摘要：第三代半导体碳化硅(SiliconCarbide, SiC)材料从2英寸、3英寸、4英寸到6英寸的发展历程，已经证明了扩大尺寸可以显著提升SiC芯片和器件生产的经济性，目前碳化硅产业已经在推动开发8英寸晶圆，晶圆直径增加50mm，晶圆面积增加78%，切出的芯片

引 言

第三代半导体碳化硅(SiliconCarbide, SiC)材料从2英寸、3英寸、4英寸到6英寸的发展历程，已经证明了扩大尺寸可以显著提升SiC芯片和器件生产的经济性，目前碳化硅产业已经在推动开发8英寸晶圆，晶圆直径增加50mm，晶圆面积增加78%，切出的芯片数提升将近90%。

SiC行业头部公司一直在研究开发8英寸SiC晶圆。国外Cree公司（现改名为Wolfspeed）和II-VI Incorporated公司（现改名为Coherent）在2015年分别展示了8英寸SiC晶圆，2022年Wolfspeed全球首家一体化8英寸SiC芯片工厂启用，而在欧洲，由工业界和学术界的27名合作伙伴组成的欧洲SiC 8英寸试生产线项目REACTION（European SiC eight inches pilot-line）2022年开发出了用于生产功率器件的8英寸SiC中试生产线，该项目采取了分步开发的策略来推进8英寸SiC晶圆，低质量机械级晶圆用来支持开发与8英寸晶圆尺寸兼容的产线设备，测试和优化生产线中不同生产工具的处理能力；高质量工艺级晶圆用于生长外延膜，开发和优化外延过程工艺参数，并最终生产功率器件。项目在LPE研发的水平式商业8英寸机上进行了外延生长，生长的外延膜指标如下：厚度不均匀性2.1%，浓度不均匀性 3.3%。可以看出，外延膜的不均匀性已经达到商业可用的水平，获得了很好的进展，但是缺陷率高达3.05cm-2，其中缺陷密度高达1.35cm-2，尚不能满足后端芯片商业化量产制造的需求。

本文将重点对2023年下半年在外延膜沉积环节所做的开创性推进工作进行概述。

研究内容

与Si器件不同，SiC器件不能在晶圆上直接制作，而是需要在SiC晶圆上沉积生长外延膜，利用外延膜生产器件，因此SiC外延在产业链中处于承上启下的重要位置。本研究的8英寸晶圆上同质外延生长实验采用芯三代公司开发的、6/8英寸兼容的SiC垂直式外延CVD设备在天域半导体位于东莞的实验室中进行。设备属于垂直进气热壁式，同时配备高速晶圆旋转技术。外延前先用H2和HCl气体进行刻蚀和表面准备，外延生长温度为1600°C左右，生长气体为三氯氢硅（SiHCl3）和乙烯（C2H4），掺杂气体为氮气。

本研究在8英寸晶圆上实现了速率为68.66μm/h的外延生长，获得了标称厚度为11.44μm、掺杂浓度为10.50×1015cm-3的外延层。用红外快速傅立叶变换光谱法（FTIR）测量外延层的厚度，汞探针法测量掺杂浓度，原子力显微镜(AFM)检测外延膜的表面粗糙度， Sica88 表面检测系统观测表面缺陷情况。图1和图2分别显示了8英寸 SiC晶圆上生长的外延层的厚度和掺杂浓度沿径向分布图。外延层厚度的平均值为11.44μm，标准偏差为0.10μm，用标准偏差和平均值之比评估的厚度不均匀性为0.89%。外延层掺杂浓度的平均值为10.50×1015cm-3，标准偏差为0.22×1015cm-3，掺杂不均匀性为2.05%，AFM 表征结果显示表面均方根粗糙度为0.162 nm，三角形+掉落物缺陷密度0.11 cm-2，与引言中的外延片出厂标准对比可以发现，本实验结果的不均匀性和杀手缺陷密度都优于行业发布的缺陷数据，也达到了6英寸优良外延片的水平，完全满足大批量出货要求的指标。

图1 4H-SiC外延晶圆的片内膜厚分布图

图2 同一片4H-SiC外延膜的片内掺杂浓度径向分布图

为了进一步考察8英寸晶圆上外延生长的重复性和稳定性，本研究采用同一个菜单，在完全相同的外延条件下进行了重复性试验，进行了另外2次重复性外延生长，重复性结果参见表1和表2。如表1所示，膜厚和掺杂浓度片间不均匀性分别为4.25%和4.11%，目前行业还没有对8英寸外延片的片间不均匀性建立通用的要求，可供参考的6英寸外延片的片间不均匀性要求为：厚度4%，浓度6%，考虑到8英寸处于研发阶段，通常对其要求会低于6英寸的通用生产要求。对比之下可以发现本研究的结果，掺杂浓度的不均匀性4.11%已经达到6英寸的生产要求6%，而膜厚的不均匀性4.25%超出了6英寸的生产要求4%，还需要继续提升，但是重复性已经达到很好的水平。从表2可以看出，三角形+掉落物缺陷密度的3片平均值为0.12 cm-2，完全满足6英寸外延片的三角形+掉落物缺陷密度≤0.5cm-2的通用出货要求。因此可以初步得出结论，本研究下8英寸外延重复性良好，具有良好的稳定性，可以进行大批量试生产和进一步量产研究和优化。

表1 膜厚和掺杂浓度重复性结果

表2 缺陷率重复性结果

按照韩跃斌等人的分析，垂直式外延设备的流场因为分区喷淋匀气后进气而容易实现高均匀性，温场因为分层多区补偿而容易获得高均匀性，放大到8英寸后优点得到很好的保持，因此8英寸外延延续了6英寸的高均匀性；而喷淋头内部的冷却系统确保了顶板温度远远低于杂晶SiC的生长温度，从而最大限度减少沉积物产生，结合高速旋转对少量产生的颗粒物的甩出效应使得掉落物缺陷以及掉落物导致的“带头三角缺陷”不容易形成，结合起来使得杀手缺陷密度大幅降低，同时维护周期大幅延长，更适合大规模量产的需要。

展 望

实现高质量8英寸SiC晶圆制造和外延生长是推进下一代大尺寸功率器件生产的基础性的一步，本研究采用芯三代垂直式SiC国产外延设备，对国产8英寸晶圆进行了外延生长，实现了速率为68.66 μm/h的快速外延生长，厚度不均匀性为0.89%，掺杂不均匀性为2.05%，这两个指标和缺陷密度已经达到了6英寸外延膜的优良水平，完全可以满足生产需要。与国外已发布的结果对比，厚度和掺杂均匀性均优于国外数据，而缺陷密度则是只有国外数据的1/4。重复性试验的结果发现，本研究下8英寸外延重复性良好，具有良好的稳定性，可以进行大批量试生产和进一步量产研究和优化，为芯片生产线生产工具使用8英寸晶圆进行了测试和改进实现了8英寸兼容性。芯三代在2023年对8英寸晶圆进行了外延生长的前瞻性研究，为 2025年SiC产业向8英寸转变，推动8英寸SiC晶圆大规模芯片制造提供了重要的数据支持。

目前8英寸SiC的晶圆制备和外延应用研究已经解决了从无到有的问题，展望未来的研究方向，下一步的工作重点将是继续优化，在大批量生产中提升效率降低成本。同时，需要在后续的芯片制造环节上继续进行8英寸批次试验和量产，从而发现材料和设备的改善点，进一步提升稳定性和降低缺陷率，研究设备的重复性，持续进行工艺优化，推进8英寸SiC外延的快速产业化和国产化，推进整个产业向大尺寸跃升。

文章来源：芯三代半导体科技(苏州)股份有限公司投稿

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