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检查、测试和测量碳化硅

对解决方案的需求正在激增,但这项技术才刚刚开始站稳脚跟。

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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的一大挑战。随着从150毫米晶圆迁移到200毫米晶圆,并将重点从纯硅转移,碳化硅基板制造商正努力实现足够的产量和可靠性。

原文如此是硅与硬质合金材料的结合,并因其广泛应用而成为纯电动汽车的关键技术能带. 碳化硅比硅在更高的功率、更高的温度和更高的开关频率下工作。这些特性可以用来增加电动汽车电池的使用范围,缩短充电时间。

“人们希望在10到15分钟内给汽车充电,这将继续发展,”该公司首席执行官山姆·格哈(Sam Geha)表示英飞凌科技'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。”

正如最近的投资所证明的那样,不乏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。类似地,STMicroelectronics于2019年以1.375亿美元(总价值;ST已拥有55%)收购了Norstel AB。此外,中铁二院于2019年宣布,将在纽约州马西市建造一家价值12亿美元的200万美元碳化硅晶圆厂,计划明年开始生产。

不过,供应链仍有一些困难需要解决。这部分是由于可靠性的问题这些问题还没有完全解决,部分原因是由于任何新材料的批量生产问题或晶圆尺寸的变化。一个关键的挑战是降低缺陷或位错,对于SiC衬底来说,这比标准硅更难。

“生产碳化硅的主要挑战来自晶圆层面,”Yole DéDevelopment复合半导体和新兴基板技术和市场分析师Ahmed Ben Slimane说。碳化硅晶体生长需要非常高的温度和非常缓慢的生长速度,导致低成品率的衬底制造工艺。此外,碳化硅的固有特性,如高硬度值,使其难以切片和抛光,使碳化硅晶片容易出现各种缺陷

与所有新流程一样,需要花时间来理解哪些工作效果最好、哪些出错、以及如何解决或解决任何问题等复杂问题。碳化硅的不同之处在于,需求正在爆炸式增长,很大程度上是因为电动汽车的竞争,而该技术仍处于起步阶段。

“如今,碳化硅的模式相对较大,”该公司战略合作高级主管杰伊·拉瑟特(Jay Rathert)表示克拉. “问题出在基板上。但当我们看到碳化硅和宽频带时,它有点像西部荒野。每个人都在尽可能快地加速他们的学习和成熟。如果我们今天深入到生态系统中,问,‘嘿,你想不想在我们可以告诉你的地方举办一个碳化硅研讨会如果你对缺陷问题、控制方法和总体趋势有所了解,10个人中有8个人会同意。”

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计量。光致发光是一种非接触光谱技术,用于观察器件的晶体结构。通过检查和其他手段发现缺陷对于提高可靠性至关重要。

消除缺陷
实际上,降低缺陷率也有经济效益,解决这一问题的一种方法是通过良好的控制外延。

Yole公司的Ben Slimane说:“如今,主要厂商都有技术诀窍和经验来优化他们的外延,以避免关键缺陷通过epilayer堆栈传播。”“在工艺水平上,栅极氧化物是SiC器件面临的主要挑战之一,它会导致器件寿命缩短。高温燃烧测试对于优化这一步和避免这一问题至关重要。此外,SiC不兼容cmos,这使得利用硅技术流程和基础设施具有挑战性,需要投资来适应现有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。尽管与平面结构相比,沟槽结构的制造仍然更加复杂,但这两种装置已经在商业系统中实现,而且新一代的装置即将问世。本·斯理曼说:“测试和分析设备对提高产量至关重要。”“在生产过程的早期发现缺陷并了解它们的起源,可以节省成本并改善生产过程。”

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,如晶体堆积缺陷、微管、凹坑、划痕、污点和表面颗粒。“SiC晶片的透明性和高反射率使得这一步骤具有挑战性。在外延层面上,在大的晶圆尺寸下,高的连续再现性和更好的均匀性是必需的。利用表面检测和光致发光精确快速地检测和分类缺陷的能力可以降低杀伤率。器件级的栅极氧化物问题可以通过时间依赖性介质击穿(TDDB)检测技术检测出来。较低的吞吐量、复杂性和原始的检测工具可能会增加生产成本,但它们也可以优化流程,最终提高产量。此外,该行业正在研究200mm SiC。向更大晶圆片的过渡需要在检查和测试阶段付出额外的努力。”

不同的材质在使用时具有不同的反射率级别光学检查,当这些不同的材料被用于不同的配置和封装时,问题就更加复杂了。随着新材料在平面和复杂异质封装中的引入和使用,检测工具必须跟上各种变化。

“我们的实验室里现在有一种更先进的包装样品,他们要求我们检查它,”CyberOptics.“一方面,柱子上有一个非常闪亮的20微米铜突起,顶部有一个完美的半球。我们正在研究光学技术。从字面上看,你得到一个像素,我们可以在摄像机中看到,我们试图推断出这个像素的凸起的高度。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分散的基底上,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动态范围,当你有这样低k高扩散衬底,相对于一个高光泽,完美弯曲的铜镜。对光学方面来说,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饱和或根本看不到任何信号。这在基片领域比在晶片领域更成为一个问题。”

其他技术,如X射线衍射(XRD)也正在用于碳化硅。XRD用于表征晶体材料。XRD在业界部署多年,首先在半导体行业进军逻辑领域。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。该公司X射线业务部门副总裁兼总经理保罗·瑞安(Paul Ryan)表示:“它已经添加到化合物方面,就像氮化镓一样。我们在高性能LED和III-V材料方面有着巨大的市场。”布吕克. “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碳化硅的质量。”

此外,用于定位和映射SiC晶片上缺陷的工具在市场上可以买到,并且通常基于晶片的紫外线照射。这种映射,连同缺陷类型和影响标准,决定了晶圆的可用面积。

其目标是生产具有极低性能退化缺陷的SiC晶片。“基板制造商正在不断提高材料质量,”美国能源部成立的美国电力制造研究所(PowerAmerica Manufacturing USA Institute)执行董事兼首席技术官维克托·维利亚迪斯(Victor Veliadis)说,该研究所旨在加速采用SiC和GaN电力电子器件。在外延层沉积水平上,目标是限制衬底缺陷扩展到外延层,或允许衬底“性能退化”缺陷作为良性缺陷传播

这是除了确保掺杂和厚度均匀外延外延。Veliadis说:“SiC衬底的生长比硅衬底的生长更需要劳动密集型和复杂,今天占SiC器件成本的50%到70%。”与硅不同的是,SiC在实际温度下不会熔化,而是在2500°C左右的生长温度下升华。需要高材料质量的SiC大种子,晶体膨胀有限。”

此外,由于SiC材料的硬度,锯切和抛光是“困难的”。Veliadis补充说,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片的能力,以消除采购利润率。值得注意的是,具有破坏性的SiC基板生长、珠片切割、锯切/抛光等机会具有很高的回报,许多公司都在寻找这些机会。”

制造高质量和可靠的碳化硅器件需要几个学科的相互作用,包括工艺能力和经验。英飞凌高级总监兼高电压转换产品营销主管Robert Hermann指出,英飞凌多年前就推出了沟槽- mosfet结构。“一个好处是R的显著提高DS(ON)x A,意味着更高的产量和更好的产量。模具越小,非完美原始晶圆的相关性就越小。对于这种器件结构,尤其是栅氧化层结构,工艺主要影响可靠性。”


图1:平面栅MOSFET(左)和沟槽MOSFET(右)。资料来源:英飞凌

onsemi电动车牵引功率模块业务部门副总裁兼总经理Bret Zahn表示,就产量而言,SiC目前的产量大致相当于30年前的硅产量。“主要的产量降低因素来自SiC晶体衬底生长本身的初始步骤。碳化硅原子基本上注入到硅中形成SiC会产生缺陷密度,这是最大的技术挑战所在。衬底制造是一个缓慢而昂贵的过程。随着需求的增加,更强大的需要对研发和生产进行投资,以改进制造工艺。”

这一过程极其复杂。Zahn说:“半导体制造包括数百个工艺步骤,将数百万个晶体管单元组装成一个可用的芯片。”。“在制造过程中,固有的百万分之几(PPM)通常会观察到级别故障率,这被称为缺陷密度。这些缺陷芯片在晶圆探测操作期间被分类和拒绝。缺陷密度降低部分是技术设计本身和半导体制造过程固有的。这两个领域都需要深入的工程专业知识。”

对于汽车应用,这增加了一个全新的关注水平。汽车制造商们要求芯片的使用寿命最长可达18年。“质量要求将在测试和产品生命周期的每个方面发挥作用,”Keith Schaub说,他是技术和战略副总裁最先进的美国.“这将推高成本。但与此同时,工程师们真的很擅长应对这样的挑战,并提出低成本的解决方案,这是汽车行业如此成功的原因之一。”

目前常用的测试包括电参数的统计分析和晶圆图的图形分析。“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。“我们的目标是在这些已经发生的缺陷和制造过程中可能导致它们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补充道,为了在制造过程的早期检测故障模式,还采用了高倍率在线光学分析来检测缺陷。基板生产需要与生产终端设备不同的制造工具和步骤,并有专门的优化步骤。“垂直集成碳化硅供应商拥有专有的晶圆和组件级测试技术,可拦截并最终将缺陷密度降至最低,提高组件级产量,为客户提供高质量和可靠的最终材料,并实现可与硅媲美且固有优于硅的坚固性,因为技术。”

计量学增加了另一个挑战。“我们在氮化镓和碳化硅的计量方面有很好的地位,”光学产品营销总监Paul Knutrud说,论创新.“由于这两种基底在可见光波长的透明度,对计量和光刻都具有挑战性。”

努特鲁德指出,氮化镓和碳化硅器件似乎都在腾飞。”正在取代砷化镓和硅在许多电力应用,如军事、手机发射塔、医疗保健和消费电子产品。高功率和高开关速度是氮化镓的主要优点。碳化硅具有高的击穿场强、导热系数和效率,是理想的电动汽车功率转换芯片。”

移动到200毫米
SiC到200mm晶圆技术的过渡增加了其他问题,解决所有问题需要时间。

Veliadis说:“该行业确实在急切地等待200毫米晶片上市,最好是从几家供应商那里购买。”。“200mm SiC晶片于2015年推出,从历史上看,七年左右的时间才能作为产品上市。由于制造/铸造费用巨大,并且假设工具到位,加工晶片的成本与其尺寸无关。因此,加工200mm晶片将产生比1.5倍的设备50毫米晶圆,加工成本相同。当然,200毫米晶圆比150毫米晶圆更贵,每平方厘米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,对于200mm和150mm的晶圆来说是相同或更低的。其次,对于200mm和150mm的晶圆来说,每平方厘米的材料成本是相同或更低的。当然,200mm的晶圆平面度不应该更差。因此,对于200mm的晶圆来说,以与150mm相同的每平方厘米成本获得相同或更好的材料质量是可取的。200mm晶圆的制造工艺需要进行鉴定,鉴定批次也需要进行。这是转移到更高面积晶圆的痛苦的一部分。但以相同的制造成本制造更多的器件——而不是总成本,因为200mm晶圆比150mm晶圆更贵——是一个强烈的激励,满足电动汽车对碳化硅器件的更高需求也是如此。”

许多硅晶圆厂也开始加工碳化硅晶圆,考虑到200毫米硅晶圆厂中有过多的200毫米硅晶圆厂使用完全折旧的工具,有许多大型200毫米晶圆厂/铸造厂在一旁等待200毫米晶圆可用时进入碳化硅生产。

Veliadis指出:“这些公司早先迁移到200mm硅片,不希望重新装备以制造150mm的硅片尺寸,而150mm的硅片目前是商用的。”“因此,当200mm晶圆可用时,我们将看到许多200mm晶圆厂开始生产SiC器件。对于电动车电力,200mm晶圆将有助于满足日益增长的需求。至于测试和分析,200mm的工具将处理一些特定的工作,以测试类似150mm的SiC外壳。”

不过,这一切都需要时间。“确实,基于氮化镓和硅的设备在功率和射频应用中已经很成熟,”安永客户支持业务集团战略营销董事总经理戴维•海恩斯(David Haynes)表示林研究. “但对于许多以蓝宝石和碳化硅为衬底的氮化镓基器件来说,这主要是在6英寸或更小的晶圆上实现的。如今,为了提高这些技术与主流半导体加工的兼容性,并提高技术的经济性,有一种强烈的向200mm晶圆加工的转变ore高级或更高容量的应用程序。”

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。海恩斯说:“随着200毫米晶圆成本和可用性的提高,碳化硅正在向200毫米方向迁移,生产将在未来两到三年内逐步增加。”。“特别是,Lam正致力于200mm SiC沟槽MOSFET应用。”

他说,对于氮化镓来说,它是在200mm的硅技术上改进氮化镓的性能。在未来,甚至有可能达到300mm。“在硅电源和射频设备上处理200mm GaN确实为CMOS集成和与CMOS代工处理的兼容性打开了可能性。在Lam,我们已经开发了一系列超低损伤的蚀刻和沉积工艺,兼容200mm和300mm GaN的硅生产,以及先进的单晶圆清洁工艺,以支持CMOS的铸造兼容性。”

结论
碳化硅的各种应用需求量很大,特别是在汽车行业,但识别和控制缺陷的过程仍然需要一些工作。其中一部分原因是晶圆尺寸变大,相比之下,体硅从200毫米变为300毫米是困难的。更为复杂的是,碳化硅越来越多地用于安全关键应用,缺陷可能导致人身伤害或死亡,以及通过提高产量降低成本的极端压力下的汽车应用。

所有这些都需要时间,但市场前景看好。因此,从商业的角度来看,快速解决这些问题有着强大的动力,而且不乏希望这样做的公司。

- Ed Sperling和Mark LaPedus对本文有贡献。

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