200mm SiC 生產(chǎn)之路

降低半導(dǎo)體制造成本的一個(gè)關(guān)鍵方法是采用更大直徑的晶圓。Si CMOS 制造在 90 年代經(jīng)歷了 150 毫米到 200 毫米的轉(zhuǎn)變，隨后在十年左右的時(shí)間里轉(zhuǎn)向了 300 毫米晶圓。

目前絕大多數(shù)功率 FET 的 SiC 生產(chǎn)是在 150 毫米直徑的晶圓上生產(chǎn)的。例如，從 150 毫米到 200 毫米直徑的晶圓，每個(gè)晶圓的管芯數(shù)量將增加大約 85%。

就組件的總成本而言，據(jù)估計(jì)，對(duì)于 1.2-kV SiC MOSFET，襯底 + Epi 約占總成本的 50%，而對(duì)于 6.5-kV MOSFET，這一數(shù)字高達(dá)約 70%。1其他部分的晶圓加工成本預(yù)計(jì)在 150 毫米和 200 毫米晶圓之間大致相同。

幾家主要的 SiC 器件制造商現(xiàn)在正在尋求 200 毫米的 SiC 制造路徑。Wolfspeed 最近宣布其位于紐約馬西的 200 毫米 SiC 晶圓廠正式開業(yè)。該工廠號(hào)稱是最大的 200 毫米 SiC 工廠，被認(rèn)為對(duì) Wolfspeed 在 SiC 功率 FET 市場(chǎng)的未來增長(zhǎng)至關(guān)重要，其中包括為 Lucid Motors 的電動(dòng)汽車提供一些關(guān)鍵的功率逆變器模塊。

在紐約州 5 億美元贈(zèng)款的協(xié)助下，這座完全自動(dòng)化的晶圓廠耗資約 10 億美元，隨著減少對(duì)化石燃料依賴的勢(shì)頭增強(qiáng)，為滿足對(duì) SiC 功率模塊的強(qiáng)勁需求提供了途徑.

該市場(chǎng)的其他主要參與者也采取了類似的步驟：

早在 2021 年 7 月，意法半導(dǎo)體還宣布已在其位于瑞典的 Norstel 晶圓廠制造了其首款 200 毫米 SiC 晶圓。

全球巨頭英飛凌科技于今年 2 月宣布，將斥資超過 20 億歐元擴(kuò)大其 200 毫米 SiC 和 GaN 產(chǎn)能，將其位于奧地利菲拉赫的 150 毫米和 200 毫米硅生產(chǎn)線轉(zhuǎn)換為 SiC 和GaN 以及在馬來西亞的第三個(gè)晶圓廠也這樣做。

onsemi 于 2021 年 8 月收購(gòu)了 GT Advanced Technologies，增加了其內(nèi)部采購(gòu) 200 毫米起始 SiC 晶圓的能力。

2020 年 6 月，總部位于中國(guó)的三安集成電路 (Sanan IC) 在其湖南三安半導(dǎo)體工廠開設(shè)了全國(guó)首條垂直集成的 SiC 生產(chǎn)線。三安集成電路最新的制造工廠位于湖南省長(zhǎng)沙高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)，投資 25 億美元，計(jì)劃到 2024 年在 200 毫米晶圓上生產(chǎn) SiC 器件。

要使 200 毫米體積的 SiC 生產(chǎn)成為成功的框架，需要克服幾個(gè)挑戰(zhàn)。SiC 的關(guān)鍵問題之一是晶圓襯底通常是通過物理氣相傳輸 (PVT) 的各種修改之一形成的。生長(zhǎng)速率低且溫度接近 2,400?C，這使得該工藝比用于硅晶片生長(zhǎng)的液體熔化工藝昂貴得多。PVT 工藝中的缺陷和故障會(huì)限制最終的裸片良率。此外，生長(zhǎng)過程中的不均勻性要求 200 毫米晶圓襯底比 150 毫米對(duì)應(yīng)的襯底更厚。

GTAT 估計(jì) 200 毫米晶圓的厚度為 500 微米，而 150 毫米晶圓的厚度為 350 微米?？紤]到 200 毫米 SiC 襯底的成本增加（與 150 毫米晶圓約 800 美元的成本相比，估計(jì)約為 1,300 至 1800 美元），200 毫米晶圓的總芯片成本實(shí)際上可能更高，至少在短期內(nèi)，直到基板良率和制造成本得到改善（PGC 咨詢，2022 年 1 月）。在 5 到 7 年的時(shí)間里，對(duì)于 1.2 kV、100 A MOSFET，200 毫米襯底上的每片晶片成本應(yīng)該會(huì)提高，并比 150 毫米低約 20%（根據(jù)分析PGC 咨詢）。襯底+外延在總裸片成本中占較大組成部分的更高電壓級(jí)晶圓將看到更大的百分比改進(jìn)。

用于 SiC 生產(chǎn)的 Smart Cut 技術(shù)

Soitec 在 APEC 2022 會(huì)議上強(qiáng)調(diào)了一種顯示出前景的新方法。一段時(shí)間以來，它一直在使用一種稱為 Smart Cut 的技術(shù)生產(chǎn) SOI 晶圓。這涉及使用高劑量 H 注入將晶圓的器件部分（?頂部 1 μm）從主晶圓上分離出來，然后將其鍵合到處理晶圓上。已經(jīng)提出了一種類似的 SmartSiC 襯底制備方法，其中單晶 SiC 供體晶片被劈開，并且該頂部可能薄至 0.5 μm，被粘合到超高電導(dǎo)率多晶 SiC 處理晶片上。這方面的一些放大優(yōu)勢(shì)包括處理晶片的成本較低，其生產(chǎn)溫度比單晶對(duì)應(yīng)物低得多，以及增加處理晶圓襯底摻雜的能力，而不會(huì)隨之增加限制產(chǎn)量的晶體缺陷，正如在標(biāo)準(zhǔn)單晶晶圓上進(jìn)行的那樣。對(duì) SmartSiC 和標(biāo)準(zhǔn) SiC 襯底之間的 JBS 二極管進(jìn)行了比較，這些二極管在 SmartSiC 工藝流程中顯示出較低的電阻，而襯底缺陷率保持不變。

除了基板的改進(jìn)，200 毫米還需要其他幾項(xiàng)制造改進(jìn)/升級(jí)。雖然硅常見的工藝步驟可以利用完全折舊的 200 毫米硅晶圓廠設(shè)備，但 SiC 生產(chǎn)和工藝制造有幾個(gè)獨(dú)特的步驟。其中之一是使用加熱的鋁注入進(jìn)行 p 型摻雜。領(lǐng)先的半導(dǎo)體工藝設(shè)備制造商應(yīng)用材料公司最近宣布推出其用于 150 毫米和 200 毫米 SiC 晶圓的新型 VISta 900 3D 熱離子注入系統(tǒng)。

應(yīng)用材料公司開發(fā)的另一種工具是 Mirra Durum CMP 系統(tǒng)，與機(jī)械研磨的 SiC 晶圓相比，該系統(tǒng)可將成品晶圓表面粗糙度降低 50 倍。其他用于 SiC 生產(chǎn)的獨(dú)特工具包括可以達(dá)到 1,700?C 以上溫度的摻雜劑激活退火工具，以及用于硅化物背接觸的激光退火工具。對(duì)于較大的晶片直徑，需要仔細(xì)管理晶片應(yīng)力，并且需要優(yōu)化工具和/或工藝條件。

參考

1阿加瓦爾等人。（2016 年）。“提高能源效率的寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)。” 材料科學(xué)論壇，卷。858，第 797-802 頁。

審核編輯 黃昊宇