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碳化硅,踏入8英寸时代!

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楼主 发表于:2022-04-27 15:46:43
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2022年4月26日,碳化硅(SiC)技术和制造的全球引领者 Wolfspeed, Inc. (美国纽约证券交易所上市代码:WOLF)宣布其位于美国纽约州莫霍克谷(Mohawk Valley)的采用领先前沿技术的 SiC 制造工厂正式开业。这座 200mm (8英寸)晶圆工厂将助力推进诸多产业从 Si 基产品向 SiC 基半导体的转型。



图片来源:Wolfspeed


莫霍克谷这座全自动新工厂将是全球首座且最大的 200mm SiC 工厂,将提供高品质和更高良率晶圆。在莫霍克谷开发的器件对于满足 Wolfspeed 200+ 亿美元销售管道(pipeline)和全球半导体产业的需求至关重要。首批 SiC 已于这个月早些时候在这座新工厂开始制造。


Wolfspeed 全球运营高级副总裁 Rex Felton 表示:“Wolfspeed 在北卡罗来纳州同样在扩大运营。位于北卡罗来纳州达勒姆市的材料工厂计划将于今年晚些时候竣工。通过这些工厂的建设与协同发力,并综合 Wolfspeed 30 多年的研发历史、强有力的技术基础、丰富的制造经验和高端的人才,我们将在美国东海岸打造国家级的 SiC 走廊。”


至此,碳化硅世界龙头已是天下无敌!


巨头抢滩8英寸碳化硅


从目前全球市场情况来看,目前SiC半导体市场主要由Wolfspeed、英飞凌、罗姆半导体旗下SiCrystal、II-IV、新日铁住金及道康宁等国外厂商占据着。同时,根据市场的公开资料显示,这些厂商在进入6英寸生产后,在近两年来,其中一部分厂商又对其6英寸产线进行了扩产,并在积极推动SiC向8英寸发展。


在国际知名大厂中,据“三代半风向”统计,目前有7家企业能够生产8英寸SiC晶圆衬底,包括英飞凌、Wolfspeed、罗姆、II-VI、Soitec,意法半导体以及中国的烁科晶体


2015年,Wolfspeed和罗姆都展示了8英寸SiC衬底。2019年5月,Wolfspeed宣布投入10亿美元(约64.6亿人民币)建设新工厂,将于2024年量产8英寸碳化硅等产品。


2015年7月,II-VI也展示了8英寸导电型SiC衬底,2019年又推出了半绝缘8英寸SiC衬底。2021年4月,II-VI表示,未来5年内,将SiC衬底的生产能力提高5至10倍,其中包括量产直径200mm(8英寸)的衬底。


2020年9月24日,英飞凌表示200mmSiC晶圆生产线已经建成。


2021年,Soitec宣布计划在五年内投资11亿欧元(87.57亿人民币),将其年产能翻一番,达到400万片晶圆。同时,还将新建2家工厂,其中一家工厂将生产6英寸和8英寸SiC晶圆,该厂计划在2023/2024财年投入使用。


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。2021年,意法半导体在一次会议中发布了消息——他们最近已经量产了8英寸SiC晶圆。


2020年10月,据山西日报报道,山西烁科晶体公司完全掌握4-6英寸衬底片“切、磨、抛”工艺,同时8英寸衬底片已经研发成功。2022年1月,烁科晶体实现8英寸N型碳化硅抛光片小批量生产,向8英寸国产N型碳化硅抛光片的批量化生产迈出关键一步。



图源:烁科晶体


SiC的研究一度被搁浅


相比于第一代和第二代半导体材料,SiC具有一系列优良的物理化学特性,除了禁带宽度,还具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度和高迁移率等特点。SiC的临界击穿电场是Si的10倍,GaAs的5倍,这提高了SiC基器件的耐压容量、工作频率和电流密度,降低了器件的导通损耗。加上比Cu还高的热导率,器件使用时无需额外散热装置,减小了整机体积。这些均是SiC材料的极大优势。




此外,SiC器件具有极低的导通损耗,而且在超高频率时,可以维持很好的电气性能。例如从基于Si器件的三电平方案改为基于SiC的两电平方案,效率可以从96%提高到97.6%,功耗降低可达40%。因此SiC器件在低功耗、小型化和高频的应用场景中具有极大的优势。


Si、GaAs、SiC和GaN基本性质



Si和SiC作为半导体材料几乎同时被提出,但由于SiC生长技术的复杂和缺陷、多型现象的存在,其发展曾一度被搁浅。SiC的发展历经了多个重要阶段。第一个阶段是结构基本性质和生长技术的探索阶段,时间跨度从1924年发现SiC结构至1955年Lely法的提出。第二阶段是物理基本性质研究和英寸级别单晶生长的技术积累阶段。在此阶段物理气相传输(PVT)生长方法基本确定、掺杂半绝缘技术被提出,至1994年Wolfspeed推出了商用的2英寸(50.8mm)SiC衬底材料。从1994年以后,随着国际上半导体照明及2英寸SiC单晶衬底的突破性进展,掀起了全球SiC器件及相关技术的研究热潮。


SiC单晶技术研发历史


2015年美国Ⅱ-Ⅵ公司首次研制成功8英寸SiC单晶衬底,美国Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ公司均于2019年宣布开始建设8英寸SiC单晶衬底生产线。美国Wolfspeed公司最早研究和生产SiC晶体和晶片,1991年推出商品化2英寸6H-SiC单晶片,并于1994年研发出2英寸4H-SiC单晶,1999年推出商品化3英寸6H-SiC单晶片,并于2004年研发出3英寸4H-SiC单晶,2007年推出4英寸“零微管”4H-SiC单晶片,2010年发布6英寸SiC单晶衬底试样,并于2013年推出商品化6英寸SiC单晶衬底,2015年在ICSCRM国际会议上展示了其8英寸SiC单晶衬底试样,于2019年10月在纽约州立理工学院奥尔巴尼分校完成了首批8英寸SiC晶圆样品的制备。


目前国内已实现了6英寸SiC衬底的量产,山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能等公司通过与山东大学、中科院物理所和中科院半导体所等科研院所的“产学研用”合作,均已完成6英寸SiC衬底的研发,天科合达已于2020年启动8英寸SiC单晶衬底的研发工作,我国在SiC单晶衬底技术上已初步形成自主技术体系。


做一片八英寸SiC晶圆难在哪?


进入八英寸,每片晶圆中理论上可用的裸片数量(GDPW,又称PDPW)大大增加。Wolfspeed方面在去年十月底的财报说明上也表示,单从晶圆加工成本来看,从六英寸升级到八英寸,成本是增加的,但是八英寸晶圆得到的优良die数量增加了20-30%,产量更高,所以芯片成本更低。


我们知道,以硅基为材料的晶圆已经开始从8英寸迈向了12英寸,硅晶圆的生产经验是否可以助力SiC晶圆向更大面积发展,与硅晶圆相比,SiC晶圆的生产难点又在哪里?




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衬底成本高昂,生产工艺还复杂,与硅相比,SiC很难处理


在功率半导体制造的离子注入、薄膜沉积、介质刻蚀、金属化等环节,8英寸碳化硅与6英寸SiC的差距不大。”深圳基本半导体有限公司总经理和巍巍博士指出:“8英寸SiC的制造难点主要集中在衬底生长、衬底切割加工、氧化工艺


在单晶生长方面


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。


还有一个令人头疼的问题,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。


在晶圆加工方面


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


此外,在氧化工艺方面,氧化工艺一直是碳化硅工艺中的核心难点,8英寸、6英寸对气流和温场的控制有不同需求,工艺需各自独立开发。


国内状况


国内8英寸SiC产线的发展进程上看,国内已有一些公司和单位取得了量产突破或作为预研项目进行立项。这其中就包括:中电科半导体持股的山西烁科晶体公司8英寸衬底片已经研发成功,并小批量生产;天科合达在2020年也启动了8英寸SiC晶片的研发。


外延方面,4月13日,松山湖管委会官网公布了《东莞市生态园2022年度土地征收成片开发方案》征求意见稿。拟征收地块面积6.316公顷,合计94.7亩,后续将用于保障东莞市天域半导体科技有限公司半导体项目的落地。项目主要内容为新增产能达100万片/年的6英寸/8英寸碳化硅外延晶片生产线;8英寸碳化硅外延晶片产业化关键技术的研发;6英寸/8英寸碳化硅外延晶片的生产和销售。


国内与8英寸SiC产业链相关的设备和材料方面,2020年11月合肥露笑科技投资100亿元建设的SIC设备制造、长晶生产、衬底加工、外延制作等产业链的研发和生产基地开工,按照他们的计划,将在第二期、第三期分别达成年产10万片8英寸衬底片(二期)、年产10万片8英寸外延片和年产15万片8英寸衬底片(三期)的建设。


参考来源:

[1]彭燕等.半绝缘碳化硅单晶衬底的研究进展

[2]麦玉冰等.第三代半导体材料碳化硅(SiC)

[3]这家厂商表示,SiC产能大增7倍,将进入八英寸.半导体行业观察

[4]碳化硅产业链!.碳化硅产业链

[5]8英寸碳化硅晶圆,这么难的吗?.电子工程专辑

[6]又一企业量产8寸SiC,全球已有7家.第三代半导体风向

[7]Wolfspeed