眾所周知，以硅基為材料的晶圓已經(jīng)開始從8英寸邁向了12英寸，硅晶圓的生產(chǎn)經(jīng)驗是否可以助力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的制造難點主要集中在襯底生長、襯底切割加工、氧化工藝。其中，襯底生長方面，擴(kuò)徑到8英寸，對襯底生長的難度會成倍增加；襯底切割加工方面，越大尺寸的襯底切割應(yīng)力、翹曲的問題越顯著；氧化工藝一直是碳化硅工藝中的核心難點，8英寸、6英寸對氣流和溫場的控制有不同需求，工藝需各自獨立開發(fā)。
顯然，SiC向更大晶圓面積發(fā)展的路并不好走，在這一點上，從SiC從4英寸走向6英寸的過程中便可略窺一二——據(jù) Yole 預(yù)測數(shù)據(jù)顯示，2020 年4英寸SiC晶圓接近 10 萬片，而 6英寸晶圓市場需求已超過8萬片，預(yù)計將在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 。過去幾年主要受電動汽車普及帶動的 SiC 功率器件市場的擴(kuò)張速度如此之快，以至于許多供應(yīng)商都在努力滿足對 SiC 功率器件的需求。
實際上，早在2015 年Wolfspeed就演示過200 毫米 SiC 晶片的樣片，但晶體質(zhì)量仍然比 150 毫米對應(yīng)物差很多。在生產(chǎn)線上實際應(yīng)用 200 mm SiC 晶片的時機(jī)遠(yuǎn)未成熟。
2018年，一個名為REACTION（歐洲碳化硅八英寸試驗線）的歐洲項目獲得資助，旨在開發(fā)世界上第一條用于生產(chǎn)功率器件的200毫米碳化硅試驗線設(shè)施。來自工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的 27 個合作伙伴加入了該項目。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)過程，上海知明科技找到了該聯(lián)盟為生產(chǎn)機(jī)械和開發(fā)級別的 200 毫米 SiC 晶片以及建立試生產(chǎn)線而執(zhí)行的早期開發(fā)步驟。其中還特別介紹了 200 mm SiC 晶錠的晶體生長、晶片的切片和拋光、外延層的沉積以及中試生產(chǎn)線的首次測試。特地分享出來給各位讀者了解:
1 . 200 mm 4H-SiC 晶錠的晶體生長
本工作中介紹的機(jī)械和開發(fā)級 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[物理氣相傳輸（PVT）法生長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)生的蒸汽通過熱梯度傳輸在坩堝內(nèi)朝著單晶 SiC 晶種生長。晶種晶片作為進(jìn)入蒸汽的成核中心，也用于 <000-1>的晶體取向生長成SiC 晶錠。
晶體垂直生長，但也有一定程度的橫向生長，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參數(shù)，經(jīng)過精心優(yōu)化以提高晶錠的晶體質(zhì)量。
大量的生長實驗運行，致力于支持 REACTION 項目的 200 毫米沉底的開發(fā)。由于晶種的直徑和質(zhì)量對晶片質(zhì)量至關(guān)重要，因此大部分生長實驗都集中在將高質(zhì)量晶種擴(kuò)展到大于 200 毫米的直徑。
知明8寸碳化硅襯底 4H-N型 2 . 使用 SiC 晶錠制造 200 mm 外延晶圓
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。事實上，晶圓切片的幾個方面至關(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)計才能與 200 毫米晶圓一起使用。所有涉及的工具都需要對工藝參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，以確保從 150 毫米尺寸變?yōu)?200 毫米尺寸時具有良好的最終質(zhì)量和產(chǎn)量。
知明科技將生長的晶錠磨成 200 毫米直徑，并通過多線鋸成功切片。對所得原始晶片進(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。
最后通過向項目合作伙伴交付的 50 多個直徑為 200 毫米的單晶襯底。從形態(tài)學(xué)和電學(xué)角度對襯底進(jìn)行表征。通過 FlatMaster 200 測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。通過非接觸式映射系統(tǒng) LEI 1510 測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%。
知明4寸和6寸碳化硅晶圓 4H-N型 通過自動 Sica 系統(tǒng)對選擇性蝕刻產(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，通過對來自兩個不同生長運行的晶片進(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)的生長工藝生長的晶片上獲得的（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)化的生長參數(shù)。這對于未來高質(zhì)量 200 mm SiC 晶片的發(fā)展來說是一個很有希望的結(jié)果。值得注意的是在 0.25 cm -2的晶片上測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試
知明科技使用 200 毫米SiC 中試線的工業(yè)生產(chǎn)工具進(jìn)行處理和兼容性測試。事實上，晶圓的厚度和電阻率波動、彎曲、邊緣碎裂和表面缺陷等特征會嚴(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，例如自動檢測工具、光刻步進(jìn)機(jī)、注入機(jī)、用于熱處理和氧化物生長的烤箱、用于沉積電介質(zhì)和金屬薄膜、濕法蝕刻臺、洗滌器等。這些測試的成功確實是實現(xiàn)工業(yè)試驗線的基本步驟，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)的對齊問題。II-VI Incorporated 解決并迅速解決了邊緣芯片的形成問題。圖 3顯示了在 STM 生產(chǎn)線上對 200 毫米 SiC 晶片進(jìn)行的缺陷圖和自動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)械級晶圓的典型缺陷圖和 (b)在 STM 試驗線中執(zhí)行的相應(yīng)自動電子顯微鏡檢查。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 4H-SiC 外延層
知明科技為了進(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 項目的框架內(nèi)，LPE Spa 負(fù)責(zé)開發(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 SiC 外延層。在 200 毫米晶圓上開發(fā) SiC 外延層由 LPE Spa 在其位于卡塔尼亞的實驗室開始，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)。
知明2寸碳化硅襯底 SEMI型 第一個原型將在 REACTION 項目期間得到改進(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。以這種方式實現(xiàn)了高達(dá) 30 μm/h 的生長速度。
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。生長后，沉積的外延層的厚度通過紅外快速傅里葉變換光譜 (FTIR) 測量，而摻雜濃度則通過汞探針獲得的電容測量值估算。
圖 4 (a) 顯示了通過原型 CVD 反應(yīng)器沉積在 200 毫米機(jī)械級 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）顯示了對應(yīng)于圖4中已經(jīng)呈現(xiàn)的外延層的摻雜圖，分別生長在（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 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SiC晶片和 (b) 商用 150 mm SiC 晶片上外延層的典型摻雜圖。
這項工作概述了最近在 REACTION 項目框架內(nèi)獲得的基于 200 毫米SiC晶片的世界上第一條工業(yè)試驗線的實施取得的成就。
回顧了用于 200 毫米 SiC 晶錠晶體生長的新型 PVD 反應(yīng)器的開發(fā)，并描述了將晶錠切成外延就緒晶片的步驟。通過使用熔融 KOH 進(jìn)行選擇性蝕刻來評估由早期生長運行產(chǎn)生的晶片的晶體質(zhì)量。測量證明，襯底的晶體質(zhì)量超過了項目最初為初步開發(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。
知明碳化硅晶圓 4H-N型 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)械級晶圓上的薄膜的主要特征。測量結(jié)果表明，外延層厚度在 200 毫米晶圓的整個表面上非常均勻，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，但仍與通常在 150 毫米對應(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)械級晶圓進(jìn)行了測試，并成功證明了它們與 200 mm SiC 的兼容性。
以上。上海知明科技的8英寸SiC的到來的確能夠為產(chǎn)業(yè)帶來變化，但相對于4英寸到6英寸的里程碑式轉(zhuǎn)變，6英寸過渡到8英寸還需要一段時間。在未來幾年時間內(nèi)，6英寸產(chǎn)線還是會占據(jù)主流地位。
愿景
展望未來，知明將繼續(xù)以碳化硅襯底為核心，不斷拓寬產(chǎn)品線，深化技術(shù)應(yīng)用，為客戶提供更加全面、專業(yè)的碳化硅材料解決方案。我們期待與每一位客戶攜手并進(jìn)，共同開創(chuàng)更加輝煌的明天，以碳化硅材料的卓越性能，助力各行業(yè)邁向更加高效、環(huán)保、可持續(xù)的未來。
為了做好每一項工作，我們堅持以下原則：
- 技術(shù)創(chuàng)新為魂：我們不斷投入研發(fā)資源，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提升碳化硅襯底的純度、均勻性和可靠性。通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新，我們確保產(chǎn)品始終處于行業(yè)領(lǐng)先水平，滿足市場對高性能、高穩(wěn)定性的碳化硅材料需求。
- 品質(zhì)控制為王：我們建立了完善的質(zhì)量管理體系，從原材料采購到成品出廠，每一道工序都經(jīng)過嚴(yán)格檢驗。我們深知，品質(zhì)是贏得客戶信任的關(guān)鍵，因此我們對每一個細(xì)節(jié)都精益求精，確保產(chǎn)品達(dá)到甚至超越客戶的期望。
- 定制服務(wù)為橋：我們深知不同客戶的應(yīng)用場景和需求各異，因此提供全方位的定制服務(wù)。從材料規(guī)格、性能參數(shù)到特殊工藝要求，我們都能根據(jù)客戶的具體需求進(jìn)行靈活調(diào)整，確保提供的碳化硅襯底能夠完美融入客戶的生產(chǎn)體系，助力其產(chǎn)品性能的提升。
- 合作共贏為本：我們秉持開放合作的態(tài)度，與上下游企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)及行業(yè)協(xié)會建立緊密合作關(guān)系，共同推動碳化硅材料的研發(fā)與應(yīng)用。通過資源共享、優(yōu)勢互補，我們攜手客戶與合作伙伴，共同探索半導(dǎo)體材料的無限可能。
