SiC晶圓製造究竟難在哪?

作者 : 劉于葦,EE Times China

SiC晶圓的主流尺寸一直是150mm (6吋),每片晶圓能製造的晶片數量不大,遠不能滿足下游需求。真的這麼難嗎?包括SiC在內的第三代半導體產業鏈包括基板→磊晶→設計→製造→封裝,SiC元件成本高的一大原因就是SiC基板製造困難…

第三代半導體也稱為寬能隙(WBG)半導體,不同於傳統的半導體主要賴矽(Si)晶圓,它在材料層面上實現了更新。而與第一代、第二代半導體並非替代關係,而是形成互補,三者特性各異、用途不同。

具體來看,第一代半導體材料以矽和鍺(Ge)為主,是CPU處理器等IC主要運用的材料;第二代半導體包括砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等,目前手機所使用的關鍵通訊晶片都採用這類材料製作。

第三代半導體材料主要是以碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁(AlN)為代表的寬能隙半導體材料。在通訊、汽車、高鐵、衛星通訊、航太等應用場景中有優勢。其中,SiC、氮化鎵的研究和發展更為成熟。

 

 

SiC元件需求比產量漲的快

受材料本身特性的限制,傳統矽基功率元件已經漸漸難以滿足5G基地台、新能源車及高鐵等新興應用對元件高功率及高頻性能的需求,但SiC作為半導體材料具有優異的性能,尤其是用於功率轉換和控制的功率元件。與傳統矽元件相比可以實現低導通電阻、高速開關和耐高溫高壓工作,因此近年來倍受歡迎。

 

 

目前,SiC最大的應用市場在新能源車的功率控制單元、逆變器、DC-DC轉換器、車載充電器等。以電動車為例,採用SiC晶片,將使電驅裝置的體積縮小為五分之一,電動車行駛損耗降低60%以上,相同電池容量下里程數顯著提高。

特斯拉(Tesla)先前在Model 3率先使用意法半導體(STMicroelectronics,ST)和英飛凌(Infineon)的SiC逆變器;2020年比亞迪新能源車「漢」的馬達控制器中開始應用SiC-MOSFET模組;今年3月,中國斯達半導體也宣佈加碼車規級SiC模組產線。據Yole Développement預計,到2025年,新能源車和充電樁領域的SiC市場將達到17.78億美元,約佔SiC總市場規模的七成左右。

SiC具有1 × 1共價鍵的矽和碳化合物,其莫氏硬度為13,僅次於鑽石(15)和碳化硼(14)。最早是人們在太陽系剛誕生的46億年前的隕石中,發現了少量這種物質,所以它又被稱為「經歷46億年時光之旅的半導體材料」。據說,SiC在天然環境下非常罕見,雖然透過人工合成可以製造,但因在長晶的源頭晶種就要求相當高的純度,且後段加工極其困難,SiC功率元件量產化曾一度令研究者們頭疼。

資料顯示,目前全球SiC矽晶圓總年產能約在40~60萬片,而且同時期的矽晶圓已經由200mm (8吋)向300mm (12吋)進發,但SiC晶圓的主流尺寸一直是150mm (6吋),每片晶圓能製造的晶片數量不大,遠不能滿足下游需求。

以特斯拉Model 3主逆變器為例,需要24個電源模組,每個電源模組均基於兩個SiC MOSFET裸晶,每輛汽車總共有48個SiC MOSFET裸晶。按照這個估算若循序漸進採用SiC後,平均2輛特斯拉的純電動車就需要一片150mm SiC晶圓。Wedbush證券分析師Dan Ives曾稱,到2022年特斯拉的交付量可能會達到100萬輛,如果預測成真,那屆時僅特斯拉就將消耗掉全球SiC矽晶圓總產量。

主流SiC大廠擴產計畫

 

據不完全統計,未來2~5年內SiC產能仍將繼續增加。

(來源:《科創板日報》、芯思想)

 

 

雖然在SiC市場上,整合元件製造商(IDM)佔據主導地位,SiC代工公司也不甘落後,希望能夠複製成功的矽代工廠的模式。德國X-Fab、英國Clas-SiC (150mm)、韓國YES POWERTECHNIX (YPT),以及台灣漢磊(Episil)、廈門三安(SANAN)、蕪湖啟迪(TUS SEMI)都希望從中分到一杯羹。

雖然這些SiC大廠積極擴產,但自2009年紐約州立大學和道康寧(Corning)在150mm SiC單晶生長取得了重大突破後,全世界SiC產業一直在150 mm產業方向發展。多年來突破200mm、實現大直徑的無缺陷或低缺陷SiC晶體生長的卻是鳳毛麟角,真的這麼難嗎?

有多難?——長晶、基板、磊晶

包括SiC在內的第三代半導體產業鏈包括基板→磊晶→設計→製造→封裝。其中,基板是所有半導體晶片的底層材料,起物理支撐、導熱、導電等作用;磊晶是在基板材料上生長出新的半導體晶層,這些磊晶層是製造半導體晶片的重要原料,影響元件的基本性能;設計包括元件設計和IC設計,其中元件設計包括半導體元件的結構、材料,與磊晶相關性很大;製造需要通過微影、薄膜沉積、刻蝕等複雜製程流程在磊晶片上製作出設計好的元件結構和電路;封裝是指將製造好的晶圓切割成裸晶片。

SiC元件成本高的一大原因就是SiC基板製造困難。資料顯示,基板成本大約佔晶片加工總成本的50%,磊晶片佔25%,元件晶圓製造環節20%,封裝測試環節5%。SiC基板不止貴,生產製程還複雜,與矽相比,SiC很難處理。

合肥鑫晟光電科技設備與製程工程師@石大小生在其知乎專欄上分析了SiC生產的兩個難點,即基板和磊晶生長。與傳統的單晶矽使用提拉法不同,目前規模化生長SiC單晶主要採用物理氣相輸運法(PVT)或籽晶的昇華法。這也就帶來了SiC晶體製備的兩個難點:

1.生長條件苛刻,需要在高溫下進行。一般而言,SiC氣相生長溫度在2,300℃以上,壓力350MPa,而矽僅需1,600℃左右。高溫對設備和製程控制帶來了極高的要求,生產過程幾乎是黑箱操作難以觀測。如果溫度和壓力控制稍有失誤,則會導致生長數天的產品失敗。

2.生長速度慢。PVT法生長SiC的速度緩慢,7天才能生長2cm左右。而矽棒拉晶2~3天即可拉出約2m長的8英吋矽棒。

 

SiC生長爐的技術指標和製程過程中的籽晶製備、生長壓力控制、溫度場分佈控制等因素,決定了單晶品質和主要成本。

 

另一方面,SiC存在200多種晶體結構類型,其中六方結構的4H型(4H-SiC)等少數幾種晶體結構的單晶型SiC才是所需的半導體材料,在晶體生長過程中需要精確控制矽碳比、生長溫度梯度、晶體生長速率,以及氣流氣壓等參數,否則容易產生多晶型夾雜,導致產出的晶體不合格。

PVT法生長的SiCk單晶一般是短圓柱狀,柱狀高度(或長度)在20mm以內,需要透過機械加工整形、切片、研磨、拋光等化學機械拋光和清洗等製程,才能成為元件製造前的基板材料。這一機械、化學的製造過程普遍存在著加工困難、製造效率低、製造成本高等問題。SiC單晶加工關注點是晶片不僅具備良好的幾何形貌,如總厚度變化、翹曲度、變形,而且具備較高的晶片表面品質(微粗糙度、劃傷等)。此外,還要考慮單晶加工的效率和成本問題,這也就給SiC基板製備提出很大的挑戰。

單晶的生長缺陷,主要是SiC晶片大面積應用中的螺旋位錯(稱為微管)。目前先進的技術指標是直徑100mm以上的SiC,其微管缺陷密度小於每1mm2。150mm的SiC材料製備技術,2014年中國已經取得了突破。但規模化生產製造SiC晶片,達到低微管密度或零缺陷品質還存在一些技術製程問題。

SiC元件製造必須要經過磊晶步驟,磊晶品質對元件性能影響很大。SiC基元件與傳統的矽元件不同,SiC基板的品質和表面特性不能滿足直接製造元件的要求,因此在製造大功率和高壓高頻元件時,不能直接在SiC基板上製作元件,而必須在單晶基板上額外沉積一層高品質的磊晶材料,並在磊晶層上製造各類元件,目前效率也比較低。另外SiC的氣相同質磊晶一般要在1,500℃以上的高溫下進行。由於有昇華的問題,溫度不能太高,一般不能超過1,800℃,因而生長速率較低。

有多難?——切劃、研磨、元件製造

前面也提到,SiC是世界上硬度排名第三的物質,不僅具有高硬度的特點,高脆性、低斷裂韌性也使得其磨削加工過程中易引起材料的脆性斷裂從而在材料表面留下表面破碎層,且產生較為嚴重的表面與亞表層損傷,影響加工精確度。所以在研磨、鋸切和拋光階段,挑戰也非常大,其加工難主要在:

(1)硬度大,莫氏硬度分佈在9.2~9.6;

(2)化學穩定性高,幾乎不與任何強酸或強鹼發生反應;

(3)加工設備尚不成熟。

一句話就是,SiC基板的劃切非常棘手,並且晶圓尺寸越大越棘手。據「半導體封裝工程師之家」介紹,目前,用於製作電子元件的SiC晶圓主要有2種:

1.N型導電晶圓厚度150~350μm,電阻率0.010 × 0.028Ω·cm2,主要應用於發光二極體、電力電子產業的功率元件;

2.高純半絕緣晶圓厚度50~100μm,電阻率1 × 10 8Ω·cm2 ,主要用於微波射頻、氮化鎵電晶體等領域。

 

 

針對半導體產業應用的SiC晶圓劃切,主要有砂輪劃片、雷射全劃、雷射半劃、雷射隱形劃切、水導雷射劃切等幾種加工方法。半導體封裝工程師之家介紹了每種方法的特點及應用,分析後認為雷射隱形劃片與裂片結合的加工方法,加工效率高、製程效果滿足生產需求,是SiC晶圓的理想加工方式。

雷射隱形劃切是指將雷射聚焦在材料內部,形成改質層,然後透過裂片或擴膜的方式分離晶片。表面無粉塵污染,幾乎無材料損耗,加工效率高。實現隱形劃切的2個條件是材料對雷射透明,足夠的脈衝能量產生多光子吸收。據介紹,SiC在室溫下的帶隙能量Eg約為3.2eV,即為5.13 × 10-19 J。1,064nm雷射光子能量E = hc/λ=1.87 × 10-19 J。可見1,064nm的雷射光子能量小於SiC材料的吸收帶隙,在光學上呈透明特性,滿足隱形劃切的條件。實際的透過率與材料表面特性、厚度、摻雜物的種類等因素有關,以厚度300μm的SiC拋光晶圓為例,實測1,064nm雷射透過率約為67%。選用脈衝寬度極短的皮秒雷射,多光子吸收產生的能量不轉換成熱能,只在材料內部引起一定深度的改質層,改質層是材料內部裂紋區、熔融區或折射率變化區。然後透過後續的裂片製程,晶粒將沿著改質層分離。

SiC材料解理性差,改質層的間隔不能太大。試驗採用全自動劃片機和350μm厚的SiC晶圓,劃切22層,劃切速度500mm/s,裂開後的斷面比較光滑,崩邊小,邊緣整齊,如下圖所示。

 

 

英飛凌為了提高產量,就曾在2018年收購了SiC晶圓切割領域的新銳公司Siltectra,據悉Siltectra的冷切割技術(Cold Spilt)相比傳統製程將提高90%的生產效率。

另外,在元件製造過程中SiC的難度也有所增加,主要在部分製程需要在高溫下完成:

1.摻雜步驟中,傳統矽基材料可以用擴散的方式完成摻雜,但由於SiC擴散溫度遠高於矽,無法使用擴散製程,只能採用高溫離子注入的方式;

2.高溫離子注入後,材料原本的晶格結構被破壞,需要用高溫退火製程進行修復。SiC退火溫度高達1,600℃,這對設備和製程控制都帶來了極大的挑戰。

3.SiC元件工作溫度可達600℃以上,組成模組的其他材料,如絕緣材料、焊料、電極材料、外殼等也無法與矽基元件通用;

4.元件的引出電極材料也需要同時保證耐高溫和低接觸電阻,大部分材料難以同時滿足兩條要求。

意法半導體也拿出了200mm SiC晶圓

雖然不知道是不是採用上述先進製備方法,但日前意法半導體宣佈,在他們位於瑞典的Norrköping工廠已經成功製造出首批200mm的SiC晶圓,將用於生產下一代電力電子晶片的產品原型。

新的SiC產品STPOWER SiC是在義大利卡塔尼亞、新加坡宏茂橋兩家150mm晶圓廠完成前工序製造,而後工序製造在中國深圳、摩洛哥布斯庫拉的兩家封測廠進行。據悉,意法半導體正在建SiC基板新廠和內部採購SiC基板佔比超40%的生產計畫,將SiC晶圓升級到200mm屬於這個計畫的一部分。

意法半導體表示,這標誌著該公司針對汽車、工業客戶的擴產計畫取得重要的階段性成功,鞏固了在這一開創性技術領域的領導地位,提高了電力電子晶片的輕量化和能效,降低客戶獲取這些產品的擁有權總成本。先前,富比士(Forbes)報導稱,雷諾集團(Renault)與意法半導體達成策略合作夥伴關係,以確保雷諾從2026年開始為旗下的純電動和混合動力汽車提供足夠的功率半導體。

意法半導體在SiC晶圓的研發上已經投入了25年之久,擁有70多項專利,2019年還收購了Norstel,並改名為意法半導體SiC,獲得了SiC矽錠生長技術開發方面的技術積累。意法半導體表示,首批200mm SiC晶圓品質上乘,影響晶片良率、晶體位元錯的缺陷非常少。對比150mm晶圓,200mm晶圓可增加產能,可用於晶片製造的面積擴大幾乎一倍,合格晶片產量則增加80~90%。

新晶圓可以實現更高效的電能轉換,更小、更輕量化的設計,節省系統設計總體成本,而這些都是決定汽車和工業系統成功的關鍵參數和因素。據Strategy Analytics最新發佈的《2020年汽車半導體廠商市場份額報告》顯示,意法半導體與英飛凌、恩智浦(NXP)、瑞薩電子(Renesas)、德州儀器(TI)為全球Top 5汽車半導體供應商,2020年這五家供應商共佔據了全球汽車半導體市場近49%的比重。

意法半導體並不是第一家生產出200mm SiC晶圓的廠商,早在2019年10月,Cree就宣佈在紐約州立理工學院奧爾巴尼分校成功完成了首批200mm SiC晶圓樣品的準備。

據悉,Cree位於紐約Marcy的200mm SiC晶圓工廠已於2020年2月開工,2021年4月設備開始搬入,預計將在2022年啟用生產。FAB空間458,000平方英尺,其中潔淨室空間為135,000平方英尺。到2024年滿產時,將達到2017年產能的30倍,同時產品符合車規級。

據不完全統計,目前有7家企業能夠生產8吋SiC基板,包括英飛凌、Cree、羅姆、II-VI、Soitec、意法半導體,以及中國的爍科晶體。

中國的機會

中泰證券分析師張欣預計,2021年汽車領域SiC可望進入放量元年。分析師表示,當下的全球SiC產業格局呈現美國、歐洲、日本三足鼎立態勢,中國企業在基板、磊晶和元件方面均有所佈局,包括SiC基板材料廠商露笑科技、天科合達(天富能源參股3.7%)、山東天嶽(未上市),元件商斯達半導、華潤微、揚傑科技、泰科天潤(未上市)等;代工龍頭三安整合(三安光電子公司)。

 

(來源:東興證券)

 

由於「高溫」為核心的難關構築了較強的技術壁壘,SiC基板製造難度極大,所以大多數企業都是從Cree、羅姆等供應商處直接購買。目前Cree是全球最大的SiC基板和磊晶片供應商,約佔全球一半產能;羅姆、II-VI分列二、三位,合計佔有全球35%的產能。這三家廠商的長晶爐都是自行設計,掌握著關鍵的上游設備資源,同時他們又是元件供應商,所以與眾多客戶構成了直接競爭關係,且能夠透過SiC基板和磊晶片的銷售情況,獲取客戶的產品研發節奏、產能安排等核心商業資訊,未來這些SiC原廠們肯定會有所忌憚。

中國公司體量與歐美日本廠商比較均較小,並且在相關製程和設備問題上面臨挑戰,但在摩爾定律遇到瓶頸、中國智造2025的大背景下,寬能隙半導體材料,無疑是中國半導體產業實現自我突破的機會。當前,中國對於寬能隙半導體材料元件研發正進行針對性規劃和佈局,其中「十三五」國家科技創新規劃、2030計畫和「十四五」國家研發計畫中都將其作為重點突破方向。

本文原刊登於EE Times China網站

 

 

 

 

 

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