前言

碳化矽產業鏈包括碳化矽粉末、碳化矽晶片、碳化矽晶片和碳化矽元件封裝等環節。其中，基板、外延晶片、晶片以及裝置封裝和測試是碳化矽價值鏈中最關鍵的四個環節。基板成本佔碳化矽元件總成本的50%，外延、晶片和封裝測試的成本分別佔25%、20%和5%。碳化矽材料的可靠性對最終裝置的性能至關重要。基本半導體從產業鏈的各個面向深入研究材料特性和缺陷成因，並與上下游企業合作，共同提升碳化矽功率裝置的可靠性。

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碳化矽錠生長及製備方法

碳化矽有超過250種異構體，其中用於製造功率半導體的主要異構體是4H-SiC單晶結構。在碳化矽單晶的生長過程中，4H晶體的生長窗口很窄，對溫度和壓力的設計有嚴格的標準。生長過程中控制不當會導致生成其他結構的碳化矽晶體，例如2H、3C、6H和15R。

圖1 產生各種碳化矽異構體的條件

工業上製備碳化矽單晶錠的方法主要有三種：昇華PVT法、高溫化學氣相沉積法（HT-CVD）和液相外延法（LPE，溶液生長法）。其中，昇華PVT法是目前最主流的製備方法，約95%的商用碳化矽錠都是透過PVT法生長的。此方法是將碳化矽粉末放入專用設備加熱，溫度升至2200-2500℃後，粉末開始昇華。由於碳化矽沒有液態，只有氣態和固態，昇華後會在頂部結晶形成晶錠。矽單晶的生長速率約為300mm/h，而碳化矽單晶的生長速率約為400μm/h，兩者相差近800倍。例如，形成一個5-6公分的晶錠需要連續穩定生長200-300小時。可以看出，碳化矽錠的製備速度非常慢，使得碳化矽錠價格昂貴。

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碳化矽單晶錠與基板晶片缺陷

碳化矽錠和基板晶片都含有多種晶體缺陷，例如堆疊層錯、微管、貫穿螺旋位錯、貫穿刃型位錯、基面位錯等。碳化矽錠中的缺陷會大大影響最終裝置的良率。這是產業鏈中一個非常重要的課題。所有基板製造商都在不遺餘力地降低碳化矽錠的缺陷密度。

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碳化矽基板可靠性

襯底片是將晶錠切割成薄片，並經過打磨拋光後得到的成品。襯底片經拋光處理後具有良好的表面質量，能夠抑制外延生長過程中缺陷的產生，從而獲得高品質的外延晶片。其表面品質包括平整度、近表面位錯和殘餘應力。為了抑制外延生長初期缺陷的產生，基板表面必須無應力且無近表面位錯。如果近表面殘餘損傷未被充分移除，則基板上的外延生長將導致宏觀缺陷的產生。因此，基板的品質水準將嚴重影響後續外延生長的品質水準。

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碳化矽外延生長及其可靠性

外延是指在基板上表面生長一層與基板均勻的單晶材料4H-SiC。碳化矽有多種異構體。為了確保製備高品質的外延材料，需要特殊的工藝來避免引入其他晶型。目前標準化的製程是使用4°斜切的4H-SiC單晶基板，並採用步進控制生長技術。目前常用的製程是化學氣相沉積（CVD）法：常用的設備是熱壁臥式外延爐，常用的反應前驅體氣體是矽烷（SiH₄）。₄), 甲烷 (CH₄），乙烯（C₂H₄等等，並使用氮（N）₂和三甲基鋁（TMA）作為雜質源。典型的生長溫度範圍為1500~1650℃，生長速率為5~30μm/h。

外延層的生長可以消除晶體生長和晶圓加工過程中引入的許多表面或近表面缺陷，從而使晶格排列整齊，表面形貌相比基板得到顯著改善。較厚的外延層、良好的表面形貌和較低的摻雜濃度對於提高擊穿電壓至關重要。這種外延晶圓可用於製造功率元件，從而顯著提高裝置參數穩定性和良率。

圖2 基板和外延層的結構

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碳化矽外延晶片和基板晶片中的缺陷之間的關係

如上所述，碳化矽外延層的缺陷與基板和生長過程密切相關。外延層缺陷包括表面形貌缺陷、微管缺陷、位錯等。表面形貌缺陷包括胡蘿蔔狀缺陷（某些情況下為彗星狀）、淺坑、三角形缺陷和物體脫落；基板中的微管缺陷會複製到外延層。基板中微管的目前密度遠低於0.1/cm²。²基本消除。碳化矽外延層中的大多數位錯源自於基板位錯，主要包括TSD、TED和BPD。外延引入的缺陷，例如普通位錯和胡蘿蔔狀缺陷，是影響碳化矽外延品質的重要因素。

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碳化矽外延晶片缺陷對最終裝置的影響

在外延生長過程中，基板中約 98% 的 TSD 轉化為 TSD，其餘轉化為 Frank SF；TED 100% 轉化為 TED；約 95% 的 BPD 轉化為 TED，少量保持為 BPD。

圖 3 碳化矽外延晶片缺陷與基板晶片缺陷之間的相關性

TSD 和 TED 基本上不會影響最終碳化矽元件的性能，而 BPD 則會導致裝置性能下降，因此人們更加關注 BPD。堆疊層錯、胡蘿蔔形狀缺陷、三角形缺陷、物體掉落等缺陷都是致命缺陷。一旦這些缺陷出現在裝置上，裝置將無法通過測試，進而降低良率。雙極型元件，例如三極體和 IGBT，對 BPD 更為敏感。

表1 外延晶片缺陷對最終裝置的影響

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碳化矽材料面臨的兩大挑戰

碳化矽材料推廣面臨的重要挑戰之一是價格過高，其基板價格遠高於矽基板和藍寶石基板。目前，主流碳化矽基板直徑僅4至6英寸，需要更成熟的生長技術來擴大尺寸並降低價格。 

另一方面，碳化矽的位錯密度約為102²-104⁴，遠高於矽、砷化鎵等材料。此外，碳化矽還具有較大的應力，這會導致表面參數出現問題。提高碳化矽基板的品質是提升外延材料品質、裝置製備良率、裝置可靠性和使用壽命的重要途徑。

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