徐煜翔 / 工研院材化所；余日浩、楊富程 / Hephaes公司
具有寬能隙性質之化合物半導體材料有氮化鎵、碳化矽、氮化鋁、氧化鎵與鑽石等，而其中碳化矽材料因有高導熱性、高電子遷移率與耐高電壓擊穿等特性，並且在量產性上也較其他材料容易，使其成為在高功率與高頻通訊元件應用中的主要襯底材料。碳化矽晶圓的製造流程與矽晶圓有所不同，本文將從碳化矽的原料合成、長晶製程、晶圓製備與磊晶等流程進行說明，另外也將針對晶圓的缺陷、平整度、電阻率、摻雜量與膜厚等品質分析項目與設備原理進行簡易介紹說明。
【內文精選】
碳化矽粉體合成法
碳化矽之結晶形態具有200種以上，常見的有3C(β相，Cubic)、4H (Hexagonal)、6H(α相)與15R (Rhombohedral)相等，如圖一。在1,800˚C以下反應合成之碳化粉體為3C相為主，1,800˚C以上則會進行相變，轉為6H相，而碳化矽晶圓則是4H相。目前碳化矽粉體合成主要方法有Acheson法、直接碳化法與化學氣相沉積法。Acheson法產能大，但純度分布不均，因此多應用於塊材部件製備、耐火料或是研磨料中。目前主流的合成法則為直接碳化法與化學氣相沉積法。
圖一、碳化矽3C、4H與6H晶格排列圖示
碳化矽長晶技術
3. 物理氣相傳輸法
物理氣相傳輸法為目前量產碳化矽單晶之主流(95%以上)方法，係改良Lely法使其單晶品質大幅優化。原理為將高純碳化矽粉末原料放置於石墨坩堝中，在負壓或惰性氣體(低壓氬氣)的環境下加熱至1,800˚C以上，使碳化矽粉末原料因受熱分解昇華成Si、C、Si2C及SiC2之氣體，並在位於坩堝上部低溫區之碳化矽晶種上凝固結晶生長成晶棒(Boule)。晶體生長過程中，含矽之蒸氣會與坩堝反應，造成坩堝壽命降低，另外整體環境若處於矽/碳比失衡、碳量過高，易使晶體有碳包覆的缺陷產生，越到生長後期，矽/碳比偏差越大，缺陷也會越多，因此目前晶體成長厚度大約在20~25 mm。
碳化矽晶圓製程
經過長晶製程後之碳化矽晶體稱為晶柱或晶球(Boule)，會與頂部之石墨坩堝黏附，因此需將兩者分離。分離後的晶球會進行以下的程序：磨除籽晶面與圓頂面、外徑滾圓、晶相定位、定位邊(主次平邊、Notch)、晶錠切片(As-cut)、研磨與拋光、清洗後成為成品晶圓，後段再進行磊晶(Epitaxial)製程。
碳化矽晶圓與磊晶品質分析
目前碳化矽晶圓的主要規格有直徑、厚度、主平邊長度、次平邊長度、總厚度偏差、彎曲度與翹曲度、電阻率與缺陷數。磊晶片規格則有磊晶層厚度、厚度均勻性、磊晶缺陷、摻雜濃度與摻雜均勻性。
1. 平整度與粗糙度量測：
量測方法有兩種，一為光學干涉法，代表廠商為Corning公司出的Tropel設備；另一種為電容法，代表廠商為E+H Metrology。主要是量測晶圓的表面最高度、最低度、整體厚度、幾何圖與部位背面–基準理想平面/範圍(Site Backsurface-referenced Ideal Plane/Range; SBIR)等。
2. 缺陷分析：
碳化矽晶圓有非常多種類缺陷，如碳包裹(Carbon Inclusion)、次損傷層(Subsurface Damage)、刮痕(Scratch)、螺旋錯位(Threading Screw Dislocation; TSD)， 以及更嚴重之TSD造成的微管(Micropipe)、晶面位錯(Basal Plane Defect)、多晶夾雜(Polytype Inclusion)、六方孔洞(Hexagonalvoid)、疊差(Stacking Fault)與錯位(Dislocation; TD)等。多數缺陷都是晶格排列之問題，因此需要以穿透式電子顯微鏡進行分析，但該方法為破壞性分析，分析後之晶圓無法再使用，使得分析成本過高。
3. 電阻率量測：
N型晶圓量測方式為四點探針，半絕緣非接觸量測有SemiMap公司的COREMA設備(圖七)。另外近期也有廠商以渦電流(Eddy Current)原理開發電阻率設備，其穩定性與再現性皆優於四點探針，且能快速進行碳化矽晶圓各區域的電阻分布圖(Mapping)。
圖七、碳化矽晶圓電阻率量測結果(SemiMap)
4. 磊晶摻雜濃度：
在磊晶過程中會摻雜特定物質(如氮或鋁)以形成P-N Junction，其摻雜濃度與膜厚關係可用二次離子質譜(Secondary Ion Mass Spectroscopy; SIMS)直接分析出磊晶層在不同深度下的摻雜濃度，但該方法同為破壞性檢測。另一種非破壞性的間接量測為汞探針CV量測(Mercury Capacitance-Voltage; MCV)，其原理為以汞作為接觸晶圓之介質，形成一肖特基半導體結構，並量測在高頻下電壓–電容值，再經公式計算出電阻率與摻雜濃度 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》441期，更多資料請見下方附檔。