“万能离子刀”技术为8英寸SiC提供低成本方案
2025/1/2 16:03:16 材料来源：ACT化合物半导体
作者：欧欣，伊艾伦
工作简介
近日，上海微系统所异质集成XOI课题组自主研发了基于“万能离子刀”的碳化硅（SiC）复合衬底制造技术，SiC晶圆尺寸最大达到8英寸，并初步通过外延验证。该技术将高质量SiC单晶薄膜与低成本SiC衬底集成在一起，在满足高质量外延需求的同时，预期将使8英寸SiC衬底制造成本降低40%以上。技术方案的实施有望加速SiC功率器件低成本化进程。
研究背景
碳化硅材料作为宽禁带半导体中的代表材料，具有高击穿场强、高导热性和高载流子饱和迁移率等优异特性。在产业应用中，4H晶型因其优良的电学性能成为行业主要选择，是高频、高温、大功率电子及光电器件等应用的理想材料。典型的，在800V以上的新能源汽车应用中，SiC MOSFET与传统的硅基相比具有更高的电子迁移率、更高的开关速度更低的开关损耗及更小的器件体积，性能优势明显，但目前瓶颈则在于SiC功率器件较传统Si器件的成本高昂，解决的关键则在于降低衬底成本。通常，采用更大尺寸晶圆能够大幅度降低单个器件的成本，然而当晶圆从6英寸扩径到8英寸时，制备难度进一步增加，“切磨抛”良率大幅下降，衬底成本不降反升，这使得8英寸碳化硅晶圆制造面临极大的挑战。
上海微系统所异质集成XOI团队基于“万能离子刀”异质集成技术，通过离子注入剥离与转移的方法可以将高质量SiC单晶薄膜与硅、低成本或多晶SiC集成在一起，进一步循环剥离高质量SiC衬底（“刀削面”工艺），从而使高质量SiC一片变多片，实现单片成本的大幅下降。团队在国内最早开展SiC单晶薄膜制备与异质集成技术研究，率先在国际上实现并报道了4英寸Si基SiC单晶薄膜异质晶圆（SiCOI）[Optical Materials, 2020, 107: 109990]，并在高温MEMS [IEEE Sensors Journal, 2022, 22(14): 13930-13936]、集成光子学[Light: Science & Applications, 2021, 10: 139; Light: Science & Applications, 2022, 11: 341]、量子信息[Applied Physics Reviews, 2022, 9: 031302]等领域付诸应用，相关研究成果发表于Appl. Phys. Rev.、Light Sci. Appl.、npj Quant. Inform.等高水平期刊上1-5。而在主流的SiC功率电子领域，“万能离子刀”技术预期在SiC晶圆成本降低及产能提升方面优势明显，预期将为行业发展高质量、低成本8英寸SiC技术提供一种创新解决方案。
工作内容
异质集成XOI课题组基于“万能离子刀”技术实现了SiC复合衬底的制备。如图1所示为复合衬底的制备工艺流程，首先对高质量SiC进行离子注入，而后经过表面处理后与低成本SiC键合在一起，经过退火剥离后将高质量SiC薄膜与SiC衬底结合在一起。通过回收剥离后的高质量SiC反复利用，实现单片SiC成本的大幅下降。目前技术水平预期可以将SiC晶圆回收循环利用10次，预期将使8英寸单片制造成本降低40%，提高回收技术水平将使单片成本进一步降低。
△ 图1：SiC复合衬底制备流程图：（a）离子注入；（b）表面活化处理；（c）键合过程；（d）退火剥离及晶圆回收；（e）最终优化后处理；（f）单片高质量SiC产出多片复合衬底晶圆。
基于以上制备流程，团队实现了6英寸及8英寸的SiC复合衬底的制备，如图2（a、b）所示，制备的SiC复合晶圆厚度平均值346μm，TTV为1.075μm，Bow为8.429μm，LTV为0.885μm，表面粗糙度Rq为0.225 nm，基本达到后续外延需求。经过瞬态热反射热阻测试，拟合计算界面热阻约为0.01 m2K/GW，即键合界面附近热阻与体材料基本相当。
△ 图2：SiC复合衬底及其各项性能：（a）150 mm SiC复合衬底；（b）200 mm SiC复合衬底；（c）衬底厚度（150 mm）；（d）衬底TTV（150 mm）；（e）表面粗糙度Rq（150 mm）；（f）界面热阻测试（150 mm）。
图3展示了复合衬底的微观TEM截面情况。经过对直接键合过程的技术优化，可以看到，虽然在低分辨率下可以看出键合界面，但是从暗场STEM测试结果来看，键合界面并没有明显的多晶区域，薄膜与衬底是以较好单晶状态结合在一起，这为纵向器件的载流子输运提供了良好基础。
△ 图4：150mm SiC复合衬底外延结果表征：（a）（e、f）图测试点位示意图；（b）外延结构SEM截面；（c）外延表面粗糙度Rq；（d）外延结构（004）面XRD摇摆曲线；（e）外延层厚度；（f）外延层载流子掺杂浓度。
未来XOI团队将进一步致力于高品质、低成本、大尺寸SiC异质集成技术的研究，为解决目前SiC的产业瓶颈提供可行方案。
扩展阅读
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Yi, A. et al. Silicon carbide for integrated photonics. Applied Physics Reviews 9, doi:10.1063/5.0079649 (2022).
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Yan, F.-F. et al. Room-temperature coherent control of implanted defect spins in silicon carbide. npj Quantum Information 6, doi:10.1038/s41534-020-0270-8 (2020).
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Yi, A. et al. Wafer-scale 4H-silicon carbide-on-insulator (4H–SiCOI) platform for nonlinear integrated optical devices. Opt. Mater. 107, 109990, doi:10.1016/j.optmat.2020.109990 (2020).
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Wang, C. et al. High-Q microresonators on 4H-silicon-carbide-on-insulator platform for nonlinear photonics. Light Sci Appl 10, 139, doi:10.1038/s41377-021-00584-9 (2021).
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Lv, Y. et al. MEMS Thermocouple Sensor Based on 4H-Silicon-Carbide-On-Insulator (4H-SiCOI). IEEE Sens. J. 22, 13930-13936, doi:10.1109/jsen.2022.3181046 (2022).
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