中國粉體網(wǎng)訊 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)生長出高質(zhì)量的外延材料，然后在外延層上制造各類器件。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襯底開展，因此研發(fā)時間晚于SiC襯底，最早于20世紀(jì)60年代開始。研究人員主要采用了液相外延法和CVD法進行SiC同質(zhì)外延。但由于SiC存在200多種晶體結(jié)構(gòu)，外延生長時存在嚴(yán)重的多型夾雜問題，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。
第一個突破性的里程碑是在1987年，日本的Kuroda等人和美國的Kong等人各自相繼提出了臺階流外延生長模型，在6H-SiC襯底上進行完美多型體復(fù)制，并給出了最優(yōu)偏離晶向和偏角。
6H-SiC襯底臺階流外延生長模型
代表SiC晶型的堆垛順序信息主要在SiC襯底表面臺階的側(cè)向，通過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階處側(cè)向生長，從而繼承襯底的堆垛次序，通過臺階流生長實現(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)展的第二個標(biāo)志性里程碑是熱壁（溫壁）CVD反應(yīng)室設(shè)計。傳統(tǒng)冷壁CVD反應(yīng)腔室結(jié)構(gòu)較為簡單，但存在一些缺點，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。通過熱壁CVD反應(yīng)室，溫度梯度得到顯著降低，容易實現(xiàn)良好的溫度均勻性，這對于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)至關(guān)重要。
第三個里程碑是氯基快速外延生長技術(shù)。傳統(tǒng)SiC的CVD生長技術(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團簇容易形成Si滴，導(dǎo)致外延生長工藝窗口相對較窄，同時也限制了外延生長的速率。通過引入氯基化學(xué)成分（通常有TCS，或者HCl）可以極大地抑制Si團簇，目前已成功應(yīng)用于SiC快速外延生長中。
從微觀結(jié)構(gòu)看SiC晶體生長
SiC單晶的工業(yè)制備主要通過氣固相變過程，如物理氣相傳輸（PVT）或熱化學(xué)氣相沉積（HTCVD）法。這一過程中，氣相原子沉積在晶體表面，會以三種方式生長：
▶島狀生長（Volmer-Weber, VW）：原子更傾向與自己結(jié)合，易形成晶島；
▶層狀生長（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（Stranski–Krastanov, SK）：先形成一層薄層，隨后轉(zhuǎn)為島狀結(jié)構(gòu)。
其中，島狀生長極易誘發(fā)不同晶型（如3C-SiC）雜相的出現(xiàn)，形成可擴展的三角形缺陷。而層狀生長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，實現(xiàn)理想的層狀生長，需要一個關(guān)鍵前提：在晶體表面引入微觀“臺階結(jié)構(gòu)”。這就需要將晶錠端面切割出一個微小偏離理想晶向的角度，即所謂的“傾角”。這個傾斜角度能形成密集的微臺階，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，中國粉體網(wǎng)將在蘇州舉辦第三代半導(dǎo)體SiC晶體生長及晶圓加工技術(shù)研討會。屆時，來自西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院陳雪江副教授將帶來《SiC晶體外延生長微觀機理研究》的報告。
來源：
郭鈺等：碳化硅同質(zhì)外延質(zhì)量影響因素的分析與綜述
光學(xué)量檢測：SiC端面傾角與參考邊測量技術(shù)解析
碳化硅芯觀察：【干貨】SiC外延工藝介紹及摻雜環(huán)節(jié)與監(jiān)測重點
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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