8英寸導(dǎo)電型4H-SiC單晶襯底制備與表征

婁艷芳，鞏拓諶，張 文，郭 鈺，彭同華，楊 建，劉春俊

(北京天科合達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司，北京 102600)

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、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(>2 000 ℃)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)界和科研機構(gòu)雖然起步稍晚，但也取得不錯的進(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(xì)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

1.2 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點位，對襯底的晶型進(jìn)行表征；

使用Panalytical-X’Pert3MRD 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=0.154 06 nm)，測試范圍為±0.02°，步長0.000 1°, 積分時間0.1 s，檢測襯底上、下、左、中、右半徑中點處共5點位(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，并采用全自動位錯掃描儀對其位錯分布及密度進(jìn)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。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、高匹配籽晶黏接、局部熱場設(shè)計優(yōu)化改進(jìn)，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。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F(xiàn)ig.1 8-inch SiC crystal boule and wafer of Tankeblue Semiconductor Co., Ltd. (a) SiC boule with a diameter of 209 mm; (b) standard 8-inch SiC wafer

拉曼光譜對晶片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，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2 8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)Fig.2 Raman spectroscopy mapping of 8-inch SiC wafer (1 is 4H-SiC, 2 is 6H-SiC, 3 is 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(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3 8英寸SiC晶片(004)晶面高分辨X射線衍射圖譜Fig.3 HRXRD patterns for (004) plane of 8-inch SiC wafer

使用光學(xué)顯微鏡對8英寸襯底的微管密度進(jìn)行全自動掃描，去除邊緣3 mm區(qū)域的微管進(jìn)行統(tǒng)計后得出，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，且均分布于邊緣，如圖4所示。

圖4 8英寸SiC晶片微管分布圖Fig.4 Micropipe distribution of 8-inch SiC wafer

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 0.020 3 Ω·cm，最大值為 0.020 8 Ω·cm，最小值為0.019 9 Ω·cm，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.11%。

圖5 8英寸SiC晶片電阻率測試結(jié)果Fig.5 Resistivity mapping of 8-inch SiC wafer

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[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6 8英寸SiC晶片偏振光應(yīng)力測試結(jié)果Fig.6 Stress mapping of 8-inch SiC wafer by polarized light

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。

圖7 8英寸SiC晶片平整度測試結(jié)果Fig.7 Flatness measurement of 8-inch SiC wafer

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(jìn)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英寸襯底的位錯腐蝕坑密度(etch pit density, EPD)為3 293 cm-2，其中螺型位錯(threading screw dislocation, TSD)密度為81 cm-2，刃型位錯(threading edge dislocation, TED)密度為 3 074 cm-2，基平面位錯(basal plane dislocation, BPD)密度僅為138 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。

圖8 8英寸SiC晶片位錯分布圖Fig.8 Dislocation distributions of 8-inch SiC wafer

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(zhǔn)[10-11]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PVT法通過多次擴徑生長將SiC晶體直徑從150 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(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0.020 3 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，總位錯密度為3 293 cm-2，其中TSD密度為81 cm-2，BPD密度為138 cm-2，各項檢測指標(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2023實現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)。