第三代半導(dǎo)體SiC芯片關(guān)鍵裝備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

楊 金，鞏小亮，何永平

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410111)

半導(dǎo)體材料發(fā)展至今經(jīng)歷了三代，第一代是以硅、鍺為代表半導(dǎo)體材料，主要應(yīng)用于低壓、低頻、中低功率晶體管領(lǐng)域，其中硅半導(dǎo)體材料發(fā)展最為成熟，沿用摩爾定律發(fā)展至今；第二代是以GaAs、InP為代表的化合物半導(dǎo)體材料，它一般應(yīng)用于微波通訊、光通訊等特色芯片領(lǐng)域；第三代半導(dǎo)體以SiC、GaN等化合物為代表，由于材料具有禁帶寬度大、電子遷移率高、擊穿電壓高、導(dǎo)熱率高等特性，適合應(yīng)用在高壓，高頻、高溫、抗輻照等領(lǐng)域。近年來(lái)，GaN材料在中低電壓功率器件和射頻器件領(lǐng)域應(yīng)用得到快速發(fā)展，主要產(chǎn)品應(yīng)用為消費(fèi)電子快速充電器、5G通訊器件及微波射頻組件；SiC相對(duì)于GaN材料器件，更適合于中高電壓電力電子領(lǐng)域[1]，在軌道交通，新能源汽車，特高壓輸電及武器裝備大功率電源及電驅(qū)應(yīng)用領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。在“新基建”的帶動(dòng)下，SiC器件迎來(lái)巨大的發(fā)展機(jī)遇[2]。

1 SiC產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)及關(guān)鍵裝備

1.1 SiC產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)

SiC器件產(chǎn)業(yè)鏈與傳統(tǒng)半導(dǎo)體類似，一般分為單晶襯底、外延、芯片、封裝、模組及應(yīng)用環(huán)節(jié)，SiC單晶襯底環(huán)節(jié)通常涉及到高純碳化硅粉體制備、單晶生長(zhǎng)、晶體切割研磨和拋光等工序過(guò)程，完成向下游的襯底供貨。SiC外延環(huán)節(jié)則比較單一，主要完成在襯底上進(jìn)行外延層的制備，采用外延層厚度作為產(chǎn)品的不同系列供貨，不同厚度對(duì)應(yīng)不同耐壓等級(jí)的器件規(guī)格，通常為1μm對(duì)應(yīng)100 V左右。SiC芯片制備環(huán)節(jié)負(fù)責(zé)芯片制造，涉及流程較長(zhǎng)，以IDM模式較為普遍。SiC器件封裝環(huán)節(jié)主要進(jìn)行芯片固定、引線封裝，解決散熱和可靠性等問(wèn)題，相對(duì)來(lái)講國(guó)內(nèi)發(fā)展較為成熟，由此完成SiC器件的制備，下一步進(jìn)入系統(tǒng)產(chǎn)品和應(yīng)用環(huán)節(jié)，如圖1所示。

圖1 SiC芯片制備工藝流程示意圖

1.2 SiC工藝及設(shè)備特點(diǎn)

SiC材料及芯片制備主要工藝為單晶生長(zhǎng)、襯底切磨拋、外延生長(zhǎng)、掩膜沉積、圖形化、刻蝕、注入、熱處理、金屬互連等工藝流程共涉及幾十種關(guān)鍵半導(dǎo)體裝備。由于SiC材料具備高硬度、高熔點(diǎn)、高密度等特性，在材料和芯片制備過(guò)程中，存在一些制造工藝的特殊性[3]，如單晶采用物理氣相傳輸法（升華法），襯底切磨拋加工過(guò)程非常緩慢，外延生長(zhǎng)所需溫度極高且工藝窗口很小，芯片制程工藝也需要高溫高能設(shè)備制備等。相比硅基功率器件工藝設(shè)備，由于SiC工藝的特殊性，傳統(tǒng)用于Si基功率器件制備的設(shè)備已不能滿足需求，需要增加一些專用的設(shè)備作為支撐，如材料制備中的碳化硅單晶生長(zhǎng)爐、金剛線多線切割機(jī)設(shè)備，芯片制程中的高溫高能離子注入[4]、退火激活、柵氧制備等設(shè)備[5]。在圖形化、刻蝕、化學(xué)掩膜沉積、金屬鍍膜等工藝段，只需在現(xiàn)有設(shè)備上調(diào)整參數(shù)，基本上可以兼容適用。因此，產(chǎn)業(yè)上需要將Si基功率器件生產(chǎn)線轉(zhuǎn)換成SiC器件生產(chǎn)線，往往只需要增加一些專用設(shè)備就可以完成生產(chǎn)線設(shè)備平臺(tái)的轉(zhuǎn)型。各工藝環(huán)節(jié)關(guān)鍵設(shè)備如表1所示。

表1 碳化硅器件生產(chǎn)各工藝環(huán)節(jié)關(guān)鍵設(shè)備

1.3 SiC工藝及裝備挑戰(zhàn)

目前制約SiC大規(guī)模應(yīng)用仍面臨著一些挑戰(zhàn)，一是價(jià)格成本方面，由于SiC制備困難，材料相對(duì)昂貴；二是工藝技術(shù)方面，諸多工藝技術(shù)仍采用傳統(tǒng)技術(shù)，嚴(yán)重依賴于經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，制備存在良率不高；三是裝備方面，在多個(gè)工藝環(huán)節(jié)，如溫度、能量、低損傷及多重耦合復(fù)雜惡劣的特殊工藝環(huán)境指標(biāo)上對(duì)裝備要求極高，裝備針對(duì)SiC制備的成熟度水平仍不夠。特別在工藝設(shè)備方面，涉及到物理化學(xué)數(shù)學(xué)理論科學(xué)、一般工程技術(shù)和特種工程相關(guān)的多種科學(xué)技術(shù)和工程領(lǐng)域?qū)W科范圍，需要打破傳統(tǒng)設(shè)備很多使用極限，才能快速將SiC設(shè)備量產(chǎn)化，滿足高速發(fā)展產(chǎn)業(yè)的需求。

2 國(guó)內(nèi)外碳化硅裝備發(fā)展?fàn)顩r

2.1 SiC單晶生長(zhǎng)設(shè)備

SiC單晶生長(zhǎng)主要有物理氣相運(yùn)輸法、高溫化學(xué)氣相沉積法和溶液轉(zhuǎn)移法[6]，如圖2所示。目前產(chǎn)業(yè)上主要以PVT方法為主，相比傳統(tǒng)溶液提拉法，SiC由于Si的溶解度在液體中有限，不再能夠很輕松的長(zhǎng)晶。采用PVT方法主要是將高純的SiC粉末在高溫和極低真空下進(jìn)行加熱升華，在頂部籽晶上凝結(jié)成固定取向晶格結(jié)構(gòu)的單晶，這種方法目前發(fā)展較為成熟，但生產(chǎn)較為緩慢，產(chǎn)能有限。幾種單晶生長(zhǎng)方法比較如表2所示。

圖2 3種SiC單晶工藝方法示意圖

表2 幾種SiC單晶制備方法比較

采用物理氣相運(yùn)輸法，國(guó)際上已經(jīng)可以批量生產(chǎn)150 mm(6英寸)單晶，200 mm(8英寸)已經(jīng)出現(xiàn)樣品，國(guó)內(nèi)方面100 mm(4英寸)單晶已經(jīng)商業(yè)化，150 mm（6英寸）也快速成為主流，相關(guān)廠家已開始進(jìn)行200 mm（8英寸）的研制探索工作。隨著材料技術(shù)研究深入，SiC單晶生長(zhǎng)爐設(shè)備工藝性能進(jìn)一步成熟，后續(xù)在能耗、更快生長(zhǎng)速率、更大生長(zhǎng)尺寸和更厚生長(zhǎng)長(zhǎng)度是設(shè)備的提升目標(biāo)。

2.2 SiC襯底加工設(shè)備

單晶生長(zhǎng)后，需要對(duì)晶體進(jìn)行切磨拋，當(dāng)前有兩種工藝方式：一是采用金剛線多線切割機(jī)切割后在進(jìn)行研磨，如圖3所示。另外一種采用激光輻照剝離技術(shù)后進(jìn)行表面處理[7-8]，如圖4所示。多線切割工藝方式是目前最常用的方式，采用金剛砂線在切削液下進(jìn)行線切割，碳化硅材料質(zhì)地堅(jiān)硬易碎，需要經(jīng)過(guò)數(shù)小時(shí)緩慢完成加工，然后采用研磨處理表面凹槽和印痕；激光輻照剝離技術(shù)是采用激光輻照技術(shù)，將激光聚焦在SiC晶體內(nèi)部，通過(guò)反復(fù)重復(fù)吸收，使晶體特定位置的Si-C化學(xué)鍵斷裂，并形成晶圓分離基點(diǎn)的一層。

圖3 多線切割工藝原理

圖4 激光剝離工藝原理

金剛線多線切割機(jī)和研磨機(jī)發(fā)展較為成熟，但由于碳化硅硬度特別大、切割特別慢，以及金剛線一般具備100～200μm的線徑，所以切割時(shí)，一般每片伴隨200μm的材料損耗；采用激光輻照技術(shù)的剝離方式，它是將激光輻照到晶體內(nèi)部，通過(guò)反復(fù)的吸收，在晶體內(nèi)部特定位置形成斷層面，以此為基點(diǎn)將晶圓片剝離下來(lái)，這種方法不會(huì)帶來(lái)任何材料損耗，國(guó)外采用40 mm長(zhǎng)，150 mm單晶進(jìn)行生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，生產(chǎn)厚度為350μm的晶圓襯底，24小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)計(jì)算，3個(gè)單晶棒可出片284片，相比多線切割的183片出片率提升46%；同樣連續(xù)并行生產(chǎn)，10 000片的生產(chǎn)時(shí)間從273天降低到104天，生產(chǎn)效率提升1倍。

國(guó)內(nèi)的多線切割機(jī)、研磨機(jī)設(shè)備在藍(lán)寶石、半導(dǎo)體等方面發(fā)展較為成熟，可以很快轉(zhuǎn)型到碳化硅領(lǐng)域，基本可以滿足生產(chǎn)需求；在激光輻照剝離工藝方面，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)具備生產(chǎn)機(jī)型，但需要大規(guī)模應(yīng)用驗(yàn)證，積累生產(chǎn)可信數(shù)據(jù)。

表3 傳統(tǒng)工藝和先進(jìn)工藝對(duì)比

2.3 SiC外延生長(zhǎng)設(shè)備

SiC芯片一般首先在4H-SiC襯底上再生長(zhǎng)一層高質(zhì)量低缺陷的4H-SiC外延層，其厚度決定器件的耐壓強(qiáng)度[9]，制備設(shè)備為SiC外延生長(zhǎng)爐，該工藝生長(zhǎng)溫度需要達(dá)到最高1 700℃，還涉及到多種復(fù)雜氣氛環(huán)境，這對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。設(shè)備一般采用水平熱壁式反應(yīng)腔、水平溫壁式反應(yīng)腔和垂直熱壁式反應(yīng)腔3種設(shè)備結(jié)構(gòu)原理形式[10-11]，如圖5所示。

圖5 三種SiC工藝原理示意圖

這3種結(jié)構(gòu)形式從當(dāng)前應(yīng)用情況來(lái)看，各具自身特點(diǎn)，分別在不同的應(yīng)用需求下占據(jù)著一定的市場(chǎng)份額。采用水平熱壁單片反應(yīng)腔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是具有超快生長(zhǎng)速率、質(zhì)量與均勻性得到兼顧，設(shè)備操作維護(hù)簡(jiǎn)單，大生產(chǎn)應(yīng)用成熟，由于單片式及經(jīng)常需要維護(hù)，生產(chǎn)效率較低；水平溫壁式反應(yīng)腔一般采用6（片）×100 mm(4英寸)或8（片）×150 mm(6英寸)托盤結(jié)構(gòu)形式，在產(chǎn)能方面大大提升了設(shè)備的生產(chǎn)效率，但多片一致性控制存在困難，生產(chǎn)良率仍是面臨的最大難題；采用垂直熱壁式反應(yīng)室結(jié)構(gòu)的設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)外延片質(zhì)量缺陷控制極佳，需要極其豐富的設(shè)備維護(hù)和使用經(jīng)驗(yàn)。

隨著產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，這3種設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)形式上的迭代優(yōu)化升級(jí)，設(shè)備配置將越來(lái)越完善，在匹配不同厚度、缺陷要求的外延片規(guī)格發(fā)揮重要的作用。幾種外延工藝設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表4所示。

表4 幾種外延工藝設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

2018年國(guó)內(nèi)推出100 mm多片式的工程樣機(jī)，單批次通過(guò)器件驗(yàn)證，良品率達(dá)到75%～85%，穩(wěn)定性和可靠性還需進(jìn)一步優(yōu)化提升；隨著國(guó)內(nèi)150 mm襯底進(jìn)一步成熟以及外延片國(guó)產(chǎn)化的強(qiáng)烈市場(chǎng)需求，國(guó)內(nèi)多家單位已經(jīng)推出150 mm SiC外延生長(zhǎng)爐生產(chǎn)樣機(jī)，外延產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)正逐步放量。

2.4 SiC芯片制程設(shè)備

SiC功率芯片的制造工藝流程基本與Si基功率器件類似，需要經(jīng)過(guò)清洗、光刻、沉積、注入、退火、氧化、鈍化隔離、金屬化等工藝流程。在工藝設(shè)備方面，主要涉及清洗機(jī)、光刻機(jī)、刻蝕設(shè)備、LPCVD、蒸鍍等常規(guī)設(shè)備以及高溫高能離子注入機(jī)、高溫退火爐、高溫氧化爐等特殊專用設(shè)備。

2.4.1 SiC高溫高能離子注入機(jī)

SiC材料硬度大、晶格穩(wěn)定性好，離子注入需要較高的能量將離子注入到足夠的深度，同時(shí)需要進(jìn)行晶圓片加熱[12]，避免SiC晶格損傷和雜晶的產(chǎn)生[13-14]。在SiC生產(chǎn)線中，高溫高能離子注入設(shè)備是衡量生產(chǎn)線是否具備SiC芯片制造能力的一個(gè)標(biāo)志；當(dāng)前應(yīng)用較為主流的設(shè)備主要有M56700-2/UM、IH-860D/PSIC和IMPHEAT等機(jī)型。

2.4.2 SiC高溫退火設(shè)備

SiC注入完成后，需要采用退火方式進(jìn)行離子激活和晶格損傷處理。有2種方式可以實(shí)現(xiàn)：一是采用高溫爐加熱退火方式；另一種采用激光退火方式，與激光退火方式相比，采用高溫加熱爐進(jìn)行退火工藝發(fā)展更加成熟。退火工藝需要在1 600～1 900℃通過(guò)快速升溫且保持一段時(shí)間，晶圓片在碳膜覆蓋下完成激活工藝[15-16]。設(shè)備需要最高溫度達(dá)2000℃，恒溫區(qū)均勻性≤±5℃的半導(dǎo)體爐管設(shè)備。SiC高溫退火國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為成熟的設(shè)備有R2120-3/UM、Activator 150、Aile SiC-200等。

2.4.3 SiC高溫氧化設(shè)備

SiC柵氧制備產(chǎn)業(yè)上常規(guī)采用高溫?zé)嵫趸に囋赟iC表面高溫生產(chǎn)一層SiO2層，再通過(guò)在氮氧氣氛退火鈍化，以減少柵氧層的界面態(tài)缺陷[5]。SiC氧化溫度通常在1 300～1 400℃下進(jìn)行，伴隨氧氣、二氯乙烯（DCE）、一氧化氮等復(fù)雜氣氛環(huán)境，常規(guī)的石英管式爐已不能滿足適用，現(xiàn)主流方式采用專用的加熱爐體設(shè)計(jì)，配套高純碳化硅材料工藝爐管，實(shí)現(xiàn)具有高溫高潔凈耐腐蝕反應(yīng)腔的SiC高溫氧化爐設(shè)計(jì)。SiC高溫氧化國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為成熟的設(shè)備有OxidSiC-650、M5014-3/UM和Oxidation 150等。

在圖形化、刻蝕、金屬化等工藝設(shè)備方面，多個(gè)成熟的Si工藝已成功轉(zhuǎn)移到SiC。然而碳化硅材料特性需要開發(fā)特定的工藝，其參數(shù)必須優(yōu)化和調(diào)整，在設(shè)備方面只需做微小的改動(dòng)或定制功能開發(fā)。

3 展望

隨著SiC產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展和自主化需求，裝備國(guó)產(chǎn)化勢(shì)在必行、成長(zhǎng)空間巨大。國(guó)內(nèi)在襯底、外延、芯片等方面產(chǎn)業(yè)布局基本成型，但在關(guān)鍵裝備方面與國(guó)外仍存在差距，處于跟跑狀態(tài)；SiC需要解決高成本和高可靠性問(wèn)題，大尺寸、高效能、低損傷及新工藝方法是未來(lái)行業(yè)設(shè)備發(fā)展的趨勢(shì)。總的來(lái)講，隨著SiC產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對(duì)器件性能和成本的倒逼，對(duì)裝備發(fā)展提出了更多的新要求，一是尺寸方面，當(dāng)前尺寸150 mm逐漸成為主流，國(guó)內(nèi)也推出200 mm樣品；二是效能方面，需要減小單晶加工的能耗，提高襯底加工和離子注入效率，減少生產(chǎn)線上設(shè)備配置數(shù)量和生產(chǎn)成本；三是良率方面，需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備材料及工藝驗(yàn)證，提升特種環(huán)境下設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性，降低產(chǎn)品缺陷；四是開發(fā)適應(yīng)新工藝方法的新設(shè)備，在新技術(shù)方向?qū)で笮碌耐黄瓶凇?/p>