天科合達的高質量SiC晶體生長方法

天科合達的該項專利提出的改進物理物理氣相傳輸法工藝所生成的碳化硅芯片質量遠遠高于傳統方式生成的芯片。

集微網消息，隨著碳化硅（SiC）芯片應用領域中高鐵、電動汽車、智能電網、5G通信的快速發展，碳化硅芯片成了全球的搶手貨，市場需求大大增加。而我國天科合達半導體公司作為國內碳化硅行業的領頭人，是少數幾家可以實現批量生產4英寸導電芯片的企業，具有雄厚的科研實力。

碳化硅材料由于具有寬帶隙、高臨界擊穿電場、高熱導率、高載流子飽和漂

移速度等特點，與傳統傳統半導體材料Si和GaAs相比，碳化硅具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優異性能，在高溫、高頻、高功率及抗輻射器件方面擁有巨大的應用前景。目前生長SiC晶體最有效的方法是物理氣相傳輸法，在實際工藝過程中，隨著晶體厚度增加，原料的邊緣由于溫度最高，最先發生石墨化，留下大量的碳顆粒，從而在原料的外側產生一個環形的石墨化區域。該區域內的碳顆粒本身非常蓬松，密度較小，很容易被SiC原料升華形成的氣相帶動到晶體表面，從而被包裹到晶體中，形成包裹物缺陷，影響SiC晶體的質量和產率。

針對這一問題，天科合達公司早在2014年12月10日就提出一項名為“一種高質量碳化硅晶體生長的方法”的發明專利（申請號：201410754298.5），申請人為北京天科合達半導體股份有限公司。

此專利提供了一種高質量碳化硅晶體生長的方法和裝置，相比于常規的SiC晶體生長方法，其可以大幅度減少SiC晶體中包裹物缺陷的密度，獲得高質量的SiC晶體，顯著提高碳化硅晶體生長的合格率。

圖1生長SiC晶體的坩堝結構示意圖

此專利提出的物理氣相傳輸法生長SiC晶體的坩堝結構如圖1所示，其中，1為石墨蓋、2為石墨堝、3為SiC原料、4為粘合劑、5為籽晶、6為生長的晶體。與傳統物理氣相傳輸法不同的地方在于覆蓋于原料之上的層耐高溫化學性能穩定碳化物粉末層7，可以讓升華的氣相組分通過，同時可以過濾掉被升華的氣相組分帶起來的固態碳顆粒8，其中碳化物粉末層的環形區面積大于發生碳化的原料塊的環形區面積，從而大大降低了晶體中包裹物缺陷密度。

在實際的操作工藝中，首先取4H-SiC籽晶一片，選擇C面作為晶體生長面。首先在坩堝中裝入足量的SiC粉末原料，然后在SiC原料表面裝入一層顆粒狀TaC粉末層，原料結構如圖1所示。其中TaC粉末層的直徑等同于原料表面直徑100nm，TaC顆粒的粒徑分布在500um-1mm之間。將裝有上述SiC原料、SiC籽晶、TaC粉末層的坩堝結構裝入到生長爐中，設定原料處溫度在2200- 2300℃，籽晶處溫度低于原料150℃，從而生長獲得4H- SiC晶體。

圖2 兩種方式SiC芯片的光學顯微鏡透射模式對比圖

將生成的碳化硅晶體切割并加工成400微米厚的4英寸SiC芯片，采用光學顯微鏡在50倍放大倍數下檢測晶體中包裹物的數量，如圖2左側所示。而采用常規物理氣相傳輸法生長SiC晶體，其光學檢測下晶體透射圖如圖2右側所示，其中黑點為包裹物，可以看出包裹物密度很大，有大量雜質存在。因此本專利提出的改進物理物理氣相傳輸法工藝所生成的碳化硅芯片質量遠遠高于傳統方式生成的芯片。

碳化硅對于未來半導體、集成電路產業極為重要，而天科合達半導體公司提出的這項碳化硅晶體生長方法相對傳統方式極大提升了生成的碳化硅晶體質量，對我國自主創新國產化影響深遠。