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碳化硅晶圆制造难在哪?做出200mm的凤毛麟角

时间:2021-08-03 作者:刘于苇 阅读:
同时期的硅晶圆已经由200mm(8英寸)向300mm(12英寸)进发,但碳化硅晶圆的主流尺寸一直是150mm(6英寸),每片晶圆能制造的芯片数量不大,远不能满足下游需求。真的这么难吗?包括SiC在内的第三代半导体产业链包括包括衬底→外延→设计→制造→封装,SiC器件成本高的一大原因就是SiC衬底制造困难……
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第三代半导体也称为宽禁带半导体,不同于传统的半导体主要赖硅晶圆,它在材料层面上实现了更新。而与第一代、第二代半导体并非替代关系,而是形成互补,三者特性各异、用途不同。

具体来看,第一代半导体材料以硅(Si)和锗(Ge)为主,是CPU处理器等集成电路主要运用的材料;第二代半导体包括砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等,目前手机所使用的关键通信芯片都采用这类材料制作。

第三代半导体材料主要是以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带半导体材料。在通信、汽车、高铁、卫星通信、航空航天等应用场景中有优势。其中,碳化硅、氮化镓的研究和发展更为成熟。

SiC器件的需求比产量涨的快

受材料本身特性的限制,传统硅基功率器件已经渐渐难以满足 5G 基站、新能源车及高铁等新兴应用对器件高功率及高频性能的需求,但SiC作为半导体材料具有优异的性能,尤其是用于功率转换和控制的功率元器件。与传统硅器件相比可以实现低导通电阻、高速开关和耐高温高压工作,因此近年来倍受欢迎。

目前,SiC最大的应用市场在新能源汽车的功率控制单元、逆变器、DC-DC转换器、车载充电器等。以电动汽车为例,采用碳化硅芯片,将使电驱装置的体积缩小为五分之一,电动汽车行驶损耗降低60%以上相同电池容量下里程数显著提高。

特斯拉此前在Model3率先使用意法半导体和英飞凌的SiC逆变器;2020年国产比亚迪新能源汽车“汉”的电机控制器中开始应用SiC-MOSFET模块;今年3月,器件厂商斯达半导也宣布加码车规级SiC模组产线。据Yole预计,到2025年,新能源汽车和充电桩领域的SiC市场将达到17.78亿美元,约占SiC总市场规模的七成左右。

碳化硅具有1X1共价键的硅和碳化合物,其莫氏硬度为13,仅次于钻石(15)和碳化硼(14)。最早是人们在太阳系刚诞生的46亿年前的陨石中,发现了少量这种物质,所以它又被称为“经历46亿年时光之旅的半导体材料”。 据说,SiC在天然环境下非常罕见,虽然通过人工合成可以制造,但因在长晶的源头晶种就要求相当高的纯度,且后段加工极其困难,SiC功率元器件量产化曾一度令研究者们头疼。

数据显示,目前全球SiC硅晶圆总年产能约在40-60万片,而且同时期的硅晶圆已经由200mm(8英寸)向300mm(12英寸)进发,但碳化硅晶圆的主流尺寸一直是150mm(6英寸),每片晶圆能制造的芯片数量不大,远不能满足下游需求。

以特斯拉Model 3主逆变器为例,需要24个电源模块,每个电源模块均基于两个SiC MOSFET裸片,每辆汽车总共有48个SiC MOSFET裸片。按照这个估算若循序渐进采用SiC后,平均2辆特斯拉的纯电动车就需要一片150mm SiC晶圆。Wedbush证券分析师Dan Ives曾称,到2022年特斯拉的交付量可能会达到100万辆,如果预测成真,那届时仅特斯拉就将消耗掉全球SiC硅晶圆总产量。

主流SiC大厂扩产计划

国内外主流SiC大厂扩产计划

厂商

事件

科锐

2019年宣布计划2019-2024年投资7.2亿美元,将SiC材料及晶圆产能扩充30倍。包括建造一座车规级200mm功率及射频晶圆工厂,以及扩产超级材料工厂。计划2024年200mm SiC晶圆工厂规划达产;

2020年宣布未来5年投资10亿美元,扩展SiC衬底生产线

罗姆

2021年1月其筑后工厂新厂房竣工,预计2022年投产,以满足电动车等用途SiC电源控制芯片产能。计划到2025年投资850亿日元,预计届时产能将提升16倍

英飞凌

与GT Advanced Technologies在2020年签订SiC晶棒约5年期供货合同;与昭和电工在2021年先后签订SiC晶棒2年期供货合同

高意集团(Ⅱ-Ⅵ)

2020年宣布计划将150mm SiC材料的产能扩大5-10倍,同时扩大差异化200mm材料技术的批量生产,以满足未来5年的预期需求

比亚迪

此前宣布将在2023年全方位采用SiC替代,预计在2025年全面用SiC取代硅基IGBT

博世集团

2020年开始在德国生产专门用于电动汽车的新一代SiC芯片

斯达半导

今年3月宣布,拟非公开发行股票募资不超过35亿元,其中20亿元用于高压特色工艺功率芯片和SiC芯片研发及产业化项目

天科合达

正在新建一条400台/套SiC单晶生长炉及其配套切、磨、抛加工设备的SiC衬底生产线。2020年8月开工,计划2022年初投产

山东天岳

子公司上海天岳将于2021年7月下旬开工建设临港SiC半导体材料项目,预计投产日期为2022年,达产日期为2026年6月

露笑科技

其合肥SiC工厂一期预计在今年9月实现150mm SiC衬底片的小批量试产

三安光电

湖南三安半导体基地一期项目今年6月正式投产,可与产3万片150mm SiC晶圆

据不完全统计,未来2-5年内碳化硅产能仍将继续增加(数据自《科创板日报》、芯思想)

虽然在SiC市场上,IDM(集成器件制造商)占据主导地位,SiC代工公司也不甘落后,希望能够复制成功的硅代工厂的模式。德国X-Fab、英国Clas-SiC(150mm)、韩国YES POWERTECHNIX(YPT)以及中国台湾的汉磊(Episil)、厦门三安(SANAN)、芜湖启迪(TUS SEMI)都希望从中分到一杯羹。

虽然这些SiC大厂积极扩产,但自2009年纽约州立大学和道康宁公司在150 mm SiC单晶生长取得了重大突破后,全世界SiC产业一直在150 mm产业方向发展。多年来突破200mm、实现大直径的无缺陷或低缺陷SiC晶体生长的却是凤毛麟角,真的这么难吗?

有多难?——长晶、衬底、外延

包括SiC在内的第三代半导体产业链包括包括衬底外延设计制造封装。其中,衬底是所有半导体芯片的底层材料,起到物理支撑、导热、导电等作用;外延是在衬底材料上生长出新的半导体晶层,这些外延层是制造半导体芯片的重要原料,影响器件的基本性能;设计包括器件设计和集成电路设计,其中器件设计包括半导体器件的结构、材料,与外延相关性很大;制造需要通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的器件结构和电路;封装是指将制造好的晶圆切割成裸芯片。

SiC器件成本高的一大原因就是SiC衬底制造困难。数据显示,衬底成本大约占晶片加工总成本的50%,外延片占25%,器件晶圆制造环节20%,封装测试环节5%。SiC衬底不止贵,生产工艺还复杂,与硅相比,SiC很难处理。

合肥鑫晟光电科技有限公司 设备与工艺工程师 @石大小生 在其知乎专栏上分析了SiC生产的两个难点,即衬底和外延生长。

与传统的单晶硅使用提拉法制备不同,目前规模化生长SiC单晶主要采用物理气相输运法(PVT)或籽晶的升华法。这也就带来了SiC晶体制备的两个难点:

1、 生长条件苛刻,需要在高温下进行。一般而言,SiC气相生长温度在 2300℃以上,压力 350MPa,而硅仅需 1600℃左右。高温对设备和工艺控制带来了极高的要求,生产过程几乎是黑箱操作难以观测。如果温度和压力控制稍有失误,则会导致生长数天的产品失败。

2、 生长速度慢。PVT 法生长SiC的速度缓慢,7 天才能生长 2cm 左右。而硅棒拉晶 2-3 天即可拉出约 2m 长的 8 英寸硅棒。

碳化硅生长炉的技术指标和工艺过程中的籽晶制备、生长压力控制、温度场分布控制等因素,决定了单晶质量和主要成本

另一方面,SiC存在 200 多种晶体结构类型,其中六方结构的 4H 型(4H-SiC)等少数几种晶体结构的单晶型SiC才是所需的半导体材料,在晶体生长过程中需要精确控制硅碳比、生长温度梯度、晶体生长速率以及气流气压等参数,否则容易产生多晶型夹杂,导致产出的晶体不合格。

PVT法生长的SiCk单晶一般是短圆柱状,柱状高度(或长度)在20 mm以内,需要通过机械加工整形、切片、研磨、抛光等化学机械抛光和清洗等工艺,才能成为器件制造前的衬底材料。这一机械、化学的制造过程普遍存在着加工困难、制造效率低、制造成本高等问题。SiC单晶加工关注点是晶片不仅具备良好的几何形貌,如总厚度变化、翘曲度、变形,而且具备较高的晶片表面质量(微粗糙度、划伤等)。此外,还要考虑单晶加工的效率和成本问题,这也就给SiC衬底制备提出很大的挑战。

单晶的生长缺陷,主要是SiC 晶片大面积应用中的螺旋位错(称为微管)。目前先进的技术指标是直径100 mm以上的SiC,其微管缺陷密度小于1 每平方厘米。150 mm的SiC材料制备技术,2014年国内已经取得了突破。但规模化生产制造SiC晶片,达到低微管密度或零缺陷质量还存在一些技术工艺问题。

SiC器件制造必须要经过外延步骤,外延质量对器件性能影响很大。SiC基器件与传统的硅器件不同,SiC衬底的质量和表面特性不能满足直接制造器件的要求,因此在制造大功率和高压高频器件时,不能直接在SiC衬底上制作器件,而必须在单晶衬底上额外沉积一层高质量的外延材料,并在外延层上制造各类器件,目前效率也比较低。另外SiC的气相同质外延一般要在 1500℃以上的高温下进行。由于有升华的问题,温度不能太高,一般不能超过 1800℃,因而生长速率较低。

有多难?——切划、研磨、器件制造

我们前面也提到,SiC是世界上硬度排名第三的物质,不仅具有高硬度的特点,高脆性、低断裂韧性也使得其磨削加工过程中易引起材料的脆性断裂从而在材料表面留下表面破碎层,且产生较为严重的表面与亚表层损伤,影响加工精度。所以在研磨、锯切和抛光阶段,挑战也非常大,其加工难主要体现在:

(1)硬度大,莫氏硬度分布在 9.2~9.6;

(2)化学稳定性高,几乎不与任何强酸或强碱发生反应;

(3) 加工设备尚不成熟。

一句话就是——SiC衬底的划切非常棘手,并且晶圆尺寸越大越棘手。据“半导体封装工程师之家”介绍,目前,用于制作电子器件的SiC晶圆主要有 2 种:

1、N 型导电晶圆厚度 150~350 μm,电阻率0.010~0.028 Ω·cm 2 ,主要应用于发光二极管、电力电子行业的功率器件;

2、高纯半绝缘晶圆厚度50~100 μm,电阻率 1×10 8 Ω·cm 2 ,主要用于微波射频、氮化镓晶体管等领域。

针对半导体行业应用的 SiC 晶圆划切,主要有砂轮划片、激光全划、激光半划、激光隐形划切、水导激光划切等几种加工方法。半导体封装工程师之家介绍了每种方法的特点及应用,分析后认为激光隐形划片与裂片结合的加工方法,加工效率高、工艺效果满足生产需求,是SiC晶圆的理想加工方式。

激光隐形划切,是指将激光聚焦在材料内部,形成改质层,然后通过裂片或扩膜的方式分离芯片。表面无粉尘污染,几乎无材料损耗,加工效率高。实现隐形划切的 2 个条件是材料对激光透明,足够的脉冲能量产生多光子吸收。据介绍,SiC在室温下的带隙能量 Eg 约为 3.2 eV,即为 5.13×10 -19 J。1 064 nm 激光光子能量 E=hc/λ=1.87×10 -19 J。可见 1 064 nm 的激光光子能量小于碳化硅材料的吸收带隙,在光学上呈透明特性,满足隐形划切的条件。实际的透过率与材料表面特性、厚度、掺杂物的种类等因素有关,以厚度 300 μm 的碳化硅抛光晶圆为例,实测 1 064 nm 激光透过率约为67%。选用脉冲宽度极短的皮秒激光,多光子吸收产生的能量不转换成热能,只在材料内部引起一定深度的改质层,改质层是材料内部裂纹区、熔融区或折射率变化区。然后通过后续的裂片工艺,晶粒将沿着改质层分离。

碳化硅材料解理性差,改质层的间隔不能太大。试验采用全自动划片机和 350 μm厚的 SiC 晶圆,划切 22 层,划切速度 500 mm/s,裂开后的断面比较光滑,崩边小,边缘整齐,如下图所示。

英飞凌为了提高产量,就曾在2018年收购了SiC晶圆切割领域的新锐公司Siltectra,据悉Siltectra的冷切割技术(Cold Spilt)相比传统工艺将提高90%的生产效率。

另外,在器件制造过程中SiC的难度也有所增加,主要体现在部分工艺需要在高温下完成:

1、 掺杂步骤中,传统硅基材料可以用扩散的方式完成掺杂,但由于碳化硅扩散温度远高于硅,无法使用扩散工艺,只能采用高温离子注入的方式;

2、 高温离子注入后,材料原本的晶格结构被破坏,需要用高温退火工艺进行修复。碳化硅退火温度高达 1600℃,这对设备和工艺控制都带来了极大的挑战。

3、碳化硅器件工作温度可达 600℃以上,组成模块的其他材料,如绝缘材料、焊料、电极材料、外壳等也无法与硅基器件通用;

4、器件的引出电极材料也需要同时保证耐高温和低接触电阻,大部分材料难以同时满足两条要求。

科锐之后,ST也拿出了200mm SiC晶圆

虽然不知道是不是采用上述先进制备方法,但日前意法半导体(ST)宣布,在他们位于瑞典的北雪平工厂已经成功制造出首批200mm的SiC晶圆,将用于生产下一代电力电子芯片的产品原型。

新的碳化硅产品STPOWER SiC是在意大利卡塔尼亚、新加坡宏茂桥两家150mm晶圆厂完成前工序制造的,而后工序制造在中国深圳、摩洛哥布斯库拉的两家封测厂进行。据悉, ST正在建SiC衬底新厂和内部采购SiC衬底占比超40%的生产计划,将SiC晶圆升级到200mm属于这个计划的一部分。

意法半导体表示,这标志着该公司面向汽车、工业客户的扩产计划取得重要的阶段性成功,巩固了在这一开创性技术领域的领导地位,提高了电力电子芯片的轻量化和能效,降低客户获取这些产品的总拥有成本。此前,福布斯报道称,雷诺集团与意法半导体公司达成战略合作伙伴关系,以确保雷诺从2026年开始为旗下的纯电动和混合动力汽车提供足够的功率半导体。

意法半导体在碳化硅晶圆的研发上已经投入了25年之久,拥有70多项专利,2019年还收购了Norstel,并改名为意法半导体碳化硅公司,获得了碳化硅硅锭生长技术开发方面的技术积累。

意法半导体表示,首批200mm碳化硅晶圆质量上乘,影响芯片良率、晶体位错的缺陷非常少。对比150mm晶圆,200mm晶圆可增加产能,可用于芯片制造的面积扩大几乎一倍,合格芯片产量则增加80-90%。

新晶圆可以实现更高效的电能转换,更小、更轻量化的设计,节省系统设计总体成本,而这些都是决定汽车和工业系统成功的关键参数和因素。据Strategy Analytics最新发布的《2020年汽车半导体厂商市场份额报告》显示,意法半导体与英飞凌、恩智浦、瑞萨、德州仪器为全球Top 5汽车半导体供应商,2020年这五家供应商共占据了全球汽车半导体市场近49%的份额。

意法半导体并不是第一家生产出200mm SiC晶圆的厂商,早在2019年10月,科锐就宣布在纽约州立理工学院奥尔巴尼分校成功完成了首批200mm SiC晶圆样品的制备。

据悉,科锐位于纽约Marcy的200mm SiC晶圆工厂已于2020年2月开工,2021年4月设备开始搬入,预计将在2022年启用生产。FAB空间458000平方英尺,其中洁净室空间为135000平方英尺。到2024年满产时,将达到2017年产能的30倍,同时产品要符合车规级。 

据不完全统计,目前有7家企业能够生产8英寸SiC衬底,包括英飞凌、Cree、罗姆、II-VI、Soitec、意法半导体以及中国的烁科晶体。

中国的机会

中泰证券分析师张欣预计,2021年汽车领域SiC有望进入放量元年。该分析师表示,当下的全球 SiC 产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势,国内企业在衬底、外延和器件方面均有所布局,包括SiC 衬底材料厂商露笑科技、天科合达(天富能源参股 3.7%)、山东天岳(未上市),器件商斯达半导、华润微、扬杰科技、泰科天润(未上市)等;代工龙头三安集成(三安光电子公司) 。

图自东兴证券

由于“高温”为核心的难点构筑了较强的技术壁垒,SiC衬底制造难度极大,所以大多数企业都是从科锐、罗姆等供应商处直接购买。目前科锐是全球最大的SiC衬底和外延片供应商,约占全球一半产能;罗姆、高意(II-VI)分列二、三位,合计占有全球35%的产能。这三家厂商的长晶炉都是自行设计,掌握着关键的上游设备资源,同时他们又是器件供应商,所以与众多客户构成了直接竞争关系,且能够通过SiC衬底和外延片的销售情况,获取客户的产品研发节奏、产能安排等核心商业信息,未来这些SiC原厂们肯定都会有所忌惮。

国内公司体量与欧美日本厂商比较均较小,并且在相关工艺和设备问题上面临挑战,但在摩尔定律遇到瓶颈、中国智造2025的大背景下,宽禁带半导体材料,无疑是中国半导体产业实现自我突破一次好机会。当前,中国对于宽禁带半导体材料器件研发正进行针对性规划和布局,其中“十三五”国家科技创新规划、2030计划和“十四五”国家研发计划中都将其作为重点突破方向。

责编:Luffy Liu

本文内容参考意法半导体、科创板日报、东兴证券、In semi、半导体封装工程师之家、芯思想

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
刘于苇
电子工程专辑(EETimes China)副主分析师。
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