碳化硅(SiC)是制作高温、高频、大功率电子器件的理想电子材料,近20 年来随着外延设备和工艺技术水平不断 提升,外延膜生长速率和品质逐步提高,碳化硅在新能源汽车、光伏产业、高压输配线和智能电站等领域的应用需求 越来越大。与硅半导体产业不同,碳化硅器件必须在外延膜上进行加工,因此碳化硅外延设备在整个产业链中占据 承上启下的重要位置,而且也是整个产业链中最复杂、最难开发的设备。本文从碳化硅外延生长机理出发,结合反应 室设计和材料科学的发展,介绍了化学气相沉积(CVD)法碳化硅外延设备反应室、加热系统和旋转系统等的技术进 展,最后分析了 CVD 法碳化硅外延设备未来的研究重点和发展方向。
碳化硅(silicon carbide, SiC)作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表,具有高临界击穿场强、高热导 率、高电子饱和漂移速度、大禁带宽度、抗辐射能力强等特点,
极大地扩展了功率器件的能量处理能力,能够 满足下一代电力电子装备对功率器件更大功率、更小体积和高温高辐射等恶劣条件下工作的要求 ,有缩 小尺寸、减少功率损耗和降低冷却要求等优点,已经在新能源汽车、轨道交通、智能电网等领域带来了革命性 的变化。世界主要国家竞相投入资源发展 SiC 产业,例如美国“国防与科技计划”和日本“国家硬电子计 划”都将 SiC 作为重点领域 ,我国“十四五”规划中将宽禁带半导体作为科技攻关重点方向之一 。
与 Si 器件不同,SiC 器件不能在晶圆上直接制作,而是需要在 SiC 晶圆上沉积生长外延膜,利用外延膜生产器件,因此 SiC 外延设备在产业链中处于承上启下的重要位置。SiC 薄膜生长方法有化学气相沉积 (chemical vapor deposition, CVD) 、分子束外延 、磁控溅射和脉冲激光淀积等,其中 CVD 法具有 可以精确控制外延膜厚度和掺杂浓度、缺陷较少、生长速度适中、过程可自动控制等优点,是目前已经成功商 业化的 SiC 外延技术 。
本文结合芯三代半导体科技(苏州)有限公司(简称芯三代公司) CVD 法碳化硅 (SiC-CVD)外延设备的开发历程,总结回顾了 SiC-CVD 的技术进展,并对发展趋势做出了展望。
1. 1 SiC-CVD 外延工艺基础
SiC 是典型的多晶型材料,有 200 多种不同晶体结构,最常见的晶体结构为 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 外延生长中非常容易出现晶型夹杂,外延膜质量很差, 这一问题长期困扰着 SiC 外延生长,直到 1987 年前后日本和美国科学家们提出了台阶控制生长模式。该模式采用有一定斜切角的衬底晶圆,而不是常规的正晶向(0001)进行外延生长,这样衬底的原子堆垛次 序很容易被复制到外延膜中,大幅降低了其他晶型的产生几率,从而能够获得单一晶型的 SiC 外延膜 。这是 SiC 行业的一个重大突破,极大地推动了 SiC 外延生长和器件制造从纯研发进入到实际应用阶段。另 一个影响晶型的因素是反应温度,低于特定温度将容易生成其他晶型。 如目前行业广泛应用的 4H-SiC 外延 选用 4°偏角的衬底,反应温度 1550 ~ 1 650 ℃ ,低于 1550 ℃ 将生成 3C-SiC 等其他晶型。对设备研发来讲 很重要的一点是:反应室设计要避免湍流的形成,否则容易发生局部预反应生成其他晶型。
传统体系中外延生长原理是 C 源(C3H8 )与 Si 源( SiH4 )由载气(H2 )稀释进入反应室,到达被加热的 SiC 晶圆表面,发生反应生成 SiC 薄膜和副产物。典型条件下 SiC 在不同轴面上的生长速率差异非常小,表 明 SiC 生长是扩散限制型的,源物质向生长面的供应是决定生长速率的关键步骤 ,因此 SiC-CVD 设备精 确控制反应气体流量，并使气体均匀到达生长面至关重要。
1. 2 SiC 快速外延生长
用于 600 V 和 1. 2 kV 功率器件的外延膜(膜厚 < 12 μm,掺杂浓度 ~ 8 × 10 15 cm-3 )生长已经比较成熟, 但是用于高电压和高功率器件的低掺杂浓度的超厚(膜厚 > 50 μm,掺杂浓度 < 1 × 10 15 cm-3 )外延层,传统 的低速外延生长法已不适用,生长时间过长不仅会增加生产成本,还会引起腔体内状态不稳定,掉落物增多, 也很难得到低背景浓度和低掺杂浓度。传统外延模式可通过增加 C 源和 Si 源气体流量提高生长速度,但随 着流量不断增加,Si 源分压会不断升高,而 SiH4在 400 ~ 500 ℃ 左右就会发生分解,过饱和后很容易聚集成 核生成 Si 团簇(nSi→Si n ),容易形成液态 Si 滴,在反应室侧壁和顶部凝结形成颗粒物掉落,造成外延层表面 缺陷增多或粗糙度变差。采用传统生长方法能够达到的可行生长速率只有 3 ~ 15 μm / h 。
快速 SiC 外延工艺是解决这一问题的关键,Leone 和 Henry 等 在工艺中加入 HCl 气体或采用含 Cl 化合物如 SiHCl3 (TCS)、SiCl4等,实现了高达 112 μm / h 的高质量快速外延,证明使用 HCl 或 Cl 基气源可以 有效抑制 Si 团簇的生成,提高 Si 源利用效率,同时可以更快更好地刻蚀单晶表面,形成清晰的表面生长台阶,加快生长速率 10 倍以上的同时提升成膜质量。这是 SiC 行业的另一个重大突破,对大规模外延生产非 常有利,LPE、NuFlare 和 Aixtron 在 2014 年之后分别实现了这个技术的商业化。
对设备而言实现这两种工艺各有优缺点,传统工艺中 C 源和 Si 源都是气体,因此反应速度和用量容易 精确控制,缺点是 SiH4易分解形成 Si 团簇,因此必须对气体入口处进行冷却,确保温度低于 SiH4分解温度, 才能避免其分解产生 Si 团簇。而 TCS 分解温度达到 800 ℃左右,本身不容易分解形成 Si 滴,对气体入口处 的冷却要求不高,缺点是常温下 TCS 是液体,需要另外配备鼓泡器系统对 TCS 进行汽化,因此实现精确控制 相对困难,应用于超过 10 kV 的厚膜 SiC 的厚度均匀性和掺杂均匀性均相对较差。目前设备的优化参数是 温度 1 600 ~ 1 650 ℃ ,压力 3 ~ 20 kPa。
1. 3 设备指标
SiC-CVD 设备用户通常关注 3 个方面的指标:首先是外延生长性能,包括厚度均匀性、掺杂均匀性、缺陷 率和生长速率;其次是设备本身温度性能,包括升温/ 降温速率、最高温度、温度均匀性;最后是设备本身的性 价比,包括单台价格和产能。
参考 NuFlare 和 Axitron 的产品手册,目前 SiC-CVD 设备的厚度均匀性和掺杂均匀性可以达到 2% ~ 5% ,缺陷率达到 0. 02 ~ 0. 5 cm -2 ,生长速率可以达到 > 50 μm / h,最高温度达到 1 700 ℃ ,升温/ 降温速 率达到 3 ~ 10 ℃ / s。
SiC 外延膜缺陷可以分为扩展缺陷和点缺陷两大类,其中多种缺陷是从晶圆复制过来的或者和晶圆有 很大程度的关联,因此对设备的缺陷率评价必须基于相同规格的晶圆基础上。主要依靠降低晶圆本底缺陷 率和优化工艺来降低外延膜缺陷,扩展缺陷中的掉落物缺陷率与设备本身设计密切相关,行业内通常将掉落 物缺陷率作为评价设备缺陷率性能的实际指标。从设备设计角度,旋转性能和反应室内部件尤其是石墨件 的选材和设计对掉落物缺陷率影响巨大。
CVD 需要满足以下三个基本需求:控制传输气体和晶圆进出反应室并处理气体副产物,提供激发化学 反应的能量,精确控制反应温度、压力和气体流量。其中反应室是最重要的核心部件,反应室的作用是为外 延生长提供一个可靠的高温真空生长环境,满足需要的温度、压强、旋转速度等生长条件。
2. 1 腔体设计
对 SiC-CVD 反应室设计的基本要求:无返混,能实现气体瞬时切换,晶圆上方处于层流区,温场和流场 分布均匀。SiC-CVD 反应温度高达 1 500 ~ 1 700 ℃ ,在此温度范围内,辐射是决定热损耗的主要机制,而 且浮力驱动产生的对流在温场中很重要,设计要考虑如何降低热辐射,低生长压力、高载气流量是减少热 对流的有效途径。图 1 展示了 5 种典型 SiC-CVD 反应室结构示意图。传统的水平 和垂直 冷壁 CVD 反应室(见图 1( a) 、( b) )结构较为简单,托盘上的 SiC 晶圆被放置在气流通道中,加热到反应温度 即可进行外延生长,但有以下缺点:大量热辐射损失导致加热效率很低,在高的生长温度下晶片表面法线 方向非常大的温度梯度( > 100 K/ mm)导致 SiC 晶片容易严重翘曲 ,很难获得高温下大范围的均匀温场和流场。
Kordina 和 Henry 等提出的热壁 CVD 概念很好地克服了这些缺点(见图 1(c) ~ (e)所示),在热壁 CVD 反应室中增加了绝热材料如多孔石墨,SiC 晶片被正面的热辐射以及背面的热传导双面加热,从而大幅 提升加热效率(所需加热功率远小于冷壁),法向温度梯度( < 10 K/ mm)显著降低,晶圆反应面温度均匀性 得到很大提升,对于大规模生产高质量外延片非常有利,结合目前广泛使用的旋转支架配置进一步提升温场 和流场均匀性,使得 SiC 外延膜产业化成为可能,量产 SiC-CVD 都采用热壁模式 。三者各有优缺点,图 1 (c)和图 1(e)中气体在迁移路径上的消耗使得反应/ 掺杂气体浓度变化从而导致膜厚和掺杂浓度不稳定,气 体入口与晶圆的间距短使得顶部产生的颗粒物容易造成掉落物缺陷等;图 1(d)中气体入口与外延片之间间 距较长使得流场和温场更均匀,顶部 Si 滴生成少,即便产生了 Si 滴也会被高速旋转的气流带走,大幅减少掉 落物缺陷,但是该设备昂贵、耗材损耗大因而总体成本高。目前没有国产 SiC-CVD 设备进入量产市场,但是 以芯三代公司为代表的国内 SiC-CVD 设备厂商,已经分别完成了设备研发而且其设备各有特色,如深圳市 纳设智能装备有限公司的水平热壁双反应室可以提升生产率 ,芯三代公司对加热器进行分区设计实现了 加热精确控制 ,喷淋头进行分区设计和冷却水道优化实现了均匀、成比例、分区进气等。
气体流场分布是影响生长速率和外延膜厚均匀性的主要因素,直接决定了气态物质在晶圆表面的沉积行为。气体高速经过进气口进入反应室的迅速扩张会产生涡流和回流等,导致气体流场不均匀,从而对薄膜 均匀度和微观结构产生不利的影响。初期的冷壁 SiC-CVD 进气口通常设计有气体分散器,对气流进行缓冲 和分散,垂直热壁反应器一般配备喷淋头以在反应室中得到更均匀的进气。
2. 2 反应室模拟
对 SiC-CVD 反应室的模拟研究较少,但是对金属有机物化学气相沉积( metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)反应室模拟研究较多,有一定借鉴意义。左然等对行星式热壁 MOCVD 反应室的径 向三重流、温场和流场进行模拟研究,得出过程优化条件为:反应室上下壁靠近并尽量减小温差,导流管水平 延长,中管进口流量尽量大于内、外管流量。而冯兰胜等对垂直进气热壁 MOCVD 反应器的模拟发现(见 图 2),反应室高度在 30 mm 和 225 mm 时,生长速率高于高度为 60 mm 和 120 mm 的情况,较好地吻合了 Aixtron 和 NuFlare 的反应室情况,同时模拟结果表明,随着反应室高度的升高和旋转速度的增加,流场均匀 性得到改善,但是到一定程度后改善将不明显甚至降低。
Mitrovic 等对垂直热壁旋转反应器的流型研究发现,在不同的压力和转速下,反应室内分别呈现浮力 流、活塞流和旋转流三种流型(见图 3),浮力流下晶圆生长面的温度明显不均匀,旋转流下热量被大量带走 加热效率大幅降低,晶圆生长面温度不易控制,活塞流是对外延生长最有利的理想流型。在 160 ~ 460 torr (1 torr = 133. 32 Pa)的压力下,随着旋转速率的增加,反应室中的流型从浮力流变为活塞流再变为旋转流: 300 ~ 600 r/ min 转速下可以得到理想的活塞流; < 160 torr 容易得到活塞流,但是相对较高的真空度下,反应 速率不容易提升; > 460 torr 的压力下无法得到活塞流, < 400 r/ min 下得到浮力流, > 400 r/ min 下得到旋转 流。SiC-CVD 设备必须能够为工艺选择提供活塞流的理想窗口条件。
3. 1 加热器
真空反应器加热常用感应加热和电阻加热两种方式。感应式加热器优点是能量密度大、加热速率快,缺 点是温度均匀性不易控制,而电阻式加热器的温度可以非常方便地校正,其温度均匀性即使在超过 1 000 ℃ 的情况下也可以控制在 ± 1 ℃以内,因此在加热面积允许的情况下,电阻加热对 SiC-CVD 是一种优选的加热方式。电阻式加热器的核心部件发热体材料必须具有急热、急冷、耐高温等特性,包括石墨和钼、钨和钽等金 属都可以满足这些基本要求,但是金属在高温下易升华导致金属污染,常温和高温下的电阻率相差很大导致 升温控制比较困难,而且使用成本高昂,所以不适合选择金属作为加热丝。而石墨有高导热性和导电性、良 好的加工性能、极小的热膨胀系数、较高的电阻等优点,而且相对金属价格便宜很多,因此石墨作为真空电阻 加热器的加热元件得到越来越多的应用。
作为用于高温加热环境的石墨加热器,最高温度能够达到 2200 ℃左右,石墨加热器本身材质的均匀性 和过渡连接部结构设计是否合理,直接影响到其功率分布、使用寿命及热区均匀性,进而对加热效率及外延 膜品质造成影响。石墨在高温时导热性下降明显,加热体中心与外表面间造成温度差,引起内部产生应力容 易开裂,故石墨加热体的壁厚通常为 8 ~ 16 mm,加厚部分壁厚为 16 ~ 30 mm 。
针对高速旋转垂直反应器,Daigo 等对加热盘下的底部加热器的精准温控进行了研究(见图 4),相对 于单一加热器,底部内圈和外圈两个加热器精准独立控温可以克服边缘效应,得到更均匀的晶圆表面温度分 布,厚度均匀性和掺杂均匀性可以分别从 5. 3% 和 8. 8% 提升到 3. 4% 和 5. 6% ,成膜性能大幅提升。
3. 2 温控系统
SiC-CVD 希望尽可能地快速和平稳升温,最终达到生长温度并稳定保持,需要对加热过程进行精确的分 阶段控制。在初始阶段采用恒电压并限制电流的方法进行预热,从而延长加热器的寿命 ,之后阶段采用 功率控制快速加热,接近生长温度时转变为温度控制模式,确保平稳达到并稳定在生长温度。在 SiC-CVD 研发中,对加热器的性能如功率和合适的电势诱导衰退经验值进行良好的选择非常重要,可以确保得到完美的加热曲线。SiC-CVD 控温的基础是准确测温,1 300 ℃以下通常采用热电偶测温,1 300 ℃以上采用红外测 温。杨超普等对比了 MOCVD 原位红外测温的两种具体方法发现,双波长比色测温法优于单色辐射测温 法,前者相对测量误差小而且不受测温孔中累积生长的 SiC 影响,因而不需要进行定期修正探测孔径。
4. 1 旋转设计
反应器壁上的副产物 3C-SiC 晶体容易产生掉落物缺陷和三角形缺陷,一个降低缺陷的方法是高速旋转,高速旋转将直接把掉落物甩出反应区,从而大幅降低掉落物缺陷率。如图 5 中 Daigo 等对比 50 r/ min 和 300 r/ min 掉落物缺陷率,高速旋转可以显著降低缺陷和延长维护间隔时间,300 r/ min 累计生长 3 000 μm,掉落物缺陷率仍然低于 0. 2 cm - 2 。研究发现高速旋转结合优化生长条件可以大幅减少掉落物缺 陷率、生长速率波动和掺杂浓度波动。
现有旋转技术主要有行星式反应器中单片晶圆的气浮旋转和中心轴支撑旋转,二者结合使用可以有效 地平均气流方向的反应物消耗、温度和气流不对称性,得到非常好的均匀性,比如片内厚度均匀性和掺杂均 匀性可以分别达到 4. 2 晶圆传送系统 0. 5% 和 9. 8% 。
4. 2 晶圆传送系统
晶圆传送系统由载片盒、传送腔和机械手组成,完成送进和取出托盘和 SiC 晶圆的任务,产业化的 CVD 设备往往增加缓冲腔、预热腔来缩减平均工艺周期提升生产率,再进一步可以加装半导体设备前端模块实现 晶圆的自动上下料,大幅提升效率。晶圆传送系统的一个重要指标是取放晶圆的温度,将对设备的生产效率 产生重大影响。从图 6 中可以看出,高温传盘将大幅缩短反应周期,提升生产率。如 Axitron 的 AIX G5 WW C 取放晶圆温度从室温提升到 600 ℃,减少加热和冷却的时间可以将生产效率大幅提升 50% 。高温传盘将 对晶圆传送系统相关部件耐高温性能提出挑战,尤其是机械手的手臂和手指,目前多采用陶瓷、石英和不锈钢。
国际上已经商业化量产的 SiC-CVD 设备有意大利 LPE、德国 Axitron 和日本 NuFlare 产品,这三家公司也占据了国内市场。由于起步晚和产业化水平低,国产设备在使用方便性、可调性、稳定性以及运行维护性方 面与国外先进设备相比存在较大的差距,重点需要提升温场和流场的均匀性方面的技术。过去 20 多年国内 泛半导体设备研发和产业化已经打下了很好的基础,尤其是等离子体增强化学气相沉积和 MOCVD 设备方 面,国内公司已经逐步赶超进入了行业第一阵营,以芯三代公司为代表的国内 SiC-CVD 设备厂家,产品各项 指标已经达到甚至领先国际先进水平,完全可满足当前 SiC 外延产业的要求。结合大环境下对国产替代的 强劲需求,目前是 SiC-CVD 国产设备发展的极好时机。国产 SiC-CVD 设备目前的重点是进入生产线接受大 批量生产考验,在成膜质量、生产率、稳定性、重复性和运行维护性等指标上证明自己并获取客户信心。在国 家出台的一系列专项政策的支持下,相信中国 SiC-CVD 设备公司完全可以赶超国外先进水平,为我国 SiC 产 业发展注入强大的推动力。
SiC-CVD 设备是为外延生产服务的,生长速度、均匀性和掺杂均匀性一直是碳化硅外延生长的研究重 点,以此为目标设计和优化是 SiC-CVD 设备技术发展的趋势,以下为需要重点研究的领域:
(1)反应室模拟和实验验证;
(2)结合工艺创新得到更高生长速率;
(3)应对小尺寸到大尺寸的演变,解决更大尺寸下温场和流场的均匀性和旋转的稳定性问题;
(4)通过一机多腔和一腔多片来提升生产效率。
