山东大学与南砂晶圆团队实现了高质量8英寸导电型4H-SiC单晶和衬底制备

日期:2022-09-21 阅读:965
核心提示:山东大学晶体材料国家重点实验室从 2002 年开始启动碳化硅单晶的生长和衬底加工工作,攻克了多项关键技术。从 2018 年开始对 8 英寸籽晶和导电型 4HSiC 单晶生长和衬底加工进行了研究,经过多年的理论和技术攻关,实现了高质量 8 英寸导电型 4H-SiC 单晶和衬底的制备。
   近日,由徐现刚教授领衔的 山东大学晶体材料所和南砂晶圆团队采用物理气相传输法(PVT)扩径获得了 8 英寸 4H-SiC 籽晶,用于 8 英寸导电型 4H-SiC 晶体生长,并加工出厚度 520 μm 的 8 英寸 4H-SiC 衬底。使用拉曼光谱、全自动显微镜面扫描、非接触电阻率测试仪面扫描和高分辨 XRD 摇摆曲线对衬底的晶型、微管、电阻率和结晶质量进行了表征。衬底颜色均一并结合拉曼光谱表明衬底 4H-SiC 晶型面积的比例为 100%;衬底微管的密度小于 0.3cm-2;衬底电阻率范围 20~23 mΩ·cm,平均值为 22 mΩ·cm;(004)面高分辨 X射线摇摆曲线半峰宽 32.7 弧秒,表明衬底良好的结晶质量。
 
  碳化硅(SiC)作为第三代宽禁带半导体的核心材料之一,具有高击穿场强、高饱和电子漂移速率、高热导率、化学稳定性好等优良特性,是制作高压、大功率、高频、高温和抗辐射新型功率半导体器件的理想材料,在电动汽车、轨道交通、高压输变电、光伏、5G 通讯等领域具有重要的应用潜力。大尺寸高质量 SiC单晶衬底是制造 SiC 功率半导体器件的基础。近年来全球碳化硅领域以 6 英寸衬底为主,由于电动汽车渗透率不断增高,对 SiC 器件的需求不断增加,推升了对 SiC 衬底产能的需求。为增加产能供给,也为进一步降低 SiC 器件的平均成本,扩大 SiC 衬底尺寸是重要途径之一。
 
  为此,业界将目标锁定在 8 英寸 SiC 衬底上。业界领头羊 Cree 在 2015 年展示了8 英寸 SiC 样品,2019 年完成了首批 8 英寸 SiC 衬底样品的制样,并于今年开始量产 8 英寸 SiC 衬底。
 
  山东大学晶体材料国家重点实验室从 2002 年开始启动碳化硅单晶的生长和衬底加工工作,攻克了多项关键技术。从 2018 年开始对 8 英寸籽晶和导电型 4HSiC 单晶生长和衬底加工进行了研究,经过多年的理论和技术攻关,实现了高质量 8 英寸导电型 4H-SiC 单晶和衬底的制备。
 
  科研团队采用 6 英寸(0001) 表面偏向<11-20>方向 4°的 4H-SiC 碳面晶片作为籽晶,基于物理气相传输法( PVT)进行扩径生长,晶体生长过程中温度控制在2100~2300℃,生长压力小于 30 mbar。单晶多次迭代扩大直径,最终到达 8 英寸直径,晶体扩径生长时,不进行掺杂,背景氮浓度在 1017cm-3 量级。导电的 n+ 4H-SiC 单晶通过向生长气氛中通入氮气实现,采用标准的半导体加工工艺加工出 8 英寸导电型 4H-SiC 单晶衬底。使用全自动显微镜测试衬底微管密度及分布;使用非接触电阻率测试仪对衬底电阻率进行面扫描;使用高分辨 X 射线衍射仪对衬底进行了(004) 面高分辨 XRD 摇摆曲线测试。
 
  结果与讨论:8 英寸籽晶制备
 
  要进行 8 英寸的碳化硅单晶生长,首先必须要得到高结晶质量的 8 英寸的碳化硅籽晶。为兼顾晶体质量及扩径尺寸,设计了合适的温场、流场及扩径装配,以 6 英寸的碳化硅籽晶为起点,每次设定一定的扩径尺寸进行单晶生长与加工。得到直径变大的新籽晶,以此类推进行籽晶迭代。通过多次迭代,逐步扩大 SiC晶体的尺寸直到达到 8 英寸。籽晶直径到达 8 英寸之后,通过多次晶体生长和加工逐步优化晶体扩径区域的结晶质量,提升 8 英寸籽晶的品质,直到满足衬底使用要求。图 1 为扩径过程中部分尺寸籽晶的照片。。
 

   8 英寸导电型晶体和衬底制备
  高质量的 8 英寸籽晶获得后,在晶体生长过程中通入一定比例的氮气,进行 8 英寸导电型 SiC 晶体生长,优化大尺寸晶体生长的温场和流场设计,控制掺杂均匀性。晶体经过滚圆、磨平面整形后,获得标准直径的 8 英寸导电型 4H-SiC 晶锭,如图 2(a)所示。经过切割、研磨、抛光后,加工获得520μm 厚度的 8 英寸导电型 4H-SiC 衬底,如图 2(b)所示。从图 2(b)中可以看出,8 英寸 4H-SiC 衬底呈均一的棕黄色,结合拉曼测试,表明衬底中无 6H 和15R-SiC 等多型夹杂,4H 晶型面积比例达到了 100% 。
 
 
  8 英寸导电型衬底性能表征
  采用全自动显微镜对 8 英寸导电型 4H-SiC 衬底进行面扫描,测试了微管密度及分布,如图 3 所示,微管主要分布在 6 英寸以外的扩径区域,微管密度小于0.3cm-2,达到衬底使用要求。
 
 
  采用非接触式涡流法电阻率测试仪对 8 英寸导电型 4H-SiC 衬底的电阻率进行面扫描,电阻率分布如图4所示,电阻率范围为20-23mΩ·cm,平均值22mΩ·cm,电阻率不均匀性小于 4%。
 
 
  利用高分辨 X 射线衍射仪对衬底的结晶质量进行了表征,沿<11-20>直径方向测试 5 点,结果如图 5 所示。从图中可以看出,衬底( 004)衍射面的 5 点摇摆曲线均为近对称的单峰,无多峰出现,说明衬底中没有小角度晶界缺陷,5 点摇摆曲线半峰宽平均值 32.7 弧秒,表明衬底具有良好的结晶质量。
 
 
 
  结 论:由徐现刚教授领衔的 山东大学晶体材料所和南砂晶圆团队使用 PVT 生长方法制备了 8 英寸导电型 4H-SiC 单晶,并加工成了厚度520μm 的 8 英寸 4H-SiC 衬底。衬底微管密度小于 0.3/cm2,4H-SiC 晶型比例100%,电阻率平均值 22mΩ·cm,不均匀性小于 4%,衬底(004) 面高分辨 XRD 5点摇摆曲线半峰宽平均值 32.7 弧秒,说明衬底具有较高的结晶质量,边缘扩径区域没有小角度晶界缺陷。衬底中各类型位错密度的分布及控制还需要进一步研究。
 
  来源: 人工晶体学报、山东大学晶体材料国家重点实验室供稿/图
  作者:杨祥龙/陈秀芳/谢雪健/彭燕/于国建/胡小波/徐现刚 (山东大学,晶体材料国家重点实验室,新一代半导体材料研究院;广州南砂晶圆半导体技术有限公司),于国建 /王垚浩 (广州南砂晶圆半导体技术有限公司)
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