前言

碳化硅产业链包括碳化硅粉末、碳化硅锭、碳化硅衬底、碳化硅外延、碳化硅晶片、碳化硅芯片和碳化硅器件封装等环节。其中，衬底、外延晶片、晶片以及器件封装和测试是碳化硅价值链中最关键的四个环节。衬底成本占碳化硅器件总成本的50%，外延、晶片和封装测试的成本分别占25%、20%和5%。碳化硅材料的可靠性对最终器件的性能至关重要。基本半导体从产业链的各个方面深入研究材料特性和缺陷成因，并与上下游企业合作，共同提升碳化硅功率器件的可靠性。

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碳化硅锭生长及制备方法

碳化硅有超过250种异构体，其中用于制造功率半导体的主要异构体是4H-SiC单晶结构。在碳化硅单晶的生长过程中，4H晶体的生长窗口很窄，对温度和压力的设计有严格的标准。生长过程中控制不当会导致生成其他结构的碳化硅晶体，例如2H、3C、6H和15R。

图1 生成各种碳化硅异构体的条件

工业上制备碳化硅单晶锭的方法主要有三种：升华PVT法、高温化学气相沉积法（HT-CVD）和液相外延法（LPE，溶液生长法）。其中，升华PVT法是目前最主流的制备方法，约95%的商用碳化硅锭都是通过PVT法生长的。该方法是将碳化硅粉末放入专用设备中加热，温度升至2200-2500℃后，粉末开始升华。由于碳化硅没有液态，只有气态和固态，因此升华后会在顶部结晶形成晶锭。硅单晶的生长速率约为300mm/h，而碳化硅单晶的生长速率约为400μm/h，两者相差近800倍。例如，形成一个5-6厘米的晶锭需要连续稳定生长200-300小时。可以看出，碳化硅锭的制备速度非常慢，这使得碳化硅锭价格昂贵。

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碳化硅单晶锭和衬底晶片缺陷

碳化硅锭和衬底晶片都含有多种晶体缺陷，例如堆垛层错、微管、贯穿螺旋位错、贯穿刃型位错、基面位错等。碳化硅锭中的缺陷会极大地影响最终器件的良率。这是产业链中一个非常重要的课题。所有衬底制造商都在不遗余力地降低碳化硅锭的缺陷密度。

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碳化硅衬底可靠性

衬底片是将晶锭切割成薄片，并经过打磨抛光后得到的成品。衬底片经抛光处理后具有良好的表面质量，能够抑制外延生长过程中缺陷的产生，从而获得高质量的外延晶片。其表面质量包括平整度、近表面位错和残余应力。为了抑制外延生长初期缺陷的产生，衬底表面必须无应力且无近表面位错。如果近表面残余损伤未被充分去除，衬底上的外延生长将导致宏观缺陷的产生。因此，衬底的质量水平将严重影响后续外延生长的质量水平。

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碳化硅外延生长及其可靠性

外延是指在衬底上表面生长一层与衬底均匀的单晶材料4H-SiC。碳化硅有多种异构体。为了确保制备高质量的外延材料，需要特殊的工艺来避免引入其他晶型。目前标准化的工艺是使用4°斜切的4H-SiC单晶衬底，并采用步进控制生长技术。目前常用的工艺是化学气相沉积（CVD）法：常用的设备是热壁卧式外延炉，常用的反应前驱体气体是硅烷（SiH₄）。₄），甲烷（CH₄），乙烯（C₂H₄等等，并使用氮（N）₂和三甲基铝（TMA）作为杂质源。典型的生长温度范围为1500~1650℃，生长速率为5~30μm/h。

外延层的生长可以消除晶体生长和晶圆加工过程中引入的许多表面或近表面缺陷，从而使晶格排列整齐，表面形貌相比衬底得到显著改善。较厚的外延层、良好的表面形貌和较低的掺杂浓度对于提高击穿电压至关重要。这种外延晶圆可用于制造功率器件，从而显著提高器件参数稳定性和良率。

图2 衬底层和外延层的结构

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碳化硅外延晶片和衬底晶片中的缺陷之间的关系

如上所述，碳化硅外延层的缺陷与衬底和生长过程密切相关。外延层缺陷包括表面形貌缺陷、微管缺陷、位错等。表面形貌缺陷包括胡萝卜状缺陷（某些情况下为彗星状）、浅坑、三角形缺陷和物体脱落；衬底中的微管缺陷会复制到外延层中。衬底中微管的当前密度远低于0.1/cm²。²基本消除。碳化硅外延层中的大多数位错源自衬底位错，主要包括TSD、TED和BPD。外延引入的缺陷，例如普通位错和胡萝卜状缺陷，是影响碳化硅外延质量的重要因素。

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碳化硅外延晶片缺陷对最终器件的影响

在外延生长过程中，衬底中约 98% 的 TSD 转化为 TSD，其余转化为 Frank SF；TED 100% 转化为 TED；约 95% 的 BPD 转化为 TED，少量保持为 BPD。

图 3 碳化硅外延晶片缺陷与衬底晶片缺陷之间的相关性

TSD 和 TED 基本不会影响最终碳化硅器件的性能，而 BPD 则会导致器件性能下降，因此人们更加关注 BPD。堆垛层错、胡萝卜形缺陷、三角形缺陷、物体掉落等缺陷都是致命缺陷。一旦这些缺陷出现在器件上，器件将无法通过测试，从而降低良率。双极型器件，例如三极管和 IGBT，对 BPD 更为敏感。

表1 外延晶片缺陷对最终器件的影响

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碳化硅材料面临的两大挑战

碳化硅材料推广面临的重要挑战之一是价格过高，其衬底价格远高于硅衬底和蓝宝石衬底。目前，主流碳化硅衬底直径仅为4至6英寸，需要更成熟的生长技术来扩大尺寸并降低价格。 

另一方面，碳化硅的位错密度约为102²-104⁴，远高于硅、砷化镓等材料。此外，碳化硅还具有较大的应力，这会导致表面参数出现问题。提高碳化硅衬底的质量是提升外延材料质量、器件制备良率、器件可靠性和使用寿命的重要途径。

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