大尺寸SiC單晶的研究進(jìn)展

在新能源產(chǎn)業(yè)強(qiáng)勁需求下，全球SiC產(chǎn)業(yè)步入高速成長(zhǎng)期，推升了對(duì)SiC襯底產(chǎn)能的需求。8英寸襯底相比6英寸可以提升1.9倍的工作芯片，邊緣浪費(fèi)降低7％，在降低器件成本、增加產(chǎn)能供應(yīng)方面擁有巨大的潛力。為搶占先機(jī)，國(guó)內(nèi)外SiC襯底廠商都在加速推進(jìn)8英寸襯底的研發(fā)。我國(guó)作為全球最大的SiC器件應(yīng)用市場(chǎng)，需要加緊研究8英寸SiC襯底技術(shù)，以搶占市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代。

近日，第九屆國(guó)際第三代半導(dǎo)體論壇（IFWS）&第二十屆中國(guó)國(guó)際半導(dǎo)體照明論壇（SSLCHINA）于廈門召開。期間，“碳化硅襯底、外延生長(zhǎng)及其相關(guān)設(shè)備技術(shù)”上，山東大學(xué)副教授/南砂晶圓技術(shù)總監(jiān)楊祥龍大尺寸SiC單晶的研究進(jìn)展，報(bào)告主要介紹山東大學(xué)/廣州南砂晶圓半導(dǎo)體技術(shù)有限公司近期8英寸SiC單晶襯底的研究進(jìn)展。

一代材料，一代芯片。碳化硅材料可以滿足軍、民應(yīng)用對(duì)電力電子系統(tǒng)的要求，包括高功率、高溫、高頻、高集成度、高效率、高抗輻射等。碳化硅器件是未來電動(dòng)汽車的“心臟。SiC MOSFET與Si基IGBT相比可以減少整車重量，降低成本；降低損耗，提升續(xù)航能力。在新能源產(chǎn)業(yè)強(qiáng)勁需求下，全球SiC產(chǎn)業(yè)步入高速成長(zhǎng)期。預(yù)計(jì)2027年全球電動(dòng)汽車碳化硅市場(chǎng)空間約50億美元。

上游襯底材料是SiC產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)原材料，將持續(xù)強(qiáng)勁增長(zhǎng)。8英寸SiC襯底在降低器件成本、增加產(chǎn)能供應(yīng)方面擁有巨大潛力。相比于6英寸襯底，同等條件下從8英寸襯底切出的芯片數(shù)會(huì)提升將近90%。8英寸單片襯底制備的器件成本降低30%左右。5年內(nèi), SiC進(jìn)入全面8英寸時(shí)代。

業(yè)界將SiC產(chǎn)業(yè)鏈降本增效目標(biāo)鎖定在8英寸襯底上，國(guó)外大廠加速推進(jìn)，產(chǎn)能提升，搶占先機(jī)。國(guó)內(nèi)8英寸進(jìn)展方面，從2022年開始，目前已有十余家企業(yè)與機(jī)構(gòu)公布8英SiC襯底開發(fā)成功，整體處于小批量驗(yàn)證導(dǎo)入量產(chǎn)進(jìn)程中，加快產(chǎn)能提升，縮小與國(guó)外差距。8英寸4H-SiC晶體制備難點(diǎn)涉及高質(zhì)量8英寸4H-SiC籽晶制備，溫度場(chǎng)不均勻和成核過程控制，氣相物質(zhì)組分輸運(yùn)效率和演變規(guī)律，熱應(yīng)力增大導(dǎo)致的晶體開裂和缺陷增殖，大尺寸晶圓的超精密加工及面型控制等。

報(bào)告分享了8英寸SiC研究進(jìn)展，涉及核心裝備自主研發(fā)，8英寸SiC籽晶制備，8英寸溫場(chǎng)優(yōu)化，8英寸單晶襯底制備，8英寸襯底微管缺陷，8英寸襯底性能表征，8英寸襯底位錯(cuò)缺陷，TSD向外延層延伸轉(zhuǎn)化，同步輻射觀察晶體中TSD，晶體中TSD增殖的影響因素，晶體生長(zhǎng)過程中TSD行為，8英寸襯底BPD缺陷控制，8英寸襯底（500um）面型參數(shù)控制等。

研究結(jié)果顯示，以6英寸籽晶為起點(diǎn)，每次設(shè)定一定的擴(kuò)徑尺寸進(jìn)行單晶生長(zhǎng)與加工，得到直徑變大的新籽晶。通過多次迭代，逐步擴(kuò)大SiC晶體的尺寸直到達(dá)到8英寸。制備了8英寸導(dǎo)電型4H-SiC晶體，加工出了8英寸4H-SiC襯底；經(jīng)拉曼測(cè)試，無6H和15R等多型，4H晶型面積比例達(dá)到100%，實(shí)現(xiàn)了8英寸4H-SiC單一晶型控制。

繼續(xù)迭代優(yōu)化，減少了6英寸以外的擴(kuò)徑區(qū)域的微管缺陷數(shù)量；8英寸襯底微管密度穩(wěn)定控制在0.1cm-2以下，與6英寸襯底量產(chǎn)水平一致。8英寸SiC襯底要實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，提升市場(chǎng)份額，還需要進(jìn)一步降低位錯(cuò)缺陷密度；TSD和BPD對(duì)器件性能影響較大，TED對(duì)器件性能影響相對(duì)較小。襯底中的TSD作為貫穿型缺陷，大部分直接延伸到外延層中，小部分發(fā)生轉(zhuǎn)化。

晶體生長(zhǎng)過程中二維成核、異相包裹物等因素，誘發(fā)TSD 成核產(chǎn)生，造成TSD的增殖。晶體生長(zhǎng)過程中位錯(cuò)間相互作用或轉(zhuǎn)化導(dǎo)致TSD合并或湮滅。南砂晶圓公司聯(lián)合山東大學(xué)實(shí)現(xiàn)了近“零螺位錯(cuò)”密度的8英寸導(dǎo)電型4H-SiC單晶襯底制備。

廣州南砂晶圓半導(dǎo)體技術(shù)有限公司于2018年9月21日在廣州南沙自貿(mào)區(qū)成立，是一家集碳化硅單晶材料研發(fā)、生產(chǎn)與銷售于一體的國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)；公司以山東大學(xué)近年來研發(fā)的最新碳化硅單晶生長(zhǎng)和襯底加工技術(shù)成果為基礎(chǔ)，同山東大學(xué)開展全方位產(chǎn)學(xué)研合作。2022年9月南沙總部基地投入使用，擴(kuò)產(chǎn)SiC單晶生長(zhǎng)和加工產(chǎn)線。2023年啟動(dòng)濟(jì)南中晶芯源基地建設(shè)，增加8英寸比例。8英寸N型碳化硅產(chǎn)品產(chǎn)能正在爬坡，已交付多家客戶。

報(bào)告指出，在應(yīng)用升級(jí)和政策驅(qū)動(dòng)的雙重帶動(dòng)下，我國(guó)8英寸SiC發(fā)展進(jìn)入快車道；需要上下游通力合作，搶抓機(jī)遇，提升國(guó)產(chǎn)8英寸SiC材料和器件的技術(shù)成熟度，搶占市場(chǎng)份額，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。

審核編輯：劉清