住友SiC技術(shù)揭秘：6英寸、“無缺陷”、速度提升5倍！

第三代半導(dǎo)體風(fēng)向

2021年8月13日 11:08

最近， 日本住友的 SiC技術(shù) 最新進展值得注意，它有望大幅降低 SiC襯底成本。先看看一組數(shù)據(jù)：

▲ 6英寸 SiC襯底，幾乎無缺陷，可用面積達到 99% 以上。

▲ 相比PVT法，SiC長晶速度提高了 5倍左右，相比普通的LPE法速度提升了 200倍 。

▲ SiC晶體沒有 基面位錯 ，晶體螺旋位錯減少到 100 個或更少。

這是如何做到的？采用了什么“秘密武器”？今天，“三代半風(fēng)向”就跟大家聊聊 日本住友 的SiC晶體生長技術(shù)。

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缺陷、位錯極低

DFA高達99%

目前，商用的SiC襯底主要有以下 3種生長方式，其中，有多家企業(yè)采用 PVT 法制造了 8英寸襯底 （ .點這里. ）， HT-CVD 也剛剛制造了8英寸襯底（ .點這里. ）。

SiC晶體生長方法來源：《第三代半導(dǎo)體調(diào)研白皮書》

但是在降低SiC襯底成本方面， 液相外延法（LPE） 被認為降本潛力更大。目前， 日本住友 就是采用這種方式。

8月5日，住友官網(wǎng)提到了這項技術(shù)的最新進展——他們利用一種所謂的 MPZ 技術(shù)，生長了 高質(zhì)量、低成本 的SiC襯底和SiC外延片，消除了 表面缺陷 和 基面位錯 (BPD)，無缺陷區(qū)（DFA）達到 99% 。

MPZ（多參數(shù)和區(qū)域控制）是住友溶液生長技術(shù)的 關(guān)鍵之一 ，簡單來說，它是利用仿真和監(jiān)測技術(shù)，對各種參數(shù)進行調(diào)整，以實現(xiàn)更好地晶體質(zhì)量。

“三代半風(fēng)向”花了2天時間研究，發(fā)現(xiàn)MPZ技術(shù)還挺復(fù)雜的，所以希望大家有耐心往下看。

與新日鐵共研

差點賣給昭和電工

在介紹 MPZ 技術(shù)前，先講講住友的溶液長晶技術(shù)的來源。

2012年10月1日， 新日鐵公司 和 住友金屬公司 開始合并，建立了新日鐵住友金屬公司。在合并前，新日鐵主要走PVT法路線，住友金屬主要研究LPE長晶法。

2007 年，新日鐵開發(fā)了 4英寸 SiC晶片，2009年 開始從事 SiC晶片業(yè)務(wù)。2011年12月，新日鐵公司在實驗室中開發(fā)了 6英寸 的碳化硅單晶；2012年3月，還將4 英寸以下 SiC晶片產(chǎn)能增加 2倍，達到 1000片/月 。

住友電氣很早就開發(fā)MPZ生長技術(shù)，2017年10月就量產(chǎn) EpiEra SiC外延片 ，實現(xiàn)了 99% 無缺陷區(qū)(DFA)，消除了表面缺陷和基面位錯(BPD)。

合并后，新日住金公司開展了 2條路線的SiC長晶技術(shù)研發(fā)。但是由于2017年日本經(jīng)濟出現(xiàn)問題，當年8月份，新日住金宣布退出碳化硅領(lǐng)域，將PVT法相關(guān)資產(chǎn) 轉(zhuǎn)移給 昭和電工 。

昭和電工 是從2005年開始研發(fā)生產(chǎn)SiC外延片，2017年的月產(chǎn)能為 3000 片，獲得新日住金的SiC晶體生長技術(shù)后，昭和電工的產(chǎn)業(yè)鏈條更為完整，也有助于 進一步提高 碳化硅產(chǎn)品的質(zhì)量。

新日鐵退出后，住友繼續(xù)研發(fā)溶液長晶法。2018年12月，住友聯(lián)合日本先進工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所 (AIST) ，利用 6英寸MPZ 碳化硅生產(chǎn)線，開發(fā)了當時全球最低導(dǎo)通電阻的 V型槽 碳化硅晶體管，低溝道電阻低至 1170 V / 0.63 mΩ?cm ² 。

4個巧思

解決技術(shù)難題

根據(jù)2017年的論文， 新日住金 開發(fā)了通過溶液生長技術(shù)，制備了 2 英寸的4°偏軸4H-SiC晶圓，亮點包括：

▲ 盡管 SiC籽晶 每平方厘米有數(shù)百個基面位錯，但溶液生長SiC晶體基本沒有發(fā)現(xiàn)基面位錯；同時，SiC籽晶每平方厘米具有 數(shù)百個 螺旋位錯，但溶液生長晶體的螺旋位錯減少到 100 個或更少。

▲ 溶液生長的SiC晶片的電阻率為 16-18 mΩ?cm，SiC晶體每立方厘米含有 1.2-1.4×10 ¹⁹ 個氮原子。

他們是怎么做到的？主要有 4個關(guān)鍵巧思。

首先是選擇更好的溶劑。SiC溶液生長法最常用的溶劑是Si，但由于在 1800°C 時，溶解到Si熔液中的碳含量只有 1at% ，甚至更少，導(dǎo)致SiC的生長速度極慢，一般在 10μm/h 以下。

而住友選擇了Si-Ti和Si-Cr溶劑，成功將SiC單晶生長速度提升至 2mm/h （2000μm/h），相比之下，PVT法的生長速度約為 400um/h 。

其次是 抑制多晶和溶劑夾雜缺陷 。住友使用頂部種子溶液生長法（TSSG）來生長 4H-SiC 單晶，但會有 2 個問題。

一是，籽晶浸入溶液時，石墨夾持軸端會接觸溶液，從而導(dǎo)致石墨表面發(fā)生SiC成核，形成了不良晶體。住友是這樣解決的——將晶體與溶液表面接觸，然后將它提拉至溶液表面上方約 0.2-1.0mm 處，以形成彎液面，這樣就避免了石墨接觸溶液，可以 完全抑制 了不良晶體的生長。

二是，要抑制不良晶體的形成，要優(yōu)化晶體生長爐的熱區(qū)隔熱材料結(jié)構(gòu)，使溶液中的溫度均勻。但是如果籽晶附近的熱量也均勻化，也會減緩晶體生長速度。住友是這樣做的：借助仿真技術(shù)來 優(yōu)化溫度分布 ，并通過晶體夾持軸將熱量從籽晶背面釋放，來促進單晶生長，除單晶生長部分外，溶液中的溫差保持在 4°C 左右，這樣不良晶體就不會出現(xiàn)在溶液中和石墨坩堝內(nèi)壁，可實現(xiàn)近 100小時 的長時間生長。