“拯救”SiC的幾大新技術(shù)

碳化硅（SiC）作為第三代半導(dǎo)體材料中的代表性材料，是一種具有1X1共價(jià)鍵的硅和碳化合物。據(jù)說，碳化硅最早是人們?cè)谔栂祫傉Q生的46億年前的隕石中發(fā)現(xiàn)的，所以又被稱為“經(jīng)歷46億年時(shí)光之旅的半導(dǎo)體材料”。

早在2014年的時(shí)候，科技日?qǐng)?bào)就曾發(fā)過一篇名為《農(nóng)業(yè)“棄兒”可成“工業(yè)寵兒”碳化硅》的報(bào)道，如果用《甄嬛傳》里甄嬛的晉升地位來說，那時(shí)候的碳化硅或許還是楚楚動(dòng)人的“莞貴人”。然而近些年，趁著5G、新能源汽車、充電設(shè)施、軌道交通等風(fēng)口產(chǎn)業(yè)，碳化硅顯然已經(jīng)晉升成為“熹貴妃”。2019年的時(shí)候，圈內(nèi)就流行著這么一句話：“得碳化硅者得天下”?；鸨潭瓤梢娨话?。

火箭般的“晉升”速度源于此
與傳統(tǒng)的硅材料相比，碳化硅具有大禁帶寬度、高臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高熱導(dǎo)率三個(gè)最顯著特征。具體來看，禁帶寬度方面，4H型碳化硅是硅的3 倍，因此能夠在更高溫（如汽車電子）下穩(wěn)定工作；臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)方面，碳化硅可以達(dá)到硅的 10 倍，能在更高雜質(zhì)濃度、更薄漂移層厚度的情況下制作出高耐壓功率器件，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)“高耐壓”、“低導(dǎo)通電阻”、“高頻”三個(gè)特性；導(dǎo)熱系數(shù)方面，碳化硅可以達(dá)到硅的3倍，能夠提高熱傳導(dǎo)能力，而高導(dǎo)熱率也有利于電子元器件向更小型化發(fā)展。
基于上述特性，碳化硅器件相比于硅基器件優(yōu)勢(shì)也更加明顯，具體體現(xiàn)在：
（1）阻抗更低，可以縮小產(chǎn)品體積，提高轉(zhuǎn)換效率；（2）頻率更高，碳化硅器件的工作頻率可達(dá)硅基器件的10倍，而且效率不隨著頻率的升高而降低，可以降低能量損耗；（3）能在更高的溫度下運(yùn)行，同時(shí)冷卻系統(tǒng)可以做的更簡單。碳化硅功率器件工作溫度可達(dá)600℃以上，是同等硅基器件的4倍，可以承受更加極端的工作環(huán)境。

據(jù)了解，碳化硅晶片經(jīng)外延生長后主要用于制造功率器件、射頻器件等分立器件，可廣泛應(yīng)用于新能源汽車、5G通訊、光伏發(fā)電、軌道交通等現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域。

• 功率器件

由于具備上述的幾種特性，碳化硅被認(rèn)為是一種超越硅極限的功率器件材料，在新能源領(lǐng)域中具有相比硅基器件更好的表現(xiàn)，因此碳化硅功率器件被廣泛應(yīng)用于光伏逆變器、軌道交通以及新能源汽車中的主驅(qū)逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、充電系統(tǒng)中的車載充電機(jī)和充電樁等。

其中，在新能源汽車方面，已有特斯拉、比亞迪、吉利、零跑汽車等多家車企決定采用或明確表示要采用SiC。據(jù) IHS Markit 數(shù)據(jù)，受新能源汽車龐大需求的驅(qū)動(dòng)以及電力設(shè)備等領(lǐng)域的帶動(dòng)，預(yù)計(jì)到 2027 年碳化硅功率器件的市場(chǎng)規(guī)模將超過100億美元，碳化硅襯底的市場(chǎng)需求也將大幅增長。
在龐大市場(chǎng)需求的吸引下，英飛凌、意法半導(dǎo)體、Rohm等功率半導(dǎo)體主要供應(yīng)商紛紛布局碳化硅功率產(chǎn)品，新能源相關(guān)的碳化硅功率器件應(yīng)用也在不斷落地。

• 射頻器件

射頻器件是無線通信的核心部件，包括射頻開關(guān)、LNA、功率放大器和濾波器等。目前，硅基LDMOS器件已經(jīng)應(yīng)用多年，主要應(yīng)用于4GHz以下的低頻領(lǐng)域。隨著5G通訊技術(shù)的普及，對(duì)功率放大器性能提出要求也變得更高。
以碳化硅為襯底的氮化鎵射頻器件同時(shí)具備了碳化硅的高導(dǎo)熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足5G通訊對(duì)高頻性能和高功率處理能力的要求。目前，碳化硅基氮化鎵射頻器件已逐步成為5G功率放大器，尤其宏****功率放大器的主流技術(shù)路線。
據(jù)Yole Development預(yù)測(cè)，到2025年，射頻功率放大器市場(chǎng)規(guī)模將增長至104億美元，而氮化鎵射頻器件在功率放大器中的滲透率也將持續(xù)提高。隨著5G市場(chǎng)對(duì)碳化硅基氮化鎵器件需求的增長，碳化硅晶片的需求量也將大幅增長。
優(yōu)勢(shì)之下的技術(shù)壁壘
雖然碳化硅頗具優(yōu)勢(shì)，但其較高的技術(shù)難度以及隨之而來的高成本讓它難以像硅基器件那樣普及。眾所周知，碳化硅與硅基器件的原理相似，但碳化硅無論是材料還是器件的制造難度，都明顯高于傳統(tǒng)硅基。其中大部分的難度都是碳化硅材料高熔點(diǎn)和高硬度所需特殊工藝帶來的。

• 襯底制備

碳化硅器件的生產(chǎn)環(huán)節(jié)主要包括襯底制備、外延和器件制造封測(cè)三大步驟。而襯底制備不僅是各步驟中難度和價(jià)值量最高的環(huán)節(jié)，也是成本最貴的環(huán)節(jié)。目前，襯底成本大約是加工晶片的50%，外延片是25%，器件晶圓生產(chǎn)環(huán)節(jié)20%，封裝測(cè)試環(huán)節(jié)5%。
由于晶體生長速率慢、制備技術(shù)難度較大，大尺寸、高品質(zhì)碳化硅襯底生產(chǎn)成本依舊較高，所以即使碳化硅襯底在1990年代的時(shí)候就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但較低的供應(yīng)量和較高的價(jià)格依舊成為制約碳化硅基器件大規(guī)模應(yīng)用的主要因素，限制了產(chǎn)品在下游行業(yè)的應(yīng)用和推廣。
與傳統(tǒng)的單晶硅使用提拉法制備不同，碳化硅材料因?yàn)橐话銞l件下無法液相生長，只能使用氣相生長的方法，如物理氣相傳輸法（PVT）。這也就帶來了碳化硅晶體制備的兩個(gè)難點(diǎn)：
（1）生長條件苛刻，對(duì)溫度和壓力的控制要求高。一般而言，碳化硅氣相生長溫度在2000℃-2500℃之間，壓力350MPa，而硅僅需1600℃左右。高溫對(duì)設(shè)備和工藝控制帶來了極高的要求，溫度和壓力控制稍有失誤，就會(huì)導(dǎo)致生長數(shù)天的產(chǎn)品失敗。（2）長晶速度慢。PVT法生長碳化硅的速度緩慢，7天才能生長2厘米左右，而生產(chǎn)1至2米的8英寸硅晶棒僅需要2天半左右，6英寸硅晶棒則只需要約1天。同時(shí)碳化硅材料本身的特性也讓提高了晶體生長難度。具體來看：（3）晶型要求高、良率低。碳化硅有超過200種相似的晶型，需要精確的材料配比、熱場(chǎng)控制和經(jīng)驗(yàn)積累，才能在高溫下制備出無缺陷、皆為4H晶型的可用碳化硅襯底（其他晶型不可用）。（4）切割磨損高。碳化硅是硬度僅次于金剛石的材料，莫氏硬度分布在 9.2～9.6，在對(duì)其進(jìn)行切割時(shí)，加工難度較高且磨損多。

• 外延

與傳統(tǒng)的硅基器件不同，碳化硅襯底的質(zhì)量和表面特性不能滿足直接制造器件的要求，因此在制造大功率和高壓高頻器件時(shí)，不能直接在碳化硅襯底上制作器件，而必須在單晶襯底上額外沉積一層高質(zhì)量的外延材料，并在外延層上制造各類器件。
當(dāng)前，碳化硅采用的是同質(zhì)外延生長技術(shù)，設(shè)備與生長技術(shù)已比較成熟，可生長出超過100~200μm的碳化硅外延材料，但在外延生長中受到襯底的質(zhì)量和加工水平的影響，會(huì)產(chǎn)生缺陷。
目前，碳化硅材料外延主要是要控制外延的厚度和摻雜濃度兩個(gè)參數(shù)。器件依據(jù)不同的設(shè)計(jì)，所需的外延參數(shù)也不同。一般而言，外延的厚度越大，器件能夠承受的電壓也就越高，但外延層厚度越大，高質(zhì)量外延片的制備就越困難，尤其是在高壓領(lǐng)域，對(duì)缺陷的控制十分困難。

• 器件的制造與封測(cè)

由于碳化硅器件的部分工藝需要在高溫下完成，這給器件的制造和封測(cè)帶來了較大的難度。比如，在摻雜步驟中，傳統(tǒng)硅基材料可以用擴(kuò)散的方式完成摻雜，但由于碳化硅擴(kuò)散溫度遠(yuǎn)高于硅，所以只能采用高溫離子注入的方式。而高溫離子注入后，碳化硅材料原本的晶格結(jié)構(gòu)被破壞，需要用高溫退火工藝進(jìn)行修復(fù)，退火溫度又需要高達(dá)1600℃。這無疑對(duì)設(shè)備和工藝控制都帶來了極大的挑戰(zhàn)。
基于上述的技術(shù)難點(diǎn)，當(dāng)前碳化硅的成本依舊較高，功率器件成本遠(yuǎn)高于硅基功率器件。此外，碳化硅二極管和硅基產(chǎn)品價(jià)格差在3~5倍，SiC MOSFET和硅基產(chǎn)品價(jià)格差在~5倍。
技術(shù)突破一直在路上
從目前發(fā)展趨勢(shì)來看，未來碳化硅將會(huì)被越來越多地用于純電動(dòng)汽車和光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變器等領(lǐng)域，市場(chǎng)前景十分廣闊。在此背景下，如何突破技術(shù)壁壘，更好得發(fā)揮碳化硅材料的優(yōu)勢(shì)成為了技術(shù)人員亟需解決的難題。
今年以來，作為碳化硅材料大國美國、日本接連研發(fā)了無損測(cè)量碳化硅器件中載流子壽命、表面納米控制技術(shù)、全新銀燒結(jié)技術(shù)等多項(xiàng)新技術(shù)，旨在解決碳化硅材料生產(chǎn)中的難題，提高碳化硅器件性能。

• 無損測(cè)量碳化硅器件中載流子壽命，提高器件性能

今年年初，日本名古屋工業(yè)大學(xué)研究小組提出了一種無損測(cè)量碳化硅器件中載流子壽命的方法。研究人員使用激發(fā)激光器來創(chuàng)建載流子，并使用帶有檢測(cè)器的探針激光器來測(cè)量激發(fā)載流子的壽命。
通過這種可以進(jìn)行更簡單、非侵入性分析的技術(shù)，工程師們可以開始對(duì)載流子壽命進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到傳導(dǎo)調(diào)制和低開關(guān)損耗的完美平衡。未來。這項(xiàng)技術(shù)有望帶來新一代更新、更高性能的碳化硅器件。

• 表面納米控制技術(shù)，消除碳化硅襯底缺陷

今年3月，日本豐田通商株式會(huì)社宣布，他們聯(lián)合日本關(guān)西學(xué)院采用一種表面納米控制工藝技術(shù)——Dynamic AGE-ing，可以消除碳化硅襯底的缺陷，并完成了 6 英寸碳化硅襯底的性能驗(yàn)證。
據(jù)介紹，Dynamic AGE-ing是一種將熱蝕刻和晶體生長集成在一起的非接觸式納米控制工藝技術(shù)，通過將SiC襯底置于1600℃至2100℃的超高溫氣相環(huán)境中，該技術(shù)就可以自動(dòng)將原子排列在表面上，從而就能夠徹底去除加工應(yīng)變層，而零缺陷主要是通過阻止BPD來實(shí)現(xiàn)的。

• 全新銀燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行芯片焊接，提高封裝可靠性

今年5月，東芝通過一種全新的銀（Ag）燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行芯片焊接，使碳化硅功率模塊的可靠性提高一倍，并減少20%的功耗。東芝將此新技術(shù)命名為iXPLV。

• 實(shí)現(xiàn)碳化硅晶圓高速整平開發(fā)封裝技術(shù)

今年8月，日本產(chǎn)業(yè)研究所表示，他們團(tuán)隊(duì)可以實(shí)現(xiàn)碳化硅晶圓的高速整平開發(fā)封裝技術(shù)。特別是在低速的鏡面加工中，獲得了比以前快12倍的拋光速度。按照他們所說，其建立了一種新的批量式加工技術(shù)，可與片式加工方法的鏡面磨削工藝相媲美。
研究人員試圖通過生產(chǎn)一種固定磨粒平臺(tái)來解決這些問題，其中將金剛石磨石成型為平臺(tái)，并將其與高速拋光設(shè)備相結(jié)合。當(dāng)使用固定磨粒平臺(tái)時(shí)，確認(rèn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)速度和拋光速度成比例，這比使用漿料的典型加工條件快約 12 倍，達(dá)到與傳統(tǒng)磨削相當(dāng)?shù)乃俣取?/span>
該團(tuán)隊(duì)表示，擬將本次研發(fā)的拋光技術(shù)引入先進(jìn)電力電子研究中心的6英寸兼容SiC晶圓集成加工工藝，并應(yīng)用于同一研究中心的功率器件開發(fā)，促進(jìn)技術(shù)示范。

• 熱注入提升碳化硅芯片性能和電源效率

今年9月，應(yīng)用材料公司宣布推出多項(xiàng)全新產(chǎn)品以幫助世界領(lǐng)先的碳化硅芯片制造商從150毫米晶圓量產(chǎn)轉(zhuǎn)向200毫米晶圓量產(chǎn)，其中包括了VIISta? 900 3D 熱離子注入系統(tǒng)。
據(jù)了解，這項(xiàng)熱注入技術(shù)在注入離子的同時(shí)，能夠?qū)?duì)晶格結(jié)構(gòu)的破壞降到最低，產(chǎn)生的電阻率僅為室溫下注入的四十分之一，解決了在碳化硅芯片制造期間，由于材料的密度和硬度的影響，離子注入在材料內(nèi)加入摻雜劑會(huì)破壞晶格同時(shí)降低性能和電源效率的難題。

• Mirra? Durum? CMP* 系統(tǒng)，降低晶圓表面粗糙度

除了上述系統(tǒng)外，應(yīng)用材料公司還開發(fā)了 Mirra? Durum? CMP* 系統(tǒng)，此系統(tǒng)將拋光、材料去除測(cè)量、清洗和干燥整合到同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，可以量產(chǎn)具有最高質(zhì)量表面的均勻晶圓。這一新系統(tǒng)生產(chǎn)的成品晶圓表面粗糙度僅為機(jī)械減薄SiC 晶圓的五十分之一，是批式 CMP工藝系統(tǒng)的粗糙度的三分之一。

• 冷切割技術(shù)，節(jié)省碳化硅晶圓材料

近日，英飛凌表示，其用于生產(chǎn)碳化硅晶片的“冷裂”技術(shù)已獲得生產(chǎn)資格。
2018 年 11 月，英飛凌曾以 1.24 億歐元（約合 1.4 億美元）收購了Siltectra GmbH，后者開發(fā)了一種稱為冷裂的創(chuàng)新工藝，用于芯片加工，以更有效地節(jié)省材料和加工晶體。當(dāng)時(shí)的英飛凌首席執(zhí)行官Reinhard Ploss博士表示：“得益于冷切割技術(shù)，SiC晶圓可產(chǎn)出芯片數(shù)量的增加讓SiC產(chǎn)品的產(chǎn)能爬坡升級(jí)變得更加容易，能更好地滿足可再生能源的進(jìn)一步增加的需求，以及SiC在電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中的使用需求?！?/span>
據(jù)悉，英飛凌的冷切割技術(shù)與傳統(tǒng)鋸切工藝相比，原材料損失將減少了一半，從而提供了競爭優(yōu)勢(shì)。此外，英飛凌還希望進(jìn)一步開發(fā)冷分裂技術(shù)，并用它來分裂加工過的晶圓，并從晶圓上剝離 100 微米的有源器件層。

• 利用AI高精度制造碳化硅結(jié)晶，降低缺陷數(shù)量

今年11月，日本名古屋大學(xué)的宇治原徹教授等人開發(fā)出了利用人工智能（AI）高精度制造新一代半導(dǎo)體使用的碳化硅結(jié)晶的方法。這種方法能將結(jié)晶缺陷數(shù)量降至原來百分之一，提高了半導(dǎo)體生產(chǎn)的成品率。2021年6月成立的初創(chuàng)企業(yè)計(jì)劃2022年銷售樣品，2025年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
據(jù)介紹，研究團(tuán)隊(duì)利用AI優(yōu)化了多個(gè)項(xiàng)目。宇治原教授表示「讓AI學(xué)習(xí)模擬（模擬實(shí)驗(yàn)）結(jié)果，導(dǎo)出了最佳條件」。經(jīng)過4年的開發(fā)，可以制造能產(chǎn)業(yè)利用的約15厘米的尺寸了。 試制的SiC結(jié)晶比現(xiàn)有結(jié)晶的缺陷數(shù)量大幅減少。
寫在最后
其實(shí)，從碳化硅晶圓尺寸的變化就可以看出技術(shù)一直在進(jìn)步。此前，碳化硅晶圓的主流尺寸一直為4英寸和6英寸，隨著今年意法半導(dǎo)體制造出首批200mm（8英寸）碳化硅晶圓，未來也會(huì)向著300mm(12英寸)進(jìn)發(fā)。
在全球研究人員的努力下，將會(huì)有越來越多的新技術(shù)可以打破碳化硅材料帶來的技術(shù)壁壘。屆時(shí)碳化硅能否成為一統(tǒng)各大分立器件的“圣母皇太后”，我們拭目以待。
來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察