一文搞懂SiC功率器件的市場、應(yīng)用和制造工藝

報告主題：一文搞懂SiC功率器件的市場、應(yīng)用和制造

報告作者：Dr. Victor Veliadis

Deputy Executive Director and CTO, PowerAmerica

Professor ECE North Carolina State University, Raleigh, NC USA

報告內(nèi)容包含：（具體內(nèi)容詳見下方全部報告內(nèi)容）

• SiC/GaN 性能科普

• Si、SiC 或 GaN 的選擇應(yīng)用差異

• 汽車電氣化是寬禁帶(WBG功率器件和電子裝置的一大機遇

• SiC功率器件的制造

  SiC襯底的生長比Si更復(fù)雜

  SiC外延技術(shù)成熟度相對較高

  SiC 晶圓占 SiC 器件成本的 50-70%

  高壓 (+900 V) SiC 功率器件通常采用縱向配置

  SiC 器件的理想阻斷電壓由其漂移層的厚度和摻雜決定

  電壓和開關(guān)頻率需求推動單極與雙極 SiC 器件的選擇

  SiC制造需要投資特定的設(shè)備和開發(fā)特定的工藝

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報告詳細內(nèi)容

# 各節(jié)點的半導(dǎo)體制造商數(shù)量

# 功率器件是能夠切換高電流和阻斷高電壓的大型分立晶體管

# GaN/SiC 功率器件可實現(xiàn)更高效、更新穎的電力電子設(shè)備

（更低的電阻和相關(guān)的傳導(dǎo)損耗；更高頻率的操作、更小的器件尺寸）

# SiC/GaN 器件可實現(xiàn)更高效、更輕、更小尺寸的電力電子設(shè)備

（可在高頻和高溫下運行，同時減少冷卻）

# 超寬帶隙材料（Ga2O3、金剛石、AlN）可以進一步提高功率器件的性能

（超寬帶隙材料（Ga2O3、金剛石、AlN）具有比 GaN 和 SiC 更大的帶隙和擊穿電場）

# Si、SiC 或 GaN 的選擇因應(yīng)用而異，并受電壓、電流、頻率、效率、溫度和成本考慮因素驅(qū)動

Si、GaN 和 SiC 都在 650 V 范圍內(nèi)展開競爭：

? Si 可靠、堅固、便宜且能夠承受大電流

? GaN 以合理的成本提供高效的高頻操作

? SiC 效率高，可在高電流和高頻率下運行

# SiC/GaN 器件在實現(xiàn)下一代電力電子增長方面具有獨特優(yōu)勢

# 寬禁帶(WBG)電力電子是高價值制造產(chǎn)品的關(guān)鍵驅(qū)動力

（汽車、IT硬件、電網(wǎng)、電機驅(qū)動、航空航天部門等）

# 汽車電氣化是寬禁帶(WBG功率器件和電子裝置的一大機遇

（電機、DC/DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器、動力電池組、蓄電池輔助裝置等）

# EV/HEV 市場是 SiC 增長最強勁的貢獻者

# Wolfspeed SiC IGBT 27 kV，具有 1 μA 的低漏電流和 20 A 的直流電流輸出

# 變速驅(qū)動器可有效適應(yīng)電機速度/扭矩并降低能耗

（傳統(tǒng)電機驅(qū)動：20-40% 的能量被節(jié)流閥和其他機械裝置浪費）

# 基于 SiC 的變速驅(qū)動器具有體積、重量和成本優(yōu)勢

基于Si的VSD可節(jié)省能源，但由于占用空間大、重量大和成本高，采用率有限

基于 SiC的VSD使用新穎的架構(gòu)來減少體積、重量和成本，采用率提升

# 電力電子創(chuàng)新推動航空航天——飛機、衛(wèi)星、無人機等

更高的燃油效率、更低的維護/運營成本、更高的可靠性、更低的噪音、更低的氮氧化物排放

# 到 2025 年 SiC 器件預(yù)計收入：$3.2B/Yr

# SiC襯底的生長比Si更復(fù)雜

（與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同的是，碳化硅功率器件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高質(zhì)量的外延材料，并在外延層上制造各類器件）

# 碳化硅外延技術(shù)成熟度相對較高

# SiC 晶圓占 SiC 器件成本的 50-70%

# SiC MOSFET 可以降低系統(tǒng)成本（和重量/體積），盡管它們的價格高于 Si

# 200 mm SiC 生產(chǎn)晶圓可將器件成本降低 >20%

# 大量半導(dǎo)體工廠可用于制造200mm晶圓

# 高壓 (+900 V) SiC 功率器件通常采用縱向配置

橫向器件具有系統(tǒng)集成優(yōu)勢，但需要大面積以實現(xiàn)高阻斷電壓能力；

縱向器件漂移層厚度可以針對高阻斷電壓進行定制，而不會增加相應(yīng)的器件面積；

由于需要較大的漂移長度（定義為柵極到漏極的間距），具有高阻斷電壓能力的橫向器件需要大面積；

對于表面穩(wěn)定性，橫向器件中高壓和低壓電極之間的充分分離會導(dǎo)致更高的單元間距和導(dǎo)通電阻Ron。

# SiC 器件的理想阻斷電壓由其漂移層的厚度和摻雜決定

為了降低高壓器件的低摻雜厚漂移區(qū)的導(dǎo)通電阻，雙極電流通過載流子注入實現(xiàn)；

在SiC器件中實施邊緣終止結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)接近理論材料極限的擊穿電壓。

# 電壓和開關(guān)頻率需求推動單極與雙極 SiC 器件的選擇

單極器件中的電流僅歸因于一種類型的電荷載流子（電子或空穴）多數(shù)載流子

單極器件具有較高的傳導(dǎo)損耗和較低的開關(guān)損耗

在傳導(dǎo)過程中，只有一種類型的電荷載流子流動：更高的導(dǎo)通電阻

僅多數(shù)導(dǎo)通可實現(xiàn)快速開關(guān)：降低開關(guān)損耗

雙極器件中的電流是由兩種類型的電荷載流子、電子和空穴引起的

雙極器件具有更低的傳導(dǎo)損耗和更高的開關(guān)損耗

在導(dǎo)通過程中，來自集電極 p+ 區(qū)的空穴被注入到 n- 區(qū)：累積的電荷降低了導(dǎo)通電阻

雙極導(dǎo)通導(dǎo)致開關(guān)速度變慢，因為少數(shù)載流子在轉(zhuǎn)換期間也需要被掃描：更高的開關(guān)損耗

通常在 SiC 中：單極器件至 10 kV，雙極器件 > 10 kV

# SiC已經(jīng)應(yīng)用在多種器件中

單極器件：MOSFET、JFET、結(jié)勢壘肖特基二極管

雙極器件：BJT、晶閘管、IGBT、PiN 二極管

# SiC-MOSFET有平面型與溝槽型，是電力電子應(yīng)用的主力軍

由于柵極氧化物的溝槽角處的電場擁擠，溝槽型MOSFET 的阻斷電壓能力可能低于 DMOSFET

# MOSFET 特定導(dǎo)通電阻的組成部分

# SiC制造需要特定的設(shè)備和開發(fā)特定的工藝

多個成熟的 Si 工藝已成功轉(zhuǎn)移到 SiC。然而，碳化硅材料特性需要開發(fā)特定的工藝，其參數(shù)必須優(yōu)化和合格：

蝕刻：碳化硅對化學(xué)溶劑是惰性的，只有干蝕刻是可行的。掩膜材料、掩膜蝕刻選擇性、氣體混合物、側(cè)壁斜率的控制、蝕刻速率、側(cè)壁粗糙度等都需要開發(fā)。

用于降低電阻或厚外延處理的基板減薄（材料硬度需要特殊配方）。用于精細平面度控制的 CMP。

摻雜：傳統(tǒng)的熱擴散在 SiC 中不實用，因為它具有高熔點和 SiC 內(nèi)摻雜劑的低擴散常數(shù)。評估注入種類、劑量、能量、溫度、掩膜材料等。注入后 SiC 再結(jié)晶和注入激活退火方法（熔爐、RTA 等）、溫度、升溫速率、持續(xù)時間、氣體流量等。選擇退火保護層以最大限度地減少 SiC 晶片表面退化。CMP 可用于使晶圓變平以減輕高溫退火的影響。

金屬化：評估 CTE 匹配的金屬，選擇抗蝕劑類型、金屬蒸發(fā)和剝離、濺射金屬沉積和干法蝕刻。

歐姆接觸形成：SiC/金屬阻擋層的高值導(dǎo)致整流接觸。歐姆接觸需要后金屬沉積退火。優(yōu)化退火溫度、升溫速率、持續(xù)時間、氣體流量，保持表面質(zhì)量。

柵極氧化物：不良的 SiC/SiO2 界面質(zhì)量會降低 MOS 反型層遷移率。開發(fā)鈍化技術(shù)以提高 SiC/SiO2 界面質(zhì)量。

透明的晶圓使CD-SEM和計量測量變得復(fù)雜，因為焦平面是用光學(xué)顯微鏡來確定的。其他工具需要軟件/增益/硬件調(diào)整，以適應(yīng) SiC 不透明的波長。需要 SiC 計量/檢測工具。

SiC晶圓相對缺乏平整度會使光刻和其他加工變得復(fù)雜，特別是高壓設(shè)備（厚漂移外延層）。高溫工藝會進一步降低晶圓的平整度。CMP可以在制造的各個階段使晶圓平整。

絕緣電介質(zhì)：厚電介質(zhì)沉積在 SiC 中。評估沉積的介電缺陷對邊緣端接和器件可靠性的影響。

# SiC 加工需要對附加設(shè)備進行適度的成本投資

（在完全折舊未充分利用的硅晶圓代工廠中加工 SiC 需要適度的成本投資，并提供剩余的晶圓產(chǎn)能以最大限度地提高代工廠的利用率。）

# 蝕刻：反應(yīng)性離子蝕刻（RIE）通常用于在 SiC 中形成臺面結(jié)構(gòu)和溝槽

# 蝕刻：低光刻膠 SiC 選擇性需要光刻圖案化“硬掩?！庇糜?SiC 蝕刻

# 蝕刻：使用 Cr/Al 掩模的 RIE 產(chǎn)生 0.7 μm 深的 SiC 垂直側(cè)壁溝槽用于植入

# 歐姆接觸：由于高肖特基勢壘高度，SiC 金屬接觸在沉積后不是歐姆接觸

# 歐姆接觸：同時形成 n 型和 p 型的低電阻率硅化鎳歐姆接觸簡化了制造

# 注入：離子注入是實用的SiC選擇性摻雜技術(shù)，然后在~1600℃的爐中退火

# 注入：離子注入后的保護帽層 1650 °C 爐退火產(chǎn)生出色的 SiC 表面形貌

# 注入：離子注入和隨后的退火會產(chǎn)生降低設(shè)備性能的缺陷

離子注入工藝需要改進：

? 開發(fā)可制造的高質(zhì)量室溫大劑量離子注入

? 優(yōu)化退火升溫速率和整體注入工藝，以最大限度地減少缺陷的產(chǎn)生

? 優(yōu)化離子注入和退火，以盡量減少對晶圓平面度的影響

# 柵極氧化物：SiC-SiO2 界面質(zhì)量差會降低溝道遷移率并導(dǎo)致閾值電壓不穩(wěn)定

電子通過 SiC-SiO2 界面處的窄勢壘從導(dǎo)帶隧穿到氧化物中，將這些電子俘獲在柵極氧化物中會降低遷移率并導(dǎo)致閾值電壓不穩(wěn)定。

# 柵極氧化物：SiC MOSFET 中的閾值電壓不穩(wěn)定性是由氧化物陷阱引起的，并具有不良后果

# 柵極氧化物：與 Si 一樣，柵極熱氧化過程涉及氮化物的退火

# 材料缺陷的存在會降低 SiC 器件的性能和可靠性，并降低“大面積器件”的良率

# 由于電場擁擠，SiC 器件的擊穿電壓低于 SiC 材料極限

參考來源：

Dr. Victor Veliadis

Deputy Executive Director and CTO, PowerAmerica

Professor ECE North Carolina State University, Raleigh, NC USA

部分編譯：芯TIP@吳晰