碳化硅（SiC）半導(dǎo)體器件的制備工藝是一個(gè)涉及晶體生長、材料加工、器件制造、封裝測(cè)試的復(fù)雜鏈條，其核心難點(diǎn)在于碳化硅材料的高硬度（莫氏硬度 9.2，僅次于金剛石）、高熔點(diǎn)（2830℃）和化學(xué)穩(wěn)定性，需適配高溫、高精度的專用工藝。以下是關(guān)鍵制備環(huán)節(jié)及核心工藝解析：
一、襯底制備：器件的 “基石” 制造
碳化硅襯底是器件制備的基礎(chǔ)，決定了后續(xù)外延層與器件的性能，核心工藝為物理氣相傳輸法（PVT 法），具體流程如下：
原料預(yù)處理
以高純度 SiC 粉末（純度≥99.999%）為原料，摻雜 N 型（氮原子）或 P 型（鋁、硼原子）雜質(zhì)，壓制成圓柱狀 “源材料”；
籽晶（通常為 4H-SiC 單晶，決定襯底晶型）固定在石墨坩堝頂部，源材料置于底部，形成密閉生長環(huán)境。
PVT 法晶體生長
坩堝置于高頻感應(yīng)爐中，升溫至 2200-2500℃，真空或惰性氣體（Ar）氛圍下，源材料升華（SiC→Si+SiC?氣體）；
氣體在溫度梯度（頂部籽晶溫度低于底部 50-100℃）驅(qū)動(dòng)下向籽晶擴(kuò)散，在籽晶表面重新結(jié)晶，實(shí)現(xiàn)單晶生長；
關(guān)鍵控制：通過熱場(chǎng)設(shè)計(jì)（石墨保溫層分布）控制溫度梯度（5-20℃/cm），生長速率維持在 0.2-2μm/h，避免多晶、孿晶等缺陷。
襯底切割與加工
生長后的 SiC 單晶錠（“晶棒”）通過金剛石線鋸切割（線徑 50-100μm），獲得厚度 300-500μm 的襯底薄片；
經(jīng)研磨（金剛石砂輪）、化學(xué)機(jī)械拋光（CMP，用 SiO?磨料），使表面粗糙度降至 Ra≤0.5nm，滿足外延生長要求；
最終形成 4 英寸、6 英寸（主流）或 8 英寸（研發(fā)中）襯底，需通過 X 射線衍射（XRD）檢測(cè)晶向偏差（≤0.5°），激光掃描檢測(cè)微管缺陷（密度≤0.1/cm²）。
二、外延生長：器件有源層的 “精準(zhǔn)構(gòu)建”
碳化硅器件的核心功能層（如漂移層、緩沖層）需在襯底表面通過化學(xué)氣相沉積（CVD） 外延生長，形成高質(zhì)量單晶薄膜：
外延設(shè)備與環(huán)境
采用熱壁式 CVD 反應(yīng)器，襯底置于石墨載臺(tái)上，加熱至 1500-1650℃，通入惰性氣體（H?為主）排除雜質(zhì)；
反應(yīng)氣體：Si 源（SiH?或 SiCl?）、C 源（C?H?或 CH?），摻雜氣體（N?用于 N 型，AlCl?用于 P 型）。
外延生長機(jī)制
氣體在高溫下分解為活性基團(tuán)（Si、C 原子），在襯底表面吸附、遷移并外延生長，形成與襯底晶型一致的 SiC 薄膜；
控制生長參數(shù)：氣體流量比（C/Si=1.2-1.5，抑制硅滴生成）、生長速率（1-10μm/h）、溫度均勻性（±5℃），確保外延層厚度均勻性（±2%）。
外延層質(zhì)量控制
缺陷控制：通過襯底表面預(yù)處理（如氫刻蝕）減少表面損傷，外延層位錯(cuò)密度需≤10³/cm²（降低器件漏電流）；
摻雜均勻性：通過氣體流量閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)摻雜濃度（10¹?-10¹? cm?³）徑向偏差≤5%，滿足不同耐壓器件需求（如 1200V 器件漂移層摻雜～10¹? cm?³）。
三、器件結(jié)構(gòu)制備：從 “薄膜” 到 “功能單元”
外延層上需通過光刻、刻蝕、離子注入等工藝構(gòu)建器件核心結(jié)構(gòu)（如 PN 結(jié)、柵極、源漏區(qū)），關(guān)鍵步驟如下：
光刻：圖形轉(zhuǎn)移
采用深紫外光刻（DUV，波長 248nm 或 193nm），在光刻膠上定義器件圖形（如溝槽、電極窗口）；
針對(duì)碳化硅高硬度特性，需優(yōu)化光刻膠涂覆（厚度 5-10μm）和曝光參數(shù)，確保圖形分辨率≤0.5μm（適配高密度集成）。
刻蝕：結(jié)構(gòu)成型
干法刻蝕為主（濕法刻蝕因 SiC 化學(xué)惰性難以實(shí)現(xiàn)），采用電感耦合等離子體（ICP）刻蝕，刻蝕氣體為 SF?/O?混合氣體；
控制刻蝕速率（0.5-2μm/min）和各向異性（垂直度≥85°），用于形成溝槽柵（深度 1-3μm）、臺(tái)面結(jié)構(gòu)（隔離器件）等，刻蝕后需去除光刻膠殘留（氧等離子體灰化）。
離子注入：摻雜改性
用于形成源區(qū)、漏區(qū)、阱區(qū)等，注入離子為 N?（N 型）、Al?（P 型），能量 50-300keV，劑量 10¹³-10¹? cm?²；
關(guān)鍵：SiC 的離子注入需高溫退火激活（1600-1800℃，Ar 氛圍），修復(fù)晶格損傷并激活雜質(zhì)（激活率≥80%），同時(shí)采用 SiC 涂層石墨舟避免襯底污染。
氧化：柵氧層制備
對(duì)于 MOS 結(jié)構(gòu)器件（如 SiC MOSFET），需在表面生長 SiO?柵氧化層，采用干氧氧化（O?氛圍）或濕氧氧化（H?O+O?），溫度 1100-1300℃；
氧化后需進(jìn)行NO 退火（900-1100℃），減少 SiO?/SiC 界面態(tài)密度（從 10¹³ cm?²?eV?¹ 降至 10¹¹ cm?²?eV?¹），提升溝道遷移率。
四、金屬化與接觸：“電流通路” 的構(gòu)建
通過金屬沉積形成歐姆接觸（低阻）和肖特基接觸（整流），以及互連電極：
歐姆接觸制備
源漏區(qū)采用 Ni（或 Ni/Si 合金），通過電子束蒸發(fā)或?yàn)R射沉積，厚度 200-500nm；
高溫合金化（950-1050℃，Ar 氛圍），形成 Ni?Si 相，實(shí)現(xiàn)比接觸電阻≤10?? Ω?cm²（N 型）或≤10?? Ω?cm²（P 型）。
肖特基接觸制備
用于肖特基二極管（SBD）或 MOSFET 的柵極，采用 Mo、Pt 或 Ti/Ni/Au 多層金屬，控制金屬功函數(shù)與 SiC 匹配（如 4H-SiC 肖特基勢(shì)壘高度～1.1eV）；
沉積后需低溫退火（300-500℃），降低接觸電阻，同時(shí)避免高溫導(dǎo)致的界面反應(yīng)。
互連金屬與鈍化
采用 Al-Cu 合金（厚度 1-2μm）或 Cu 作為互連金屬，通過濺射或電鍍形成電極引線；
用 SiO?、Si?N?或 Al?O?（ALD 沉積）進(jìn)行表面鈍化，保護(hù)器件免受環(huán)境影響，同時(shí)降低表面態(tài)。
五、封裝工藝：“可靠性” 的最后保障
碳化硅器件工作溫度高（結(jié)溫可達(dá) 200℃以上）、功率密度大，需適配高溫高可靠封裝：
芯片貼裝（Die Attach）
替代傳統(tǒng)錫焊（熔點(diǎn)低），采用銀燒結(jié)技術(shù)（銀漿或銀納米顆粒），在 200-300℃、壓力 10-50MPa 下燒結(jié)，形成導(dǎo)熱系數(shù)＞200W/m?K 的鍵合層，熱阻比錫焊降低 40%。
引線鍵合
采用鋁線（直徑 25-50μm）或銅線（導(dǎo)電性更優(yōu)），通過超聲鍵合連接芯片電極與封裝引腳，鍵合強(qiáng)度需≥5g（鋁線）或≥8g（銅線），適配高溫循環(huán)（-55℃~150℃）。
封裝體成型
功率器件常用陶瓷封裝（如 DBC 基板，Al?O?或 AlN 陶瓷）或金屬封裝（銅合金底座），提升散熱能力；
灌封材料采用硅橡膠或環(huán)氧樹脂（耐高溫等級(jí)≥180℃），避免水汽、污染物侵入。
可靠性測(cè)試
進(jìn)行高溫反偏（HTRB，150℃/1000h）、溫度循環(huán)（TC，-55℃~150℃/1000 次）、濕熱測(cè)試（85℃/85% RH/1000h），確保器件失效率≤10??/h（車規(guī)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）。
工藝難點(diǎn)與技術(shù)趨勢(shì)
核心挑戰(zhàn)：PVT 法襯底缺陷控制（微管、位錯(cuò)）、外延層均勻性提升、離子注入高溫退火的襯底損傷、柵氧層界面態(tài)優(yōu)化；
創(chuàng)新方向：8 英寸襯底量產(chǎn)（降低單位面積成本）、原子層沉積（ALD）制備高 - quality 柵氧、3D 集成封裝（如芯片直接鍵合 DBB）提升功率密度。
碳化硅器件的制備工藝是材料科學(xué)、精密制造與半導(dǎo)體技術(shù)的融合，其進(jìn)步直接推動(dòng)器件成本下降與性能升級(jí)，加速在新能源、工業(yè)等領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用。