寬禁帶半導體關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)及發(fā)展

顏秀文，武 祥

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南 長沙 410111)

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)Si和GaAs半導體器件性能已接近其材料本身決定的理論極限。而以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導體材料，由于具有寬帶隙、高飽和漂移速度、高臨界擊穿電場等突出優(yōu)點，成為制作大功率、高頻、高溫及抗輻照電子器件的理想替代材料（材料性能參數(shù)見表1）。以雷達T/R組件的應用為例，寬禁帶半導體器件在同等電特性條件下，可以使體積縮小為Si器件的1/2以上，質(zhì)量至少減輕一半，是實現(xiàn)T/R組件高性能、小型化的關(guān)鍵[1-4]。

表1 半導體材料性能參數(shù)[5]

美國WBGSTI、歐洲ESCAPEE和日本NEDO等多項研究計劃都在大力推動寬禁帶半導體技術(shù)發(fā)展。國際上多家半導體廠商相繼推出高功率、高頻、高溫的寬禁帶半導體產(chǎn)品，并已向軍用、民用領(lǐng)域進行應用擴展。在美國，Cree公司l0 W和60 W的A/AB類放大器已經(jīng)實用化[6]。SiC MESFET已經(jīng)正式裝備美國海軍的新一代E2D(先進鷹眼)預警機[7]。在歐洲，SiCrystal公司已實現(xiàn)準75mm、準100mmSiC襯底的量產(chǎn)，Rohm、ABB等已推出SiC電子器件產(chǎn)品并已實現(xiàn)工業(yè)應用。

1 寬禁帶器件發(fā)展面臨的設(shè)備問題

國內(nèi)寬禁帶半導體功率器件 (主要是SiC MESFET和GaN HEMT)的研究始于20世紀末，經(jīng)過10多年的發(fā)展，國內(nèi)已在寬禁帶半導體材料與器件方面積累了一定經(jīng)驗。但與國外最高水平相比還有很大差距。從技術(shù)層面上講，國外設(shè)備禁運、國產(chǎn)設(shè)備技術(shù)落后是導致我國寬禁帶器件技術(shù)水平上不去的重要原因。尤其是用于寬禁帶材料、器件制造的關(guān)鍵設(shè)備依賴進口，嚴重制約了我國寬禁帶器件技術(shù)水平的發(fā)展。主要體現(xiàn)在：

（1）晶體生長和器件工藝溫度高。SiC晶體生長溫度高達2400℃，GaN外延的工藝溫度也高達1300℃～1600℃。因此，一般半導體工藝設(shè)備通常不能直接用于寬禁帶半導體材料和器件的研制。

（2）材料硬度大，化學性質(zhì)穩(wěn)定。SiC晶體的莫氏硬度高達9，僅次于金剛石。因此，用于SiC材料的切割、研磨、倒角和拋光方面的工藝設(shè)備，要求具有更高的穩(wěn)定性和可靠性。

（3）器件制造涉及多種特殊工藝。SiC材料難以直接金屬化的方式形成歐姆接觸，SiC半導體的摻雜及熱激活也是個技術(shù)難題，通常采用SiC離子注入技術(shù)解決。這對離子注入設(shè)備的注入溫度、注入能量、注入均勻性等方面提出了特殊要求。

可見，寬禁帶半導體材料及器件制造設(shè)備通常具有高溫、高穩(wěn)定、高可靠、工藝特殊等特點，通用半導體工藝設(shè)備已難以滿足寬禁帶半導體材料和器件的研制需要，必須花大力氣予以解決。

2 寬禁帶半導體制造關(guān)鍵裝備

寬禁帶半導體材料及器件制造設(shè)備涉及長晶、切割、研磨、倒角、拋光、SiC外延(或GaN外延)、離子注入、退火、刻蝕、金屬化等10多種設(shè)備。其中，長晶、外延、注入等過程涉及的設(shè)備直接影響到晶體質(zhì)量和器件性能，在某種程度上直接決定了寬禁帶器件的性能指標。因此，寬禁帶半導體制造裝備技術(shù)的自主可控關(guān)鍵是要重點解決長晶、外延、注入等過程涉及的SiC晶體生長爐、SiC外延生長爐、SiC高溫離子注入機和GaN高溫MOCVD設(shè)備。

2.1 SiC晶體生長爐

改進Lely法是利用在超過1800℃高溫時，SiC高溫升華分解的特性進行晶體生長，是目前生長大尺寸SiC晶體的主要方法。改進Lely法又被稱為籽晶升華法或物理氣相輸運法[8]。通常，SiC晶體生長溫度要求在2100～2400℃范圍內(nèi)，生長的反應室壓力控制在1.33×10-4～2.66×103Pa之間，源和籽晶區(qū)間（如圖1所示）的溫度梯度要求在20～35 ℃/cm[9，10]。

圖1 源和籽晶溫度梯度結(jié)構(gòu)示意圖

因此，對SiC晶體生長設(shè)備而言，不僅要求實現(xiàn)高溫環(huán)境，而且對溫度梯度、反應壓力、氣體流量都有高精度控制要求。另外，由于SiC高溫分解產(chǎn)物眾多，晶型多樣，對內(nèi)壁材料、雜質(zhì)控制要求高，因此，工藝支持尤為重要。

圖2為SiC晶體生長（改進Lely法）設(shè)備反應室結(jié)構(gòu)示意圖。可見SiC晶體生長爐的反應器主要由射頻加熱器、SiC粉料、坩堝、保溫層、籽晶、氣流層等組成。設(shè)備的主要技術(shù)指標要求如表1所示。

圖2 SiC晶體生長反應室結(jié)構(gòu)示意圖

表1 SiC晶體生長爐主要技術(shù)指標要求[11]

2.2 SiC外延生長爐

SiC化學氣相外延（CVD）生長的原理如圖3所示：CVD氣源組份主要采用SiH4－C3H8－H2體系。SiH4→Si+2H2，C3H8→3C＋4H2，Si＋C→SiC。通常SiC CVD外延的溫度要求在1200～1800℃范圍內(nèi)，反應壓力控制在1.33×104～1.01×105Pa之間[12,13]。

圖3 SIC CVD反應原理圖

對SiC CVD外延生長設(shè)備而言，根據(jù)結(jié)構(gòu)、水冷、反應壓力的不同，可分為臥式冷壁常壓反應器、臥式熱壁常壓反應器和立式冷壁低壓反應器。其中，美國Emcore推出了商用立式冷壁SiC CVD外延系統(tǒng)，并已在SIMENS和Howard大學獲得應用。德國AIXTRON推出了商用臥式熱壁SiC CVD外延系統(tǒng)（如圖4所示），該系統(tǒng)通過獨特的內(nèi)套管設(shè)計實現(xiàn)了反應器內(nèi)部的層流。目前德國AIXTRON公司VP2400HW配置有6×準100mm載片量，是國際領(lǐng)先的碳化硅商用CVD設(shè)備生產(chǎn)商[14]。設(shè)備的主要技術(shù)指標要求如表2所示。

圖4 VP508型SiC外延生長爐

表2 SiC外延生長爐主要技術(shù)指標要求[15]

2.3 SiC離子注入機

與硅材料相比，SiC材料難以通過擴散實現(xiàn)半導體摻雜，離子注入和外延是實現(xiàn)SiC半導體摻雜的主要方式。與傳統(tǒng)的離子注入設(shè)備相比，SiC離子注入要求注入溫度更高、注入能量更高，以激活摻雜的注入離子。以，Al+注入SiC摻雜為例，200℃條件下進行Al+注入摻雜，在1600℃退火后，Al+激活率只有4%；如果在600℃下進行Al+注入摻雜，經(jīng)1600℃退火后，理論上注入Al+可達到90%的激活率[16]。因此，SiC離子注入通常要求注入溫度達到500～600℃，注入能量單電荷達到30～350 keV，注入能量雙電荷最高達到700 keV。

SiC離子注入機的原理如圖5所示，通過離子源引出離子束進行質(zhì)量分析、束聚焦、分離、偏轉(zhuǎn)，注入到高溫靶盤晶片表面，實現(xiàn)SiC晶體材料的離子注入摻雜。目前，國際上僅有日本ULVAC公司推出了量產(chǎn)型碳化硅離子注入設(shè)備“IH-860D SIC”（見圖6），已在SiC電力電子器件領(lǐng)域獲得廣泛應用[17]。設(shè)備的主要技術(shù)指標要求如表3所示。

圖5 SiC離子注入結(jié)構(gòu)示意圖

表3 SiC離子注入機主要技術(shù)指標要求[18]

圖6 UHVCVD公司IH-860D SIC設(shè)備

2.4 GaN高溫MOCVD

MOCVD設(shè)備是GaN晶體材料外延生長的核心裝備。對高頻、大功率微波器件所需的高Al組份AlGaN/AlN、AlGaN/GaN材料外延生長而言，Al組份嚴重依賴于生長溫度。通常，高質(zhì)量高Al組分AlGaN材料外延需要1400℃的高溫條件。LED領(lǐng)域GaN MOCVD外延生長的反應溫度通?？刂圃?200℃以下；用于太陽能電池制造的GaAs MOCVD反應溫度更低，通常控制在800℃以下[19]。設(shè)備的主要技術(shù)指標要求如表4所示。

表4 GaN高溫MOCVD主要技術(shù)指標要求[21]

目前，國際上GaN MOCVD設(shè)備市場基本被德國AIXTRON公司和美國VEECO公司所壟斷。用于高Al組份AlGaN材料外延的高溫MOCVD設(shè)備德國AIXTRON公司的AIX2600G3 HT（見圖7）機型較為成熟，可達到1400℃工藝溫度，能夠滿足24×準50mm或12×準75mm或8×準100mm的產(chǎn)能需要[20]。國內(nèi)，目前已研發(fā)出1200℃以下實驗型MOCVD設(shè)備產(chǎn)品，且生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本差距甚遠；實用化的高溫MOCVD設(shè)備國內(nèi)還是空白。高溫MOCVD設(shè)備難以突破，在技術(shù)層面主要由于1400℃條件下長期運行帶來的加熱隔熱、源材料預分解、副反應嚴重、反應器污染等問題。

圖7 AIX260G3 HT高溫MOCVD設(shè)備

3 結(jié) 論

寬禁帶半導體設(shè)備技術(shù)是寬禁帶半導體器件發(fā)展的技術(shù)支撐和重要基礎(chǔ)。對SiC、GaN、AlN等寬禁帶晶體材料而言，要求研制的晶體生長爐滿足寬禁帶晶體材料大尺寸、低缺陷、低成本的技術(shù)發(fā)展趨勢。同時，寬禁帶材料制備新工藝的發(fā)展也帶動了晶體生長設(shè)備的技術(shù)創(chuàng)新，如用于氮化物寬禁帶材料制備的HVPE設(shè)備、氨熱法合成設(shè)備、鈉鹽LPE設(shè)備等。對寬禁帶器件制造而言，要求研制的外延設(shè)備、MOCVD設(shè)備滿足襯底材料大尺寸，外延層低缺陷、高均勻性、高一致性，低成本的技術(shù)發(fā)展趨勢。同時，寬禁帶器件制造還要求離子注入特殊工藝，滿足碳化硅等材料的選擇性摻雜、歐姆接觸等，最終實現(xiàn)寬禁帶器件的高性能、低成本。

目前，寬禁帶半導體技術(shù)理論體系日臻完善，寬禁帶半導體材料日趨成熟，寬禁帶半導體器件也已取得突破，為寬禁帶半導體設(shè)備技術(shù)的發(fā)展帶來了巨大機遇。隨著技術(shù)的進步。寬禁帶半導體器件在軍工電子、電力電子、半導體照明等應用領(lǐng)域?qū)⒀杆贁U大，具有巨大的市場發(fā)展?jié)摿?。我們必須科學分析、冷靜面對寬禁帶半導體技術(shù)帶來的歷史機遇，制訂科學的發(fā)展規(guī)劃，加大寬禁帶半導體設(shè)備技術(shù)的投入力度，抓住寬禁帶半導體發(fā)展的新機遇。

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