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車規碳化矽功率模組—基板和磊晶
[作者 陸濤]   2023年06月27日 星期二 瀏覽人次: [3322]

根據中國汽車工業協會的數據,2022年1月至11月,新能源汽車產銷分別完成625.3萬輛和606.7萬輛,同比均增長1倍,市場占有率達到25%。由此可見新能源汽車的發展已經進入了快車道。在此,我們注意到,由於里程焦慮和快速充電的要求,800V 電池母線系統獲得了不少的OEM或者Tier1的青睞。


談到800V母線系統,讓我們聚焦到其中的核心功率器件碳化矽功率模組,由於碳化矽得天獨厚的優勢,使得它非常適合用來製造高耐壓、高結溫、高速的MOSFET,這三高的性質恰好契合了800V母線系統對於核心的功率器件的要求。安森美(onsemi)看好800V母線系統的發展,有一些研究機構,預測截至2026年,SiC在整個功率器件市場的占比將達到12%以上。


安森美在碳化矽的領域涉足甚早,最早從2004年就開始SiC器件的研發。但是從2021年收購了GT Advanced Technologies(GTAT)之後開始在碳化矽領域全方位投入,無論是資金、人力物力以及客戶和市場。收購GTAT之後,開始了安森美在碳化矽領域的垂直整合供應鏈—從晶體到系統之路!接下來,將對兩個碳化矽的關鍵的供應鏈基板和磊晶epi進行分析。


碳化矽全垂直整合的供應鏈—從晶體到系統

供應鏈從安森美位於新罕布夏州哈德遜的工廠生長單晶SiC粉材料開始。在基板上生長一層很薄的磊晶層,然後經過多個複雜的器件加工步驟生產出晶片,然後將晶片來封裝成最終產品。整個製造流程端到端垂直整合,具有全面的可靠性、可追溯性,以及完善的品質測試,以確保產品零缺陷的要求。


全垂直整合的供應鏈,在目前的供應鏈體系裏具有相當的優勢,如產能易於擴展、品質優和成本控制,尤其是目前碳化矽的整個供應鏈的每一個環節,並非那麼容易可靠的高質量的量產,這個和矽的供應體系下不太一樣。在矽的供應鏈裏,矽片(基板)通常會被交給第三方來生產,第三方的品質、成本和良率都做得相當不錯。


接下來,我們會對基板和磊晶的生產進行展開,這樣大家就會明白為什麼安森美選擇在碳化矽領域選擇了全垂直整合的供應鏈模式,這也使得安森美成為了目前全球為數不多具有從基板到模組、到系統能力的公司。


晶體/基板(substrate)

我們的晶片都是在基板的基礎上長上一層薄薄的磊晶,然後才拿去製作晶片。那基板又是怎樣生產製造出來的呢?在此涉及到兩個步驟,首先是將碳化矽粉放到長晶爐裏生長成晶體得到碳化矽晶錠,碳化矽晶錠需要打磨拋光,然後送去切割,並經過拋光,如此得到了生產器件需要的晶圓基板,圖一是一個長晶爐的示意圖和實物照片。



圖一 : 長晶爐示意圖和實物
圖一 : 長晶爐示意圖和實物

在其中涉及兩個關鍵的步驟,晶體生長,晶錠切割和拋光。圖二則是從碳化矽粉到基板的生產流程簡易圖。



圖二 : 碳化矽基板生產流程圖
圖二 : 碳化矽基板生產流程圖

目前比較成熟的碳化矽晶體生長方法主要是PVT和CVD兩種,它們都屬於氣象生長(vapor phase growth),而碳化矽型體主要是4H和6H兩種。



圖三 : 碳化矽晶體生長方式
圖三 : 碳化矽晶體生長方式

首先我們來看看晶體的生長都面臨哪些挑戰:


‧ 要擁有高品質的籽晶(種子)


‧ 減少從籽晶到新生長的晶體缺陷的技術


‧ 晶體生長需要高溫(>2000℃)


o 在這些溫度和生長時間下,很少有材料保持惰性,很容易發生反應。


‧ 多態性–多達220種型體,目前可用的主要是用4H和6H


‧ 不一致的分解(氣體:Si,Si2C,SiC),(固態:碳)


‧ 源頭的純淨度—缺陷的晶核點


‧ 與Si相比,晶錠長寬比往往較低


‧ 整個行業面臨的主要挑戰是長出更長的無缺陷晶體


‧ 晶體直徑擴大(目前最大是8吋)


o 無裂紋、高結晶品質(晶片邊緣附近的晶界、缺陷等)


而GTAT本身從生產製造長晶爐起家,到現在約有20年的碳化矽長晶爐設計製造經驗,對於晶體生長的這些挑戰,GTAT擁有者豐富的經驗,我們有高品質的籽晶,很好的溫度的控制等,有很好的缺陷控制技術以及很好的缺陷檢測和標識能力。


談到碳化矽的缺陷,下列為碳化矽晶體幾種典型的缺陷:


‧ 晶型不穩定性


‧ 開核位錯(微管)


‧ 閉合核螺釘位錯


‧ 低角度晶界


‧ 常規位錯


‧ 基底平面位錯(BPD)—基底平面邊緣位錯或部分BPD


‧ 螺紋邊緣錯位(TED)


‧ 疊加故障/轉換


這些缺陷都是在基板或者說晶錠階段產生的,但是這些缺陷一旦產生了,就沒法消除,它們會繼續衍生到磊晶層,最終會影響到器件的品質。所以不僅需要在基板階段時標識出來,在磊晶層也要將它們標識出來以排除在外,這對於磊晶層帶來了挑戰。



圖四 : 碳化矽基板缺陷
圖四 : 碳化矽基板缺陷

高質量的晶體是整個碳化矽供應鏈的基石,而GTAT在這些方面積累豐富的生產經驗,它確保了安森美的碳化矽器件是在一個高質量的基板上完成的,同時我們也可以非常快速的擴產。


Epitaxy — EPI磊晶

碳化矽磊晶層是指在碳化矽器件製造工藝中,生長沉積在晶圓基板上的那一部分。為什麼需要磊晶?在某些情況下,需要碳化矽有非常純的與基板有相同晶體結構表面,還要保持對雜質類型和濃度的控制。這要通過在碳化矽基板表面澱積一個磊晶層來達到。在功率器件中,我們器件的每個單元等基本上都是在磊晶層加工完成的,它的品質對於器件來說重要性可見一斑。


不同的器件對於磊晶的要求不一樣。二極體對於磊晶的偏差和缺陷要求和MOSFET,對於它們的要求是兩個不同層次的需求。MOSFET對於磊晶品質的要求很高。摻雜的偏差會影響MOSFET的Rdson分佈,有些缺陷會導致MOSFET輕則漏電流偏大,嚴重的會導致MOSFET失效。


目前來說,磊晶比較成熟的加工技術是CVD,這也導致很多人誤認為磊晶比較容易加工。其實這是一個誤解,磊晶並不是簡單的把CVD的爐子買回來,就可以把它們做好,當然相對晶體基板來說,它要相對簡單一些,但是並不代表它很容易做好,磊晶和晶體基板面臨的挑戰是不一樣的。也有很多人說現在市場上很多公司都有能力加工二極體的磊晶,他們只要稍微升級一下設備就可以很好的生長MOSFET的磊晶了,這個說法有待商榷。


因為就像前文描述MOSFET和二極體對於磊晶的要求不一樣,他們對於一致性和翹曲度等要求也不是一個數量級的。在磊晶這一個環節,安森美早在併購GTAT之前,在碳化矽的磊晶和晶圓生產研發方面已經擁有超過10年的經驗。因此將繼續保持這一優勢,在擴大基板生產的同時也擴大磊晶的生產。


相對晶錠基板不同的是,磊晶的挑戰主要集中在下面的幾個指標上:


‧ 厚度以及一致性


‧ 摻雜和一致性


‧ 表面缺陷快速檢測和標識追蹤能力


‧ 底部缺陷快速檢測和標識追蹤能力


‧ 控制擴展缺陷


‧ 清洗


‧ 大尺寸的晶圓翹曲度的控制


我們把檢測到的缺陷進行分類。



圖五 : 磊晶缺陷
圖五 : 磊晶缺陷

圖六是一個完整的MOSFET active cell,包含基板的缺陷,然後衍生到磊晶的缺陷。



圖六 : 碳化矽MOSFET缺陷剖面圖—基板磊晶缺陷
圖六 : 碳化矽MOSFET缺陷剖面圖—基板磊晶缺陷

總結一下,由於基板的缺陷不能在磊晶層去把它消除,所以我們會採取一定的策略,讓致命缺陷惡化,然後把它們篩選出來,如此在磊晶這一個流程中就要求基板的缺陷具有可追溯性,所以對於基板和磊晶都自行生產的公司就具有天然的優勢,可以比較好的控制缺陷率。


由於基板和磊晶和晶片的技術發展相關性不大,所以單獨把這兩個流程拿出來和大家分享,接下來的晶片技術發展,比如MOSFET的平面結構或者溝槽結構,都是直接在磊晶層裏加工,後面的技術發展將再分別討論。安森美在基板和磊晶的供應鏈上垂直整合自己的內部資源,對於客戶來說,供給可以預測,此一供應模式為積極簽署長期供應協議的全球性客戶給予長期保障。


(本文作者陸濤為安森美中國區車規功率模組產品線經理)


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