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如何提升碳化硅SiC生长质量?

2020-03-21浏览量:1175

信息导读:

  随着碳化硅(SiC)芯片应用领域中高铁、电动汽车、智能电网、5G通信的快速发展,碳化硅芯片成了全球的抢手货,市场需求大大增加。而我国天科合达半导体公司作为国内碳化硅行业的领头人,是少数几家可以实现批量生产4英寸导电芯片的企业,具有雄厚的科研实力。

  碳化硅材料由于具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂

  移速度等特点,与传统传统半导体材料Si和GaAs相比,碳化硅具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优异性能,在高温、高频、高功率及抗辐射器件方面拥有巨大的应用前景。目前生长SiC晶体最有效的方法是物理气相传输法,在实际工艺过程中,随着晶体厚度增加,原料的边缘由于温度最高,最先发生石墨化,留下大量的碳颗粒,从而在原料的外侧产生一个环形的石墨化区域。该区域内的碳颗粒本身非常蓬松,密度较小,很容易被SiC原料升华形成的气相带动到晶体表面,从而被包裹到晶体中,形成包裹物缺陷,影响SiC晶体的质量和产率。

  针对这一问题,天科合达公司早在2014年12月10日就提出一项名为“一种高质量碳化硅晶体生长的方法”的发明专利(申请号:201410754298.5),申请人为北京天科合达半导体股份有限公司。

  此专利提供了一种高质量碳化硅晶体生长的方法和装置,相比于常规的SiC晶体生长方法,其可以大幅度减少SiC晶体中包裹物缺陷的密度,获得高质量的SiC晶体,显着提高碳化硅晶体生长的合格率。

图1生长SiC晶体的坩埚结构示意图

  此专利提出的物理气相传输法生长SiC晶体的坩埚结构如图1所示,其中,1为石墨盖、2为石墨埚、3为SiC原料、4为粘合剂、5为籽晶、6为生长的晶体。与传统物理气相传输法不同的地方在于覆盖于原料之上的层耐高温化学性能稳定碳化物粉末层7,可以让升华的气相组分通过,同时可以过滤掉被升华的气相组分带起来的固态碳颗粒8,其中碳化物粉末层的环形区面积大于发生碳化的原料块的环形区面积,从而大大降低了晶体中包裹物缺陷密度。

  在实际的操作工艺中,首先取4H-SiC籽晶一片,选择C面作为晶体生长面。首先在坩埚中装入足量的SiC粉末原料,然后在SiC原料表面装入一层颗粒状TaC粉末层,原料结构如图1所示。其中TaC粉末层的直径等同于原料表面直径100nm,TaC颗粒的粒径分布在500um-1mm之间。将装有上述SiC原料、SiC籽晶、TaC粉末层的坩埚结构装入到生长炉中,设定原料处温度在2200- 2300℃,籽晶处温度低于原料150℃,从而生长获得4H- SiC晶体。

图2 两种方式SiC芯片的光学显微镜透射模式对比图

  将生成的碳化硅晶体切割并加工成400微米厚的4英寸SiC芯片,采用光学显微镜在50倍放大倍数下检测晶体中包裹物的数量,如图2左侧所示。而采用常规物理气相传输法生长SiC晶体,其光学检测下晶体透射图如图2右侧所示,其中黑点为包裹物,可以看出包裹物密度很大,有大量杂质存在。因此本专利提出的改进物理物理气相传输法工艺所生成的碳化硅芯片质量远远高于传统方式生成的芯片。

  碳化硅对于未来半导体、集成电路产业极为重要,而天科合达半导体公司提出的这项碳化硅晶体生长方法相对传统方式极大提升了生成的碳化硅晶体质量,对我国自主创新国产化影响深远。

来源:半导体投资联盟


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