克服碳化硅制造挑戰，助力未來(lái)電力電子應用

幾十年來(lái)，硅（Si）一直是半導體行業(yè)的主要材料——從微處理器到分立功率器件，無(wú)處不在。然而，隨著(zhù)汽車(chē)和可再生能源等領(lǐng)域對現代電力需求應用的發(fā)展，硅的局限性變得越來(lái)越明顯。

隨著(zhù)行業(yè)不斷探索解決方案，寬禁帶（WBG）材料，包括碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），被視為解決之道。禁帶寬度描述了價(jià)帶頂部和導帶底部之間的能量差。硅的禁帶寬度相對較窄，為1.1電子伏特（eV），而SiC和GaN的禁帶寬度分別為3.3eV和3.4eV。

圖1 寬禁帶材料的物理特性（資料來(lái)源：安森美）

這些特性意味著(zhù)寬禁帶材料的特性更像絕緣體，能夠在更高的電壓、頻率和溫度下工作。因此，它們非常適合用于電動(dòng)汽車(chē)（EV）和可再生能源等領(lǐng)域的功率轉換應用。

碳化硅（SiC）

碳化硅（SiC）并非新鮮事物，作為研磨材料已有超過(guò)一個(gè)世紀的生產(chǎn)歷史。然而，由于具有適合高壓、大功率應用的誘人特性，SiC正逐漸嶄露頭角。SiC的物理特性，如高熱導率、高飽和電子漂移速度和高擊穿電場(chǎng)，使得SiC設計相比硅MOSFET或IGBT具有極低的損耗、更快的開(kāi)關(guān)速度和更小的幾何尺寸。

許多業(yè)內人士將SiC視為具有競爭優(yōu)勢的原材料，因為它能夠在減小尺寸、重量和成本的同時(shí)提高效率。由于SiC系統的工作頻率更高，無(wú)源器件的體積更小，損耗更低，因此所需的散熱措施也更少。最終，這將實(shí)現許多現代應用所需的更高功率密度。

圖2 SiC 在許多應用中都具有優(yōu)勢（來(lái)源：安森美）

在選擇材料的同時(shí)，在SiC功率器件中采用新的裸片連接技術(shù)有助于消除器件中的熱量。燒結等技術(shù)可在裸片和襯底之間形成牢固的結合，并確?？煽康幕ミB性。因此，它可以提高熱傳導效率，改善散熱性能。

SiC通常用于高壓應用（>650V），但在 1200V 及更高電壓下，碳化硅開(kāi)始發(fā)揮顯著(zhù)作用，成為太陽(yáng)能逆變器和電動(dòng)汽車(chē)充電的最佳解決方案。它也是固態(tài)變壓器的關(guān)鍵推動(dòng)因素，在固態(tài)變壓器中，半導體將取代磁性元件。

制造挑戰

SiC的制造并不容易，首先，顆粒的純度必須極高，并且SiC晶錠需要高度的一致性。由于SiC材料永遠不會(huì )變成液態(tài)，因此晶體不能從熔融狀態(tài)中生長(cháng)出來(lái)，而是需要在氣相技術(shù)中通過(guò)仔細控制的壓力來(lái)實(shí)現，這種技術(shù)稱(chēng)為升華法。為了實(shí)現這一點(diǎn)，SiC粉末被放置在熔爐中并加熱到超過(guò)2200°C，使其升華并在籽晶上結晶。然而，即便如此，生長(cháng)速度也非常緩慢，每小時(shí)最多只能生長(cháng)0.5毫米。

SiC的極端硬度使得即使使用金剛石鋸切割也十分困難，這使得與硅相比，制造晶圓更具挑戰性。雖然可以使用其他技術(shù)，但這些技術(shù)可能會(huì )在晶體中產(chǎn)生缺陷。

由于SiC是一種非常容易產(chǎn)生缺陷的材料，且摻雜工藝具有挑戰性，生產(chǎn)出缺陷少的大尺寸晶圓并不容易。盡管如此，安森美（onsemi）公司現在已可以常規生產(chǎn)8英寸的襯底。

圖3 碳化硅制造工藝（來(lái)源：安森美）

支持研究

安森美意識到學(xué)術(shù)界在半導體技術(shù)發(fā)展中的重要性。就SiC而言，目前正在以下領(lǐng)域開(kāi)展研究：

●   對宇宙射線(xiàn)的抗擾性

●    柵極氧化物的固有壽命建模

●    碳化硅/二氧化硅界面特征描述和壽命建模

●    外來(lái)物質(zhì)（篩選）

●    外延和襯底缺陷

●    體二極管退化

●    高壓阻斷可靠性 (HTRB)

●    有關(guān)邊緣終止、雪崩穩健性和短路的特定性能指標

●    高 dv/dt 耐久性設計

●    浪涌電流

此外， 安森美還承諾出資 800 萬(wàn)美元，圍繞賓夕法尼亞州立大學(xué)（PSU）的安森美碳化硅晶體中心（SiC3）開(kāi)展戰略合作。他們還與歐洲其他至少六家教育機構合作，進(jìn)一步推動(dòng)該技術(shù)的發(fā)展。

安森美制造的優(yōu)勢

安森美的獨特之處在于，該公司為SiC器件提供了完全集成的供應鏈，可以全面控制從晶錠到客戶(hù)的所有流程環(huán)節和相關(guān)質(zhì)量。

該流程從新罕布什爾州開(kāi)始，首先培育單晶碳化硅材料，然后在其上添加一層薄的外延層。接下來(lái)，完成多個(gè)器件處理步驟和封裝，以生產(chǎn)出最終產(chǎn)品。

安森美生產(chǎn)基地的端到端能力有助于進(jìn)行最全面的測試并支持根本原因分析。其目標是生產(chǎn)零缺陷的高可靠性產(chǎn)品。

圖4 終極質(zhì)量-零缺陷（來(lái)源：安森美）

通過(guò)對每個(gè)步驟的可見(jiàn)性和控制，可以相對輕松地擴大產(chǎn)能，以滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的需求。此外，還可以對流程進(jìn)行優(yōu)化，以最大限度地提高產(chǎn)量和控制成本。事實(shí)上，麥肯錫公司也認可垂直整合供應鏈的好處，他們寫(xiě)道："SiC 晶圓和器件生產(chǎn)的垂直整合可以將產(chǎn)量提高五到十個(gè)百分點(diǎn)。

成功的五個(gè)步驟

在應對碳化硅的特定挑戰時(shí)，安森美采用了五步方法來(lái)解決襯底和外延缺陷水平、體二極管退化、高壓阻斷期間的可靠性以及與應用相關(guān)的性能等問(wèn)題。

圖5 應對 SiC 挑戰的五步方法（來(lái)源：安森美）

柵極氧化物完整性 (GOI) 至關(guān)重要，也是采用五步法的一個(gè)領(lǐng)域。

控制-采用控制計劃、統計過(guò)程控制和潛在失效模式與后果分析 (FMEA) 等工具，收集數據并用于流程改進(jìn)。

改進(jìn)-襯底或外延層的缺陷以及金屬污染物和顆粒都會(huì )影響 GOI。持續改進(jìn)可減少此類(lèi)缺陷的發(fā)生。

測試和篩選-視覺(jué)和電學(xué)篩選都用于識別任何有缺陷的裸片。對襯底進(jìn)行掃描，并在晶圓加工過(guò)程中繼續掃描，以了解每個(gè)階段的缺陷。在晶圓級進(jìn)行電氣測試，包括老化測試和晶圓分類(lèi)。

特性描述–使用電荷擊穿（QBD）測試來(lái)衡量GOI的質(zhì)量，因為它能檢測到更細微的細節。測試表明，SiC的內在 QBD 性能是硅的 50 倍。在生產(chǎn)中進(jìn)行樣本QBD測試，如果晶圓不符合預定的驗收標準，則會(huì )被剔除。

鑒定和提取模型–通過(guò)時(shí)間相關(guān)的介電層擊穿(Time Dependent Dielectric Breakdown,TDDB)應力測試評估柵極氧化層的內在性能。結合柵極偏壓和溫度對碳化硅MOSFET施加應力，并記錄失效時(shí)間。然后使用 Weibull 統計分布得出器件壽命。

安森美SiC的不同之處

安森美深知碳化硅在未來(lái)電力電子領(lǐng)域的關(guān)鍵作用，尤其是在汽車(chē)和可再生能源等領(lǐng)域的電力轉換應用。這推動(dòng)了對產(chǎn)能和產(chǎn)品創(chuàng )新的投資，以確保 SiC 盡快充分發(fā)揮其潛力。

安森美作為一家垂直整合的供應商，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程都在我們的掌控之下，這是其他任何公司都無(wú)法比擬的。這不僅能控制成本，還能確保向汽車(chē)和工業(yè)制造商提供零缺陷的產(chǎn)品。