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年來隨著SiC材料加工技術的不斷提升，其應用領域不斷擴大。目前SiC芯片的制備仍然以6英寸（1英寸=25.4 mm）晶圓為主，但是行業龍頭企業已經開始研發基于8英寸SiC晶圓的下一代器件和芯片。

近日，廣東天域半導體股份有限公司丁雄杰博士團隊聯合廣州南砂晶圓半導體技術有限公司、清純半導體（寧波）有限公司、芯三代半導體科技（蘇州）股份有限公司在《人工晶體學報》2024年第10期發表了題為《8英寸SiC晶圓制備與外延應用》的研究論文（第一作者：韓景瑞；通信作者：丁雄杰）。該論文采用擴徑生長法制備了8英寸導電型4H-SiC襯底晶圓，其平均基平面位錯（BPD）密度低至251 cm-2，平均螺位錯（TSD）密度小于1 cm-2，實現了近“零TSD”和低BPD密度的8英寸導電型4H-SiC襯底晶圓的制備，可以滿足生產需要。研究團隊采用國產8英寸外延設備和開發工藝包，在8英寸晶圓上實現了速率為68.66 μm/h的快速外延生長，獲得的外延層厚度不均勻性為0.89%，摻雜不均勻性為2.05%，這兩個指標已經達到了優良6英寸外延膜的水平，完全可以滿足生產需要。與國外已發布的8英寸外延結果對比，厚度和摻雜均勻性均優于國外數據，而缺陷密度只有國外數據的1/4。本文設計和實施了多片重復性試驗，驗證了8英寸外延的穩定性。

論文題錄●●

韓景瑞, 李錫光, 李詠梅, 王垚浩, 張清純, 李達, 施建新, 閆鴻磊, 韓躍斌, 丁雄杰. 8英寸SiC晶圓制備與外延應用[J]. 人工晶體學報, 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.

//文章導讀

在國內8英寸SiC晶圓開發上，從2021年開始截至2023年底，山東大學、北京天科合達半導體股份有限公司（簡稱“天科合達”）、山西爍科晶體有限公司（簡稱“山西爍科”）、廣州南砂晶圓半導體技術有限公司（簡稱“南砂晶圓”）等超過10家公司和研究機構先后發布了8英寸導電型4H-SiC襯底晶圓，也對8英寸長晶爐熱場進行了分區模擬研究，從表1的對比中可以看出，盡管比國外研發起步時間較晚，但是國內在8英寸晶圓研發的速度和研發單位數量上已經快速趕超國外。

表1國內外8英寸SiC晶圓開發對比

在8英寸SiC外延環節，國內也發展迅速。廈門大學于2023年3月發布了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中數據（截至2024年1月1日）同樣可以看出，國內在8英寸SiC外延這個環節也在迅速發展。

表28英寸SiC外延片發布數據對比

8英寸SiC的制造難點之一在于晶錠生長，由6英寸擴徑到8英寸，晶錠生長的難度會成倍增加。8英寸籽晶質量要求更高，同時需要解決大尺寸帶來的溫場不均勻、氣相原料分布和輸運效率問題，以及應力增大導致晶體開裂等問題。本文的8英寸4H-SiC襯底晶圓由南砂晶圓制造。SiC單晶生長采用主流的物理氣相傳輸（physical vapor transport， PVT）法，生長系統包括加熱系統、冷卻系統及石墨材料組成的熱場區，典型的生長示意圖如圖1所示。

圖1典型SiC PVT生長示意圖

生長得到的晶體經過滾圓、磨平面整形后，獲得標準直徑的8英寸導電型4H-SiC晶錠，之后采用多線切割機進行切片，得到原始晶圓。然后對原始晶圓進行機械拋光和化學機械拋光，獲得厚度為500 μm的低粗糙度8英寸導電型4H-SiC襯底晶圓，如圖2所示。從圖中可以看出，8英寸導電型4H-SiC襯底晶圓呈均一的棕黃色，結合拉曼測試，表明襯底晶圓中無6H和15R-SiC等多型夾雜，4H晶型比例100%。

圖28英寸導電型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清洗，擦干后進行測試。采用位錯瑕疵檢測儀自動識別統計不同類型位錯對應的特征腐蝕坑數量。設備可以準確地識別各類型位錯，經過人工對視覺識別系統的結果進行復核，確保目前方法結果的可靠性，得到8英寸導電型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。實現了近“零TSD”和低BPD密度的8英寸導電型4H-SiC襯底晶圓制備。

圖38英寸導電型4H-SiC襯底晶圓的螺位錯和基平面位錯密度及分布

本研究在8英寸晶圓上實現了速率為68.66 μm/h的外延生長，獲得了標稱厚度為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英寸導電型4H-SiC晶圓上生長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，標準偏差為0.10 μm，用標準偏差和平均值之比評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，標準偏差為0.22×1015 cm-3，摻雜不均勻性為2.05%。

圖44H-SiC外延層的片內膜厚分布圖

圖5同一片4H-SiC外延層的片內摻雜濃度徑向分布圖

為了進一步考察8英寸晶圓上外延生長的重復性和穩定性，本研究采用同一個工藝菜單，進行了另外2次外延生長，完成了重復性實驗，結果如表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論，本研究的8英寸外延片重復性良好，具有良好的穩定性，可以進行大批量試生產和進一步量產研究優化。

表3膜厚和摻雜濃度重復性結果

表4缺陷率重復性結果

結論

實現高質量8英寸SiC晶圓制造和外延生長是推進下一代大尺寸功率器件生產的基礎性一步，本文概述了在廣東天域的協調下，8英寸SiC晶圓工業試驗線的建立和進展。用新型PVD長晶爐擴徑生長得到晶錠，經過切磨拋得到8英寸導電型4H-SiC襯底晶圓。測量結果證明，8英寸導電型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，實現了近“零TSD”和低BPD密度的8英寸襯底晶圓制備，已經可以滿足外延和芯片加工生產要求。采用垂直式SiC國產外延設備，在廣東天域實驗室中對南砂晶圓公司研發的國產8英寸導電型4H-SiC襯底晶圓進行了外延生長，實現了速率為68.66 μm/h的快速外延生長，厚度不均勻性為0.89%，摻雜不均勻性為2.05%，這兩個指標和缺陷密度優于國外水平，已經達到了優良6英寸外延膜的水平，完全可以滿足生產需要。重復性實驗的結果發現，本研究下8英寸外延生長可以很好地重復，具有良好的穩定性，可以進行大批量試生產和進一步量產研究優化，本研究為8英寸芯片生產線生產工具使用8英寸晶圓進行了測試和優化，實現了8英寸兼容性。這項研究工作為推動8英寸SiC晶圓大規模芯片制造提供了有益的參考。本研究證明了SiC全產業鏈的設備和材料國產化已經取得了很大的成就，在6英寸產業化數年的追趕之后，國內企業在8英寸SiC產業化上迎頭趕上，在晶圓制備和外延環節已經比國外做得更好。