如何打造一颗第三代半导体芯片？上中下游产业链、5大制程带你一次看懂！

DT半导体材料 2022-01-05 18:00

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来源：数位时代(台）、EETOP

打造一颗具备信号处理能力的芯片，就像盖房子一般，从设计、建材到最后装潢，各个环节都不容轻忽。由「硅」（Si）打造的第一代半导体，已走过60多个年头，制程趋于成熟，有一套标准化的生产流程，对应到芯片制造程序，就是从晶圆（基板＋磊晶）→设计→制造→封装。

第一代半导体技术相对成熟，已有一套标准生产流程，对应到芯片制造程序，就是从晶圆（基板＋磊晶）→设计→制造→封装。

这套制程长期的发展，基本上是持续推进摩尔定律。而加码投资先进封装制程、力求在单一芯片上堆叠更多电晶体，以提升芯片效能与降低耗电量，也是全球晶圆代工巨头门的长期努力的方向。

目前硅是主流半导体材料，在全球半导体市占约9成，而第二代半导体如砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP），多用于通信、传感器等相关产品，产值与应用范围都比较小，因此本文主要以第一代和第三代半导体做比较。

碳化硅原料难取得

生产门槛更高

与硅芯片制程相似，第三代半导体材料同样需要经过基板、磊晶、IC设计、制造、封装等步骤，才能产生出一颗芯片。不过，由于第三代半导体发展历史仅硅半导体一半，从制程的前段材料与长晶就有许多挑战，像是源头的材料配方和长晶炉的设计，专利都掌握在国际大厂手中，而长晶炉又攸关晶锭品质优劣，也牵动了后续切割成基板的良率高低。

基板与磊晶制造，是半导体产业的最上游，光是原料的取得与加工，就有重重挑战。图为碳化硅磊晶。

从制程源头的材料面来看，第三代半导体又分为碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）两种材料。

高纯度的碳化硅材料取得不易，源头集中于美国、日本与俄国等国。高纯度的碳化硅大多用于军用雷达、国防应用相关领域，被视为战略性物资，加上高纯度碳化硅材料成本是一般纯度的10倍，较少人会直接购买高纯度材料。

通常市面上流通的碳化硅粉体是一般等级的材料，由厂商进口后自行纯化碳化硅材料，但是否可以提炼出高纯度的碳化硅，就得各凭本事。此外，碳化硅硬度极高（仅次钻石），切割、研磨与抛光等加工制程难度相对较高，所以具备生产制造能力的厂商非常少，形成垄断市场。

以基板为例，美国Wolfspeed（前身为Cree）就占了将近6成市占率，其次为日本罗姆半导体（ROHM）、美国贰陆（II-VI）等公司。

半导体材料面，由于原料取得不易与加工困难等原因，形成垄断市场。以基板为例，美国Wolfspeed就占了近6成市占率。

对照碳化硅，由于氮化镓晶圆的制造方式，是在其他材料的基板上生长出新结晶，比方蓝宝石、硅或碳化硅，设备也具通用性。

目前基板材料中，硅基氮化镓（GaN on Si）主要用于快充、电动车领域，而碳化硅基氮化镓（GaN on SiC）则主要用于基站、卫星通信等地。不过，氮化镓磊晶也有不小挑战，原因是氮化镓经常是透过异质材料基板生成结晶，容易产生晶格不匹配而翘曲（warpage）破片，磊晶技术优劣，又会大幅影响良率。

比起第三代半导体在制程前端（材料取得、基板、磊晶）难度较高，在中下游的IC设计、制造生产／封测等阶段，则基本上能建立在既有硅产业基础上。例如台积电就是采取硅基氮化镓技术，帮氮化镓功率IC龙头纳微（Navitas）代工，以最有效方式抢进市场。

半导体的中上下游产业链，可分为五大生产环节。

世界先进董事长方略指出，第三代半导体与第一代半导体生产管理、制造流程通用，部分技术也有重叠。像是氮化镓可以整合现在相对成熟、有部分CMOS（互补式金属氧化物半导体）技术应用于高频率元件产品。

至于IC设计环节上，第三代半导体的设计程序与第一代半导体无太大差异，需进行规格定义、制程选择、架构选择、电路设计、可靠性分析等过程，只是因为两者间的材料特性非常不一样，因此在设计时，研发人员要更能掌握对碳化硅、氮化镓材料特性的理解，以利产品能顺利量产。

最后的制造与封测阶段，虽然很多传统晶圆厂第三代半导体产业发展尚未规模化，没有相关的机器设备商，但已有厂商积极布局中，希望能够同步掌握制造与封测的能力。

比如硅晶圆代工二哥联电，早已投入氮化镓功率元件与射频（RF）元件制程开发，日前更以54亿元新台币入股第9大封测业者颀邦科技，以强化第三代半导体制造能力。第三代半导体由于造价昂贵及耐高压、高频等特性，主要用于国防、航太等领域，直到近年才因为技术进展、成本下降，应用到工业、汽车与消费性电子产业。这个极度精密、复杂的产业，究竟有哪些生产流程，本文带你一次了解！

基板：在黑盒子中制造长晶，难度最高

基板起始步骤：长晶，须在密闭空间里进行。

要生产出碳化硅（SiC）单晶（monocrystal或single crystal）基板（Substrate），须从长晶（生长碳化硅单晶）做起，作法是将碳化硅粉体倒入长晶炉，在高温且密闭的空间使其升华，让晶源粉末的蒸汽冷凝后，附着在碳化硅晶种上。

碳化硅的长晶完全是在「黑盒子中」制造，因为生产制造的过程中需要维持在高温（大于2100℃）环境下运作，且须保持低压、长时间稳定的状态，这也意味着做出来的品质、成果会在最后一刻才揭晓答案。

因为看不到坩埚内碳化硅结晶的状况，因此要控制得好，让碳化硅的原子能适当排列并附着在起始的晶种上面，除了晶种本身的品质非常重要之外，热场设计及坩埚材质等因素，都会影响基板品质的好坏。

基板是一种纯材料的技术，需要具备高温热力学的专业知识，不是买设备就可以自行制作，没有一定程度的技术来源，很难做出品质好的基板，尤其是在完全密闭的空间里进行，设计难度也相对比较高。

此外，与硅相比，碳化硅因材料特性使然，长晶速度与晶锭（或称晶棒，Ingot）高度差异甚大，碳化硅需要7天时间才能长出2～5公分的晶锭，硅则是3天就能制作出200公分的晶棒，长晶效率相差100～200倍。

长成晶柱的碳化硅晶锭，首先会切割成基板，经过机械研磨、化学侵蚀，将表面磨得光滑如一面镜子，最后成为集成电路（IC）基板。

目前主流的碳化硅基板为6吋（150mm），而意法半导体（ST）率先于2021年8月宣布，在瑞典Norrköping工厂制造出全球首批量产8吋（200mm）碳化硅基板。预期2022年起，基板大厂Wolfspeed（前身为科锐Cree）、贰陆（II-VI）及Qromis也将陆续推出8吋碳化硅量产基板，可望大幅提升全球第三代半导体芯片产能。

磊晶：碳化硅基氮化镓，被视为未来主流

薄薄一层磊晶，是强化基板工作效能关键。

磊晶（Epitaxy）是指透过在原有的基板上，长出薄薄一层结晶，以达到强化工作效能的目标。通常在磊晶过程中，会经过2个步骤：先在基板表面沉积化学物质，而后才会在基板上形成薄膜，俗称磊晶。

就难度来讲，碳化硅磊晶的挑战相对较小，因为碳化硅采用的磊晶材料与基板相同，晶格匹配度较高，主要用途是优化晶圆的晶体结构和品质。相较之下，第三代半导体的另一个关键材料——氮化镓（GaN），磊晶技术的好坏就是非常关键的要素。

受限于材料本身的特性，氮化镓基板（目前用于功率元件的基板，还在研发阶段）尚未量产，即使做成了氮化镓基板，成本也高达2000～3000美元，比一般硅基板（仅35～55美元）贵上许多。因此，氮化镓大多是在硅、碳化硅或蓝宝石基板上磊晶，以加速产品上市时间。

出于成本考虑，加上与互补式金属氧化物半导体（CMOS）制程相容，现阶段主流的氮化镓技术是将氮化镓磊晶长在硅之上的硅基氮化镓（GaN on Si）方案。台积电即是采用此晶圆代工技术，为第三代半导体元件龙头纳微半导体（Navitas）代工生产氮化镓功率元件。

长期而言，碳化硅基氮化镓（GaN on SiC）被视为是未来的主流技术，因为碳化硅基板的导热性优异，氮化镓磊晶层的品质较佳，适合高温、高频、高功率的产品，如5G基站、低轨卫星应用。

整体来看，无论是碳化硅或氮化镓，将来在应用上都会用到碳化硅基板，「得碳化硅基板者得天下」已成为业界共识，国际大厂也陆续透过并购，取得碳化硅基板技术。

IC设计：上游材料、后端制程，都会影响良率

IC设计需考虑材料及后端制造，台积电与纳微也是合作许久后才推出可商用的氮化镓产品。

对于IC设计来说，由于高纯度的碳化硅材料取得不易，再加上碳化硅基板、磊晶制程困难，对IC设计是很大挑战，因为要拿到长得很整齐的基板、磊晶不容易，这也是决定良率很大的因素。

IC设计的好坏，不仅受上游晶圆制作的影响，也与下游晶圆代工的环节息息相关。制作第三代半导体芯片，IC设计商一定要与晶圆代工厂密切合作，确保设计出来的产品能够有相对应的制程，才能做出元件。

IC设计过程中，需要考虑材料品质而调整设计，若只是将设计做得很理想，但后端制程做不到设计要求也是徒劳。

第三代半导体的材料与制程还不是很成熟，因此设计的产品与制造出的成品常有特性差异（因材料品质或制程条件的变动而偏离目标值）与稳定度问题，因此要发展相关芯片，IC设计者必须了解材料的元件特性才有利于产品开发。

制造、封测：可借重硅制程经验

相较硅制程，第三代半导体仅需10余层材料。图为碳化硅制程。

相比于第一代半导体「硅制程」的制造与封装，动辄需要整合30～40层材料，第三代半导体仅需10～20层，难度应该属于中等。

不过，层数少，虽说复杂度较低，却未必简单。受限于材料的不同，每一步的层数叠加都有其挑战。第三代半导体制造与封测的技术门槛，来自于材料、制程经验，以及后端的封装技术，懂得材料的know-how（知识技能），才有办法做出来。

此外，也因为材料的不同，许多制程必须透过不同的机器来执行，无法与过去的硅制程设备完全通用，因此，机器生产制造商与晶圆代工的制造商必须共同讨论制程研发的需求，以开发适用的机器设备。

IDM：第三代半导体的主流运作方式

IDM是指从IC设计、制造到封测都一手包办的公司，由于第三代半导体发展为初期阶段，因此仍由IDM公司主导市占。

IDM是指垂直整合制造商（Integrated DeviceManufacturer, IDM），意味可以*从芯片设计、生产制造、封装测试等都一手包办的公司，这种商业模式也是半导体发展之初的主要运作方式，如早期的英特尔（Intel）。

然而，随着产业的发展和半导体制程的演进，在设计、技术研发上的成本拉高，生产制造的费用也不停垫高，半导体产业链一条龙的运作模式逐渐出现转变，半导体市场逐渐走向专业分工，例如晶圆、IC设计、制造代工、封测等流程，形成更多半导体产业的切分。

如今，进入第三代半导体领域，由于产业发展处于较初期阶段，研发成本不像第一代半导体产业追逐先进制程，动辄斥资千亿美元，而且大多数专利还都掌握在少数厂商手中，因此多由IDM公司主导，关键业者包括英飞凌（Infineon）、罗姆半导体（ROHM）、安森美（onsemi）、恩智浦（NXP）与Wolfspeed。