碳化硅功率器件技能牢靠性之质料篇
媒介
碳化硅财产链包罗碳化硅粉末、碳化硅晶锭、碳化硅衬底、碳化硅外延、碳化硅晶圆、碳化硅芯片和碳化硅器件封装关键。此中衬底、外延片、晶圆、器件封测是碳化硅代价链中最为要害的四个关键，衬底本钱占到碳化硅器件总本钱的50%，外延、晶圆和封装测试本钱分别为25%、20%和5%。碳化硅质料的可靠性对终极器件的性能有着举足轻重的意义，根本半导体从财产链各关键探究质料特性及缺陷孕育发生的缘故原由，与上卑鄙企业协同互助提拔碳化硅功率器件的可靠性。
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碳化硅晶锭生长及制备要领
碳化硅有多达250余种同质异构体，用于制作功率半导体的重要是4H-SiC单晶布局。碳化硅单晶生长历程中，4H晶型生长窗口小，对温度和睦压设计有着严苛尺度，生长历程中操纵不准确将会得到2H、3C、6H和15R等其他布局的碳化硅晶体。
图1 种种碳化硅同质异构体天生的条件
在财产界，碳化硅单晶晶锭的制备有升华PVT、HT-CVD、LPE（溶液生长法）三种要领。此中升华PVT是现在最主流的制备要领，约莫95%的商用碳化硅晶锭是由PVT生长。其历程是将碳化硅粉末放入专用设置装备摆设中加热，温度上升到2200—2500℃后粉末开始升华。因为碳化硅没有液态，只有气态和固态，升华后在顶部会结晶出晶锭。硅单晶的生长速率约为300mm/h，碳化硅单晶的生长速率约为400μm/h，两者相差近800倍。举例来说，五六厘米的晶锭形成，需一连稳健生长200-300小时，由此可见碳化硅晶锭制备速率非常迟钝，这使得晶锭造价奋发。
02
碳化硅单晶晶锭及衬底片缺陷
碳化硅晶锭和衬底片中均含有多种晶体缺陷，如堆垛层错、微管、贯串螺型位错、贯串刃型位错、基平面位错等等。碳化硅晶锭缺陷会极大地影响终极器件的良率，这是财产链中非常紧张的话题，各衬底厂家都在尽心尽力地低落碳化硅晶锭缺陷密度。
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碳化硅衬底可靠性
衬底片是晶锭切成薄片，磨平并抛光后得到的产品。衬底片在抛光工艺后得到精良的外貌质量，可按捺外延生长中缺陷的孕育发生，从而得到高质量的外延片。其外貌质量包罗平坦度、近外貌位错以及渣滓应力。为了在外延生长的初始阶段按捺缺陷的孕育发生，衬底外貌一定是无应力和无近外貌位错。假如近外貌的渣滓伤害没有被充实的去除，衬底上的外延生长将导致宏观缺陷的孕育发生。以是衬底关键的质量程度会严峻影响后续的外延生长关键的质量程度。
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碳化硅外延生长及可靠性
外延是指在衬底的上外貌生长一层与衬底同质的单晶质料4H-SiC。碳化硅有许多种同质异构体，为包管高品格外延质料的制备，必要特别技能来幸免引入其他晶型，现在尺度化工艺是利用4°斜切的4H-SiC单晶衬底，采纳台阶操纵生长技能。现在常用工艺为CVD法：常用设置装备摆设为热壁式程度外延炉，常用反响先驱气体为硅烷 (SiH4)、甲烷 (CH4)、乙烯 (C2H4)等，并以氮气 (N2)和三甲基铝 (TMA)作为杂质源。典范生长温度范畴为1500~1650 ℃，生长速率5~30μm/h。
外延层的生长可以消除很多晶体生长和晶片加工中所引入的外貌或近外貌的缺陷，使晶格分列整洁，外貌形貌较衬底大为变动。厚的外延层、好的外貌形貌和较低的掺杂浓度对进步击穿电压有紧张意义。如许的外延片用于制造功率器件，可以极大进步参数稳健性和良率。
图2 衬底层和外延层布局
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碳化硅外延片与衬底片缺陷的联系关系干系
上文提到了碳化硅外延层缺陷与衬底和生长历程有关。外延层缺陷有外貌形貌缺陷、微管缺陷、位错等范例。此中外貌形貌缺陷包罗胡萝卜缺陷（某些情形下为彗星型）、浅坑、三角形缺陷、失落物；衬底中的微管缺陷会被复制到外延层中。现在衬底中的微管密度已经远低于0.1/cm2，根本被消除。碳化硅外延层中的位错大多源于衬底位错，衬底位错重要包罗TSD，TED及BPD。一般位错以及胡萝卜缺陷等外延引入的缺陷是影响碳化硅外延质量的紧张题目。
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碳化硅外延片缺陷对终极器件的影响
在外延生长历程中，衬底中的TSD约98%转化为TSD，别的转换为Frank SFs；TED则100%转化为TED；BPD约95%转化为TED，少量维持BPD。
图3 碳化硅外延片缺陷与衬底片缺陷的联系关系性
TSD和TED根本不影响终极的碳化硅器件的性能，而BPD会激发器件性能的退化，是以人们对BPD的存眷度比力高。堆垛层错，胡萝卜缺陷，三角形缺陷，失落物等缺陷，属于杀手级缺陷，一旦显现在器件上，这个器件就会测试失败，导致良率低落。双极型器件，比方三极管、IGBT，对BPD的敏感水平更高。
表1 外延片缺陷对终极器件的影响
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碳化硅质料面对的两个挑衅
碳化硅质料推广面对的紧张挑衅之一是代价过高，衬底代价远高于硅和蓝宝石衬底。现在碳化硅衬底的主流直径只有4~6英寸，必要更成熟的生长技能来扩大尺寸，以低落代价。
另一方面，碳化硅位错密器量级处于102-104，远高于硅、砷化镓等质料。别的，碳化硅还存在较大的应力，会导致面型参数显现题目。改进碳化硅衬底质量，是进步外延质料质量、器件制备的良率、器件可靠性和寿命的紧张途径。
泉源：根本半导体
