如何在中試線上生產(chǎn)一片8英寸碳化硅襯底？

從實(shí)際情況上看，目前多數(shù)SiC都采用的4英寸、6英寸晶圓進(jìn)行生產(chǎn)，而6英寸和8英寸的可用面積大約相差1.78倍，這也就意味著8英寸制造將會(huì)在很大程度上降低SiC的應(yīng)用成本。但為什么目前市場(chǎng)上主流還是6英寸碳化硅襯底？

8英寸碳化硅襯底為什么這么難？

眾所周知，以硅基為材料的晶圓已經(jīng)開(kāi)始從8英寸邁向了12英寸，硅晶圓的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)是否可以助力SiC晶圓向更大面積發(fā)展，與硅晶圓相比，SiC晶圓的生產(chǎn)難點(diǎn)又在哪里？

與硅材料芯片相比，8英寸和6英寸SiC生產(chǎn)的主要差別在高溫工藝上，例如高溫離子注入，高溫氧化，高溫激活等，以及這些高溫工藝所需求的hard mask（硬掩模）工藝等。 高溫工藝關(guān)乎著SiC的良率，這也是各大SiC廠商所著力研發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。 而除了與硅晶圓在生產(chǎn)工藝上有所差異以外，在SiC從6英寸向8英寸發(fā)展的過(guò)程中也存在著一些差異。 在功率半導(dǎo)體制造的離子注入、薄膜沉積、介質(zhì)刻蝕、金屬化等環(huán)節(jié)，8英寸碳化硅與6英寸SiC的差距不大。8英寸SiC的制造難點(diǎn)主要集中在襯底生長(zhǎng)、襯底切割加工、氧化工藝。其中，襯底生長(zhǎng)方面，擴(kuò)徑到8英寸，對(duì)襯底生長(zhǎng)的難度會(huì)成倍增加；襯底切割加工方面，越大尺寸的襯底切割應(yīng)力、翹曲的問(wèn)題越顯著；氧化工藝一直是碳化硅工藝中的核心難點(diǎn)，8英寸、6英寸對(duì)氣流和溫場(chǎng)的控制有不同需求，工藝需各自獨(dú)立開(kāi)發(fā)。 顯然，SiC向更大晶圓面積發(fā)展的路并不好走，在這一點(diǎn)上，從SiC從4英寸走向6英寸的過(guò)程中便可略窺一二——據(jù) Yole 預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2020 年4英寸SiC晶圓接近 10 萬(wàn)片，而 6英寸晶圓市場(chǎng)需求已超過(guò)8萬(wàn)片，預(yù)計(jì)將在2030年逐步超越4英寸晶圓。

如何在中試線上生產(chǎn)一片8英寸碳化硅襯底？

在過(guò)去的十年中，碳化硅(SiC) 已經(jīng)從具有高潛力但存在可靠性問(wèn)題的寬帶隙半導(dǎo)體發(fā)展成為電力電子領(lǐng)域中不可或缺的首選材料 。過(guò)去幾年主要受電動(dòng)汽車普及帶動(dòng)的 SiC 功率器件市場(chǎng)的擴(kuò)張速度如此之快，以至于許多供應(yīng)商都在努力滿足對(duì) SiC 功率器件的需求。 實(shí)際上，早在2015 年Wolfspeed就演示過(guò)200 毫米 SiC 晶片的樣片，但晶體質(zhì)量仍然比 150 毫米對(duì)應(yīng)物差很多。在生產(chǎn)線上實(shí)際應(yīng)用 200 mm SiC 晶片的時(shí)機(jī)遠(yuǎn)未成熟。

2018年，一個(gè)名為REACTION（歐洲碳化硅八英寸試驗(yàn)線）的歐洲項(xiàng)目獲得資助，旨在開(kāi)發(fā)世界上第一條用于生產(chǎn)功率器件的200毫米碳化硅試驗(yàn)線設(shè)施。來(lái)自工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的 27 個(gè)合作伙伴加入了該項(xiàng)目。不同合作伙伴一致認(rèn)為，200mm SiC晶圓的發(fā)展必須達(dá)到兩大里程碑，主要與材料的晶體質(zhì)量有關(guān)：機(jī)械化學(xué)拋光晶圓和高質(zhì)量晶圓。 為了更加直觀的給大家介紹一片合格的8英寸襯底生產(chǎn)過(guò)程，我們找到了該聯(lián)盟為生產(chǎn)機(jī)械和開(kāi)發(fā)級(jí)別的 200 毫米 SiC 晶片以及建立試生產(chǎn)線而執(zhí)行的早期開(kāi)發(fā)步驟。其中還特別介紹了 200 mm SiC 晶錠的晶體生長(zhǎng)、晶片的切片和拋光、外延層的沉積以及中試生產(chǎn)線的首次測(cè)試。特地分享出來(lái)給各位讀者了解:

1 .200 mm 4H-SiC晶錠的晶體生長(zhǎng)

本工作中介紹的機(jī)械和開(kāi)發(fā)級(jí) 200 mm 4H-SiC 晶片由 II-VI Incorporated 制造。所述的SiC晶錠使用與專有的反應(yīng)器設(shè)計(jì)[物理氣相傳輸（PVT）法生長(zhǎng)11 ]。圖 1顯示了與本工作中使用的系統(tǒng)相似但不完全相同的通用 PVT 系統(tǒng)的示意圖。
反應(yīng)器的核心是石墨坩堝，里面裝有高純度的碳化硅粉末和晶種。坩堝被感應(yīng)加熱到 2000 °C 以上的溫度。在如此高的溫度下，SiC 粉末升華，產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)熱梯度傳輸在坩堝內(nèi)朝著單晶 SiC 晶種生長(zhǎng)。晶種晶片作為進(jìn)入蒸汽的成核中心，也用于<000-1>的晶體取向生長(zhǎng)成SiC 晶錠。

晶體垂直生長(zhǎng)，但也有一定程度的橫向生長(zhǎng)，從而擴(kuò)大了晶錠的直徑。坩堝內(nèi)的壓力和溫度梯度是基本的生長(zhǎng)參數(shù)，經(jīng)過(guò)精心優(yōu)化以提高晶錠的晶體質(zhì)量。

大量的生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，致力于支持 REACTION 項(xiàng)目的 200 毫米沉底的開(kāi)發(fā)。由于晶種的直徑和質(zhì)量對(duì)晶片質(zhì)量至關(guān)重要，因此大部分生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)都集中在將高質(zhì)量晶種擴(kuò)展到大于 200 毫米的直徑。

2 .使用SiC晶錠制造200 mm外延晶圓

一旦SiC晶錠生長(zhǎng)出來(lái)，就必須從它上切下晶片。

這一部分在產(chǎn)品的最終質(zhì)量中起著至關(guān)重要的作用。事實(shí)上，晶圓切片的幾個(gè)方面至關(guān)重要，例如晶體取向、產(chǎn)量最大化、材料損失和加工成本最小化、實(shí)現(xiàn)低缺陷表面等。涉及不同的工藝工具，其中一些必須重新設(shè)計(jì)才能與 200 毫米晶圓一起使用。所有涉及的工具都需要對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，以確保從 150 毫米尺寸變?yōu)?200 毫米尺寸時(shí)具有良好的最終質(zhì)量和產(chǎn)量。

將生長(zhǎng)的晶錠磨成 200 毫米直徑，并通過(guò)多線鋸成功切片。對(duì)所得原始晶片進(jìn)行機(jī)械拋光和化學(xué)機(jī)械拋光，以獲得標(biāo)稱厚度為 500 μm 的低粗糙度、外延就緒晶片。 最后通過(guò)向項(xiàng)目合作伙伴交付的 50 多個(gè)直徑為 200 毫米的單晶襯底。從形態(tài)學(xué)和電學(xué)角度對(duì)襯底進(jìn)行表征。通過(guò) FlatMaster 200 測(cè)量的交付晶圓的平均厚度為 500.8 μm，這表明切片工藝提供了良好的晶圓到晶圓再現(xiàn)性。發(fā)現(xiàn)平均總晶片內(nèi)厚度變化 (TTV) 約為 5.9 μm。交付晶圓的平均翹曲為 46 μm；

雖然這個(gè)值還有待改善，但它應(yīng)該已經(jīng)能夠使用中試線的制造工具。通過(guò)非接觸式映射系統(tǒng) LEI 1510 測(cè)量的晶片電阻率在交付的樣品中具有 22.8 mΩ?cm 的平均值，晶片內(nèi)的變化小于 3%。 通過(guò)自動(dòng) Sica 系統(tǒng)對(duì)選擇性蝕刻產(chǎn)生的表面特征進(jìn)行分析。圖 2顯示了總?cè)毕菝芏?DD)、BPD 和 TSD 晶片圖，通過(guò)對(duì)來(lái)自兩個(gè)不同生長(zhǎng)運(yùn)行的晶片進(jìn)行選擇性蝕刻獲得。特別是，圖 2 (a)–(c) 中的圖是指在 200 mm 晶圓開(kāi)發(fā)的早期階段生產(chǎn)的晶圓（以下稱為樣品 A），而圖 2 (d)–(f)中的圖) 是在使用改進(jìn)的生長(zhǎng)工藝生長(zhǎng)的晶片上獲得的（以下稱為樣品 B）。

樣品 A 的總 DD 的平均值大約為 11,000 cm -2，晶片內(nèi)的 BPD 變化很大，如圖2 (b) 所示。樣品 A 的平均位錯(cuò)密度為 11,256 cm -2、1807 cm -2和 3739 cm-2 分別表示 DD、BPD 和 TSD。相比之下，樣品 B 的總 DD 小于 4000 cm -2，即幾乎比樣品 A 低三倍。

樣品 B 的平均位錯(cuò)密度為 3885 cm -2、951 cm -2和 716 cm - 2為DD，BPD和TSD，分別。與樣品A相比，這是一個(gè)顯著的改進(jìn)；樣品 B 的 DD 改進(jìn)歸因于更好的晶種晶體質(zhì)量和優(yōu)化的生長(zhǎng)參數(shù)。這對(duì)于未來(lái)高質(zhì)量 200 mm SiC 晶片的發(fā)展來(lái)說(shuō)是一個(gè)很有希望的結(jié)果。值得注意的是在 0.25 cm -2的晶片上測(cè)得的平均微管密度低于 0.5 cm -2的目標(biāo)并且已經(jīng)非常接近商用 150 mm SiC n 型襯底的當(dāng)前值，即 <1 cm -2。

圖2。從樣品 A (a)–(c) 和樣品 B (d)–(f) 的選擇性濕蝕刻測(cè)試中獲得的DD 、BPD和TSD 的晶圓圖。

3.生產(chǎn)工具的初步處理和兼容性測(cè)試

使用 200 毫米SiC 中試線的工業(yè)生產(chǎn)工具進(jìn)行處理和兼容性測(cè)試。事實(shí)上，晶圓的厚度和電阻率波動(dòng)、彎曲、邊緣碎裂和表面缺陷等特征會(huì)嚴(yán)重影響甚至損壞生產(chǎn)線上的一些工具。

因此，必須進(jìn)行初步的兼容性測(cè)試。值得注意的是，STM 能夠在功率器件生產(chǎn)所需的主要工具內(nèi)處理 200 毫米 SiC 晶片，例如自動(dòng)檢測(cè)工具、光刻步進(jìn)機(jī)、注入機(jī)、用于熱處理和氧化物生長(zhǎng)的烤箱、用于沉積電介質(zhì)和金屬薄膜、濕法蝕刻臺(tái)、洗滌器等。這些測(cè)試的成功確實(shí)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)試驗(yàn)線的基本步驟，這需要 STM 方面的大量經(jīng)濟(jì)和技術(shù)投資。

第一批晶圓在邊緣處顯示出很少的小芯片，這導(dǎo)致了工具內(nèi)的對(duì)齊問(wèn)題。II-VI Incorporated 解決并迅速解決了邊緣芯片的形成問(wèn)題。圖 3顯示了在 STM 生產(chǎn)線上對(duì) 200 毫米 SiC 晶片進(jìn)行的缺陷圖和自動(dòng)電子顯微鏡檢查的示例。在基材表面發(fā)現(xiàn)了一些缺陷，主要是劃痕和凹坑。缺陷的類型和位置表明晶片制造過(guò)程中的切片和拋光步驟需要進(jìn)一步優(yōu)化。

圖3。(A) 使用 Altair 系統(tǒng)獲得的 200 毫米機(jī)械級(jí)晶圓的典型缺陷圖和 (b)在 STM 試驗(yàn)線中執(zhí)行的相應(yīng)自動(dòng)電子顯微鏡檢查。左上角的前五幅圖像是與晶體缺陷相關(guān)的凹坑，而其他四幅圖像則顯示了可能由切片和拋光步驟引起的劃痕。

4.在200 mm SiC晶片上生長(zhǎng)4H-SiC外延層

為了進(jìn)一步改善晶體質(zhì)量和用于前端工藝制備晶片，在晶片的化學(xué)-機(jī)械拋光的側(cè)通常被沉積的外延層的碳化硅。在 REACTION 項(xiàng)目的框架內(nèi)，LPE Spa 負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)一種新的化學(xué)氣相 (CVD) 反應(yīng)器，用于在 200 毫米晶圓上生長(zhǎng) SiC 外延層。在 200 毫米晶圓上開(kāi)發(fā) SiC 外延層由 LPE Spa 在其位于卡塔尼亞的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始，使用原型 CVD 反應(yīng)器不控制晶圓旋轉(zhuǎn)并配備單區(qū)氣體注入系統(tǒng)。

第一個(gè)原型將在 REACTION 項(xiàng)目期間得到改進(jìn)，上述功能將包含在反應(yīng)器的最終版本中。n 型 4H-SiC 外延層的生長(zhǎng)是在 1600 °C 以上的溫度下進(jìn)行的，使用三氯硅烷 (SiHCl 3 ) 和乙烯 (C 2 H 4 ) 作為前驅(qū)體 [ 14 ]，氮作為 n 型摻雜氣體。以這種方式實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 30 μm/h 的生長(zhǎng)速度。

產(chǎn)生標(biāo)稱厚度為6.5μm且施主摻雜濃度為9.5×10 15 cm -3的外延層。生長(zhǎng)后，沉積的外延層的厚度通過(guò)紅外快速傅里葉變換光譜 (FTIR) 測(cè)量，而摻雜濃度則通過(guò)汞探針獲得的電容測(cè)量值估算。

圖 4 (a) 顯示了通過(guò)原型 CVD 反應(yīng)器沉積在 200 毫米機(jī)械級(jí) SiC 晶片上的外延層的典型厚度圖。晶圓厚度的平均值為 6.44 μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0.05 μm。晶片厚度均勻性，評(píng)估為標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均值之間的比率，為 0.8%。觀察到外延層厚度從中心到邊緣略微徑向增加，小于 0.2 μm；厚度圖的不對(duì)稱性主要是由于原型反應(yīng)器中的單區(qū)氣體注入。

圖 4 (b) 顯示了由 LPE Spa 在商用 150 mm SiC 晶片上通過(guò)標(biāo)準(zhǔn) CVD 反應(yīng)器沉積的外延層厚度圖 [ 15]]。晶圓厚度的平均值為 10.45 μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0.04 μm。在這種情況下，晶片厚度均勻度為 0.4%，因此，非常接近使用原型反應(yīng)器在 200 毫米晶片上獲得的值。

圖 4。(a) 200 mm 機(jī)械級(jí)SiC晶片和 (b) 商用 150 mm SiC 晶片上外延層的典型厚度圖。

圖5（a）和（b）顯示了對(duì)應(yīng)于圖4中已經(jīng)呈現(xiàn)的外延層的摻雜圖，分別生長(zhǎng)在（a）200mm SiC晶片和（b）150mm SiC商業(yè)晶片上。200mm晶圓的平均摻雜值為9.54×10 15 cm -3，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.53×10 15 cm -3，晶圓摻雜均勻度為5.6%。

另一方面，商用 150 mm 晶圓的平均摻雜值為 11.9 × 10 15 cm -3，標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0.14 × 10 15 cm -3，以及 1.1% 的晶圓摻雜均勻度。盡管機(jī)械級(jí) 200 毫米晶圓已經(jīng)顯示出良好的厚度和摻雜分布，但使用更先進(jìn)的 200 毫米外延反應(yīng)器最終版本，摻雜的晶圓均勻性將得到改善。

圖 5。(a) 200 mm 機(jī)械級(jí)SiC晶片和 (b) 商用 150 mm SiC 晶片上外延層的典型摻雜圖。

這項(xiàng)工作概述了最近在 REACTION 項(xiàng)目框架內(nèi)獲得的基于 200 毫米SiC晶片的世界上第一條工業(yè)試驗(yàn)線的實(shí)施取得的成就。

回顧了用于 200 毫米 SiC 晶錠晶體生長(zhǎng)的新型 PVD 反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)，并描述了將晶錠切成外延就緒晶片的步驟。通過(guò)使用熔融 KOH 進(jìn)行選擇性蝕刻來(lái)評(píng)估由早期生長(zhǎng)運(yùn)行產(chǎn)生的晶片的晶體質(zhì)量。測(cè)量證明，襯底的晶體質(zhì)量超過(guò)了項(xiàng)目最初為初步開(kāi)發(fā)階段設(shè)定的要求，并且在微管密度方面甚至非常接近商用 150 mm SiC n 型襯底的當(dāng)前值。

此外，還描述了使用原型 CVD 系統(tǒng)在 200 毫米晶圓上沉積 SiC 外延層，并介紹了沉積在機(jī)械級(jí)晶圓上的薄膜的主要特征。測(cè)量結(jié)果表明，外延層厚度在 200 毫米晶圓的整個(gè)表面上非常均勻，與在 150 毫米商用晶圓上獲得的均勻性相似。摻雜均勻性也相當(dāng)不錯(cuò)，但仍與通常在 150 毫米對(duì)應(yīng)物中獲得的一致。此外，試生產(chǎn)線的許多生產(chǎn)工具都使用機(jī)械級(jí)晶圓進(jìn)行了測(cè)試，并成功證明了它們與 200 mm SiC 的兼容性。

以上。8英寸SiC的到來(lái)的確能夠?yàn)楫a(chǎn)業(yè)帶來(lái)變化，但相對(duì)于4英寸到6英寸的里程碑式轉(zhuǎn)變，6英寸過(guò)渡到8英寸還需要一段時(shí)間。在未來(lái)幾年時(shí)間內(nèi)，6英寸產(chǎn)線還是會(huì)占據(jù)主流地位。