碳化硅基板及磊晶成長領(lǐng)域 環(huán)球晶布局掌握關(guān)鍵技術(shù)

由于5G、電動車、高頻無線通信及國防航天等新興科技趨勢的興起，產(chǎn)業(yè)對于高頻率、低耗損的表現(xiàn)需求日益增加，如何在高溫、高頻率及高電壓等惡劣環(huán)境作業(yè)下?lián)p失較少功率的化合物半導(dǎo)體材料，備受產(chǎn)業(yè)期待。而基于碳化硅（SiC）芯片制作寬能隙半導(dǎo)體的器件，能夠滿足傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體所不能滿足的諸多優(yōu)點(diǎn)。
放眼全球化合物半導(dǎo)體大廠，碳化硅（SiC）晶圓的供應(yīng)以美國大廠Cree為首，是具有上下游整合制造能力的整合組件制造商（IDM），在碳化硅之全球市占率高達(dá)六至七成。磊晶廠則以美國的II-VI Incorporated為代表；模塊廠包括歐系的意法半導(dǎo)體（STM）、英飛凌（Infineon）、日本的羅姆（Rohm）和三菱電機(jī)（Mitsubishi Electric）等。
在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，臺灣的環(huán)球晶為全球第三大半導(dǎo)體硅晶圓供貨商，除了產(chǎn)品布局的組合多元，提供半導(dǎo)體材料「一站式購買」服務(wù)，并且在碳化硅芯片領(lǐng)域積極布局掌握關(guān)鍵技術(shù)。

碳化硅專利組合家族
環(huán)球晶的專利組合中涉及碳化硅基板（碳化硅芯片）及磊晶結(jié)構(gòu)的專利家族（INPADOC Family）有20案，自2016年起開始專利布局，2017年布局最多關(guān)于碳化硅基板及其磊晶成長的專利（圖一）。
 
圖一 : 環(huán)球晶碳化硅基板及其磊晶成長的專利申請趨勢圖（Count by INPADOC Family；作者繪圖）

在其專利組合中，涉及三階國際專利分類碼（International Patent Classification； IPC）以適用半導(dǎo)體裝置的H01L最多，其次為C30B；四階IPC以適用于制造或處理半導(dǎo)體裝置或組件之方法或設(shè)備的H01L 21最多，其次為C30B 29；五階IPC則包括H01L 21/20、H01L 21/304、C30B 29/36、C30B 25/18、C30B 33/00，以及C30B 23/00（表一）。

表一 環(huán)球晶的專利組合中INPADOC Family涉及國際專利分類碼（IPC）對照表

 
專利布局著重二大要項
環(huán)球晶在碳化硅芯片領(lǐng)域的專利布局，著重在碳化硅芯片的表面加工方法以及磊晶技術(shù)。

一、碳化硅芯片的表面加工方法
磊晶薄膜對芯片（基板）的依賴性很強(qiáng)。因此碳化硅芯片表面質(zhì)量，例如缺陷率和平坦度，會影響于其上形成磊晶薄膜的質(zhì)量，嚴(yán)重會引起漏電和降低電子遷移率，進(jìn)而影響半導(dǎo)體組件制作的性能。在技術(shù)上，環(huán)球晶對碳化硅芯片表面進(jìn)行加工，以有效改善碳化硅芯片表面產(chǎn)生的缺陷及平整度不佳的問題[1]。

此外，在現(xiàn)有碳化硅芯片表面加工技術(shù)中，為了將碳化硅芯片的表面損傷移除，可以在碳化硅芯片的表面形成犧牲氧化層，之后再將犧牲氧化層移除，以一并將表面損傷移除，從而提升碳化硅芯片的表面平坦度。

然而，由于碳化硅芯片的碳面晶向與硅面的不同，因此兩面存在著氧化速率不一致的問題，碳化硅芯片的碳面為損耗面，氧化速率過快、而硅面為加工面的氧化速率過慢，如此將因需要移除過多的碳面氧化層而易因機(jī)械加工產(chǎn)生新的表面損傷，或者為了讓硅面氧化層成長至一定的厚度致使時間過于冗長。

環(huán)球晶提出一種碳化硅芯片表面加工方法，在犧牲氧化層形成的步驟中，以有機(jī)薄膜或蠟?zāi)磔o助，使得讓硅面的氧化速率大于碳面的氧化速率，從而減少材料的浪費(fèi)和新的表面損傷產(chǎn)生的機(jī)會，并可縮短犧牲氧化層的成長時間[2]。

二、磊晶技術(shù)
磊晶（Epitaxy）是指在晶圓上長出新結(jié)晶以形成半導(dǎo)體層的技術(shù)。在磊晶和基板界面常有本身磊晶材料引發(fā)自發(fā)極化或者因磊晶和基板晶格不匹配而引發(fā)壓電極化，造成磊晶和基板界面電阻降低（interface loss）的問題。

環(huán)球晶因此提供一種包括硅基板和碳化硅層的磊晶基板，藉由形成碳化硅層于硅基板內(nèi)部，并且控制碳化硅層與第一表面之間的距離介于100埃與500埃之間，因此可藉由碳化硅層解決在磊晶面因自發(fā)或壓電極化而產(chǎn)生的界面電阻降低以及寄生功率損失的問題[3]。

現(xiàn)有的半導(dǎo)體組件是在磊晶基材上成長磊晶層，然后再于磊晶層上制作組件的結(jié)構(gòu)。而磊晶用的基材通常會在基板上成長緩沖層，緩沖層之目的即是用以減少基板與磊晶層之間晶格不匹配的情形、降低缺陷密度或減少基板與磊晶層之間熱膨脹系數(shù)的差異，

為了降低基板和磊晶層之間的應(yīng)力，避免基板彎曲及破裂的現(xiàn)象產(chǎn)生，環(huán)球晶提出一種磊晶用的基材，包括利用復(fù)數(shù)層堆棧的原子層形成質(zhì)量較高的緩沖層，進(jìn)而提升基材上磊晶層的質(zhì)量及組件的效能[4]。并提供一種包括背擴(kuò)散阻擋阻障層的磊晶結(jié)構(gòu)，除了可改善磊晶結(jié)構(gòu)晶格的匹配性，其中該背擴(kuò)散阻擋阻障層的碳濃度沿厚度方向?yàn)椴诫A式變化或步階漸變式變化，可同時具有擴(kuò)散阻擋作用與改善載子局限能力，進(jìn)而增加半導(dǎo)體組件的特性[5]。

此外，傳統(tǒng)上當(dāng)磊晶層的材料為GaN（或其他的III-V族化合物）時，不同的基板與磊晶層在晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)具有差異，針對不同基板分別是：

1.硅基板（17%的晶格錯配和46%的熱膨脹系數(shù)差異）

2.藍(lán)寶石基板（16%的晶格錯配和34%的熱膨脹系數(shù)差異）

3.SiC基板（3.5%的晶格錯配和25%的熱膨脹系數(shù)差異）

雖然SiC基板具有最小的晶格常數(shù)錯配和最小的熱膨脹系數(shù)，但相較其他基板材質(zhì)也最昂貴?；诨迮c磊晶層之間的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)差異，當(dāng)磊晶層成長于基板上時，異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力場，進(jìn)而導(dǎo)致芯片翹曲或破裂。為減少異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)引起的彎曲/破裂現(xiàn)象，環(huán)球晶提出一種異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)[6]，例如在基板上創(chuàng)建一損傷層、應(yīng)用摻質(zhì)在基板內(nèi)形成擴(kuò)散層以及在基板施加保護(hù)層等技術(shù)或使用以上三種技術(shù)的組合。

化合物半導(dǎo)體競爭板塊卡位前驅(qū)
綜觀以上，唯有掌握關(guān)鍵技術(shù)、強(qiáng)化碳化硅晶圓供應(yīng)鏈及提升半導(dǎo)體晶圓地位，才能夠在國際市場上脫穎而出。茲說明評析如下:
 
圖二 : 現(xiàn)在積極布局、掌握關(guān)鍵技術(shù)，打造臺灣成為重要的供應(yīng)鏈，化合物半導(dǎo)體將有機(jī)會成為下一個護(hù)國神山。（source：The Manufacturer）

一、技術(shù)門坎高，掌握關(guān)鍵技術(shù)
目前各國投入化合物半導(dǎo)體的廠商不多，主要是技術(shù)門坎高。化合物半導(dǎo)體是兩種以上的元素結(jié)合，必須考慮晶格及原子的匹配性，在晶球生長、磊晶制程及晶圓加工階段都算困難。以SiC為例，將碳與硅兩種材料進(jìn)行高溫熔融，必須精準(zhǔn)掌握高真空度及高溫均勻性等兩大要件，技術(shù)難度高，因此成本居高不下。

未來在電動車、5G時代的促使下，肯定是化合物半導(dǎo)體風(fēng)光的年代，該領(lǐng)域技術(shù)門坎相對困難，若能現(xiàn)在就積極布局、掌握關(guān)鍵技術(shù)，打造臺灣成為一個重要的供應(yīng)鏈，化合物半導(dǎo)體有機(jī)會成為下一個護(hù)國神山。

二、強(qiáng)化碳化硅晶圓供應(yīng)鏈
2019年8月環(huán)球晶與GT Advanced Technologies（GTAT）雙方達(dá)成協(xié)議共同簽署碳化硅晶球長期合約[7]，串連各自的技術(shù)優(yōu)勢，快速擴(kuò)大產(chǎn)能，形成新的碳化硅晶圓供應(yīng)來源。此合作不僅擴(kuò)大環(huán)球晶于高階半導(dǎo)體晶圓材料產(chǎn)品的完整度，也擴(kuò)增其SiC硅晶圓于全球半導(dǎo)體市場上的供應(yīng)，并確保其取得長期穩(wěn)定且可依市場需要快速擴(kuò)充產(chǎn)能的高質(zhì)量碳化硅晶球供應(yīng)，對于環(huán)球晶碳化硅產(chǎn)品的加速成長，具有長遠(yuǎn)積極的實(shí)質(zhì)效益。

三、透過并購提升半導(dǎo)體晶圓產(chǎn)業(yè)地位
為了在半導(dǎo)體硅晶圓領(lǐng)域領(lǐng)先產(chǎn)業(yè)，環(huán)球晶在2020年12月與德國硅晶圓廠世創(chuàng)（Siltronic）正式簽訂商業(yè)合并協(xié)議（BCA），并確認(rèn)環(huán)球晶將公開收購世創(chuàng)所有流通在外股份。預(yù)期此次結(jié)合將帶來一系列的戰(zhàn)略與營運(yùn)效益，包括擴(kuò)大產(chǎn)能及市占率，提升半導(dǎo)體晶圓產(chǎn)業(yè)地位[8]，此外，透過并購可進(jìn)一步縮短在碳化硅及氮化鎵等寬能隙材料硅晶圓的開發(fā)及前置時間，以爭取國際功率半導(dǎo)體大廠及車用芯片的訂單，包括英特爾、安森美、英飛凌、意法、恩智浦、德州儀器等IDM大廠都將成為未來重要客戶。

臺灣產(chǎn)學(xué)研各界在化合物半導(dǎo)體發(fā)展上已耕耘多年且初具成效，加以國際仰賴的硅基半導(dǎo)體生態(tài)體系的能量加持優(yōu)勢，未來臺灣在全球化合物半導(dǎo)體競爭板塊之中，環(huán)球晶已卡位發(fā)展藍(lán)圖規(guī)畫并與國際介接，期待它再創(chuàng)造出一個臺灣之光!

（本文作者芮嘉瑋博士任職工業(yè)技術(shù)研究院技術(shù)移轉(zhuǎn)與法律中心執(zhí)行長室）

參考數(shù)據(jù)
[1] Silicon carbide wafer and method for production thereof, 2019 July 9, US Patent US10347481B2.
[2] 碳化硅芯片的表面加工方法，2020年1月11日公告，臺灣專利公告號I716304。
[3] Epitaxy substrate and method of manufacturing the same, 2020 March 5, US Patent publication US2020075328A1.
[4] 磊晶用之基材，2017年11月11日公告，臺灣專利公告號M551754。
[5] Epitaxial structure, 2021 February 18, US Patent Publication US2021050422A1.
[6] Silicon substrates with compressive stress and methods for production of the same, 2016 Jun. 28, US9378946B2.
[7] https://www.sas-globalwafers.com/en/globalwafers-and-gt-advanced-technologies-sign-long-term-agreement-for-silicon-carbide-crystal-global-leader-in-silicon-wafers-adds-silicon-carbide/
[8] 合并后環(huán)球晶將擠下日本勝高（SUMCO）成為全球第二大硅晶圓廠，市占率將達(dá)26.7％，與龍頭大廠日本信越（Shin-Etsu）的市占率差距僅2.7個百分點(diǎn)。