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碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈(上游)

發(fā)布時(shí)間:2024-01-23發(fā)布人:

碳化硅介紹

碳化硅(SiC)是由碳元素和硅元素組成的一種化合物半導(dǎo)體材料,是制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一。相比傳統(tǒng)的硅材料(Si),碳化硅的禁帶寬度是硅的3倍;導(dǎo)熱率為硅的4-5倍;擊穿電壓為硅的8-10倍;電子飽和漂移速率為硅的2-3倍,滿足了現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高功率、高電壓、高頻率的需求,主要被用于制作高速、高頻、大功率及發(fā)光電子元器件,下游應(yīng)用領(lǐng)域包括智能電網(wǎng)、新能源汽車、光伏風(fēng)電、5G通信等,在功率器件領(lǐng)域,碳化硅二極管、MOSFET已經(jīng)開始商業(yè)化應(yīng)用。

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  • 耐高溫。碳化硅的禁帶寬度是硅的2-3倍,在高溫下電子不易發(fā)生躍遷,可耐受更高的工作溫度,且碳化硅的熱導(dǎo)率是硅的4-5倍,使得器件散熱更容易,極限工作溫度更高。耐高溫特性可以顯著提升功率密度,同時(shí)降低對(duì)散熱系統(tǒng)的要求,使終端更加輕量和小型化。
  • 耐高壓。碳化硅的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是硅的10倍,能夠耐受更高的電壓,更適用于高電壓器件。
  • 耐高頻。碳化硅具有2倍于硅的飽和電子漂移速率,導(dǎo)致其器件在關(guān)斷過(guò)程中不存在電流拖尾現(xiàn)象,能有效提高器件的開關(guān)頻率,實(shí)現(xiàn)器件小型化。
  • 低能量損耗。碳化硅相較于硅材料具有極低的導(dǎo)通電阻,導(dǎo)通損耗低;同時(shí),碳化硅的高禁帶寬度大幅減少泄漏電流,功率損耗降低;此外,碳化硅器件在關(guān)斷過(guò)程中不存在電流拖尾現(xiàn)象,開關(guān)損耗低。
碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈

主要包括襯底、外延、器件設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)等環(huán)節(jié)。碳化硅從材料到半導(dǎo)體功率器件會(huì)經(jīng)歷單晶生長(zhǎng)、晶錠切片、外延生長(zhǎng)、晶圓設(shè)計(jì)、制造、封裝等工藝流程。在合成碳化硅粉后,先制作碳化硅晶錠,然后經(jīng)過(guò)切片、打磨、拋光得到碳化硅襯底,經(jīng)外延生長(zhǎng)得到外延片。外延片經(jīng)過(guò)光刻、刻蝕、離子注入、金屬鈍化等工藝得到碳化硅晶圓,將晶圓切割成die,經(jīng)過(guò)封裝得到器件,器件組合在一起放入特殊外殼中組裝成模組。

產(chǎn)業(yè)鏈上游1:襯底—晶體生長(zhǎng)為最核心工藝環(huán)節(jié)


碳化硅襯底約占碳化硅器件成本的47%,制造技術(shù)壁壘最高、價(jià)值量最大,是未來(lái)SiC大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)的核心。
從電化學(xué)性質(zhì)差異來(lái)看,碳化硅襯底材料可以分為導(dǎo)電型襯底(電阻率區(qū)15~30mΩ·cm)和半絕緣型襯底(電阻率高于105Ω·cm)。這兩類襯底經(jīng)外延生長(zhǎng)后分別用于制造功率器件、射頻器件等分立器件。其中,半絕緣型碳化硅襯底主要應(yīng)用于制造氮化鎵射頻器件、光電器件等。通過(guò)在半絕緣型碳化硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵外延層,制得碳化硅基氮化鎵外延片,可進(jìn)一步制成HEMT等氮化鎵射頻器件。導(dǎo)電型碳化硅襯底主要應(yīng)用于制造功率器件。與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同,碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅襯底上,需在導(dǎo)電型襯底上生長(zhǎng)碳化硅外延層得到碳化硅外延片,并在外延層上制造肖特基二極管、MOSFET、IGBT等功率器件。

以高純碳粉、高純硅粉為原料合成碳化硅粉,在特殊溫場(chǎng)下生長(zhǎng)不同尺寸的碳化硅晶錠,再經(jīng)過(guò)多道加工工序產(chǎn)出碳化硅襯底。核心工藝流程包括:


  • 原料合成:將高純的硅粉+碳粉按配方混合,在2000°C以上的高溫條件下于反應(yīng)腔室內(nèi)進(jìn)行反應(yīng),合成特定晶型和顆粒度的碳化硅顆粒。再通過(guò)破碎、篩分、清洗等工序,得到滿足要求的高純碳化硅粉原料。
  • 晶體生長(zhǎng):為碳化硅襯底制造最核心工藝環(huán)節(jié),決定了碳化硅襯底的電學(xué)性質(zhì)。目前晶體生長(zhǎng)的主要方法有物理氣相傳輸法(PVT)、高溫化學(xué)氣相沉積法(HT-CVD)和液相外延(LPE)三種方法。其中PVT法是現(xiàn)階段商業(yè)化生長(zhǎng)SiC襯底的主流方法,技術(shù)成熟度最高、工程化應(yīng)用最廣。
晶體加工:通過(guò)晶錠加工、晶棒切割、研磨、拋光、清洗等環(huán)節(jié),將碳化硅晶棒加工成襯底。


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SiC 襯底制備難度大,導(dǎo)致其價(jià)格居高不下

  • 溫場(chǎng)控制困難:Si 晶棒生長(zhǎng)只需 1500℃,而 SiC 晶棒需要在 2000℃以上高溫下進(jìn)行生長(zhǎng),并且 SiC 同質(zhì)異構(gòu)體有 250 多種,但用于制作功率器件的主要是 4H-SiC 單晶結(jié)構(gòu),如果不做精確控制,將會(huì)得到其他晶體結(jié)構(gòu)。此外,坩堝內(nèi)的溫度梯度決定了 SiC 升華傳輸?shù)乃俾?、以及氣態(tài)原子在晶體界面上排列生長(zhǎng)方式,進(jìn)而影響晶體生長(zhǎng)速度和結(jié)晶質(zhì)量,因此需要形成系統(tǒng)性的溫場(chǎng)控制技術(shù)。與 Si 材料相比,SiC 生產(chǎn)的差別還在如高溫離子注入、高溫氧化、高溫激活等高溫工藝上,以及這些高溫工藝所需求的硬掩模工藝等。
  • 晶體生長(zhǎng)緩慢:Si 晶棒生長(zhǎng)速度可達(dá) 30~150mm/h,生產(chǎn) 1-3m 的硅晶棒僅需約 1 天的時(shí)間;而 SiC 晶棒以 PVT 法為例,生長(zhǎng)速度約為 0.2-0.4mm/h,7 天才能生長(zhǎng)不到 3-6cm,長(zhǎng)晶速度不到硅材料的百分之一,產(chǎn)能極為受限。
  • 良品參數(shù)要求高、良率低:SiC 襯底的核心參數(shù)包括微管密度、位錯(cuò)密度、電阻率、翹曲度、表面粗糙度等,在密閉高溫腔體內(nèi)進(jìn)行原子有序排列并完成晶體生長(zhǎng),同時(shí)控制參數(shù)指標(biāo),是復(fù)雜的系統(tǒng)工程。
  • 材料硬度大、脆性高,切割耗時(shí)長(zhǎng)、磨損高:SiC 莫氏硬度達(dá) 9.25 僅次于金剛石,這導(dǎo)致其切割、研磨、拋光的加工難度顯著增加,將一個(gè) 3cm 厚的晶錠切割 35-40 片大致需要花費(fèi) 120 小時(shí)。另外,由于 SiC 脆性高,晶片加工磨損也會(huì)更多,產(chǎn)出比只有 60%左右。


發(fā)展趨勢(shì):尺寸增加+價(jià)格下降

全球SiC市場(chǎng)6英寸量產(chǎn)線正走向成熟,領(lǐng)先公司已進(jìn)軍8英寸市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)正在開發(fā)項(xiàng)目以6英寸為主。目前雖然國(guó)內(nèi)大部分公司還是以4寸產(chǎn)線為主,但是產(chǎn)業(yè)逐步向6英寸擴(kuò)展,隨著6英寸配套設(shè)備技術(shù)成熟后,國(guó)產(chǎn)SiC襯底技術(shù)也在逐步提升大尺寸產(chǎn)線的規(guī)模經(jīng)濟(jì)將會(huì)體現(xiàn),目前國(guó)內(nèi)6英寸的量產(chǎn)時(shí)間差距縮小至7年。更大的晶圓尺寸可以帶來(lái)單片芯片數(shù)量的提升、提高產(chǎn)出率,以及降低邊緣芯片的比例,研發(fā)和良率損失部分成本也將保持在7%左右,從而提升晶圓利用率。

襯底直徑及大直徑襯底占比將不斷增加,助力全產(chǎn)業(yè)鏈降本。預(yù)計(jì)未來(lái)30年,大尺寸襯底的比例將不斷增加,在大部分襯底提供商具備新型大尺寸量產(chǎn)能力,一輪尺寸更新周期迭代完成后,襯底單位面積價(jià)格會(huì)迎來(lái)相對(duì)快速的降低。

SiC襯底價(jià)格會(huì)隨著尺寸增加有所下降,同時(shí)進(jìn)一步帶來(lái)銷量的穩(wěn)步上升。目前襯底發(fā)展最重要的方向趨勢(shì)是擴(kuò)大直徑,這會(huì)降低襯底生產(chǎn)成本進(jìn)而降低售價(jià),價(jià)格的下降也會(huì)加速SiC襯底在各領(lǐng)域內(nèi)的滲透。根據(jù)CASA數(shù)據(jù)預(yù)測(cè),SiC襯底和外延隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)逐步成熟(良率提升)和產(chǎn)能擴(kuò)張(供給提升),預(yù)計(jì)襯底價(jià)格將以每年8%的速度下降。


產(chǎn)業(yè)鏈上游2:外延—提高 SiC 器件性能及可靠性的關(guān)鍵

與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同,碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅單晶材料上,須在經(jīng)過(guò)切、磨、拋等仔細(xì)加工的單晶襯底上生長(zhǎng)一層微米級(jí)新單晶,新單晶和襯底可以是相同材料,也可以是不同材料,稱為同質(zhì)外延或異質(zhì)外延。外延層可以消除晶體生長(zhǎng)和加工時(shí)引入的表面或亞表面缺陷,使晶格排列整齊,表面形貌更優(yōu),外延的質(zhì)量對(duì)最終器件的性能起關(guān)鍵影響作用。

碳化硅晶體生長(zhǎng)的過(guò)程中會(huì)不可避免地產(chǎn)生缺陷、引入雜質(zhì),導(dǎo)致襯底材料的質(zhì)量和性能都不夠好。而外延層的生長(zhǎng)可以消除襯底中的某些缺陷,使晶格排列整齊。控制碳化硅外延缺陷是制備高性能器件的關(guān)鍵,缺陷會(huì)對(duì)碳化硅功率器件的性能和可靠性有嚴(yán)重影響。TSD和TED基本不影響最終的碳化硅器件的性能,而BPD會(huì)引發(fā)器件性能的退化。堆垛層錯(cuò)、胡蘿卜缺陷、三角形缺陷、掉落物等缺陷,一旦出現(xiàn)在器件上,器件就會(huì)測(cè)試失敗,導(dǎo)致良率降低。

碳化硅外延的制作方法包括:化學(xué)氣相淀積(CVD)、分子束外延(MBE)、液相外延法(LPE)、脈沖激光淀積和升華法(PLD)等,其中CVD法是最為普及的4H-SiC外延方法,其優(yōu)勢(shì)在于可以有效控制生長(zhǎng)過(guò)程中氣體源流量、反應(yīng)室溫度及壓力,精準(zhǔn)控制外延層的厚度、摻雜濃度以及摻雜類型,工藝可控性強(qiáng)。早期碳化硅是在無(wú)偏角襯底上外延生長(zhǎng)的,受多型體混合影響,外延效果不理想。隨后發(fā)展出臺(tái)階控制外延法,在不同偏角下斜切碳化硅襯底,形成高密度外延臺(tái)階,在實(shí)現(xiàn)低溫生長(zhǎng)的同時(shí)穩(wěn)定晶型的控制。隨后引入TCS,突破臺(tái)階控制外延法的限制,將生長(zhǎng)速率大幅提升至傳統(tǒng)方法的10倍以上。目前常用SiH4、CH4、C2H4作為反應(yīng)前驅(qū)氣體,N2TMA作為雜質(zhì)源,使用4°斜切的4H-SiC襯底在1500-1650℃下生長(zhǎng)外延。

外延參數(shù)主要取決于器件設(shè)計(jì),其中厚度和摻雜濃度為外延片關(guān)鍵參數(shù)。器件電壓越高,對(duì)外延厚度和摻雜濃度均勻性要求越高,生產(chǎn)難度越大。在600V低壓下,外延厚度需達(dá)6um左右,在1200-1700V中壓下,外延厚度需達(dá)10-15um左右,而在10kV的高壓下,外延厚度需達(dá)100um以上。在中、低壓應(yīng)用領(lǐng)域,碳化硅外延的技術(shù)相對(duì)比較成熟,外延片的厚度和摻雜濃度等參數(shù)較優(yōu),基本可以滿足中低壓的SBDJBS、MOS等器件的需求。而在高壓領(lǐng)域外延的技術(shù)發(fā)展相對(duì)比較滯后。目前外延片需要攻克的難關(guān)還很多,主要參數(shù)指標(biāo)包括厚度、摻雜濃度均勻性、三角缺陷等,缺陷多主要影響大電流的器件制備,大電流需要大的芯片面積。

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生產(chǎn)基地/Address: 河北省廊坊市香河機(jī)器人產(chǎn)業(yè)園3期A棟