來源:半導(dǎo)體芯科技編譯
全球的器件制造商正在加強碳化硅(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)、能源和其他交通運輸市場的推動。來源:Yole
但將一項新技術(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。 因為它們是透明的,前幾代用于處理系統(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,因為目前設(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)隊中的大多數(shù)人都是經(jīng)驗豐富的工程師,在大批量汽車硅料方面有大約20至35年的經(jīng)驗。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,因為該技術(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,并浪費功率。其中兩項關(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,因為它是后續(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,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
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