碳化硅晶圓產(chǎn)業(yè)鏈的核心:外延技術(shù)

半導(dǎo)體工藝與設(shè)備
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。

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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)計以及設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計不太一樣。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。

SiC外延片是SiC產(chǎn)業(yè)鏈條的核心環(huán)節(jié)

若想最大程度利用碳化硅本身的特性,最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。

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實際應(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。目前我國已研制成功6英寸SiC外延晶片,且基本實現(xiàn)商業(yè)化??蓾M足3.3kV及以下電壓等級SiC電力電子器件的研制。但還不能滿足研制10kV及以上電壓等級器件和研制雙極型器件的需求。

SiC外延片關(guān)鍵參數(shù):我們所講外延的參數(shù)其實主要取決于器件的設(shè)計,比如說根據(jù)器件的電壓檔級的不同,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μm左右,中壓1200~1700,我們需要的厚度就是10~15個μm。高壓的話1萬伏以上,可能就需要100個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,其實也是非常大的一個挑戰(zhàn)。

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。

【1】1980年提出的臺階流生長模型

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現(xiàn)生長,同時對于我們功率器件感興趣的4H晶型來說,可以實現(xiàn)非常穩(wěn)定的控制。

【2】引入TCS,實現(xiàn)生長速率的提升

引入TCS可以實現(xiàn)生長速率達(dá)到傳統(tǒng)的生長速率10倍以上,不光是生產(chǎn)速率得到提升,同時也是質(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。

碳化硅外延中的缺陷其實有很多,因為晶體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階聚集?;旧虾芏嗳毕荻际菑囊r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。

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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90%。非致命性的缺陷比如說一些TSD和TED,對這個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)。

SiC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。

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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。在高壓領(lǐng)域外延的技術(shù)發(fā)展相對比較滯后。同時,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,從右面這個圖我們可以看到,要達(dá)到一個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)。

SiC外延片制備設(shè)備情況

碳化硅外延材料的主要設(shè)備,目前這個市場上主要有四家:

【1】德國的Aixtron:特點是產(chǎn)能比較大;

【2】意大利的LPE,屬于單片機,生長速率非常大;

【3】日本的TEL和Nuflare,其設(shè)備的價格非常昂貴,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非常有特點的設(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。

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)機電、數(shù)據(jù)中心、白色家電、消費電子、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:

低壓領(lǐng)域

主要是針對一些消費電子,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。

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汽車制造商,使用的型號是model3。

中低壓領(lǐng)域

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。

高壓領(lǐng)域

碳化硅有著獨一無二的優(yōu)勢。但迄今為止,在高壓領(lǐng)域現(xiàn)在還沒有一個成熟的產(chǎn)品的推出,全球都在處于研發(fā)的階段。

電動車是碳化硅的最佳應(yīng)用場景,豐田的電驅(qū)動模塊(電動車的核心部件),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。

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