碳化硅技術(shù)壁壘是什么？碳化硅技術(shù)壁壘有哪些？

碳化硅芯片不僅是一個(gè)新風(fēng)口，也是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，那么我們來(lái)碳化硅技術(shù)壁壘分析下碳化硅技術(shù)壁壘是什么？碳化硅技術(shù)壁壘有哪些？ 1） 第一代半導(dǎo)體材料以傳統(tǒng)的硅（Si）和鍺（Ge）為代表，是集成電路制造的基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于低壓、低頻、低功率的晶體管和探測(cè)器中，90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品?是用硅基材料制作的； 2） 第二代半導(dǎo)體材料以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）和磷化鎵（GaP）為代表， 相對(duì)硅基器件具有高頻、高速的光電性能，廣泛應(yīng)用于光電子和微電子領(lǐng)域； 3） 第三代半導(dǎo)體材料以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛 石（C）、氮化鋁（AlN）等新興材料為代表。

碳化硅是第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料，碳化硅功率器件以其優(yōu)異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，能夠有效滿足電力電子系統(tǒng)的高效率、小型化和輕量化要求。

因其優(yōu)越的物理性能：高禁帶寬度（對(duì)應(yīng)高擊穿電場(chǎng)和高功率密度）、高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率，有望成為未來(lái)最被廣泛使用的制作半導(dǎo)體芯片的基礎(chǔ)材料。特別是在新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì)。

碳化硅技術(shù)壁壘是什么？碳化硅技術(shù)壁壘有哪些？

SiC 生產(chǎn)過(guò)程分為?SiC 單晶生長(zhǎng)、外延層生長(zhǎng)及器件制造三大步驟，對(duì)應(yīng)的是產(chǎn)業(yè)鏈襯底、外延、器件與模組四大環(huán)節(jié)。 主流制造襯底的方式首先以物理氣相升華法，在高溫真空環(huán)境下將粉料升華，通過(guò)溫場(chǎng)的控制在籽晶表面生 長(zhǎng)出碳化硅晶體。以碳化硅晶片為襯底，使用化學(xué)氣相沉積法，在晶片上淀積一層單晶形成外延片。其中，在導(dǎo)電型碳化硅襯底上生長(zhǎng)碳化硅外延層，可制成功率器件，主要應(yīng)用于電動(dòng)車、光伏等領(lǐng)域；在半絕緣型碳化硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵 外延層，可進(jìn)一步制成射頻器件，應(yīng)用于 5G 通訊等領(lǐng)域。 就目前而言，碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈中碳化硅襯底的技術(shù)壁壘最高，碳化硅襯底生產(chǎn)難度最高。 SiC的生產(chǎn)瓶頸尚未完全徹底的解決，原料晶柱的質(zhì)量不穩(wěn)定存在良率問(wèn)題，這就導(dǎo)致了SiC器件的成本過(guò)高。

硅材料長(zhǎng)晶平均只要3天即可長(zhǎng)成一根晶棒，但碳化硅晶棒則需要一周，一般的硅晶棒可以長(zhǎng)200公分的長(zhǎng)，但一根碳化硅的晶棒只能長(zhǎng)出2公分。而且SiC本身屬于硬脆性材料，由其制成的晶圓，在使用傳統(tǒng)的機(jī)械式切割晶圓劃片時(shí)，極易產(chǎn)生崩邊，影響產(chǎn)品良率及可靠性。SiC基板與傳統(tǒng)的硅晶錠有很大不同，從設(shè)備、工藝、處理到切割的一切都需要進(jìn)行開(kāi)發(fā)，以處理碳化硅。 碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈主要分為襯底、外延、器件和應(yīng)用四大環(huán)節(jié)，襯底材料是產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ)，外延材料是器件制造的關(guān)鍵，器件是產(chǎn)業(yè)鏈的核心，應(yīng)用是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的動(dòng)力。產(chǎn)業(yè)上游利用原材料通過(guò)物 理氣相升華法等方法制成襯底材料，再利用化學(xué)氣相沉積法等方法生長(zhǎng)外延材料， 產(chǎn)業(yè)中游基于上游材料制成射頻器件、功率器件等器件，最終應(yīng)用于下游 5G 通信、電動(dòng)汽車、軌道交通等。其中，襯底和外延共占產(chǎn)業(yè)鏈成本 60%，是產(chǎn)業(yè)鏈主要價(jià)值所在。

SiC襯底：SiC晶體通常用Lely法制造，國(guó)際主流產(chǎn)品正從4英寸向6英寸過(guò)渡，且已經(jīng)開(kāi)發(fā)出8英寸導(dǎo)電型襯底產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)襯底以4英寸為主。由于現(xiàn)有的6英寸的硅晶圓產(chǎn)線可以升級(jí)改造用于生產(chǎn)SiC器件，所以6英寸SiC襯底的高市占率將維持較長(zhǎng)時(shí)間。 碳化硅襯底工藝復(fù)雜，制作難度大。碳化硅襯底是一種由碳和硅兩種元素組成的 化合物半導(dǎo)體單晶材料。目前行業(yè)內(nèi)主要以高純碳粉、 高純硅粉為原料合成碳化 硅粉，在特殊溫場(chǎng)下，采用成熟的物理氣相傳輸法（PVT 法），在晶體生長(zhǎng)爐中 生長(zhǎng)不同尺寸的碳化硅晶錠，最后經(jīng)過(guò)加工、切割、研磨、拋光、清洗等多道工 序產(chǎn)出碳化硅襯底。

穩(wěn)定量產(chǎn)性能穩(wěn)定的高品質(zhì)碳化硅晶片的技術(shù)難點(diǎn)有：

1）由于晶體需要在 2000℃以上的高溫密閉環(huán)境生長(zhǎng)，對(duì)控溫要求極高； 2）由于碳化硅存在 200 多種晶體結(jié)構(gòu)，但只有少數(shù)幾種結(jié)構(gòu)的單晶型碳化硅才是 所需的半導(dǎo)體材料，在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中需要精確控制硅碳比、生長(zhǎng)溫度梯度、晶 體生長(zhǎng)速率以及氣流氣壓等參數(shù)； 3）氣相傳輸法下，碳化硅晶體生長(zhǎng)的擴(kuò)徑技術(shù)難度極大； 4）碳化硅硬度與金剛石接近，切割、研磨、拋光技術(shù)難度大。

SiC外延：通常用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法制造，根據(jù)不同的摻雜類型，分為n型、p型外延片。國(guó)內(nèi)瀚天天成、東莞天域已能提供4寸/6寸SiC外延片。對(duì)于SiC外延來(lái)說(shuō)，高壓領(lǐng)域控制難，SiC外延質(zhì)量對(duì)SiC器件影響較大。而且外延設(shè)備被行業(yè)四大龍頭企業(yè) Axitron、 LPE、TEL 和 Nuflare 所壟斷。 碳化硅外延片，是指在原有碳化硅襯底 上生長(zhǎng)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。外延生長(zhǎng)主要使用 CVD（Chemical Vapor Deposition，化學(xué)氣相沉積）設(shè)備或者 MBE（Molecular Beam Epitaxy，分子束外延）設(shè)備。由于碳化硅器件是直接在外延層制造，外延質(zhì)量的好壞直接影響了器件的性能和良率，隨著器件需求耐壓性能的不斷提高，對(duì)應(yīng)的外延層厚度就越厚，控制難度也就越高。一般電壓在 600V 左右時(shí)，所需要的外延層厚度約在 6 微米左右；電壓在 1200-1700V 之間時(shí)，所需要的外延層厚度就達(dá)到 10-15 微米。如果電壓達(dá)到一萬(wàn)伏以上時(shí)，可能就需要 100 微米以上的外延層厚度。而隨著外延層厚度的不斷增加，對(duì)厚度和電阻率均勻性以及缺陷密度的控制就變得愈發(fā)困難。

SiC器件：國(guó)際上600~1700V SiC SBD、MOSFET已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，主流產(chǎn)品耐壓水平在1200V以下，封裝形式以TO封裝為主。價(jià)格方面，國(guó)際上的SiC產(chǎn)品價(jià)格是對(duì)應(yīng)Si產(chǎn)品的5~6倍，正以每年10%的速度下降，隨著上游材料器件紛紛擴(kuò)產(chǎn)上線，未來(lái)2~3年后市場(chǎng)供應(yīng)加大，價(jià)格將進(jìn)一步下降，預(yù)計(jì)價(jià)格達(dá)到對(duì)應(yīng)Si產(chǎn)品2~3倍時(shí)，由系統(tǒng)成本減少和性能提升帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)將推動(dòng)SiC逐步占領(lǐng)Si器件的市場(chǎng)空間。 傳統(tǒng)封裝基于硅基，三代半導(dǎo)體材料具有全新設(shè)計(jì)。若將傳統(tǒng)硅基封裝結(jié)構(gòu)用于寬禁帶半導(dǎo)體功率器件時(shí)，會(huì)在頻率、散熱、可靠性等方面帶來(lái)新的問(wèn)題與挑戰(zhàn)。

SiC 功率器件對(duì)寄生電容和寄生電感更加敏感。相比于 Si 器件 SiC 功率芯片的開(kāi) 關(guān)速度更快，這會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓的波形帶來(lái)過(guò)沖和震蕩，引起開(kāi)關(guān)損耗的增加，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鸸β势骷恼`開(kāi)關(guān)。此外 SiC 功率器件工作溫度更高，對(duì)散熱的 要求也更高。 寬禁帶半導(dǎo)體功率封裝領(lǐng)域研發(fā)出多種不同結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng) Si 基功率模塊封裝不再適 用。針對(duì)傳統(tǒng) Si 基功率模塊封裝存在寄生參數(shù)過(guò)高，散熱效率差的問(wèn)題，SiC 功 率模塊封裝在結(jié)構(gòu)上采用了無(wú)引線互連（wireless interconnection）和雙面散熱 （double-side cooling）技術(shù)，同時(shí)選用了導(dǎo)熱系數(shù)更好的襯底材料，并嘗試在模 塊結(jié)構(gòu)中集成去耦電容、溫度/電流傳感器以及驅(qū)動(dòng)電路等，研發(fā)出了多種不同的模塊封裝技術(shù)。而且在SiC器件制造存在較高的技術(shù)壁壘，生產(chǎn)成本很高。 碳化硅器件是通過(guò) CVD 在碳化硅襯底上疊層外延膜，經(jīng)過(guò)清洗、氧化、光刻、刻蝕、去光阻、離子注入、化學(xué)氣相沉積沉淀氮化硅、拋光、濺鍍、后加工等步驟后在 SiC 單晶基板上形成元件結(jié)構(gòu)所得。其中，SiC 功率器件主要包括 SiC 二極管、SiC 晶體管和 SiC 功率模塊。受制于上游材料生產(chǎn)速度慢、良品率低等原因，碳化硅器件具有較高制造成本。

此外，碳化硅器件制造具有一定技術(shù)難度： 1）需要開(kāi)發(fā)與碳化硅材料特性吻合的特定工藝，如：SiC 具有高熔點(diǎn)使傳統(tǒng)熱擴(kuò)散失效，需要采用離子注入摻雜法，并精準(zhǔn)控制溫度、升溫速率、持續(xù)時(shí)間、氣體流量等參數(shù)；SiC 對(duì)化學(xué)溶劑具有惰性，應(yīng)采用干刻蝕等方法，并優(yōu)化和開(kāi)發(fā)掩膜材料、氣體混合物、側(cè)壁斜率的控制、蝕刻速率、側(cè)壁粗糙度等； 2）碳化硅晶片上金屬電極的制造要求接觸電阻低于 10- 5Ω2，符合要求的電極材料 Ni 和 Al 在 100℃ 以上時(shí)具有較差熱穩(wěn)定性，但具有較好熱穩(wěn)定性的 Al/Ni/W/Au 復(fù)合電極材料接觸比電阻高 10- 3Ω2； 3）SiC 切割磨損高，SiC 硬度僅次于金剛石，對(duì)切割、研磨、拋光等技術(shù)提出了更高的要求。 而且，溝槽型碳化硅功率器件具有更大制造難度。

根據(jù)器件結(jié)構(gòu)的不同，碳化硅功率器件主要可以分為平面型器件和溝槽型器件。平面型碳化硅功率器件具有較好的單位一致性，制作工藝簡(jiǎn)單，但易產(chǎn)生JFET 效應(yīng)，具有較高的寄生電容和通態(tài)電 阻。相較于平面型器件，溝槽型碳化硅功率器件單位一致性較低，具有更復(fù)雜的制作工藝，但溝槽結(jié)構(gòu)有利于增加器件單位密度，不易產(chǎn)生 JFET 效應(yīng)，有利于解 決溝道遷移率低等問(wèn)題，具有導(dǎo)通電阻小、寄生電容小、開(kāi)關(guān)能耗低等優(yōu)良性能，具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)和性能優(yōu)勢(shì)，已成為碳化硅功率器件發(fā)展的主流方向。根據(jù) Rohm 官網(wǎng)，ROHM Gen3 結(jié)構(gòu)（Gen1 Trench 結(jié)構(gòu)）僅為 Gen2（Plannar2）芯片 面積的 75%，且同一芯片尺寸下 ROHM Gen3 結(jié)構(gòu)導(dǎo)通電阻降低 50%。 碳化硅襯底、外延、前段、研發(fā)費(fèi)用和其他分別在碳化硅器 件制造成本中占比 47%，23%，19%，6%，5%。 最后我們?cè)僦胤纸庖幌绿蓟璁a(chǎn)業(yè)鏈中襯底的技術(shù)壁壘。 碳化硅襯底生產(chǎn)過(guò)程與硅基襯底類似，但是難度更大。 碳化硅襯底的制作流程一般包括原料合成、晶體生長(zhǎng)、晶錠加工、晶棒切割、晶片研磨、拋光、清洗等環(huán)節(jié)。

其中晶體生長(zhǎng)階段為整個(gè)流程的核心，該步驟決定了碳化硅襯底的電學(xué)性質(zhì)。 碳化硅材料在一般條件下很難液相生長(zhǎng)，如今市場(chǎng)流行的氣相生長(zhǎng)法，生長(zhǎng)溫度在 2300℃以上，而且需要精確調(diào)控生長(zhǎng)溫度，整個(gè)操作過(guò)程幾乎難以觀測(cè)，稍有差錯(cuò)就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。相比之下，硅材料只需要 1600℃，要求低很多。制備碳化硅襯底還面臨長(zhǎng)晶速度慢，晶型要求高等困難。碳化硅晶圓生長(zhǎng)約需要 7 至 10 天，而硅棒拉晶只需要 2 天半。而且碳化硅是硬度僅次于金剛石的材料，切割、研磨、拋光時(shí)候也會(huì)損失掉的很多，產(chǎn)出比只有 60%。 我們知道碳化硅襯底的尺寸做大是趨勢(shì)，隨著尺寸不斷增大，擴(kuò)徑技術(shù)的要求也越來(lái)越高。需要綜合多方面的技術(shù)控制要素，才能實(shí)現(xiàn)晶體的迭代擴(kuò)徑生長(zhǎng)。?

編輯：黃飛

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