克服碳化硅制造挑戰(zhàn),助力未來電力電子應(yīng)用
幾十年來,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。禁帶寬度描述了價帶頂部和導(dǎo)帶底部之間的能量差。硅的禁帶寬度相對較窄,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一個世紀(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,使得SiC設(shè)計相比硅MOSFET或IGBT具有極低的損耗、更快的開關(guān)速度和更小的幾何尺寸。
許多業(yè)內(nèi)人士將SiC視為具有競爭優(yōu)勢的原材料,因為它能夠在減小尺寸、重量和成本的同時提高效率。由于SiC系統(tǒng)的工作頻率更高,無源器件的體積更小,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(來源:安森美)
在選擇材料的同時,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??煽康幕ミB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,碳化硅開始發(fā)揮顯著作用,成為太陽能逆變器和電動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)不會變成液態(tài),因此晶體不能從熔融狀態(tài)中生長出來,而是需要在氣相技術(shù)中通過仔細(xì)控制的壓力來實(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2200°C,使其升華并在籽晶上結(jié)晶。然而,即便如此,生長速度也非常緩慢,每小時最多只能生長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(來源:安森美)
支持研究
安森美意識到學(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)域開展研究:
● 對宇宙射線的抗擾性
● 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
● 浪涌電流
此外, 安森美還承諾出資 800 萬美元,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)一步推動該技術(shù)的發(fā)展。
安森美制造的優(yōu)勢
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,完成多個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(來源:安森美)
通過對每個步驟的可見性和控制,可以相對輕松地擴(kuò)大產(chǎn)能,以滿足不斷增長的需求。此外,還可以對流程進(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)量提高五到十個百分點(diǎn)。
成功的五個步驟
在應(yīng)對碳化硅的特定挑戰(zhàn)時,安森美采用了五步方法來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)的性能等問題。
圖 5 - 應(yīng)對 SiC 挑戰(zhàn)的五步方法(來源: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領(lǐng)域。
控制 - 采用控制計劃、統(tǒng)計過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影響 GOI。持續(xù)改進(jìn)可減少此類缺陷的發(fā)生。
測試和篩選 - 視覺和電學(xué)篩選都用于識別任何有缺陷的裸片。對襯底進(jìn)行掃描,并在晶圓加工過程中繼續(xù)掃描,以了解每個階段的缺陷。在晶圓級進(jìn)行電氣測試,包括老化測試和晶圓分類。
特性描述 – 使用電荷擊穿(QBD)測試來衡量GOI的質(zhì)量,因為它能檢測到更細(xì)微的細(xì)節(jié)。測試表明,SiC的內(nèi)在 QBD 性能是硅的 50 倍。在生產(chǎn)中進(jìn)行樣本QBD測試,如果晶圓不符合預(yù)定的驗收標(biāo)準(zhǔn),則會被剔除。
鑒定和提取模型 – 通過時間相關(guān)的介電層擊穿(Time Dependent Dielectric Breakdown,TDDB)應(yīng)力測試評估柵極氧化層的內(nèi)在性能。結(jié)合柵極偏壓和溫度對碳化硅MOSFET施加應(yīng)力,并記錄失效時間。然后使用 Weibull 統(tǒng)計分布得出器件壽命。
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。這推動了對產(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,整個生產(chǎn)過程都在我們的掌控之下,這是其他任何公司都無法比擬的。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。