“芯”基建-25：衬底：治愈芯片一生或用芯片一生去治愈
汪炼成 2021/06/01
“幸福的童年治愈一生，不幸的童年需要一生去治愈。”
“好的衬底治愈芯片一生，'不好’的衬底需要芯片一生去治愈。”
芯片用衬底可分为两类：用于外延，或直接进入晶圆制造环节。后者类似用于“Top-Down路线”木雕的木材，而前者则类似“Bottom-Up路线”砌房子的基底。
——汪炼成
一、衬底：用于Top-Down雕刻的“木材”，或Bottom-Up砌房子的基底
前段中图科技拟登陆科创板的新闻引起第三代半导体领域将眼光投向衬底行业，令人想起当年LED如火如荼年代“一衬底难求”的光景。
谷歌搜索衬底的定义为：由半导体单晶材料制造而成的晶圆片，衬底可以直接进入晶圆制造环节生产半导体器件，也可以进行外延工艺加工生产外延片，即“外延片=外延层+衬底”。外延（epitaxy）是指在经过切、磨、抛等精细加工的单晶衬底上生长一层新单晶的过程，新单晶可以与衬底为同一材料，也可以是不同材料（同质外延或者是异质外延）。
从上述定义看，衬底可分为两类：用于外延，或直接进入晶圆制造环节。后者比如SOI，IC用直拉单晶硅；前者比如用于GaN LED、HEMT器件的蓝宝石、SiC、GaN、Si乃至衍生的复合衬底等。后者有点类似用于“Top-Down路线”雕刻的木材，而前者则类似“Bottom-Up路线”砌房子的基底。
图1衬底可分为两类：用于外延，类似“Bottom-Up路线”砌房子的基底；或直接进入晶圆制造环节类似用于“Top-Down路线”木雕的木材。
衬底被翻译为“Substrate”,不过英文的Substrate的范围似乎要宽很多，包括本文要讨论的衬底，和芯片制程中需要的所谓“载板”和“转接板”等。比如前段时间的ABF载板荒，英特尔通过提前几年锁定ABF载板产能，在这个小小的辅材上卡了AMD一回脖子。这不属于本文要讨论的衬底范围。
不管技术和产业如何变迁，衬底对半导体器件的重要性是不言而喻的。不管哪种衬底，也都确实无所不在地影响着芯片和器件的一生，衬底几乎决定着芯片制程的技术路线。
二、衬底选择和芯片一生：以GaN基LED为例
来看看衬底和GaN基LED芯片的爱恨缠绵。
LED芯片用衬底属于第一类衬底，因为需要在衬底上外延生长n型、p型及量子阱发光区等。
GaN基LED芯片最理想的衬底当然是GaN自支撑衬底—同种材料没有晶格失配和热失配，与异质外延相比，材料缺陷可以大幅度降低；可以采用导电GaN衬底制备垂直结构器件，散热较好；更易解理；省去目前异质外延常规采用的较复杂的缓冲层生长过程，直接实现二维层状生长，外延层可以更薄。但是很遗憾，传统熔体法无法用于GaN单晶的生长，因为GaN在常压下无法熔化，高温下分解为Ga和N2，在其熔点(2300℃)时的分解压高达6GPa，当前的生长装备很难在GaN熔点时承受如此高的压力。
目前GaN基LED商用最广泛的是蓝宝石、碳化硅、硅衬底，由此形成了三条不同的技术路线。碳化硅（SiC）不仅是制作高温、高频、大功率电子器件的新一代半导体材料，也可以用作GaN基LED的衬底材料，目前以4H为主，分为半绝缘型（非掺、掺杂）与N型。碳化硅与GaN外延层的晶格常数匹配，热导率比蓝宝石高10倍以上,且与GaN外延层热膨胀系数相近，导电性好，可以制作垂直结构器件。这是碳化硅作为衬底的优势。但是其缺点是还是太贵了，晶体质量难以达到蓝宝石和Si那么好、机械加工性能比较差。另外，SiC衬底吸收380纳米以下的紫外光，不适合用来研发380纳米以下的紫外LED。目前只有掌握核心专利和材料技术的行业巨头Cree公司走碳化硅衬底技术路线，而随着Cree公司将其半导体照明业务整体出售，在蓝宝石衬底高企的市占率和不断走低的价格背景下，碳化硅衬底LED技术路线感觉是越来越难。
蓝宝石是目前市场上最重要的衬底， 在LED芯片用衬底市场占据绝对主导地位，具有晶格匹配性较好，工艺成熟、产品质量优，透光性极高，价格适中，出光效率高等优点。同时存在热导率较低，电导性差，折射率高导致出光率相对较低等缺点。导热性差虽然在器件小电流工作中没有暴露明显不足，却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。
硅衬底具有低成本、大尺寸（从2寸到6寸，甚至更大尺寸）、导热较好、可导电（可制作垂直结构器件）的优势。但硅衬底和碳化硅、蓝宝石衬底相比，最大的技术难点是晶格失配和热失配。硅和氮化镓的晶格失配最大，是碳化硅的几倍。大的晶格失配会导致氮化镓材料中出现较高的位错密度。硅衬底和氮化镓之间有很大的热失配，这个问题导致在高温生长时两者达到一定的匹配，可是降到室温后，由于两者的热膨胀系数差异很大，会导致龟裂等问题的产生。
我们通过整个芯片制程具体如何从外延器件结构和工艺来看看衬底的影响。图2分别是基于蓝宝石衬底和硅衬底的GaN基LED芯片的常规技术路线图。
图2基于蓝宝石衬底和硅衬底的GaN基LED芯片规技术路线图。
常用c面蓝宝石同GaN有16%的晶格失配，得到平坦且没有裂纹的高质量GaN外延层是比较困难的。因此在蓝宝石衬底上外延生长GaN，需要采用两步生长法：先在约550度的低温生长岛状GaN成核层，然后高温生长体外延层。两步生长法是蓝宝石衬底上获得高质量GaN外延材料的关键，极大促进了GaN基 LED等器件的性能提升，直至走进千家万户。当然也奠定了蓝宝石衬底在GaN产业中稳固地位。两步生长法的发明者日本名古屋大学Hiroshi Amano教授和美国加州大学圣芭芭拉分校教授Shuji Nakamura也因此获得2014年诺贝尔物理学奖。
基于蓝宝石衬底的LED器件有侧向、倒装和垂直三种结构。由于蓝宝石不导电，故只能通过刻蚀暴露n-GaN，将n型和p型金属电极制作在衬底同侧。倒装结构严格上也属于侧向结构，但是光从蓝宝石面出射。侧向和倒装结构的电流只能侧身横向流过器件，不利于效率的最大提升，而蓝宝石较差的导热性使其也不适合作为高功率器件。垂直结构即通过去除蓝宝石衬底，将GaN外延膜转移至导电导热良好的金属或Si衬底上，由此克服蓝宝石衬底导热差缺点，和垂直电流注入。
垂直结构LED器件适合大功率应用，但是制作工艺比较复杂，主要在蓝宝石衬底剥离这一步。蓝宝石化学性质非常稳定，一般的酸碱溶液等难以蚀刻去除。香港应科院等提出机械磨抛法，但是要求很高。目前一般是采用KrF深紫外激光照射GaN/蓝宝石界面，使GaN分解，从而剥离衬底。但是分解过程中急速产生的N2需要释放，于是需要工艺上设计等。目前Micro-LED显示被广泛看好，同传统LED和Mini-LED不同，Micro-LED的衬底需要去除。这对蓝宝石衬底路线带来较大挑战。
由于硅衬底吸收可见光，基于硅衬底GaN基LED芯片一般为垂直结构。同蓝宝石衬底路线不一样，硅可以比较容易在酸溶液里蚀刻去除。硅衬底路线的主要难点在克服硅衬底和GaN的很大的晶格失配和热膨胀系数失配，从外延结构上需设计各种缓冲层、插入层等。
南昌大学江风益院士团队基于硅衬底GaN技术，采用其独有的V形坑技术，和独特的外延技术，成功制备了一系列高效的InGaN基橙-红光LED，代表世界最先进技术水平，真可谓是“硅基发光，世界领先，中国创造”。中科院苏州纳米所孙钱研究员采用AlN/AlGaN缓冲层结构，在硅衬底上成功实现了世界上首个室温连续电注入条件下激射的硅衬底InGaN基激光器。高质量大失配衬底材料体系应用不限于GaN基LED和激光器光电子器件，也是GaN基微波射频和功率器件的重要基础。为此，国家重点研发计划启动大失配、强极化第三代半导体材料体系外延生长的相关重点攻关研究。
此外，值得关注的是从美国Los Alamos National Laboratory孵化的iBeam Materials公司，利用其核心的离轴离子束辅助沉积技术，在包括超薄金属片等多晶甚至非晶衬底上通过常规磁控溅射等物理沉积方法，可以获得晶向织构可控的成核层。然后继续外延生长可以获得质量良好的GaN材料，用于制作LED和晶体管器件。由于从根本上突破了衬底的限制，有潜力成为“game changer”技术用于Micro-LED显示，柔性电子器件等而被三星等公司看好和投资（Phys. Status Solidi A2020, 1900800，ICNS-13 2019 July 8, 2019 l Bellevue, Washington, USA）。前段在厦门和深圳开会，饭间和几位老师一起头脑风暴讨论这个技术和设备实现，很有意思。
三、衬底选择和芯片一生：Beyond LED
除LED以外的其他半导体器件、IC芯片等，其结构、工艺制程和性能都深受衬底影响。
比如IGBT：前三代 IGBT都使用外延（一类衬底），其昂贵的成本限制了漂移区的厚度，也就限制了器件可实现的耐压。从第四代 IGBT 开始，直拉法制造出的单晶硅被使用作为二类衬底来制作器件。其正面制作工艺与前述外延材料的IGBT完全一样，但衬底的改变使其可以获得更厚的漂移区，从而使得应用于高压领域成为了可能。
“SOI”是与王曦院士联系最紧密的一个词，即“绝缘体上的硅”，在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。为什么要往中间插入一层绝缘层呢？简而言之，就是为了完全隔断有源层和衬底之间的电气连接，从而减少寄生结电容，抑制闩锁问题。与体CMOS相比，基于SOI衬底的CMOS具有更低器件延迟和动态功耗。而基于SOI衬底的功率器件是横向结构，与传统纵向结构功率器件相比更有利集成。SOI的共同缺点是低的散热和纵向耐压。当然，制造SOI衬底难度都较大。
四、后记
想起在英国谢菲尔德工作时，有次MOCVD长材料得到比较异常极性和形貌的材料，百思不得其解。合作导师王涛老师拍了拍我的肩膀，早已洞悉其中奥秘地得意笑着说：“三岁看小，七岁看老。小伙子啊，要从根子上，从衬底和最开始的氮化和缓冲层步骤找问题啊！”于是好像有点豁然开朗。
“幸福的童年治愈一生，不幸的童年需要一生去治愈。”这句话被很多父母，特别是年轻父母奉为至理名言。而对于半导体器件和芯片，也可以说：“好的衬底治愈芯片一生，'不好’的衬底却需要芯片用一生去治愈。”
衬底对于半导体器件和芯片的确非常地重要！
儿童节快乐！祝孩子们都拥有快乐的童年，奠定一生幸福快乐的衬底！
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