車(chē)規(guī)碳化硅功率模塊——襯底和外延篇

中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)最新數(shù)據(jù)顯示，2022年1月至11月，新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)分別完成625.3萬(wàn)輛和606.7萬(wàn)輛，同比均增長(zhǎng)1倍，市場(chǎng)占有率達(dá)到25%。由此可見(jiàn)新能源汽車(chē)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了快車(chē)道。在這里我們注意到，由于里程焦慮和快速充電的要求，800V 電池母線(xiàn)系統(tǒng)獲得了不少的OEM或者Tier1的青睞。談到800V母線(xiàn)系統(tǒng)，讓我們聚焦到其中的核心功率器件碳化硅功率模塊，由于碳化硅得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，使得它非常適合用來(lái)制造高耐壓、高結(jié)溫、高速的MOSFET，這三高恰好契合了800V母線(xiàn)系統(tǒng)對(duì)于核心的功率器件的要求。安森美(onsemi)非常看好800V母線(xiàn)系統(tǒng)的發(fā)展，有一些研究機(jī)構(gòu)，預(yù)測(cè)截至到2026年，SiC在整個(gè)功率器件市場(chǎng)的占比將達(dá)到12%以上。

安森美在碳化硅的領(lǐng)域涉足甚早，最早從2004年就開(kāi)始SiC器件的研發(fā)。但是安森美是從2021年收購(gòu)了GT Advanced Technologies (GTAT)之后開(kāi)始全方位在碳化硅領(lǐng)域的投入，無(wú)論是資金，人力物力以及客戶(hù)和市場(chǎng)。收購(gòu)了GTAT之后，開(kāi)始了安森美在碳化硅領(lǐng)域的垂直整合供應(yīng)鏈——從晶體到系統(tǒng)之路！接下來(lái)我們將對(duì)兩個(gè)碳化硅的關(guān)鍵的供應(yīng)鏈襯底和外延epi進(jìn)行分析和介紹，這樣大家會(huì)對(duì)于安森美在碳化硅的布局和領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)會(huì)有進(jìn)一步的了解。

安森美碳化硅全垂直整合的供應(yīng)鏈——從晶體到系統(tǒng)

供應(yīng)鏈從我們位于新罕布什爾州哈德遜的工廠生長(zhǎng)單晶SiC粉材料開(kāi)始。在襯底上生長(zhǎng)一層很薄的外延層，然后經(jīng)過(guò)多個(gè)復(fù)雜的器件加工步驟生產(chǎn)出芯片，然后將芯片來(lái)封裝成最終產(chǎn)品。整個(gè)制造流程端到端垂直整合，具有全面的可靠性、可追溯性以及完善的質(zhì)量測(cè)試，以確保產(chǎn)品零缺陷的要求。

全垂直整合的供應(yīng)鏈，在目前的供應(yīng)鏈體系里具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，如產(chǎn)能易于擴(kuò)展、品質(zhì)優(yōu)和成本控制，尤其是目前碳化硅的整個(gè)供應(yīng)鏈的每一個(gè)環(huán)節(jié)都不是那么容易可靠的高質(zhì)量的量產(chǎn)，這個(gè)和硅的供應(yīng)體系下是不太一樣的。在硅的供應(yīng)鏈里，硅片（襯底）通常會(huì)被交給第三方來(lái)生產(chǎn)，第三方的質(zhì)量、成本和良率都做的相當(dāng)不錯(cuò)。接下來(lái)我們會(huì)對(duì)襯底和外延的生產(chǎn)進(jìn)行展開(kāi)，這樣大家就會(huì)明白為什么安森美選擇在碳化硅領(lǐng)域選擇了全垂直整合的供應(yīng)鏈模式。這也使得安森美成為了目前全球?yàn)閿?shù)不多具有從襯底到模塊、到系統(tǒng)能力的公司。

晶體/襯底

我們的芯片都是在襯底的基礎(chǔ)上長(zhǎng)上一層薄薄的外延，然后才拿去制作芯片。那襯底又是怎樣生產(chǎn)制造出來(lái)的呢？這里涉及到兩個(gè)步驟，首先是將碳化硅粉放到長(zhǎng)晶爐里生長(zhǎng)成晶體得到碳化硅晶錠，碳化硅晶錠需要打磨拋光，然后送去切割，并經(jīng)過(guò)拋光這樣得到了我們生產(chǎn)器件需要的晶圓襯底。圖一是一個(gè)長(zhǎng)晶爐的示意圖和實(shí)物照片。

圖一 長(zhǎng)晶爐示意圖和實(shí)物

這里面涉及到了兩個(gè)關(guān)鍵的步驟，晶體生長(zhǎng)，晶錠切割和拋光。圖二則是我們從碳化硅粉到襯底的生產(chǎn)流程簡(jiǎn)圖

圖二 碳化硅襯底生產(chǎn)流程圖

目前比較成熟的碳化硅晶體生長(zhǎng)方法主要是PVT和CVD兩種，它們都屬于氣象生長(zhǎng)（vapor phase growth），而碳化硅型體主要是4H和6H兩種。

圖三 碳化硅晶體生長(zhǎng)方式

首先我們來(lái)看看晶體的生長(zhǎng)都面臨哪些挑戰(zhàn)

●   要擁有高品質(zhì)的籽晶（種子） 

●   減少?gòu)淖丫У叫律L(zhǎng)的晶體缺陷的技術(shù)

●   晶體生長(zhǎng)需要高溫（>2000°C）

o   在這些溫度和生長(zhǎng)時(shí)間下，很少有材料保持惰性，很容易發(fā)生反應(yīng)。

●   多態(tài)性–多達(dá)220種型體，目前可用的主要是用4H和6H

●   不一致的分解（氣體: Si, Si2C, SiC），（固態(tài)：碳）

●   源頭的純凈度 – 缺陷的晶核點(diǎn)

●   與Si相比，晶錠長(zhǎng)寬比往往較低

●   整個(gè)行業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是長(zhǎng)出更長(zhǎng)的無(wú)缺陷晶體

●   晶體直徑擴(kuò)大（目前最大是8“）

o   無(wú)裂紋、高結(jié)晶質(zhì)量（晶片邊緣附近的晶界、缺陷等）

而GTAT本身是從生產(chǎn)制造長(zhǎng)晶爐起家的，到現(xiàn)在差不多有20年左右的碳化硅長(zhǎng)晶爐的設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于晶體生長(zhǎng)的這些挑戰(zhàn)，GTAT擁有者豐富的經(jīng)驗(yàn)，我們有高品質(zhì)的籽晶，很好的溫度的控制等，有很好的缺陷控制技術(shù)以及很好的缺陷檢測(cè)和標(biāo)識(shí)能力。

談到碳化硅的缺陷，下面是碳化硅晶體的幾種典型的缺陷

●   晶型不穩(wěn)定性

●   開(kāi)核位錯(cuò)（微管）

●   閉合核螺釘位錯(cuò)

●   低角度晶界

●   常規(guī)位錯(cuò)

●   基底平面位錯(cuò)（BPD）-基底平面邊緣位錯(cuò)或部分BPD

●   螺紋邊緣錯(cuò)位（TED）

●   疊加故障/轉(zhuǎn)換

這些缺陷都是在襯底或者說(shuō)晶錠階段產(chǎn)生的，但是這些缺陷一旦產(chǎn)生了，就沒(méi)法消除，它們會(huì)繼續(xù)衍生到外延層，最終會(huì)影響到器件的質(zhì)量。所以我們不僅需要在襯底階段就要標(biāo)識(shí)出來(lái)，在外延層也要把他們標(biāo)識(shí)出來(lái)以排除在外。這個(gè)對(duì)外延層帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

晶型不穩(wěn)定

4H-SiC中的各種位錯(cuò)的特征

外延后的缺陷——位錯(cuò)的傳播

外延層中的擴(kuò)展表面缺陷

圖四 碳化硅襯底缺陷

高質(zhì)量的晶體是整個(gè)碳化硅供應(yīng)鏈的基石，而GTAT在這些方面積累了相當(dāng)豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，它確保了安森美的碳化硅器件是在一個(gè)高質(zhì)量的襯底上完成的。同時(shí)我們也可以非常快速的擴(kuò)產(chǎn)，而這也是安森美富有競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)方面。

Epitaxy – EPI外延

碳化硅外延層是指在碳化硅器件制造工藝中，生長(zhǎng)沉積在晶圓襯底上的那一部分。我們?yōu)槭裁葱枰庋?？在某些情況下，需要碳化硅有非常純的與襯底有相同晶體結(jié)構(gòu)表面，還要保持對(duì)雜質(zhì)類(lèi)型和濃度的控制。這要通過(guò)在碳化硅襯底表面淀積一個(gè)外延層來(lái)達(dá)到。在功率器件中我們器件的每個(gè)單元等基本上都是在外延層加工完成的，它的質(zhì)量對(duì)于器件來(lái)說(shuō)重要性可見(jiàn)一斑。不同的器件對(duì)于外延的要求是不一樣的。二極管對(duì)于外延的偏差和缺陷要求和MOSFET對(duì)它們的要求是兩個(gè)不同層次的需求。MOSFET對(duì)于外延質(zhì)量的要求很高。摻雜的偏差會(huì)影響MOSFET的Rdson的分布。有些缺陷會(huì)導(dǎo)致MOSFET輕則漏電流偏大，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致MOSFET失效。

外延目前來(lái)說(shuō)比較成熟的加工技術(shù)是CVD，這也導(dǎo)致很多人誤認(rèn)為外延是比較容易加工的。其實(shí)這個(gè)是一個(gè)誤解，外延并不是簡(jiǎn)單的把CVD的爐子買(mǎi)回來(lái)，就可以把它們做好，當(dāng)然相對(duì)晶體襯底來(lái)說(shuō)，它要相對(duì)簡(jiǎn)單一些但是并不代表它很容易做好，外延和晶體襯底面臨的挑戰(zhàn)是不一樣的。也有很多人說(shuō)現(xiàn)在市場(chǎng)上很多公司都有能力加工二極管的外延，他們只要稍微升級(jí)一下設(shè)備就可以很好的生長(zhǎng)MOSFET的外延了，這個(gè)說(shuō)法有待商榷。因?yàn)榫拖裎恼律厦嬲f(shuō)的MOSFET和二極管對(duì)于外延的要求是不一樣的，他們對(duì)于一致性和翹曲度等要求也不是一個(gè)數(shù)量級(jí)的。在外延這一個(gè)環(huán)節(jié)，安森美同樣擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，早在并購(gòu)GTAT之前，安森美在碳化硅的外延和晶圓生產(chǎn)研發(fā)方面已經(jīng)擁有超過(guò)10年的經(jīng)驗(yàn)。因此我們會(huì)把這一優(yōu)勢(shì)繼續(xù)保持，在擴(kuò)大襯底生產(chǎn)的同時(shí)也擴(kuò)大外延的生產(chǎn)。

相對(duì)晶錠襯底不同的是，外延的挑戰(zhàn)主要集中在下面的幾個(gè)指標(biāo)上：

●   厚度以及一致性

●   摻雜和一致性

●   表面缺陷快速檢測(cè)和標(biāo)識(shí)追蹤能力

●   底部缺陷快速檢測(cè)和標(biāo)識(shí)追蹤能力

●   控制擴(kuò)展缺陷

●   清洗

●   大尺寸的晶圓翹曲度的控制

我們把檢測(cè)到的缺陷做一下分類(lèi)。

圖五 外延缺陷

下圖是一個(gè)完整的MOSFET active cell，這里就包含了襯底的缺陷，然后衍生到外延的缺陷。

圖六 碳化硅MOSFET缺陷剖面圖 - 襯底外延缺陷

總結(jié)一下，由于襯底的缺陷不能在外延層去把它消除，所以我們會(huì)采取一定的策略，讓致命缺陷惡化，然后把它們篩選出來(lái)，這樣的話(huà)在外延這一個(gè)流程中就要求襯底的缺陷具有可追溯性，所以對(duì)于襯底和外延都自己生產(chǎn)的公司就具有天然的優(yōu)勢(shì)?？梢员容^好的控制缺陷率。

由于襯底和外延和芯片的技術(shù)發(fā)展相關(guān)性不是特別大，所以我單獨(dú)把這兩個(gè)流程拿出來(lái)和大家分享，接下來(lái)的芯片技術(shù)發(fā)展比如MOSFET的平面結(jié)構(gòu)或者溝槽結(jié)構(gòu)都是直接在外延層里加工。因此后面的技術(shù)發(fā)展我們可以再分別拿出來(lái)討論。安森美在襯底和外延的供應(yīng)鏈上垂直整合了自己內(nèi)部的資源，因此對(duì)于客戶(hù)來(lái)說(shuō)，他們的供給是可以預(yù)測(cè)的，這也是很多全球性的客戶(hù)積極的和安森美簽署了長(zhǎng)期供應(yīng)協(xié)議，因?yàn)槲覀兊倪@一供應(yīng)模式給予了他們長(zhǎng)期保障。