來源：半導(dǎo)體芯科技編譯

全球的器件制造商正在加強(qiáng)碳化硅（SiC）的制造，增長將在2024年開始真正起飛。

自特斯拉和意法半導(dǎo)體在Model 3中使用碳化硅以來，已經(jīng)過去了近五年時間。現(xiàn)在，沒有人懷疑電動汽車的市場拉動力，但消費(fèi)者仍然在吵著要更好的續(xù)航能力和更快的充電。SiC器件是滿足這些關(guān)注的關(guān)鍵，這就是為什么IDM和代工廠正在為一個高增長的時代創(chuàng)造條件。新的生產(chǎn)設(shè)施正在建設(shè)中，設(shè)備也在訂購中。

圖1:功率SiC器件市場以34%的復(fù)合年增長率(2021-2027年)增長，主要受汽車、工業(yè)、能源和其他交通運(yùn)輸市場的推動。來源:Yole

但將一項(xiàng)新技術(shù)提升到大批量產(chǎn)需要時間。 在幕后，制造設(shè)備供應(yīng)商不得不與他們的客戶密切合作，以調(diào)整現(xiàn)有設(shè)備或設(shè)計全新的解決方案，以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量、高產(chǎn)能的SiC制造。

SiC是一種非常昂貴的材料，它是一種極其堅硬的材料。 但SiC晶圓也非常脆，所以需要特別小心地處理它們。 因?yàn)樗鼈兪峭该鞯模皫状糜谔幚硐到y(tǒng)的傳感器無法看到它們。 硅片易于彎曲，所以習(xí)慣于硅片平整度的行業(yè)不得不去適應(yīng)碳化硅。 而且，這種材料有一些特殊的特性，使某些工藝，如摻雜，變得非常困難。

然而，在如此有前景的市場機(jī)會下，許多領(lǐng)先的SiC IDM已經(jīng)宣布擴(kuò)大其生產(chǎn)設(shè)施。Wolfspeed在紐約州北部建立了新的200毫米工廠。博世在德國增加了近40,000平方英尺的新SiC專用潔凈室。Rohm在日本開設(shè)了一個新工廠，目標(biāo)是在未來五年內(nèi)將SiC制造量增加5倍。英飛凌剛剛開始在馬來西亞建造一座新的SiC工廠。日本媒體報道，東芝計劃到2024年將SiC產(chǎn)量提高三倍，到2026年提高10倍。這樣的名單還在繼續(xù)。

這是一個需要用設(shè)備部署的大量潔凈室空間。一些用于硅生產(chǎn)線的設(shè)備也可用于碳化硅生產(chǎn)線。但大批量的生產(chǎn)需要一些專門的工具。

IDM和代工廠需要什么？

隨著特斯拉的發(fā)展，意法半導(dǎo)體很快就實(shí)現(xiàn)了高銷量。意法半導(dǎo)體汽車產(chǎn)品集團(tuán)功率晶體管子集團(tuán)的項(xiàng)目管理辦公室主任Giuseppe Arena說："專用于SiC的設(shè)備的一個主要挑戰(zhàn)是與晶圓處理有關(guān)，此外還有多種工藝要求。由于寬帶隙材料固有的化學(xué)-物理特性，我們在制造流程中使用了一些新的設(shè)備和工藝。與通常用于硅基功率器件的工藝相比，高溫外延和離子注入工藝和熱處理尤其如此。"SiC外延對控制過程中的晶體缺陷和保持產(chǎn)量尤為關(guān)鍵。"它需要有設(shè)計合理的外延反應(yīng)器，" Arena解釋說。"從SiC蝕刻的角度來看，它需要有適當(dāng)設(shè)計的等離子蝕刻機(jī)。晶圓減薄過程也需要特殊的工具來管理這種材料的硬度特性。我們還修改了清潔步驟以及蝕刻和沉積工藝，以適應(yīng)這種材料的特殊性。最后，設(shè)備供應(yīng)商已經(jīng)調(diào)整了一些關(guān)鍵設(shè)備的處理系統(tǒng)，以適應(yīng)SiC晶圓特有的透明度。"

由于SiC的工藝和設(shè)計是如此緊密相連，它在很大程度上仍然是一個以IDM為主的業(yè)務(wù)。但代工廠X-Fab很早就看到了機(jī)會。"X-Fab公司SiC和GaN產(chǎn)品營銷經(jīng)理Agnes Jahnke說："現(xiàn)在是從事碳化硅業(yè)務(wù)的一個令人興奮的時刻。"作為第一家純粹的碳化硅代工企業(yè)--我們大約在10年前開始參與，我們的碳化硅產(chǎn)能一直在不斷增長。X-Fab長期以來與我們的設(shè)備供應(yīng)商緊密合作，我們在早期就增加了專門的SiC制造設(shè)備，如注入和SiC外延，這是一個非常好的決定，因?yàn)槟壳霸O(shè)備的交貨時間正在急劇上升。但是，這不僅僅是產(chǎn)能問題。它也是關(guān)于質(zhì)量的。我們的工程師正在不斷改進(jìn)SiC加工，并支持我們的客戶提高產(chǎn)量和吞吐量，這兩者也是管理SiC芯片供應(yīng)的非常重要的因素。因此，X-Fab成功地建立了一個堅實(shí)的SiC客戶群，為世界提供SiC晶體管和二極管，以支持綠色能源轉(zhuǎn)型。"

也有專門用于SiC的新代工廠。蘇格蘭的Clas-SiC公司成立了五年，但它采取了不同的方法，用設(shè)備部署在晶圓車間。其總經(jīng)理Rae Hyndman說。"我們有一個新的、全面運(yùn)作的、端到端加工的、生產(chǎn)量大的、150毫米的、開放的晶圓廠，只致力于SiC加工。工程團(tuán)隊(duì)中的大多數(shù)人都是經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師，在大批量汽車硅料方面有大約20至35年的經(jīng)驗(yàn)。我們的新晶圓廠是在三年前設(shè)計和建造的，我們購買的大部分設(shè)備是完全翻新的150毫米設(shè)備，或者是新的。她指出，大約10%到15%是專門的SiC設(shè)備。

設(shè)備的可用性仍然是各地的一個問題。晶圓廠和測試設(shè)備的交貨時間是最大的挑戰(zhàn)，這對所有的半導(dǎo)體設(shè)備都是如此，Hyndman說。"這是由于全世界對半導(dǎo)體的需求普遍激增，包括傳統(tǒng)的硅和化合物半導(dǎo)體。化合物半導(dǎo)體也在推動翻新的150毫米設(shè)備的需求。"

供應(yīng)商加緊努力

設(shè)備制造商正在對這個市場進(jìn)行大量的投資。"Lam在SiC制造的許多方面都部署了工藝工具，包括SiC溝槽蝕刻、電介質(zhì)沉積和蝕刻、厚金屬加工和器件鈍化，"Lam Research的客戶支持業(yè)務(wù)部負(fù)責(zé)特殊技術(shù)的副總裁David Haynes說。"今天，我們專注于確保我們?yōu)榻鉀Q200毫米的關(guān)鍵應(yīng)用做好準(zhǔn)備，因?yàn)樵摷夹g(shù)在未來幾年將從150毫米過渡到200毫米。" 該公司用于功率半導(dǎo)體的最新沉積工具如圖2所示。

SiC電力電子器件依賴于平面或溝槽式MOSFET結(jié)構(gòu)，以及二極管。"在這些應(yīng)用中，關(guān)鍵的工藝步驟是在SiC晶圓本身上制造的，"Haynes說。"SiC外延，高溫/高能離子植入，以及高溫退火是關(guān)鍵步驟。用于制造MOSFET的SiC溝槽蝕刻也很關(guān)鍵，沉積高質(zhì)量的離子植入掩模和退火帽也很關(guān)鍵，可以防止退火時碳從基片上流失。在BEOL中，厚金屬加工和高性能鈍化的沉積是關(guān)鍵。"

一般來說，對于蝕刻、沉積和清潔工藝，既定的Si工藝工具可用于SiC器件的制造。“但它們通常需要進(jìn)行調(diào)整，以處理SiC和Si襯底，”他說。“所有平臺的共同挑戰(zhàn)是晶圓處理。事實(shí)上，SiC襯底在紅外波長是半透明的，這意味著用于Si工藝工具的傳統(tǒng)晶圓檢測系統(tǒng)并不總是能夠檢測到它們。因此，我們必須為我們的運(yùn)輸和工藝模塊開發(fā)特定的SiC升級包，以確保可靠的晶圓處理。類似地，在工藝過程中需要靜電夾緊SiC晶圓的地方，Lam開發(fā)了優(yōu)化的夾緊算法來促進(jìn)這一工作。最后，SiC的表現(xiàn)與Si非常不同，特別是從蝕刻的角度來看。它是一種強(qiáng)結(jié)合材料，具有許多離子和晶體學(xué)誘導(dǎo)的腐蝕缺陷機(jī)制，而硅中不存在這種機(jī)制。為了克服這一問題，需要針對特定應(yīng)用的工藝開發(fā)來解決關(guān)鍵步驟，例如SiC MOSFET制造中的關(guān)鍵溝槽蝕刻工藝。”

圖2：200毫米Vector平臺為先進(jìn)的功率半導(dǎo)體制造提供PECVD能力。資料來源。Lam Research

應(yīng)用材料公司推出了兩個專門用于碳化硅的新工具。應(yīng)材公司半導(dǎo)體產(chǎn)品部技術(shù)副總裁Mike Chudzik說："碳化硅芯片比硅基大功率芯片的開關(guān)效率更高，耗散的功率更小。"從工程角度來看，碳化硅芯片的功率耗散受漏極電流（Id）的平方和'通電'電阻（Ron）的制約。為了提高效率，我們通過增加電子遷移率來降低'導(dǎo)通'電阻。"

“目標(biāo)是一個完美的晶體。”Chudzik說："電子遷移率可以隨著柵極方向和電池間距的縮小而得到改善，并與摻雜濃度成反比。"在制造過程中產(chǎn)生的碳化硅晶體中的缺陷會降低遷移率，從而增加電阻，降低性能，并浪費(fèi)功率。其中兩項(xiàng)關(guān)鍵的工藝技術(shù)是碳化硅晶圓CMP，它減少了表面缺陷，以及離子植入，它通過減少碳化硅中的體積缺陷來優(yōu)化電子遷移率。"

他解釋說，功率芯片的形成始于裸露的碳化硅晶圓，需要將其打磨光滑，因?yàn)樗呛罄m(xù)外延層生長的基礎(chǔ)。"他說："碳化硅是一種非常堅硬的材料--比硅、二氧化硅和銅等通常用CMP技術(shù)進(jìn)行平面化的材料要硬得多。"同時，碳化硅芯片需要在整個器件中具有均勻的結(jié)晶晶格。"

為了生產(chǎn)具有最高質(zhì)量表面的均勻晶圓，應(yīng)材公司開發(fā)了Mirra Durum CMP系統(tǒng)，該系統(tǒng)將拋光、測量材料去除量、清洗和干燥整合在一個系統(tǒng)中（見圖3）。該公司聲稱，與機(jī)械研磨的SiC晶圓相比，成品晶圓的表面粗糙度降低了50倍，與批量CMP加工系統(tǒng)相比，粗糙度降低了3倍。

圖3：200毫米Mirra Durum CMP系統(tǒng)旨在通過在一個系統(tǒng)中集成拋光、材料去除測量、清潔和干燥，生產(chǎn)具有最高質(zhì)量表面的均勻SiC晶片。資料來源。應(yīng)用材料公司

第二個介紹涉及高溫下的摻雜。在制造過程中，摻雜物被植入材料中，以幫助實(shí)現(xiàn)和引導(dǎo)高功率生產(chǎn)電路中的電流流動。由于SiC的密度和硬度，在不破壞晶格的情況下注入、準(zhǔn)確放置和激活摻雜物是一個巨大的挑戰(zhàn)，這將降低性能和功率效率。應(yīng)用公司使用熱離子注入系統(tǒng)解決了這一挑戰(zhàn)，該系統(tǒng)適用于150毫米和200毫米的SiC晶圓，據(jù)說與室溫下的注入相比，電阻率降低了40倍。

在摻雜之后，確保晶體結(jié)構(gòu)的完整性和激活摻雜物的下一個關(guān)鍵階段是退火，這在SiC中是一個比硅熱得多的過程。為了處理這個問題，centrotherm退火爐可以在高達(dá)2000℃的溫度下對摻雜物進(jìn)行電活化。這是該公司為碳化硅生產(chǎn)定制的幾種產(chǎn)品之一（見圖4）。

圖4：centrotherm為SiC制造提供一系列設(shè)備，提供150/200毫米的橋接能力。來源：centrotherm

而幾年前，佳能對它在1995年首次發(fā)布的步進(jìn)器進(jìn)行了大修，使其與SiC制造兼容。佳能說，這些更新使它與支持翹曲或透明晶圓工藝（如SiC）的晶圓傳輸功能兼容，并有對齊X和Y對齊標(biāo)記測量的對齊系統(tǒng)選項(xiàng)，以提高步進(jìn)器的生產(chǎn)率。

我們達(dá)到了嗎？

盡管在媒體報道說，200mmSiC晶圓大量使用，但實(shí)際上它們大多數(shù)仍在IDM的建設(shè)階段，并同時在150毫米晶圓上運(yùn)作。ACM Research，一家年輕的硅晶圓前道清洗設(shè)備廠商，其碳化硅業(yè)務(wù)主要在亞洲市場，同時在歐洲的市場正在巨幅增長。公司業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Sally Ann Henry對centrotherm公司設(shè)備非常有興趣，她認(rèn)為這些工具可以在150mm晶圓成熟后，轉(zhuǎn)移到200mm晶圓上使用，預(yù)計這將在2024年基本完成。

為了做好準(zhǔn)備，ACM Research為其所有支持SiC的工具配備了最先進(jìn)的傳感器，因此可以識別和仔細(xì)處理這些晶圓。處理系統(tǒng)已被調(diào)整，以應(yīng)對SiC晶圓的弓形和透明度。

結(jié)論

盡管SiC功率器件市場在過去五年中一直在穩(wěn)步增長，但預(yù)測表明，從2024年開始將出現(xiàn)大幅上升。先進(jìn)的設(shè)備供應(yīng)商已經(jīng)應(yīng)對了SiC制造的基本挑戰(zhàn)，但由于交貨時間非常長，工廠經(jīng)理現(xiàn)在正在下訂單購買額外的設(shè)備。也就是說，在工藝細(xì)節(jié)方面仍有很大的改進(jìn)空間，這也是IDM和代工廠繼續(xù)與供應(yīng)商一起努力的方向。

審核編輯 黃昊宇