天域半导体8英寸SiC晶圆制备与外延应用

碳化硅（SiC）是制作高温、高频、大功率电子器件的理想电子材料之一，近20年来随着SiC材料加工技术的不断提升，其应用领域不断扩大。目前SiC芯片的制备仍然以6英寸（1英寸=25.4 mm）晶圆为主，但是行业龙头企业已经开始研发基于8英寸SiC晶圆的下一代器件和芯片。

近日，广东天域半导体股份有限公司丁雄杰博士团队联合广州南砂晶圆半导体技术有限公司、清纯半导体（宁波）有限公司、芯三代半导体科技（苏州）股份有限公司在《人工晶体学报》2024年第10期发表了题为《8英寸SiC晶圆制备与外延应用》的研究论文（第一作者：韩景瑞；通信作者：丁雄杰）。该论文采用扩径生长法制备了8英寸导电型4H-SiC衬底晶圆，其平均基平面位错（BPD）密度低至251 cm-2，平均螺位错（TSD）密度小于1 cm-2，实现了近“零TSD”和低BPD密度的8英寸导电型4H-SiC衬底晶圆的制备，可以满足生产需要。研究团队采用国产8英寸外延设备和开发工艺包，在8英寸晶圆上实现了速率为68.66 μm/h的快速外延生长，获得的外延层厚度不均匀性为0.89%，掺杂不均匀性为2.05%，这两个指标已经达到了优良6英寸外延膜的水平，完全可以满足生产需要。与国外已发布的8英寸外延结果对比，厚度和掺杂均匀性均优于国外数据，而缺陷密度只有国外数据的1/4。本文设计和实施了多片重复性试验，验证了8英寸外延的稳定性。

论文题录●●

韩景瑞, 李锡光, 李咏梅, 王垚浩, 张清纯, 李达, 施建新, 闫鸿磊, 韩跃斌, 丁雄杰. 8英寸SiC晶圆制备与外延应用[J]. 人工晶体学报, 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.

//文章导读

在国内8英寸SiC晶圆开发上，从2021年开始截至2023年底，山东大学、北京天科合达半导体股份有限公司（简称“天科合达”）、山西烁科晶体有限公司（简称“山西烁科”）、广州南砂晶圆半导体技术有限公司（简称“南砂晶圆”）等超过10家公司和研究机构先后发布了8英寸导电型4H-SiC衬底晶圆，也对8英寸长晶炉热场进行了分区模拟研究，从表1的对比中可以看出，尽管比国外研发起步时间较晚，但是国内在8英寸晶圆研发的速度和研发单位数量上已经快速赶超国外。

表1国内外8英寸SiC晶圆开发对比

在8英寸SiC外延环节，国内也发展迅速。厦门大学于2023年3月发布了8英寸4H-SiC外延成果，厚度不均匀性和掺杂浓度不均匀性分别为2.3%和小于7.5%，表面缺陷密度小于0.5 cm-2。从表2中数据（截至2024年1月1日）同样可以看出，国内在8英寸SiC外延这个环节也在迅速发展。

表28英寸SiC外延片发布数据对比

8英寸SiC的制造难点之一在于晶锭生长，由6英寸扩径到8英寸，晶锭生长的难度会成倍增加。8英寸籽晶质量要求更高，同时需要解决大尺寸带来的温场不均匀、气相原料分布和输运效率问题，以及应力增大导致晶体开裂等问题。本文的8英寸4H-SiC衬底晶圆由南砂晶圆制造。SiC单晶生长采用主流的物理气相传输（physical vapor transport， PVT）法，生长系统包括加热系统、冷却系统及石墨材料组成的热场区，典型的生长示意图如图1所示。

图1典型SiC PVT生长示意图

生长得到的晶体经过滚圆、磨平面整形后，获得标准直径的8英寸导电型4H-SiC晶锭，之后采用多线切割机进行切片，得到原始晶圆。然后对原始晶圆进行机械抛光和化学机械抛光，获得厚度为500 μm的低粗糙度8英寸导电型4H-SiC衬底晶圆，如图2所示。从图中可以看出，8英寸导电型4H-SiC衬底晶圆呈均一的棕黄色，结合拉曼测试，表明衬底晶圆中无6H和15R-SiC等多型夹杂，4H晶型比例100%。

图28英寸导电型4H-SiC衬底晶圆(a)及其拉曼光谱(b)

在合适的腐蚀条件下，SiC晶圆Si面的位错缺陷腐蚀坑形状清晰、尺寸适中、完全显露且没有交叠。将腐蚀后的晶圆用沸腾的酒精和蒸馏水反复清洗，擦干后进行测试。采用位错瑕疵检测仪自动识别统计不同类型位错对应的特征腐蚀坑数量。设备可以准确地识别各类型位错，经过人工对视觉识别系统的结果进行复核，确保目前方法结果的可靠性，得到8英寸导电型4H-SiC衬底晶圆的TSD和BPD密度及分布情况，如图3所示，平均BPD密度为251 cm-2，平均TSD密度小于1 cm-2。实现了近“零TSD”和低BPD密度的8英寸导电型4H-SiC衬底晶圆制备。

图38英寸导电型4H-SiC衬底晶圆的螺位错和基平面位错密度及分布

本研究在8英寸晶圆上实现了速率为68.66 μm/h的外延生长，获得了标称厚度为11.44 μm、掺杂浓度为10.50×1015 cm-3的外延层。图4和图5分别为8英寸导电型4H-SiC晶圆上生长的外延层的厚度和掺杂浓度沿径向分布图。外延层厚度的平均值为11.44 μm，标准偏差为0.10 μm，用标准偏差和平均值之比评估的厚度不均匀性为0.89%。外延层掺杂浓度的平均值为10.50×1015 cm-3，标准偏差为0.22×1015 cm-3，掺杂不均匀性为2.05%。

图44H-SiC外延层的片内膜厚分布图

图5同一片4H-SiC外延层的片内掺杂浓度径向分布图

为了进一步考察8英寸晶圆上外延生长的重复性和稳定性，本研究采用同一个工艺菜单，进行了另外2次外延生长，完成了重复性实验，结果如表3和表4所示。从表3中可以看出，膜厚和掺杂浓度片间不均匀性分别为4.25%和4.11%。从表4可以看出，三角形和掉落物缺陷密度的3片平均值为0.12 cm-2，完全满足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的通用出货要求。因此可以初步得出结论，本研究的8英寸外延片重复性良好，具有良好的稳定性，可以进行大批量试生产和进一步量产研究优化。

表3膜厚和掺杂浓度重复性结果

表4缺陷率重复性结果

结论

实现高质量8英寸SiC晶圆制造和外延生长是推进下一代大尺寸功率器件生产的基础性一步，本文概述了在广东天域的协调下，8英寸SiC晶圆工业试验线的建立和进展。用新型PVD长晶炉扩径生长得到晶锭，经过切磨抛得到8英寸导电型4H-SiC衬底晶圆。测量结果证明，8英寸导电型4H-SiC衬底晶圆平均BPD密度低至251 cm-2，平均TSD密度小于1 cm-2，实现了近“零TSD”和低BPD密度的8英寸衬底晶圆制备，已经可以满足外延和芯片加工生产要求。采用垂直式SiC国产外延设备，在广东天域实验室中对南砂晶圆公司研发的国产8英寸导电型4H-SiC衬底晶圆进行了外延生长，实现了速率为68.66 μm/h的快速外延生长，厚度不均匀性为0.89%，掺杂不均匀性为2.05%，这两个指标和缺陷密度优于国外水平，已经达到了优良6英寸外延膜的水平，完全可以满足生产需要。重复性实验的结果发现，本研究下8英寸外延生长可以很好地重复，具有良好的稳定性，可以进行大批量试生产和进一步量产研究优化，本研究为8英寸芯片生产线生产工具使用8英寸晶圆进行了测试和优化，实现了8英寸兼容性。这项研究工作为推动8英寸SiC晶圆大规模芯片制造提供了有益的参考。本研究证明了SiC全产业链的设备和材料国产化已经取得了很大的成就，在6英寸产业化数年的追赶之后，国内企业在8英寸SiC产业化上迎头赶上，在晶圆制备和外延环节已经比国外做得更好。