碳化矽 (SiC) 因其寬帶隙、高熱導率、高击穿電場和高電子漂移速度，已成為高性能功率半導體元件的關鍵材料。這些特性使 SiC 功率元件成為電動車、儲能系統和可再生能源變換器的理想材料，與傳統矽元件相比，它具有更低的傳導損耗和更高的效率。本文將針對 SiC 功率元件製造提供詳細的技術概述，重點在於基板、磊晶生長、摻雜控制、缺陷管理以及目前的產業趨勢。.
1.核心材料： 4H-SiC 單晶基板
4H-SiC 是功率元件製造中最常用的多晶矽類型。4H “表示沿 c 軸的堆疊順序，其中四個 Si-C 雙層形成一個六角單元胞（ABCB 堆疊）。主要的材料優勢包括
| 財產 | 價值 | 意義 |
|---|---|---|
| 帶隙 | ~3.3 eV | 高溫操作 |
| 關鍵分解領域 | 2-3 MV/cm | 高電壓耐受性 |
| 熱傳導 | ~4.9 W/cm-K | 高效散熱 |
| 電子漂移速度 | ~2×10⁷ cm/s | 適合高頻操作 |
這些特性使 4H-SiC 成為製造高電壓、高電流、高溫和高頻元件的理想選擇。.
2.基板方向與離軸設計
SiC {0001} 晶面可分為以下幾種：
- Si-face (0001):最上面的原子是矽。表面特性有利於受控的外延生長和低缺陷密度。.
- C 面 (000-1):最上面的原子是碳。高化學活性會導致更快的成長速度，但會增加缺陷的形成，以及更具挑戰性的摻雜控制。.
商用功率元件幾乎完全使用矽面離軸基板，通常朝 方向傾斜 3.5°-4°。這會產生原子階梯，支援階梯式生長、抑制二維核形成、減少缺陷，並產生原子級平坦的磊晶層。.
3.SiC 磊晶成長製程
外延生長是在單晶基板上沉積單晶 SiC 層，並保持相同的晶體結構。它形成裝置的有源區域，例如 MOSFET 漂移層和 P+ 層。標準的方法是 化學氣相沉積 (CVD).
3.1 基材製備
| 步驟 | 目的 | 典型參數 |
|---|---|---|
| 氫蝕刻 | 去除刮痕、原生氧化物、污染，形成原子階層 | 1500-1650°C, 數分鐘 |
| 清潔 | 去除微粒和金屬離子 | RCA 無線 (SC1、SC2、DHF) |
3.2 磊晶生長參數
| 參數 | 典型範圍 | 注意事項 |
|---|---|---|
| 溫度 | 1500-1650°C | 高溫可促進前體分解和原子表面擴散 |
| 壓力 | 100-300 毫巴 | 低壓可改善厚度均勻性，減少微粒形成 |
| 矽源 | SiH₄ 或 SiH₂Cl₂ | SiH₂Cl₂ 優先抑制 3C-SiC 聚類和三角形缺陷 |
| 碳源 | C₃H₈ (丙烷) 或 C₂H₄ (乙烯) | 丙烷最常見；乙烯用於低溫生長或改善均一性 |
| Si/C 比率 | 0.7-1.0 | 略微富含 C，以避免矽滴和多晶型內含物 |
| 摻雜（N 型） | N₂ 或 NH₃ | NH₃ 提供更高的效率和更少的前體需求 |
| 摻雜（P 型） | TMA 或 TEA | 效率低，需要精確控制以防止 Al-C 複合物的形成 |
| 成長率 | 5-20 µm/h | 平衡生產效率與瑕疵控制 |
| 階梯式成長 | 透過離軸基板和可控溫度、壓力、Si/C 比率實現 | 抑制 2D 成核、減少缺陷、確保原子平面度 |
在生長過程中，金屬原子會優先結合在階梯邊緣，而階梯則會在梯田上擴散，形成平滑、低缺陷的磊晶層。.
3.3 冷卻與卸載
生長完成後，晶圓會在 H₂ 或惰性氣體下冷卻，以防止熱應力和晶圓破裂。只有在達到安全溫度後，晶圓才會從反應器中取出。.
4.缺陷類型與挑戰
SiC 磊晶在缺陷控制方面面臨數項重大挑戰：
| 缺陷類型 | 原因 | 對裝置的影響 |
|---|---|---|
| 三角形缺陷 | 基板微粒、刮痕、3C-SiC 夾雜物 | 降低良率和可靠性 |
| 胡蘿蔔缺陷 | 碳雜質或基板缺陷 | 表面粗糙度、局部缺陷 |
| 多型包含 | 3C-SiC 晶粒 | 破壞單晶體完整性 |
| 基板遺傳缺陷 | 基底平面位錯 (BPD)、穿紋邊緣位錯 (TED) | BPD 在高電場下可轉換為堆疊斷層，增加導通電阻 |
優化的階梯流生長和仔細的基板製備可以部分阻斷 BPD 的傳播並降低其影響。.
5.產業趨勢
- 較大的晶圓尺寸:從 100 mm 晶圓過渡到 150 mm 和 200 mm 晶圓，以提高單晶利用率。.
- 較低的缺陷密度:優化溫度、壓力、Si/C 比率和前體選擇，以減少 BPD 和三角形缺陷。.
- 改善藥檢:特別適用於 P 型摻雜，以達到均勻性和效率。.
- 高成長率:探索 >30 µm/h 的生長速度，同時使用 SiHCl₃ (TCS) 等先進前體來維持品質。.
- 原位監測:雷射干涉儀、光學高温測量法和橢圓測量法可即時監控成長。.
- 多層結構:用於 MOSFET 和 IGBT 等複雜裝置的 N+/N-/P-well/N+ 層的精密磊晶。.
6.總結
在 4H-SiC Si 面離軸基板上進行 SiC 外延生長是高性能功率器件的基礎。掌握基板取向、離軸設計、階段流生長以及 CVD 參數的精確控制對於實現低缺陷、均勻且高品質的磊晶層至關重要。晶圓尺寸、生長率、缺陷控制和原位監控方面的持續進步，將繼續推動 SiC 裝置朝著更高效能、更低成本和更廣泛應用於節能電子產品的方向發展。.