汪煉成 2021/06/01
“幸福的童年治愈一生，不幸的童年需要一生去治愈。”
“好的襯底治愈芯片一生，'不好’的襯底需要芯片一生去治愈?！?/span>
芯片用襯底可分為兩類：用于外延，或直接進(jìn)入晶圓制造環(huán)節(jié)。后者類似用于“Top-Down路線”木雕的木材，而前者則類似“Bottom-Up路線”砌房子的基底。
——汪煉成
一、襯底：用于Top-Down雕刻的“木材”，或Bottom-Up砌房子的基底
前段中圖科技擬登陸科創(chuàng)板的新聞引起第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)⒀酃馔断蛞r底行業(yè)，令人想起當(dāng)年LED如火如荼年代“一襯底難求”的光景。
谷歌搜索襯底的定義為：由半導(dǎo)體單晶材料制造而成的晶圓片，襯底可以直接進(jìn)入晶圓制造環(huán)節(jié)生產(chǎn)半導(dǎo)體器件，也可以進(jìn)行外延工藝加工生產(chǎn)外延片，即“外延片=外延層+襯底”。外延（epitaxy）是指在經(jīng)過切、磨、拋等精細(xì)加工的單晶襯底上生長一層新單晶的過程，新單晶可以與襯底為同一材料，也可以是不同材料（同質(zhì)外延或者是異質(zhì)外延）。
從上述定義看，襯底可分為兩類：用于外延，或直接進(jìn)入晶圓制造環(huán)節(jié)。后者比如SOI，IC用直拉單晶硅；前者比如用于GaN LED、HEMT器件的藍(lán)寶石、SiC、GaN、Si乃至衍生的復(fù)合襯底等。后者有點(diǎn)類似用于“Top-Down路線”雕刻的木材，而前者則類似“Bottom-Up路線”砌房子的基底。
圖1襯底可分為兩類：用于外延，類似“Bottom-Up路線”砌房子的基底；或直接進(jìn)入晶圓制造環(huán)節(jié)類似用于“Top-Down路線”木雕的木材。
襯底被翻譯為“Substrate”,不過英文的Substrate的范圍似乎要寬很多，包括本文要討論的襯底，和芯片制程中需要的所謂“載板”和“轉(zhuǎn)接板”等。比如前段時(shí)間的ABF載板荒，英特爾通過提前幾年鎖定ABF載板產(chǎn)能，在這個(gè)小小的輔材上卡了AMD一回脖子。這不屬于本文要討論的襯底范圍。
不管技術(shù)和產(chǎn)業(yè)如何變遷，襯底對半導(dǎo)體器件的重要性是不言而喻的。不管哪種襯底，也都確實(shí)無所不在地影響著芯片和器件的一生，襯底幾乎決定著芯片制程的技術(shù)路線。
二、襯底選擇和芯片一生：以GaN基LED為例
來看看襯底和GaN基LED芯片的愛恨纏綿。
LED芯片用襯底屬于第一類襯底，因?yàn)樾枰谝r底上外延生長n型、p型及量子阱發(fā)光區(qū)等。
GaN基LED芯片最理想的襯底當(dāng)然是GaN自支撐襯底—同種材料沒有晶格失配和熱失配，與異質(zhì)外延相比，材料缺陷可以大幅度降低；可以采用導(dǎo)電GaN襯底制備垂直結(jié)構(gòu)器件，散熱較好；更易解理；省去目前異質(zhì)外延常規(guī)采用的較復(fù)雜的緩沖層生長過程，直接實(shí)現(xiàn)二維層狀生長，外延層可以更薄。但是很遺憾，傳統(tǒng)熔體法無法用于GaN單晶的生長，因?yàn)镚aN在常壓下無法熔化，高溫下分解為Ga和N2，在其熔點(diǎn)(2300℃)時(shí)的分解壓高達(dá)6GPa，當(dāng)前的生長裝備很難在GaN熔點(diǎn)時(shí)承受如此高的壓力。
目前GaN基LED商用最廣泛的是藍(lán)寶石、碳化硅、硅襯底，由此形成了三條不同的技術(shù)路線。碳化硅（SiC）不僅是制作高溫、高頻、大功率電子器件的新一代半導(dǎo)體材料，也可以用作GaN基LED的襯底材料，目前以4H為主，分為半絕緣型（非摻、摻雜）與N型。碳化硅與GaN外延層的晶格常數(shù)匹配，熱導(dǎo)率比藍(lán)寶石高10倍以上,且與GaN外延層熱膨脹系數(shù)相近，導(dǎo)電性好，可以制作垂直結(jié)構(gòu)器件。這是碳化硅作為襯底的優(yōu)勢。但是其缺點(diǎn)是還是太貴了，晶體質(zhì)量難以達(dá)到藍(lán)寶石和Si那么好、機(jī)械加工性能比較差。另外，SiC襯底吸收380納米以下的紫外光，不適合用來研發(fā)380納米以下的紫外LED。目前只有掌握核心專利和材料技術(shù)的行業(yè)巨頭Cree公司走碳化硅襯底技術(shù)路線，而隨著Cree公司將其半導(dǎo)體照明業(yè)務(wù)整體出售，在藍(lán)寶石襯底高企的市占率和不斷走低的價(jià)格背景下，碳化硅襯底LED技術(shù)路線感覺是越來越難。
藍(lán)寶石是目前市場上最重要的襯底， 在LED芯片用襯底市場占據(jù)絕對主導(dǎo)地位，具有晶格匹配性較好，工藝成熟、產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)，透光性極高，價(jià)格適中，出光效率高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)存在熱導(dǎo)率較低，電導(dǎo)性差，折射率高導(dǎo)致出光率相對較低等缺點(diǎn)。導(dǎo)熱性差雖然在器件小電流工作中沒有暴露明顯不足，卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出。
硅襯底具有低成本、大尺寸（從2寸到6寸，甚至更大尺寸）、導(dǎo)熱較好、可導(dǎo)電（可制作垂直結(jié)構(gòu)器件）的優(yōu)勢。但硅襯底和碳化硅、藍(lán)寶石襯底相比，最大的技術(shù)難點(diǎn)是晶格失配和熱失配。硅和氮化鎵的晶格失配最大，是碳化硅的幾倍。大的晶格失配會(huì)導(dǎo)致氮化鎵材料中出現(xiàn)較高的位錯(cuò)密度。硅襯底和氮化鎵之間有很大的熱失配，這個(gè)問題導(dǎo)致在高溫生長時(shí)兩者達(dá)到一定的匹配，可是降到室溫后，由于兩者的熱膨脹系數(shù)差異很大，會(huì)導(dǎo)致龜裂等問題的產(chǎn)生。
我們通過整個(gè)芯片制程具體如何從外延器件結(jié)構(gòu)和工藝來看看襯底的影響。圖2分別是基于藍(lán)寶石襯底和硅襯底的GaN基LED芯片的常規(guī)技術(shù)路線圖。
圖2基于藍(lán)寶石襯底和硅襯底的GaN基LED芯片規(guī)技術(shù)路線圖。
常用c面藍(lán)寶石同GaN有16%的晶格失配，得到平坦且沒有裂紋的高質(zhì)量GaN外延層是比較困難的。因此在藍(lán)寶石襯底上外延生長GaN，需要采用兩步生長法：先在約550度的低溫生長島狀GaN成核層，然后高溫生長體外延層。兩步生長法是藍(lán)寶石襯底上獲得高質(zhì)量GaN外延材料的關(guān)鍵，極大促進(jìn)了GaN基 LED等器件的性能提升，直至走進(jìn)千家萬戶。當(dāng)然也奠定了藍(lán)寶石襯底在GaN產(chǎn)業(yè)中穩(wěn)固地位。兩步生長法的發(fā)明者日本名古屋大學(xué)Hiroshi Amano教授和美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校教授Shuji Nakamura也因此獲得2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
基于藍(lán)寶石襯底的LED器件有側(cè)向、倒裝和垂直三種結(jié)構(gòu)。由于藍(lán)寶石不導(dǎo)電，故只能通過刻蝕暴露n-GaN，將n型和p型金屬電極制作在襯底同側(cè)。倒裝結(jié)構(gòu)嚴(yán)格上也屬于側(cè)向結(jié)構(gòu)，但是光從藍(lán)寶石面出射。側(cè)向和倒裝結(jié)構(gòu)的電流只能側(cè)身橫向流過器件，不利于效率的最大提升，而藍(lán)寶石較差的導(dǎo)熱性使其也不適合作為高功率器件。垂直結(jié)構(gòu)即通過去除藍(lán)寶石襯底，將GaN外延膜轉(zhuǎn)移至導(dǎo)電導(dǎo)熱良好的金屬或Si襯底上，由此克服藍(lán)寶石襯底導(dǎo)熱差缺點(diǎn)，和垂直電流注入。
垂直結(jié)構(gòu)LED器件適合大功率應(yīng)用，但是制作工藝比較復(fù)雜，主要在藍(lán)寶石襯底剝離這一步。藍(lán)寶石化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，一般的酸堿溶液等難以蝕刻去除。香港應(yīng)科院等提出機(jī)械磨拋法，但是要求很高。目前一般是采用KrF深紫外激光照射GaN/藍(lán)寶石界面，使GaN分解，從而剝離襯底。但是分解過程中急速產(chǎn)生的N2需要釋放，于是需要工藝上設(shè)計(jì)等。目前Micro-LED顯示被廣泛看好，同傳統(tǒng)LED和Mini-LED不同，Micro-LED的襯底需要去除。這對藍(lán)寶石襯底路線帶來較大挑戰(zhàn)。
由于硅襯底吸收可見光，基于硅襯底GaN基LED芯片一般為垂直結(jié)構(gòu)。同藍(lán)寶石襯底路線不一樣，硅可以比較容易在酸溶液里蝕刻去除。硅襯底路線的主要難點(diǎn)在克服硅襯底和GaN的很大的晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配，從外延結(jié)構(gòu)上需設(shè)計(jì)各種緩沖層、插入層等。
南昌大學(xué)江風(fēng)益院士團(tuán)隊(duì)基于硅襯底GaN技術(shù)，采用其獨(dú)有的V形坑技術(shù)，和獨(dú)特的外延技術(shù)，成功制備了一系列高效的InGaN基橙-紅光LED，代表世界最先進(jìn)技術(shù)水平，真可謂是“硅基發(fā)光，世界領(lǐng)先，中國創(chuàng)造”。中科院蘇州納米所孫錢研究員采用AlN/AlGaN緩沖層結(jié)構(gòu)，在硅襯底上成功實(shí)現(xiàn)了世界上首個(gè)室溫連續(xù)電注入條件下激射的硅襯底InGaN基激光器。高質(zhì)量大失配襯底材料體系應(yīng)用不限于GaN基LED和激光器光電子器件，也是GaN基微波射頻和功率器件的重要基礎(chǔ)。為此，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃啟動(dòng)大失配、強(qiáng)極化第三代半導(dǎo)體材料體系外延生長的相關(guān)重點(diǎn)攻關(guān)研究。
此外，值得關(guān)注的是從美國Los Alamos National Laboratory孵化的iBeam Materials公司，利用其核心的離軸離子束輔助沉積技術(shù)，在包括超薄金屬片等多晶甚至非晶襯底上通過常規(guī)磁控濺射等物理沉積方法，可以獲得晶向織構(gòu)可控的成核層。然后繼續(xù)外延生長可以獲得質(zhì)量良好的GaN材料，用于制作LED和晶體管器件。由于從根本上突破了襯底的限制，有潛力成為“game changer”技術(shù)用于Micro-LED顯示，柔性電子器件等而被三星等公司看好和投資（Phys. Status Solidi A2020, 1900800，ICNS-13 2019 July 8, 2019 l Bellevue, Washington, USA）。前段在廈門和深圳開會(huì)，飯間和幾位老師一起頭腦風(fēng)暴討論這個(gè)技術(shù)和設(shè)備實(shí)現(xiàn)，很有意思。
三、襯底選擇和芯片一生：Beyond LED
除LED以外的其他半導(dǎo)體器件、IC芯片等，其結(jié)構(gòu)、工藝制程和性能都深受襯底影響。
比如IGBT：前三代 IGBT都使用外延（一類襯底），其昂貴的成本限制了漂移區(qū)的厚度，也就限制了器件可實(shí)現(xiàn)的耐壓。從第四代 IGBT 開始，直拉法制造出的單晶硅被使用作為二類襯底來制作器件。其正面制作工藝與前述外延材料的IGBT完全一樣，但襯底的改變使其可以獲得更厚的漂移區(qū)，從而使得應(yīng)用于高壓領(lǐng)域成為了可能。
“SOI”是與王曦院士聯(lián)系最緊密的一個(gè)詞，即“絕緣體上的硅”，在頂層硅和背襯底之間引入了一層埋氧化層。為什么要往中間插入一層絕緣層呢？簡而言之，就是為了完全隔斷有源層和襯底之間的電氣連接，從而減少寄生結(jié)電容，抑制閂鎖問題。與體CMOS相比，基于SOI襯底的CMOS具有更低器件延遲和動(dòng)態(tài)功耗。而基于SOI襯底的功率器件是橫向結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)縱向結(jié)構(gòu)功率器件相比更有利集成。SOI的共同缺點(diǎn)是低的散熱和縱向耐壓。當(dāng)然，制造SOI襯底難度都較大。
四、后記
想起在英國謝菲爾德工作時(shí)，有次MOCVD長材料得到比較異常極性和形貌的材料，百思不得其解。合作導(dǎo)師王濤老師拍了拍我的肩膀，早已洞悉其中奧秘地得意笑著說：“三歲看小，七歲看老。小伙子啊，要從根子上，從襯底和最開始的氮化和緩沖層步驟找問題??！”于是好像有點(diǎn)豁然開朗。
“幸福的童年治愈一生，不幸的童年需要一生去治愈?！边@句話被很多父母，特別是年輕父母奉為至理名言。而對于半導(dǎo)體器件和芯片，也可以說：“好的襯底治愈芯片一生，'不好’的襯底卻需要芯片用一生去治愈。”
襯底對于半導(dǎo)體器件和芯片的確非常地重要！
兒童節(jié)快樂！祝孩子們都擁有快樂的童年，奠定一生幸?？鞓返囊r底！
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