导体在生产生活中应用的关键，本篇将就此做详细介绍。

一、外延的基本概念

（一）定义

外延（epitaxy）生长是指在经过切、磨、抛等仔细加工的单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸了一段。新单晶可以与衬底为同一材料，也可以是不同材料（同质外延或者是异质外延）。由于新生单晶层按衬底晶相延伸生长，从而被称之为外延层（厚度通常为几微米），而长了外延层的衬底称为外延片（外延片=外延层+衬底），器件制作在外延层上为正外延，若器件制作在衬底上则称为反外延，此时外延层只起支撑作用。目前碳化硅和氮化镓这两种芯片，如果想最大程度利用其材料本身的特性，较为理想的方案便是在碳化硅单晶衬底上生长外延层。

外延片作为半导体原材料，位于半导体产业链上游，是半导体制造产业的支撑性行业。外延片制造商在衬底材料上通过CVD（Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积）设备、MBE（Molecular Beam Epitaxy，分子束外延）设备等进行晶体外延生长、制成外延片。外延片再通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等制造环节制成晶圆。晶圆再被进一步切割成为裸芯片，裸芯片经过于基板固定、加装保护外壳、导线连接芯片电路管脚与外部基板等封装环节，以及电路测试、性能测试等测试环节最终制成芯片。

（二）外延的意义

外延生长技术发展于50年代末60年代初，当时为了制造高频大功率器件，需要减小集电极串联电阻，又要求材料能耐高压和大电流，因此需要在低阻值衬底上生长一层薄的高阻外延层。外延生长的新单晶层可在导电类型、电阻率等方面与衬底不同，还可以生长不同厚度和不同要求的多层单晶，从而大大提高器件设计的灵活性和器件的性能。外延技术作用主要体现在：

1.可以在低（高）阻衬底上外延生长高（低）阻外延层。

2.可以在P（N）型衬底上外延生长N（P）型外延层，直接形成PN结，不存在用扩散法在单晶基片上制作PN结时的补偿的问题。

3.与掩膜技术结合，在指定的区域进行选择外延生长，为集成电路和结构特殊的器件的制作创造了条件。

4.可以在外延生长过程中根据需要改变掺杂的种类及浓度，浓度的变化可以是陡变的，也可以是缓变的。

5.可以生长异质、多层、多组分化合物且组分可变的超薄层。

6.可在低于材料熔点温度下进行外延生长，生长速率可控，可以实现原子级尺寸厚度的外延生长。

7.可以生长不能拉制单晶材料，如GaN，三、四元系化合物的单晶层等。

（三）外延的主要制备工艺

对于化合物半导体来说，外延是非常重要而又与众不同的工艺，而对于不同的材料和应用，主要有分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）、氢化物气相外延（HVPE）、液相外延（LPE）等。相比之下，MOCVD技术生长速率更快，更适合产业化大规模生产；而MBE技术优点是材料的质量非常好，但是生长的速度比较慢，在部分情况如PHEMT（高电子迁移率晶体管）结构、Sb锑化合物半导体的生产中更适合采用；HVPE（氢化物气相外延）技术在氮化镓和氮化铝材料外延上应用较多，目前大部分HVPE设备是自行搭建的，很少有商业化的设备，优点就是生长速率比较快；LPE（液相沉积）是比较早期的外延方法，主要用于硅晶圆，目前已基本被气相沉积技术所取代。

MBE 与 MOCVD 技术对比

二、GaN的外延

不同于Si和SiC芯片，GaN的外延片通常用的是异质衬底，例如蓝宝石、碳化硅、硅等是氮化镓外延片主流的异质衬底材料。从理论上来讲，GaN同质衬底是生长GaN外延层最好的衬底，这样就不存在品格失配和热失配问题，生长出来的外延膜质量将大大提高，位错密度也可降到很低，同时发光效率、器件工作电流密度均会提高。但由于GaN在常压下无法熔化,高温下分解为Ga和N2,在其熔点(2300℃)时的分解压高达6GPa，当前的生长装备很难在GaN熔点时承受如此高的压力,因此传统熔体法无法用于GaN单晶的生长。

各类衬底材料比较

（一）GaN on SiC的制备

宽带隙的碳化硅与GaN晶格失配较小、导电、热导率高，在目前半导体照明芯片上占有优势，将在一定时间范围内领先其他技术方案。SiC衬底的缺点是价格昂贵、折射率较大、缺陷密度高、热失配也较大，由于SiC表面容易形成一种稳定的氧化物，阻止其分解和刻蚀，因此SiC衬底在外延生长前的表面处理非常重要。目前主流SiC衬底尺寸是4-6英寸，8英寸衬底仅有少数公司掌握制造技术，半导电型SiC衬底以n型衬底为主，主要用于外延GaN基LED等光电子器件、SiC基电力电子器件等，半绝缘型SiC衬底主要用于外延制造GaN高功率射频器件。在金属有机化学气相沉积的过程中，包含了复杂的一连串过程：

首先，前驱物借由高精准度的注入喷头（Injector）精确地控制进入汽化反应（Vaporizer）及制程反应腔体（Reactor）反应物的量，并且借由反应气体与其进行化学反应。这些反应后的金属有机化合物，会在基板的表面进行吸附（Adsorption）、表面反应（Surface kinetics）、薄膜成长（Growth），形成一层薄膜。最后，这些未参与反应的反应物，则会进行脱附（Desorption）、真空排气（Evacuation）等过程，使制程反应腔体能保持真空且纯净的环境。采用SiC为衬底的GaN外延生长方法示例：

1.MOCVD生长依次将氮化钛层、氮化铝层和氮化镓层沉积在SiC衬底上，气氛是以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基钛(TDEAT)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、Ti和N源，以氢气(H2)为载气。首先，将SiC衬底置于1200度反应室进行前烘300s，降温至500度，通入氨气8000sccm对衬底进行氮化；

2.然后通入TDEAT三甲基钛气体，流量控制在40sccm，并继续通入氨气8000sccm，时长80s，进行氮化钛沉积，250s进行复原；

3.然后通入TMAl三甲基铝气体50sccm，10000sccm氨气，时长100s，进行氮化铝沉积；

4.最后通入TMGa三甲基镓气体。80sccm，15000sccm氨气，时长150s，进行氮化镓沉积，对反应室气氛复原，完成缓冲层生长。

各家GaN外延生长方法knowhow不一样，属于机密配方。

（二）技术难点

GaN on SiC是目前氮化镓外延的主流技术，主要技术难点如下：

1.衬底表面氧化层、亚表面损伤层、缺陷等影响 GaN 外延层的质量；

2.GaN 在SiC 衬底表面难以成核，由于 Ga 原子在 SiC 衬底表面浸润性差，直接在 SiC 衬底表面生长 GaN 生长速度慢、材料质量差；

3.衬底表面原子排布诱导 GaN 外延层中形成堆垛层错（BSFs），对于 SiC 衬底上外延 GaN，衬底上有多种可能的原子排列次序，导致其上外延 GaN 层初始原子堆垛次序不统一，容易产生堆垛层错。堆垛层错（SFs）沿着 c 轴引入内建电场，导致面内载流子分离以及器件漏电等问题出现；

4.晶格失配与热失配问题。SiC 衬底与 GaN 晶格常数与热膨胀系数不同，使 GaN 层受到压应力，热膨胀系数差异导致生长完成后的降温过程中 GaN 薄膜受到张应力。应力与 GaN 带隙呈线性关系，每 1Gpa 双轴应力带来的带边峰的线性移动为 20±3meV。此外，应力的存在导致 GaN 外延层中产生了高密度的缺陷。

（三）解决方案

1.SiC 衬底表面处理

SiC 衬底表面处理是 SiC 衬底外延 GaN 面临的重要问题之一。早期由于 SiC 衬底切磨抛工艺过程带来的划痕、亚损伤层、污染物残留等问题较多，随着 SiC 晶圆切磨抛工艺以及衬底封装工艺的进步， 衬底表面质量得到改善。目前 SiC 衬底表面采取机械化学抛光的处理方式已做到基本无划痕， 氮气氛围的封装工艺也可避免 SiC 表面与氧气的长时间接触， 因此多数外延不再采用额外的化学腐蚀，而是直接采用原位高温 H2 或 H2/NH3混合气体高温热处理的方式进行衬底处理。

2.外延生长调控

直接在 SiC 衬底表面外延生长 GaN，由于两者间原子浸润性差，GaN 在衬底表面为 3D 岛状生长，外延层受到的应力全部释放，只保留了降温过程中产生的张应力。引入 AlN 缓冲层可有效改善原子浸润性，使 GaN 外延层呈二维生长，缓冲压应力的释放， GaN 外延层仍然保持压应力状态，从而提升 GaN 外延层结晶质量。

(a)GaN/SiC (b)GaN/AIN/SiC外延生长模式

三、SiC 的外延

（一）SiC on SiC的制备

为制作功率器件，需要在碳化硅衬底上生长1层或几层碳化硅薄膜，目前主流的方法是采用CVD法进行同质外延生长，其优点在于对外延层厚度及杂质掺杂的精确控制和均匀性，但有严重的多型体混合问题。早期碳化硅是在无偏角衬底上外延生长的，然而受多型体混合影响，实际外延效果并不理想，难以进而制备器件。之后发展了利用台阶流生长方法在不同偏角下斜切碳化硅衬底，使外延表面形成高密度的纳米级外延台阶，可在1500℃左右的温度下制备均一相的外延层。

台阶控制外延法的优点在于不仅能够实现低温生长，而且能够稳定晶型的控制，其生长温度可以降至1200℃甚至更低而不产生3C-SiC夹杂相，但随着温度降低，表面缺陷密度和背景氮掺杂浓度会显著增加，生长速率也会受到较大影响，因此选择合适的温度和衬底偏角是实现SiC外延快速高质量制备的关键。另这种方法的缺陷在于无法阻断基平面位错和对衬底材料造成浪费。经过几十年的不断发展完善，台阶控制外延法己经比较成熟，成为了碳化硅外延的主要技术方案。

为了突破台阶控制外延法的限制，TCS（三氯氢硅）法应运而生，可以同时实现生长速率大幅提升和质量的有效控制，非常有利于SiC厚膜外延生长。TCS技术率先由LPE在2014年实现商业化，2017年左右Aixtron对设备进行了升级改造，并将该技术移植到了商业的设备中。

（二）重要指标和参数

1.高质量厚膜外延

SiC功率器件中，在外延的 SiC 漂移层中平衡外延层厚度及掺杂浓度是获得高耐压器件的关键。一般低压在600伏，需要的外延厚度大概在6个μm左右，中压1200~1700，厚度就是10~15个μm。高压1万伏以上，大概需要100个μm以上。所以随着电压能力的增加，外延厚度随之增加，高质量外延片的制备也就非常难。

SiC 双极器件中击穿电压对漂移区掺杂浓度和厚度要求

2.掺杂浓度控制

控制外延层的掺杂浓度对 SiC 功率器件的性能至关重要。外延层掺杂浓度与掺杂源流量、C/Si 比、温度、反应室压强、生长速度等生长参数有关。除掺杂浓度以外，外延层的掺杂均匀性是研究者们的另一关注重点，下图（a）展示了衬底转速对径向 n 型掺杂浓度均匀性的影响。可以看出，从衬底中心到边缘，掺杂浓度逐渐增加。提高衬底转速可有效提升载流子浓度分布的均匀性；（b）展示了生长速度对径向掺杂浓度均匀性影响，随着生长速度的升高，径向掺杂浓度均匀性降低。合理的控制外延生长速度有利于掺杂浓度与均匀性的调控，然而 SiC 厚膜外延需要高的生长速度，因而在外延生长过程中，需要基于外延目的调控外延生长参数，最终获得符合要求的外延材料。

（a）衬底转速；（b）生长速度45（三角形）、54（空心圆）、77（实心圆）um/h对径向掺杂浓度均匀性的影响

3.缺陷调控

有效调控 SiC 外延层中的缺陷是确保 SiC 功率器件性能与可靠性的关键。SiC 外延层中的缺陷主要分为层错、位错、表面缺陷及点缺陷。致命性缺陷像三角形缺陷、滴落物，对所有器件类型都有影响，包括二极管、MOSFET、双极性器件，影响最大的就是击穿电压，它可以使击穿电压减少20%，甚至跌到90%； 非致命性缺陷如一些TSD和TED，对二极管可能没有影响，但对MOS、双极器件有寿命的影响，或者漏电的影响，最终影响器件的加工合格率。所以在碳化硅外延中缺陷的控制非常关键。

SiC中的（a）三角形缺陷（b）胡萝卜缺陷（c）彗星型缺陷

更多详见：第三代半导体器件制备关键环节：外延（下）