【無線射頻電路】-車規(guī)碳化硅功率模塊 - 襯底和外延篇

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----車規(guī)碳化硅功率模塊-襯底和外延篇安森美中國區(qū)車規(guī)功率模塊產(chǎn)品線經(jīng)理-陸濤

中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)最新數(shù)據(jù)顯示，2022年1月至11月，新能源汽車產(chǎn)銷分別完成625.3萬輛和606.7萬輛，同比均增長1倍，市場占有率達(dá)到25%。由此可見新能源汽車的進(jìn)展已經(jīng)進(jìn)入了快車道。在這里我們留意到，由于里程焦慮和快速充電的要求，800V電池母線系統(tǒng)獲得了不少的OEM或者Tier1的青睞。談到800V母線系統(tǒng)，讓我們聚焦到其中的核心功率器件碳化硅功率模塊，由于碳化硅得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，使得它特別適合用來制造高耐壓、高結(jié)溫、高速的MOSFET，這三高恰好契合了800V母線系統(tǒng)對于核心的功率器件的要求。安森美(onsemi)特別看好800V母線系統(tǒng)的進(jìn)展，有一些討論機(jī)構(gòu)，猜測截至到2026年，SiC在整個(gè)功率器件市場的占比將達(dá)到12%以上。

安森美在碳化硅的領(lǐng)域涉足甚早，最早從2023年就開頭SiC器件的研發(fā)。但是安森美是從2023年收購了GTAdvancedTechnologies(GTAT)之后開頭全方位在碳化硅領(lǐng)域的投入，無論是資金，人力物力以及客戶和市場。收購了GTAT之后，開頭了安森美在碳化硅領(lǐng)域的垂直整合供應(yīng)鏈從晶體到系統(tǒng)之路！接下來我們將對兩個(gè)碳化硅的關(guān)鍵的供應(yīng)鏈襯底和外延epi進(jìn)行分析和介紹，這樣大家會(huì)對于安森美在碳化硅的布局和領(lǐng)先優(yōu)勢會(huì)有進(jìn)一步的了解。

安森美碳化硅全垂直整合的供應(yīng)鏈從晶體到系統(tǒng)

供應(yīng)鏈從我們位于新罕布什爾州哈德遜的工廠生長單晶SiC粉材料開頭。在襯底上生長一層很薄的外延層，然后經(jīng)過多個(gè)簡單的器件加工步驟生產(chǎn)出芯片，然后將芯片來封裝成最終產(chǎn)品。整個(gè)制造流程端到端垂直整合，具有全面的牢靠性、可追溯性以及完善的質(zhì)量測試，以確保產(chǎn)品零缺陷的要求。

全垂直整合的供應(yīng)鏈，在目前的供應(yīng)鏈體系里具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，如產(chǎn)能易于擴(kuò)展、品質(zhì)優(yōu)和成本掌握，尤其是目前碳化硅的整個(gè)供應(yīng)鏈的每一個(gè)環(huán)節(jié)都不是那么簡單牢靠的高質(zhì)量的量產(chǎn)，這個(gè)和硅的供應(yīng)體系下是不太一樣的。在硅的供應(yīng)鏈里，硅片（襯底）通常會(huì)被交給第三方來生產(chǎn)，第三方的質(zhì)量、成本和良率都做的相當(dāng)不錯(cuò)。接下來我們會(huì)對襯底和外延的生產(chǎn)進(jìn)行綻開，這樣大家就會(huì)明白為什么安森美選擇在碳化硅領(lǐng)域選擇了全垂直整合的供應(yīng)鏈模式。這也使得安森美成為了目前全球?yàn)閿?shù)不多具有從襯底到模塊、到系統(tǒng)力量的公司。

晶體/襯底（substrate）

我們的芯片都是在襯底的基礎(chǔ)上長上一層薄薄的外延，然后才拿去制作芯片。那襯底又是怎樣生產(chǎn)制造出來的呢？這里涉及到兩個(gè)步驟，首先是將碳化硅粉放到長晶爐里生長成晶體得到碳化硅晶錠，碳化硅晶錠需要打磨拋光，然后送去切割，并經(jīng)過拋光這樣得到了我們生產(chǎn)器件需要的晶圓襯底。圖一是一個(gè)長晶爐的示意圖和實(shí)物照片。

圖一長晶爐示意圖和實(shí)物

這里面涉及到了兩個(gè)關(guān)鍵的步驟，晶體生長，晶錠切割和拋光。圖二則是我們從碳化硅粉到襯底的生產(chǎn)流程簡圖

圖二碳化硅襯底生產(chǎn)流程圖

目前比較成熟的碳化硅晶體生長方法主要是PVT和CVD兩種，它們都屬于氣象生長（vaporphasegrowth），而碳化硅型體主要是4H和6H兩種。

圖三碳化硅晶體生長方式

首先我們來看看晶體的生長都面臨哪些挑戰(zhàn)

要擁有高品質(zhì)的籽晶（種子）

削減從籽晶到新生長的晶體缺陷的技術(shù)

晶體生長需要高溫（2000C）

o在這些溫度和生長時(shí)間下，很少有材料保持惰性，很簡單發(fā)生反應(yīng)。

多態(tài)性多達(dá)220種型體，目前可用的主要是用4H和6H

不全都的分解（氣體:Si,Si2C,SiC），（固態(tài)：碳）

源頭的純潔度缺陷的晶核點(diǎn)

與Si相比，晶錠長寬比往往較低

整個(gè)行業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是長出更長的無缺陷晶體

晶體直徑擴(kuò)大（目前最大是8"）

o無裂紋、高結(jié)晶質(zhì)量（晶片邊緣四周的晶界、缺陷等）

而GTAT本身是從生產(chǎn)制造長晶爐起家的，到現(xiàn)在差不多有20年左右的碳化硅長晶爐的設(shè)計(jì)制造閱歷，對于晶體生長的這些挑戰(zhàn)，GTAT擁有者豐富的閱歷，我們有高品質(zhì)的籽晶，很好的溫度的掌握等，有很好的缺陷掌握技術(shù)以及很好的缺陷檢測和標(biāo)識(shí)力量。

談到碳化硅的缺陷，下面是碳化硅晶體的幾種典型的缺陷

晶型不穩(wěn)定性

開核位錯(cuò)（微管）

閉合核螺釘位錯(cuò)

低角度晶界

常規(guī)位錯(cuò)

基底平面位錯(cuò)（BPD）-基底平面邊緣位錯(cuò)或部分BPD

螺紋邊緣錯(cuò)位（TED）

疊加故障/轉(zhuǎn)換

這些缺陷都是在襯底或者說晶錠階段產(chǎn)生的，但是這些缺陷一旦產(chǎn)生了，就沒法消退，它們會(huì)連續(xù)衍生到外延層，最終會(huì)影響到器件的質(zhì)量。所以我們不僅需要在襯底階段就要標(biāo)識(shí)出來，在外延層也要把他們標(biāo)識(shí)出來以排解在外。這個(gè)對外延層帶來了挑戰(zhàn)。

圖四碳化硅襯底缺陷

高質(zhì)量的晶體是整個(gè)碳化硅供應(yīng)鏈的基石，而GTAT在這些方面積累了相當(dāng)豐富的生產(chǎn)閱歷，它確保了安森美的碳化硅器件是在一個(gè)高質(zhì)量的襯底上完成的。同時(shí)我們也可以特別快速的擴(kuò)產(chǎn)，而這也是安森美富有競爭力的一個(gè)方面。

EpitaxyEPI外延

碳化硅外延層是指在碳化硅器件制造工藝中，生長沉積在晶圓襯底上的那一部分。我們?yōu)槭裁葱枰庋?？在某些狀況下，需要碳化硅有特別純的與襯底有相同晶體結(jié)構(gòu)表面，還要保持對雜質(zhì)類型和濃度的掌握。這要通過在碳化硅襯底表面淀積一個(gè)外延層來達(dá)到。在功率器件中我們器件的每個(gè)單元等基本上都是在外延層加工完成的，它的質(zhì)量對于器件來說重要性可見一斑。不同的器件對于外延的要求是不一樣的。二極管對于外延的偏差和缺陷要求和MOSFET對它們的要求是兩個(gè)不同層次的需求。MOSFET對于外延質(zhì)量的要求很高。摻雜的偏差會(huì)影響MOSFET的Rdson的分布。有些缺陷會(huì)導(dǎo)致MOSFET輕則漏電流偏大，嚴(yán)峻的會(huì)導(dǎo)致MOSFET失效。

外延目前來說比較成熟的加工技術(shù)是CVD，這也導(dǎo)致許多人誤認(rèn)為外延是比較簡單加工的。其實(shí)這個(gè)是一個(gè)誤會(huì)，外延并不是簡潔的把CVD的爐子買回來，就可以把它們做好，當(dāng)然相對晶體襯底來說，它要相對簡潔一些但是并不代表它很簡單做好，外延和晶體襯底面臨的挑戰(zhàn)是不一樣的。也有許多人說現(xiàn)在市場上許多公司都有力量加工二極管的外延，他們只要略微升級一下設(shè)備就可以很好的生長MOSFET的外延了，這個(gè)說法有待商榷。由于就像文章上面說的MOSFET和二極管對于外延的要求是不一樣的，他們對于全都性和翹曲度等要求也不是一個(gè)數(shù)量級的。在外延這一個(gè)環(huán)節(jié)，安森美同樣擁有豐富的閱歷，早在并購GTAT之前，安森美在碳化硅的外延和晶圓生產(chǎn)研發(fā)方面已經(jīng)擁有超過10年的閱歷。因此我們會(huì)把這一優(yōu)勢連續(xù)保持，在擴(kuò)大襯底生產(chǎn)的同時(shí)也擴(kuò)大外延的生產(chǎn)。

相對晶錠襯底不同的是，外延的挑戰(zhàn)主要集中在下面的幾個(gè)指標(biāo)上：

厚度以及全都性

摻雜和全都性

表面缺陷快速檢測和標(biāo)識(shí)追蹤力量

底部缺陷快速檢測和標(biāo)識(shí)追蹤力量

掌握擴(kuò)展缺陷

清洗

大尺寸的晶圓翹曲度的掌握

我們把檢測到的缺陷做一下分類。

圖五外延缺陷

下圖是一個(gè)完整的MOSFETactivecell，這里就包含了襯底的缺陷，然后衍生到外延的缺陷。

圖六碳化硅MOSFET缺陷剖面圖-襯底外延缺陷

總結(jié)一下，由于襯底的缺陷不能在外延層去把它消退，所以我們會(huì)實(shí)行肯定的策略，讓致命缺陷惡化，然后把它們篩選出來，這樣的話在外延這一個(gè)流程中就要求襯底的缺陷具有可追溯性，所以對于襯底和外延都自己生產(chǎn)的公司就具有自然?的優(yōu)勢?？梢员容^好的掌握缺陷率。

由于襯底和外延和芯片的技術(shù)進(jìn)展相關(guān)性不是特殊大，所以我單獨(dú)把這兩個(gè)流程拿出來和大