一文搞懂SiC功率器件的市場(chǎng)、應用和制造工藝

報告主題：一文搞懂SiC功率器件的市場(chǎng)、應用和制造

報告作者：Dr. Victor Veliadis

Deputy Executive Director and CTO, PowerAmerica

Professor ECE North Carolina State University, Raleigh, NC USA

報告內容包含：（具體內容詳見(jiàn)下方全部報告內容）

• SiC/GaN 性能科普

• Si、SiC 或 GaN 的選擇應用差異

• 汽車(chē)電氣化是寬禁帶(WBG功率器件和電子裝置的一大機遇

• SiC功率器件的制造

  SiC襯底的生長(cháng)比Si更復雜

  SiC外延技術(shù)成熟度相對較高

  SiC 晶圓占 SiC 器件成本的 50-70%

  高壓 (+900 V) SiC 功率器件通常采用縱向配置

  SiC 器件的理想阻斷電壓由其漂移層的厚度和摻雜決定

  電壓和開(kāi)關(guān)頻率需求推動(dòng)單極與雙極 SiC 器件的選擇

  SiC制造需要投資特定的設備和開(kāi)發(fā)特定的工藝

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報告詳細內容

# 各節點(diǎn)的半導體制造商數量

# 功率器件是能夠切換高電流和阻斷高電壓的大型分立晶體管

# GaN/SiC 功率器件可實(shí)現更高效、更新穎的電力電子設備

（更低的電阻和相關(guān)的傳導損耗；更高頻率的操作、更小的器件尺寸）

# SiC/GaN 器件可實(shí)現更高效、更輕、更小尺寸的電力電子設備

（可在高頻和高溫下運行，同時(shí)減少冷卻）

# 超寬帶隙材料（Ga2O3、金剛石、AlN）可以進(jìn)一步提高功率器件的性能

（超寬帶隙材料（Ga2O3、金剛石、AlN）具有比 GaN 和 SiC 更大的帶隙和擊穿電場(chǎng)）

# Si、SiC 或 GaN 的選擇因應用而異，并受電壓、電流、頻率、效率、溫度和成本考慮因素驅動(dòng)

Si、GaN 和 SiC 都在 650 V 范圍內展開(kāi)競爭：

? Si 可靠、堅固、便宜且能夠承受大電流

? GaN 以合理的成本提供高效的高頻操作

? SiC 效率高，可在高電流和高頻率下運行

# SiC/GaN 器件在實(shí)現下一代電力電子增長(cháng)方面具有獨特優(yōu)勢

# 寬禁帶(WBG)電力電子是高價(jià)值制造產(chǎn)品的關(guān)鍵驅動(dòng)力

（汽車(chē)、IT硬件、電網(wǎng)、電機驅動(dòng)、航空航天部門(mén)等）

# 汽車(chē)電氣化是寬禁帶(WBG功率器件和電子裝置的一大機遇

（電機、DC/DC轉換器、車(chē)載充電器、動(dòng)力電池組、蓄電池輔助裝置等）

# EV/HEV 市場(chǎng)是 SiC 增長(cháng)最強勁的貢獻者

# Wolfspeed SiC IGBT 27 kV，具有 1 μA 的低漏電流和 20 A 的直流電流輸出

# 變速驅動(dòng)器可有效適應電機速度/扭矩并降低能耗

（傳統電機驅動(dòng)：20-40% 的能量被節流閥和其他機械裝置浪費）

# 基于 SiC 的變速驅動(dòng)器具有體積、重量和成本優(yōu)勢

基于Si的VSD可節省能源，但由于占用空間大、重量大和成本高，采用率有限

基于 SiC的VSD使用新穎的架構來(lái)減少體積、重量和成本，采用率提升

# 電力電子創(chuàng )新推動(dòng)航空航天——飛機、衛星、無(wú)人機等

更高的燃油效率、更低的維護/運營(yíng)成本、更高的可靠性、更低的噪音、更低的氮氧化物排放

# 到 2025 年 SiC 器件預計收入：$3.2B/Yr

# SiC襯底的生長(cháng)比Si更復雜

（與傳統硅功率器件制作工藝不同的是，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅單晶材料上，必須在導通型單晶襯底上額外生長(cháng)高質(zhì)量的外延材料，并在外延層上制造各類(lèi)器件）

# 碳化硅外延技術(shù)成熟度相對較高

# SiC 晶圓占 SiC 器件成本的 50-70%

# SiC MOSFET 可以降低系統成本（和重量/體積），盡管它們的價(jià)格高于 Si

# 200 mm SiC 生產(chǎn)晶圓可將器件成本降低 >20%

# 大量半導體工廠(chǎng)可用于制造200mm晶圓

# 高壓 (+900 V) SiC 功率器件通常采用縱向配置

橫向器件具有系統集成優(yōu)勢，但需要大面積以實(shí)現高阻斷電壓能力；

縱向器件漂移層厚度可以針對高阻斷電壓進(jìn)行定制，而不會(huì )增加相應的器件面積；

由于需要較大的漂移長(cháng)度（定義為柵極到漏極的間距），具有高阻斷電壓能力的橫向器件需要大面積；

對于表面穩定性，橫向器件中高壓和低壓電極之間的充分分離會(huì )導致更高的單元間距和導通電阻Ron。

# SiC 器件的理想阻斷電壓由其漂移層的厚度和摻雜決定

為了降低高壓器件的低摻雜厚漂移區的導通電阻，雙極電流通過(guò)載流子注入實(shí)現；

在SiC器件中實(shí)施邊緣終止結構，以實(shí)現接近理論材料極限的擊穿電壓。

# 電壓和開(kāi)關(guān)頻率需求推動(dòng)單極與雙極 SiC 器件的選擇

單極器件中的電流僅歸因于一種類(lèi)型的電荷載流子（電子或空穴）多數載流子

單極器件具有較高的傳導損耗和較低的開(kāi)關(guān)損耗

在傳導過(guò)程中，只有一種類(lèi)型的電荷載流子流動(dòng)：更高的導通電阻

僅多數導通可實(shí)現快速開(kāi)關(guān)：降低開(kāi)關(guān)損耗

雙極器件中的電流是由兩種類(lèi)型的電荷載流子、電子和空穴引起的

雙極器件具有更低的傳導損耗和更高的開(kāi)關(guān)損耗

在導通過(guò)程中，來(lái)自集電極 p+ 區的空穴被注入到 n- 區：累積的電荷降低了導通電阻

雙極導通導致開(kāi)關(guān)速度變慢，因為少數載流子在轉換期間也需要被掃描：更高的開(kāi)關(guān)損耗

通常在 SiC 中：?jiǎn)螛O器件至 10 kV，雙極器件 > 10 kV

# SiC已經(jīng)應用在多種器件中

單極器件：MOSFET、JFET、結勢壘肖特基二極管

雙極器件：BJT、晶閘管、IGBT、PiN 二極管

# SiC-MOSFET有平面型與溝槽型，是電力電子應用的主力軍

由于柵極氧化物的溝槽角處的電場(chǎng)擁擠，溝槽型MOSFET 的阻斷電壓能力可能低于 DMOSFET

# MOSFET 特定導通電阻的組成部分

# SiC制造需要特定的設備和開(kāi)發(fā)特定的工藝

多個(gè)成熟的 Si 工藝已成功轉移到 SiC。然而，碳化硅材料特性需要開(kāi)發(fā)特定的工藝，其參數必須優(yōu)化和合格：

蝕刻：碳化硅對化學(xué)溶劑是惰性的，只有干蝕刻是可行的。掩膜材料、掩膜蝕刻選擇性、氣體混合物、側壁斜率的控制、蝕刻速率、側壁粗糙度等都需要開(kāi)發(fā)。

用于降低電阻或厚外延處理的基板減薄（材料硬度需要特殊配方）。用于精細平面度控制的 CMP。

摻雜：傳統的熱擴散在 SiC 中不實(shí)用，因為它具有高熔點(diǎn)和 SiC 內摻雜劑的低擴散常數。評估注入種類(lèi)、劑量、能量、溫度、掩膜材料等。注入后 SiC 再結晶和注入激活退火方法（熔爐、RTA 等）、溫度、升溫速率、持續時(shí)間、氣體流量等。選擇退火保護層以最大限度地減少 SiC 晶片表面退化。CMP 可用于使晶圓變平以減輕高溫退火的影響。

金屬化：評估 CTE 匹配的金屬，選擇抗蝕劑類(lèi)型、金屬蒸發(fā)和剝離、濺射金屬沉積和干法蝕刻。

歐姆接觸形成：SiC/金屬阻擋層的高值導致整流接觸。歐姆接觸需要后金屬沉積退火。優(yōu)化退火溫度、升溫速率、持續時(shí)間、氣體流量，保持表面質(zhì)量。

柵極氧化物：不良的 SiC/SiO2 界面質(zhì)量會(huì )降低 MOS 反型層遷移率。開(kāi)發(fā)鈍化技術(shù)以提高 SiC/SiO2 界面質(zhì)量。

透明的晶圓使CD-SEM和計量測量變得復雜，因為焦平面是用光學(xué)顯微鏡來(lái)確定的。其他工具需要軟件/增益/硬件調整，以適應 SiC 不透明的波長(cháng)。需要 SiC 計量/檢測工具。

SiC晶圓相對缺乏平整度會(huì )使光刻和其他加工變得復雜，特別是高壓設備（厚漂移外延層）。高溫工藝會(huì )進(jìn)一步降低晶圓的平整度。CMP可以在制造的各個(gè)階段使晶圓平整。

絕緣電介質(zhì)：厚電介質(zhì)沉積在 SiC 中。評估沉積的介電缺陷對邊緣端接和器件可靠性的影響。

# SiC 加工需要對附加設備進(jìn)行適度的成本投資

（在完全折舊未充分利用的硅晶圓代工廠(chǎng)中加工 SiC 需要適度的成本投資，并提供剩余的晶圓產(chǎn)能以最大限度地提高代工廠(chǎng)的利用率。）

# 蝕刻：反應性離子蝕刻（RIE）通常用于在 SiC 中形成臺面結構和溝槽

# 蝕刻：低光刻膠 SiC 選擇性需要光刻圖案化“硬掩?！庇糜?SiC 蝕刻

# 蝕刻：使用 Cr/Al 掩模的 RIE 產(chǎn)生 0.7 μm 深的 SiC 垂直側壁溝槽用于植入

# 歐姆接觸：由于高肖特基勢壘高度，SiC 金屬接觸在沉積后不是歐姆接觸

# 歐姆接觸：同時(shí)形成 n 型和 p 型的低電阻率硅化鎳歐姆接觸簡(jiǎn)化了制造

# 注入：離子注入是實(shí)用的SiC選擇性摻雜技術(shù)，然后在~1600℃的爐中退火

# 注入：離子注入后的保護帽層 1650 °C 爐退火產(chǎn)生出色的 SiC 表面形貌

# 注入：離子注入和隨后的退火會(huì )產(chǎn)生降低設備性能的缺陷

離子注入工藝需要改進(jìn)：

? 開(kāi)發(fā)可制造的高質(zhì)量室溫大劑量離子注入

? 優(yōu)化退火升溫速率和整體注入工藝，以最大限度地減少缺陷的產(chǎn)生

? 優(yōu)化離子注入和退火，以盡量減少對晶圓平面度的影響

# 柵極氧化物：SiC-SiO2 界面質(zhì)量差會(huì )降低溝道遷移率并導致閾值電壓不穩定

電子通過(guò) SiC-SiO2 界面處的窄勢壘從導帶隧穿到氧化物中，將這些電子俘獲在柵極氧化物中會(huì )降低遷移率并導致閾值電壓不穩定。

# 柵極氧化物：SiC MOSFET 中的閾值電壓不穩定性是由氧化物陷阱引起的，并具有不良后果

# 柵極氧化物：與 Si 一樣，柵極熱氧化過(guò)程涉及氮化物的退火

# 材料缺陷的存在會(huì )降低 SiC 器件的性能和可靠性，并降低“大面積器件”的良率

# 由于電場(chǎng)擁擠，SiC 器件的擊穿電壓低于 SiC 材料極限

參考來(lái)源：

Dr. Victor Veliadis

Deputy Executive Director and CTO, PowerAmerica

Professor ECE North Carolina State University, Raleigh, NC USA

部分編譯：芯TIP@吳晰