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第三代半导体碳化硅风头正盛,随着下游的逐步打开,整个产业链受到极大的关注度。

上一次说完碳化硅衬底材料,今天我们来说说衬底的下游外延片的江湖到底是如何的?

总览

碳化硅的产业链其实和硅的是比较相似的,都是从晶体开始、通过外延、器件制造、模块封测,最后走向应用。不同的之处就是在晶体的制备方法不同。

碳化硅一般采用PVT方法,温度高达2000多度,且加工周期比较长,产出比较低,因而碳化硅衬底的成本是非常高的。

碳化硅外延过程和硅基本上差不多,在温度设计以及设备的结构设计不太一样。

在器件制备方面,由于材料的特殊性,器件过程的加工和硅不同的是,采用了高温的工艺,包括高温离子注入、高温氧化以及高温退火工艺。

外延工艺是整个产业中的一种非常关键的工艺,由于现在所有的器件基本上都是在外延上实现,所以外延的质量对器件的性能是影响是非常大的,但是外延的质量它又受到晶体和衬底加工的影响,处在一个产业的中间环节,对产业的发展起到非常关键的作用。

SiC外延片是SiC产业链条核心的中间环节

目前碳化硅和氮化镓这两种芯片,如果想最大程度利用其材料本身的特性,较为理想的方案便是在碳化硅单晶衬底上生长外延层。

碳化硅外延片,是指在碳化硅衬底上生长了一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶薄膜(外延层)的碳化硅片。实际应用中,宽禁带半导体器件几乎都做在外延层上,碳化硅晶片本身只作为衬底,包括GaN外延层的衬底。

为什么碳化硅可以成为氮化镓外延片的最佳异质衬底?从理论上来讲,氮化镓外延片最好就是用本身氮化镓的单晶衬底,但是氮化镓单晶衬底制备难度很高,长晶效率奇低,且面积较小、价格昂贵,不具备任何经济性。而碳化硅和氮化镓有着超过95%的晶格适配度,性能指标远超其他衬底材料,如蓝宝石、硅、砷化镓等。因此碳化硅基氮化镓外延片成为最佳选择。

SiC外延片关键参数

注:Breakdown Voltage击穿电压;Drift doping漂移掺杂;Thickness厚度

碳化硅外延材料的最基本的参数,也是最关键的参数,就右下角黄色的这一块,它的厚度和掺杂浓度均匀性。

我们所讲外延的参数其实主要取决于器件的设计,比如说根据器件的电压档级的不同,外延的参数也不同。

一般低压在600伏,我们需要的外延的厚度可能就是6个μm左右,中压1200~1700,我们需要的厚度就是10~15个μm。高压的话1万伏以上,可能就需要100个μm以上。所以随着电压能力的增加,外延厚度随之增加,高质量外延片的制备也就非常难,尤其在高压领域,尤其重要的就是缺陷的控制,其实也是非常大的一个挑战。

SiC外延片制备技术

碳化硅外延两大主要技术发展,应用在设备上

一、1980年提出的台阶流生长模型。

此对外延的发展、对外延的质量都起到了非常重要的作用。它的出现首先是生长温度,可以在相对低的温度下实现生长,同时对于我们功率器件感兴趣的4H晶型来说,可以实现非常稳定的控制。

二、引入TCS,实现生长速率的提升。

引入TCS可以实现生长速率达到传统的生长速率10倍以上,它的引入不光是生产速率得到提升,同时也是质量得到大大的控制,尤其是对于硅滴的控制,所以说对于厚膜外延生长来说是非常有利的。这个技术率先由LPE在14年实现商业化,在17年左右Aixtron对设备进行了升级改造,将这个技术移植到了商业的设备中。

碳化硅缺陷控制非常重要:

碳化硅外延中的缺陷其实有很多,因为晶体的不同所以它的缺陷和其它一些晶体的也不太一样。他的缺陷主要包括微管、三角形缺陷、表面的胡萝卜缺陷,还有一些特有的如台阶聚集。

基本上很多缺陷都是从衬底中直接复制过来的,所以说衬底的质量、加工的水平对于外延的生长来说,尤其是缺陷的控制是非常重要的。

碳化硅外延缺陷一般分为致命性和非致命性:

致命性缺陷像三角形缺陷,滴落物,对所有的器件类型都有影响,包括二极管,MOSFET,双极性器件,影响最大的就是击穿电压,它可以使击穿电压减少20%,甚至跌到百分之90。

非致命性的缺陷比如说一些TSD和TED,对这个二极管可能就没有影响,对MOS、双极器件可能就有寿命的影响,或者有一些漏电的影响,最终会使器件的加工合格率受到影响。

控制碳化硅外延缺陷,方法一是谨慎选择碳化硅衬底材料;二是设备选择及国产化;三是工艺技术。


碳化硅外延技术进展情况:

在低、中压领域,目前外延片核心参数厚度、掺杂浓度可以做到相对较优的水平。

但在高压领域,目前外延片需要攻克的难关还很多,主要参数指标包括厚度、掺杂浓度的均匀性、三角缺陷等。

在中、低压应用领域,碳化硅外延的技术相对是比较成熟的。基本上可以满足低中压的SBD、JBS、MOS等器件的需求。如上是一个1200伏器件应用的10μm的外延片,它的厚度、掺杂浓度了都达到了一个非常优的水平,而且表面缺陷也是非常好的,可以达到0.5平方以下。

在高压领域外延的技术发展相对比较滞后,如上是2万伏的器件上的200μm的一个碳化硅外延材料,它的均匀性、厚度和浓度相对于上述介绍的低压差很多,尤其是掺杂浓度的均匀性。

同时,高压器件需要的厚膜方面,目前的缺陷还是比较多的,尤其是三角形缺陷,缺陷多主要影响大电流的器件制备。大电流需要大的芯片面积。同时它的少子寿命目前也比较低。

在高压方面的话,器件的类型趋向于使用于双极器件,对少子寿命要求比较高,从右面这个图我们可以看到,要达到一个理想的正向电流它的少子寿命至少要达到5μs以上,目前的外延片的少子寿命的参数大概在1~2个μs左右,所以说还对高压器件的需求目前来说还没法满足,还需要后处理技术。

SiC外延片制备设备情况

碳化硅外延材料的主要设备,目前这个市场上主要有四家:

1、德国的Aixtron:特点是产能比较大;

2、意大利的LPE,属于单片机,生长速率非常大。

3、日本的TEL和Nuflare,其设备的价格非常昂贵,其次是双腔体,对提高产量有一定的作用。其中,Nuflare是最近几年推出来的一个非常有特点的设备,其能高速旋转,可以达到一分钟1000转,这对外延的均匀性是非常有利的。同时它的气流方向不同于其他设备,是垂直向下的,所以它可以避免一些颗粒物的产生,减少滴落到片子上的概率。

行业格局

在全球市场中,外延片企业主要有 DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、罗姆、三菱电机、Infineon 等,多数是IDM公司。日本也存在比较优越的碳化硅外延的供应商,比如说昭和电工,但它已经不是一个纯粹的做碳化硅外延的,因为他在前几年也收购了日本的新日铁,开始涉及到了碳化硅单晶的制备。

在国内市场,纯粹做外延片的有:瀚天天成(EpiWorld)和东莞天域半导体均可供应 4-6 英寸外延片,中电科 13 所、55 所亦均有内部供应的外延片生产部门。还有台湾的嘉晶电子。

全球业内的龙头Cree旗下Wolfspeed,是IDM公司,除了对外提供衬底片和外延片,还做器件、模块。Cree 占据衬底市场约 40%份额、器件市场约 23%份额。


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