克服碳化硅制造挑戰(zhàn)，助力未來(lái)電力電子應(yīng)用

作者：Catherine De Keukeleire，可靠性與質(zhì)量保證總監(jiān)，寬禁帶，安森美

幾十年來(lái)，硅（Si）一直是半導(dǎo)體行業(yè)的主要材料——從微處理器到分立功率器件，無(wú)處不在。然而，隨著汽車和可再生能源等領(lǐng)域?qū)ΜF(xiàn)代電力需求應(yīng)用的發(fā)展，硅的局限性變得越來(lái)越明顯。

隨著行業(yè)不斷探索解決方案，寬禁帶（WBG）材料，包括碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），被視為解決之道。禁帶寬度描述了價(jià)帶頂部和導(dǎo)帶底部之間的能量差。硅的禁帶寬度相對(duì)較窄，為1.1電子伏特（eV），而SiC和GaN的禁帶寬度分別為3.3eV和3.4eV。

圖 1 - 寬禁帶材料的物理特性（資料來(lái)源：安森美）

這些特性意味著寬禁帶材料的特性更像絕緣體，能夠在更高的電壓、頻率和溫度下工作。因此，它們非常適合用于電動(dòng)汽車（EV）和可再生能源等領(lǐng)域的功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用。

碳化硅（SiC）

碳化硅（SiC）并非新鮮事物，作為研磨材料已有超過(guò)一個(gè)世紀(jì)的生產(chǎn)歷史。然而，由于具有適合高壓、大功率應(yīng)用的誘人特性，SiC正逐漸嶄露頭角。SiC的物理特性，如高熱導(dǎo)率、高飽和電子漂移速度和高擊穿電場(chǎng)，使得SiC設(shè)計(jì)相比硅MOSFET或IGBT具有極低的損耗、更快的開(kāi)關(guān)速度和更小的幾何尺寸。

許多業(yè)內(nèi)人士將SiC視為具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的原材料，因?yàn)樗軌蛟跍p小尺寸、重量和成本的同時(shí)提高效率。由于SiC系統(tǒng)的工作頻率更高，無(wú)源器件的體積更小，損耗更低，因此所需的散熱措施也更少。最終，這將實(shí)現(xiàn)許多現(xiàn)代應(yīng)用所需的更高功率密度。

圖 2 - SiC 在許多應(yīng)用中都具有優(yōu)勢(shì)（來(lái)源：安森美）

在選擇材料的同時(shí)，在SiC功率器件中采用新的裸片連接技術(shù)有助于消除器件中的熱量。燒結(jié)等技術(shù)可在裸片和襯底之間形成牢固的結(jié)合，并確保可靠的互連性。因此，它可以提高熱傳導(dǎo)效率，改善散熱性能。

SiC通常用于高壓應(yīng)用（>650V），但在 1200V 及更高電壓下，碳化硅開(kāi)始發(fā)揮顯著作用，成為太陽(yáng)能逆變器和電動(dòng)汽車充電的最佳解決方案。它也是固態(tài)變壓器的關(guān)鍵推動(dòng)因素，在固態(tài)變壓器中，半導(dǎo)體將取代磁性元件。

制造挑戰(zhàn)

SiC的制造并不容易，首先，顆粒的純度必須極高，并且SiC晶錠需要高度的一致性。由于SiC材料永遠(yuǎn)不會(huì)變成液態(tài)，因此晶體不能從熔融狀態(tài)中生長(zhǎng)出來(lái)，而是需要在氣相技術(shù)中通過(guò)仔細(xì)控制的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種技術(shù)稱為升華法。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，SiC粉末被放置在熔爐中并加熱到超過(guò)2200°C，使其升華并在籽晶上結(jié)晶。然而，即便如此，生長(zhǎng)速度也非常緩慢，每小時(shí)最多只能生長(zhǎng)0.5毫米。

SiC的極端硬度使得即使使用金剛石鋸切割也十分困難，這使得與硅相比，制造晶圓更具挑戰(zhàn)性。雖然可以使用其他技術(shù)，但這些技術(shù)可能會(huì)在晶體中產(chǎn)生缺陷。

由于SiC是一種非常容易產(chǎn)生缺陷的材料，且摻雜工藝具有挑戰(zhàn)性，生產(chǎn)出缺陷少的大尺寸晶圓并不容易。盡管如此，安森美（onsemi）公司現(xiàn)在已可以常規(guī)生產(chǎn)8英寸的襯底。

圖 3 - 碳化硅制造工藝（來(lái)源：安森美）

支持研究

安森美意識(shí)到學(xué)術(shù)界在半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展中的重要性。就SiC而言，目前正在以下領(lǐng)域開(kāi)展研究：

• 對(duì)宇宙射線的抗擾性
• 柵極氧化物的固有壽命建模
• 碳化硅/二氧化硅界面特征描述和壽命建模
• 外來(lái)物質(zhì)（篩選）
• 外延和襯底缺陷
• 體二極管退化
• 高壓阻斷可靠性 (HTRB)
• 有關(guān)邊緣終止、雪崩穩(wěn)健性和短路的特定性能指標(biāo)
• 高 dv/dt 耐久性設(shè)計(jì)
• 浪涌電流

此外， 安森美還承諾出資 800 萬(wàn)美元，圍繞賓夕法尼亞州立大學(xué)（PSU）的安森美碳化硅晶體中心（SiC3）開(kāi)展戰(zhàn)略合作。他們還與歐洲其他至少六家教育機(jī)構(gòu)合作，進(jìn)一步推動(dòng)該技術(shù)的發(fā)展。

安森美制造的優(yōu)勢(shì)

安森美的獨(dú)特之處在于，該公司為SiC器件提供了完全集成的供應(yīng)鏈，可以全面控制從晶錠到客戶的所有流程環(huán)節(jié)和相關(guān)質(zhì)量。

該流程從新罕布什爾州開(kāi)始，首先培育單晶碳化硅材料，然后在其上添加一層薄的外延層。接下來(lái)，完成多個(gè)器件處理步驟和封裝，以生產(chǎn)出最終產(chǎn)品。

安森美生產(chǎn)基地的端到端能力有助于進(jìn)行最全面的測(cè)試并支持根本原因分析。其目標(biāo)是生產(chǎn)零缺陷的高可靠性產(chǎn)品。

圖 4 - 終極質(zhì)量 - 零缺陷（來(lái)源：安森美）

通過(guò)對(duì)每個(gè)步驟的可見(jiàn)性和控制，可以相對(duì)輕松地?cái)U(kuò)大產(chǎn)能，以滿足不斷增長(zhǎng)的需求。此外，還可以對(duì)流程進(jìn)行優(yōu)化，以最大限度地提高產(chǎn)量和控制成本。事實(shí)上，麥肯錫公司也認(rèn)可垂直整合供應(yīng)鏈的好處，他們寫道："SiC 晶圓和器件生產(chǎn)的垂直整合可以將產(chǎn)量提高五到十個(gè)百分點(diǎn)。

成功的五個(gè)步驟

在應(yīng)對(duì)碳化硅的特定挑戰(zhàn)時(shí)，安森美采用了五步方法來(lái)解決襯底和外延缺陷水平、體二極管退化、高壓阻斷期間的可靠性以及與應(yīng)用相關(guān)的性能等問(wèn)題。

圖 5 - 應(yīng)對(duì) SiC 挑戰(zhàn)的五步方法（來(lái)源：安森美）

柵極氧化物完整性 (GOI) 至關(guān)重要，也是采用五步法的一個(gè)領(lǐng)域。

控制 - 采用控制計(jì)劃、統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制和潛在失效模式與后果分析 (FMEA) 等工具，收集數(shù)據(jù)并用于流程改進(jìn)。

改進(jìn) - 襯底或外延層的缺陷以及金屬污染物和顆粒都會(huì)影響 GOI。持續(xù)改進(jìn)可減少此類缺陷的發(fā)生。

測(cè)試和篩選 - 視覺(jué)和電學(xué)篩選都用于識(shí)別任何有缺陷的裸片。對(duì)襯底進(jìn)行掃描，并在晶圓加工過(guò)程中繼續(xù)掃描，以了解每個(gè)階段的缺陷。在晶圓級(jí)進(jìn)行電氣測(cè)試，包括老化測(cè)試和晶圓分類。

特性描述 – 使用電荷擊穿（QBD）測(cè)試來(lái)衡量GOI的質(zhì)量，因?yàn)樗軝z測(cè)到更細(xì)微的細(xì)節(jié)。測(cè)試表明，SiC的內(nèi)在 QBD 性能是硅的 50 倍。在生產(chǎn)中進(jìn)行樣本QBD測(cè)試，如果晶圓不符合預(yù)定的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，則會(huì)被剔除。

鑒定和提取模型 – 通過(guò)時(shí)間相關(guān)的介電層擊穿(Time?Dependent?Dielectric?Breakdown,TDDB)應(yīng)力測(cè)試評(píng)估柵極氧化層的內(nèi)在性能。結(jié)合柵極偏壓和溫度對(duì)碳化硅MOSFET施加應(yīng)力，并記錄失效時(shí)間。然后使用 Weibull 統(tǒng)計(jì)分布得出器件壽命。

安森美 SiC 的不同之處

安森美深知碳化硅在未來(lái)電力電子領(lǐng)域的關(guān)鍵作用，尤其是在汽車和可再生能源等領(lǐng)域的電力轉(zhuǎn)換應(yīng)用。這推動(dòng)了對(duì)產(chǎn)能和產(chǎn)品創(chuàng)新的投資，以確保 SiC 盡快充分發(fā)揮其潛力。

安森美作為一家垂直整合的供應(yīng)商，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程都在我們的掌控之下，這是其他任何公司都無(wú)法比擬的。這不僅能控制成本，還能確保向汽車和工業(yè)制造商提供零缺陷的產(chǎn)品。