检查，测试和测量碳化硅

实现汽车行业严格的零缺陷目标，正成为碳化硅基板制造商面临的一大挑战。随着碳化硅基板从150毫米晶圆迁移到200毫米晶圆，并将重心从纯硅转移，碳化硅基板制造商正努力实现足够的产量和可靠性。

原文如此是由硅和硬质合金材料结合而成的，由于其广泛性，已成为电池电动汽车的关键技术能带．碳化硅比硅工作在更高的功率、更高的温度和更高的开关频率下。这些特性可以用来增加电动汽车电池的续航里程，缩短充电时间。

“人们希望在10到15分钟内给汽车充满电，这一趋势还将继续发展。英飞凌科技”内存解决方案。“这将需要碳化硅和其他技术，以及更多的自动化。”

最近的投资证明，不缺急于填补这一空白的公司。上个月，onsemi宣布以4.15亿美元收购GT Advanced Technologies的SiC技术。同样，意法半导体在2019年以1.375亿美元收购了Norstel AB(总价值;ST已经拥有55%的股份)。此外，Cree于2019年宣布将在纽约州马西建造一个12亿美元的200mm SiC晶圆厂，计划明年开始生产。

不过，供应链仍有一些棘手的问题需要解决。这部分是由于可靠性的问题这一问题尚未完全解决，部分原因是任何新材料或晶圆尺寸变化的批量生产问题。一个关键的挑战是降低缺陷或位错，对于SiC衬底来说，这比标准硅更棘手。

Yole Développement复合半导体和新兴基板技术和市场分析师Ahmed Ben Slimane表示:“生产SiC的主要挑战来自晶圆水平。“SiC晶体生长需要非常高的温度和非常缓慢的生长速度，导致低产量的衬底制造工艺。此外，SiC的固有特性，如高硬度值，使其难以切割和抛光，使SiC晶圆容易出现各种缺陷。”

与所有新流程一样，需要时间来了解哪些工作最好，哪些出错，以及如何解决或解决任何问题。碳化硅的不同之处在于，需求正在爆炸式增长，这主要是因为电动汽车的竞争，而这项技术仍处于起步阶段。

“如今碳化硅的模式相对较大，”特朗普战略合作高级总监杰伊•拉瑟特(Jay Rathert)表示心理契约．“问题出在基底上。但是当我们看碳化硅，以及一般的宽带隙，它有点像狂野的西部。每个人都在尽可能快地加速自己的学习和成熟。如果我们今天接触到整个生态系统，问他们，‘嘿，你们是否愿意参加一个碳化硅的研讨会，让我们向你们介绍碳化硅的缺陷问题、控制方法和总体趋势，’10个人中有8个人会说愿意。”

KLA和Lasertec销售SiC检测系统。这些工具结合了两种技术-表面缺陷检测和光致发光测量。光致发光是一种非接触光谱技术，它观察器件的晶体结构。通过检查和其他方法发现缺陷对于提高可靠性至关重要。

消除缺陷
实际上，降低不良率也有经济效益，解决这个问题的一种方法是通过控制良好的外延。

Yole的Ben Slimane说:“今天，主要厂商都有技术和经验来优化他们的外延，以避免严重的缺陷通过epilayer堆栈传播。”“在工艺层面，栅极氧化物是SiC器件的主要挑战之一，它可能导致器件寿命缩短。高温燃烧试验是优化这一步骤，避免这一问题的关键。此外，SiC不兼容cmos，这使得利用Si技术流程和基础设施具有挑战性，并且需要投资来适应现有的晶圆厂或建造新的晶圆厂。”

他指出，SiC仍在发展，早期缺陷检测有助于提高成品率。虽然沟槽结构比平面结构更复杂，但这两种设备都已在商业系统中实现，而且新一代正在到来。“测试和分析设备对于提高产量至关重要，”Ben Slimane说。“在流程的早期检测缺陷并了解它们的起源可以节省成本并改进流程。”

Ben Slimane表示，在晶圆层面，高通量表面缺陷检测有助于检测各种类型的缺陷，如晶体堆积故障、微管、凹坑、划痕、污渍和表面颗粒。“SiC晶圆的透明性和高反射率使这一步具有挑战性。在外延水平，高运行到运行的再现性和更好的均匀性在大晶圆尺寸是强制性的。利用表面检测和光致发光准确快速检测和分类缺陷的能力可以降低杀伤比。器件级的栅氧化问题可以通过随时间变化的介电击穿(TDDB)检测技术检测到。较低的产量、复杂性和原始的检测工具会增加生产成本，尽管它们也可以优化流程并最终提高产量。此外，业界正在研究200mm SiC。向更大晶圆的过渡需要在检查和测试阶段付出额外的努力。”

不同的材料有不同程度的反射率光学检验当这些不同的材料以不同的配置和包装使用时，问题就变得更加复杂了。随着新材料在平面和复杂异质包装中的引入和使用，检测工具必须跟上各种变化的步伐。

公司首席执行官苏博德·库尔卡尼说:“我们的实验室里有一个更先进的包装样品，他们要求我们检查它。CyberOptics．“一方面，你在柱子上有这个极其闪亮的20微米铜凸起，上面有这个完美的半球。我们正在研究光学技术。从字面上看，你有一个像素，我们可以在相机中看到，我们试图用这个像素来推断那个凸起的高度。这是一个极端，它完美地反映了一切。但是整个物体都在一个非常扩散的基底上，没有任何反射率。所以我们正在处理这些问题。你如何设计一个投影仪的动态范围，你有这样低k高度扩散的基片，而不是一个高度闪亮，完美弯曲的铜镜。对于光学方面来说，设计投影方案的动态范围是一个挑战，这样探测器就不会过度饱和或根本看不到任何信号。与晶圆世界相比，这在基板世界正成为一个更大的问题。”

其他技术如x射线衍射(XRD)也被用于SiC。采用XRD对晶体材料进行表征。在业界部署多年后，XRD首次进入半导体行业用于逻辑。它过去和现在都被用来表征器件中的硅锗(SiGe)材料。

随着时间的推移，XRD已经转移到其他领域。“它被添加到化合物一侧，就像氮化镓一样。我们在高性能led和III-V材料方面有很大的市场，”该公司x射线事业部副总裁兼总经理Paul Ryan说力量．“下一个大的后起之秀是碳化硅，通过直接衍射或衍射成像来观察其质量。”

此外，在SiC晶圆上定位和绘制缺陷的工具已经上市，通常是基于晶圆的紫外线照射。这种映射，与缺陷类型和影响标准，决定晶圆的可用面积。

目标是生产具有极低性能退化缺陷的SiC晶圆。PowerAmerica制造美国研究所执行董事兼首席技术官Victor Veliadis表示:“衬底制造商正在不断提高材料质量。”PowerAmerica制造美国研究所由美国能源部成立，旨在加速SiC和GaN电力电子产品的采用。“在外延层沉积水平，目标是限制衬底缺陷传播到外延，或允许衬底‘性能下降’缺陷传播为良性缺陷。”

除此之外，还能保证掺杂和厚度均匀外延。Veliadis表示:“SiC衬底的增长比硅衬底的增长更加劳动密集型和复杂，目前占SiC器件成本的50%至70%。”“与硅不同，SiC在实际温度下不会融化，而是在大约2500°C的生长温度下升华。需要高质量的SiC大种子，并且晶体膨胀有限。”

此外，由于碳化硅材料的硬度，锯削和抛光是“困难的”。Veliadis补充说，其结果是非常昂贵的SiC晶圆，最终导致更高的设备成本。“当今SiC行业垂直整合的一个关键部分是确保内部衬底和外延晶圆的能力，以消除采购利润率。应该指出的是，颠覆性SiC衬底生长、晶片切片、锯/抛光等机会具有高回报，是几家公司寻求的机会。”

制造高质量和可靠的碳化硅器件需要多个学科的相互作用，包括工艺能力和经验。英飞凌高级总监兼高压转换产品营销主管Robert Hermann指出，他的公司多年前就推出了沟槽- mosfet结构。“其中一个好处是R得到了极大的改善_DS(上)x A，意味着更高的产量和更好的产量。模具越小，不完美的原始晶圆就越不相关。对于这种器件结构，特别是栅氧化结构，工艺主要影响可靠性。

图1:平面栅MOSFET(左)和沟槽MOSFET(右)。来源:英飞凌

onsemi电动汽车牵引动力模块业务部门副总裁兼总经理Bret Zahn表示，就产量而言，今天的SiC大致相当于30年前的硅。“主要的产率影响因素来自SiC晶体衬底生长本身的最初步骤。将碳化物原子注入硅中形成碳化硅会产生缺陷密度，这也是最大的技术挑战所在。基片制作是一个缓慢而昂贵的过程。鉴于不断增长的需求，需要加大对研发和生产的投资，以改善制造工艺。”

这个过程极其复杂。Zahn说:“半导体制造包括几百个工艺步骤，将几百万个晶体管电池制成一个可用的芯片。”在制造过程中，通常会观察到固有的百万分之一(PPM)级别的故障率，这被称为缺陷密度。这些有缺陷的芯片在晶圆探测过程中被分类和拒绝。降低缺陷密度部分是由于技术设计本身和制造半导体的过程所固有的。这两个领域都需要深入的工程专业知识。”

对于汽车应用来说，这增加了一个全新的关注水平。汽车制造商要求芯片的功能符合规格，最长可使用18年。“质量要求将在测试和产品生命周期的各个方面发挥作用，”at的技术和战略副总裁Keith Schaub说美国效果显著．“这将推高成本。但与此同时，工程师们非常善于接受这样的挑战，并提出更低成本的解决方案，这是汽车行业如此成功的原因之一。”

目前常见的测试包括电参数的统计分析和晶圆图的模式分析。“在某些情况下，可能需要进一步的物理分析，如化学脱层和聚焦离子束分析(FIB)，”Zahn说。“我们的目标是在已经发生的缺陷和制造过程中可能导致缺陷的原因之间建立联系。一旦确定了这一点，根本原因就可以解决了。”

Zahn补充说，为了在制造过程中更早地检测故障模式，还采用了高放大率的内联光学分析来检测缺陷。与生产终端器件相比，基片生产需要不同的制造工具和步骤，并有专门的优化步骤。“垂直集成的SiC供应商拥有专有的晶圆和组件级测试技术，可以拦截并最终最小化缺陷密度，提高组件级的成品率，为客户提供高质量和可靠的最终材料，并由于该技术的特性实现与硅相当的鲁棒性和固有的优势。”

计量是另一个挑战。光学产品营销总监Paul Knutrud说:“我们在GaN和SiC的计量方面有很好的地位。上的创新．“由于它们在可见光波长下的透明度，这两种基板对计量学和光刻都具有挑战性。”

Knutrud指出，GaN和SiC器件似乎都在蓬勃发展。”氮化镓正在取代GaAs和硅在许多电力应用领域，如军事、基站、医疗保健和消费电子产品。高功率和高开关速度是GaN的主要优势。由于具有较高的击穿场强、导热性和效率，SiC是电动汽车电源转换芯片的理想选择。”

移动到200mm
SiC向200mm晶圆技术的过渡增加了其他问题，解决所有的错误需要时间。

Veliadis表示:“业界确实在热切地等待200mm晶圆商业化，最好是来自几家供应商。”“200mm SiC晶圆在2015年进行了演示，历史上，在它们作为产品上市之前，已经经过了七年左右的时间。由于大的晶圆厂/代工管理费用，假设工具到位，加工晶圆的成本与其尺寸无关。因此，在相同的加工成本下，处理200mm晶圆将比150mm晶圆多生产约1.7倍的器件。当然，200mm晶圆会比150mm晶圆更贵，每厘米²成本相同是一个很好的假设。”

Veliadis指出，生产200mm晶圆需要克服两个问题。“缺陷密度，或每平方厘米面积的缺陷，200mm晶圆与150mm晶圆相同或更低。其次，200mm晶圆与150mm晶圆的每平方厘米材料成本相同或更低。当然，在200mm晶圆中，晶圆平整度不应该更差。因此，200mm的材料质量与150 mm相同或更好，每平方厘米的成本是可取的。200mm晶圆的制造工艺需要经过认证，并且需要运行认证批次。这是转移到更高面积晶圆的痛苦的一部分。但是，在相同的制造成本下制造更多的器件——而不是总体成本，因为200mm晶圆比150mm晶圆更贵——是一个强大的激励，因为需要满足电动汽车对SiC器件的更高需求。”

许多硅晶圆厂也开始加工SiC晶圆，考虑到过多的200mm Si晶圆厂使用完全贬值的工具，当200mm晶圆可用时，有许多大型200mm晶圆厂/代工厂在旁边等待进入SiC生产。

Veliadis指出:“这些公司都是前段时间迁移到200mm硅片的公司，他们不希望重新组装目前商用SiC的150mm硅片尺寸。”“因此，当200mm晶圆上市时，我们将看到许多200mm晶圆厂开始生产SiC器件。对于电动汽车电源，200mm晶圆将有助于满足不断增长的需求。就测试和分析而言，200mm工具可以处理类似150mm外壳的SiC测试工作。”

不过，这一切都需要时间。“GaN和硅基器件确实在电源和射频应用中得到了很好的建立，”David Haynes说，他是美国半导体公司客户支持业务集团战略营销董事总经理林的研究．“但这主要是在6英寸或更小的晶圆上，在许多基于gan的器件的基板上，如蓝宝石和SiC。如今，为了提高这些技术与主流半导体工艺的兼容性，并提高该技术的经济性，以适应更先进或更大批量的应用，200毫米晶圆加工已成为一大趋势。”

这需要多长时间还有待观察，但它肯定会在未来几年内发生。“SiC正在向200mm转移，随着200mm晶圆成本和可用性的提高，产量将在未来两到三年内增加，”Haynes表示。特别是，Lam将重点放在200mm SiC沟槽MOSFET应用上。”

他说，对于GaN来说，这是在200mm的硅技术上GaN性能的提高。在未来，甚至有可能达到300mm。“在硅电源和射频器件上处理200mm GaN确实为CMOS集成和兼容CMOS代工工艺提供了可能性。在Lam，我们开发了一系列与硅上200mm和300mm GaN兼容的超低损伤蚀刻和沉积工艺，以及先进的单片清洁工艺，以支持CMOS代工兼容性。”

结论
碳化硅在各种应用领域都有很高的需求，特别是在汽车行业，但识别和控制缺陷的过程仍需要一些工作。部分原因是晶圆尺寸变大，相比之下，大块硅从200mm到300mm的斜坡是很困难的。此外，碳化硅越来越多地应用于安全关键型应用，在这些应用中，缺陷可能导致伤害或死亡，而在汽车应用中，通过提高产量来降低成本的压力极大。

所有这些都需要时间，但市场前景强劲。因此，从商业的角度来看，人们有强烈的动机迅速解决这些问题，而且不乏这样做的公司。

- Ed Sperling和Mark LaPedus对本文也有贡献。

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