8英寸導(dǎo)電型4H-SiC單晶襯底制備與表征

作者：婁艷芳，鞏拓諶，張文，郭鈺，彭同華，楊建，劉春?。ū本┨炜坪线_半導(dǎo)體股份有限公司）

摘 要

使用物理氣相傳輸法（PVT）制備出直徑 209 mm 的 4H-SiC 單晶，并通過多線切割、研磨和拋光等一系列加工工藝制備出標(biāo)準 8 英寸 SiC 單晶襯底。使用拉曼光譜儀、高分辨 X-射線衍射儀、光學(xué)顯微鏡、電阻儀、偏光應(yīng)力儀、面型檢測儀、位錯檢測儀等設(shè)備，對 8 英寸襯底的晶型、結(jié)晶質(zhì)量、微管、電阻率、應(yīng)力、面型、位錯等進行了詳細表征。拉曼光譜表明 8英寸 SiC 襯底 100%比例面積為單一 4H 晶型；襯底（0004）面的 5 點 X-射線搖擺曲線半峰寬分布在 10.44”~11.52”之間；平均微管密度為 0.04 個/cm2；平均電阻率為 0.0203 Ω·cm。使用偏光應(yīng)力儀對 8 英寸 SiC 襯底內(nèi)部應(yīng)力進行檢測表明整片應(yīng)力分布均勻，且未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中的區(qū)域;翹曲度(Warp) 為 17.318 μm，彎曲度（Bow）為-3.773 μm。全自動位錯密度檢測儀對高溫熔融KOH 刻蝕后的 8 英寸襯底進行全片掃描，平均總位錯密度為 3293 個/cm2，其中螺型位錯(TSD)密度為 81 個/cm2，刃型位錯(TED)密度為 3074 個/cm2，基平面位錯（BPD）密度為 138 個/cm2。結(jié)果表明 8 英寸導(dǎo)電型 4H-SiC 襯底質(zhì)量優(yōu)良，同比行業(yè)標(biāo)準達到行業(yè)先進水平。

0 引 言

碳化硅（SiC）作為第三代半導(dǎo)體材料，具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導(dǎo)率等性能優(yōu)勢，在高溫、高壓、高頻領(lǐng)域表現(xiàn)優(yōu)異，已成為半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域的主要發(fā)展方向之一。SiC襯底主要包括導(dǎo)電型和半絕緣型兩類，二者在外延層及下游應(yīng)用場景不同。導(dǎo)電型SiC襯底經(jīng)過同質(zhì)外延生長、器件制造可制成SiC二極管、MOSFET等功率器件，應(yīng)用于新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天等領(lǐng)域；半絕緣型SiC襯底經(jīng)過氮化鎵外延、器件制造可制成HEMT等微波射頻器件，主要應(yīng)用于 5G通訊、衛(wèi)星、雷達等領(lǐng)域。在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中，晶圓制造的基礎(chǔ)在襯底，襯底是所有半導(dǎo)體芯片的底層材料，主要起到物理支撐、導(dǎo)熱及導(dǎo)電作用，特別是在SiC功率半導(dǎo)體器件中，由于使用了同質(zhì)外延，SiC襯底質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響外延材料的質(zhì)量，進而對SiC功率半導(dǎo)體器件的性能發(fā)揮具有決定性的作用。

高質(zhì)量SiC襯底的獲得存在單晶制備和加工兩方面的難度，一方面SiC通常需要在高溫（>2000℃）的環(huán)境中生長，而且SiC存在 250 多種晶型，因此制備高質(zhì)量單一晶型的成本和難度非常大；另一方面，SiC硬度與金剛石接近，單晶的加工難度和成本都很高。據(jù)測算，在SiC器件制造各環(huán)節(jié)中，襯底占成本近 50%。襯底尺寸越大，單位襯底可集成芯片數(shù)量越多，單位芯片成本越低。采用 8 英寸襯底比 6 英寸可多切近 90%的芯片，邊緣浪費降低 7%，有利于進一步降低芯片的成本，因此大尺寸化是SiC產(chǎn)業(yè)鏈降本增效的主要路徑之一。

目前，6 英寸襯底是SiC襯底市場上的主流產(chǎn)品，而 8 英寸襯底是SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向之一。在國際上，行業(yè)龍頭美國Wolfspeed Inc.最早在 2015 年展示了 8 英寸SiC樣品，其他多家企業(yè)也陸續(xù)宣布研發(fā)出了 8 寸SiC襯底，例如Coherent Corp.（原 II-VI Inc.）、Rohm semiconductor Co. Ltd.、STMicroelectronics等。Wolfspeed Inc.是目前唯一一家實現(xiàn) 8 英寸SiC襯底量產(chǎn)的企業(yè)，位于紐約莫霍克谷的 8 英寸SiC襯底工廠已于 2022 年 4 月正式投產(chǎn)。國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界和科研機構(gòu)雖然起步稍晚，但也取得不錯的進展。2022 年，多家單位公布了 8 英寸產(chǎn)品開發(fā)成功，這些單位有北京天科合達半導(dǎo)體股份有限公司、中科院物理所、山西爍科晶體有限公司、山東天岳先進材料科技有限公司、山東大學(xué)等。

北京天科合達半導(dǎo)體股份有限公司（簡稱“天科合達”）成立于 2006 年，技術(shù)起源于中國科學(xué)院物理研究所科研項目及研究成果，是國內(nèi)首家專業(yè)從事SiC單晶襯底研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的高新技術(shù)企業(yè)，十幾年來一直堅守SiC襯底細分領(lǐng)域，6 英寸SiC襯底產(chǎn)品已實現(xiàn)批量銷售，得到了國內(nèi)外知名半導(dǎo)體器件企業(yè)的一致認可。天科合達從 2020 年開始開展 8 英寸導(dǎo)電型SiC單晶襯底的開發(fā)工作，經(jīng)過 2 年多艱苦卓絕的技術(shù)攻關(guān)，突破了 8 英寸晶體擴徑生長和晶片加工等關(guān)鍵技術(shù)難題，成功制備出高品質(zhì) 8 英寸導(dǎo)電型SiC單晶襯底，并計劃在 2023 年實現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)。

1 實 驗

1.1 晶體生長和襯底制備

本實驗通過以自主研發(fā)的由 c 軸偏向<112-0>方向 4°的 6 英寸 4H-SiC 襯底作為籽晶和擴徑生長的起始點，采用物理氣相傳輸（physical vapour transport, PVT）法進行擴徑生長獲得直徑放大的 SiC 單晶。將放大的晶體進行切、磨、拋得到放大的新籽晶，通過多次迭代實現(xiàn)直徑放大到 200mm 以上，從而獲得 8 英寸 SiC 晶體。生長過程中選擇籽晶的碳面作為生長表面，原料端溫度維持在 2300℃左右，籽晶端的溫度控制在 2100℃左右，壓力控制在 4000Pa 以下，保持一定比例的氬氣和氮氣流動氣氛調(diào)控 n 型摻雜，從而實現(xiàn)導(dǎo)電型 4H-SiC 單晶的穩(wěn)定生長。生長完成后的晶體進行滾圓、磨平面得到標(biāo)準直徑的 8 英寸晶柱，以多線切割的方式進行切片，而后將切片進行研磨、拋光、清洗等一系列流程，制備出標(biāo)準尺寸的 8 英寸導(dǎo)電型 4H-SiC 襯底。

1.2 性能表征

使用 LabRamHR800 型拉曼測試儀對 8 英寸 4H-N-SiC 晶圓進行拉曼光譜檢測，激發(fā)光源為 532nm，光斑大小為直徑 721nm，共檢測 357 點位，對襯底的晶型進行表征；

使用 Panalytical-X’Pert3 MRD XL 型高分辨 X-射線衍射儀進行結(jié)晶質(zhì)量檢測，采用單色源 Cu Kα 射線（λ=0.15406 nm），測試范圍為 ±0.02°，步長 0.0001°, 積分時間 0.1 秒，檢測晶圓上、下、左、中、右半徑中點處共 5 點位（0004）衍射面的搖擺曲線，用以表征晶圓的結(jié)晶質(zhì)量；

使用光學(xué)顯微鏡檢測晶圓的微管數(shù)量和分布位置，并計算出微管密度。使用非接觸式電阻儀，參照 SEMI-MF673 中的方法 II，即非接觸渦流法測量晶圓 55 點位的電阻率；

使用應(yīng)力檢測儀對 8 英寸襯底的應(yīng)力進行表征，該設(shè)備利用光在不同應(yīng)力條件下傳播會產(chǎn)生相位差這一特性，通過觀察疊加偏振的光明暗來定性辨別應(yīng)力大小和分布；

使用 TropelFlatMaster 200 對 8 英寸晶圓的面型進行測量，該設(shè)備利用分析樣品與設(shè)備參考平面反射光形成的干涉條紋來識別樣品的面型和厚度變化；

使用 540℃熔融 KOH 對襯底進行 20 分鐘刻蝕，并采用全自動位錯掃描儀對其位錯分布及密度進行掃描和統(tǒng)計。

2 結(jié)果與討論

對于 SiC 晶體擴徑生長，溫場和流場決定了擴展邊緣結(jié)晶完整度和晶型單一性，在晶體邊緣處存在的SiC、石墨、氣態(tài)分子多種物質(zhì)交織發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的驅(qū)動力與表面沉積、原子遷移、吸附-解吸附等過程之間的動力學(xué)關(guān)系，決定能否實現(xiàn)晶體擴徑生長。隨著 SiC 晶體尺寸的增大，溫場和流場的不均勻性更加明顯，擴徑生長難度也顯著增加。我們采用熱場模擬與工藝試驗相結(jié)合方法，開展設(shè)備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計、高匹配籽晶粘接、局部熱場設(shè)計優(yōu)化改進，解決大尺寸晶體擴徑生長邊緣缺陷增殖和熱應(yīng)力問題，實現(xiàn)低應(yīng)力8英寸SiC單晶擴徑生長。通過PVT法生長的8英寸導(dǎo)電型SiC晶體如圖1所示，晶體直徑達到 209.25 mm。生長界面微凸，表面光亮平滑且無任何裂紋，表明生長過程結(jié)晶比較穩(wěn)定。按標(biāo)準加工流程制成直徑為200.03 mm 的標(biāo)準 8 英寸襯底，自然光下呈棕綠色，表面無明顯多晶、劃痕、崩邊等肉眼可見缺陷。

拉曼光譜對晶圓 357 點位的測試結(jié)果如圖 2 所示。各測試點位均出現(xiàn)形貌相似的拉曼峰，且與聲子模以及簡約矢波和對稱性為 204cm-1（FTA，x=0.5，E2）的拉曼峰偏差不大于 0.65cm-1。與此同時，結(jié)果中未測得 6H 晶型對應(yīng)的 FTA 模（190cm-1），以及 15R 晶型對應(yīng)的 FTA 模（174cm-1）等高強度簡約波矢模。由此可得 8 英寸 SiC 晶圓的 4H 晶型占比為 100%。

高分辨率 X 射線搖擺曲線測試結(jié)果如圖 3 所示，測試點位為襯底中心和上、下、左、右半徑的中心位置共 5 點。從圖中可以看出，各測試點位的（0004）衍射峰均為單一峰，其對應(yīng)的半高寬分布在 10.44”至 11.52”之間，表明 8 英寸 4H-SiC 襯底結(jié)晶質(zhì)量良好，不存在多晶、小角晶界等影響結(jié)晶質(zhì)量的缺陷。

使用光學(xué)顯微鏡對 8 英寸襯底的微管密度進行全自動掃描，去除邊緣 3mm 區(qū)域的微管進行統(tǒng)計后得出，該 8 英寸襯底的微管密度為 0.04 個/cm-2。整片中共發(fā)現(xiàn)微管 14 根，且均分布于邊緣，如圖 4 所示。

采用非接觸式渦流法測試 8 英寸 SiC 襯底電阻率，結(jié)果如圖 5 所示。結(jié)果顯示，8 英寸襯底的平均電阻率為 0.0203 Ω·cm，最大值為 0.0208 Ω·cm，最小值為 0.0199 Ω·cm，相對標(biāo)準偏差為 1.11%。

采用偏振光應(yīng)力儀檢測的 8 英寸襯底應(yīng)力分布，如圖 6 所示。一般地，測試結(jié)果中明暗波動較大的區(qū)域應(yīng)力較大。該 8 英寸 SiC 襯底整體應(yīng)力分布均勻，除在小面位置外側(cè)以及襯底邊緣位置存在低強度應(yīng)力區(qū)外，大部分區(qū)域未見明顯的應(yīng)力集中區(qū)域，表明晶體的結(jié)晶質(zhì)量良好。

使用 FM200 測試的晶片面型結(jié)果如圖 7 所示。通過測量得出該 8 英寸晶片的 3 點彎曲度（Bow）為-3.773 μm，3 點翹曲度（Warp）為 17.318 μm。

通過熔融 KOH 刻蝕，SiC 襯底硅面表面的位錯位置被擇優(yōu)腐蝕放大，即位錯腐蝕坑。使用自動位錯檢測儀對腐蝕坑的形貌進行識別和分類，并統(tǒng)計出位錯在襯底上的分布和位錯密度。結(jié)果顯示，該 8 英寸襯底的腐蝕坑（EPD）密度為 3293 個/cm-2，其中螺型位錯（TSD）密度為 81 個/cm-2，刃型位錯（TED）密度為 3074 個/cm-2，基平面位錯（BPD）密度僅為 138 個/cm-2。各類型位錯的分布如圖 8 所示。由于小面區(qū)域的生長習(xí)性與其他區(qū)域不同，導(dǎo)致位錯密度在此位置明顯高于其他區(qū)域，符合理論預(yù)期。

綜合上述結(jié)果，該 SiC 襯底的各項指標(biāo)與當(dāng)前 6 英寸 SiC 襯底的行業(yè)標(biāo)準相當(dāng)，可滿足后續(xù) 8 英寸外延、器件等加工要求。

3 結(jié) 論

使用物理氣相傳輸法（PVT）通過多次擴徑生長將SiC晶體直徑從 6 英寸（100 mm）擴大到 209 mm，并通過多線切割、研磨、拋光等一系列加工工藝，制備出標(biāo)準的 8 英寸襯底產(chǎn)品。8 英寸 4H-SiC襯底 4H晶型比例為 100%，5 點X-射線搖擺曲線半高寬分布在 10.44”~11.52”之間，平均微管密度為 0.04 個/cm2，平均電阻率為 0.0203 Ω·cm。襯底不存在明顯應(yīng)力區(qū)，翹曲度(Warp)為 17.318 μm，彎曲度(Bow)為-3.773 μm，總位錯密度為 3293 個/cm2，其中TSD密度為 81 個/cm2，BPD密度為 138 個/cm2，各項檢測指標(biāo)均達到了行業(yè)先進水平。為滿足國內(nèi)外客戶對于 8 英寸SiC襯底的迫切需求，天科合達公司預(yù)計 2023 實現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)。

審核編輯：湯梓紅