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碳化硅(SiC)产业技术难点与突破

一览众车 2023-06-25 11:50
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碳化硅芯片不仅是一个新风口，也是一个很大的挑战，那么我们来碳化硅技术壁垒分析下碳化硅技术壁垒是什么？碳化硅技术壁垒有哪些？
1） 第一代半导体材料以传统的硅（Si）和锗（Ge）为代表，是集成电路制造的基础，广泛应用于低压、低频、低功率的晶体管和探测器中，90%以上的半导体产品 是用硅基材料制作的；
2） 第二代半导体材料以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）和磷化镓（GaP）为代表， 相对硅基器件具有高频、高速的光电性能，广泛应用于光电子和微电子领域；
3） 第三代半导体材料以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚 石（C）、氮化铝（AlN）等新兴材料为代表。
碳化硅是第三代半导体产业发展的重要基础材料，碳化硅功率器件以其优异的耐高压、耐高温、低损耗等性能，能够有效满足电力电子系统的高效率、小型化和轻量化要求。
因其优越的物理性能：高禁带宽度（对应高击穿电场和高功率密度）、高电导率、高热导率，有望成为未来最被广泛使用的制作半导体芯片的基础材料。特别是在新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等领域具有明显优势。
碳化硅技术壁垒是什么？碳化硅技术壁垒有哪些？
SiC 生产过程分为 SiC 单晶生长、外延层生长及器件制造三大步骤，对应的是产业链衬底、外延、器件与模组四大环节。
主流制造衬底的方式首先以物理气相升华法，在高温真空环境下将粉料升华，通过温场的控制在籽晶表面生 长出碳化硅晶体。以碳化硅晶片为衬底，使用化学气相沉积法，在晶片上淀积一层单晶形成外延片。其中，在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延层，可制成功率器件，主要应用于电动车、光伏等领域；在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓 外延层，可进一步制成射频器件，应用于 5G 通讯等领域。
就目前而言，碳化硅产业链中碳化硅衬底的技术壁垒最高，碳化硅衬底生产难度最高。
SiC的生产瓶颈尚未完全彻底的解决，原料晶柱的质量不稳定存在良率问题，这就导致了SiC器件的成本过高。硅材料长晶平均只要3天即可长成一根晶棒，但碳化硅晶棒则需要一周，一般的硅晶棒可以长200公分的长，但一根碳化硅的晶棒只能长出2公分。而且SiC本身属于硬脆性材料，由其制成的晶圆，在使用传统的机械式切割晶圆划片时，极易产生崩边，影响产品良率及可靠性。SiC基板与传统的硅晶锭有很大不同，从设备、工艺、处理到切割的一切都需要进行开发，以处理碳化硅。
碳化硅产业链主要分为衬底、外延、器件和应用四大环节，衬底材料是产业链的基础，外延材料是器件制造的关键，器件是产业链的核心，应用是产业发展的动力。产业上游利用原材料通过物 理气相升华法等方法制成衬底材料，再利用化学气相沉积法等方法生长外延材料， 产业中游基于上游材料制成射频器件、功率器件等器件，最终应用于下游 5G 通信、电动汽车、轨道交通等。其中，衬底和外延共占产业链成本 60%，是产业链主要价值所在。
SiC衬底：SiC晶体通常用Lely法制造，国际主流产品正从4英寸向6英寸过渡，且已经开发出8英寸导电型衬底产品，国内衬底以4英寸为主。由于现有的6英寸的硅晶圆产线可以升级改造用于生产SiC器件，所以6英寸SiC衬底的高市占率将维持较长时间。
碳化硅衬底工艺复杂，制作难度大。碳化硅衬底是一种由碳和硅两种元素组成的 化合物半导体单晶材料。目前行业内主要以高纯碳粉、 高纯硅粉为原料合成碳化 硅粉，在特殊温场下，采用成熟的物理气相传输法（PVT 法），在晶体生长炉中 生长不同尺寸的碳化硅晶锭，最后经过加工、切割、研磨、抛光、清洗等多道工 序产出碳化硅衬底。
稳定量产性能稳定的高品质碳化硅晶片的技术难点有：
1）由于晶体需要在 2000℃以上的高温密闭环境生长，对控温要求极高；
2）由于碳化硅存在 200 多种晶体结构，但只有少数几种结构的单晶型碳化硅才是 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；
3）气相传输法下，碳化硅晶体生长的扩径技术难度极大；
4）碳化硅硬度与金刚石接近，切割、研磨、抛光技术难度大。
SiC外延：通常用化学气相沉积（CVD）方法制造，根据不同的掺杂类型，分为n型、p型外延片。国内瀚天天成、东莞天域已能提供4寸/6寸SiC外延片。对于SiC外延来说，高压领域控制难，SiC外延质量对SiC器件影响较大。而且外延设备被行业四大龙头企业 Axitron、 LPE、TEL 和 Nuflare 所垄断。
碳化硅外延片，是指在原有碳化硅衬底 上生长了一层有一定要求的、与衬底晶相同的单晶薄膜（外延层）的碳化硅片。外延生长主要使用 CVD（Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积）设备或者 MBE（Molecular Beam Epitaxy，分子束外延）设备。由于碳化硅器件是直接在外延层制造，外延质量的好坏直接影响了器件的性能和良率，随着器件需求耐压性能的不断提高，对应的外延层厚度就越厚，控制难度也就越高。一般电压在 600V 左右时，所需要的外延层厚度约在 6 微米左右；电压在 1200-1700V 之间时，所需要的外延层厚度就达到 10-15 微米。如果电压达到一万伏以上时，可能就需要 100 微米以上的外延层厚度。而随着外延层厚度的不断增加，对厚度和电阻率均匀性以及缺陷密度的控制就变得愈发困难。
SiC器件：国际上600~1700V SiC SBD、MOSFET已经实现产业化，主流产品耐压水平在1200V以下，封装形式以TO封装为主。价格方面，国际上的SiC产品价格是对应Si产品的5~6倍，正以每年10%的速度下降，随着上游材料器件纷纷扩产上线，未来2~3年后市场供应加大，价格将进一步下降，预计价格达到对应Si产品2~3倍时，由系统成本减少和性能提升带来的优势将推动SiC逐步占领Si器件的市场空间。
传统封装基于硅基，三代半导体材料具有全新设计。若将传统硅基封装结构用于宽禁带半导体功率器件时，会在频率、散热、可靠性等方面带来新的问题与挑战。SiC 功率器件对寄生电容和寄生电感更加敏感。相比于 Si 器件 SiC 功率芯片的开 关速度更快，这会对驱动电压的波形带来过冲和震荡，引起开关损耗的增加，严重时甚至会引起功率器件的误开关。此外 SiC 功率器件工作温度更高，对散热的 要求也更高。
宽禁带半导体功率封装领域研发出多种不同结构。传统 Si 基功率模块封装不再适 用。针对传统 Si 基功率模块封装存在寄生参数过高，散热效率差的问题，SiC 功 率模块封装在结构上采用了无引线互连（wireless interconnection）和双面散热 （double-side cooling）技术，同时选用了导热系数更好的衬底材料，并尝试在模 块结构中集成去耦电容、温度/电流传感器以及驱动电路等，研发出了多种不同的模块封装技术。而且在SiC器件制造存在较高的技术壁垒，生产成本很高。
碳化硅器件是通过 CVD 在碳化硅衬底上叠层外延膜，经过清洗、氧化、光刻、刻蚀、去光阻、离子注入、化学气相沉积沉淀氮化硅、抛光、溅镀、后加工等步骤后在 SiC 单晶基板上形成元件结构所得。其中，SiC 功率器件主要包括 SiC 二极管、SiC 晶体管和 SiC 功率模块。受制于上游材料生产速度慢、良品率低等原因，碳化硅器件具有较高制造成本。
此外，碳化硅器件制造具有一定技术难度：
1）需要开发与碳化硅材料特性吻合的特定工艺，如：SiC 具有高熔点使传统热扩散失效，需要采用离子注入掺杂法，并精准控制温度、升温速率、持续时间、气体流量等参数；SiC 对化学溶剂具有惰性，应采用干刻蚀等方法，并优化和开发掩膜材料、气体混合物、侧壁斜率的控制、蚀刻速率、侧壁粗糙度等；
2）碳化硅晶片上金属电极的制造要求接触电阻低于 10- 5Ω2，符合要求的电极材料 Ni 和 Al 在 100℃ 以上时具有较差热稳定性，但具有较好热稳定性的 Al/Ni/W/Au 复合电极材料接触比电阻高 10- 3Ω2；
3）SiC 切割磨损高，SiC 硬度仅次于金刚石，对切割、研磨、抛光等技术提出了更高的要求。
而且，沟槽型碳化硅功率器件具有更大制造难度。根据器件结构的不同，碳化硅功率器件主要可以分为平面型器件和沟槽型器件。平面型碳化硅功率器件具有较好的单位一致性，制作工艺简单，但易产生JFET 效应，具有较高的寄生电容和通态电 阻。相较于平面型器件，沟槽型碳化硅功率器件单位一致性较低，具有更复杂的制作工艺，但沟槽结构有利于增加器件单位密度，不易产生 JFET 效应，有利于解 决沟道迁移率低等问题，具有导通电阻小、寄生电容小、开关能耗低等优良性能，具有显著的成本优势和性能优势，已成为碳化硅功率器件发展的主流方向。根据 Rohm 官网，ROHM Gen3 结构（Gen1 Trench 结构）仅为 Gen2（Plannar2）芯片 面积的 75%，且同一芯片尺寸下 ROHM Gen3 结构导通电阻降低 50%。
碳化硅衬底、外延、前段、研发费用和其他分别在碳化硅器 件制造成本中占比 47%，23%，19%，6%，5%。
最后我们再着重分解一下碳化硅产业链中衬底的技术壁垒。
碳化硅衬底生产过程与硅基衬底类似，但是难度更大。
碳化硅衬底的制作流程一般包括原料合成、晶体生长、晶锭加工、晶棒切割、晶片研磨、抛光、清洗等环节。
其中晶体生长阶段为整个流程的核心，该步骤决定了碳化硅衬底的电学性质。
碳化硅材料在一般条件下很难液相生长，如今市场流行的气相生长法，生长温度在 2300℃以上，而且需要精确调控生长温度，整个操作过程几乎难以观测，稍有差错就会导致产品报废。相比之下，硅材料只需要 1600℃，要求低很多。制备碳化硅衬底还面临长晶速度慢，晶型要求高等困难。碳化硅晶圆生长约需要 7 至 10 天，而硅棒拉晶只需要 2 天半。而且碳化硅是硬度仅次于金刚石的材料，切割、研磨、抛光时候也会损失掉的很多，产出比只有 60%。
我们知道碳化硅衬底的尺寸做大是趋势，随着尺寸不断增大，扩径技术的要求也越来越高。需要综合多方面的技术控制要素，才能实现晶体的迭代扩径生长。
来源：安信证券、先进半导体材料

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