基于國產(chǎn)單晶襯底的150mm 4H-SiC同質(zhì)外延技術(shù)進(jìn)展

摘要

本文研究了一種用于5G通信的射頻微系統(tǒng)與天線一體化三維扇出型集成封裝技術(shù). 通過在玻璃晶圓 上使用雙面布線工藝，實(shí)現(xiàn)毫米波天線陣列的制作. 將TSV轉(zhuǎn)接芯片與射頻芯片倒裝焊在玻璃晶圓上，再用樹脂材料 進(jìn)行注塑，將玻璃晶圓與異構(gòu)芯片重構(gòu)成玻璃與樹脂永久鍵合的晶圓. 減薄樹脂晶圓面漏出TSV轉(zhuǎn)接芯片的銅柱，在 樹脂表面上完成再布線. 把控制、電源管理等芯片倒裝焊在再布線形成的焊盤處，植上BGA焊球形成最終封裝體. 利 用毫米波探針臺對射頻傳輸線的損耗進(jìn)行測量，結(jié)果表明，1 mm長的CPW傳輸線射頻傳輸損耗在60 GHz僅為0.6 dB. 在玻璃晶圓上設(shè)計(jì)了一種縫隙耦合天線，天線在59.8 GHz的工作頻率最大增益達(dá)到6 dB. 這為5G通信的射頻微系統(tǒng) 與天線一體化三維扇出型集成提供了一個(gè)切實(shí)可行解決方案.

高阻斷電壓、大功率密度、高轉(zhuǎn)化效率是電力電子器件技術(shù)持續(xù)追求的目標(biāo)，基于 4H-SiC 優(yōu)異的材 料特性，在電力電子器件應(yīng)用方面具有廣闊的發(fā)展前景。圍繞 SiC MOSFET 器件對外延材料的需求，介紹了 國內(nèi)外主流的 SiC 外延設(shè)備及國產(chǎn) SiC 襯底的發(fā)展，并重點(diǎn)介紹了寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn) 室在國產(chǎn) 150 mm（6 英寸）SiC 襯底上的高速外延技術(shù)進(jìn)展。通過關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了 150 mm SiC 外延材料 表面缺陷密度≤0.5 cm-2，BPD 缺陷密度≤0.1 cm-2，片內(nèi)摻雜濃度不均勻性≤5%，片內(nèi)厚度不均勻性≤1%?；谧灾魍庋硬牧希瑢?shí)現(xiàn)了 650~1 200 V SiC MOSFET 產(chǎn)品商業(yè)化以及 6.5~15 kV 高壓 SiC MOSFET 器件的 產(chǎn)品定型。

引言

本文研究了一種用于5G通信的射頻微系統(tǒng)與天線一體化三維扇出型集成封裝技術(shù). 通過在玻璃晶圓 上使用雙面布線工藝，實(shí)現(xiàn)毫米波天線陣列的制作. 將TSV轉(zhuǎn)接芯片與射頻芯片倒裝焊在玻璃晶圓上，再用樹脂材料 進(jìn)行注塑，將玻璃晶圓與異構(gòu)芯片重構(gòu)成玻璃與樹脂永久鍵合的晶圓. 減薄樹脂晶圓面漏出TSV轉(zhuǎn)接芯片的銅柱，在 樹脂表面上完成再布線. 把控制、電源管理等芯片倒裝焊在再布線形成的焊盤處，植上BGA焊球形成最終封裝體. 利 用毫米波探針臺對射頻傳輸線的損耗進(jìn)行測量，結(jié)果表明，1 mm長的CPW傳輸線射頻傳輸損耗在60 GHz僅為0.6 dB. 在玻璃晶圓上設(shè)計(jì)了一種縫隙耦合天線，天線在59.8 GHz的工作頻率最大增益達(dá)到6 dB. 這為5G通信的射頻微系統(tǒng) 與天線一體化三維扇出型集成提供了一個(gè)切實(shí)可行解決方案.

電力電子技術(shù)是能源與電能變換領(lǐng)域的核心 技術(shù)，能源的高效率轉(zhuǎn)化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、低碳經(jīng) 濟(jì)的關(guān)鍵，高壓大容量電力電子器件是關(guān)鍵元件和 基礎(chǔ)。長期以來，硅（Si）器件幾乎統(tǒng)治了所有電力 電子系統(tǒng)的應(yīng)用。這主要得益于材料和芯片制備 方面成熟的工藝技術(shù)優(yōu)勢。但是，Si 器件的性能已 經(jīng)接近由其材料特性所決定的理論極限，性能的進(jìn) 步提升十分受限。材料是芯片、器件性能實(shí)現(xiàn)的基 礎(chǔ)，若要進(jìn)一步提高電力電子裝置與系統(tǒng)性能，需 訴諸于更優(yōu)越的半導(dǎo)體材料。表 1 為典型半導(dǎo)體材料特性對比。

4H-SiC 作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，與傳統(tǒng) 的 Si 和 GaAs 材料相比，在熱導(dǎo)率、臨界擊穿場強(qiáng)、 工作溫度、飽和電子漂移速度等方面具有非常優(yōu)異 的材料特性。其中，4H-SiC 的禁帶寬度接近 Si 的 3 倍，且本征載流子濃度遠(yuǎn)低于 Si，使得 SiC 器件可以 工作在更高的溫度；4H-SiC 的擊穿場強(qiáng)比 Si高一個(gè) 數(shù)量級，相同器件耐壓下的 SiC 器件可以設(shè)計(jì)較小 厚度和更高摻雜濃度的外延材料，大幅度降低器件 的導(dǎo)通電阻；4H-SiC 的熱導(dǎo)率是 Si 的 3 倍以上，SiC 器件可以長時(shí)間在溫度更高的環(huán)境下穩(wěn)定地工作；4H-SiC 的飽和電子漂移速率是 Si 的 2 倍，使 SiC 器 件具備更高的工作頻率。加入三代半交流群，加VX：tuoke08。SiC 具備獨(dú)特的穩(wěn)定性、 適用性和突出的性能，切合節(jié)能減排、智能制造、信 息安全等國家重大戰(zhàn)略需求，被視為支撐新一代新 能源汽車、高速軌道列車、高壓電網(wǎng)、光伏等產(chǎn)業(yè)創(chuàng) 新發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級的重點(diǎn)核心材料之一，已成為全 球半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)競爭焦點(diǎn)。

幾乎所有的 SiC 器件均在外延材料上實(shí)現(xiàn)，高 質(zhì)量的 4H-SiC 同質(zhì)外延材料是 SiC 器件研制的基 礎(chǔ)，外延材料的性能直接決定了 SiC 器件性能的實(shí) 現(xiàn)。大電流、高可靠性 SiC 器件對外延材料的表面 形貌、缺陷密度以及摻雜和厚度均勻性等方面提出 了更苛刻的要求。大尺寸、低缺陷密度和高均勻性 的 SiC 外延材料已成為 SiC 電力電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān) 鍵。美國 SiC 行業(yè)巨頭 Wolfspeed 公司已經(jīng)推出了 150 mm（6 英 寸）和 200 mm（8 英 寸）的 多 層 結(jié) 構(gòu) 4H-SiC 外延片，外延層厚度達(dá)到了 200 μm，無缺 陷面積≥95%，且仍在不斷進(jìn)行工藝優(yōu)化。日本的 Renosac（原昭和電工）6 英寸 30 μm 以內(nèi) 4H-SiC 外 延片的缺陷密度達(dá)到了≤0.5 cm-2，基平面位錯密 度≤0.1 cm-2，2022 年 9 月開始批量出貨 8 英寸 SiC 外延片。國內(nèi)商業(yè)化的 SiC 外延公司瀚天天成、 廣東天域半導(dǎo)體、普興電子和中電化合物等目前已 實(shí)現(xiàn) 100~150 mm 4H-SiC 外延片批量生產(chǎn)，無缺陷面積達(dá)到 95% 以上，外延層厚度≤100 μm。另 外 ，廈 門 大 學(xué) 于 2023 年 3 月 成 功 實(shí) 現(xiàn) 了 200 mm 4H-SiC 外延生長，制備的 12 μm 厚外延片片內(nèi)外延 厚 度 不 均 勻 性 2.3%，片 內(nèi) 摻 雜 濃 度 不 均 勻 性 < 7.5%，表面缺陷密度≤0.5 cm-2?，在國內(nèi)首次公開報(bào) 道了 200 mm 4H-SiC 外延技術(shù)?。?

1 國內(nèi)外主流外延設(shè)備概況

本文研究了一種用于5G通信的射頻微系統(tǒng)與天線一體化三維扇出型集成封裝技術(shù). 通過在玻璃晶圓 上使用雙面布線工藝，實(shí)現(xiàn)毫米波天線陣列的制作. 將TSV轉(zhuǎn)接芯片與射頻芯片倒裝焊在玻璃晶圓上，再用樹脂材料 進(jìn)行注塑，將玻璃晶圓與異構(gòu)芯片重構(gòu)成玻璃與樹脂永久鍵合的晶圓. 減薄樹脂晶圓面漏出TSV轉(zhuǎn)接芯片的銅柱，在 樹脂表面上完成再布線. 把控制、電源管理等芯片倒裝焊在再布線形成的焊盤處，植上BGA焊球形成最終封裝體. 利 用毫米波探針臺對射頻傳輸線的損耗進(jìn)行測量，結(jié)果表明，1 mm長的CPW傳輸線射頻傳輸損耗在60 GHz僅為0.6 dB. 在玻璃晶圓上設(shè)計(jì)了一種縫隙耦合天線，天線在59.8 GHz的工作頻率最大增益達(dá)到6 dB. 這為5G通信的射頻微系統(tǒng) 與天線一體化三維扇出型集成提供了一個(gè)切實(shí)可行解決方案.

外延是指在單晶襯底上沿原來的晶軸方向生 長 出 新 單 晶 層 的 過 程 ，新 生 長 的 單 晶 層 即 外 延 層。現(xiàn)階段，化學(xué)氣相沉積（Chemical vapor deposition，CVD）是最為普及的 4H-SiC 同質(zhì)外延方法， 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。4H-SiC CVD 外 延一般采用熱壁或溫壁式 CVD 設(shè)備，在較高的生長 溫度條件（1 500~1 700℃）下保證了外延層 4H 晶型 SiC 的延續(xù)。熱壁或溫壁式 CVD 經(jīng)過多年的發(fā)展， 按照進(jìn)氣氣流方向與襯底表面的關(guān)系，反應(yīng)室可以 分 為 水 平 臥 式 結(jié) 構(gòu) 反 應(yīng) 爐 和 垂 直 立 式 結(jié) 構(gòu) 反 應(yīng) 爐。熱壁水平臥式 CVD、溫壁行星式 CVD 以及 準(zhǔn)熱壁立式 CVD 是現(xiàn)階段主流外延設(shè)備技術(shù)方案， 已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，其主要結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1所示。

熱壁水平式 CVD 系統(tǒng)，一般為氣浮驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的 單片大尺寸生長系統(tǒng)，易實(shí)現(xiàn)較好的片內(nèi)指標(biāo)，代 表性機(jī)型為意大利 LPE 公司的 Pe1O6，該機(jī)臺可以 實(shí)現(xiàn) 900℃高溫自動裝取片，主要特點(diǎn)是生長速率 高、外延周期短、片內(nèi)及爐次間一致性好等，在國內(nèi) 市場占有率最高。根據(jù) LPE 官方報(bào)道，結(jié)合主要用 戶的使用情況，Pe1O6 外延爐生產(chǎn)的厚度 30 μm 以 下 100~150 mm（4~6 英寸）4H-SiC 外延片產(chǎn)品可 以 穩(wěn) 定 達(dá) 到 如 下 指 標(biāo) ：片 內(nèi) 外 延 厚 度 不 均 勻 性 ≤2%，片內(nèi)摻雜濃度不均勻性≤5%，表面缺陷密 度 ≤1 cm-2，表 面 無 缺 陷 面 積（2 mm×2 mm 單 元 格）≥90%?；谠撛O(shè)備生長的 SiC 外延材料， 最大外延厚度已達(dá) 200 μm 以上。國內(nèi)晶盛機(jī)電、 中國電科 48 所、北方華創(chuàng)、納設(shè)智能均開發(fā)了具有 類似功能的單片式 SiC 外延設(shè)備。2023 年 2 月，晶 盛機(jī)電發(fā)布了 6 英寸雙片式 SiC 外延設(shè)備，該設(shè)備 通過對反應(yīng)室石墨件的改造，采用上下層疊加的 方式，單爐可以生長兩片外延片，且上下層工藝氣 體可以單獨(dú)調(diào)控，溫差≤5℃，有效彌補(bǔ)了單片水平 式外延爐產(chǎn)能不足的劣勢。

溫壁行星式 CVD 系統(tǒng)，以行星排布基座的方 式，特點(diǎn)是單爐多片生長，產(chǎn)出效率較高。代表性 機(jī) 型 為 德 國 Aixtron 公 司 的 AIX G5 WW C（8× 150 mm）和 G10-SiC（9×150 mm 或 6×200 mm）系 列外延設(shè)備。據(jù) Aixtron 官方報(bào)道，G10 外延爐生產(chǎn) 的厚度 10 μm 的 6 英寸 4H-SiC 外延片產(chǎn)品可以穩(wěn) 定達(dá)到如下指標(biāo)：片間外延厚度偏差±2.5%，片內(nèi) 外 延 厚 度 不 均 勻 性 ≤2%，片 間 摻 雜 濃 度 偏 差 ±5%，片 內(nèi) 摻 雜 濃 度 不 均 勻 性 ≤2%。截 至 目 前，此類機(jī)型在國內(nèi)用戶端使用較少，批量生產(chǎn)數(shù) 據(jù)不足，在一定程度上制約了其工程化應(yīng)用。由于 多片式外延爐在溫場和流場控制等方面技術(shù)壁壘 較高，國內(nèi)同類設(shè)備開發(fā)仍處于研發(fā)階段，尚無替代機(jī)型。

準(zhǔn)熱壁立式 CVD 系統(tǒng)，主要通過外部機(jī)械輔助 基座高速旋轉(zhuǎn)，特點(diǎn)是通過較低的反應(yīng)室壓力有效 降低粘滯層厚度從而提高了外延生長速率，同時(shí)其 反應(yīng)室沒有能夠沉積 SiC 顆粒的上壁，不易產(chǎn)生掉 落物，在缺陷控制上擁有先天優(yōu)勢，代表性機(jī)型為 日 本 Nuflare 公 司 的 單 片 式 外 延 爐 EPIREVO S6。據(jù) Nuflare 報(bào)道，EPIREVO S6 設(shè)備的生長速率可以 達(dá)到 50 μm/h 以上，且外延片表面缺陷密度可控制 在 0.1 cm-2以下。在均勻性控制方面，2019 年 Nuflare 工程師 Yoshiaki Daigo 報(bào)道了采用 EPIREVO S6 生長的 10 μm 厚 6 英寸外延片的片內(nèi)均勻性結(jié) 果，片內(nèi)厚度和摻雜濃度不均勻性分別達(dá)到 1% 和 2.6%。目前，芯三代、晶盛機(jī)電等國內(nèi)設(shè)備制造 商已經(jīng)設(shè)計(jì)并推出了具有類似功能的外延設(shè)備，但還沒有大規(guī)模的使用。

2 國內(nèi)外單晶襯底進(jìn)展

本文研究了一種用于5G通信的射頻微系統(tǒng)與天線一體化三維扇出型集成封裝技術(shù). 通過在玻璃晶圓 上使用雙面布線工藝，實(shí)現(xiàn)毫米波天線陣列的制作. 將TSV轉(zhuǎn)接芯片與射頻芯片倒裝焊在玻璃晶圓上，再用樹脂材料 進(jìn)行注塑，將玻璃晶圓與異構(gòu)芯片重構(gòu)成玻璃與樹脂永久鍵合的晶圓. 減薄樹脂晶圓面漏出TSV轉(zhuǎn)接芯片的銅柱，在 樹脂表面上完成再布線. 把控制、電源管理等芯片倒裝焊在再布線形成的焊盤處，植上BGA焊球形成最終封裝體. 利 用毫米波探針臺對射頻傳輸線的損耗進(jìn)行測量，結(jié)果表明，1 mm長的CPW傳輸線射頻傳輸損耗在60 GHz僅為0.6 dB. 在玻璃晶圓上設(shè)計(jì)了一種縫隙耦合天線，天線在59.8 GHz的工作頻率最大增益達(dá)到6 dB. 這為5G通信的射頻微系統(tǒng) 與天線一體化三維扇出型集成提供了一個(gè)切實(shí)可行解決方案.

4H-SiC 晶體生長的技術(shù)主要有物理氣相輸運(yùn) 法（PVT） 、高 溫 化 合 氣 相 沉 積 法（HTCVD）以及液相法（LPE）。表 2 從晶體尺 寸、生長速率、晶體缺陷與摻雜控制等單晶生長的 關(guān)鍵控制因素角度對比了典型的幾種 SiC單晶生長技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)?，F(xiàn) 階 段 ，PVT 法 仍 是 4H-SiC 單晶生長技術(shù)中成熟度最高和商業(yè)化最廣 的方法。

1987 年 ， Cree 公 司（現(xiàn) Wolfspeed）在 美 國 國 防 部 在 資 助 下 ，建 立 了 首 條 SiC 襯 底 生 產(chǎn) 線 ，于 1994 年 推 出 了 商 品 化 的 4H-SiC 單 晶 襯 底 。在 此 以后，隨著 SiC單晶產(chǎn)品市場需求的增長，4H-SiC 單 晶 襯 底 的 技 術(shù) 發(fā) 展 也 進(jìn) 入 了 高 速 期 。近 10 年 來，4H-SiC 襯底在晶片尺寸和缺陷指標(biāo)等方面均 取得了極大的發(fā)展，如表 3 所示，隨著商品化程 度 不 斷 提 高 ，國 內(nèi) 外 已 經(jīng) 有 多 家 SiC 襯 底 生 產(chǎn) 公 司 推 出 具 有 不 同 導(dǎo) 電 類 型 的 大 尺 寸 4H-SiC 襯底。

以電力電子器件用 n 型 4H-SiC 襯底為例，美國 Wolfspeed 和 Coherent、日 本 Rohm（Sicrystal）以 及 韓國 SK Siltron 等公司均已實(shí)現(xiàn) 150 mm 4H-SiC 襯 底的批量供應(yīng)。在 200 mm 4H-SiC 襯底方面：Wolfspeed 公司計(jì)劃 2024 年將 4H-SiC 襯底生產(chǎn)能力提 高 10 倍，且主要生產(chǎn) 200 mm SiC 襯底；Coherent 公 司 計(jì) 劃 5 年 內(nèi) 將 包 括 200 mm SiC 襯 底 在 內(nèi) 的 4H-SiC 襯底生產(chǎn)能力提高 5~10 倍；SK Siltron 公司 和 Sicrystal 公司分別計(jì)劃于 2023 年和 2024 年啟動 200 mm SiC 襯底量產(chǎn)。

國 內(nèi) SiC 單 晶 襯 底 研 發(fā) 起 步 較 晚 ，但 近 年 來 發(fā)展十分迅速，以爍科晶體（SEMISiC）、天岳先進(jìn) （SICC）、南砂晶圓（GZSC）、同光股份（Hebei Syn-light Semiconductor）、天 科 合 達(dá)（Tankeblue）等 為 代表的襯底供應(yīng)商已經(jīng)實(shí)現(xiàn) 150 mm 單晶襯底的 穩(wěn)定生產(chǎn)，典型指標(biāo)水平如表 4 所示。同時(shí)，2022 年 國 內(nèi) 襯 底 制 造 商 也 相 繼 推 出 了 200 mm SiC 襯 底 樣 品 ，如 表 5 所 示 ，預(yù) 估 2023 年 將 實(shí) 現(xiàn) 小 規(guī) 模 量產(chǎn)。

3 基于國產(chǎn)單晶襯底高速外延進(jìn)展

本文研究了一種用于5G通信的射頻微系統(tǒng)與天線一體化三維扇出型集成封裝技術(shù). 通過在玻璃晶圓 上使用雙面布線工藝，實(shí)現(xiàn)毫米波天線陣列的制作. 將TSV轉(zhuǎn)接芯片與射頻芯片倒裝焊在玻璃晶圓上，再用樹脂材料 進(jìn)行注塑，將玻璃晶圓與異構(gòu)芯片重構(gòu)成玻璃與樹脂永久鍵合的晶圓. 減薄樹脂晶圓面漏出TSV轉(zhuǎn)接芯片的銅柱，在 樹脂表面上完成再布線. 把控制、電源管理等芯片倒裝焊在再布線形成的焊盤處，植上BGA焊球形成最終封裝體. 利 用毫米波探針臺對射頻傳輸線的損耗進(jìn)行測量，結(jié)果表明，1 mm長的CPW傳輸線射頻傳輸損耗在60 GHz僅為0.6 dB. 在玻璃晶圓上設(shè)計(jì)了一種縫隙耦合天線，天線在59.8 GHz的工作頻率最大增益達(dá)到6 dB. 這為5G通信的射頻微系統(tǒng) 與天線一體化三維扇出型集成提供了一個(gè)切實(shí)可行解決方案.

依托中國電子 科 技 集 團(tuán) 公 司 第 五 十 五 研 究 所 建 立 的 寬 禁 帶 半 導(dǎo) 體 電 力 電 子 器 件 國 家 重 點(diǎn) 實(shí) 驗(yàn) 室 根 據(jù) 電 力 電 子 器 件 發(fā) 展 的 需 求 ，在 2018 年 啟 動 了 基 于 國 產(chǎn) 150 mm 4H-SiC 單 晶 襯 底 的 外 延 生 長 技 術(shù) 開 發(fā) 。截 止 目 前 ，基 于 LPE Pe1O6 外 延 機(jī) 臺 ，已 突 破 大 尺 寸 外 延 幾 何 參 數(shù) 控 制 、外 延 缺 陷 控 制 、片 內(nèi) 均 勻 性 提 升 等 關(guān) 鍵 技 術(shù) ，實(shí) 現(xiàn) 了 基 于 國 產(chǎn) 單 晶 襯 底 的 150 mm SiC 外 延 材 料 工 程 化 應(yīng) 用 。

3.1 幾何參數(shù)控制

2018年國產(chǎn)商業(yè)化 150 mm n型 SiC 襯底與同類 進(jìn)口襯底的入檢數(shù)據(jù)如表 6 所示。國產(chǎn)襯底（0001） 半高寬（Full width at half maximum， FWHM）和表 面粗糙度（Ra ）方面等指標(biāo)方面與進(jìn)口襯底水平相 當(dāng)，但在幾何（面型）參數(shù)方面存在明顯差距，國產(chǎn) 150 mm 導(dǎo)電 SiC 襯底 Bow 和 Warp 值較大且外延后 數(shù)值增大更為明顯、大多數(shù)超出 50 μm。

外延生長過程中，SiC 襯底背面直接與石墨基 座接觸，被熱傳導(dǎo)加熱。襯底正面有大量的氫氣 流過，散熱較快，襯底正反面存在溫度差異，因此 高溫狀態(tài)下襯底趨向于碗狀（正 Bow 值）分布，如 圖 2 所示。因而，在國產(chǎn)襯底 Bow 和 Warp 值較大 的 時(shí) 候 ，工 藝 過 程 中 傾 向 于 采 用 負(fù) Bow 值 的 SiC 襯 底 。此 外 ，在 外 延 生 長 之 前 對 背 面（C 面）進(jìn) 行 拋光可極大地消除外延層（Si 面）的殘余應(yīng)力， 進(jìn)而減小外延片形變。

通 過 外 延 材 料 特 性 與 襯 底 參 數(shù) 之 間 的 關(guān) 聯(lián) 性研究，明確了襯底晶體及加工質(zhì)量是導(dǎo)致外延 前 后 幾 何 參 數(shù) 指 標(biāo) 退 化 的 關(guān) 鍵 因 素 。通 過 對 單 晶襯底進(jìn)行高溫退火以及背面拋光工藝優(yōu)化，目 前 國 產(chǎn) 襯 底 外 延 前 后 幾 何 參 數(shù) 及 工 藝 穩(wěn) 定 性 均 達(dá) 到 了 與 進(jìn) 口 襯 底 相 當(dāng) 的 水 平 ，如 圖 3 所 示 ，外 延 后 Bow 和 Warp 值 分 別 減 小 到 25 μm 和 30 μm 以內(nèi)。

3.2 外延缺陷控制

4H-SiC 外延材料生長的核心技術(shù)首先是缺陷控制技術(shù)，尤其是對易導(dǎo)致器件失效或者引起可靠 性退化的缺陷控制技術(shù)。外延生長過程中襯底缺 陷延伸進(jìn)入外延層的機(jī)理、襯底/外延層界面處的 缺陷轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化規(guī)律、缺陷成核機(jī)制等方面的研究是 明確襯底缺陷和外延結(jié)構(gòu)缺陷之間相關(guān)性的基礎(chǔ)， 能夠有效指導(dǎo)襯底篩選以及外延工藝優(yōu)化。

4H-SiC 外延材料中的外延缺陷包括表面形貌 缺陷和晶體結(jié)構(gòu)缺陷。表面形貌缺陷借助顯微鏡 可通過肉眼直接觀察，具有典型的形貌特征。表 面形貌缺陷主要包括：劃痕（Scratch）、三角形缺陷 （Triangular defect） 、胡 蘿 卜 缺 陷（Carrot defect） 、掉落物（Downfall）以及顆粒（Particle） 等 ，如 圖 4 所 示 。在 外 延 過 程 中 ，外 來 顆 粒 異 物 、 襯底缺陷和表面損傷以及外延工藝偏差均可能影 響 局 部 臺 階 流 生 長 模 式 ，從 而 產(chǎn) 生 表 面 形 貌 缺陷。

4H-SiC 外 延 層 中 的 晶 體 結(jié) 構(gòu) 缺 陷 主 要 包 括 點(diǎn)、線及面缺陷，其中點(diǎn)缺陷包括雜質(zhì)原子、空位、 間 隙 原 子 及 其 復(fù) 合 體 等 ，線 缺 陷 包 括 微 管 （MP）及 螺 位 錯（TSD）、刃 位 錯（TED）、 基平面位錯（BPD） 等各類位錯 ，面缺陷主要為 各類堆垛層錯（SF）等。晶體結(jié)構(gòu)缺陷除微管以 外，特征尺寸極小，無法借助顯微鏡直接觀察。光 致發(fā)光成像（PL mapping）是檢測基平面位錯及堆 垛層錯的有力手段 。在 PL mapping 圖中基平 面 位 錯 表 現(xiàn) 為 沿方 向 的 異 色 線 條 ，如 圖 5 （a）所示；堆垛層錯在 PL mapping 圖有兩種典型的形貌 ：三角形和條形（梯形），如圖 5（b）和（c）所 示。大部分三角形層錯為肖克萊（Shockley）型層 錯（SSF），大 部 分 條 形 層 錯（BSF）為 弗 蘭 克（Frank）型層錯。

表 面 形 貌 缺 陷 中 掉 落 物 、三 角 形 缺 陷 和 胡 蘿 卜型缺陷會導(dǎo)致芯片反向耐壓失效，屬于“致命” 缺陷。其中掉落物缺陷主要源自生長過程中反應(yīng) 室上壁及側(cè)壁的顆粒掉落，可以通過優(yōu)化反應(yīng)室 石墨耗材周期性維護(hù)流程進(jìn)行優(yōu)化。三角形缺陷 呈三角形形狀，形貌中含有兩條及兩條以上的邊 線 ，具 有 方 向 性 ，第 三 條 邊 與方 向 幾 近 成 90°。三 角 形 頭 部 有 時(shí) 有 一 明 顯 的 小 三 角 形 凹 痕 或掉落物。胡蘿卜缺陷由基平面層錯、棱柱面層 錯和兩者交界處的梯桿狀位錯組成，和三角形缺 陷一樣，一般起始于外延層和襯底交界處，胡蘿卜 缺陷具有類似胡蘿卜的形貌，呈線型且一端較粗， 一 般 平 行 于方 向 。本 課 題 組 與 北 京 天 科 合達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司合作，研究了三角形缺 陷以及胡蘿卜缺陷的起源 。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)一 部分三角形缺陷成核于襯底中的螺位錯或微管， 而 另 一 部 分 三 角 形 缺 陷 則 是 自 發(fā) 成 核 ，如 圖 6 所 示 。通 過 降 低 緩 沖 層 C/Si 比 可 以 有 效 降 低 襯 底 中螺位錯轉(zhuǎn)化為三角形缺陷的幾率且抑制三角形 缺 陷 沿［1-100］方 向 的 缺 陷 擴(kuò) 展 。通 過 優(yōu) 化 襯 底 刻蝕時(shí)間及溫度可以有效消除由襯底表面加工損 傷引入的劃傷周邊臺階聚并形貌以及三角形缺陷 的成核幾率。

胡蘿卜缺陷主要來源于襯底螺位錯和基平面 位錯等晶體缺陷，如圖 7 所示。正常襯底和會產(chǎn)生 大量胡蘿卜缺陷的襯底，在表面散射光頻道分析圖 中存在明顯差異?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果，通過對同晶 錠襯底的無損篩選，可以有效剔除會導(dǎo)致胡蘿卜缺 陷密度超標(biāo)的襯底。

堆垛層錯會降低器件擊穿電壓以及增大反向漏 電，影響器件的性能及可靠性。外延層中堆垛層錯，主要源自襯底缺陷，如圖 8所示。其中 BSF主要成核 于襯底中的堆垛層錯，SSF主要成核于襯底中的 BPD 或 TSD。源自襯底缺陷的堆垛層錯在 PL-mapping圖 像中，沿［11-20］方向的特征尺寸長度與外延層的厚度 成 正 比 。源 自 外 延 工 藝 偏 差 的 堆 垛 層 錯 在 PL-mapping 圖像中具有相對較小的特征尺寸長度。通過優(yōu)化襯底氫氣刻蝕工藝、降低初期外延速率、提 高生長溫度等工藝優(yōu)化來降低層錯密度。

BPD 在電子-空穴復(fù)合作用下會發(fā)生不全位錯 滑移，在雙極型器件有源區(qū)或者 MOSFET 體二極 管區(qū)域內(nèi)擴(kuò)展形成新的肖克萊層錯，增加器件的導(dǎo) 通電阻，導(dǎo)致器件正向開啟電壓漂移，嚴(yán)重影響器 件可靠性 。外延層中的 BPD 主要來源自襯底 BPD 位錯延伸，如圖 9 所示。大部分襯底 BPD 在 外延界面處轉(zhuǎn)化為具有相同伯格斯矢量且彈性勢 能更低的 TED。通過中斷生長以及復(fù)合緩沖層設(shè) 計(jì)可以進(jìn)一步提高 BPD-TED 的轉(zhuǎn)化率。生長過 程中溫度、摻雜濃度差異引入的剪應(yīng)力也會誘發(fā)界 面位錯（ID）滑移并產(chǎn)生基平面位錯延伸進(jìn)入外延 層。通過優(yōu)化緩沖層 C/Si 比、溫度以及外延速率 切 換 方 式 等 工 藝 條 件 可 以 降 低 此 類 基 平 面 位 錯 密度。

3.3 均勻性控制

在水平式外延爐中，源沿進(jìn)氣方向在單晶襯底 徑向的耗盡造成了外延片片內(nèi)各點(diǎn)厚度及摻雜濃度 的差異。如果源的耗盡接近線性耗盡，通過基座氣 浮旋轉(zhuǎn)便可以有效消除由源分布引起的不均勻性。然而大部分源的耗盡方式更加接近于二次函數(shù)或指 數(shù)型耗盡，通過基座氣浮旋轉(zhuǎn)并不能有效消除由源 分布引入的不均勻性 。在前期的研究工作中，本 課題組通過正交實(shí)驗(yàn)，明確了 C/Si比、Cl/Si比、主氫 流量、生長溫度、三路氣體比等工藝參數(shù)對 SiC 外延 厚度和摻雜濃度均勻性指標(biāo)影響的主次順序，有效 提高了 100 mm SiC 外延片的厚度及濃度不均勻性。

當(dāng)外延尺寸上升至 150 mm 之后，外延片片內(nèi) 摻雜濃度和厚度均勻性對比 100 mm 外延片存在明 顯退化，主要原因在于外延片中心點(diǎn)和最邊緣點(diǎn)厚 度及摻雜濃度差異較大。借助反應(yīng)室的特殊的氣 路設(shè)計(jì)可以對 150 mm 外延片的片內(nèi)均勻性進(jìn)行有 效調(diào)控。如圖 10 所示，反應(yīng)室中央氣路對應(yīng)外延片 4 英寸區(qū)域，側(cè)邊氣路對應(yīng) 150 mm 邊緣區(qū)域，通過 加大側(cè)邊氣路氫氣流量配比，可以在提高邊緣區(qū)域 外延厚度的同時(shí)降低中心區(qū)域外延厚度，進(jìn)而可實(shí) 現(xiàn)優(yōu)化外延厚度均勻性的目的。同時(shí)通過在側(cè)邊氣路通入額外的摻雜源，補(bǔ)償邊緣摻雜濃度，可實(shí) 現(xiàn)優(yōu)化摻雜濃度均勻性的目的。

3.4 基于自主外延材料的 SiC MOSFET 研制

通過上述關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，寬禁帶半導(dǎo)體電力電 子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基于國產(chǎn)單晶襯底的 4HSiC 同質(zhì)外延材料典型外延指標(biāo)如表 7 所示，達(dá)到了 國際主流產(chǎn)品水平。

采用自主 4H-SiC 同質(zhì)外延材料，2019 年寬禁 帶 半 導(dǎo) 體 電 力 電 子 器 件 國 家 重 點(diǎn) 實(shí) 驗(yàn) 室 基 于 150 mm 工 藝 平 臺 開 發(fā) 了 G1 1 200~1 700 V SiC MOSFET 器 件 ，2022 年 開 發(fā) 了 G2 650~1 200 V SiC MOSFET 器件，柵壓 18 V 驅(qū)動時(shí) 1 200 V 器件 比導(dǎo)通電阻較 G1 降低 35%。G2 SiC MOSFET 產(chǎn) 品適用于車載充電器（On board charger，OBC）、主 驅(qū)電機(jī)控制器和光伏儲能等領(lǐng)域。SiC MOSFET 系 列 產(chǎn) 品 中 OBC 裝 車 量 超 過 一 百 萬 臺 。采 用 1 200 V/25 mΩ SiC MOSFET 芯片的 400 A 三相全 橋 SiC 功率模塊，完成萬公里路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。光伏升 壓變換器采用 1 200 V SiC MOSFET 實(shí)現(xiàn)了低開關(guān) 損耗與高開關(guān)頻率，儲能端使用 SiC MOSFET 提升 了 功 率 轉(zhuǎn) 換 效 率 ，1 200 V/75 mΩ 和 40 mΩ SiC MOSFET 產(chǎn)品出貨量近百萬只。

采用平面型 MOS 結(jié)構(gòu)，基于自主材料研制了芯 片尺寸為 8.0 mm×8.0 mm 的 6.5 kV SiC MOSFET 器件，通過終端及外延結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了擊穿電壓 7 600 V 和 低 導(dǎo) 通 電 阻 160 mΩ。國 家 電 網(wǎng) 采 用 6.5 kV/400 A SiC MOSFET 功 率 模 塊 ，研 制 出 35 kV/5 MW 全 SiC 電力電子變壓器，并在柔性變電 站示范應(yīng)用 。相比 Si 器件裝置，SiC 基變壓器體 積、重量、損耗減少 90% 以上，有望極大推動我國高 壓輸變電技術(shù)發(fā)展。目前基于自主材料研制的 SiC MOSFET芯片樣品最高耐壓為 15 kV，該芯片尺寸為 9.2 mm×9.2 mm，實(shí)現(xiàn)了擊穿電壓 16 kV和導(dǎo)通電阻 650 mΩ。15 kV SiC MOSFET 的導(dǎo)通電阻 RON，SP可 達(dá) 204 mΩ·cm2，已接近單極型 SiC器件的理論極限。

4 結(jié)論

本文研究了一種用于5G通信的射頻微系統(tǒng)與天線一體化三維扇出型集成封裝技術(shù). 通過在玻璃晶圓 上使用雙面布線工藝，實(shí)現(xiàn)毫米波天線陣列的制作. 將TSV轉(zhuǎn)接芯片與射頻芯片倒裝焊在玻璃晶圓上，再用樹脂材料 進(jìn)行注塑，將玻璃晶圓與異構(gòu)芯片重構(gòu)成玻璃與樹脂永久鍵合的晶圓. 減薄樹脂晶圓面漏出TSV轉(zhuǎn)接芯片的銅柱，在 樹脂表面上完成再布線. 把控制、電源管理等芯片倒裝焊在再布線形成的焊盤處，植上BGA焊球形成最終封裝體. 利 用毫米波探針臺對射頻傳輸線的損耗進(jìn)行測量，結(jié)果表明，1 mm長的CPW傳輸線射頻傳輸損耗在60 GHz僅為0.6 dB. 在玻璃晶圓上設(shè)計(jì)了一種縫隙耦合天線，天線在59.8 GHz的工作頻率最大增益達(dá)到6 dB. 這為5G通信的射頻微系統(tǒng) 與天線一體化三維扇出型集成提供了一個(gè)切實(shí)可行解決方案.

國產(chǎn) SiC 外延設(shè)備和單晶襯底取得了顯著的進(jìn) 展，國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)能夠批量生產(chǎn) 150 mm SiC 外延材 料并已有 200 mm SiC 外延片樣品的報(bào)道，與國外龍 頭企業(yè)差距不斷縮小?；趪a(chǎn)單晶襯底，寬禁帶 半導(dǎo)體電力電子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成了外延 生長關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，150 mm SiC 外延材料產(chǎn)品表面形貌缺陷密度≤0.5cm-2，BPD 密度≤0.1cm-2，片 內(nèi)摻雜濃度不均勻性≤5%，片內(nèi)厚度不均勻性≤ 1%，達(dá)到國際主流產(chǎn)品水平?；谧灾魍庋硬牧?研制的 650~1 200 V SiC MOSFET 器件已批量應(yīng) 用于新能源汽車車載充電器，后續(xù)將進(jìn)一步拓展應(yīng) 用至主驅(qū)電機(jī)控制器。

對 標(biāo) 國 際 先 進(jìn) 水 平 ，國 內(nèi) 商 業(yè) 化 的 150 mm 4H-SiC 單晶襯底還需要進(jìn)一步提高技術(shù)能力，降 低 位 錯 密 度 并 提 高 單 晶 生 長 及 加 工 良 率 。針 對 車 規(guī) 級 MOSFET 器 件 應(yīng) 用 ，在 保 證 現(xiàn) 有 致 命 型 （Killer）外 延 缺 陷 控 制 水 平 的 基 礎(chǔ) 上 ，需 與 器 件 端聯(lián)合攻關(guān)，深入研究表面微坑、堆垛層錯、基平 面位錯等非致命型（Nonkiller）外延缺陷導(dǎo)致器件 可 靠 性 退 化 的 機(jī) 理 ，提 出 對 應(yīng) 的 篩 選 和 控 制 方法。

新能源汽車、光伏和儲能等中低壓應(yīng)用推動了 SiC 電力電子產(chǎn)業(yè)快速增長，在電網(wǎng)和軌道交通等 高壓領(lǐng)域，SiC 電力電子的應(yīng)用優(yōu)勢也初步彰顯，亟 待聯(lián)合攻關(guān)實(shí)現(xiàn)批量工程應(yīng)用。高可靠、大電流密 度的 SiC MOSFET 器件是實(shí)現(xiàn)持續(xù)增長的關(guān)鍵，外 延是鏈接單晶襯底及器件的核心。全產(chǎn)業(yè)鏈需要 抓住市場爆發(fā)和國產(chǎn)化替代的機(jī)遇期，持續(xù)提升單 晶襯底、外延材料和器件關(guān)鍵技術(shù)能力，縮小與國 際龍頭企業(yè)的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化水平差距。

來源：固體電子學(xué)研究與進(jìn)展第 43 卷 第 2 期

作者：趙志飛1，2 王 翼1，2 周 平1，2 李士顏1，2 陳谷然1，2 李 赟1，2??

（1 南京電子器件研究所，南京，210016）

（2 寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京，210016）

審核編輯：湯梓紅