碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈條核心：外延技術

發(fā)布人：旺材芯片時間：2021-08-20 來源：工程師

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碳化硅外延

外延工藝是整個產(chǎn)業(yè)中的一種非常關鍵的工藝，由于現(xiàn)在所有的器件基本上都是在外延上實現(xiàn)，所以外延的質(zhì)量對器件的性能是影響是非常大的，但是外延的質(zhì)量它又受到晶體和襯底。加工的影響，處在一個產(chǎn)業(yè)的中間環(huán)節(jié)，對產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到非常關鍵的作用。
碳化硅功率器件與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，不能直接制作在碳化硅單晶材料上，必須在導通型單晶襯底上額外生長高質(zhì)量的外延材料，并在外延層上制造各類器件。
碳化硅一般采用PVT方法，溫度高達2000多度，且加工周期比較長，產(chǎn)出比較低，因而碳化硅襯底的成本是非常高的。碳化硅外延過程和硅基本上差不多，在溫度設計以及設備的結構設計不太一樣。在器件制備方面，由于材料的特殊性，器件過程的加工和硅不同的是，采用了高溫的工藝，包括高溫離子注入、高溫氧化以及高溫退火工藝。

SiC外延片是SiC產(chǎn)業(yè)鏈條核心的中間環(huán)節(jié)

目前碳化硅和氮化鎵這兩種芯片，如果想最大程度利用其材料本身的特性，較為理想的方案便是在碳化硅單晶襯底上生長外延層。碳化硅外延片，是指在碳化硅襯底上生長了一層有一定要求的、與襯底晶相同的單晶薄膜（外延層）的碳化硅片。實際應用中，寬禁帶半導體器件幾乎都做在外延層上，碳化硅晶片本身只作為襯底，包括GaN外延層的襯底。我國SiC外延材料研發(fā)工作開發(fā)于“九五計劃”，材料生長技術及器件研究均取得較大進展。主要研究單位有中科院半導體研究所、中電集團13所和55所、西安電子科技大學等，產(chǎn)業(yè)化公司主要是東莞天域和廈門瀚天天成。目前我國已研制成功6英寸SiC外延晶片，且基本實現(xiàn)商業(yè)化。可以滿足3.3kV及以下電壓等級SiC電力電子器件的研制。不過，還不能滿足研制10kV及以上電壓等級器件和研制雙極型器件的需求。
碳化硅材料的特性從三個維度展開： 1.材料的性能，即物理性能：禁帶寬度大、飽和電子飄移速度高、存在高速二維電子氣、擊穿場強高。這些材料特性將會影響到后面器件的性能。 2. 器件性能：耐高溫、開關速度快、導通電阻低、耐高壓。優(yōu)于普通硅材料的特性。反映在電子電氣系統(tǒng)和器件產(chǎn)品中。 3. 系統(tǒng)性能：體積小、重量輕、高能效、驅(qū)動力強。碳化硅的耐高壓能力是硅的10 倍，耐高溫能力是硅的2 倍，高頻能力是硅的2 倍；相同電氣參數(shù)產(chǎn)品，采用碳化硅材料可縮小體積50%，降低能量損耗80%。這也是為什么半導體巨頭在碳化硅的研發(fā)上不斷加碼的原因：希望把器件體積做得越來越小、能量密度越來越大。硅材料隨著電壓的升高，高頻性能和能量密度不斷在下降，和碳化硅、氮化鎵相比優(yōu)勢越來越小。碳化硅主要運用在高壓環(huán)境，氮化鎵主要集中在中低壓的領域。造成兩者重點發(fā)展的方向有重疊、但各有各的路線。通常以650V 作為一個界限：650V以上通常是碳化硅材料的應用，650V 以下比如一些消費類電子上氮化鎵的優(yōu)勢更加明顯。 SiC外延片關鍵參數(shù) 碳化硅外延材料的最基本的參數(shù)，也是最關鍵的參數(shù)，就右下角黃色的這一塊，它的厚度和摻雜濃度均勻性。我們所講外延的參數(shù)其實主要取決于器件的設計，比如說根據(jù)器件的電壓檔級的不同，外延的參數(shù)也不同。一般低壓在600伏，我們需要的外延的厚度可能就是6個μm左右，中壓1200~1700，我們需要的厚度就是10~15個μm。高壓的話1萬伏以上，可能就需要100個μm以上。所以隨著電壓能力的增加，外延厚度隨之增加，高質(zhì)量外延片的制備也就非常難，尤其在高壓領域，尤其重要的就是缺陷的控制，其實也是非常大的一個挑戰(zhàn)。

SiC外延片制備技術

碳化硅外延兩大主要技術發(fā)展，應用在設備上。

1980年提出的臺階流生長模型

此對外延的發(fā)展、對外延的質(zhì)量都起到了非常重要的作用。它的出現(xiàn)首先是生長溫度，可以在相對低的溫度下實現(xiàn)生長，同時對于我們功率器件感興趣的4H晶型來說，可以實現(xiàn)非常穩(wěn)定的控制。

引入TCS，實現(xiàn)生長速率的提升

引入TCS可以實現(xiàn)生長速率達到傳統(tǒng)的生長速率10倍以上，它的引入不光是生產(chǎn)速率得到提升，同時也是質(zhì)量得到大大的控制，尤其是對于硅滴的控制，所以說對于厚膜外延生長來說是非常有利的。這個技術率先由LPE在14年實現(xiàn)商業(yè)化，在17年左右Aixtron對設備進行了升級改造，將這個技術移植到了商業(yè)的設備中。碳化硅外延中的缺陷其實有很多，因為晶體的不同所以它的缺陷和其它一些晶體的也不太一樣。他的缺陷主要包括微管、三角形缺陷、表面的胡蘿卜缺陷，還有一些特有的如臺階聚集。基本上很多缺陷都是從襯底中直接復制過來的，所以說襯底的質(zhì)量、加工的水平對于外延的生長來說，尤其是缺陷的控制是非常重要的。 碳化硅外延缺陷一般分為致命性和非致命性：致命性缺陷像三角形缺陷，滴落物，對所有的器件類型都有影響，包括二極管，MOSFET，雙極性器件，影響最大的就是擊穿電壓，它可以使擊穿電壓減少20%，甚至跌到百分之90。非致命性的缺陷比如說一些TSD和TED，對這個二極管可能就沒有影響，對MOS、雙極器件可能就有壽命的影響，或者有一些漏電的影響，最終會使器件的加工合格率受到影響。控制碳化硅外延缺陷，方法一是謹慎選擇碳化硅襯底材料；二是設備選擇及國產(chǎn)化；三是工藝技術。

碳化硅外延技術進展情況

在低、中壓領域，目前外延片核心參數(shù)厚度、摻雜濃度可以做到相對較優(yōu)的水平。但在高壓領域，目前外延片需要攻克的難關還很多，主要參數(shù)指標包括厚度、摻雜濃度的均勻性、三角缺陷等。在中、低壓應用領域，碳化硅外延的技術相對是比較成熟的。基本上可以滿足低中壓的SBD、JBS、MOS等器件的需求。如上是一個1200伏器件應用的10μm的外延片，它的厚度、摻雜濃度了都達到了一個非常優(yōu)的水平，而且表面缺陷也是非常好的，可以達到0.5平方以下。在高壓領域外延的技術發(fā)展相對比較滯后，如上是2萬伏的器件上的200μm的一個碳化硅外延材料，它的均勻性、厚度和濃度相對于上述介紹的低壓差很多，尤其是摻雜濃度的均勻性。同時，高壓器件需要的厚膜方面，目前的缺陷還是比較多的，尤其是三角形缺陷，缺陷多主要影響大電流的器件制備。大電流需要大的芯片面積。同時它的少子壽命目前也比較低。在高壓方面的話，器件的類型趨向于使用于雙極器件，對少子壽命要求比較高，從右面這個圖我們可以看到，要達到一個理想的正向電流它的少子壽命至少要達到5μs以上，目前的外延片的少子壽命的參數(shù)大概在1~2個μs左右，所以說還對高壓器件的需求目前來說還沒法滿足，還需要后處理技術。

SiC外延片制備設備情況

碳化硅外延材料的主要設備，目前這個市場上主要有四家：
1、德國的Aixtron：特點是產(chǎn)能比較大； 2、意大利的LPE，屬于單片機，生長速率非常大。 3、日本的TEL和Nuflare，其設備的價格非常昂貴，其次是雙腔體，對提高產(chǎn)量有一定的作用。其中，Nuflare是最近幾年推出來的一個非常有特點的設備，其能高速旋轉(zhuǎn)，可以達到一分鐘1000轉(zhuǎn)，這對外延的均勻性是非常有利的。同時它的氣流方向不同于其他設備，是垂直向下的，所以它可以避免一些顆粒物的產(chǎn)生，減少滴落到片子上的概率。

行業(yè)格局

在全球市場中，外延片企業(yè)主要有 DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、羅姆、三菱電機、Infineon 等，多數(shù)是IDM公司。日本也存在比較優(yōu)越的碳化硅外延的供應商，比如說昭和電工，但它已經(jīng)不是一個純粹的做碳化硅外延的，因為他在前幾年也收購了日本的新日鐵，開始涉及到了碳化硅單晶的制備。全球業(yè)內(nèi)的龍頭Cree旗下Wolfspeed，是IDM公司，除了對外提供襯底片和外延片，還做器件、模塊。Cree 占據(jù)襯底市場約 40%份額、器件市場約 23%份額。在大陸市場，純粹做外延片的有：瀚天天成（EpiWorld）和東莞天域半導體均可供應 4-6 英寸外延片，中電科 13 所、55 所亦均有內(nèi)部供應的外延片生產(chǎn)部門。臺灣地去有嘉晶電子。北方華創(chuàng)目前為化合物半導體生產(chǎn)開發(fā)的相關刻蝕機等設備。公司表示在化合物半導體SiC/GaN 的刻蝕中存在諸多挑戰(zhàn)，包括刻蝕的寬縱比、特殊的刻蝕輪廓的控制、刻蝕的選擇性以及過高/過低的刻蝕速率。能訊半導體率先在國內(nèi)開展了GaN 材料與器件的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，公司擁有先進的GaN-on-Si 以及GaN-on-SiC 外延工藝，可以滿足微波功率器件及電力電子器件的應用需求。在制造方面，公司有用亞微米柵極技術、鈍化層技術、襯底減薄VIA 通孔技術等。公司目前在昆山擁有6,000/年3” GaN 晶圓片的產(chǎn)能。中車時代電氣為中國中車子公司，在功率半導體方面處于國內(nèi)領先水平。半導體相關器件主要用途為軌道交通、輸變電及新能源領域。2018 年1 月實現(xiàn)國內(nèi)首條6” SiC芯片生產(chǎn)線技術調(diào)試完成，2 月產(chǎn)線已正式開始流片。該項目總投資為3.5 億元，可實現(xiàn)4”及6” SiC SBD、PiN、MOSFET 等器件的研發(fā)和制造。

應用領域

從終端應用層上來看在碳化硅材料在高鐵、汽車電子、智能電網(wǎng)、光伏逆變、工業(yè)機電、數(shù)據(jù)中心、白色家電、消費電子、5G通信、次世代顯示等領域有著廣泛的應用，市場潛力巨大。在應用上，分為低壓、中壓和高壓領域在低壓領域：主要是針對一些消費電子，比如說PFC、電源；舉例子：小米和華為推出來快速充電器，所采用的器件就是氮化鎵器件。在中壓領域：主要是汽車電子和3300V以上的軌道交通和電網(wǎng)系統(tǒng)。舉例子：特斯拉是使用碳化硅器件最早的一個汽車制造商，使用的型號是model3。在中低壓領域，碳化硅和氮化鎵為競爭關系，更傾向于氮化鎵。在中低壓碳化硅已經(jīng)有非常成熟的二極管和MOSFET產(chǎn)品在市場當中推廣應用。在高壓領域：碳化硅有著獨一無二的優(yōu)勢。但迄今為止，在高壓領域現(xiàn)在還沒有一個成熟的產(chǎn)品的推出，全球都在處于研發(fā)的階段。 電動車是碳化硅的最佳應用場景 豐田的電驅(qū)動模塊（電動車的核心部件），碳化硅的器件比硅基IGBT 的體積縮小了50%甚至更多，同時能量密度也比硅基IGBT 高很多。這也是很多廠商傾向于使用碳化硅的原因，可以優(yōu)化零部件在車上的布置，節(jié)省更多的空間。特斯拉Model 3 電驅(qū)動模塊：采用24 顆意法半導體碳化硅器件，豐田也計劃2020年推出搭載碳化硅器件的電動車，豐田作為日系廠商較為傾向于日系的供應商，目前是三菱或富士在爭取這些業(yè)務和豐田開展合作。

來源：IN SEMI

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