陳雪江副教授：SiC晶體外延生長(zhǎng)微觀機(jī)理研究（報(bào)告)
中國(guó)粉體網(wǎng)將于2025年8月20-21日在江蘇蘇州舉辦第三代半導(dǎo)體SiC晶體生長(zhǎng)及晶圓加工技術(shù)研討會(huì)。本次會(huì)議聚焦SiC晶體生長(zhǎng)技術(shù)難題、設(shè)備研發(fā)及晶圓加工全流程（生長(zhǎng)→切割→減薄→磨拋→清洗→檢測(cè)），匯聚行業(yè)專(zhuān)家及企業(yè)代表分享交流，加速創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用，突破良率成本瓶頸，驅(qū)動(dòng)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同。
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會(huì)務(wù)組
聯(lián)系人：段經(jīng)理
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與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，SiC功率器件不能直接制作在SiC單晶材料上，必須在導(dǎo)通型SiC單晶襯底上使用外延技術(shù)生長(zhǎng)出高質(zhì)量的外延材料，然后在外延層上制造各類(lèi)器件。之所以不直接在SiC襯底上制造SiC器件，一方面是由于襯底的雜質(zhì)含量較高，且電學(xué)性能不夠好；另一方面是摻雜難度大，即使采用離子注入的方式，也需要后續(xù)的高溫退火，遠(yuǎn)不如在外延層上的摻雜效果好。因此，制造出外延層的摻雜濃度和厚度符合設(shè)計(jì)要求的SiC器件至關(guān)重要。
SiC外延技術(shù)發(fā)展
SiC同質(zhì)外延技術(shù)研究需要基于SiC襯底開(kāi)展，因此研發(fā)時(shí)間晚于SiC襯底，最早于20世紀(jì)60年代開(kāi)始。研究人員主要采用了液相外延法和CVD法進(jìn)行SiC同質(zhì)外延。但由于SiC存在200多種晶體結(jié)構(gòu)，外延生長(zhǎng)時(shí)存在嚴(yán)重的多型夾雜問(wèn)題，因此早期獲得的外延材料質(zhì)量都很差，這也制約了SiC 器件的發(fā)展。
第一個(gè)突破性的里程碑是在1987年，日本的Kuroda等人和美國(guó)的Kong等人各自相繼提出了臺(tái)階流外延生長(zhǎng)模型，在6H-SiC襯底上進(jìn)行完美多型體復(fù)制，并給出了最優(yōu)偏離晶向和偏角。
6H-SiC襯底臺(tái)階流外延生長(zhǎng)模型
代表SiC晶型的堆垛順序信息主要在SiC襯底表面臺(tái)階的側(cè)向，通過(guò)SiC襯底表面偏角度的控制，使得同質(zhì)外延在襯底表面原子臺(tái)階處側(cè)向生長(zhǎng)，從而繼承襯底的堆垛次序，通過(guò)臺(tái)階流生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)晶型的完美復(fù)制。
制備高質(zhì)量的碳化硅外延，要依靠先進(jìn)的工藝和設(shè)備。目前，碳化硅外延技術(shù)已與碳化硅外延設(shè)備高度融合。
SiC外延技術(shù)發(fā)展的第二個(gè)標(biāo)志性里程碑是熱壁（溫壁）CVD反應(yīng)室設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)冷壁CVD反應(yīng)腔室結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但存在一些缺點(diǎn)，如晶片表面法線方向的溫度梯度非常大，導(dǎo)致SiC晶片翹曲比較嚴(yán)重；另外冷壁CVD加熱效率比較低，熱輻射損耗嚴(yán)重。通過(guò)熱壁CVD反應(yīng)室，溫度梯度得到顯著降低，容易實(shí)現(xiàn)良好的溫度均勻性，這對(duì)于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)至關(guān)重要。
第三個(gè)里程碑是氯基快速外延生長(zhǎng)技術(shù)。傳統(tǒng)SiC的CVD生長(zhǎng)技術(shù)通常使用硅烷和碳?xì)浠衔镒鳛榉磻?yīng)氣體，氫氣作為載氣，氣相中Si團(tuán)簇容易形成Si滴，導(dǎo)致外延生長(zhǎng)工藝窗口相對(duì)較窄，同時(shí)也限制了外延生長(zhǎng)的速率。通過(guò)引入氯基化學(xué)成分（通常有TCS，或者HCl）可以極大地抑制Si團(tuán)簇，目前已成功應(yīng)用于SiC快速外延生長(zhǎng)中。
從微觀結(jié)構(gòu)看SiC晶體生長(zhǎng)
SiC單晶的工業(yè)制備主要通過(guò)氣固相變過(guò)程，如物理氣相傳輸（PVT）或熱化學(xué)氣相沉積（HTCVD）法。這一過(guò)程中，氣相原子沉積在晶體表面，會(huì)以三種方式生長(zhǎng)：
島狀生長(zhǎng)（Volmer-Weber, VW）：原子更傾向與自己結(jié)合，易形成晶島；
層狀生長(zhǎng)（Frank–van der Merwe, FM）：原子更傾向與襯底結(jié)合，形成平整薄層；
混合生長(zhǎng)（Stranski–Krastanov, SK）：先形成一層薄層，隨后轉(zhuǎn)為島狀結(jié)構(gòu)。
其中，島狀生長(zhǎng)極易誘發(fā)不同晶型（如3C-SiC）雜相的出現(xiàn)，形成可擴(kuò)展的三角形缺陷。而層狀生長(zhǎng)則有助于抑制雜相生成，形成高質(zhì)量的同質(zhì)外延層。
然而，實(shí)現(xiàn)理想的層狀生長(zhǎng)，需要一個(gè)關(guān)鍵前提：在晶體表面引入微觀“臺(tái)階結(jié)構(gòu)”。這就需要將晶錠端面切割出一個(gè)微小偏離理想晶向的角度，即所謂的“傾角”。這個(gè)傾斜角度能形成密集的微臺(tái)階，有利于原子有序排列，抑制自發(fā)成核和雜質(zhì)相生成，從而提高4H-SiC外延層的結(jié)晶質(zhì)量。
2025年8月21日，中國(guó)粉體網(wǎng)將在蘇州舉辦第三代半導(dǎo)體SiC晶體生長(zhǎng)及晶圓加工技術(shù)研討會(huì)。屆時(shí)，來(lái)自西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院陳雪江副教授將帶來(lái)《SiC晶體外延生長(zhǎng)微觀機(jī)理研究》的報(bào)告。
