天科合達(dá)談八英寸SiC

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、金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）等功率器件，被應(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［1］；半絕緣型SiC襯底經(jīng)過氮化鎵外延、器件制造可制成高電子遷移率晶體管（HEMT）等微波射頻器件，主要應(yīng)用于5G通信、衛(wèi)星、雷達(dá)等領(lǐng)域［2］。在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中，襯底是晶圓制造的基礎(chǔ)，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)量直接影響外延材料的質(zhì)量，進(jìn)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［3］，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，襯底成本占總成本近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（1英寸=2.54 cm）襯底比6英寸可多切近90%的芯片，邊緣浪費(fèi)降低7%，有利于進(jìn)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.（原 Cree）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英寸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(shí)現(xiàn)8英寸SiC襯底量產(chǎn)的企業(yè)，其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)［4］。國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界和科研機(jī)構(gòu)雖然起步稍晚，但也取得不錯(cuò)的進(jìn)展。2022年，多家單位公布了8英寸產(chǎn)品開發(fā)成功［5］，這些單位有北京天科合達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司、中國科學(xué)院物理研究所、山西爍科晶體有限公司、山東天岳先進(jìn)材料科技有限公司、山東大學(xué)［6］等。

北京天科合達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司（簡稱“天科合達(dá)”）成立于2006年，技術(shù)來源于中國科學(xué)院物理研究所科研項(xiàng)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(jiān)守SiC襯底細(xì)分領(lǐng)域，6英寸SiC襯底產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)批量銷售，得到了國內(nèi)外知名半導(dǎo)體器件企業(yè)的廣泛認(rèn)可。天科合達(dá)從2020年開始開展8英寸導(dǎo)電型SiC單晶襯底的研發(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(kuò)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(jì)劃在2023年實(shí)現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)。

2.實(shí) 驗(yàn)

2.1

晶體生長和襯底制備

本實(shí)驗(yàn)通過以自主研發(fā)的由c軸偏向《11-20》方向4°的6英寸4H-SiC襯底作為籽晶和擴(kuò)徑生長的起始點(diǎn)，采用物理氣相傳輸（physical vapor transport， PVT）法進(jìn)行擴(kuò)徑生長獲得直徑放大的SiC單晶。將放大的晶體進(jìn)行切、磨、拋得到放大的新籽晶，通過多次迭代實(shí)現(xiàn)直徑放大到200 mm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4000 Pa以下，保持一定比例的氬氣和氮?dú)饬鲃?dòng)氣氛調(diào)控n型摻雜，從而實(shí)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(jìn)行滾圓、磨平面得到標(biāo)準(zhǔn)直徑的8英寸晶柱，以多線切割的方式進(jìn)行切片，而后將切片進(jìn)行研磨、拋光、清洗等一系列流程，制備出標(biāo)準(zhǔn)尺寸的8英寸導(dǎo)電型4H-SiC襯底。

2.2

性能表征

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

使用Panalytical-X’Pert3 MRD XL型高分辨X射線衍射儀進(jìn)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(shí)間0.1 s，檢測襯底上、下、左、中、右半徑中點(diǎn)處共5點(diǎn)位（004）衍射面的搖擺曲線，用以表征襯底的結(jié)晶質(zhì)量；

使用光學(xué)顯微鏡檢測襯底的微管數(shù)量和分布位置，并計(jì)算出微管密度；

使用非接觸式電阻儀，參照SEMI-MF673中的方法Ⅱ［7］，即非接觸渦流法測量襯底55點(diǎn)位的電阻率；

使用應(yīng)力檢測儀對8英寸襯底的應(yīng)力進(jìn)行表征，該設(shè)備利用光在不同應(yīng)力條件下傳播會(huì)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Tropel FlatMaster 200對8英寸襯底的面型進(jìn)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(shí)別樣品的面型和厚度變化；

使用540 ℃熔融KOH對襯底進(jìn)行20 min刻蝕，并采用全自動(dòng)位錯(cuò)掃描儀對其位錯(cuò)分布及密度進(jìn)行掃描和統(tǒng)計(jì)。

3.結(jié)果與討論

對于SiC晶體擴(kuò)徑生長，溫場和流場決定了擴(kuò)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(dòng)力與表面沉積、原子遷移、吸附-解吸附等過程之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，決定能否實(shí)現(xiàn)晶體擴(kuò)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(kuò)徑生長難度也顯著增加。采用熱場模擬與工藝試驗(yàn)相結(jié)合方法，開展設(shè)備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高匹配籽晶黏接、局部熱場設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)，解決大尺寸晶體擴(kuò)徑生長邊緣缺陷增殖和熱應(yīng)力問題，實(shí)現(xiàn)低應(yīng)力8英寸SiC單晶擴(kuò)徑生長。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(dá)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(zhǔn)加工流程制成直徑為200.03 mm的標(biāo)準(zhǔn)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。

圖1天科合達(dá)8英寸SiC晶錠和晶片。（a）直徑達(dá)到209 mm的SiC晶錠；（b）標(biāo)準(zhǔn)8英寸SiC晶片

拉曼光譜對晶片357點(diǎn)位的測試結(jié)果如圖2所示。各測試點(diǎn)位均出現(xiàn)形貌相似的拉曼峰，且與聲子模以及簡約波矢和對稱性為204 cm-1（FTA，x=0.5，E2）的拉曼峰偏差不大于0.65 cm-1。與此同時(shí)，結(jié)果中未測得6H晶型對應(yīng)的FTA模（150 cm-1），以及15R晶型對應(yīng)的FTA模（174 cm-1）等高強(qiáng)度簡約波矢模［8］。由此可得8英寸SiC晶片的4H晶型占比為100%。

圖28英寸4H-SiC晶片拉曼光譜掃描圖（1為4H-SiC，2為6H-SiC，3為15R-SiC）

高分辨率X射線搖擺曲線測試結(jié)果如圖3所示，測試點(diǎn)位為襯底中心和上、下、左、右半徑的中心位置共5點(diǎn)。從圖中可以看出，各測試點(diǎn)位的（004）衍射峰均為單一峰，其對應(yīng)的半峰全寬分布在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。

圖38英寸SiC晶片（004）晶面高分辨X射線衍射圖譜

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

圖48英寸SiC晶片微管分布

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(zhǔn)偏差為1.11%。

圖58英寸SiC晶片電阻率測試結(jié)果

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(dòng)較大的區(qū)域應(yīng)力較大［9］。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(qiáng)度應(yīng)力區(qū)域外，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。

圖68英寸SiC晶片偏振光應(yīng)力測試結(jié)果

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(diǎn)彎曲度（Bow）為-3.773 μm，3點(diǎn)翹曲度（Warp）為17.318 μm。

圖78英寸SiC晶片平整度測試結(jié)果

通過熔融KOH刻蝕，SiC襯底硅面表面的位錯(cuò)位置被擇優(yōu)腐蝕放大，即位錯(cuò)腐蝕坑。使用自動(dòng)位錯(cuò)檢測儀對腐蝕坑的形貌進(jìn)行識(shí)別和分類，并統(tǒng)計(jì)出位錯(cuò)在襯底上的分布和位錯(cuò)密度。結(jié)果顯示，該8英寸襯底的位錯(cuò)腐蝕坑密度（etch pit density， EPD）為3293 cm-2，其中螺型位錯(cuò)（threading screw dislocation， TSD）密度為81 cm-2，刃型位錯(cuò)（threading edge dislocation， TED）密度為3074 cm-2，基平面位錯(cuò)（basal plane dislocation， BPD）密度僅為138 cm-2。各類型位錯(cuò)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(cuò)密度在此位置明顯高于其他區(qū)域，符合理論預(yù)期。

圖88英寸SiC晶片位錯(cuò)分布圖

綜合上述結(jié)果，該SiC襯底的各項(xiàng)指標(biāo)與當(dāng)前6英寸SiC襯底的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［10-11］相當(dāng)，可滿足后續(xù)8英寸外延、器件等加工要求。

4.結(jié) 論

使用PVT法通過多次擴(kuò)徑生長將SiC晶體直徑從150 mm擴(kuò)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(zhǔn)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(diǎn)X射線搖擺曲線半峰全寬分布在10.44″~11.52″，平均微管密度為0.04 cm-2，平均電阻率為0.0203 Ω·cm。襯底不存在明顯應(yīng)力區(qū)，Warp值為17.318 μm，Bow值為-3.773 μm，總位錯(cuò)密度為3293 cm-2，其中TSD密度為81 cm-2，BPD密度為138 cm-2，各項(xiàng)檢測指標(biāo)均達(dá)到了行業(yè)先進(jìn)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(dá)公司預(yù)計(jì)2023實(shí)現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)。

審核編輯 ：李倩