我們能將碳化硅 (SiC) 襯底厚度推進(jìn)到多薄而不影響性能？這是我們幾十年來一直在追問的問題，同時我們也在不斷突破碳化硅 (SiC) 材料性能的極限——因為我們知道下一代碳化硅 (SiC) 器件技術(shù)正依賴于此。

這篇文章探討了 Wolfspeed 在碳化硅 (SiC) 襯底的成本、可擴(kuò)展性和質(zhì)量等最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)方面的研究，包括了碳化硅 (SiC) 外延和襯底厚度如何影響高電壓器件。

該篇文章中文版刊登于《化合物半導(dǎo)體》雜志 2025 年第 10/11 月刊https://www.compoundsemiconductorchina.net/issue_show.asp。

英文版原文敬請訪問https://compoundsemiconductor.net/article/121811/Thick_homoepitaxy_on_200_mm_SiC。

200mm 碳化硅襯底厚度與外延厚度的多維度影響

碳化硅 (SiC) 襯底的成本需要降下來。但是，如果我們對這種基礎(chǔ)材料的厚度施加限制的話，會阻礙這些努力嗎？

作者： THOMAS KUHR，WOLFSPEED 公司工藝制程開發(fā)工程高級總監(jiān)

碳化硅 (SiC) 正受益于電動汽車的蓬勃發(fā)展?；谶@種寬禁帶半導(dǎo)體的功率器件的采用，使得更高效率的電子設(shè)備能夠?qū)⑾到y(tǒng)損耗降低 80% 甚至更多。然而，盡管這令人印象深刻，但這只是其好處的冰山一角。和其他寬禁帶材料一樣，碳化硅 (SiC) 還具有高熱導(dǎo)率和優(yōu)異的飽和漂移速度，使得用這種材料制成的器件能夠在高電場密度下工作，并應(yīng)用于許多技術(shù)領(lǐng)域，包括高電壓直流、脈沖功率和固態(tài)變壓器。使用可處理高達(dá) 10 kV 的單個碳化硅 (SiC) MOSFET 芯片，甚至更高電壓的雙極器件，為設(shè)計人員提供了簡化系統(tǒng)并在許多應(yīng)用中降低電阻加熱損耗的機(jī)會。

隨著碳化硅 (SiC) 持續(xù)展現(xiàn)出優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)性能，其較高的成本正受到重點關(guān)注。在半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)，應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的常見解決方案是轉(zhuǎn)向更大尺寸的晶圓，從而將固定的加工成本分?jǐn)偟礁嗟钠骷?。這一轉(zhuǎn)變正在進(jìn)行中，碳化硅 (SiC) 襯底目前正經(jīng)歷從 150 mm 直徑向 200 mm 直徑的轉(zhuǎn)型。然而，與隨著直徑增加而增加晶圓厚度的硅 (Si) 行業(yè)不同，碳化硅 (SiC) 行業(yè)正在考慮為 200 mm 直徑晶圓保留現(xiàn)今 150 mm 直徑晶圓所使用的 350 μm 厚度。

圖 1. 500 μm 厚度（左）和 350 μm 厚度（右）的晶圓形狀圖比較。請注意，在這兩種情況下都未生成完整的圖譜，不過左側(cè)的掃描更完整。350 μm 厚度晶圓的彎曲度（Bow）和翹曲度（Warp）明顯更高，超出了當(dāng)前工具配置的測量范圍。

Wolfspeed 作為全球碳化硅 (SiC) 襯底和器件的領(lǐng)先企業(yè)，我們一直在研究，當(dāng)采用 350 μm 厚度和 500 μm 厚度的晶圓時，不同厚度條件下的外延層在質(zhì)量上有何差異。用于制造 650 V 和 1200 V 器件的“薄” 碳化硅 (SiC) 層的生長，往往不會因溫度情況或襯底與外延膜層之間摻雜差異而產(chǎn)生顯著應(yīng)力。然而，當(dāng)外延層更厚且摻雜濃度更低時——這是更高擊穿電壓器件的兩個關(guān)鍵要求——應(yīng)力會被放大，產(chǎn)生新的缺陷并引發(fā)晶圓形狀問題。

此外，外延缺陷的尺寸和面積也會增加，因為它們通常在襯底界面處或附近產(chǎn)生，并隨著薄膜的生長而相應(yīng)增大。更大的應(yīng)力和更大的缺陷，加上高電壓器件通常尺寸更大，這些因素的復(fù)合效應(yīng)導(dǎo)致晶圓的可使用面積大大降低，從而導(dǎo)致芯片良率降低和每個器件的成本升高。

圖 2. 用于估算 500 μm 厚度 200 mm 直徑襯底上生長 115 μm 厚度外延層的器件可用面積的拼接圖像圖（帶有初步墨跡標(biāo)記）。使用了任意的 5 mm x 5 mm 網(wǎng)格進(jìn)行可視化。請注意，并非所有缺陷都被正確識別，但可以看到宏觀缺陷（如三角形缺陷）的面積效應(yīng)，如插入圖片所示。

可能會出現(xiàn)什么問題？

為了加深我們對更薄襯底和更厚外延層之間相互作用的理解，我們研究了三種不同厚度的同質(zhì)外延層的性能對比。外延層在 350 μm 厚度和 500 μm 厚度的 200 mm SiC 襯底上進(jìn)行生長，并采用了兩種已商用的反應(yīng)器平臺。誠然，進(jìn)行這種評估的最佳方法是將單個晶錠切割成多個不同厚度的襯底，因為這樣可以標(biāo)準(zhǔn)化襯底缺陷的起始點。但在這項工作中，我們使用了內(nèi)部生產(chǎn)的晶圓因為它們已經(jīng)可獲取的。我們根據(jù)特定的器件要求選擇了摻雜和厚度目標(biāo)，旨在達(dá)到所需擊穿電壓下的最低電阻，并且通過利用我們標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)流程中的一套測量方法，我們已經(jīng)能夠確定是否存在任何潛在的制造限制。

外延生長過程中的一個擔(dān)憂是晶圓形狀在高溫生長條件下的穩(wěn)定性。晶圓形狀在室溫和超過 1600 °C 時可能不同，更薄的晶圓可能會不可預(yù)測地改變形狀。任何變化都會通過厚度或摻雜不均勻性對生長產(chǎn)生不利影響。在最壞的情況下，晶圓可能會在加工過程中破裂或從承載器上彈出。

我們的結(jié)果消除了將晶圓厚度從 500 μm 減少到 350 μm 時的這種擔(dān)憂。如果說有什么不同的話，更薄的晶圓反而改善了薄膜厚度和摻雜均勻性，盡管這可能取決于反應(yīng)器設(shè)備的設(shè)計。請注意，我們需要進(jìn)行更多輪的生長實驗才能建立具有統(tǒng)計顯著性的結(jié)論。然而，我們的初步研究表明，在外延生長過程中使用更薄的 200 mm 晶圓不存在相關(guān)問題。

由于薄型和厚型碳化硅 (SiC) 器件在加工化學(xué)和器件設(shè)計方面的相似性，我們的器件制造團(tuán)隊希望所有外延晶圓的表面狀態(tài)相似。為了驗證是否如此，我們使用原子力顯微鏡（AFM）和共聚焦成像技術(shù)仔細(xì)檢查了我們的材料。用于測量短程粗糙度的 AFM 顯示，粗糙度性能相匹配，薄膜和厚膜的平均粗糙度（Ra）均小于 0.2 nm。根據(jù)共聚焦成像，厚膜的長程粗糙度大于薄膜，平均粗糙度（Ra）約為 0.6 nm。

圖 3. 用于估算 500 μm 厚度和 350 μm 厚度 200 mm 襯底上生長 74 μm 厚度外延層的器件可用面積的拼接圖像圖（帶有初步墨跡標(biāo)記）。顯示了 75-85% 的 5x5 可用區(qū)域。

這些發(fā)現(xiàn)與襯底厚度無關(guān)，盡管在共聚焦成像尺度上，稍微多一點的粗糙度在空間分布上略廣一些。這表明，就像摻雜和厚度均勻性一樣，表面粗糙度相對于晶圓厚度而言可能不是一個問題。然而，有必要減少厚膜的表面粗糙度，并進(jìn)一步改進(jìn)空間依賴性。

由于更厚的外延層會導(dǎo)致更大的缺陷和更高的薄膜應(yīng)力，選擇更薄的襯底會加劇應(yīng)力問題。因此，當(dāng)在更薄的襯底上生長更厚的外延層時發(fā)現(xiàn)形狀問題，我們并不感到驚訝。使用直徑 200 mm 的碳化硅 (SiC)，在 500 μm 厚度的襯底上生長 13 μm 厚度的外延層會導(dǎo)致 20-40 μm 的彎曲度 (Bow)；將厚度增加到 115 μm，并將摻雜濃度降至 10^15 cm^-3 的中段，彎曲度會增加至 80 μm 左右。如果然后將襯底減薄至 350 μm，彎曲度會增加至 100 μm 以上，從而在器件制造過程中帶來處理錯誤和晶圓破裂的風(fēng)險。雖然 100 μm 的晶圓彎曲度與離子注入過程中可能發(fā)生的數(shù)百 μm 彎曲度相比似乎微不足道，但并非所有的制造工具都能從那個起點開始處理。我們的觀點是，如果打算采用僅 350 μm 厚度的襯底來生長更厚的外延層，可能需要做更多的工作來補(bǔ)償晶圓形狀問題。

碳化硅 (SiC) 最大的缺點是其晶體生長過程中固有的缺陷性以及相對容易形成缺陷。在晶錠生長過程中產(chǎn)生并存在于襯底中的缺陷，要么通過生長的延續(xù)，要么通過轉(zhuǎn)化為其他類型的缺陷，傳播到外延層中。缺陷的來源可能是微管、穿透位錯 (threading dislocations)、堆垛層錯 (stacking faults)、表面制備造成的亞表面損傷，或者僅僅是清潔不充分導(dǎo)致的臟污表面；更一般地說，任何破壞晶格自然堆疊的因素都會導(dǎo)致缺陷。例如，一種稱為“三角形”的常見缺陷——它是一種晶體堆疊紊亂，表現(xiàn)為生長表面可見的三角形——其尺寸隨著外延生長而增大，從外延生長 13 μm 時的 0.4 mm 長增加到 115 μm 厚薄膜時的 3.2 mm。您可能會想，這有什么大不了的，因為器件通常尺寸為 25 mm^2 或更大，所以一個三角形缺陷應(yīng)該只影響一兩個芯片。

正如我們已經(jīng)提到的，薄膜應(yīng)力隨著厚度以及薄膜與襯底之間的摻雜差異而增加。因此，加上碳化硅 (SiC) 基平面位錯 (basal plan dislocations) 非常低的形成能 (formation energy)，諸如三角形之類的缺陷有可能產(chǎn)生基平面位錯。這些位錯從源缺陷處出現(xiàn)，沿著晶圓垂直滑移。因此，一個最初只影響一兩個器件的缺陷現(xiàn)在可能會影響五到十倍的芯片，從而大幅降低良率。

好消息是，通過精細(xì)管理外延生長過程中晶圓上的溫度分布，可以減少過度的薄膜應(yīng)力。即使這種收益是以增加晶圓彎曲度為代價，這也使得能夠處理更薄的晶圓而不會增加薄膜缺陷。

不巧地是，并非我們所有的測量都特別順利。由于掃描不完整，我們最初關(guān)于帶有厚外延層的薄晶圓的最大彎曲度數(shù)值是不正確的。我們花了一點時間和精力，通過微小調(diào)整，克服了這個簡單工具限制，糾正了這個錯誤。

圖 4. 準(zhǔn)備進(jìn)行封裝的 10 kV 裸芯片。

我們還遇到了與缺陷自動檢測相關(guān)的問題，原因是檢測算法是針對不同尺寸的缺陷或更光滑的表面進(jìn)行訓(xùn)練的。這意味著我們將應(yīng)用于更薄外延層的準(zhǔn)確的缺陷分類和數(shù)據(jù)采集方法，用在更厚外延薄膜的初期階段會遇到困難。

我們遇到的與晶圓彎曲度掃描和缺陷檢測相關(guān)的問題并非不可克服。就缺陷而言，它們甚至與襯底厚度無關(guān)。然而，在這些技術(shù)能夠服務(wù)于大批量制造工藝之前，需要進(jìn)行干預(yù)和開發(fā)。

總而言之，更薄的晶圓會導(dǎo)致形狀問題，必須在外延生長之前或生長期間解決。但如果溫度分布和應(yīng)力得到有效管理，額外的應(yīng)力誘導(dǎo)缺陷應(yīng)該不會成為問題。這聽起來還不錯，除了預(yù)測的良率看起來并不那么高，而且成本仍然很高。

為了說明這一點，我們考慮用于 1200 V MOSFET 晶圓的 5 mm x 5 mm 器件。在這種情況下，可用面積超過 90%。但如果需要更厚的外延層，由于增大的面積效應(yīng)，可用面積會下降到 70% 左右。如果器件尺寸增加，根據(jù)簡單的泊松統(tǒng)計，可用面積會進(jìn)一步下降。現(xiàn)在，那片對于 1200 V MOSFET 可用面積超過 90% 的碳化硅 (SiC) 晶圓，對于 10 kV MOSFET 而言可能低于 40%，而這甚至是在外延片進(jìn)入器件制造廠之前。

圖 5. 高性能半橋 10 kV、 50 mΩ 全碳化硅 (SiC) 功率模塊。

可行的厚度？

讓我們回到最初的問題：減薄碳化硅 (SiC) 襯底是否會限制使用更厚外延層制造高電壓器件的能力？嗯，也許吧……也許不會。很明顯，關(guān)鍵是要控制晶圓形狀并管理外延生長應(yīng)力，以防止器件制造過程中的復(fù)雜情況，從而保持低成本。為了支持這些努力，需要進(jìn)行調(diào)整以確保測量和計量方法與當(dāng)前最佳實踐和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)保持連續(xù)性。但同樣非常重要的是，碳化硅 (SiC) 襯底制造商需要繼續(xù)專注于減少缺陷。如果沒有更低的缺陷濃度，器件尺寸和能力或器件良率將繼續(xù)需要權(quán)衡取舍，并且無論外延生長過程如何優(yōu)化，成本都將保持高位。

最后，推動碳化硅 (SiC) 襯底變得更薄的努力將繼續(xù)下去，因為降低其成本仍然是一個巨大的動力。在此背景下，創(chuàng)新者將找到處理晶圓形狀的方法，襯底制造商將繼續(xù)降低缺陷密度，有助于提高器件良率并削減成本。

出于純粹的技術(shù)需求，對于更高電壓器件的使用將繼續(xù)提升，采用 10 kV MOSFET 或更高電壓的 IGBT 將為其鋪平道路。碳化硅 (SiC) 變革正逢其時！

此文章的中文翻譯僅供參考，相關(guān)信息請以英文原稿為準(zhǔn)。

關(guān)于 Wolfspeed, Inc.

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