SiC斜坡有多快?

全球的设备制造商都在加快步伐碳化硅(SiC)制造业，增长将从2024年开始真正起飞。

近五年前，特斯拉和意法半导体(STMicroelectronics)就在Model 3上推出了碳化硅。现在，没有人怀疑电动汽车的市场吸引力，但消费者仍然要求更好的续航里程和更快的充电速度。SiC器件是满足这些担忧的关键，这就是为什么idm和代工厂正在为高增长时代奠定基础。新的生产设施正在建设中，设备正在订购中。

图1:功率SiC器件市场正以34%(2021-2027年)的复合年增长率增长，主要由汽车驱动，但也有工业、能源和其他运输市场。来源:Yole Développement

但将一项新技术推向高产量需要时间。在幕后，制造设备供应商必须与客户密切合作，调整现有设备或设计全新的高通量、高产量SiC制造解决方案。

碳化硅是一种非常昂贵且极其坚硬的材料。但碳化硅晶圆也非常脆弱，因此需要格外小心地处理。由于它们是透明的，前几代用于处理系统的传感器无法看到它们。晶圆往往会弯曲，所以一个习惯了硅片平坦的行业不得不适应。这种材料有一些特殊的特性使得掺杂等过程非常困难。

然而，面对如此巨大的市场机遇，许多领先的SiC idm公司都宣布扩大其制造设施。Wolfspeed在纽约北部拥有新的200mm晶圆厂。博世正在德国新建近4万平方英尺的sic专用洁净室。Rohm在日本开设了一家新工厂，目标是在未来五年内将SiC制造增加5倍。英飞凌刚刚开始在马来西亚建设一个新的碳化硅工厂。据日本媒体报道，东芝计划到2024年将SiC产量增加三倍，到2026年增加10倍。这样的例子不胜枚举。

这么大的洁净室空间都要装设备了。硅线中使用的一些设备也可以用于SiC线中。但大批量生产需要一些特殊的工具。

SEMI最近与公司执行董事兼CTO Victor Veliadis合作PowerAmerica一个名为sic -碳化硅材料性能，制造基础和关键应用．在接受《半导体工程》采访时，Veliadis详细介绍了其中的一些要点(见图2)。

图2:SiC和Si制造工艺之间的关键差异。来源:Victor Veliadis/PowerAmerica

韦利亚迪斯说:“当你提出一项新技术时，基本上你会想要尽可能多地利用硅基础设施，因为这是你在经济上可行的唯一方法。”然而，仍有一些特殊性。

idm和代工厂需要什么
随着特斯拉的增长，意法半导体在早期就快速实现了大批量生产。

ST汽车产品集团功率晶体管子组项目管理办公室主任Giuseppe Arena表示:“SiC专用设备的主要挑战除了多种工艺要求外，还与晶圆处理有关。”“由于宽带隙材料固有的化学物理特性，我们在制造流程中使用了一些新的设备和工艺。与通常用于硅基功率器件的工艺相比，高温外延、离子注入工艺和热处理尤其如此。”

碳化硅外延在控制晶体缺陷和维持产量方面尤为关键。Arena解释说:“这需要适当设计的核反应堆。”“从SiC蚀刻的角度来看，它需要适当设计的等离子蚀刻器。晶圆减薄过程也需要特殊的工具来管理这种材料的硬度特性。我们还修改了清洗步骤，蚀刻和沉积工艺，以适应这种材料的特殊性。最后，设备供应商已经调整了一些关键设备的处理系统，以适应SiC晶圆的透明度特征。”

由于SiC的工艺和设计紧密相连，它在很大程度上仍然是idm主导的业务。但代工公司X-Fab很早就看到了机会。

X-Fab碳化硅和GaN产品营销经理艾格尼丝·扬克(Agnes Jahnke)表示:“这是碳化硅行业令人兴奋的时刻。“作为第一家纯SiC代工厂，我们大约在10年前开始合作，我们一直在不断提高SiC产能。X-Fab与我们的设备供应商有着长期的密切合作历史，我们在早期添加了专用的SiC制造设备，如植入器和SiC外延，这是一个非常好的决定，因为设备的交货时间目前正在飙升。但这不仅仅是容量的问题。这也与质量有关。我们的工程师不断改进SiC工艺，并支持我们的客户提高良率和吞吐量，这也是管理SiC芯片供应的非常重要的因素。因此，X-Fab成功地建立了坚实的SiC客户基础，为全球提供SiC晶体管和二极管，以支持绿色能源转型。”

还有一些新的铸造厂专门生产碳化硅。苏格兰的class - sic就是一个很好的例子，但它采取了一种不同的方法来为工厂车间配备设备。总经理Rae Hyndman说:“我们是一家新公司，成立大约5年。“我们有一个全新的、全面运营的、端到端加工的、产量为150毫米的开放式晶圆厂，专门用于SiC加工。大多数工程团队是一个经验丰富的工程师团队，拥有约20至35年的大批量汽车硅经验。我们的团队中有很多人在SiC开发方面有10到15年的经验。我们在3年前设计和建造了新的晶圆厂，我们购买的大部分设备都是完全翻新的150mm设备，或者是新的。”她指出，大约10%到15%是专用SiC设备。

设备的可用性仍然是一个问题。Hyndman表示:“我想说，晶圆厂和测试设备的交货时间是最大的挑战，我想说，这是所有半导体设备的全面挑战。”“这是由于全球对半导体的需求激增，包括传统硅和化合物半导体。复合半导体也推动了对翻新150毫米设备的需求。”

她补充说:“这取决于用于翻新的资源、工具和零件的可用性——Covid对这一点没有帮助。”

其他idm正在考虑将硅线转换为SiC。Veliadis坚持认为，通过调整现有的工艺和设备，只需购买几个关键的新工具，就可以将一条150mm的硅生产线改造成一条SiC生产线，成本约为2000万美元。这是一种给老硅晶圆厂注入新生命的方式，这些晶圆厂正在努力保持满负荷运转，否则将会关闭。

供应商加大力度
设备制造商正在这个市场上大举投资。“Lam的工艺工具部署在SiC制造的许多方面，包括SiC沟槽蚀刻、介电沉积和蚀刻、厚金属加工和器件钝化，”David Haynes说，该公司负责专业技术的副总裁林研究的客户支持业务组。“在未来几年内，随着技术从150mm过渡到200mm，我们将专注于确保我们准备好应对200mm的关键应用。”该公司最新的功率半导体沉积工具如图3所示。

SiC功率电子器件依赖于平面或沟槽型MOSFET结构以及二极管。“在这些应用中，关键的工艺步骤是在SiC晶圆本身上制造的，”Haynes说。“SiC外延、高温/高能离子注入和高温退火是关键步骤。用于MOSFET制造的SiC沟槽蚀刻也是至关重要的，高质量离子植入掩膜和退火帽的沉积也是至关重要的，这些离子植入掩膜和退火帽可以防止退火过程中基底的碳损失。在BEOL中，厚金属处理和高性能钝化的沉积是关键。”

一般来说，对于蚀刻、沉积和清洁工艺，已经建立的Si工艺工具可以用于SiC器件的制造。“但为了处理SiC和Si衬底，它们通常需要进行调整，”他说。“所有平台的共同挑战是晶圆处理。SiC衬底在红外波长下是半透明的，这意味着用于Si工艺工具的传统晶圆检测系统并不总是能够检测到它们。因此，我们必须为我们的传输和工艺模块开发特定于sic的升级包，以确保可靠的晶圆处理。同样，在SiC晶圆在加工过程中需要静电夹紧时，Lam开发了优化的夹紧算法来实现这一点。最后，SiC的表现与Si非常不同，特别是从蚀刻的角度来看。它是一种强键合材料，表现出许多离子和晶体学诱导的蚀刻缺陷机制，这些机制在硅中不存在。为了克服这一问题，需要针对特定应用的工艺开发来解决关键步骤，例如SiC MOSFET制造中的关键沟槽蚀刻工艺。”

图3:200mm Vector平台为先进的功率半导体制造提供PECVD能力。来源:Lam Research

而应用材料公司则选择举办一场大师班，在此期间推出了两款专用于SiC的新工具。应用材料半导体产品集团技术副总裁Mike Chudzik表示:“碳化硅芯片的开关效率比硅基大功率芯片更高，功耗更低。”“从工程角度来看，碳化硅芯片的功耗由漏极电流(Id)的平方和‘开’电阻(Ron)决定。为了提高效率，我们通过增加电子迁移率来降低‘开’电阻。”

目标是一个完美的水晶。Chudzik说:“电子迁移率可以通过减小栅极取向和细胞间距来提高，并且与掺杂浓度成反比。”碳化硅晶体在制造过程中产生的缺陷降低了移动性，从而增加了电阻，降低了性能，浪费了电力。其中两项关键工艺技术是碳化硅晶圆CMP(减少表面缺陷)和离子注入(通过减少碳化硅中的体积缺陷来优化电子迁移率)。”

他解释说，电源芯片的形成始于一个光秃秃的碳化硅晶圆，需要将其抛光光滑，因为它是后续epi层生长的基础。他说:“碳化硅是一种非常坚硬的材料，比硅、二氧化硅和铜等材料要硬得多，这些材料通常都是用CMP技术平面化的。”“与此同时，碳化硅芯片需要在整个设备中具有均匀的晶格。”

为了生产具有最高质量表面的均匀晶圆，应用材料公司开发了Mirra Durum CMP系统，该系统集抛光、材料去除测量、清洗和干燥于一体(见图4)。该公司声称，与机械研磨的SiC晶圆相比，成品晶圆表面粗糙度降低了50倍，与批量CMP加工系统相比，粗糙度降低了3倍。

图4:200mm Mirra Durum CMP系统通过将抛光、材料去除测量、清洗和干燥集成在一个系统中，旨在生产具有最高质量表面的均匀SiC晶圆。资料来源:应用材料

第二部分介绍了高温掺杂。在制造过程中，掺杂剂被植入到材料中，以帮助实现和引导大功率产生电路中的电流流动。由于碳化硅的密度和硬度，在不破坏晶格的情况下注入、准确放置和激活掺杂剂是一个巨大的挑战，这将降低性能和功率效率。应用材料公司利用150mm和200mm SiC晶圆的热离子植入系统解决了这一挑战，该公司表示，与室温植入相比，该系统的电阻率降低了40倍。

掺杂之后，确保晶体结构完整性和激活掺杂剂的下一个关键阶段是退火，这在SiC中是一个比硅热得多的过程。为了解决这一问题，centrotherm的C. activator退火炉可在高达2000°C的温度下对掺杂剂进行电活化。这是该公司为SiC制造量身定制的几种产品之一(见图5)。

图5:中心点为SiC制造提供了一系列设备，可提供150/200 mm的桥接能力。来源:centrotherm

几年前，佳能对1995年首次发布的步进器进行了大修，使其与SiC制造兼容。佳能表示，这些更新使其兼容支持扭曲或透明晶圆工艺的晶圆传输功能，如SiC，以及对准系统选项，对准X和Y对准标记测量，以提高步进生产效率。

我们到了吗?
尽管发布了一系列公告，但仍有很长的路要走。ACM Research的业务开发总监萨莉·安·亨利(Sally Ann Henry)说:“现在还处于早期阶段。”ACM Research是一家相对年轻但增长迅速的设备供应商，以先进的硅前端清洗技术而闻名。她说，虽然在媒体上似乎每个人都在200mm芯片上运行SiC，但大多数idm实际上仍处于建造阶段，同时运行在150mm芯片上。

当被问及ACM Research如何开始支持SiC时，Henry说它大约从2020年开始。她说:“ACM进入碳化硅业务，是因为客户有这种需求，尤其是在亚洲市场。”“在欧洲和美国，我们看到了一个巨大的增长领域，所以我们瞄准了它。”

ACM在其网站上收到了来自规模较小的参与者的咨询。从主要的参与者那里，她看到了对“桥梁工具”的很大兴趣，这些工具可以在150毫米的标准下进行测试，然后在他们的建筑完成时转移到200毫米，她认为这些建筑将在2024年基本完成。

为了做好准备，ACM Research为其所有支持sic的工具配备了最先进的传感器，因此可以识别和小心处理晶圆。处理系统已适应，以应付弓形和碳化硅晶圆的透明度。

结论
尽管碳化硅功率器件市场在过去五年中一直稳步增长，但预测显示，从2024年开始将出现大幅增长。领先的设备供应商已经开始应对SiC制造的基本挑战，但由于交货时间非常长，晶片厂经理现在正在订购额外的设备。也就是说，在工艺细节方面仍有很大的改进空间，这是idm和代工厂继续与供应商合作的地方。