碳化硅产业链条核心:外延技术
碳化硅外延
碳化硅功率器件与传统硅功率器件制作工艺不同,不能直接制作在碳化硅单晶材料上,必须在导通型单晶衬底上额外生长高质量的外延材料,并在外延层上制造各类器件。
碳化硅一般采用PVT方法,温度高达2000多度,且加工周期比较长,产出比较低,因而碳化硅衬底的成本是非常高的。 碳化硅外延过程和硅基本上差不多,在温度设计以及设备的结构设计不太一样。 在器件制备方面,由于材料的特殊性,器件过程的加工和硅不同的是,采用了高温的工艺,包括高温离子注入、高温氧化以及高温退火工艺。
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SiC外延片是SiC产业链条核心的中间环节
碳化硅材料的特性从三个维度展开: 1.材料的性能,即物理性能:禁带宽度大、饱和电子飘移速度高、存在高速二维电子气、击穿场强高。这些材料特性将会影响到后面器件的性能。 2. 器件性能:耐高温、开关速度快、导通电阻低、耐高压。优于普通硅材料的特性。反映在电子电气系统和器件产品中。 3. 系统性能:体积小、重量轻、高能效、驱动力强。 碳化硅的耐高压能力是硅的10 倍,耐高温能力是硅的2 倍,高频能力是硅的2 倍;相同电气参数产品,采用碳化硅材料可缩小体积50%,降低能量损耗80%。 这也是为什么半导体巨头在碳化硅的研发上不断加码的原因:希望把器件体积做得越来越小、能量密度越来越大。 硅材料随着电压的升高,高频性能和能量密度不断在下降,和碳化硅、氮化镓相比优势越来越小。 碳化硅主要运用在高压环境,氮化镓主要集中在中低压的领域。造成两者重点发展的方向有重叠、但各有各的路线。通常以650V 作为一个界限:650V以上通常是碳化硅材料的应用,650V 以下比如一些消费类电子上氮化镓的优势更加明显。 SiC外延片关键参数 碳化硅外延材料的最基本的参数,也是最关键的参数,就右下角黄色的这一块,它的厚度和掺杂浓度均匀性。 我们所讲外延的参数其实主要取决于器件的设计,比如说根据器件的电压档级的不同,外延的参数也不同。 一般低压在600伏,我们需要的外延的厚度可能就是6个μm左右,中压1200~1700,我们需要的厚度就是10~15个μm。高压的话1万伏以上,可能就需要100个μm以上。所以随着电压能力的增加,外延厚度随之增加,高质量外延片的制备也就非常难,尤其在高压领域,尤其重要的就是缺陷的控制,其实也是非常大的一个挑战。
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SiC外延片制备技术
1980年提出的台阶流生长模型
此对外延的发展、对外延的质量都起到了非常重要的作用。它的出现首先是生长温度,可以在相对低的温度下实现生长,同时对于我们功率器件感兴趣的4H晶型来说,可以实现非常稳定的控制。
引入TCS,实现生长速率的提升
引入TCS可以实现生长速率达到传统的生长速率10倍以上,它的引入不光是生产速率得到提升,同时也是质量得到大大的控制,尤其是对于硅滴的控制,所以说对于厚膜外延生长来说是非常有利的。这个技术率先由LPE在14年实现商业化,在17年左右Aixtron对设备进行了升级改造,将这个技术移植到了商业的设备中。 碳化硅外延中的缺陷其实有很多,因为晶体的不同所以它的缺陷和其它一些晶体的也不太一样。他的缺陷主要包括微管、三角形缺陷、表面的胡萝卜缺陷,还有一些特有的如台阶聚集。 基本上很多缺陷都是从衬底中直接复制过来的,所以说衬底的质量、加工的水平对于外延的生长来说,尤其是缺陷的控制是非常重要的。 碳化硅外延缺陷一般分为致命性和非致命性: 致命性缺陷像三角形缺陷,滴落物,对所有的器件类型都有影响,包括二极管,MOSFET,双极性器件,影响最大的就是击穿电压,它可以使击穿电压减少20%,甚至跌到百分之90。 非致命性的缺陷比如说一些TSD和TED,对这个二极管可能就没有影响,对MOS、双极器件可能就有寿命的影响,或者有一些漏电的影响,最终会使器件的加工合格率受到影响。 控制碳化硅外延缺陷,方法一是谨慎选择碳化硅衬底材料;二是设备选择及国产化;三是工艺技术。
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碳化硅外延技术进展情况
在低、中压领域,目前外延片核心参数厚度、掺杂浓度可以做到相对较优的水平。但在高压领域,目前外延片需要攻克的难关还很多,主要参数指标包括厚度、掺杂浓度的均匀性、三角缺陷等。 在中、低压应用领域,碳化硅外延的技术相对是比较成熟的。 基本上可以满足低中压的SBD、JBS、MOS等器件的需求。如上是一个1200伏器件应用的10μm的外延片,它的厚度、掺杂浓度了都达到了一个非常优的水平,而且表面缺陷也是非常好的,可以达到0.5平方以下。 在高压领域外延的技术发展相对比较滞后,如上是2万伏的器件上的200μm的一个碳化硅外延材料,它的均匀性、厚度和浓度相对于上述介绍的低压差很多,尤其是掺杂浓度的均匀性。 同时,高压器件需要的厚膜方面,目前的缺陷还是比较多的,尤其是三角形缺陷,缺陷多主要影响大电流的器件制备。大电流需要大的芯片面积。同时它的少子寿命目前也比较低。 在高压方面的话,器件的类型趋向于使用于双极器件,对少子寿命要求比较高,从右面这个图我们可以看到,要达到一个理想的正向电流它的少子寿命至少要达到5μs以上,目前的外延片的少子寿命的参数大概在1~2个μs左右,所以说还对高压器件的需求目前来说还没法满足,还需要后处理技术。
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SiC外延片制备设备情况
1、德国的Aixtron:特点是产能比较大; 2、意大利的LPE,属于单片机,生长速率非常大。 3、日本的TEL和Nuflare,其设备的价格非常昂贵,其次是双腔体,对提高产量有一定的作用。其中,Nuflare是最近几年推出来的一个非常有特点的设备,其能高速旋转,可以达到一分钟1000转,这对外延的均匀性是非常有利的。同时它的气流方向不同于其他设备,是垂直向下的,所以它可以避免一些颗粒物的产生,减少滴落到片子上的概率。
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行业格局
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应用领域
来源:IN SEMI
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