碳化硅（SiC）是制作高溫、高頻、大功率電子器件的理想電子材料之一，近20年來(lái)隨著SiC材料加工技術(shù)的不斷提升，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。目前SiC芯片的制備仍然以6英寸（1英寸=25.4 mm）晶圓為主，但是行業(yè)龍頭企業(yè)已經(jīng)開始研發(fā)基于8英寸SiC晶圓的下一代器件和芯片。

近日，廣東天域半導(dǎo)體股份有限公司丁雄杰博士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合廣州南砂晶圓半導(dǎo)體技術(shù)有限公司、清純半導(dǎo)體（寧波）有限公司、芯三代半導(dǎo)體科技（蘇州）股份有限公司在《人工晶體學(xué)報(bào)》2024年第10期發(fā)表了題為《8英寸SiC晶圓制備與外延應(yīng)用》的研究論文（第一作者：韓景瑞；通信作者：丁雄杰）。該論文采用擴(kuò)徑生長(zhǎng)法制備了8英寸導(dǎo)電型4H-SiC襯底晶圓，其平均基平面位錯(cuò)（BPD）密度低至251 cm-2，平均螺位錯(cuò)（TSD）密度小于1 cm-2，實(shí)現(xiàn)了近“零TSD”和低BPD密度的8英寸導(dǎo)電型4H-SiC襯底晶圓的制備，可以滿足生產(chǎn)需要。研究團(tuán)隊(duì)采用國(guó)產(chǎn)8英寸外延設(shè)備和開發(fā)工藝包，在8英寸晶圓上實(shí)現(xiàn)了速率為68.66 μm/h的快速外延生長(zhǎng)，獲得的外延層厚度不均勻性為0.89%，摻雜不均勻性為2.05%，這兩個(gè)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了優(yōu)良6英寸外延膜的水平，完全可以滿足生產(chǎn)需要。與國(guó)外已發(fā)布的8英寸外延結(jié)果對(duì)比，厚度和摻雜均勻性均優(yōu)于國(guó)外數(shù)據(jù)，而缺陷密度只有國(guó)外數(shù)據(jù)的1/4。本文設(shè)計(jì)和實(shí)施了多片重復(fù)性試驗(yàn)，驗(yàn)證了8英寸外延的穩(wěn)定性。

論文題錄●●

韓景瑞, 李錫光, 李詠梅, 王垚浩, 張清純, 李達(dá), 施建新, 閆鴻磊, 韓躍斌, 丁雄杰. 8英寸SiC晶圓制備與外延應(yīng)用[J]. 人工晶體學(xué)報(bào), 2024, 53(10): 1712-1719.

HAN Jingrui, LI Xiguang, LI Yongmei, WANG Yaohao, ZHANG Qingchun, LI Da, SHI Jianxin, YAN Honglei, HAN Yuebin, TING Hungkit. Preparation and Epitaxy Application of 8 Inch SiC Wafers[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2024, 53(10): 1712-1719.

//文章導(dǎo)讀

在國(guó)內(nèi)8英寸SiC晶圓開發(fā)上，從2021年開始截至2023年底，山東大學(xué)、北京天科合達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司（簡(jiǎn)稱“天科合達(dá)”）、山西爍科晶體有限公司（簡(jiǎn)稱“山西爍科”）、廣州南砂晶圓半導(dǎo)體技術(shù)有限公司（簡(jiǎn)稱“南砂晶圓”）等超過(guò)10家公司和研究機(jī)構(gòu)先后發(fā)布了8英寸導(dǎo)電型4H-SiC襯底晶圓，也對(duì)8英寸長(zhǎng)晶爐熱場(chǎng)進(jìn)行了分區(qū)模擬研究，從表1的對(duì)比中可以看出，盡管比國(guó)外研發(fā)起步時(shí)間較晚，但是國(guó)內(nèi)在8英寸晶圓研發(fā)的速度和研發(fā)單位數(shù)量上已經(jīng)快速趕超國(guó)外。

表1國(guó)內(nèi)外8英寸SiC晶圓開發(fā)對(duì)比

在8英寸SiC外延環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)也發(fā)展迅速。廈門大學(xué)于2023年3月發(fā)布了8英寸4H-SiC外延成果，厚度不均勻性和摻雜濃度不均勻性分別為2.3%和小于7.5%，表面缺陷密度小于0.5 cm-2。從表2中數(shù)據(jù)（截至2024年1月1日）同樣可以看出，國(guó)內(nèi)在8英寸SiC外延這個(gè)環(huán)節(jié)也在迅速發(fā)展。

表28英寸SiC外延片發(fā)布數(shù)據(jù)對(duì)比

8英寸SiC的制造難點(diǎn)之一在于晶錠生長(zhǎng)，由6英寸擴(kuò)徑到8英寸，晶錠生長(zhǎng)的難度會(huì)成倍增加。8英寸籽晶質(zhì)量要求更高，同時(shí)需要解決大尺寸帶來(lái)的溫場(chǎng)不均勻、氣相原料分布和輸運(yùn)效率問(wèn)題，以及應(yīng)力增大導(dǎo)致晶體開裂等問(wèn)題。本文的8英寸4H-SiC襯底晶圓由南砂晶圓制造。SiC單晶生長(zhǎng)采用主流的物理氣相傳輸（physical vapor transport， PVT）法，生長(zhǎng)系統(tǒng)包括加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及石墨材料組成的熱場(chǎng)區(qū)，典型的生長(zhǎng)示意圖如圖1所示。

圖1典型SiC PVT生長(zhǎng)示意圖

生長(zhǎng)得到的晶體經(jīng)過(guò)滾圓、磨平面整形后，獲得標(biāo)準(zhǔn)直徑的8英寸導(dǎo)電型4H-SiC晶錠，之后采用多線切割機(jī)進(jìn)行切片，得到原始晶圓。然后對(duì)原始晶圓進(jìn)行機(jī)械拋光和化學(xué)機(jī)械拋光，獲得厚度為500 μm的低粗糙度8英寸導(dǎo)電型4H-SiC襯底晶圓，如圖2所示。從圖中可以看出，8英寸導(dǎo)電型4H-SiC襯底晶圓呈均一的棕黃色，結(jié)合拉曼測(cè)試，表明襯底晶圓中無(wú)6H和15R-SiC等多型夾雜，4H晶型比例100%。

圖28英寸導(dǎo)電型4H-SiC襯底晶圓(a)及其拉曼光譜(b)

在合適的腐蝕條件下，SiC晶圓Si面的位錯(cuò)缺陷腐蝕坑形狀清晰、尺寸適中、完全顯露且沒有交疊。將腐蝕后的晶圓用沸騰的酒精和蒸餾水反復(fù)清洗，擦干后進(jìn)行測(cè)試。采用位錯(cuò)瑕疵檢測(cè)儀自動(dòng)識(shí)別統(tǒng)計(jì)不同類型位錯(cuò)對(duì)應(yīng)的特征腐蝕坑數(shù)量。設(shè)備可以準(zhǔn)確地識(shí)別各類型位錯(cuò)，經(jīng)過(guò)人工對(duì)視覺識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行復(fù)核，確保目前方法結(jié)果的可靠性，得到8英寸導(dǎo)電型4H-SiC襯底晶圓的TSD和BPD密度及分布情況，如圖3所示，平均BPD密度為251 cm-2，平均TSD密度小于1 cm-2。實(shí)現(xiàn)了近“零TSD”和低BPD密度的8英寸導(dǎo)電型4H-SiC襯底晶圓制備。

圖38英寸導(dǎo)電型4H-SiC襯底晶圓的螺位錯(cuò)和基平面位錯(cuò)密度及分布

本研究在8英寸晶圓上實(shí)現(xiàn)了速率為68.66 μm/h的外延生長(zhǎng)，獲得了標(biāo)稱厚度為11.44 μm、摻雜濃度為10.50×1015 cm-3的外延層。圖4和圖5分別為8英寸導(dǎo)電型4H-SiC晶圓上生長(zhǎng)的外延層的厚度和摻雜濃度沿徑向分布圖。外延層厚度的平均值為11.44 μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.10 μm，用標(biāo)準(zhǔn)偏差和平均值之比評(píng)估的厚度不均勻性為0.89%。外延層摻雜濃度的平均值為10.50×1015 cm-3，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.22×1015 cm-3，摻雜不均勻性為2.05%。

圖44H-SiC外延層的片內(nèi)膜厚分布圖

圖5同一片4H-SiC外延層的片內(nèi)摻雜濃度徑向分布圖

為了進(jìn)一步考察8英寸晶圓上外延生長(zhǎng)的重復(fù)性和穩(wěn)定性，本研究采用同一個(gè)工藝菜單，進(jìn)行了另外2次外延生長(zhǎng)，完成了重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表3和表4所示。從表3中可以看出，膜厚和摻雜濃度片間不均勻性分別為4.25%和4.11%。從表4可以看出，三角形和掉落物缺陷密度的3片平均值為0.12 cm-2，完全滿足6英寸外延片的三角形和掉落物缺陷密度不大于0.5 cm-2的通用出貨要求。因此可以初步得出結(jié)論，本研究的8英寸外延片重復(fù)性良好，具有良好的穩(wěn)定性，可以進(jìn)行大批量試生產(chǎn)和進(jìn)一步量產(chǎn)研究?jī)?yōu)化。

表3膜厚和摻雜濃度重復(fù)性結(jié)果

表4缺陷率重復(fù)性結(jié)果

結(jié)論

實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量8英寸SiC晶圓制造和外延生長(zhǎng)是推進(jìn)下一代大尺寸功率器件生產(chǎn)的基礎(chǔ)性一步，本文概述了在廣東天域的協(xié)調(diào)下，8英寸SiC晶圓工業(yè)試驗(yàn)線的建立和進(jìn)展。用新型PVD長(zhǎng)晶爐擴(kuò)徑生長(zhǎng)得到晶錠，經(jīng)過(guò)切磨拋得到8英寸導(dǎo)電型4H-SiC襯底晶圓。測(cè)量結(jié)果證明，8英寸導(dǎo)電型4H-SiC襯底晶圓平均BPD密度低至251 cm-2，平均TSD密度小于1 cm-2，實(shí)現(xiàn)了近“零TSD”和低BPD密度的8英寸襯底晶圓制備，已經(jīng)可以滿足外延和芯片加工生產(chǎn)要求。采用垂直式SiC國(guó)產(chǎn)外延設(shè)備，在廣東天域?qū)嶒?yàn)室中對(duì)南砂晶圓公司研發(fā)的國(guó)產(chǎn)8英寸導(dǎo)電型4H-SiC襯底晶圓進(jìn)行了外延生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了速率為68.66 μm/h的快速外延生長(zhǎng)，厚度不均勻性為0.89%，摻雜不均勻性為2.05%，這兩個(gè)指標(biāo)和缺陷密度優(yōu)于國(guó)外水平，已經(jīng)達(dá)到了優(yōu)良6英寸外延膜的水平，完全可以滿足生產(chǎn)需要。重復(fù)性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本研究下8英寸外延生長(zhǎng)可以很好地重復(fù)，具有良好的穩(wěn)定性，可以進(jìn)行大批量試生產(chǎn)和進(jìn)一步量產(chǎn)研究?jī)?yōu)化，本研究為8英寸芯片生產(chǎn)線生產(chǎn)工具使用8英寸晶圓進(jìn)行了測(cè)試和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了8英寸兼容性。這項(xiàng)研究工作為推動(dòng)8英寸SiC晶圓大規(guī)模芯片制造提供了有益的參考。本研究證明了SiC全產(chǎn)業(yè)鏈的設(shè)備和材料國(guó)產(chǎn)化已經(jīng)取得了很大的成就，在6英寸產(chǎn)業(yè)化數(shù)年的追趕之后，國(guó)內(nèi)企業(yè)在8英寸SiC產(chǎn)業(yè)化上迎頭趕上，在晶圓制備和外延環(huán)節(jié)已經(jīng)比國(guó)外做得更好。