推動(dòng)8吋SiC量產(chǎn)，國(guó)內(nèi)企業(yè)又解決一大難題

業(yè)界普遍認(rèn)為，SiC MOSFET大規(guī)模替代的硅基IGBT的臨界點(diǎn)是價(jià)差縮小至2.5倍以下，而實(shí)現(xiàn)這一預(yù)期的關(guān)鍵在于降低SiC襯底成本，而高質(zhì)量、大直徑的8英寸SiC襯底片是降低SiC MOSFET器件成本的有效途徑。

截止目前，全球已有26家企業(yè)實(shí)現(xiàn)了8吋SiC單晶生長(zhǎng)的研發(fā)突破，其中包括16家中國(guó)企業(yè)。然而8吋SiC晶體的批量生產(chǎn)難度較大，還有眾多技術(shù)難題需要克服，直徑從6英寸增加到8英寸，除了缺陷會(huì)增多外，襯底電阻率的不均勻性也是一大難題。

根據(jù)山東大學(xué)的說(shuō)法，碳化硅企業(yè)通常是通過(guò)PVT法在4°偏角籽晶上生長(zhǎng)8英寸N型4H-SiC單晶。電阻率測(cè)繪評(píng)估結(jié)果顯示，標(biāo)準(zhǔn)的6英寸襯底片電阻率不均勻性通常為1.2%，而常見(jiàn)的8英寸SiC襯底片的電阻率不均勻性則高達(dá)4.8%。

而最近，山東大學(xué)和南砂晶圓團(tuán)隊(duì)宣布，他們實(shí)現(xiàn)了8吋SiC單晶生長(zhǎng)技術(shù)新的突破，其電阻率不均勻性已接近6英寸襯底。

根據(jù)該團(tuán)隊(duì)于1月17日發(fā)布在國(guó)際期刊上的最新文獻(xiàn)，8英寸SiC晶體電阻率不均勻現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是：隨著SiC晶體直徑的增加，熱場(chǎng)的不連續(xù)性會(huì)導(dǎo)致形成小面（facet）。由于小面效應(yīng)，從而導(dǎo)致小面區(qū)域的氮摻雜濃度高于其他區(qū)域。

而他們通過(guò)調(diào)整生長(zhǎng)條件優(yōu)化熱場(chǎng)，獲得了近乎平坦且微凸的8英寸SiC晶體生長(zhǎng)界面。所生長(zhǎng)的8英寸SiC襯底片電阻率均勻性顯著改善，不均勻性降低至1.6%，相較于之前的4.8%約降低了66.66%，與標(biāo)準(zhǔn)6英寸襯底片非常接近。

電阻率均勻性是用于功率器件的4H-SiC襯底的關(guān)鍵參數(shù)。4H-SiC襯底不均勻性較大時(shí)，在制造器件時(shí)會(huì)導(dǎo)致垂直SiC功率器件的導(dǎo)通電阻發(fā)生變化。由于氮摻雜濃度的不均勻性而引起的襯底電阻率的不均勻性，也會(huì)導(dǎo)致襯底與外延層之間存在較大的失配，從而導(dǎo)致外延層中引入失配位錯(cuò)。因此，為了確保功率器件的高性能，必須獲得表面電阻率均勻徑向分布的導(dǎo)電襯底。

值得注意的是，8英寸導(dǎo)電SiC的電阻率受生長(zhǎng)過(guò)程中溫度的影響，在較高溫度下，氮摻雜量顯著減少，從而會(huì)導(dǎo)致SiC的電阻增加。晶體生長(zhǎng)表面的徑向溫度梯度會(huì)導(dǎo)致晶體邊緣的氮摻雜量比中心低，電阻率比中心高。而且隨著晶體直徑的增大，徑向溫度梯度增大，這使得氮摻雜和電阻率不均勻的問(wèn)題更加明顯。因此，在8英寸N型SiC量產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)均勻的電阻率是一個(gè)需要解決的重大挑戰(zhàn)。

為了成功克服生長(zhǎng)8英寸N型SiC晶體的挑戰(zhàn)，必須精確控制物理環(huán)境，特別是熱場(chǎng)。此外，必須仔細(xì)設(shè)計(jì)和優(yōu)化晶體生長(zhǎng)坩堝，并建立適當(dāng)?shù)纳L(zhǎng)工藝參數(shù)，以獲得高質(zhì)量的晶體。

該團(tuán)隊(duì)在文獻(xiàn)中表示，他們借助VR-PVT軟件獲得的熱場(chǎng)模擬結(jié)果，對(duì)組裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，成功生長(zhǎng)出表面幾乎平坦、只有小面的8英寸SiC單晶。

值得注意的是，幾乎平坦的微凸表面降低了非表面區(qū)域的臺(tái)階高度，從而減少了雜質(zhì)進(jìn)入這些區(qū)域，導(dǎo)致載流子濃度增加并改善了晶體的電阻率均勻性。

測(cè)試結(jié)果表明，他們的8英寸SiC襯底片電阻率均勻性良好，最大電阻率為0.02187 Ω-cm，最小電阻率為0.02069 Ω-cm。電阻率變化僅為1.61%，分布更加均勻，滿(mǎn)足0.015~0.025Ω-cm的行業(yè)要求。這些結(jié)果表明，晶體不同區(qū)域的電阻率沒(méi)有顯著變化，表現(xiàn)出良好的整體電阻率均勻性。