碳化硅介紹

• 耐高溫。碳化硅的禁帶寬度是硅的2-3倍，在高溫下電子不易發(fā)生躍遷，可耐受更高的工作溫度，且碳化硅的熱導(dǎo)率是硅的4-5倍，使得器件散熱更容易，極限工作溫度更高。耐高溫特性可以顯著提升功率密度，同時(shí)降低對(duì)散熱系統(tǒng)的要求，使終端更加輕量和小型化。
• 耐高壓。碳化硅的擊穿電場強(qiáng)度是硅的10倍，能夠耐受更高的電壓，更適用于高電壓器件。
• 耐高頻。碳化硅具有2倍于硅的飽和電子漂移速率，導(dǎo)致其器件在關(guān)斷過程中不存在電流拖尾現(xiàn)象，能有效提高器件的開關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)器件小型化。
• 低能量損耗。碳化硅相較于硅材料具有極低的導(dǎo)通電阻，導(dǎo)通損耗低；同時(shí)，碳化硅的高禁帶寬度大幅減少泄漏電流，功率損耗降低；此外，碳化硅器件在關(guān)斷過程中不存在電流拖尾現(xiàn)象，開關(guān)損耗低。

以高純碳粉、高純硅粉為原料合成碳化硅粉，在特殊溫場下生長不同尺寸的碳化硅晶錠，再經(jīng)過多道加工工序產(chǎn)出碳化硅襯底。核心工藝流程包括：

• 原料合成：將高純的硅粉+碳粉按配方混合，在2000°C以上的高溫條件下于反應(yīng)腔室內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，合成特定晶型和顆粒度的碳化硅顆粒。再通過破碎、篩分、清洗等工序，得到滿足要求的高純碳化硅粉原料。
• 晶體生長：為碳化硅襯底制造最核心工藝環(huán)節(jié)，決定了碳化硅襯底的電學(xué)性質(zhì)。目前晶體生長的主要方法有物理氣相傳輸法（PVT）、高溫化學(xué)氣相沉積法（HT-CVD）和液相外延（LPE）三種方法。其中PVT法是現(xiàn)階段商業(yè)化生長SiC襯底的主流方法，技術(shù)成熟度最高、工程化應(yīng)用最廣。

SiC 襯底制備難度大，導(dǎo)致其價(jià)格居高不下

• 溫場控制困難：Si 晶棒生長只需 1500℃，而 SiC 晶棒需要在 2000℃以上高溫下進(jìn)行生長，并且 SiC 同質(zhì)異構(gòu)體有 250 多種，但用于制作功率器件的主要是 4H-SiC 單晶結(jié)構(gòu)，如果不做精確控制，將會(huì)得到其他晶體結(jié)構(gòu)。此外，坩堝內(nèi)的溫度梯度決定了 SiC 升華傳輸?shù)乃俾?、以及氣態(tài)原子在晶體界面上排列生長方式，進(jìn)而影響晶體生長速度和結(jié)晶質(zhì)量，因此需要形成系統(tǒng)性的溫場控制技術(shù)。與 Si 材料相比，SiC 生產(chǎn)的差別還在如高溫離子注入、高溫氧化、高溫激活等高溫工藝上，以及這些高溫工藝所需求的硬掩模工藝等。
• 晶體生長緩慢：Si 晶棒生長速度可達(dá) 30～150mm/h，生產(chǎn) 1-3m 的硅晶棒僅需約 1 天的時(shí)間；而 SiC 晶棒以 PVT 法為例，生長速度約為 0.2-0.4mm/h，7 天才能生長不到 3-6cm，長晶速度不到硅材料的百分之一，產(chǎn)能極為受限。
• 良品參數(shù)要求高、良率低：SiC 襯底的核心參數(shù)包括微管密度、位錯(cuò)密度、電阻率、翹曲度、表面粗糙度等，在密閉高溫腔體內(nèi)進(jìn)行原子有序排列并完成晶體生長，同時(shí)控制參數(shù)指標(biāo)，是復(fù)雜的系統(tǒng)工程。
• 材料硬度大、脆性高，切割耗時(shí)長、磨損高：SiC 莫氏硬度達(dá) 9.25 僅次于金剛石，這導(dǎo)致其切割、研磨、拋光的加工難度顯著增加，將一個(gè) 3cm 厚的晶錠切割 35-40 片大致需要花費(fèi) 120 小時(shí)。另外，由于 SiC 脆性高，晶片加工磨損也會(huì)更多，產(chǎn)出比只有 60%左右。

發(fā)展趨勢(shì)：尺寸增加+價(jià)格下降

全球SiC市場6英寸量產(chǎn)線正走向成熟，領(lǐng)先公司已進(jìn)軍8英寸市場。國內(nèi)正在開發(fā)項(xiàng)目以6英寸為主。目前雖然國內(nèi)大部分公司還是以4寸產(chǎn)線為主，但是產(chǎn)業(yè)逐步向6英寸擴(kuò)展，隨著6英寸配套設(shè)備技術(shù)成熟后，國產(chǎn)SiC襯底技術(shù)也在逐步提升大尺寸產(chǎn)線的規(guī)模經(jīng)濟(jì)將會(huì)體現(xiàn)，目前國內(nèi)6英寸的量產(chǎn)時(shí)間差距縮小至7年。更大的晶圓尺寸可以帶來單片芯片數(shù)量的提升、提高產(chǎn)出率，以及降低邊緣芯片的比例，研發(fā)和良率損失部分成本也將保持在7%左右，從而提升晶圓利用率。

襯底直徑及大直徑襯底占比將不斷增加，助力全產(chǎn)業(yè)鏈降本。預(yù)計(jì)未來30年，大尺寸襯底的比例將不斷增加，在大部分襯底提供商具備新型大尺寸量產(chǎn)能力，一輪尺寸更新周期迭代完成后，襯底單位面積價(jià)格會(huì)迎來相對(duì)快速的降低。

SiC襯底價(jià)格會(huì)隨著尺寸增加有所下降，同時(shí)進(jìn)一步帶來銷量的穩(wěn)步上升。目前襯底發(fā)展最重要的方向趨勢(shì)是擴(kuò)大直徑，這會(huì)降低襯底生產(chǎn)成本進(jìn)而降低售價(jià)，價(jià)格的下降也會(huì)加速SiC襯底在各領(lǐng)域內(nèi)的滲透。根據(jù)CASA數(shù)據(jù)預(yù)測，SiC襯底和外延隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)逐步成熟(良率提升)和產(chǎn)能擴(kuò)張(供給提升)，預(yù)計(jì)襯底價(jià)格將以每年8%的速度下降。

碳化硅晶體生長的過程中會(huì)不可避免地產(chǎn)生缺陷、引入雜質(zhì)，導(dǎo)致襯底材料的質(zhì)量和性能都不夠好。而外延層的生長可以消除襯底中的某些缺陷，使晶格排列整齊。控制碳化硅外延缺陷是制備高性能器件的關(guān)鍵，缺陷會(huì)對(duì)碳化硅功率器件的性能和可靠性有嚴(yán)重影響。TSD和TED基本不影響最終的碳化硅器件的性能，而BPD會(huì)引發(fā)器件性能的退化。堆垛層錯(cuò)、胡蘿卜缺陷、三角形缺陷、掉落物等缺陷，一旦出現(xiàn)在器件上，器件就會(huì)測試失敗，導(dǎo)致良率降低。

碳化硅外延的制作方法包括：化學(xué)氣相淀積（CVD）、分子束外延（MBE）、液相外延法（LPE）、脈沖激光淀積和升華法（PLD）等，其中CVD法是最為普及的4H-SiC外延方法，其優(yōu)勢(shì)在于可以有效控制生長過程中氣體源流量、反應(yīng)室溫度及壓力，精準(zhǔn)控制外延層的厚度、摻雜濃度以及摻雜類型，工藝可控性強(qiáng)。早期碳化硅是在無偏角襯底上外延生長的，受多型體混合影響，外延效果不理想。隨后發(fā)展出臺(tái)階控制外延法，在不同偏角下斜切碳化硅襯底，形成高密度外延臺(tái)階，在實(shí)現(xiàn)低溫生長的同時(shí)穩(wěn)定晶型的控制。隨后引入TCS，突破臺(tái)階控制外延法的限制，將生長速率大幅提升至傳統(tǒng)方法的10倍以上。目前常用SiH₄、CH₄、C₂H₄作為反應(yīng)前驅(qū)氣體，N₂和TMA作為雜質(zhì)源，使用4°斜切的4H-SiC襯底在1500-1650℃下生長外延。

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