住友SiC技术揭秘：6英寸、“无缺陷”、速度提升5倍

最近，日本住友的SiC技术最新进展值得注意，它有望大幅降低SiC衬底成本。先看看一组数据：

▲ 6英寸SiC衬底，几乎无缺陷，可用面积达到99%以上。

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

▲ SiC晶体没有基面位错，晶体螺旋位错减少到100个或更少。

这是如何做到的？采用了什么“秘密武器”？今天，“三代半风向”就跟大家聊聊日本住友的SiC晶体生长技术。

缺陷、位错极低

DFA高达99%

目前，商用的SiC衬底主要有以下3种生长方式，其中，有多家企业采用PVT法制造了8英寸衬底（.点这里.），HT-CVD也刚刚制造了8英寸衬底（.点这里.）。

SiC晶体生长方法 来源：《第三代半导体调研白皮书》

但是在降低SiC衬底成本方面，液相外延法（LPE）被认为降本潜力更大。目前，日本住友就是采用这种方式。

8月5日，住友官网提到了这项技术的最新进展——他们利用一种所谓的MPZ技术，生长了高质量、低成本的SiC衬底和SiC外延片，消除了表面缺陷和基面位错(BPD)，无缺陷区（DFA）达到99%。

MPZ（多参数和区域控制）是住友溶液生长技术的关键之一，简单来说，它是利用仿真和监测技术，对各种参数进行调整，以实现更好地晶体质量。

“三代半风向”花了2天时间研究，发现MPZ技术还挺复杂的，所以希望大家有耐心往下看。

与新日铁共研

差点卖给昭和电工

在介绍MPZ技术前，先讲讲住友的溶液长晶技术的来源。

2012年10月1日，新日铁公司和住友金属公司开始合并，建立了新日铁住友金属公司。在合并前，新日铁主要走PVT法路线，住友金属主要研究LPE长晶法。

2007 年，新日铁开发了4英寸SiC晶片，2009年开始从事SiC晶片业务。2011年12月，新日铁公司在实验室中开发了6英寸的碳化硅单晶；2012年3月，还将4 英寸以下 SiC晶片产能增加2倍，达到1000片/月。

住友电气很早就开发MPZ生长技术，2017年10月就量产EpiEra SiC外延片，实现了99%无缺陷区(DFA)，消除了表面缺陷和基面位错(BPD)。

合并后，新日住金公司开展了2条路线的SiC长晶技术研发。但是由于2017年日本经济出现问题，当年8月份，新日住金宣布退出碳化硅领域，将PVT法相关资产转移给昭和电工。

昭和电工是从2005年开始研发生产SiC外延片，2017年的月产能为3000片，获得新日住金的SiC晶体生长技术后，昭和电工的产业链条更为完整，也有助于进一步提高碳化硅产品的质量。

新日铁退出后，住友继续研发溶液长晶法。2018年12月，住友联合日本先进工业科学技术研究所 (AIST) ，利用6英寸MPZ碳化硅生产线，开发了当时全球最低导通电阻的V型槽碳化硅晶体管，低沟道电阻低至1170 V / 0.63mΩ∙cm2。

4个巧思

解决技术难题

根据2017年的论文，新日住金开发了通过溶液生长技术，制备了2英寸的4°偏轴4H-SiC晶圆，亮点包括：

▲ 尽管SiC籽晶每平方厘米有数百个基面位错，但溶液生长SiC晶体基本没有发现基面位错；同时，SiC籽晶每平方厘米具有数百个螺旋位错，但溶液生长晶体的螺旋位错减少到100个或更少。

▲ 溶液生长的SiC晶片的电阻率为16-18mΩ∙cm，SiC晶体每立方厘米含有1.2-1.4×1019个氮原子。

他们是怎么做到的？主要有4个关键巧思。

首先是选择更好的溶剂。SiC溶液生长法最常用的溶剂是Si，但由于在1800°C时，溶解到Si熔液中的碳含量只有1at%，甚至更少，导致SiC的生长速度极慢，一般在10μm/h以下。

而住友选择了Si-Ti和Si-Cr溶剂，成功将SiC单晶生长速度提升至2mm/h（2000μm/h），相比之下，PVT法的生长速度约为400um/h。

其次是抑制多晶和溶剂夹杂缺陷。住友使用顶部种子溶液生长法（TSSG）来生长4H-SiC单晶，但会有2个问题。

一是，籽晶浸入溶液时，石墨夹持轴端会接触溶液，从而导致石墨表面发生SiC成核，形成了不良晶体。住友是这样解决的——将晶体与溶液表面接触，然后将它提拉至溶液表面上方约0.2-1.0mm处，以形成弯液面，这样就避免了石墨接触溶液，可以完全抑制了不良晶体的生长。

二是，要抑制不良晶体的形成，要优化晶体生长炉的热区隔热材料结构，使溶液中的温度均匀。但是如果籽晶附近的热量也均匀化，也会减缓晶体生长速度。住友是这样做的：借助仿真技术来优化温度分布，并通过晶体夹持轴将热量从籽晶背面释放，来促进单晶生长，除单晶生长部分外，溶液中的温差保持在4°C左右，这样不良晶体就不会出现在溶液中和石墨坩埚内壁，可实现近100小时的长时间生长。

再次，降低晶面粗糙度，抑制溶剂夹杂物。

通常，在溶液中生长SiC晶体时，晶体增厚，表面就会粗糙，如果形成几百微米到几毫米的的凹凸，溶剂就会留在细小凹处，从而形成溶剂夹杂缺陷，容易引发功率器件失效。

为了使晶体生长保持表面光滑，住友提出了新的方法——使晶体的生长界面向内弯曲。实践发现，生长界面为凹面时，溶液流与台阶向前移动的方向相反，这样就可以显著降低表面粗糙度。

第四，通过氮掺杂降低电阻。

住友发现，使用Si-Ti或Si-Cr溶剂还有个好处——在气氛气体中加入少量的氮，可以对 SiC 晶体进行氮掺杂。通过测算，溶液生长晶体的比电阻几乎与PVT法相同——N型晶体的电阻率为15-20mΩ∙cm。

当时，他们只生长了2英寸的SiC晶体，而PVT早已商业化6英寸产品。为此，在论文中，住友表示，尽管溶液生长法可以获得更高质量和更低成本的SiC晶体，但是没有PVT法那么实用。

不过，住友的这项技术发展很快，2020年5月，他们就宣布成功开发了6英寸的SiC单晶衬底CrystEra，并在2020下半财年将其商业化。