碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈條核心：外延技術(shù)
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碳化硅外延
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(dǎo)通型單晶襯底上額外生長(zhǎng)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(dá)2000多度，且加工周期比較長(zhǎng)，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(shè)計(jì)以及設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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。
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SiC外延片是SiC產(chǎn)業(yè)鏈條核心的中間環(huán)節(jié)
碳化硅材料的特性從三個(gè)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(chǎng)強(qiáng)高。這些材料特性將會(huì)影響到后面器件的性能。 2. 器件性能：耐高溫、開關(guān)速度快、導(dǎo)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(dòng)力強(qiáng)。 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(dǎo)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(shì)越來越小。 碳化硅主要運(yùn)用在高壓環(huán)境，氮化鎵主要集中在中低壓的領(lǐng)域。造成兩者重點(diǎn)發(fā)展的方向有重疊、但各有各的路線。通常以650V 作為一個(gè)界限：650V以上通常是碳化硅材料的應(yīng)用，650V 以下比如一些消費(fèi)類電子上氮化鎵的優(yōu)勢(shì)更加明顯。 SiC外延片關(guān)鍵參數(shù) 碳化硅外延材料的最基本的參數(shù)，也是最關(guān)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(shí)主要取決于器件的設(shè)計(jì)，比如說根據(jù)器件的電壓檔級(jí)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(gè)μm左右，中壓1200~1700，我們需要的厚度就是10~15個(gè)μm。高壓的話1萬伏以上，可能就需要100個(gè)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(lǐng)域，尤其重要的就是缺陷的控制，其實(shí)也是非常大的一個(gè)挑戰(zhàn)。
03
SiC外延片制備技術(shù)
1980年提出的臺(tái)階流生長(zhǎng)模型
此對(duì)外延的發(fā)展、對(duì)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(zhǎng)溫度，可以在相對(duì)低的溫度下實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)于我們功率器件感興趣的4H晶型來說，可以實(shí)現(xiàn)非常穩(wěn)定的控制。
引入TCS，實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)速率的提升
引入TCS可以實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)速率達(dá)到傳統(tǒng)的生長(zhǎng)速率10倍以上，它的引入不光是生產(chǎn)速率得到提升，同時(shí)也是質(zhì)量得到大大的控制，尤其是對(duì)于硅滴的控制，所以說對(duì)于厚膜外延生長(zhǎng)來說是非常有利的。這個(gè)技術(shù)率先由LPE在14年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，在17年左右Aixtron對(duì)設(shè)備進(jìn)行了升級(jí)改造，將這個(gè)技術(shù)移植到了商業(yè)的設(shè)備中。 碳化硅外延中的缺陷其實(shí)有很多，因?yàn)榫w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(tái)階聚集。 基本上很多缺陷都是從襯底中直接復(fù)制過來的，所以說襯底的質(zhì)量、加工的水平對(duì)于外延的生長(zhǎng)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(duì)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(duì)這個(gè)二極管可能就沒有影響，對(duì)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(huì)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(jǐn)慎選擇碳化硅襯底材料；二是設(shè)備選擇及國產(chǎn)化；三是工藝技術(shù)。
04
碳化硅外延技術(shù)進(jìn)展情況
在低、中壓領(lǐng)域，目前外延片核心參數(shù)厚度、摻雜濃度可以做到相對(duì)較優(yōu)的水平。但在高壓領(lǐng)域，目前外延片需要攻克的難關(guān)還很多，主要參數(shù)指標(biāo)包括厚度、摻雜濃度的均勻性、三角缺陷等。 在中、低壓應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅外延的技術(shù)相對(duì)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(gè)1200伏器件應(yīng)用的10μm的外延片，它的厚度、摻雜濃度了都達(dá)到了一個(gè)非常優(yōu)的水平，而且表面缺陷也是非常好的，可以達(dá)到0.5平方以下。 在高壓領(lǐng)域外延的技術(shù)發(fā)展相對(duì)比較滯后，如上是2萬伏的器件上的200μm的一個(gè)碳化硅外延材料，它的均勻性、厚度和濃度相對(duì)于上述介紹的低壓差很多，尤其是摻雜濃度的均勻性。 同時(shí)，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(shí)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(duì)少子壽命要求比較高，從右面這個(gè)圖我們可以看到，要達(dá)到一個(gè)理想的正向電流它的少子壽命至少要達(dá)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(gè)μs左右，所以說還對(duì)高壓器件的需求目前來說還沒法滿足，還需要后處理技術(shù)。
05
SiC外延片制備設(shè)備情況
1、德國的Aixtron：特點(diǎn)是產(chǎn)能比較大； 2、意大利的LPE，屬于單片機(jī)，生長(zhǎng)速率非常大。 3、日本的TEL和Nuflare，其設(shè)備的價(jià)格非常昂貴，其次是雙腔體，對(duì)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(gè)非常有特點(diǎn)的設(shè)備，其能高速旋轉(zhuǎn)，可以達(dá)到一分鐘1000轉(zhuǎn)，這對(duì)外延的均勻性是非常有利的。同時(shí)它的氣流方向不同于其他設(shè)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。
06
行業(yè)格局
07
應(yīng)用領(lǐng)域
來源：IN SEMI
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