作者：婁艷芳，鞏拓諶，張文，郭鈺，彭同華，楊建，劉春俊（北京天科合達半導體股份有限公司）

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、光學顯微鏡、電阻儀、偏光應力儀、面型檢測儀、位錯檢測儀等設備，對 8 英寸襯底的晶型、結晶質量、微管、電阻率、應力、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。使用偏光應力儀對 8 英寸 SiC 襯底內(nèi)部應力進行檢測表明整片應力分布均勻，且未發(fā)現(xiàn)應力集中的區(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。結果表明 8 英寸導電型 4H-SiC 襯底質量優(yōu)良，同比行業(yè)標準達到行業(yè)先進水平。

0 引 言

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

高質量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、山東大學等。

北京天科合達半導體股份有限公司（簡稱“天科合達”）成立于 2006 年，技術起源于中國科學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)化的高新技術企業(yè)，十幾年來一直堅守SiC襯底細分領域，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攻關，突破了 8 英寸晶體擴徑生長和晶片加工等關鍵技術難題，成功制備出高品質 8 英寸導電型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，制備出標準尺寸的 8 英寸導電型 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-射線衍射儀進行結晶質量檢測，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，用以表征晶圓的結晶質量；

使用光學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；

使用應力檢測儀對 8 英寸襯底的應力進行表征，該設備利用光在不同應力條件下傳播會產(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，該設備利用分析樣品與設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)分子多種物質交織發(fā)生化學反應的驅動力與表面沉積、原子遷移、吸附-解吸附等過程之間的動力學關系，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合方法，開展設備關鍵結構設計、高匹配籽晶粘接、局部熱場設計優(yōu)化改進，解決大尺寸晶體擴徑生長邊緣缺陷增殖和熱應力問題，實現(xiàn)低應力8英寸SiC單晶擴徑生長。通過PVT法生長的8英寸導電型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，表明生長過程結晶比較穩(wěn)定。按標準加工流程制成直徑為200.03 mm 的標準 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，結果中未測得 6H 晶型對應的 FTA 模（190cm-1），以及 15R 晶型對應的 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，其對應的半高寬分布在 10.44”至 11.52”之間，表明 8 英寸 4H-SiC 襯底結晶質量良好，不存在多晶、小角晶界等影響結晶質量的缺陷。

使用光學顯微鏡對 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，結果如圖 5 所示。結果顯示，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，相對標準偏差為 1.11%。

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

使用 FM200 測試的晶片面型結果如圖 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)域的生長習性與其他區(qū)域不同，導致位錯密度在此位置明顯高于其他區(qū)域，符合理論預期。

綜合上述結果，該 SiC 襯底的各項指標與當前 6 英寸 SiC 襯底的行業(yè)標準相當，可滿足后續(xù) 8 英寸外延、器件等加工要求。

3 結 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，天科合達公司預計 2023 實現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)。

審核編輯：湯梓紅