理解碳化硅（SiC）晶圆加工：从外延生长到器件制造
碳化硅（SiC）因其宽禁带、高击穿电场和优异的热导率，已成为下一代功率和高频电子器件开发中的关键材料。与传统硅相比，SiC的晶圆加工工艺更加复杂，需要对晶体质量、缺陷管理以及高精度制造技术进行严格控制。本文概述了SiC晶圆加工的关键阶段，从外延生长到最终器件制造。
SiC晶圆的制造始于高质量的单晶SiC衬底，通常采用4H-SiC或6H-SiC晶型。衬底准备对确保均匀的外延生长和器件可靠性至关重要。
关键步骤包括：
表面抛光：采用化学机械抛光（CMP）实现原子级平整度和极低的表面粗糙度，这是无缺陷外延生长的基础。
去除污染：利用湿法和干法清洗技术，去除有机残留物、颗粒和金属污染物。
取向控制：精确保持衬底的取向（通常为<0001>方向），以优化外延生长和电子性能。
外延生长阶段是将高纯度、轻掺杂的SiC薄层沉积到衬底上，形成器件结构的活性区。该过程主要采用化学气相沉积（CVD），尤其是水平或垂直热壁CVD。
外延生长特点：
厚度范围：从几微米（用于射频器件）到超过100微米（用于高压器件）。
掺杂控制：通过掺杂氮（N型）或铝、硼（P型）来调控电子性能。
缺陷抑制：高度关注抑制堆垛层错、基面位错（BPDs）和微管缺陷。
外延生长后，SiC晶锭或晶圆进行切割和后续处理：
晶圆切割：采用钻石线锯切割SiC晶锭。需处理SiC的硬度和脆性，避免崩边和微裂纹。
磨削与研磨：减少厚度变化，提高平整度。
最终抛光：实现镜面光洁度，表面粗糙度达到亚纳米级，为光刻工艺做准备。
光刻工艺用于将复杂的电路图案转移至晶圆表面，包含：
涂布光刻胶：均匀涂布感光胶。
掩膜对准与曝光：利用紫外（UV）光通过光掩膜曝光晶圆。
显影：显影去除曝光或未曝光部分（取决于光刻胶类型），形成所需图案。
鉴于现代SiC器件的高密度集成和微小特征，精准的对准和分辨率极为重要。
图案形成后，通过蚀刻选择性去除材料：
干法蚀刻（等离子体或反应离子蚀刻RIE）：实现各向异性及高长宽比蚀刻，适用于垂直器件结构。
湿法蚀刻：由于选择性和控制性较差，使用较少，但在某些材料表面处理时仍适用。
SiC的化学惰性要求采用含氟基的强蚀刻气体。
为调控电性能，对晶圆特定区域进行掺杂：
离子注入：将高能离子（如Al⁺、N⁺）注入晶圆，形成PN结或沟道区。
退火：注入后需在超过1600℃高温下退火，以激活掺杂剂并修复晶格损伤。
SiC的高温稳定性使其在不熔化或损坏衬底的情况下实现掺杂活化。
制造欧姆接触和肖特基接触对器件功能至关重要：
金属沉积：通过溅射、蒸发或CVD技术沉积金属层（如Ni、Al、Ti）。
接触退火：确保形成低电阻欧姆接触，特别是功率器件。
互连：对金属层进行图案化，形成活性区域间的电路互连。
同时会引入阻挡层和钝化层，以防止金属扩散并保证器件稳定性。
此阶段完成完整功能器件（如MOSFET、肖特基二极管或结型屏障肖特基（JBS）二极管）。关键工序包括：
芯片分割：将晶圆切割成单个芯片。
封装：将器件封装在高可靠性封装中，通常配备先进的热管理方案，以支持SiC的高温特性。
电气测试：对每个器件进行参数验证，如击穿电压、漏电流和开关速度。
SiC晶圆加工是一项涵盖衬底工程、外延生长、微影技术、掺杂及器件集成的多学科高精度工艺。尽管由于材料硬度、化学惰性及缺陷敏感性带来诸多技术挑战，其在高功率、高温和高频应用中的性能优势无可比拟。随着电动汽车、可再生能源和5G通信等领域对节能电子产品需求的持续增长，SiC晶圆加工的战略价值将不断提升，成为现代半导体技术的基石。
