“拯救”SiC的几大新技术

半导体行业观察 · 半导体行业观察·2021-12-02 09:34

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碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料中的代表性材料,是一种具有1X1共价键的硅和碳化合物。据说,碳化硅最早是人们在太阳系刚诞生的46亿年前的陨石中发现的,所以又被称为“经历46亿年时光之旅的半导体材料”。

早在2014年的时候,科技日报就曾发过一篇名为《农业“弃儿”可成“工业宠儿”碳化硅》的报道,如果用《甄嬛传》里甄嬛的晋升地位来说,那时候的碳化硅或许还是楚楚动人的“莞贵人”。然而近些年,趁着5G、新能源汽车、充电设施、轨道交通等风口产业,碳化硅显然已经晋升成为“熹贵妃”。2019年的时候,圈内就流行着这么一句话:“得碳化硅者得天下”。火爆程度可见一斑。

火箭般的“晋升”速度源于此


与传统的硅材料相比,碳化硅具有大禁带宽度、高临界击穿场强、高热导率三个最显著特征。具体来看,禁带宽度方面,4H型碳化硅是硅的3 倍,因此能够在更高温(如汽车电子)下稳定工作;临界击穿场强方面,碳化硅可以达到硅的 10 倍,能在更高杂质浓度、更薄漂移层厚度的情况下制作出高耐压功率器件,从而同时实现“高耐压”、“低导通电阻”、“高频”三个特性;导热系数方面,碳化硅可以达到硅的3倍,能够提高热传导能力,而高导热率也有利于电子元器件向更小型化发展。

基于上述特性,碳化硅器件相比于硅基器件优势也更加明显,具体体现在:

(1)阻抗更低,可以缩小产品体积,提高转换效率;
(2)频率更高,碳化硅器件的工作频率可达硅基器件的10倍,而且效率不随着频率的升高而降低,可以降低能量损耗;
(3)能在更高的温度下运行,同时冷却系统可以做的更简单。碳化硅功率器件工作温度可达600℃以上,是同等硅基器件的4倍,可以承受更加极端的工作环境。

图片来源:东兴证券

据了解,碳化硅晶片经外延生长后主要用于制造功率器件、射频器件等分立器件,可广泛应用于新能源汽车、5G通讯、光伏发电、轨道交通等现代工业领域。

  • 功率器件


由于具备上述的几种特性,碳化硅被认为是一种超越硅极限的功率器件材料,在新能源领域中具有相比硅基器件更好的表现,因此碳化硅功率器件被广泛应用于光伏逆变器、轨道交通以及新能源汽车中的主驱逆变器、DC/DC转换器、充电系统中的车载充电机和充电桩等。

图片来源:中商产业研究院

其中,在新能源汽车方面,已有特斯拉、比亚迪、吉利、零跑汽车等多家车企决定采用或明确表示要采用SiC。据 IHS Markit 数据,受新能源汽车庞大需求的驱动以及电力设备等领域的带动,预计到 2027 年碳化硅功率器件的市场规模将超过100亿美元,碳化硅衬底的市场需求也将大幅增长。

在庞大市场需求的吸引下,英飞凌、意法半导体、Rohm等功率半导体主要供应商纷纷布局碳化硅功率产品,新能源相关的碳化硅功率器件应用也在不断落地。

  • 射频器件


射频器件是无线通信的核心部件,包括射频开关、LNA、功率放大器和滤波器等。目前,硅基LDMOS器件已经应用多年,主要应用于4GHz以下的低频领域。随着5G通讯技术的普及,对功率放大器性能提出要求也变得更高。

以碳化硅为衬底的氮化镓射频器件同时具备了碳化硅的高导热性能和氮化镓在高频段下大功率射频输出的优势,能够满足5G通讯对高频性能和高功率处理能力的要求。目前,碳化硅基氮化镓射频器件已逐步成为5G功率放大器,尤其宏基站功率放大器的主流技术路线。

据Yole Development预测,到2025年,射频功率放大器市场规模将增长至104亿美元,而氮化镓射频器件在功率放大器中的渗透率也将持续提高。随着5G市场对碳化硅基氮化镓器件需求的增长,碳化硅晶片的需求量也将大幅增长。

优势之下的技术壁垒


虽然碳化硅颇具优势,但其较高的技术难度以及随之而来的高成本让它难以像硅基器件那样普及。众所周知,碳化硅与硅基器件的原理相似,但碳化硅无论是材料还是器件的制造难度,都明显高于传统硅基。其中大部分的难度都是碳化硅材料高熔点和高硬度所需特殊工艺带来的。

  • 衬底制备


碳化硅器件的生产环节主要包括衬底制备、外延和器件制造封测三大步骤。而衬底制备不仅是各步骤中难度和价值量最高的环节,也是成本最贵的环节。目前,衬底成本大约是加工晶片的50%,外延片是25%,器件晶圆生产环节20%,封装测试环节5%。

由于晶体生长速率慢、制备技术难度较大,大尺寸、高品质碳化硅衬底生产成本依旧较高,所以即使碳化硅衬底在1990年代的时候就已经实现产业化,但较低的供应量和较高的价格依旧成为制约碳化硅基器件大规模应用的主要因素,限制了产品在下游行业的应用和推广。

与传统的单晶硅使用提拉法制备不同,碳化硅材料因为一般条件下无法液相生长,只能使用气相生长的方法,如物理气相传输法(PVT)。这也就带来了碳化硅晶体制备的两个难点:

(1)生长条件苛刻,对温度和压力的控制要求高。一般而言,碳化硅气相生长温度在2000℃-2500℃之间,压力350MPa,而硅仅需1600℃左右。高温对设备和工艺控制带来了极高的要求,温度和压力控制稍有失误,就会导致生长数天的产品失败。
(2)长晶速度慢。PVT法生长碳化硅的速度缓慢,7天才能生长2厘米左右,而生产1至2米的8英寸硅晶棒仅需要2天半左右,6英寸硅晶棒则只需要约1天。
同时碳化硅材料本身的特性也让提高了晶体生长难度。具体来看:
(3)晶型要求高、良率低。碳化硅有超过200种相似的晶型,需要精确的材料配比、热场控制和经验积累,才能在高温下制备出无缺陷、皆为4H晶型的可用碳化硅衬底(其他晶型不可用)。
(4)切割磨损高。碳化硅是硬度仅次于金刚石的材料,莫氏硬度分布在 9.2~9.6,在对其进行切割时,加工难度较高且磨损多。

衬底制备各环节流程及难点  来源:东兴证券

  • 外延


与传统的硅基器件不同,碳化硅衬底的质量和表面特性不能满足直接制造器件的要求,因此在制造大功率和高压高频器件时,不能直接在碳化硅衬底上制作器件,而必须在单晶衬底上额外沉积一层高质量的外延材料,并在外延层上制造各类器件。

当前,碳化硅采用的是同质外延生长技术,设备与生长技术已比较成熟,可生长出超过100~200μm的碳化硅外延材料,但在外延生长中受到衬底的质量和加工水平的影响,会产生缺陷。

目前,碳化硅材料外延主要是要控制外延的厚度和掺杂浓度两个参数。器件依据不同的设计,所需的外延参数也不同。一般而言,外延的厚度越大,器件能够承受的电压也就越高,但外延层厚度越大,高质量外延片的制备就越困难,尤其是在高压领域,对缺陷的控制十分困难。

图片来源:东兴证券

  • 器件的制造与封测


由于碳化硅器件的部分工艺需要在高温下完成,这给器件的制造和封测带来了较大的难度。比如,在掺杂步骤中,传统硅基材料可以用扩散的方式完成掺杂,但由于碳化硅扩散温度远高于硅,所以只能采用高温离子注入的方式。而高温离子注入后,碳化硅材料原本的晶格结构被破坏,需要用高温退火工艺进行修复,退火温度又需要高达1600℃。这无疑对设备和工艺控制都带来了极大的挑战。

基于上述的技术难点,当前碳化硅的成本依旧较高,功率器件成本远高于硅基功率器件。此外,碳化硅二极管和硅基产品价格差在3~5倍,SiC MOSFET和硅基产品价格差在~5倍。

技术突破一直在路上


从目前发展趋势来看,未来碳化硅将会被越来越多地用于纯电动汽车和光伏发电系统的逆变器等领域,市场前景十分广阔。在此背景下,如何突破技术壁垒,更好得发挥碳化硅材料的优势成为了技术人员亟需解决的难题。

今年以来,作为碳化硅材料大国美国、日本接连研发了无损测量碳化硅器件中载流子寿命、表面纳米控制技术、全新银烧结技术等多项新技术,旨在解决碳化硅材料生产中的难题,提高碳化硅器件性能。

  • 无损测量碳化硅器件中载流子寿命,提高器件性能


今年年初,日本名古屋工业大学研究小组提出了一种无损测量碳化硅器件中载流子寿命的方法。研究人员使用激发激光器来创建载流子,并使用带有检测器的探针激光器来测量激发载流子的寿命。

通过这种可以进行更简单、非侵入性分析的技术,工程师们可以开始对载流子寿命进行微调,以达到传导调制和低开关损耗的完美平衡。未来。这项技术有望带来新一代更新、更高性能的碳化硅器件。

  • 表面纳米控制技术,消除碳化硅衬底缺陷


今年3月,日本丰田通商株式会社宣布,他们联合日本关西学院采用一种表面纳米控制工艺技术——Dynamic AGE-ing,可以消除碳化硅衬底的缺陷,并完成了 6 英寸碳化硅衬底的性能验证。

据介绍,Dynamic AGE-ing是一种将热蚀刻和晶体生长集成在一起的非接触式纳米控制工艺技术,通过将SiC衬底置于1600℃至2100℃的超高温气相环境中,该技术就可以自动将原子排列在表面上,从而就能够彻底去除加工应变层,而零缺陷主要是通过阻止BPD来实现的。

图片来源:丰田通商株式会社

通过使用“Dynamic AGE-ing ”技术,可以提高任何尺寸、任意供应商的碳化硅衬底质量。此外,通过简化衬底制造工艺和提高产量,可以提高 SiC 衬底的生产率。

图片来源:丰田通商株式会社

  • 全新银烧结技术进行芯片焊接,提高封装可靠性


今年5月,东芝通过一种全新的银(Ag)烧结技术进行芯片焊接,使碳化硅功率模块的可靠性提高一倍,并减少20%的功耗。东芝将此新技术命名为iXPLV。

通过银烧结技术提高可靠性  图片来源:东芝

  • 实现碳化硅晶圆高速整平开发封装技术


今年8月,日本产业研究所表示,他们团队可以实现碳化硅晶圆的高速整平开发封装技术。特别是在低速的镜面加工中,获得了比以前快12倍的抛光速度。按照他们所说,其建立了一种新的批量式加工技术,可与片式加工方法的镜面磨削工艺相媲美。

研究人员试图通过生产一种固定磨粒平台来解决这些问题,其中将金刚石磨石成型为平台,并将其与高速抛光设备相结合。当使用固定磨粒平台时,确认平台旋转速度和抛光速度成比例,这比使用浆料的典型加工条件快约 12 倍,达到与传统磨削相当的速度。

该团队表示,拟将本次研发的抛光技术引入先进电力电子研究中心的6英寸兼容SiC晶圆集成加工工艺,并应用于同一研究中心的功率器件开发,促进技术示范。

  • 热注入提升碳化硅芯片性能和电源效率


今年9月,应用材料公司宣布推出多项全新产品以帮助世界领先的碳化硅芯片制造商从150毫米晶圆量产转向200毫米晶圆量产,其中包括了VIISta® 900 3D 热离子注入系统。

据了解,这项热注入技术在注入离子的同时,能够将对晶格结构的破坏降到最低,产生的电阻率仅为室温下注入的四十分之一,解决了在碳化硅芯片制造期间,由于材料的密度和硬度的影响,离子注入在材料内加入掺杂剂会破坏晶格同时降低性能和电源效率的难题。

图片来源:应用材料

  • Mirra® Durum™ CMP* 系统 降低晶圆表面粗糙度


除了上述系统外,应用材料公司还开发了 Mirra® Durum™ CMP* 系统,此系统将抛光、材料去除测量、清洗和干燥整合到同一个系统内,可以量产具有最高质量表面的均匀晶圆。这一新系统生产的成品晶圆表面粗糙度仅为机械减薄SiC 晶圆的五十分之一,是批式 CMP工艺系统的粗糙度的三分之一。

  • 冷切割技术,节省碳化硅晶圆材料


近日,英飞凌表示,其用于生产碳化硅晶片的“冷裂”技术已获得生产资格。

2018 年 11 月,英飞凌曾以 1.24 亿欧元(约合 1.4 亿美元)收购了Siltectra GmbH,后者开发了一种称为冷裂的创新工艺,用于芯片加工,以更有效地节省材料和加工晶体。当时的英飞凌首席执行官Reinhard Ploss博士表示:“得益于冷切割技术,SiC晶圆可产出芯片数量的增加让SiC产品的产能爬坡升级变得更加容易,能更好地满足可再生能源的进一步增加的需求,以及SiC在电动汽车传动系统中的使用需求。”

据悉,英飞凌的冷切割技术与传统锯切工艺相比,原材料损失将减少了一半,从而提供了竞争优势。此外,英飞凌还希望进一步开发冷分裂技术,并用它来分裂加工过的晶圆,并从晶圆上剥离 100 微米的有源器件层。

  • 利用AI高精度制造碳化硅结晶,降低缺陷数量


今年11月,日本名古屋大学的宇治原彻教授等人开发出了利用人工智能(AI)高精度制造新一代半导体使用的碳化硅结晶的方法。这种方法能将结晶缺陷数量降至原来百分之一,提高了半导体生产的成品率。2021年6月成立的初创企业计划2022年销售样品,2025年实现量产。

据介绍,研究团队利用AI优化了多个项目。宇治原教授表示「让AI学习模拟(模拟实验)结果,导出了最佳条件」。经过4年的开发,可以制造能产业利用的约15厘米的尺寸了。 试制的SiC结晶比现有结晶的缺陷数量大幅减少。

写在最后


其实,从碳化硅晶圆尺寸的变化就可以看出技术一直在进步。此前,碳化硅晶圆的主流尺寸一直为4英寸和6英寸,随着今年意法半导体制造出首批200mm(8英寸)碳化硅晶圆,未来也会向着300mm(12英寸)进发。

在全球研究人员的努力下,将会有越来越多的新技术可以打破碳化硅材料带来的技术壁垒。届时碳化硅能否成为一统各大分立器件的“圣母皇太后”,我们拭目以待。


*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


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