SiC優(yōu)勢、制造工藝及成本分析

SiC 材料特性帶來商業(yè)化難題，全產(chǎn)業(yè)鏈降本進行時。

盡管 SiC 相較于 Si 有眾多優(yōu)勢，但是由于 SiC 材料特性導(dǎo)致其大批量商業(yè)化也面臨諸 多挑戰(zhàn)，這也是碳化硅器件成本較高的原因所在。除了襯底環(huán)節(jié)，碳化硅的長晶工藝難度 高之外，碳化硅的晶圓制造環(huán)節(jié)具備相當(dāng)高的技術(shù)壁壘： 首先，碳化硅材料本身具備諸多難點。相比 Si IGBT，SiC/SiO2 界面缺陷密度比 Si/SiO2 高出 1-2 個數(shù)量級，較高的缺陷密度會引起柵氧質(zhì)量的顯著降低，造成器件實際 應(yīng)用中嚴(yán)重的可靠性問題。碳化硅的缺陷種類非常多，形成機制也很復(fù)雜，大體上碳化硅 的缺陷可分為兩大類別，第一類是晶體缺陷，包括點缺陷、螺位錯、微管缺陷、刃位錯等， 晶體缺陷一部分是從籽晶中遺傳下來，另一部分則是由 SIC 生長過程中晶體內(nèi)部應(yīng)力及雜 質(zhì)產(chǎn)生的；第二類是表面形貌缺陷，主要是由擴展的晶體缺陷和污染形成的，具體包括劃 痕、三角形缺陷、胡蘿卜缺陷、掉落物以及顆粒等，例如螺位錯易在外延層表面引發(fā)小坑 缺陷、胡蘿卜缺陷、三角形缺陷及臺階聚集，增大反向漏電流，對器件性能、成品率及可 靠性產(chǎn)生影響。因此，高可靠性、高性能的碳化硅功率器件需要做好缺陷控制，這也要求 廠商對于碳化硅的材料特性具備深刻理解。

其次，碳化硅對制造工藝亦有高要求。碳化硅的晶圓制造大體與硅類似，主要包括光 刻、清洗、摻雜、蝕刻、成膜、減薄等，但是由于碳化硅的材料特性與硅不同，在晶圓制 造中，特定的關(guān)鍵工藝要求晶圓廠掌握大量的 know-how，舉例而言：

在蝕刻環(huán)節(jié)：SiC 的化學(xué)穩(wěn)定性高，室溫下幾乎不與常見的酸、堿等化學(xué)試劑反 應(yīng)。這種化學(xué)惰性使得傳統(tǒng)的濕法刻蝕方法在 SiC 上幾乎無法奏效，需要用到干 法刻蝕。此外，碳化硅的晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是在制作精細(xì)圖形時，需要精確控 制刻蝕速率和方向性，以確保圖形的保真度和分辨率。因此，SIC 刻蝕過程的掩膜材料、掩膜蝕刻選擇性、氣體混合物、側(cè)壁斜率的控制、蝕刻速率、側(cè)壁粗糙 度等都需要開發(fā)。

在摻雜環(huán)節(jié)：由于碳化硅中碳硅鍵能高，雜質(zhì)原子在碳化硅中難以擴散，制備碳 化硅器件時 PN 結(jié)的摻雜只能依靠高溫下離子注入的方式實現(xiàn)，高能量的離子注 入會破壞碳化硅材料本身的晶格結(jié)構(gòu)，需要采用高溫退火修復(fù)離子注入帶來的晶 格損傷，同時控制退火對表面粗糙度的影響。

低歐姆接觸工藝：器件的源電極需要金屬與碳化硅形成良好的低電阻歐姆接觸。 這不僅需要調(diào)控金屬淀積工藝，控制金屬-半導(dǎo)體接觸的界面狀態(tài)，還需采用高溫 退火的方式降低肖特基勢壘高度，實現(xiàn)金屬-碳化硅歐姆接觸。

柵極氧化工藝：對于 MOS 部件而言，柵氧的質(zhì)量影響溝道的遷移率和柵極可靠 性，但是不良的 SiC/SiO2 界面質(zhì)量會降低 MOS 反型層遷移率并導(dǎo)致閾值電壓 不穩(wěn)定。因此，廠商需要優(yōu)化柵極氧化工藝，例如表面鈍化技術(shù)能夠提高 SiC/SiO2 界面質(zhì)量。

此外，SIC 是透明的晶圓，這使得光刻工藝難以適應(yīng)，各設(shè)備傳送取片難以定位， 也會使 CD-SEM 和計量測量變得復(fù)雜；SiC 晶圓相對缺乏平整度會使光刻和其他 加工變得更加復(fù)雜。

最后，碳化硅芯片需通過一系列可靠性測試、一致性篩選以滿足其高可靠性要求，這 同樣需要晶圓制造廠商進行系統(tǒng)性研究。在芯片一致性篩選方面，廠商需要掌握 SIC 材料外延層缺陷篩選方法，并對芯片外觀檢測平臺和算法進行研究，同時利用機器學(xué)習(xí)對缺陷 進行分類篩選和位置標(biāo)定。在可靠性方面，由于材料本身及制程工藝的區(qū)別， SiC MOSFET 的可靠性測試驗證方法相比 Si 功率器件存在差異，更高的界面缺陷密度以及雙極 退化等特有的退化機理是影響 SiC MOSFET 在各種惡劣條件下可靠性的重要因素，SiC MOSFET 芯片和封裝的同時退化也使得退化特征更加復(fù)雜，這些都對 SiC MOSFET 的可靠 性測試驗證提出了挑戰(zhàn)。考慮碳化硅商業(yè)化時間較短，各大應(yīng)用市場均沒有相對成熟的標(biāo) 準(zhǔn)體系，因此碳化硅產(chǎn)品的測試、試驗也困難重重，這也要求器件制造廠商能夠通過技術(shù) 研發(fā)，很好的解決可靠性測試問題。

由于以上因素，碳化硅的成本一直較高。當(dāng)前，隨著技術(shù)的不斷成熟，SiC MOS 各個 環(huán)節(jié)的成本有望出現(xiàn)大幅度下降，從而推動碳化硅進入大規(guī)模商用化時代： （1）襯底和外延國產(chǎn)化，成本正大幅下降：碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈中，襯底和外延工藝占據(jù)了整 個成本結(jié)構(gòu)的 70%，其中襯底的成本比重更是接近 50%。過去，襯底市場主要被美國 WolfSpeed、Ⅱ-Ⅵ和日本 Rohm 所占據(jù)，通過近年來不斷的發(fā)展，國內(nèi)廠商的襯底和外延 技術(shù)實力大幅提升，天科合達、山東天岳、山西爍科等襯底廠商均已實現(xiàn)批量生產(chǎn)，天岳 先進等廠商的襯底還獲得了英飛凌、博世等國際知名企業(yè)合作。根據(jù) Yole 的報告，在 2023 年全球?qū)щ娦吞蓟枰r底材料市場占有率排行中，天科合達以 18%的市場份額超過美 國 Coherent（16%），躍居全球第二，山東天岳則以 14%的市場份額排名第四。隨著國產(chǎn) 襯底廠商技術(shù)實力的快速提升以及產(chǎn)能的積極擴張，2024 年以來，主流 6 英寸 SiC 襯底價 格持續(xù)下滑，降幅接近 30%，截至 2024 年中，6 英寸 SiC 襯底價格已跌破 500 美元，2024 年 Q4 襯底價格進一步跌至 450 美元甚至 400 美元。 （2）SiC 器件量產(chǎn)工藝逐漸成熟，良率不斷提升：如前文所述，碳化硅在器件制造端面 臨諸多新工藝的挑戰(zhàn)，這需要廠商逐步積累 Know-how。在碳化硅量產(chǎn)初期，工藝良率較 低，但隨著技術(shù)和經(jīng)驗的不斷積累，當(dāng)前晶圓制造端的良率已大幅提升。 （3）溝槽型 SiC MOS 的成本優(yōu)勢：SiC MOSFET 平面結(jié)構(gòu)的特點是工藝簡單，單元的 一致性較好，雪崩能量比較高，SiC MOSFET 溝槽結(jié)構(gòu)是將柵極埋入基體中形成垂直溝道， 盡管其工藝復(fù)雜，單元一致性比平面結(jié)構(gòu)差。但是，溝槽型 SiC MOSFET 相對于平面型 SiC MOSFET 有更高的單元密度、更低的導(dǎo)通電阻、更小的寄生電容、更高的晶圓密度， 并且能夠減小開關(guān)損耗、提升導(dǎo)通性能，所以溝槽型 SiC MOSFET 可以顯著降低單個器件 的成本。當(dāng)前由于平面柵 SiC MOSFET 工藝復(fù)雜度沒那么高，而且開發(fā)歷史比較長，國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品較早實現(xiàn)量產(chǎn)，相比之下溝槽柵 SiC MOSFET 的發(fā)展則較為緩慢，主要受限于 工藝水平和柵氧可靠性等問題。考慮到溝槽型結(jié)構(gòu)帶來的性能和成本優(yōu)勢，英飛凌、羅姆、 芯聯(lián)集成等國內(nèi)外龍頭廠商均在積極推動溝槽柵 SiC MOSFET 的研發(fā)和量產(chǎn)，未來隨著技 術(shù)的進一步成熟，溝槽型 SiC MOS 有望推動碳化硅器件成本進一步降低。

（4）8 英寸產(chǎn)線帶來的規(guī)模效應(yīng)：為了降低單個器件的成本，進一步擴大 SiC 襯底尺寸， 在單個襯底上增加器件的數(shù)量是降低成本的主要途徑，因此 8 英寸 SiC 襯底將比 6 英寸在 成本降低上具有明顯優(yōu)勢。Wolfspeed 數(shù)據(jù)顯示，從 6 英寸升級到 8 英寸，襯底的加工成本 有所增加，但合格芯片產(chǎn)量可以增加 80%-90%；同時 8 英寸襯底厚度增加有助于在加工時 保持幾何形狀、減少邊緣翹曲度，降低缺陷密度，從而提升良率，采用 8 英寸襯底可以將 單位綜合成本降低 50%。當(dāng)前國內(nèi)廠商在 8 英寸襯底領(lǐng)域快速進步，技術(shù)已經(jīng)相對成熟， 天科合達、天岳先進等廠商都已經(jīng)實現(xiàn)小批量量產(chǎn)。在器件制造端，Wolfspeed、意法半導(dǎo) 體、英飛凌、安森美等國際龍頭正在投建 8 英寸產(chǎn)線，加速推進商用進程，其中， Wolfspeed 莫霍克谷工廠是全球首家且最大的 8 英寸碳化硅器件工廠，24 年 6 月的稼動率 達到了 20%。國內(nèi)廠商芯聯(lián)集成和士蘭微等也在積極推動 8 英寸產(chǎn)線的量產(chǎn)工作，其中芯 聯(lián)集成的 8 英寸線將于 2025 年進入規(guī)模量產(chǎn)，晶圓廠商的 8 英寸線陸續(xù)大規(guī)模量產(chǎn)有望推 動碳化硅器件成本進一步降低。