实现汽车行业严格的零缺陷目标正成为碳化硅衬底制造商面临的一大挑战，他们正在努力实现足够的良率和可靠性，因为他们从 150 毫米晶圆迁移到 200 毫米晶圆并将重点从纯硅转移。

碳化硅是硅和硬质碳化物材料的组合，由于其宽带隙，它已成为电池电动汽车的关键技术。与硅相比，碳化硅在更高的功率、更高的温度和更高的开关频率下工作。可以利用这些特性来增加电动汽车电池的续航里程并缩短充电时间。

英飞凌内存解决方案首席执行官 Sam Geha 表示：“人们希望在 10 到 15 分钟内为他们的汽车充电，而且这种情况将继续发展。” “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。同样，意法半导体在 2019 年以 1.375 亿美元（总价值；意法半导体已拥有 55%）收购了 Norstel AB。此外，科锐在 2019 年宣布将在纽约州马西建造一座耗资 12 亿美元的 200 毫米 SiC 晶圆厂，并计划于明年开始生产。

尽管如此，供应链仍有一些需要解决的问题。这部分是由于尚未完全解决的可靠性问题，部分是由于任何新材料的批量制造问题或晶圆尺寸的变化。一个关键的挑战是降低缺陷率或位错，对于 SiC 衬底来说，这比标准硅更棘手。

Yole Développement 化合物半导体和新兴基板技术和市场分析师 Ahmed Ben Slimane 表示：“生产 SiC 的主要挑战来自晶圆级。“碳化硅晶体生长需要非常高的温度和非常慢的生长速度，导致衬底制造过程的良率很低。此外，碳化硅的固有特性，如高硬度值，使其难以切片和抛光，导致碳化硅晶片容易出现各种缺陷。”

与所有新流程一样，了解什么最有效、哪里出错以及如何解决或解决任何问题的复杂性需要时间。SiC 的不同之处在于需求呈爆炸式增长，这主要是因为汽车电气化的竞争，而该技术仍处于斜坡周期的早期。

“如今碳化硅上的图案相对较大，” KLA战略合作高级总监杰伊拉特说。“问题出在基材上。但是当我们观察碳化硅和宽带隙时，它有点像狂野的西部。每个人都在努力尽可能快地加速他们的学习和成熟。如果我们今天进入生态系统并询问，“嘿，您想要一个关于碳化硅的研讨会吗？在那里我们可以告诉您缺陷问题、控制方法和总体趋势”，10 个人中有 8 个会说是。”

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式光谱技术，可观察器件的晶体结构。通过检查和其他方式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利益，解决这个问题的一种方法是通过良好控制的外延。

Yole 的 Ben Slimane 说：“今天，主要参与者拥有优化外延的专业知识和经验，以避免关键缺陷通过外延堆栈传播。” “在工艺层面，栅极氧化物是 SiC 器件的主要挑战之一，这可能导致器件寿命缩短。高温燃烧测试对于优化此步骤并避免此问题至关重要。此外，碳化硅与 CMOS 不兼容，这使得利用硅技术工艺和基础设施具有挑战性，并且需要投资来适应现有的晶圆厂或建造新的晶圆厂。”

他指出，碳化硅仍在不断发展，早期缺陷检测有助于提高良率。尽管与平面结构相比，沟槽结构的生产仍然更加复杂，但这两种器件都已在商业系统中实现，并且新一代产品即将到来。“测试和分析设备对于提高产量至关重要，”Ben Slimane 说。“在流程早期检测缺陷并了解其来源可以节省成本并改进流程。”

在晶片级，高通量的表面缺陷检查可以检测各种类型的缺陷，如结晶的堆垛层错，微管，凹坑，划伤，污点，和表面的颗粒，根据本苏莱曼。“碳化硅晶片的透明度和高反射率使这一步具有挑战性。在外延层面，大晶圆尺寸下的高运行重现性和更好的均匀性是强制性的。使用表面检测和光致发光准确快速地检测和分类缺陷的能力可以降低杀伤率。器件级的栅极氧化层问题可以通过瞬态介质击穿 (TDDB) 检测技术进行检测。较低的吞吐量、复杂性和原始检测工具会增加生产成本，虽然他们也可以优化流程并最终提高产量。此外，业界正在研究 200mm SiC。过渡到更大的晶圆需要在检查和测试阶段付出额外的努力。”

在光学检测方面，不同的材料具有不同的反射率水平，当这些不同的材料用于不同的配置和封装时，问题变得更加复杂。随着新材料的引入和用于平面和复杂的异质封装，检测工具必须跟上各种变化的步伐。

CyberOptics首席执行官 Subodh Kulkarni 表示：“我们的实验室现在有一个更先进的封装样品，他们要求我们对其进行检查。“一方面，柱子上有这个极其闪亮的 20 微米铜凸点，顶部有这个完美的半球。我们正在研究光学技术。所以从字面上看，你得到一个我们可以在相机中看到的像素，我们试图用那个像素来推断那个凹凸的高度。这是一个极端，它完美地反映了一切。但是整个事情都坐在一个非常扩散的基板上，并且没有任何反射。所以我们正在处理这些问题。您如何设计具有如此低 k 高漫射基板的投影机动态范围，而不是高度闪亮、完美弯曲的铜镜。在光学方面设计我们的投影方案的动态范围是一个挑战，因此探测器不会过饱和或根本看不到任何信号。

其他技术如 X 射线衍射 (XRD) 也正在部署用于 SiC。XRD 用于表征结晶材料。XRD 在行业中部署多年，首先在逻辑方面进入半导体行业。它曾经并且仍然用于表征器件中的硅锗 (SiGe) 材料。随着时间的推移，XRD 已经转移到其他领域。“它已被添加到化合物方面，例如氮化镓。我们拥有高性能 LED 和 III-V 族材料的巨大市场，”布鲁克X 射线业务部副总裁兼总经理 Paul Ryan 说。“下一个大热门是碳化硅，通过直接衍射或衍射成像观察其质量。”

此外，在 SiC 晶片上定位和绘制缺陷的工具在商业上可用，并且通常基于晶片的紫外线照射。这种带有缺陷类型和影响标准的映射决定了晶片的可用面积。

目标是生产性能降低缺陷非常低的 SiC 晶片。“基板制造商正在不断提高材料质量，”美国能源部美国制造研究所执行董事兼首席技术官 Victor Veliadis 说，该研究所由美国能源部成立，旨在加速采用 SiC 和 GaN 电力电子设备。“在外延层沉积层面，目标是限制衬底缺陷传播到外延层，或允许衬底‘性能下降’缺陷作为良性缺陷传播。”

这是确保掺杂和厚度均匀外延的补充。“与硅相比，SiC 衬底的生长更加劳动密集和复杂，如今占 SiC 器件成本的 50% 到 70% 令人震惊，”Veliadis 说。“与硅不同，碳化硅在实际温度下不会熔化，而是在大约 2,500°C 的生长温度下升华。需要高材料质量的 SiC 大种子，并且晶体膨胀有限。”

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 晶片，最终导致更高的设备成本。“当今 SiC 行业发生的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。应该指出的是，颠覆性的 SiC 衬底生长、晶锭切片、锯切/抛光等机会具有很高的回报，并受到多家公司的追捧。”

制造高质量和可靠的碳化硅器件需要多个学科的相互作用，包括工艺能力和经验。英飞凌高级总监兼高压转换产品营销负责人罗伯特赫尔曼指出，他的公司多年前推出了沟槽 MOSFET 结构。“一个好处是强改进的R DS（ON） X A，这意味着更高的体积，并且还更好的产率。芯片越小，不完美的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：平面栅极 MOSFET（左）和沟槽 MOSFET（右）。资料来源：英飞凌

onsemi 电动汽车牵引电源模块业务部副总裁兼总经理 Bret Zahn 表示，就良率而言，如今的 SiC 与 30 年前的硅差不多。“主要的良率贬低因素源于 SiC 晶体衬底生长本身的初始步骤。将碳化物原子基本注入硅以形成 SiC 会产生缺陷密度，而这正是最大的技术挑战所在。基板制造是一个缓慢且昂贵的过程。鉴于需求不断增加，需要加大对研发和生产的投资，以改进制造工艺。”

这个过程极其复杂。“半导体制造包括数百个工艺步骤，将数百万个晶体管单元图案化为单个可用芯片，”Zahn 说。“在制造过程中，通常会观察到固有的百万分率 (PPM) 级故障率，这称为缺陷密度。这些有缺陷的芯片在晶圆探测操作期间被挑选出来并被剔除。缺陷密度降低部分是技术设计本身和半导体制造过程所固有的。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度。汽车制造商要求芯片按规格运行长达 18 年。“质量要求将在测试和产品生命周期的各个方面发挥作用，” Advantest America技术和战略副总裁 Keith Schaub 说。“这将推高成本。但与此同时，工程师们非常擅长应对此类挑战并提出低成本解决方案，这也是汽车行业如此成功的原因之一。”

当今常见的测试包括电气参数的统计分析和晶圆图的图案分析。“在某些情况下，可能需要进一步的物理分析，例如化学延迟和聚焦离子束分析 (FIB)，”Zahn 说。“目标是在已经发生的缺陷与制造过程中可能导致这些缺陷的原因之间建立联系。一旦确定了这一点，就可以解决根本原因。”

Zahn 补充说，还采用了高倍率在线光学分析来检测缺陷，以便在制造过程中更早地检测故障模式。与生产终端设备相比，基板生产需要不同的制造工具和步骤，以及专门的优化步骤。“垂直集成的 SiC 供应商拥有专有的晶圆和组件级测试技术，可以拦截并最终最大限度地减少缺陷密度，提高组件级的良率，为客户提供质量可靠的最终材料，并实现与硅相比的稳健性和固有的优越性。技术。”

计量增加了另一个挑战。“我们在 GaN 和 SiC 的计量方面处于非常有利的地位，” Onto Innovation光学产品营销总监 Paul Knutrud 说。“由于它们在可见光波长下的透明度，这两种基板对计量学和光刻术都具有挑战性。”

Knutrud 指出，GaN 和 SiC 器件似乎都在起飞。“ GaN正在许多电源应用中取代 GaAs 和硅，例如军事、蜂窝塔、医疗保健和消费电子产品。高功率和高开关速度是 GaN 的主要优势。由于高击穿场强、热导率和效率，碳化硅是电动汽车功率转换芯片的理想选择。”

转向 200mm

碳化硅向 200mm 晶圆技术的过渡增加了其他问题，解决所有错误需要时间。

“业界确实在急切地等待 200 毫米晶圆上市，最好是从几个供应商那里获得，”Veliadis 说。“200 毫米 SiC 晶圆于 2015 年进行了演示，从历史上看，在它们作为产品上市之前，已经过去了七年左右的时间。由于晶圆厂/代工厂的开销很大，并且假设工具到位，处理晶圆的成本与其尺寸无关。因此，在相同的加工成本下，加工 200 毫米晶圆将生产出比 150 毫米晶圆多约 1.7 倍的器件。当然，200 毫米晶圆会比 150 毫米晶圆更贵，而且每平方厘米的成本相同是一个很好的假设。”

Veliadis 指出，生产 200 毫米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，200 毫米与 150 毫米晶圆相同或更低。其次，200mm 与 150mm 晶圆的每平方厘米材料成本相同或更低。而且，当然，200 mm 晶片的晶片平面度不应更差。因此，在每平方厘米成本与 150 毫米相同的情况下，200 毫米的材料质量相同或更好。200mm 晶圆的制造工艺需要经过认证，并且需要运行认证批次。这是转移到更大面积晶圆的痛苦的一部分。但是，以相同的制造成本制造更多的器件——而不是总成本，因为 200 毫米晶圆比 150 毫米晶圆更贵——是一个强大的动力，因为满足更高的电动汽车对 SiC 器件的需求也是如此。”

许多硅晶圆厂也开始加工 SiC 晶圆，鉴于大量 200 毫米硅晶圆厂的设备完全折旧，当 200 毫米晶圆可用时，有许多大型 200 毫米晶圆厂/代工厂等待进入 SiC 生产。

Veliadis 指出：“这些公司不久前迁移到 200 毫米硅晶圆，并且不想重新加工以制造目前可用于 SiC 的 150 毫米晶圆尺寸。” “因此，当 200 毫米晶圆可用时，我们将看到许多 200 毫米晶圆厂开始生产 SiC 器件。对于电动汽车电源，200mm 晶圆将有助于满足不断增长的需求。就测试和分析而言，200mm 工具将通过一些特定于测试 SiC 的修改来处理工作，类似于 150mm 的情况。”

尽管如此，这一切都需要时间。“确实，基于 GaN 和硅的器件在功率和射频应用中已经得到很好的应用，” Lam Research客户支持业务部战略营销董事总经理 David Haynes 说。“但在蓝宝石和 SiC 等衬底上的许多基于 GaN 的器件的情况下，这主要是在 6 英寸或更小的晶圆上。今天，为了提高这些技术与主流半导体加工的兼容性，并提高该技术的经济性，以实现更先进或更大批量的应用，现在正大力转向 200 毫米晶圆加工。”

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。“碳化硅正在向 200 毫米迁移，随着 200 毫米晶圆成本和可用性的提高，产量将在未来两到三年内增加，”海恩斯说。“特别是，林的重点是努力采用200毫米的SiC沟槽MOSFET的应用程序。”

他说，对于 GaN，它是 GaN on Silicon 技术在 200mm 上的改进性能。在未来，甚至有可能达到 300 毫米。“硅功率和射频器件上 200 毫米 GaN 的加工确实为 CMOS 集成和与 CMOS 代工加工的兼容性开辟了可能性。在 Lam，我们开发了一系列与 200mm 和 300mm 硅基 GaN 生产兼容的超低损伤蚀刻和沉积工艺，以及支持 CMOS 代工厂兼容性的先进单晶片清洁工艺。”

结论

碳化硅在各种应用中都有很高的需求，特别是在汽车领域，但识别和控制缺陷的过程仍然需要一些工作。部分原因是转向更大的晶圆尺寸，相比之下，体硅从 200 毫米到 300 毫米的斜坡很难。由于 SiC 越来越多地用于安全关键应用，其中缺陷可能导致人员伤亡，以及汽车应用中，通过提高产量来降低成本的压力极大，这一事实使情况更加复杂。

所有这一切都需要时间，但市场前景强劲。因此，从商业的角度来看，有强烈的动机来快速解决这些问题，而且不乏希望这样做的公司。