第三代半導(dǎo)體材料應(yīng)用及制造工藝概況

柳濱，楊元元，王東輝，詹陽(yáng)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176）

第三代半導(dǎo)體材料應(yīng)用及制造工藝概況

柳濱，楊元元，王東輝，詹陽(yáng)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176）

對(duì)當(dāng)前的第三代半導(dǎo)體材料的基本特性及應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行研究，報(bào)告了SiC和GaN材料的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)其制造工藝進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述。

半導(dǎo)體材料；碳化硅；氮化鎵；制造工藝

曾經(jīng)“中流砥柱”的硅功率器件已日趨其材料發(fā)展的極限，難以滿足當(dāng)今社會(huì)發(fā)展對(duì)于高頻、高溫、高功率、高能效、耐惡劣環(huán)境以及輕便小型化的新需求。以SiC為代表的第三代半導(dǎo)體材料憑借其優(yōu)異屬性，已成為突破口，正在迅速崛起。第三代半導(dǎo)體材料作為新興半導(dǎo)體材料，如GaN和SiC，與Si相比，均具備擊穿電壓高、寬禁帶、導(dǎo)熱率高、電子飽和速率高、載流子遷移率高等特點(diǎn)，因而被期待在光電子器件、電力電子器件等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

1　第三代半導(dǎo)體材料應(yīng)用及發(fā)展概況

第三代半導(dǎo)體材料的規(guī)模應(yīng)用，首先是在LED半導(dǎo)體照明上的應(yīng)用，這是以SiC為代表的第三代半導(dǎo)體技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的第一個(gè)突破口。SiC有效地解決了襯底材料與GaN的晶格匹配度問(wèn)題，減少了缺陷和位錯(cuò)，以更高的電光轉(zhuǎn)換效率從根本上帶來(lái)更多的出光和更少的散熱。

第三代半導(dǎo)體材料的重要應(yīng)用，是在各類半導(dǎo)體器件上的應(yīng)用，主要以功率器件、微波器件為應(yīng)用和發(fā)展方向。目前，很多領(lǐng)域都將硅二極管和MOSFET及IGBT（絕緣柵雙極晶體管）等晶體管用作功率元件，比如供電系統(tǒng)、電力機(jī)車、混合動(dòng)力汽車、工廠內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備、光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)器、空調(diào)等白色家電、服務(wù)器及個(gè)人電腦等。由于GaN和SiC所具有的基本特性，使得這些領(lǐng)域所用的功率元件的材料逐步被GaN和SiC替代。

（1）可在高頻段工作。第三代半導(dǎo)體材料器件最大特性是器件工作頻率很高，SiC微波及高頻和短波長(zhǎng)器件是人們最早應(yīng)用的第三代半導(dǎo)體器件，是目前已經(jīng)成熟的應(yīng)用市場(chǎng)。同時(shí)用SiC制作的器件可以用于極端的環(huán)境條件，所以SiC器件在軍用雷達(dá)和通信的應(yīng)用成為各國(guó)角逐的領(lǐng)域。

（2）可在較高溫度下工作。耐熱性方面，硅功率元件在200℃就達(dá)到了極限，而GaN和SiC功率元件均能在溫度更高的環(huán)境下工作，這樣就可以縮小或者省去電力轉(zhuǎn)換器的冷卻機(jī)構(gòu)。

（3）實(shí)現(xiàn)高效率的能源傳輸與利用。傳統(tǒng)硅基（Si-based）材料由于無(wú)法提供較低導(dǎo)通電阻，因而在電力傳輸或轉(zhuǎn)換時(shí)導(dǎo)致大量能量損耗。SiC元件則由于具備高導(dǎo)熱特性，加上材料具有寬能隙特性而能耐高壓和承受大電流，可以降低導(dǎo)通時(shí)的損失和開關(guān)損失，更符合高溫作業(yè)環(huán)境與高能效利用的要求。

（4）有助于產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)小型化。電能損失降低，發(fā)熱量就會(huì)相應(yīng)減少，因此可實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換器的小型化。利用GaN和SiC制作的功率元件具備兩個(gè)能使電力轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)小型化的特性，一個(gè)是可進(jìn)行高速開關(guān)動(dòng)作，另一個(gè)是耐熱性較高。開關(guān)頻率越高，電感器等構(gòu)成電力轉(zhuǎn)換器的部件就越容易實(shí)現(xiàn)小型化。

1.1SiC材料

SiC在1842年被發(fā)現(xiàn)，直到1955年，才出現(xiàn)生長(zhǎng)高品質(zhì)碳化硅的方法。1987年，商業(yè)化生產(chǎn)的SiC進(jìn)入市場(chǎng)，進(jìn)入21世紀(jì)，SiC的商業(yè)應(yīng)用才全面鋪開。

SiC材料制作電子器件，最初以SiC制功率元件為主。SiC制肖特基二極管（SBD）于2001年投產(chǎn)，SiC MOSFET于2010年投產(chǎn)，其中SiC SBD已被配備于空調(diào)及鐵路車輛用逆變器等。與傳統(tǒng)Si功率器件相比，SiC功率元件的應(yīng)用正在逐步擴(kuò)大，見圖1所示。

SiC器件隨著成本不斷降低，已經(jīng)進(jìn)入普及階段。但是，目前即使化合物半導(dǎo)體器件在飛速發(fā)展，企業(yè)也并不打算替換掉電源電路使用的所有的硅器件。因?yàn)樵谑褂弥?，低電壓部分依然存在，在這些地方，硅器件應(yīng)該還會(huì)繼續(xù)保持主流地位。

圖1　SiC功率器件市場(chǎng)［1］

1.2GaN材料

20世紀(jì)90年代以前，因?yàn)槿狈线m的單晶襯底材料，且薄膜位錯(cuò)密度比較大，GaN發(fā)展緩慢。90年代以后，GaN發(fā)展迅速，年均增長(zhǎng)率達(dá)30%，已經(jīng)成為大功率LED的關(guān)鍵性材料。

相較于SiC十多年時(shí)間的發(fā)展，GaN功率元件才剛進(jìn)入市場(chǎng)，它是一種擁有類似于SiC性能優(yōu)勢(shì)的寬能隙材料，擁有更大的成本控制潛力，尤其是高功率的硅基GaN，由于具有更大輸出功率與更快作業(yè)頻率，已被看好可取代硅元件成為下一代的功率元件。近年來(lái)全球?qū)τ诙际谢A(chǔ)建設(shè)、新能源、節(jié)能環(huán)保等方面的政策支持，擴(kuò)大了對(duì)于SiC/GaN等高性能功率元件的需求，將進(jìn)一步促進(jìn)SiC/GaN功率元件的發(fā)展。

2012年的GaN市場(chǎng)上，雖然僅有IR和EPC兩家器件供應(yīng)商，但是隨后幾年已有多家公司推出自己的產(chǎn)品。從2014年開始，一些廠商積極擴(kuò)充產(chǎn)能，在2015年相繼推出600 V耐壓的GaN功率器件，整個(gè)市場(chǎng)的發(fā)展空間將得到極大地?cái)U(kuò)充。

GaN的起步較SiC早，但是SiC的發(fā)展勢(shì)頭更快。在早期，兩者因應(yīng)用領(lǐng)域不同，直接競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)會(huì)并不大。但隨著功率半導(dǎo)體市場(chǎng)向兩者打開，面對(duì)面的競(jìng)爭(zhēng)就不可避免。工業(yè)、新能源領(lǐng)域已經(jīng)成為兩者的戰(zhàn)場(chǎng)，而在汽車領(lǐng)域，因?yàn)閮r(jià)格原因，廠商雖仍然采用傳統(tǒng)的Si器件，不過(guò)，隨著GaN和SiC的快速發(fā)展，成本越來(lái)越接近Si器件，大規(guī)模登陸這個(gè)市場(chǎng)的時(shí)間應(yīng)該不遠(yuǎn)了。

1.3SiC與GaN器件應(yīng)用的區(qū)別

業(yè)界普遍認(rèn)為大容量應(yīng)用使用SiC器件，電子產(chǎn)品電源的小型化適合使用GaN器件。能發(fā)揮高速工作優(yōu)勢(shì)、耐壓為600 V或650 V以上的用途估計(jì)將采用GaN器件，耐壓為1.2 kV以上的用途估計(jì)將采用SiC器件。SiC制功率半導(dǎo)體的用途分為低壓、中壓、高壓三類。低壓的耐壓為600～1 200 V，適用于通信設(shè)備和服務(wù)器等要求高可靠度裝置的PFC（功率因數(shù)校正）電路。中壓的耐壓為1.7～2.5 kV，主要有望得到電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力車逆變器電路的采用。耐壓超過(guò)2.5 kV的屬于高壓，適用于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備和電鐵車輛等功率巨大的設(shè)備。

第三代半導(dǎo)體功率器件，應(yīng)該首先會(huì)從替換現(xiàn)有硅器件更有利的高附加值的應(yīng)用開始普及，然后從高耐壓高輸出功率的應(yīng)用開始，大范圍更新?lián)Q代。

1.4SiC與GaN器件市場(chǎng)概況

根據(jù)IHS IMS Research的報(bào)告顯示，在未來(lái)10年，受到電源、太陽(yáng)光電（PV）逆變器以及工業(yè)電動(dòng)機(jī)的需求驅(qū)動(dòng)，新興的SiC和GaN功率半導(dǎo)體市場(chǎng)將以18%的速度穩(wěn)步成長(zhǎng)。預(yù)計(jì)在2022年以前，SiC和GaN功率元件的全球銷售額將從2012年的1.43億美元大幅增加到28億美元，見圖2所示。

圖2　全球SiC/GaN功率器件市場(chǎng)趨勢(shì)

如今，SiC已被普遍視為足以取代硅的可靠技術(shù)。大多數(shù)功率模組和電源逆變器制造商都將SiC納入技術(shù)開發(fā)藍(lán)圖中，特別是PV逆變器有望成為SiC的最佳應(yīng)用。Yole Developpement報(bào)告指出，盡管受到全球經(jīng)濟(jì)不景氣的影響，2012年整體電力電子市場(chǎng)低迷，經(jīng)歷約20%的負(fù)成長(zhǎng)，但SiC仍維持38%的年增長(zhǎng)率。目前全球約有30多家公司進(jìn)行相關(guān)的SiC技術(shù)研發(fā)，并擁有SiC元件設(shè)計(jì)、制造與銷售能力。

而隨著GaN功率元件銷售與產(chǎn)品出貨量快速攀升，業(yè)界均看好GaN的市場(chǎng)前景。Yole Developpement在最近的調(diào)查報(bào)告中指出，GaN功率市場(chǎng)邁向整合，準(zhǔn)備迎向巨大增長(zhǎng)。Yole分析師Philippe Rousel預(yù)計(jì)，GaN元件市場(chǎng)可望在2020年達(dá)到6億美元的規(guī)模，其中GaN功率器件達(dá)到2億美元規(guī)模（見圖3），屆時(shí)將需要制造58萬(wàn)片150 mm（6英寸）晶圓。此外，GaN市場(chǎng)將于2016年起迅速發(fā)展，伴隨電動(dòng)車（EV）/油電混合車（HEV）于2018～2019年開始采用，2020年前估計(jì)可實(shí)現(xiàn)很高的CAGR增長(zhǎng)。

圖3　GaN功率器件市場(chǎng)［2］

1.5器件技術(shù)發(fā)展概況

根據(jù)SiC、GaN材料器件的優(yōu)異性能，未來(lái)第三代半導(dǎo)體材料及器件將向超高壓、低成本應(yīng)用方向發(fā)展。SiC作為取代Si的功率器件備受期待，在高耐壓領(lǐng)域尤其被看好。在600～6 000 V耐壓領(lǐng)域，瞄準(zhǔn)混合動(dòng)力車及鐵道車輛用途的開發(fā)日益活躍，這一耐壓下的應(yīng)用需求，目前可通過(guò)肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）及MOSFET等SiC單極性器件滿足。

SiC材料能夠?qū)崿F(xiàn)更高耐壓的PiN二極管及IGBT等雙極性器件。通過(guò)將這些高耐壓器件應(yīng)用于變電站、變頻站、高壓直流輸電、醫(yī)療用加速器高壓電源、高速鐵道車輛等，有望降低電力損耗以及實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化。另外，在將來(lái)的電網(wǎng)中，通過(guò)采用更高耐壓的電子開關(guān)，還可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與可再生能源、分布式電源、電動(dòng)車組之間的聯(lián)動(dòng)，以及故障時(shí)的瞬間斷電等遠(yuǎn)程操作。但實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)的應(yīng)用要到2025年前后，要經(jīng)過(guò)10年的研發(fā)。為此，研發(fā)的計(jì)劃內(nèi)容包括：

（1）13 kV、20 A級(jí)SiC PiN二極管

（2）13 kV、20 A級(jí)SiC IGBT

（3）5 kV、20 A級(jí)250℃開關(guān)操作

（4）能實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)的膜厚及多層外延生長(zhǎng)

（5）支持這些技術(shù)的學(xué)術(shù)性基礎(chǔ)研究

三項(xiàng)重要的階段研發(fā)內(nèi)容：

（1）SiC的缺陷、物性控制以及器件基礎(chǔ)。

（2）超厚膜及多層SiC外延晶圓技術(shù)：在高速厚膜外延生長(zhǎng)和缺陷降低方面，實(shí)現(xiàn)外延生長(zhǎng)層厚度達(dá)到100 μm以上、主密度達(dá)到1×1014cm-3的摻雜控制技術(shù)；降低基面位錯(cuò)（BPD），使BPD密度降至0.1 cm-2以下；利用碳注入及熱氧化等手段，使載流子壽命大幅提高20 μs以上。

（3）工藝及超高耐壓SiC器件技術(shù)。

2014年，日本京都大學(xué)工學(xué)研究科教授木本恒暢等人成功試制出了耐壓13 kV的40 A級(jí)PiN二極管以及耐壓16 kV的30 A級(jí)IGBT。該IGBT在柵極形成方面，采用了離子注入與外延膜生長(zhǎng)組合的IE構(gòu)造。已通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，使用這些器件以及新開發(fā)的高溫高耐壓密封材料，在250℃下實(shí)施5 kV開關(guān)操作時(shí)，可實(shí)現(xiàn)20 A以上、2 μs的開關(guān)工作。

1.6材料尺寸

1.6.1SiC基板

SiC制功率元件要進(jìn)一步普及到混合動(dòng)力車及電動(dòng)汽車等電動(dòng)車輛、工業(yè)設(shè)備以及白色家電的電源電路等領(lǐng)域，價(jià)格及性能方面還存問(wèn)題。肖特基二極管（SBD）仍十分昂貴，SiC制MOSFET不僅價(jià)格高，而且沒(méi)有完全發(fā)揮出SiC出色的材料特性，目前還只能用于要求可靠性高的高檔設(shè)備中。SiC制功率半導(dǎo)體若便宜下來(lái)，將會(huì)一舉普及。就SiC二極管來(lái)說(shuō)，我們認(rèn)為，只要單價(jià)降低到10美分/A以下，普及速度就會(huì)加快。

降低SiC元件的成本重要途徑之一就是增大基板尺寸，降低制造成本?；宓闹睆皆酱螅纳a(chǎn)效率越高，也就越有利于降低成本。目前已產(chǎn)品化的功率元件用SiC基板的最大直徑是100～150 mm（4～6英寸）。150 mm（6英寸）SiC基板2012年得到了商業(yè)應(yīng)用，見圖4。

圖4　SiC基板向大尺寸化發(fā)展（Yole developpment）

1.6.2GaN基板

單晶體GaN基板目前有效的商業(yè)化制造是通過(guò)氫化物氣相外延法（HVPE）生產(chǎn)，主要應(yīng)用在光電領(lǐng)域。然而，HVPE氮化鎵基板超高的錯(cuò)位密度會(huì)限制器件的使用，同時(shí)由于制造成本很高，基板尺寸不大，加大了器件制造的成本，從而限制了器件推廣應(yīng)用。

異質(zhì)基板推動(dòng)了GaN器件商業(yè)化、規(guī)?；瘧?yīng)用。目前已知的異質(zhì)基板主要有SiC、藍(lán)寶石（Sapphire）、Si、ZnO基板。SiC、Sapphire基板是GaN器件成熟應(yīng)用的兩種基板材料，Sapphire基板主要用于LED制造，ZnO基板材料目前尚不成熟，Si基板由于具備潛在成本優(yōu)勢(shì)，其制造成本優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Sapphire基板或SiC基板，本世紀(jì)初吸引了全球研發(fā)的目光。

GaN器件的Si基板，也就是GaN-on-Si最初是為了降低Sapphire襯底高亮度LED（HB-LED）制造成本的要求下發(fā)展起來(lái)的。HB-LED產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，技術(shù)發(fā)展變緩（大尺寸Sapphire基板尺寸目前局限在150 mm）。截止目前，Si基LED發(fā)展由于技術(shù)、專利、良率和成本因素并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期目的，GaN-on-Si材料在LED產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用遭遇瓶頸。但是GaN-on-Si在功率器件制造上，因前段GaN外延技術(shù)相似。在LED應(yīng)用市場(chǎng)毛利不斷下滑的趨勢(shì)下，廠商寧可將投資目標(biāo)鎖定在技術(shù)門檻較低的功率元件，實(shí)現(xiàn)較高的利潤(rùn)。所以GaN器件的基板主要是GaN-on-Si基板，這是GaN器件真正走向規(guī)模化商業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)。

目前全球40%能量作為電能被消耗，而電能轉(zhuǎn)換最大耗散是半導(dǎo)體功率器件。電力電子市場(chǎng)應(yīng)用如AC-to-DC或DC-to-AC轉(zhuǎn)換，在大電流高頻率應(yīng)用中，總是伴隨著大量能量損失。GaN在電力電子等高功率和高頻率器件中可顯著提高轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)減少設(shè)備復(fù)雜性和設(shè)備質(zhì)量。從電子基礎(chǔ)材料發(fā)展來(lái)看，GaN正成為一項(xiàng)新興的制造技術(shù)，影響電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的未來(lái)發(fā)展。因此，GaN-on-Si功率器件被認(rèn)為是最具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的發(fā)展方向，成為下一個(gè)替代硅基器件的技術(shù)。從市場(chǎng)角度來(lái)看，GaN-on-Si將主導(dǎo)GaN電力電子功率器件的市場(chǎng)。GaN器件得以快速發(fā)展的另一個(gè)重要原因是GaN器件的制造可兼容150～200 mm（6～8英寸）集成電路制造線。兼容集成電路制造過(guò)程，不僅可求得制造技術(shù)、工藝設(shè)備更大的兼容性，而且更重要的是降低制造成本。這就是GaN-on-Si魅力所在。

1.7各國(guó)采取的戰(zhàn)略

第三代半導(dǎo)體材料及器件的突破將引發(fā)科技變革并重塑國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)格局。美、日、韓、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)高度重視并已部署國(guó)家計(jì)劃搶占戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

2014年初，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬親自主導(dǎo)成立了以SiC為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。這一舉措的背后，是美國(guó)對(duì)以SiC半導(dǎo)體為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)力支持。據(jù)了解，這個(gè)產(chǎn)業(yè)目前已經(jīng)獲得美國(guó)聯(lián)邦和地方政府總計(jì)1.4億美元的合力支持。美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬在該產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立大會(huì)上提到，以SiC為代表的第三代半導(dǎo)體技術(shù)將可使筆記本電腦適配器的體積減少80%，也可以將一個(gè)變電站的體積縮小至一個(gè)手提箱的大小規(guī)格?；蛟S，這正是SiC半導(dǎo)體的魅力之所在。

2013年日本政府將SiC納入“首相戰(zhàn)略”，認(rèn)為未來(lái)50%的節(jié)能要通過(guò)它來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而創(chuàng)造清潔能源的新時(shí)代。

我國(guó)政府也十分重視第三代半導(dǎo)體材料與器件的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，2015年9月，在國(guó)家科技部、工信部、北京市科委的支持下，由第三代半導(dǎo)體相關(guān)的科研機(jī)構(gòu)、大專院校、龍頭企業(yè)自愿發(fā)起籌建的“第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”在北京成立。聯(lián)盟發(fā)起的主要目的是圍繞產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)建創(chuàng)新鏈，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研合作以及跨界應(yīng)用的開放協(xié)同創(chuàng)新，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系的建設(shè)，培育形成一批擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、知名品牌和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的骨干企業(yè)群，形成全國(guó)一盤棋的發(fā)展合力，抓住換道超車的歷史性機(jī)遇，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，在國(guó)際上搶占產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點(diǎn)，重構(gòu)全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)格局。

2　材料制備工藝概況

2.1SiC材料

2009年，紐約州立大學(xué)和道康寧公司在150 mmSiC單晶生長(zhǎng)取得了重大突破后，全世界SiC產(chǎn)業(yè)向150 mm產(chǎn)業(yè)方向發(fā)展。無(wú)缺陷或低缺陷SiC晶體生長(zhǎng)是業(yè)界始終追求而努力的目標(biāo)，大直徑化則是SiC產(chǎn)業(yè)商業(yè)化拓展的方式。實(shí)現(xiàn)大直徑無(wú)缺陷或低缺陷SiC晶體生長(zhǎng)，則是SiC產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)。SiC單晶的生長(zhǎng)缺陷，主要是SiC晶片大面積應(yīng)用中的螺旋錯(cuò)位（稱之為微管），目前先進(jìn)的技術(shù)指標(biāo)是直徑100 mm以上SiC晶片微管缺陷密度（MPD）小于1 cm-2。［3］

150 mmSiC材料制備技術(shù)，2014年國(guó)內(nèi)已突破。北京天科合達(dá)及山東天岳晶體材料有限公司先后宣布成功研制出6H、4H型SiC晶片。但規(guī)?；a(chǎn)制造SiC晶片，達(dá)到低微管密度或零缺陷質(zhì)量還存在一些技術(shù)工藝問(wèn)題，尚需工藝及設(shè)備的進(jìn)步支撐。

2.1.1SiC單晶生長(zhǎng)現(xiàn)狀

目前規(guī)?；L(zhǎng)SiC單晶主要采用物理氣相輸運(yùn)法（PVT，Physical Vapor Transport Method）或籽晶的升華法（Seeded Sublimation Method）［4，5］。SiC生長(zhǎng)爐技術(shù)和工藝過(guò)程中的籽晶制備、生長(zhǎng)壓力控制、溫度場(chǎng)分布控制等因素，決定了SiC單晶質(zhì)量和主要成本。

另一方面，PAT法生長(zhǎng)SiC單晶時(shí)間很長(zhǎng)，一般只能生長(zhǎng)10～20 mm長(zhǎng)度，效率低，成本高。SiC生長(zhǎng)速率在10～500 μm/h范圍，工業(yè)應(yīng)用中較多采用100 μm/h左右生長(zhǎng)速率，以目前成熟的100 mm SiC單晶為例，生長(zhǎng)時(shí)間將超過(guò)100 h。目前還沒(méi)有高效、低成本、規(guī)?；L(zhǎng)大直徑SiC單晶的有效方法。

2.1.2SiC單晶加工現(xiàn)狀

PVT法生長(zhǎng)的SiC單晶一般是短圓柱狀，柱狀高度（或長(zhǎng)度）在20 mm以內(nèi)，需要通過(guò)機(jī)械加工整形、切片、研磨、拋光以及CMP和清洗等工藝，才能成為器件制造前的襯底材料。這一機(jī)械、化學(xué)的制造過(guò)程普遍存在著加工困難、制造效率低、制造成本高等問(wèn)題。SiC單晶加工關(guān)注點(diǎn)是晶片不僅具備良好的幾何形貌［如總厚度變化（TTV，Total Thickness Variation）、翹曲度（BOW）、變形（Wrap）］，而且具備較高的晶片表面質(zhì)量（微粗糙度、劃傷等）［6］。同時(shí)還要考慮SiC單晶加工的效率和成本問(wèn)題，這也就給SiC基板制備提出很大的挑戰(zhàn)。

SiC材料是目前僅次于金剛石硬度的材料，SiC材料的機(jī)械加工，主要以金剛石磨料為基礎(chǔ)切割線、切割刀具、磨削砂輪等工具。由于這些工具的制備基本采用電鍍金屬結(jié)合劑固結(jié)金剛石磨料的方法，或者通過(guò)樹脂固結(jié)金剛石磨料的方法。而且加工過(guò)程中切削力大，加工工具上的金剛石磨料容易脫落，造成工具加工壽命短，加工成本高。為了延長(zhǎng)工具壽命、提高加工質(zhì)量，往往采用微量或極低速進(jìn)給量，造成加工時(shí)間長(zhǎng)、效率低問(wèn)題。

2.1.3SiC單晶加工方法

（1）整形加工：整形加工采用長(zhǎng)度加工、直徑加工和晶向定位加工。首先通過(guò)金剛石切割線切割掉籽晶和生長(zhǎng)面部分，在通過(guò)外圓磨削加工單晶外徑到所需尺寸，在通過(guò)晶向定位，柱面磨削晶向定位主面和副面，完成整形加工。整形加工涉及到的加工設(shè)備有金剛石線單線切割機(jī)、外圓滾磨機(jī)。外圓滾磨機(jī)一般集成了X射線定向儀，方便晶體外圓磨削和定向面磨削加工。

（2）切片加工：SiC切片加工目前主要采用金剛石線多線切割方式，以前采用的游離金剛石多線切割方式，由于切割時(shí)間長(zhǎng)，污染性以及切割表面質(zhì)量問(wèn)題已被替代。SiC金剛石多線切割工藝問(wèn)題主要是在保證切割完整性（即切割過(guò)程不斷線）和質(zhì)量前提下提高切割效率，降低切割成本。保證切割完整性決定于多線切割機(jī)機(jī)械動(dòng)態(tài)性能和切割線張力控制精度，晶片的表面切割質(zhì)量有TTV、Warp、Bow和表面粗糙度。這4個(gè)工藝因素仍然決定于線切割設(shè)備的性能。可以說(shuō)晶片的表面切割質(zhì)量嚴(yán)重影響著后續(xù)研磨、拋光的工藝，需要在生產(chǎn)過(guò)程中有效控制。達(dá)到切片基本要求后，為了降低切割線成本，除了切割線本身質(zhì)量控制外，對(duì)于切割工藝的新線補(bǔ)給、切割進(jìn)給量、鋼線張力等參數(shù)優(yōu)化，達(dá)到理想的切割線消耗指標(biāo)。

（3）晶片研磨：利用金剛石磨料，上下鑄鐵盤在行星傳動(dòng)原理下進(jìn)行SiC晶片的雙面研磨。由于B4C材料價(jià)格低廉，通常用B4C作為磨料，替代金剛石磨料。晶片的研磨工藝是重要的工藝過(guò)程，是取得優(yōu)良質(zhì)量的基礎(chǔ)。這一過(guò)程中消除切片工藝形成的表面波紋、劃傷等缺陷，修正TTV，為后工序創(chuàng)造優(yōu)良的晶片面型。研磨是耗費(fèi)大量加工時(shí)間的過(guò)程，加工效率低，工作環(huán)境差，對(duì)晶片Bow指標(biāo)改善不大，研磨去除余量一般需要幾十微米，才能基本消除切割產(chǎn)生的表面損傷深度。因此尋找一種有效的方法已在各工藝廠家（包括設(shè)備研發(fā)廠商）展開。

研磨過(guò)程中，工藝設(shè)備的研磨盤目前采用鑄鐵盤、復(fù)合銅盤，或者兩者兼用，主要目的是均勻分布并保持研磨磨料，產(chǎn)生良好的晶片表面。研磨盤工作中是有磨損的，隨著加工進(jìn)程，研磨盤本身會(huì)產(chǎn)生形貌特征的變化，影響研磨質(zhì)量，所以定期修正研磨盤是很重要的設(shè)備維護(hù)工作，但研磨工藝批次控制產(chǎn)生較大的偏差，這是研磨工藝批次生產(chǎn)中重要的工藝因素。

研磨工藝本身是產(chǎn)生熱量的過(guò)程，研磨中熱量是影響研磨質(zhì)量和設(shè)備精度的另一因素，所以研磨盤溫度控制顯得很有必要。

金剛石砂輪磨削：美國(guó)Cree公司是最早開展第三代半導(dǎo)體材料、器件研發(fā)生產(chǎn)的公司之一。Cree從2005年開始通過(guò)購(gòu)置市場(chǎng)商用減薄機(jī)進(jìn)行自行改造，用磨削方法替代研磨。就因?yàn)槟ハ鞴に嚤妊心スに嚲哂泻艽髢?yōu)勢(shì)，一些工藝廠家和設(shè)備廠商不斷聯(lián)合，才使得磨削工藝應(yīng)用到替代研磨工藝。目前金剛石砂輪磨削關(guān)鍵技術(shù)之一就是減小或降低SiC晶片磨削后的表面損傷層深度，為下一步研磨/拋光減小加工量；其次是提高金剛石砂輪的壽命，降低磨削工藝的成本。

（4）拋光/CMP：晶片的拋光/CMP，目前采用各種硬度的拋光墊作為軟性平臺(tái)，游離的磨料為SiO2、Al2O3、SiC、BN、B4C、金剛石微粉等，粒度跨度范圍也很大，在數(shù)百到數(shù)十納米范圍內(nèi)。更重要的是，加工襯底材料的不同（襯底加工幾乎為單一材料，器件結(jié)構(gòu)制造中的CMP多為多種材料），工藝目的的不同，使得化學(xué)液類型、組分差別很大，造就了拋光液研究范圍的擴(kuò)大，成為拋光/CMP行業(yè)中重要的產(chǎn)業(yè)。

拋光/CMP工藝目的是去除材料加工前工序造成的材料表面損傷，提高材料的顯微粗糙度。優(yōu)良的晶片表面質(zhì)量包含兩層概念：其一是晶片表面面型（形貌）質(zhì)量，包括晶片的TTV、Wrap、Bow，硅晶片要求的全局不均勻性（GBIR，Global flatness，Backside reference surface，Ideal reference plane，Range）、局部不均勻性（SFQR，Site flatness Front Least Squares Range），以及芯片制造中的片內(nèi)不均勻性（WIWNU，Within-Wafer Nonuniformity）、片間不均勻性（WTWNU，Wafer-to-Wafer Nonuniformity）。其二是晶片表面的粗糙度（微粗糙度）Ra、Ry、RMS指標(biāo)，

（5）催化劑質(zhì)刻蝕拋光（CARE）［7］：一般硅基晶片制造過(guò)程中，晶片經(jīng)過(guò)最終的CMP，獲得理想的表面質(zhì)量，通過(guò)清洗后，用以后續(xù)制造工藝（見圖5所示）。

圖5　拋光、刻蝕示意圖，

圖5（a）所示為常規(guī)機(jī)械拋光原理。在機(jī)械拋光中，用研磨磨料、拋光墊或平臺(tái)摩擦晶片表面，晶片表面從頂端部分，由粗糙變得光滑。因此，拋光結(jié)束時(shí)，去除材料的深度超過(guò)粗糙度值。然而，拋光表面存在相當(dāng)?shù)膿p傷。另一方面，圖5（b）顯示一個(gè)通用的化學(xué)蝕刻方法如濕法刻蝕、等離子體刻蝕。因?yàn)榛瘜W(xué)腐蝕沒(méi)有任何參考平面，整個(gè)表面被刻蝕除去。雖然在表面形成中并沒(méi)有存在破壞，但這需要一個(gè)較大的去除深度來(lái)實(shí)現(xiàn)平坦化。此外，如果表面有缺陷或裂紋，將會(huì)產(chǎn)生腐蝕坑槽，并導(dǎo)致需要一個(gè)更大的去除深度來(lái)實(shí)現(xiàn)平坦化的要求。

化學(xué)蝕刻只發(fā)生在參考板，需符合以下3個(gè)要求：

（1）化學(xué)反應(yīng)性活性物質(zhì)僅在參考面上產(chǎn)生；

（2）該種活性物質(zhì)當(dāng)參考面撤離后不存在；

（3）參考表面是暫時(shí)穩(wěn)定的。

一般認(rèn)為，催化劑平面是一個(gè)理想的參考面。如果一種催化劑只有在催化劑表面或者催化劑與化學(xué)刻蝕接觸點(diǎn)的工作表面產(chǎn)生活性物質(zhì)，工作表面將從頂端的部分被化學(xué)去掉，形成有效地?zé)o任何損傷平坦化［見圖5（c）］。我們稱這種新的無(wú)磨料拋光的方法為催化劑質(zhì)刻蝕（Catalyst-referred Etching，CARE）。

2.2GaN材料

GaN-on-Si是GaN基板的主要應(yīng)用形式，它是以Si基板為基礎(chǔ)沉積GaN材料，Si基板材料的工藝過(guò)程相當(dāng)成熟，這里不再贅述。沉積GaN是GaN-on-Si材料制備的關(guān)鍵工藝，這也是GaN器件的核心技術(shù)。

2.2.1MOCVD工藝

形成質(zhì)量?jī)?yōu)良的GaN膜是GaN-on-Si技術(shù)的關(guān)鍵。工藝過(guò)程中，由于Si基板與GaN薄膜在晶格匹配和熱匹配存在較大的差異性，所以淀積GaN薄膜過(guò)程中很容易出現(xiàn)裂紋、位錯(cuò)等缺陷，工藝良率很低。GaN-on-Si的MOCVD沉積設(shè)備和工藝，是從藍(lán)寶石基板淀積GaN薄膜MOCVD設(shè)備和工藝分支出的，已經(jīng)實(shí)用化。目前GaN-on-Si的MOCVD技術(shù)水平可實(shí)現(xiàn)200 mm制造，效率達(dá)到5片/盤，淀積厚度大于2 μm，邊緣排除小于2 mm。GaN-on-Si工藝良率一直是其發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力，所以MOCVD設(shè)備及工藝向著大尺寸和高良率的方向發(fā)展。

2.2.2拋光/CMP工藝

2015年CMP技術(shù)國(guó)際會(huì)議（ICPT 2015）上，Entrepix公司CMP首席技術(shù)官羅伯·羅迪斯（Robert L.Rhoades）演講中認(rèn)為：CMP應(yīng)用過(guò)程擴(kuò)展到新的集成流程，需要襯底材料從傳統(tǒng)的硅分支啟用新的工程襯底材料應(yīng)用，如GaN-on-Silicon CMP。但更重要的是異質(zhì)層生長(zhǎng)因lattice-mismatched或strain-release不順利，所以當(dāng)epi-growth后，需要一個(gè)新的CMP過(guò)程。這一過(guò)程尚需一段時(shí)間由業(yè)界來(lái)透露。

3　結(jié)束語(yǔ)

第三代半導(dǎo)體材料的規(guī)模應(yīng)用已經(jīng)開始，SiC功率器件領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入到Si、SiC、GaN3種半導(dǎo)體材料并用的時(shí)代。過(guò)去，人們一直利用硅的加工性能良好的特點(diǎn)，借助精雕細(xì)琢的元件結(jié)構(gòu)，提高功率器件的性能并擴(kuò)大其應(yīng)用?，F(xiàn)在，利用第三代半導(dǎo)體材料，在提高能效、電源系統(tǒng)小型化、提高耐壓等方面，其性能已經(jīng)達(dá)到了硅器件無(wú)法企及的高度。

對(duì)于器件制造廠商，根據(jù)市場(chǎng)應(yīng)用需求及技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，目前，有3種材料都在使用的廠商，也有集中于一種材料開拓用途的廠商。各家功率器件廠商之間，在保有的技術(shù)和業(yè)務(wù)方針上存在差別，這就使得第三代半導(dǎo)體材料以多種狀態(tài)逐步融入應(yīng)用和市場(chǎng)，并反過(guò)來(lái)推動(dòng)第三代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用發(fā)展。

［1］Yole developpment.Market Forecast for SiC Devices［EB/OL］.http://www.yole.fr/2014-galery-CS.aspx，2014-09-23.

［2］Yole developpment.GaN Market Size［EB/OL］.http:［3］Darren Hansen，M.J.Loboda，Roman Drachev，Edward Sanchez，Jie Zhang，Eric P Carlson，Jianwei Wan and Gil Chung.Defect Reduction in SiC Growth Using Physical Vapor Transport.［C］Mrs Online Proceeding Library，2010，1246-1249.

//www.yole.fr/2014_press_releases.aspx，2014-06-16.

［4］姜守振，徐現(xiàn)剛，李娟等.SiC單晶生長(zhǎng)及其晶片加工技術(shù)的進(jìn)展［J］.半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2007（5）：810-814.

［5］朱麗娜，李河清，胡伯清，等.PVT法生長(zhǎng)SiC晶體的新缺陷研究［C］.華北地區(qū)硅酸鹽學(xué)會(huì)第八屆學(xué)術(shù)技術(shù)交流會(huì)論文集，2005：173-176.

［6］M.Dudley，S.Byrappa，H.Wang，F(xiàn).Wu，Y.Zhang，B. Raghothamachar，G.Choi，E.K.Sanchez，D.Hansen，R. Drachev，and M.J.Loboda.Characterization of 100 mm Diameter 4H-Silicon Carbide Crystals With Extremely Low Basal Plane Dislocation Density［C］.Materials Science Forum，2011，291-294.

［7］Yasuhisa Sano，z Kenta Arima，and Kazuto Yamauchi. Planarization of SiC and GaN Wafers Using Polishing Technique Utilizing Catalyst Surface Reaction［J］.ECS Journal of Solid State Science and Technology，2013，2（8）：N3028-N3035.

Application and Manufacturing Process Summary of the Third Generation Semiconductor Materials

LIU Bin，YANG Yuanyuan，WANG Donghui，ZHAN Yang
（The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China）

The characteristics and field of application of the third generation semiconductor materials was studied.The present situation of application and market growing trends on SiC and GaN was introduced separately.At last，manufacturing process of SiC and GaN was analyzed briefly.

Semiconductor materials；SiC；GaN；Manufacturing process

TN304.1

A

1004-4507（2016）01-0001-10

柳濱（1967-）男，工程碩士，研究員高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)镃MP設(shè)備與工藝。

2015-12-30

收稿日期：2015-12-18