大尺寸SiC单晶的研究进展

  产业强劲需求下，全球SiC产业步入高速成长期，推升了对SiC衬底产能的需求。8英寸衬底相比6英寸能提高1.9倍的工作，边缘浪费降低7％，在降低器件成本、增加产能供应方面拥有巨大的潜力。为抢占先机，国内外SiC衬底都在加速推进8英寸衬底的研发。我国作为全球最大的SiC器件应用市场，需要加紧研究8英寸SiC衬底技术，以抢占市场，实现国产替代。

  近日，第九届国际第三代（IFWS）&第二十届中国国际半导体照明论坛（SSLCHINA）于厦门召开。期间，“碳化硅衬底、外延生长及其相关设备技术”上，山东大学副教授/南砂晶圆首席技术官杨祥龙大尺寸SiC单晶的研究进展，报告主要介绍山东大学/广州南砂晶圆半导体技术有限公司近期8英寸SiC单晶衬底的研究进展。

  一代材料，一代芯片。碳化硅材料能够完全满足军、民应用对电力电子系统的要求，包括高功率、高温、高频、高集成度、高效率、高抗辐射等。碳化硅器件是未来电动汽车的“心脏。SiCMOSFET与Si基IGBT相比能够大大减少整车重量，减少相关成本；降低损耗，提升续航能力。在新能源产业强劲需求下，全球SiC产业步入高速成长期。预计2027年全球电动汽车碳化硅市场空间约50亿美元。

  上游衬底材料是SiC产业的基础原材料，将持续强劲增长。8英寸SiC衬底在降低器件成本、增加产能供应方面拥有巨大潜力。相比于6英寸衬底，同等条件下从8英寸衬底切出的芯片数会提升将近90%。8英寸单片衬备的器件成本降低30%左右。5年内, SiC进入全面8英寸时代。

  业界将SiC产业链降本增效目标锁定在8英寸衬底上，国外大厂加速推进，产能提升，抢占先机。国内8英寸进展方面，从2022年开始，目前已有十余家企业与机构公布8英SiC衬底开发成功，整体处于小批量验证导入量产进程中，加快产能提升，缩小与国外差距。8英寸4H-SiC晶体制备难点涉及高质量8英寸4H-SiC籽晶制备，温度场不均匀和成核过程控制，气相物质组分输运效率和演变规律，热应力增大导致的晶体开裂和缺陷增殖，大尺寸晶圆的超精密加工及面型控制等。

  报告分享了8英寸SiC研究进展，涉及核心装备自主研发，8英寸SiC籽晶制备，8英寸温场优化，8英寸单晶衬备，8英寸衬底微管缺陷，8英寸衬底性能表征，8英寸衬底位错缺陷，TSD向外延层延伸转化，同步辐射观察晶体中TSD，晶体中TSD增殖的影响因素，晶体生长过程中TSD行为，8英寸衬底BPD缺陷控制，8英寸衬底（500um）面型参数控制等。

  研究结果为，以6英寸籽晶为起点，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。通过多次迭代，逐步扩大SiC晶体的尺寸直到达到8英寸。制备了8英寸导电型4H-SiC晶体，加工出了8英寸4H-SiC衬底；经拉曼测试，无6H和15R等多型，4H晶型面积比例达到100%，实现了8英寸4H-SiC单一晶型控制。

  继续迭代优化，减少了6英寸以外的扩径区域的微管缺陷数量；8英寸衬底微管密度稳定控制在0.1cm-2以下，与6英寸衬底量产水平一致。8英寸SiC衬底要实现量产，提升市场占有率，还要进一步降低位错缺陷密度；TSD和BPD对器件性能影响较大，TED对器件性能影响比较小。衬底中的TSD作为贯穿型缺陷，大部分直接延伸到外延层中，小部分发生转化。

  晶体生长过程中二维成核、异相包裹物等因素，诱发TSD 成核产生，造成TSD的增殖。晶体生长过程中位错间相互作用或转化导致TSD合并或湮灭。南砂晶圆公司联合山东大学实现了近“零螺位错”密度的8英寸导电型4H-SiC单晶衬备。

  广州南砂晶圆半导体技术有限公司于2018年9月21日在广州南沙自贸区成立，是一家集碳化硅单晶材料研发、生产与销售于一体的国家高新技术企业；公司以山东大学近年来研发的最新碳化硅单晶生长和衬底加工技术成果为基础，同山东大学开展全方位产学研合作。2022年9月南沙总部基地投入到正常的使用中，扩产SiC单晶生长和加工产线年启动济南中晶芯源基地建设，增加8英寸比例。8英寸N型碳化硅产品产能正在爬坡，已交付多家客户。

  报告指出，在应用升级和政策驱动的双重带动下，我国8英寸SiC发展进入快车道；需要上下游通力合作，抢抓机遇，提升国产8英寸SiC材料和器件的技术成熟度，抢占市场占有率，实现国产化。

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