01

碳化硅外延

外延 工藝是整個(gè)產(chǎn)業(yè)中的一種非常關(guān)鍵的工藝，由于現(xiàn)在所有的器件基本上都是在外延上實(shí)現(xiàn)，所以外延的質(zhì)量對器件的性能是影響是非常大的，但是外延的質(zhì)量它又受到晶體和襯底。加工的影響，處在一個(gè)產(chǎn)業(yè)的中間環(huán)節(jié)，對產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到非常關(guān)鍵的作用。

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，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。

 

02

SiC外延片是SiC產(chǎn)業(yè)鏈條核心的中間環(huán)節(jié)

目前碳化硅和氮化鎵這兩種芯片，如果想最大程度利用其材料本身的特性，較為理想的方案便是在碳化硅單晶襯底上生長外延層。

 

碳化硅外延片，是指在碳化硅襯底上生長了一層有一定要求的、與襯底晶相同的單晶薄膜（外延層）的碳化硅片。實(shí)際應(yīng)用中，寬禁帶半導(dǎo)體器件幾乎都做在外延層上，碳化硅晶片本身只作為襯底，包括GaN外延層的襯底。

 

我國SiC外延材料研發(fā)工作開發(fā)于“九五計(jì)劃”，材料生長技術(shù)及器件研究均取得較大進(jìn)展。主要研究單位有中科院半導(dǎo)體研究所、中電集團(tuán)13所和55所、西安電子科技大學(xué)等，產(chǎn)業(yè)化公司主要是東莞天域和廈門瀚天天成。目前我國已研制成功6英寸SiC外延晶片，且基本實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。可以滿足3.3kV及以下電壓等級(jí)SiC電力電子器件的研制。不過，還不能滿足研制10kV及以上電壓等級(jí)器件和研制雙極型器件的需求。

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)

  碳化硅外延兩大主要技術(shù)發(fā)展，應(yīng)用在設(shè)備上。

 

• 1980年提出的臺(tái)階流生長模型

此對外延的發(fā)展、對外延的質(zhì)量都起到了非常重要的作用。 它的出現(xiàn)首先是生長溫度，可以在相對低的溫度下實(shí)現(xiàn)生長，同時(shí)對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)生長速率的提升

引入TCS可以實(shí)現(xiàn)生長速率達(dá)到傳統(tǒng)的生長速率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，尤其是對于硅滴的控制，所以說對于厚膜外延生長來說是非常有利的。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、加工的水平對于外延的生長來說，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，對這個(gè)二極管可能就沒有影響，對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)。

 

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SiC外延片制備設(shè)備情況

碳化硅外延材料的主要設(shè)備，目前這個(gè)市場上主要有四家：

 

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。

 

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行業(yè)格局

  在全球市場中，外延片企業(yè)主要有 DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、羅姆、三菱電機(jī)、Infineon 等，多數(shù)是IDM公司。 日本也存在比較優(yōu)越的碳化硅外延的供應(yīng)商，比如說昭和電工，但它已經(jīng)不是一個(gè)純粹的做碳化硅外延的，因?yàn)樗谇皫啄暌彩召徚巳毡镜男氯砧F，開始涉及到了碳化硅單晶的制備。

 

全球業(yè)內(nèi)的龍頭Cree旗下Wolfspeed，是IDM公司，除了對外提供襯底片和外延片，還做器件、模塊。Cree 占據(jù)襯底市場約 40%份額、器件市場約 23%份額。

 

在大陸市場，純粹做外延片的有：瀚天天成（EpiWorld）和東莞天域半導(dǎo)體均可供應(yīng) 4-6 英寸外延片，中電科 13 所、55 所亦均有內(nèi)部供應(yīng)的外延片生產(chǎn)部門。臺(tái)灣地去有嘉晶電子 。

 

北方華創(chuàng)目前為化合物半導(dǎo)體生產(chǎn)開發(fā)的相關(guān)刻蝕機(jī)等設(shè)備。公司表示在化合物半導(dǎo)體SiC/GaN 的刻蝕中存在諸多挑戰(zhàn)，包括刻蝕的寬縱比、特殊的刻蝕輪廓的控制、刻蝕的選擇性以及過高/過低的刻蝕速率。

 

能訊半導(dǎo)體率先在國內(nèi)開展了GaN 材料與器件的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，公司擁有先進(jìn)的GaN-on-Si 以及GaN-on-SiC 外延工藝，可以滿足微波功率器件及電力電子器件的應(yīng)用需求。在制造方面，公司有用亞微米柵極技術(shù)、鈍化層技術(shù)、襯底減薄VIA 通孔技術(shù)等。公司目前在昆山擁有6,000/年3” GaN 晶圓片的產(chǎn)能。

 

中車時(shí)代電氣為中國中車子公司，在功率半導(dǎo)體方面處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。半導(dǎo)體相關(guān)器件主要用途為軌道交通、輸變電及新能源領(lǐng)域。2018 年1 月實(shí)現(xiàn)國內(nèi)首條6” SiC芯片生產(chǎn)線技術(shù)調(diào)試完成，2 月產(chǎn)線已正式開始流片。該項(xiàng)目總投資為3.5 億元，可實(shí)現(xiàn)4”及6” SiC SBD、PiN、MOSFET 等器件的研發(fā)和制造。

 

07

應(yīng)用領(lǐng)域

從終端應(yīng)用層上來看在碳化硅材料在高鐵、汽車電子、智能電網(wǎng)、光伏逆變、工業(yè)機(jī)電、數(shù)據(jù)中心、白色家電、消費(fèi)電子、5G通信、次世代顯示等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，市場潛力巨大。

 

在應(yīng)用上，分為低壓、中壓和高壓領(lǐng)域

 

在低壓領(lǐng)域：主要是針對一些消費(fèi)電子，比如說PFC、電源；舉例子：小米和華為推出來快速充電器，所采用的器件就是氮化鎵器件。

 

在中壓領(lǐng)域：主要是汽車電子和3300V以上的軌道交通和電網(wǎng)系統(tǒng)。舉例子：特斯拉是使用碳化硅器件最早的一個(gè)汽車制造商，使用的型號(hào)是model3。

 

在中低壓領(lǐng)域，碳化硅和氮化鎵為競爭關(guān)系，更傾向于氮化鎵。在中低壓碳化硅已經(jīng)有非常成熟的二極管和MOSFET產(chǎn)品在市場當(dāng)中推廣應(yīng)用。

 

在高壓領(lǐng)域：碳化硅有著獨(dú)一無二的優(yōu)勢。但迄今為止，在高壓領(lǐng)域現(xiàn)在還沒有一個(gè)成熟的產(chǎn)品的推出，全球都在處于研發(fā)的階段。

 

電動(dòng)車是碳化硅的最佳應(yīng)用場景

 

豐田的電驅(qū)動(dòng)模塊（電動(dòng)車的核心部件），碳化硅的器件比硅基IGBT 的體積縮小了50%甚至更多，同時(shí)能量密度也比硅基IGBT 高很多。這也是很多廠商傾向于使用碳化硅的原因，可以優(yōu)化零部件在車上的布置，節(jié)省更多的空間。

 

特斯拉Model 3 電驅(qū)動(dòng)模塊：采用24 顆意法半導(dǎo)體碳化硅器件，豐田也計(jì)劃2020年推出搭載碳化硅器件的電動(dòng)車，豐田作為日系廠商較為傾向于日系的供應(yīng)商，目前是三菱或富士在爭取這些業(yè)務(wù)和豐田開展合作。

來源：IN SEMI