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 市場的未來增長至關(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 月收購了 GT Advanced Technologies，增加了其內(nèi)部采購 200 毫米起始 SiC 晶圓的能力。

2020 年 6 月，總部位于中國的三安集成電路 (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。考慮到 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