車規(guī)碳化硅功率模塊——襯底和外延篇

中國汽車工業(yè)協(xié)會最新數(shù)據(jù)顯示，2022年1月至11月，新能源汽車產(chǎn)銷分別完成625.3萬輛和606.7萬輛，同比均增長1倍，市場占有率達到25%。由此可見新能源汽車的發(fā)展已經(jīng)進入了快車道。在這里我們注意到，由于里程焦慮和快速充電的要求，800V 電池母線系統(tǒng)獲得了不少的OEM或者Tier1的青睞。談到800V母線系統(tǒng)，讓我們聚焦到其中的核心功率器件碳化硅功率模塊，由于碳化硅得天獨厚的優(yōu)勢，使得它非常適合用來制造高耐壓、高結(jié)溫、高速的MOSFET，這三高恰好契合了800V母線系統(tǒng)對于核心的功率器件的要求。安森美(onsemi)非?？春?00V母線系統(tǒng)的發(fā)展，有一些研究機構(gòu)，預測截至到2026年，SiC在整個功率器件市場的占比將達到12%以上。

安森美在碳化硅的領(lǐng)域涉足甚早，最早從2004年就開始SiC器件的研發(fā)。但是安森美是從2021年收購了GT Advanced Technologies (GTAT)之后開始全方位在碳化硅領(lǐng)域的投入，無論是資金，人力物力以及客戶和市場。收購了GTAT之后，開始了安森美在碳化硅領(lǐng)域的垂直整合供應(yīng)鏈——從晶體到系統(tǒng)之路！接下來我們將對兩個碳化硅的關(guān)鍵的供應(yīng)鏈襯底和外延epi進行分析和介紹，這樣大家會對于安森美在碳化硅的布局和領(lǐng)先優(yōu)勢會有進一步的了解。

安森美碳化硅全垂直整合的供應(yīng)鏈——從晶體到系統(tǒng)

供應(yīng)鏈從我們位于新罕布什爾州哈德遜的工廠生長單晶SiC粉材料開始。在襯底上生長一層很薄的外延層，然后經(jīng)過多個復雜的器件加工步驟生產(chǎn)出芯片，然后將芯片來封裝成最終產(chǎn)品。整個制造流程端到端垂直整合，具有全面的可靠性、可追溯性以及完善的質(zhì)量測試，以確保產(chǎn)品零缺陷的要求。

全垂直整合的供應(yīng)鏈，在目前的供應(yīng)鏈體系里具有相當?shù)膬?yōu)勢，如產(chǎn)能易于擴展、品質(zhì)優(yōu)和成本控制，尤其是目前碳化硅的整個供應(yīng)鏈的每一個環(huán)節(jié)都不是那么容易可靠的高質(zhì)量的量產(chǎn)，這個和硅的供應(yīng)體系下是不太一樣的。在硅的供應(yīng)鏈里，硅片（襯底）通常會被交給第三方來生產(chǎn)，第三方的質(zhì)量、成本和良率都做的相當不錯。接下來我們會對襯底和外延的生產(chǎn)進行展開，這樣大家就會明白為什么安森美選擇在碳化硅領(lǐng)域選擇了全垂直整合的供應(yīng)鏈模式。這也使得安森美成為了目前全球為數(shù)不多具有從襯底到模塊、到系統(tǒng)能力的公司。

晶體/襯底

我們的芯片都是在襯底的基礎(chǔ)上長上一層薄薄的外延，然后才拿去制作芯片。那襯底又是怎樣生產(chǎn)制造出來的呢？這里涉及到兩個步驟，首先是將碳化硅粉放到長晶爐里生長成晶體得到碳化硅晶錠，碳化硅晶錠需要打磨拋光，然后送去切割，并經(jīng)過拋光這樣得到了我們生產(chǎn)器件需要的晶圓襯底。圖一是一個長晶爐的示意圖和實物照片。

圖一 長晶爐示意圖和實物

這里面涉及到了兩個關(guān)鍵的步驟，晶體生長，晶錠切割和拋光。圖二則是我們從碳化硅粉到襯底的生產(chǎn)流程簡圖

圖二 碳化硅襯底生產(chǎn)流程圖

目前比較成熟的碳化硅晶體生長方法主要是PVT和CVD兩種，它們都屬于氣象生長（vapor phase growth），而碳化硅型體主要是4H和6H兩種。

圖三 碳化硅晶體生長方式

首先我們來看看晶體的生長都面臨哪些挑戰(zhàn)

●   要擁有高品質(zhì)的籽晶（種子） 

●   減少從籽晶到新生長的晶體缺陷的技術(shù)

●   晶體生長需要高溫（>2000°C）

o   在這些溫度和生長時間下，很少有材料保持惰性，很容易發(fā)生反應(yīng)。

●   多態(tài)性–多達220種型體，目前可用的主要是用4H和6H

●   不一致的分解（氣體: Si, Si2C, SiC），（固態(tài)：碳）

●   源頭的純凈度 – 缺陷的晶核點

●   與Si相比，晶錠長寬比往往較低

●   整個行業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是長出更長的無缺陷晶體

●   晶體直徑擴大（目前最大是8“）

o   無裂紋、高結(jié)晶質(zhì)量（晶片邊緣附近的晶界、缺陷等）

而GTAT本身是從生產(chǎn)制造長晶爐起家的，到現(xiàn)在差不多有20年左右的碳化硅長晶爐的設(shè)計制造經(jīng)驗，對于晶體生長的這些挑戰(zhàn)，GTAT擁有者豐富的經(jīng)驗，我們有高品質(zhì)的籽晶，很好的溫度的控制等，有很好的缺陷控制技術(shù)以及很好的缺陷檢測和標識能力。

談到碳化硅的缺陷，下面是碳化硅晶體的幾種典型的缺陷

●   晶型不穩(wěn)定性

●   開核位錯（微管）

●   閉合核螺釘位錯

●   低角度晶界

●   常規(guī)位錯

●   基底平面位錯（BPD）-基底平面邊緣位錯或部分BPD

●   螺紋邊緣錯位（TED）

●   疊加故障/轉(zhuǎn)換

這些缺陷都是在襯底或者說晶錠階段產(chǎn)生的，但是這些缺陷一旦產(chǎn)生了，就沒法消除，它們會繼續(xù)衍生到外延層，最終會影響到器件的質(zhì)量。所以我們不僅需要在襯底階段就要標識出來，在外延層也要把他們標識出來以排除在外。這個對外延層帶來了挑戰(zhàn)。

晶型不穩(wěn)定

4H-SiC中的各種位錯的特征

外延后的缺陷——位錯的傳播

外延層中的擴展表面缺陷

圖四 碳化硅襯底缺陷

高質(zhì)量的晶體是整個碳化硅供應(yīng)鏈的基石，而GTAT在這些方面積累了相當豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗，它確保了安森美的碳化硅器件是在一個高質(zhì)量的襯底上完成的。同時我們也可以非常快速的擴產(chǎn)，而這也是安森美富有競爭力的一個方面。

Epitaxy – EPI外延

碳化硅外延層是指在碳化硅器件制造工藝中，生長沉積在晶圓襯底上的那一部分。我們?yōu)槭裁葱枰庋?？在某些情況下，需要碳化硅有非常純的與襯底有相同晶體結(jié)構(gòu)表面，還要保持對雜質(zhì)類型和濃度的控制。這要通過在碳化硅襯底表面淀積一個外延層來達到。在功率器件中我們器件的每個單元等基本上都是在外延層加工完成的，它的質(zhì)量對于器件來說重要性可見一斑。不同的器件對于外延的要求是不一樣的。二極管對于外延的偏差和缺陷要求和MOSFET對它們的要求是兩個不同層次的需求。MOSFET對于外延質(zhì)量的要求很高。摻雜的偏差會影響MOSFET的Rdson的分布。有些缺陷會導致MOSFET輕則漏電流偏大，嚴重的會導致MOSFET失效。

外延目前來說比較成熟的加工技術(shù)是CVD，這也導致很多人誤認為外延是比較容易加工的。其實這個是一個誤解，外延并不是簡單的把CVD的爐子買回來，就可以把它們做好，當然相對晶體襯底來說，它要相對簡單一些但是并不代表它很容易做好，外延和晶體襯底面臨的挑戰(zhàn)是不一樣的。也有很多人說現(xiàn)在市場上很多公司都有能力加工二極管的外延，他們只要稍微升級一下設(shè)備就可以很好的生長MOSFET的外延了，這個說法有待商榷。因為就像文章上面說的MOSFET和二極管對于外延的要求是不一樣的，他們對于一致性和翹曲度等要求也不是一個數(shù)量級的。在外延這一個環(huán)節(jié)，安森美同樣擁有豐富的經(jīng)驗，早在并購GTAT之前，安森美在碳化硅的外延和晶圓生產(chǎn)研發(fā)方面已經(jīng)擁有超過10年的經(jīng)驗。因此我們會把這一優(yōu)勢繼續(xù)保持，在擴大襯底生產(chǎn)的同時也擴大外延的生產(chǎn)。

相對晶錠襯底不同的是，外延的挑戰(zhàn)主要集中在下面的幾個指標上：

●   厚度以及一致性

●   摻雜和一致性

●   表面缺陷快速檢測和標識追蹤能力

●   底部缺陷快速檢測和標識追蹤能力

●   控制擴展缺陷

●   清洗

●   大尺寸的晶圓翹曲度的控制

我們把檢測到的缺陷做一下分類。

圖五 外延缺陷

下圖是一個完整的MOSFET active cell，這里就包含了襯底的缺陷，然后衍生到外延的缺陷。

圖六 碳化硅MOSFET缺陷剖面圖 - 襯底外延缺陷

總結(jié)一下，由于襯底的缺陷不能在外延層去把它消除，所以我們會采取一定的策略，讓致命缺陷惡化，然后把它們篩選出來，這樣的話在外延這一個流程中就要求襯底的缺陷具有可追溯性，所以對于襯底和外延都自己生產(chǎn)的公司就具有天然的優(yōu)勢?？梢员容^好的控制缺陷率。

由于襯底和外延和芯片的技術(shù)發(fā)展相關(guān)性不是特別大，所以我單獨把這兩個流程拿出來和大家分享，接下來的芯片技術(shù)發(fā)展比如MOSFET的平面結(jié)構(gòu)或者溝槽結(jié)構(gòu)都是直接在外延層里加工。因此后面的技術(shù)發(fā)展我們可以再分別拿出來討論。安森美在襯底和外延的供應(yīng)鏈上垂直整合了自己內(nèi)部的資源，因此對于客戶來說，他們的供給是可以預測的，這也是很多全球性的客戶積極的和安森美簽署了長期供應(yīng)協(xié)議，因為我們的這一供應(yīng)模式給予了他們長期保障。