摘要

碳化硅(SiC)是制作高溫、高頻、大功率電子器件的理想電子材料,近20年來隨著外延設備和工藝技術水平不斷 提升,外延膜生長速率和品質逐步提高,碳化硅在新能源汽車、光伏產業、高壓輸配線和智能電站等領域的應用需求 越來越大。與硅半導體產業不同,碳化硅器件必須在外延膜上進行加工,因此碳化硅外延設備在整個產業鏈中占據 承上啟下的重要位置,而且也是整個產業鏈中最復雜、最難開發的設備。本文從碳化硅外延生長機理出發,結合反應 室設計和材料科學的發展,介紹了化學氣相沉積(CVD)法碳化硅外延設備反應室、加熱系統和旋轉系統等的技術進 展,最后分析了CVD法碳化硅外延設備未來的研究重點和發展方向。

0 引言

碳化硅(silicon carbide, SiC)作為第三代寬禁帶半導體材料的典型代表,具有高臨界擊穿場強、高熱導 率、高電子飽和漂移速度、大禁帶寬度、抗輻射能力強等特點,

極大地擴展了功率器件的能量處理能力,能夠 滿足下一代電力電子裝備對功率器件更大功率、更小體積和高溫高輻射等惡劣條件下工作的要求,有縮 小尺寸、減少功率損耗和降低冷卻要求等優點,已經在新能源汽車、軌道交通、智能電網等領域帶來了革命性 的變化。世界主要國家競相投入資源發展SiC產業,例如美國“國防與科技計劃”和日本“國家硬電子計 劃”都將SiC作為重點領域,我國“十四五”規劃中將寬禁帶半導體作為科技攻關重點方向之一。

與Si器件不同,SiC器件不能在晶圓上直接制作,而是需要在SiC晶圓上沉積生長外延膜,利用外延膜生產器件,因此SiC外延設備在產業鏈中處于承上啟下的重要位置。SiC 薄膜生長方法有化學氣相沉積(chemical vapor deposition, CVD) 、分子束外延、磁控濺射和脈沖激光淀積等,其中CVD法具有 可以精確控制外延膜厚度和摻雜濃度、缺陷較少、生長速度適中、過程可自動控制等優點,是目前已經成功商 業化的SiC外延技術。

本文結合芯三代半導體科技(蘇州)有限公司(簡稱芯三代公司) CVD法碳化硅(SiC-CVD)外延設備的開發歷程,總結回顧了SiC-CVD的技術進展,并對發展趨勢做出了展望。

1 SIC-CVD外延工藝基礎及對設備的要求

1. 1 SiC-CVD外延工藝基礎

SiC是典型的多晶型材料,有200多種不同晶體結構,最常見的晶體結構為3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC,而4H-SiC是主流器件所采用的晶型材料。早期SiC外延生長中非常容易出現晶型夾雜,外延膜質量很差,這一問題長期困擾著SiC外延生長,直到1987年前后日本和美國科學家們提出了臺階控制生長模式。該模式采用有一定斜切角的襯底晶圓,而不是常規的正晶向(0001)進行外延生長,這樣襯底的原子堆垛次 序很容易被復制到外延膜中,大幅降低了其他晶型的產生幾率,從而能夠獲得單一晶型的SiC外延膜。這是SiC行業的一個重大突破,極大地推動了SiC外延生長和器件制造從純研發進入到實際應用階段。另 一個影響晶型的因素是反應溫度,低于特定溫度將容易生成其他晶型。如目前行業廣泛應用的4H-SiC外延 選用4°偏角的襯底,反應溫度1550 ~ 1 650 ℃ ,低于1550 ℃將生成3C-SiC等其他晶型。對設備研發來講 很重要的一點是:反應室設計要避免湍流的形成,否則容易發生局部預反應生成其他晶型。

傳統體系中外延生長原理是C源(C3H8)與Si源( SiH4)由載氣(H2)稀釋進入反應室,到達被加熱的SiC晶圓表面,發生反應生成SiC薄膜和副產物。典型條件下SiC在不同軸面上的生長速率差異非常小,表 明SiC生長是擴散限制型的,源物質向生長面的供應是決定生長速率的關鍵步驟,因此SiC-CVD設備精 確控制反應氣體流量，并使氣體均勻到達生長面至關重要。

1. 2 SiC快速外延生長

用于600 V和1. 2 kV功率器件的外延膜(膜厚< 12 μm,摻雜濃度?~ 8 × 10?15?cm-3?)生長已經比較成熟,?但是用于高電壓和高功率器件的低摻雜濃度的超厚(膜厚?> 50 μm,摻雜濃度< 1 × 10?15?cm-3?)外延層,傳統 的低速外延生長法已不適用,生長時間過長不僅會增加生產成本,還會引起腔體內狀態不穩定,掉落物增多,?也很難得到低背景濃度和低摻雜濃度。傳統外延模式可通過增加?C?源和?Si?源氣體流量提高生長速度,但隨 著流量不斷增加,Si?源分壓會不斷升高,而?SiH4在?400 ~ 500 ℃?左右就會發生分解,過飽和后很容易聚集成 核生成?Si?團簇(nSi→Si?n?),容易形成液態?Si?滴,在反應室側壁和頂部凝結形成顆粒物掉落,造成外延層表面 缺陷增多或粗糙度變差。采用傳統生長方法能夠達到的可行生長速率只有?3 ~ 15 μm / h 。?

快速SiC外延工藝是解決這一問題的關鍵,Leone和Henry等在工藝中加入HCl氣體或采用含Cl化合物如SiHCl3(TCS)、SiCl4等,實現了高達112 μm / h的高質量快速外延,證明使用HCl或Cl基氣源可以 有效抑制Si團簇的生成,提高Si源利用效率,同時可以更快更好地刻蝕單晶表面,形成清晰的表面生長臺階,加快生長速率10倍以上的同時提升成膜質量。這是SiC行業的另一個重大突破,對大規模外延生產非 常有利,LPE、NuFlare和Aixtron在2014年之后分別實現了這個技術的商業化。

對設備而言實現這兩種工藝各有優缺點,傳統工藝中C源和Si源都是氣體,因此反應速度和用量容易 精確控制,缺點是SiH4易分解形成Si團簇,因此必須對氣體入口處進行冷卻,確保溫度低于SiH4分解溫度,才能避免其分解產生Si團簇。而TCS分解溫度達到800 ℃左右,本身不容易分解形成Si滴,對氣體入口處 的冷卻要求不高,缺點是常溫下TCS是液體,需要另外配備鼓泡器系統對TCS進行汽化,因此實現精確控制 相對困難,應用于超過10 kV的厚膜SiC的厚度均勻性和摻雜均勻性均相對較差。目前設備的優化參數是 溫度1 600 ~ 1 650 ℃ ,壓力3 ~ 20 kPa。

1. 3設備指標

SiC-CVD設備用戶通常關注3個方面的指標:首先是外延生長性能,包括厚度均勻性、摻雜均勻性、缺陷 率和生長速率;其次是設備本身溫度性能,包括升溫/降溫速率、最高溫度、溫度均勻性;最后是設備本身的性 價比,包括單臺價格和產能。

參考NuFlare和Axitron的產品手冊,目前SiC-CVD設備的厚度均勻性和摻雜均勻性可以達到2% ~ 5% ,缺陷率達到0. 02 ~ 0. 5 cm-2,生長速率可以達到> 50 μm / h,最高溫度達到1 700 ℃ ,升溫/降溫速 率達到3 ~ 10 ℃ / s。

SiC外延膜缺陷可以分為擴展缺陷和點缺陷兩大類,其中多種缺陷是從晶圓復制過來的或者和晶圓有 很大程度的關聯,因此對設備的缺陷率評價必須基于相同規格的晶圓基礎上。主要依靠降低晶圓本底缺陷 率和優化工藝來降低外延膜缺陷,擴展缺陷中的掉落物缺陷率與設備本身設計密切相關,行業內通常將掉落 物缺陷率作為評價設備缺陷率性能的實際指標。從設備設計角度,旋轉性能和反應室內部件尤其是石墨件 的選材和設計對掉落物缺陷率影響巨大。

2 SIC-CVD反應室系統技術進展

CVD需要滿足以下三個基本需求:控制傳輸氣體和晶圓進出反應室并處理氣體副產物,提供激發化學 反應的能量,精確控制反應溫度、壓力和氣體流量。其中反應室是最重要的核心部件,反應室的作用是為外 延生長提供一個可靠的高溫真空生長環境,滿足需要的溫度、壓強、旋轉速度等生長條件。

2. 1腔體設計

對SiC-CVD反應室設計的基本要求:無返混,能實現氣體瞬時切換,晶圓上方處于層流區,溫場和流場 分布均勻。SiC-CVD 反應溫度高達1 500 ~ 1 700 ℃ ,在此溫度范圍內,輻射是決定熱損耗的主要機制,而 且浮力驅動產生的對流在溫場中很重要,設計要考慮如何降低熱輻射,低生長壓力、高載氣流量是減少熱 對流的有效途徑。圖1展示了5種典型SiC-CVD反應室結構示意圖。傳統的水平和垂直冷壁CVD反應室(見圖1( a) 、( b) )結構較為簡單,托盤上的SiC晶圓被放置在氣流通道中,加熱到反應溫度 即可進行外延生長,但有以下缺點:大量熱輻射損失導致加熱效率很低,在高的生長溫度下晶片表面法線 方向非常大的溫度梯度( > 100 K/ mm)導致SiC晶片容易嚴重翹曲,很難獲得高溫下大范圍的均勻溫場和流場。

Kordina和Henry等提出的熱壁CVD概念很好地克服了這些缺點(見圖1(c) ~ (e)所示),在熱壁CVD反應室中增加了絕熱材料如多孔石墨,SiC晶片被正面的熱輻射以及背面的熱傳導雙面加熱,從而大幅 提升加熱效率(所需加熱功率遠小于冷壁),法向溫度梯度( < 10 K/ mm)顯著降低,晶圓反應面溫度均勻性 得到很大提升,對于大規模生產高質量外延片非常有利,結合目前廣泛使用的旋轉支架配置進一步提升溫場 和流場均勻性,使得?SiC?外延膜產業化成為可能,量產?SiC-CVD?都采用熱壁模式?。三者各有優缺點,圖?1 (c)和圖?1(e)中氣體在遷移路徑上的消耗使得反應/?摻雜氣體濃度變化從而導致膜厚和摻雜濃度不穩定,氣 體入口與晶圓的間距短使得頂部產生的顆粒物容易造成掉落物缺陷等;圖?1(d)中氣體入口與外延片之間間 距較長使得流場和溫場更均勻,頂部?Si?滴生成少,即便產生了?Si?滴也會被高速旋轉的氣流帶走,大幅減少掉 落物缺陷,但是該設備昂貴、耗材損耗大因而總體成本高。目前沒有國產?SiC-CVD?設備進入量產市場,但是 以芯三代公司為代表的國內?SiC-CVD?設備廠商,已經分別完成了設備研發而且其設備各有特色,如深圳市 納設智能裝備有限公司的水平熱壁雙反應室可以提升生產率?,芯三代公司對加熱器進行分區設計實現了 加熱精確控制?,噴淋頭進行分區設計和冷卻水道優化實現了均勻、成比例、分區進氣等。

氣體流場分布是影響生長速率和外延膜厚均勻性的主要因素,直接決定了氣態物質在晶圓表面的沉積行為。氣體高速經過進氣口進入反應室的迅速擴張會產生渦流和回流等,導致氣體流場不均勻,從而對薄膜 均勻度和微觀結構產生不利的影響。初期的冷壁SiC-CVD進氣口通常設計有氣體分散器,對氣流進行緩沖 和分散,垂直熱壁反應器一般配備噴淋頭以在反應室中得到更均勻的進氣。

2. 2反應室模擬

對SiC-CVD反應室的模擬研究較少,但是對金屬有機物化學氣相沉積( metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)反應室模擬研究較多,有一定借鑒意義。左然等對行星式熱壁MOCVD反應室的徑 向三重流、溫場和流場進行模擬研究,得出過程優化條件為:反應室上下壁靠近并盡量減小溫差,導流管水平 延長,中管進口流量盡量大于內、外管流量。而馮蘭勝等對垂直進氣熱壁MOCVD反應器的模擬發現(見 圖2),反應室高度在30 mm和225 mm時,生長速率高于高度為60 mm和120 mm的情況,較好地吻合了Aixtron和NuFlare的反應室情況,同時模擬結果表明,隨著反應室高度的升高和旋轉速度的增加,流場均勻 性得到改善,但是到一定程度后改善將不明顯甚至降低。

Mitrovic等對垂直熱壁旋轉反應器的流型研究發現,在不同的壓力和轉速下,反應室內分別呈現浮力 流、活塞流和旋轉流三種流型(見圖3),浮力流下晶圓生長面的溫度明顯不均勻,旋轉流下熱量被大量帶走 加熱效率大幅降低,晶圓生長面溫度不易控制,活塞流是對外延生長最有利的理想流型。在160 ~ 460 torr (1 torr = 133. 32 Pa)的壓力下,隨著旋轉速率的增加,反應室中的流型從浮力流變為活塞流再變為旋轉流: 300 ~ 600 r/ min轉速下可以得到理想的活塞流; < 160 torr?容易得到活塞流,但是相對較高的真空度下,反應 速率不容易提升; > 460 torr的壓力下無法得到活塞流, < 400 r/ min?下得到浮力流, > 400 r/ min下得到旋轉 流。SiC-CVD 設備必須能夠為工藝選擇提供活塞流的理想窗口條件。

3 SiC-CVD加熱器和溫控系統技術進展

3. 1加熱器

真空反應器加熱常用感應加熱和電阻加熱兩種方式。感應式加熱器優點是能量密度大、加熱速率快,缺 點是溫度均勻性不易控制,而電阻式加熱器的溫度可以非常方便地校正,其溫度均勻性即使在超過1 000 ℃的情況下也可以控制在± 1 ℃以內,因此在加熱面積允許的情況下,電阻加熱對SiC-CVD是一種優選的加熱方式。電阻式加熱器的核心部件發熱體材料必須具有急熱、急冷、耐高溫等特性,包括石墨和鉬、鎢和鉭等金 屬都可以滿足這些基本要求,但是金屬在高溫下易升華導致金屬污染,常溫和高溫下的電阻率相差很大導致 升溫控制比較困難,而且使用成本高昂,所以不適合選擇金屬作為加熱絲。而石墨有高導熱性和導電性、良 好的加工性能、極小的熱膨脹系數、較高的電阻等優點,而且相對金屬價格便宜很多,因此石墨作為真空電阻 加熱器的加熱元件得到越來越多的應用。

作為用于高溫加熱環境的石墨加熱器,最高溫度能夠達到2200 ℃左右,石墨加熱器本身材質的均勻性 和過渡連接部結構設計是否合理,直接影響到其功率分布、使用壽命及熱區均勻性,進而對加熱效率及外延 膜品質造成影響。石墨在高溫時導熱性下降明顯,加熱體中心與外表面間造成溫度差,引起內部產生應力容 易開裂,故石墨加熱體的壁厚通常為8 ~ 16 mm,加厚部分壁厚為16 ~ 30 mm 。

針對高速旋轉垂直反應器,Daigo等對加熱盤下的底部加熱器的精準溫控進行了研究(見圖4),相對 于單一加熱器,底部內圈和外圈兩個加熱器精準獨立控溫可以克服邊緣效應,得到更均勻的晶圓表面溫度分 布,厚度均勻性和摻雜均勻性可以分別從5. 3%和8. 8%提升到3. 4%和5. 6% ,成膜性能大幅提升。

3. 2溫控系統

SiC-CVD希望盡可能地快速和平穩升溫,最終達到生長溫度并穩定保持,需要對加熱過程進行精確的分 階段控制。在初始階段采用恒電壓并限制電流的方法進行預熱,從而延長加熱器的壽命,之后階段采用 功率控制快速加熱,接近生長溫度時轉變為溫度控制模式,確保平穩達到并穩定在生長溫度。在SiC-CVD研發中,對加熱器的性能如功率和合適的電勢誘導衰退經驗值進行良好的選擇非常重要,可以確保得到完美的加熱曲線。SiC-CVD 控溫的基礎是準確測溫,1 300 ℃以下通常采用熱電偶測溫,1 300 ℃以上采用紅外測 溫。楊超普等對比了MOCVD原位紅外測溫的兩種具體方法發現,雙波長比色測溫法優于單色輻射測溫 法,前者相對測量誤差小而且不受測溫孔中累積生長的SiC影響,因而不需要進行定期修正探測孔徑。

4 其他系統技術進展

4. 1旋轉設計

反應器壁上的副產物3C-SiC晶體容易產生掉落物缺陷和三角形缺陷,一個降低缺陷的方法是高速旋轉,高速旋轉將直接把掉落物甩出反應區,從而大幅降低掉落物缺陷率。如圖5中Daigo等對比50 r/ min和300 r/ min掉落物缺陷率,高速旋轉可以顯著降低缺陷和延長維護間隔時間,300 r/ min累計生長3 000 μm,掉落物缺陷率仍然低于0. 2 cm- 2。研究發現高速旋轉結合優化生長條件可以大幅減少掉落物缺 陷率、生長速率波動和摻雜濃度波動。

現有旋轉技術主要有行星式反應器中單片晶圓的氣浮旋轉和中心軸支撐旋轉,二者結合使用可以有效 地平均氣流方向的反應物消耗、溫度和氣流不對稱性,得到非常好的均勻性,比如片內厚度均勻性和摻雜均 勻性可以分別達到4. 2晶圓傳送系統0. 5%和9. 8% 。

4. 2晶圓傳送系統

晶圓傳送系統由載片盒、傳送腔和機械手組成,完成送進和取出托盤和SiC晶圓的任務,產業化的CVD設備往往增加緩沖腔、預熱腔來縮減平均工藝周期提升生產率,再進一步可以加裝半導體設備前端模塊實現 晶圓的自動上下料,大幅提升效率。晶圓傳送系統的一個重要指標是取放晶圓的溫度,將對設備的生產效率 產生重大影響。從圖6中可以看出,高溫傳盤將大幅縮短反應周期,提升生產率。如Axitron的AIX G5 WW C取放晶圓溫度從室溫提升到600 ℃,減少加熱和冷卻的時間可以將生產效率大幅提升50% 。高溫傳盤將 對晶圓傳送系統相關部件耐高溫性能提出挑戰,尤其是機械手的手臂和手指,目前多采用陶瓷、石英和不銹鋼。

5 結語與展望

國際上已經商業化量產的SiC-CVD設備有意大利LPE、德國Axitron和日本NuFlare產品,這三家公司也占據了國內市場。由于起步晚和產業化水平低,國產設備在使用方便性、可調性、穩定性以及運行維護性方 面與國外先進設備相比存在較大的差距,重點需要提升溫場和流場的均勻性方面的技術。過去20多年國內 泛半導體設備研發和產業化已經打下了很好的基礎,尤其是等離子體增強化學氣相沉積和MOCVD設備方 面,國內公司已經逐步趕超進入了行業第一陣營,以芯三代公司為代表的國內SiC-CVD設備廠家,產品各項 指標已經達到甚至領先國際先進水平,完全可滿足當前SiC外延產業的要求。結合大環境下對國產替代的 強勁需求,目前是SiC-CVD國產設備發展的極好時機。國產SiC-CVD設備目前的重點是進入生產線接受大 批量生產考驗,在成膜質量、生產率、穩定性、重復性和運行維護性等指標上證明自己并獲取客戶信心。在國 家出臺的一系列專項政策的支持下,相信中國SiC-CVD設備公司完全可以趕超國外先進水平,為我國SiC產 業發展注入強大的推動力。

SiC-CVD設備是為外延生產服務的,生長速度、均勻性和摻雜均勻性一直是碳化硅外延生長的研究重 點,以此為目標設計和優化是SiC-CVD設備技術發展的趨勢,以下為需要重點研究的領域:

(1)反應室模擬和實驗驗證;

(2)結合工藝創新得到更高生長速率;

(3)應對小尺寸到大尺寸的演變,解決更大尺寸下溫場和流場的均勻性和旋轉的穩定性問題;

(4)通過一機多腔和一腔多片來提升生產效率。

審核編輯：湯梓紅