中国在基于新型SiC复合衬底的低成本MOSFET上取得重要进展

近日，中科院微电子所高频高压中心刘新宇研究员团队与青禾晶元公司、南京电子器件研究所等团队合作，基于新型6英寸SiC复合衬底成功实现高性能低成本1200V SiC MOSFET。

当前，碳化硅（SiC）晶圆行业正持续扩大产能以满足不断增长的市场需求。但可用于MOSFET制造的无缺陷衬底（即“高质量”衬底）的成品率通常仅为40%-60%。在6-8英寸SiC的生长和提纯过程中，自然会产生低等级衬底（即“低质量”衬底）。在目前的工业生产中，这些衬底通常被作为陪片甚至废料处理，导致高质量SiC衬底的生产成本很高，通常占最终MOSFET器件成本的50%以上。此外，SiC衬底的制造过程耗能较高，导致较高的碳排放。

为应对这一挑战，微电子所与合作单位在国际上首次提出了一种新型6英寸单晶SiC复合衬底，通过表面活化键合技术和离子注入剥离技术，将高质量SiC薄层键合转移到低质量单晶SiC衬底上，实现了低质量单晶SiC衬底有效使用，每个高质量SiC晶圆可重复使用超过30次（即每个高质量晶圆可以产生超过30个薄层），预计成本降低40%。

该复合衬底表现出与高质量衬底相当的缺陷密度，界面热阻低至2.8 +1.4/-0.7 m²K/GW，且键合界面处电场强度很小。此界面热阻是目前国际上报道的SiC与其他材料（如SiC、GaN和Ga₂O₃）键合界面中最低值。在该衬底上生长的6英寸SiC外延层实现了高达99.2%的无致命缺陷良率。基于此6英寸外延层制造的1200V、20mΩ的SiC MOSFET器件展示了超过70%的良率（在I_DSS<2µA，在1200V条件下测试），其性能和可靠性可同最先进的商用器件相媲美。电路鲁棒性测试显示，在超过250A、持续10ms的浪涌电流下，键合界面没有出现退化现象。该成果是首次报道基于SiC复合衬底的晶圆级器件数据及高电流鲁棒性。结果表明，这项新的衬底技术具有巨大的潜力，为更加经济和可持续的SiC功率电子器件提供了重要的发展方向。

    基于该研究成果的论文“Cost-Effective 1200 V SiC MOSFETs on a Novel 150 mm SiC Engineered Substrate with Dummy Grade Material Reuse”，于12月10日以口头报告形式发表在第70届国际电子器件大会上（IEDM 2024）。微电子所王鑫华研究员为第一作者，微电子所刘新宇研究员、青禾晶元公司母凤文研究员、弗吉尼亚理工大学（现香港大学）张宇昊教授为论文共同通讯作者。

图1. 6英寸SiC-SiC键合制造过程的主要步骤

图2. 在6英寸工程衬底和外延层上制造的SiC MOSFET沟道区域的横截面高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像

图3 在VGS= -4V和在VDS=1200V条件下的6英寸晶圆上制作的器件的IGSS分布图

（绿色为通过，图a良率为90%，图b良率为70%）

    图4 浪涌电路测试图

(a) 为电路原理图，(b) 为理想波形

(c) 为浪涌电流测试装置照片

(d) 为被测件在不同浪涌电流水平下的电流和电压波形

(e) 失效被测件的引脚间电阻