碳化硅（SiC）半导体器件的制备工艺是一个涉及晶体生长、材料加工、器件制造、封装测试的复杂链条，其核心难点在于碳化硅材料的高硬度（莫氏硬度 9.2，仅次于金刚石）、高熔点（2830℃）和化学稳定性，需适配高温、高精度的专用工艺。以下是关键制备环节及核心工艺解析：
一、衬底制备：器件的 “基石” 制造
碳化硅衬底是器件制备的基础，决定了后续外延层与器件的性能，核心工艺为物理气相传输法（PVT 法），具体流程如下：
原料预处理
以高纯度 SiC 粉末（纯度≥99.999%）为原料，掺杂 N 型（氮原子）或 P 型（铝、硼原子）杂质，压制成圆柱状 “源材料”；
籽晶（通常为 4H-SiC 单晶，决定衬底晶型）固定在石墨坩埚顶部，源材料置于底部，形成密闭生长环境。
PVT 法晶体生长
坩埚置于高频感应炉中，升温至 2200-2500℃，真空或惰性气体（Ar）氛围下，源材料升华（SiC→Si+SiC₂气体）；
气体在温度梯度（顶部籽晶温度低于底部 50-100℃）驱动下向籽晶扩散，在籽晶表面重新结晶，实现单晶生长；
关键控制：通过热场设计（石墨保温层分布）控制温度梯度（5-20℃/cm），生长速率维持在 0.2-2μm/h，避免多晶、孪晶等缺陷。
衬底切割与加工
生长后的 SiC 单晶锭（“晶棒”）通过金刚石线锯切割（线径 50-100μm），获得厚度 300-500μm 的衬底薄片；
经研磨（金刚石砂轮）、化学机械抛光（CMP，用 SiO₂磨料），使表面粗糙度降至 Ra≤0.5nm，满足外延生长要求；
最终形成 4 英寸、6 英寸（主流）或 8 英寸（研发中）衬底，需通过 X 射线衍射（XRD）检测晶向偏差（≤0.5°），激光扫描检测微管缺陷（密度≤0.1/cm²）。
二、外延生长：器件有源层的 “精准构建”
碳化硅器件的核心功能层（如漂移层、缓冲层）需在衬底表面通过化学气相沉积（CVD） 外延生长，形成高质量单晶薄膜：
外延设备与环境
采用热壁式 CVD 反应器，衬底置于石墨载台上，加热至 1500-1650℃，通入惰性气体（H₂为主）排除杂质；
反应气体：Si 源（SiH₄或 SiCl₄）、C 源（C₃H₈或 CH₄），掺杂气体（N₂用于 N 型，AlCl₃用于 P 型）。
外延生长机制
气体在高温下分解为活性基团（Si、C 原子），在衬底表面吸附、迁移并外延生长，形成与衬底晶型一致的 SiC 薄膜；
控制生长参数：气体流量比（C/Si=1.2-1.5，抑制硅滴生成）、生长速率（1-10μm/h）、温度均匀性（±5℃），确保外延层厚度均匀性（±2%）。
外延层质量控制
缺陷控制：通过衬底表面预处理（如氢刻蚀）减少表面损伤，外延层位错密度需≤10³/cm²（降低器件漏电流）；
掺杂均匀性：通过气体流量闭环控制，实现掺杂浓度（10¹⁵-10¹⁸ cm⁻³）径向偏差≤5%，满足不同耐压器件需求（如 1200V 器件漂移层掺杂～10¹⁶ cm⁻³）。
三、器件结构制备：从 “薄膜” 到 “功能单元”
外延层上需通过光刻、刻蚀、离子注入等工艺构建器件核心结构（如 PN 结、栅极、源漏区），关键步骤如下：
光刻：图形转移
采用深紫外光刻（DUV，波长 248nm 或 193nm），在光刻胶上定义器件图形（如沟槽、电极窗口）；
针对碳化硅高硬度特性，需优化光刻胶涂覆（厚度 5-10μm）和曝光参数，确保图形分辨率≤0.5μm（适配高密度集成）。
刻蚀：结构成型
干法刻蚀为主（湿法刻蚀因 SiC 化学惰性难以实现），采用电感耦合等离子体（ICP）刻蚀，刻蚀气体为 SF₆/O₂混合气体；
控制刻蚀速率（0.5-2μm/min）和各向异性（垂直度≥85°），用于形成沟槽栅（深度 1-3μm）、台面结构（隔离器件）等，刻蚀后需去除光刻胶残留（氧等离子体灰化）。
离子注入：掺杂改性
用于形成源区、漏区、阱区等，注入离子为 N⁺（N 型）、Al⁺（P 型），能量 50-300keV，剂量 10¹³-10¹⁶ cm⁻²；
关键：SiC 的离子注入需高温退火激活（1600-1800℃，Ar 氛围），修复晶格损伤并激活杂质（激活率≥80%），同时采用 SiC 涂层石墨舟避免衬底污染。
氧化：栅氧层制备
对于 MOS 结构器件（如 SiC MOSFET），需在表面生长 SiO₂栅氧化层，采用干氧氧化（O₂氛围）或湿氧氧化（H₂O+O₂），温度 1100-1300℃；
氧化后需进行NO 退火（900-1100℃），减少 SiO₂/SiC 界面态密度（从 10¹³ cm⁻²・eV⁻¹ 降至 10¹¹ cm⁻²・eV⁻¹），提升沟道迁移率。
四、金属化与接触：“电流通路” 的构建
通过金属沉积形成欧姆接触（低阻）和肖特基接触（整流），以及互连电极：
欧姆接触制备
源漏区采用 Ni（或 Ni/Si 合金），通过电子束蒸发或溅射沉积，厚度 200-500nm；
高温合金化（950-1050℃，Ar 氛围），形成 Ni₂Si 相，实现比接触电阻≤10⁻⁶ Ω・cm²（N 型）或≤10⁻⁵ Ω・cm²（P 型）。
肖特基接触制备
用于肖特基二极管（SBD）或 MOSFET 的栅极，采用 Mo、Pt 或 Ti/Ni/Au 多层金属，控制金属功函数与 SiC 匹配（如 4H-SiC 肖特基势垒高度～1.1eV）；
沉积后需低温退火（300-500℃），降低接触电阻，同时避免高温导致的界面反应。
互连金属与钝化
采用 Al-Cu 合金（厚度 1-2μm）或 Cu 作为互连金属，通过溅射或电镀形成电极引线；
用 SiO₂、Si₃N₄或 Al₂O₃（ALD 沉积）进行表面钝化，保护器件免受环境影响，同时降低表面态。
五、封装工艺：“可靠性” 的最后保障
碳化硅器件工作温度高（结温可达 200℃以上）、功率密度大，需适配高温高可靠封装：
芯片贴装（Die Attach）
替代传统锡焊（熔点低），采用银烧结技术（银浆或银纳米颗粒），在 200-300℃、压力 10-50MPa 下烧结，形成导热系数＞200W/m・K 的键合层，热阻比锡焊降低 40%。
引线键合
采用铝线（直径 25-50μm）或铜线（导电性更优），通过超声键合连接芯片电极与封装引脚，键合强度需≥5g（铝线）或≥8g（铜线），适配高温循环（-55℃~150℃）。
封装体成型
功率器件常用陶瓷封装（如 DBC 基板，Al₂O₃或 AlN 陶瓷）或金属封装（铜合金底座），提升散热能力；
灌封材料采用硅橡胶或环氧树脂（耐高温等级≥180℃），避免水汽、污染物侵入。
可靠性测试
进行高温反偏（HTRB，150℃/1000h）、温度循环（TC，-55℃~150℃/1000 次）、湿热测试（85℃/85% RH/1000h），确保器件失效率≤10⁻⁹/h（车规级标准）。
工艺难点与技术趋势
核心挑战：PVT 法衬底缺陷控制（微管、位错）、外延层均匀性提升、离子注入高温退火的衬底损伤、栅氧层界面态优化；
创新方向：8 英寸衬底量产（降低单位面积成本）、原子层沉积（ALD）制备高 - quality 栅氧、3D 集成封装（如芯片直接键合 DBB）提升功率密度。
碳化硅器件的制备工艺是材料科学、精密制造与半导体技术的融合，其进步直接推动器件成本下降与性能升级，加速在新能源、工业等领域的规模化应用。
