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[原创]碳化硅功率器件制造工艺详解

博主2025-08-24半导体技术精帖4

好的，我们来详细解释一下碳化硅（SiC）功率器件制造工艺中的核心材料——碳化硅同质外延片，以及您提到的关键概念和工艺。

核心概念解析：

4H-SiC：
- 这是碳化硅最常见的多型体（晶体结构的一种变体）之一，用于功率器件制造。
- “4H” 指的是其晶体结构的堆垛顺序：沿着 c 轴方向，每 4 个 Si-C 双原子层构成一个完整的六方晶胞周期（ABCB 堆垛顺序）。
- 优点： 4H-SiC 具有宽禁带（~~3.3 eV）、高临界击穿电场（~~2-3 MV/cm）、高热导率（~~4.9 W/cm·K）和高饱和电子漂移速度（~~2.0×10⁷ cm/s）。这些优异的物理特性使其非常适合制造高压、大电流、高温、高频、低损耗的功率半导体器件（如 MOSFETs, JBS Diodes, IGBTs 等）。
晶面取向与表面终止：Si 面 vs. C 面
- 在六方晶系的 4H-SiC 中，最重要的晶面是 {0001} 面族。
- 正轴 (On-axis) vs. 偏轴 (Off-axis)：
  - 正轴 (0001) 衬底： 晶圆表面严格平行于 (0001) 晶面。这种表面在原子尺度上是“完美”平坦的（基面）。
  - 偏轴 (Off-axis) 衬底： 晶圆表面与 (0001) 基面存在一个小的倾斜角（通常是 3.5° 或 4°，方向朝向 <11-20>）。这是 目前 SiC 同质外延的主流选择。偏轴切割破坏了表面的完美平坦性，在微观上形成一系列原子台阶（Atomic Steps）。
- Si 面 vs. C 面：
  - 这是指 {0001} 面族中两个极性相反的晶面：
    - (0001) 面： 也称为 Si 面。这个表面最外层的原子是硅（Si）原子。Si 原子有未饱和的悬挂键（指向晶体外部）。
    - (000-1) 面： 也称为 C 面。这个表面最外层的原子是碳（C）原子。C 原子有未饱和的悬挂键（指向晶体外部）。
  - 关键区别：
    - 化学活性： C 面通常比 Si 面具有更高的化学反应活性。
    - 氧化速率： C 面的热氧化速率显著高于 Si 面。
    - 外延生长特性： 在标准 CVD 工艺下，Si 面 的外延生长更容易控制，能获得更高质量的外延层（更低的缺陷密度，尤其是三角形缺陷）。C 面 的生长速率通常更快，但更容易产生缺陷（如多型夹杂、3C-SiC 岛），且掺杂控制更困难。因此，目前商业化的 SiC 功率器件几乎全部采用 Si 面偏轴衬底进行外延生长。
台阶流生长 (Step-Flow Growth)：
- 这是 在偏轴 SiC 衬底上进行高质量外延生长的关键模式。
- 原理：
  - 由于衬底偏轴，表面形成一系列平行的原子台阶（高度通常是一个双原子层高度，约 0.5 nm）和平台（Terrace）。
  - 在化学气相沉积（CVD）外延过程中，气相前驱体（如 SiH₄/SiH₂Cl₂ + C₃H₈/C₂H₄）分解产生的吸附原子（Si 和 C 原子）会扩散到衬底表面。
  - 这些吸附原子优先在台阶边缘（Step Edge） 处结合并入晶格，因为那里的悬挂键密度更高，结合能更大。
  - 随着原子不断在台阶边缘结合，整个台阶会沿着平台的方向（通常垂直于台阶边缘方向）横向移动，就像水流一样。新的台阶会不断形成并移动。
- 优点：
  - 抑制二维成核： 迫使生长主要发生在台阶边缘，大大降低了在平台区域形成新二维晶核（可能导致缺陷）的概率。
  - 降低缺陷密度： 是获得低缺陷密度（特别是降低基平面位错 BPD 向贯穿螺位错 TED 转化、减少三角形缺陷）的关键机制。
  - 表面平整： 能生长出表面非常光滑、原子级平整的外延层。
- 必要条件： 衬底偏轴角度、生长温度、反应气体分压/流速（V/III 比）等参数必须精确控制，以保证吸附原子的表面扩散长度大于平台宽度，使其有足够的机会迁移到台阶边缘结合。