碳化硅(SiC)技術(shù)壁壘分析:碳化硅技術(shù)壁壘是什么

2024.10.22 華年商城瀏覽量: 253

碳化硅技術(shù)壁壘分析:碳化硅技術(shù)壁壘是什么碳化硅技術(shù)壁壘有哪些

碳化硅芯片不僅是一個(gè)新風(fēng)口,也是一個(gè)很大的挑戰(zhàn),那么我們來碳化硅技術(shù)壁壘分析下碳化硅技術(shù)壁壘是什么?碳化硅技術(shù)壁壘有哪些?

1) 第一代半導(dǎo)體材料以傳統(tǒng)的硅(Si)和鍺(Ge)為代表,是集成電路制造的基礎(chǔ),廣泛應(yīng)用于低壓?低頻?低功率的晶體管和探測(cè)器中,90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品是用硅基材料制作的;

2) 第二代半導(dǎo)體材料以砷化鎵(GaAs)?磷化銦(InP)和磷化鎵(GaP)為代表, 相對(duì)硅基器件具有高頻?高速的光電性能,廣泛應(yīng)用于光電子和微電子領(lǐng)域;

3) 第三代半導(dǎo)體材料以碳化硅(SiC)?氮化鎵(GaN)?氧化鋅(ZnO)?金剛石(C)?氮化鋁(AlN)等新興材料為代表?

碳化硅是第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料,碳化硅功率器件以其優(yōu)異的耐高壓?耐高溫?低損耗等性能,能夠有效滿足電力電子系統(tǒng)的高效率?小型化和輕量化要求?

因其優(yōu)越的物理性能:高禁帶寬度(對(duì)應(yīng)高擊穿電場(chǎng)和高功率密度)?高電導(dǎo)率?高熱導(dǎo)率,有望成為未來最被廣泛使用的制作半導(dǎo)體芯片的基礎(chǔ)材料?特別是在新能源汽車?光伏發(fā)電?軌道交通?智能電網(wǎng)等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì)?

碳化硅技術(shù)壁壘是什么?碳化硅技術(shù)壁壘有哪些?

SiC 生產(chǎn)過程分為 SiC 單晶生長?外延層生長及器件制造三大步驟,對(duì)應(yīng)的是產(chǎn)業(yè)鏈襯底?外延?器件與模組四大環(huán)節(jié)?

主流制造襯底的方式首先以物理氣相升華法,在高溫真空環(huán)境下將粉料升華,通過溫場(chǎng)的控制在籽晶表面生長出碳化硅晶體?以碳化硅晶片為襯底,使用化學(xué)氣相沉積法,在晶片上淀積一層單晶形成外延片?其中,在導(dǎo)電型碳化硅襯底上生長碳化硅外延層,可制成功率器件,主要應(yīng)用于電動(dòng)車?光伏等領(lǐng)域;在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層,可進(jìn)一步制成射頻器件,應(yīng)用于 5G 通訊等領(lǐng)域?

就目前而言,碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈中碳化硅襯底的技術(shù)壁壘最高,碳化硅襯底生產(chǎn)難度最高?

SiC的生產(chǎn)瓶頸尚未完全徹底的解決,原料晶柱的質(zhì)量不穩(wěn)定存在良率問題,這就導(dǎo)致了SiC器件的成本過高?

硅材料長晶平均只要3天即可長成一根晶棒,但碳化硅晶棒則需要一周,一般的硅晶棒可以長200公分的長,但一根碳化硅的晶棒只能長出2公分?

而且SiC本身屬于硬脆性材料,由其制成的晶圓,在使用傳統(tǒng)的機(jī)械式切割晶圓劃片時(shí),極易產(chǎn)生崩邊,影響產(chǎn)品良率及可靠性?

SiC基板與傳統(tǒng)的硅晶錠有很大不同,從設(shè)備?工藝?處理到切割的一切都需要進(jìn)行開發(fā),以處理碳化硅?

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈主要分為襯底?外延?器件和應(yīng)用四大環(huán)節(jié),襯底材料是產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ),外延材料是器件制造的關(guān)鍵,器件是產(chǎn)業(yè)鏈的核心,應(yīng)用是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的動(dòng)力?產(chǎn)業(yè)上游利用原材料通過物理氣相升華法等方法制成襯底材料,再利用化學(xué)氣相沉積法等方法生長外延材料, 產(chǎn)業(yè)中游基于上游材料制成射頻器件?功率器件等器件,最終應(yīng)用于下游 5G 通信?電動(dòng)汽車?軌道交通等?其中,襯底和外延共占產(chǎn)業(yè)鏈成本 60%,是產(chǎn)業(yè)鏈主要價(jià)值所在?

SiC襯底:SiC晶體通常用Lely法制造,國際主流產(chǎn)品正從4英寸向6英寸過渡,且已經(jīng)開發(fā)出8英寸導(dǎo)電型襯底產(chǎn)品,國內(nèi)襯底以4英寸為主?由于現(xiàn)有的6英寸的硅晶圓產(chǎn)線可以升級(jí)改造用于生產(chǎn)SiC器件,所以6英寸SiC襯底的高市占率將維持較長時(shí)間?

碳化硅襯底工藝復(fù)雜,制作難度大?碳化硅襯底是一種由碳和硅兩種元素組成的化合物半導(dǎo)體單晶材料?目前行業(yè)內(nèi)主要以高純碳粉? 高純硅粉為原料合成碳化硅粉,在特殊溫場(chǎng)下,采用成熟的物理氣相傳輸法(PVT 法),在晶體生長爐中生長不同尺寸的碳化硅晶錠,最后經(jīng)過加工?切割?研磨?拋光?清洗等多道工序產(chǎn)出碳化硅襯底?

穩(wěn)定量產(chǎn)性能穩(wěn)定的高品質(zhì)碳化硅晶片的技術(shù)難點(diǎn)有:

1)由于晶體需要在 2000℃以上的高溫密閉環(huán)境生長,對(duì)控溫要求極高;

2)由于碳化硅存在 200 多種晶體結(jié)構(gòu),但只有少數(shù)幾種結(jié)構(gòu)的單晶型碳化硅才是所需的半導(dǎo)體材料,在晶體生長過程中需要精確控制硅碳比?生長溫度梯度?晶體生長速率以及氣流氣壓等參數(shù);

3)氣相傳輸法下,碳化硅晶體生長的擴(kuò)徑技術(shù)難度極大;

4)碳化硅硬度與金剛石接近,切割?研磨?拋光技術(shù)難度大?

SiC外延:通常用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法制造,根據(jù)不同的摻雜類型,分為n型?p型外延片?國內(nèi)瀚天天成?東莞天域已能提供4寸/6寸SiC外延片?

對(duì)于SiC外延來說,高壓領(lǐng)域控制難,SiC外延質(zhì)量對(duì)SiC器件影響較大?而且外延設(shè)備被行業(yè)四大龍頭企業(yè) Axitron? LPE?TEL 和 Nuflare 所壟斷?

碳化硅外延片,是指在原有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? 外延生長主要使用 CVD(Chemical Vapor Deposition,化學(xué)氣相沉積)設(shè)備或者 MBE(Molecular Beam Epitaxy,分子束外延)設(shè)備?由于碳化硅器件是直接在外延層制造,外延質(zhì)量的好壞直接影響了器件的性能和良率,隨著器件需求耐壓性能的不斷提高,對(duì)應(yīng)的外延層厚度就越厚,控制難度也就越高?一般電壓在 600V 左右時(shí),所需要的外延層厚度約在 6 微米左右;電壓在 1200-1700V 之間時(shí),所需要的外延層厚度就達(dá)到 10-15 微米?如果電壓達(dá)到一萬伏以上時(shí),可能就需要 100 微米以上的外延層厚度?而隨著外延層厚度的不斷增加,對(duì)厚度和電阻率均勻性以及缺陷密度的控制就變得愈發(fā)困難?

SiC器件:國際上600~1700V SiC SBD?MOSFET已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,主流產(chǎn)品耐壓水平在1200V以下,封裝形式以TO封裝為主?價(jià)格方面,國際上的SiC產(chǎn)品價(jià)格是對(duì)應(yīng)Si產(chǎn)品的5~6倍,正以每年10%的速度下降,隨著上游材料器件紛紛擴(kuò)產(chǎn)上線,未來2~3年后市場(chǎng)供應(yīng)加大,價(jià)格將進(jìn)一步下降,預(yù)計(jì)價(jià)格達(dá)到對(duì)應(yīng)Si產(chǎn)品2~3倍時(shí),由系統(tǒng)成本減少和性能提升帶來的優(yōu)勢(shì)將推動(dòng)SiC逐步占領(lǐng)Si器件的市場(chǎng)空間?

傳統(tǒng)封裝基于硅基,三代半導(dǎo)體材料具有全新設(shè)計(jì)?若將傳統(tǒng)硅基封裝結(jié)構(gòu)用于寬禁帶半導(dǎo)體功率器件時(shí),會(huì)在頻率?散熱?可靠性等方面帶來新的問題與挑戰(zhàn)? SiC 功率器件對(duì)寄生電容和寄生電感更加敏感?相比于 Si 器件 SiC 功率芯片的開關(guān)速度更快,這會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓的波形帶來過沖和震蕩,引起開關(guān)損耗的增加,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鸸β势骷恼`開關(guān)?此外 SiC 功率器件工作溫度更高,對(duì)散熱的要求也更高?

寬禁帶半導(dǎo)體功率封裝領(lǐng)域研發(fā)出多種不同結(jié)構(gòu)?傳統(tǒng) Si 基功率模塊封裝不再適用?針對(duì)傳統(tǒng) Si 基功率模塊封裝存在寄生參數(shù)過高,散熱效率差的問題,SiC 功率模塊封裝在結(jié)構(gòu)上采用了無引線互連(wireless interconnection)和雙面散熱 (double-side cooling)技術(shù),同時(shí)選用了導(dǎo)熱系數(shù)更好的襯底材料,并嘗試在模塊結(jié)構(gòu)中集成去耦電容?溫度/電流傳感器以及驅(qū)動(dòng)電路等,研發(fā)出了多種不同的模塊封裝技術(shù)?

而且在SiC器件制造存在較高的技術(shù)壁壘,生產(chǎn)成本很高?

碳化硅器件是通過 CVD 在碳化硅襯底上疊層外延膜,經(jīng)過清洗?氧化?光刻?刻蝕?去光阻?離子注入?化學(xué)氣相沉積沉淀氮化硅?拋光?濺鍍?后加工等步驟后在 SiC 單晶基板上形成元件結(jié)構(gòu)所得? 其中,SiC 功率器件主要包括 SiC 二極管?SiC 晶體管和 SiC 功率模塊?受制于上游材料生產(chǎn)速度慢?良品率低等原因,碳化硅器件具有較高制造成本?

此外,碳化硅器件制造具有一定技術(shù)難度:

1)需要開發(fā)與碳化硅材料特性吻合的特定工藝,如:SiC 具有高熔點(diǎn)使傳統(tǒng)熱擴(kuò) 散失效,需要采用離子注入摻雜法,并精準(zhǔn)控制溫度?升溫速率?持續(xù)時(shí)間?氣體流量等參數(shù);SiC 對(duì)化學(xué)溶劑具有惰性,應(yīng)采用干刻蝕等方法,并優(yōu)化和開發(fā)掩膜材料?氣體混合物?側(cè)壁斜率的控制?蝕刻速率?側(cè)壁粗糙度等;

2)碳化硅晶片上金屬電極的制造要求接觸電阻低于 10- 5Ω2,符合要求的電極材料 Ni 和 Al 在 100℃ 以上時(shí)具有較差熱穩(wěn)定性,但具有較好熱穩(wěn)定性的 Al/Ni/W/Au 復(fù)合電極材料接觸比電阻高 10- 3Ω2;

3)SiC 切割磨損高,SiC 硬度僅次于金剛石,對(duì)切割?研磨?拋光等技術(shù)提出了更高的要求?

而且,溝槽型碳化硅功率器件具有更大制造難度?根據(jù)器件結(jié)構(gòu)的不同,碳化硅功率器件主要可以分為平面型器件和溝槽型器件?平面型碳化硅功率器件具有較好的單位一致性,制作工藝簡(jiǎn)單,但易產(chǎn)生 JFET 效應(yīng),具有較高的寄生電容和通態(tài)電阻?相較于平面型器件,溝槽型碳化硅功率器件單位一致性較低,具有更復(fù)雜的制作工藝,但溝槽結(jié)構(gòu)有利于增加器件單位密度,不易產(chǎn)生 JFET 效應(yīng),有利于解決溝道遷移率低等問題,具有導(dǎo)通電阻小?寄生電容小?開關(guān)能耗低等優(yōu)良性能, 具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)和性能優(yōu)勢(shì),已成為碳化硅功率器件發(fā)展的主流方向?根據(jù) Rohm 官網(wǎng),ROHM Gen3 結(jié)構(gòu)(Gen1 Trench 結(jié)構(gòu))僅為 Gen2(Plannar2)芯片面積的 75%,且同一芯片尺寸下 ROHM Gen3 結(jié)構(gòu)導(dǎo)通電阻降低 50%?

碳化硅襯底?外延?前段?研發(fā)費(fèi)用和其他分別在碳化硅器件制造成本中占比 47%,23%,19%,6%,5%?

最后我們?cè)僦胤纸庖幌绿蓟璁a(chǎn)業(yè)鏈中襯底的技術(shù)壁壘?

碳化硅襯底生產(chǎn)過程與硅基襯底類似,但是難度更大?

碳化硅襯底的制作流程一般包括原料合成?晶體生長?晶錠加工?晶棒切割?晶片研磨?拋光?清洗等環(huán)節(jié)?