中國粉體網(wǎng)訊 2022年4月26日，碳化硅（SiC）技術(shù)和制造的全球引領(lǐng)者 Wolfspeed, Inc. （美國紐約證券交易所上市代碼：WOLF）宣布其位于美國紐約州莫霍克谷（Mohawk Valley）的采用領(lǐng)先前沿技術(shù)的 SiC 制造工廠正式開業(yè)。這座 200mm （8英寸）晶圓工廠將助力推進諸多產(chǎn)業(yè)從 Si 基產(chǎn)品向 SiC 基半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)型。
圖片來源：Wolfspeed
莫霍克谷這座全自動新工廠將是全球首座且最大的 200mm SiC 工廠，將提供高品質(zhì)和更高良率晶圓。在莫霍克谷開發(fā)的器件對于滿足 Wolfspeed 200+ 億美元銷售管道（pipeline）和全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的需求至關(guān)重要。首批 SiC 已于這個月早些時候在這座新工廠開始制造。
Wolfspeed 全球運營高級副總裁 Rex Felton 表示：“Wolfspeed 在北卡羅來納州同樣在擴大運營。位于北卡羅來納州達勒姆市的材料工廠計劃將于今年晚些時候竣工。通過這些工廠的建設(shè)與協(xié)同發(fā)力，并綜合 Wolfspeed 30 多年的研發(fā)歷史、強有力的技術(shù)基礎(chǔ)、豐富的制造經(jīng)驗和高端的人才，我們將在美國東海岸打造國家級的 SiC 走廊。”
至此，碳化硅世界龍頭已是天下無敵！
巨頭搶灘8英寸碳化硅
從目前全球市場情況來看，目前SiC半導(dǎo)體市場主要由Wolfspeed、英飛凌、羅姆半導(dǎo)體旗下SiCrystal、II－IV、新日鐵住金及道康寧等國外廠商占據(jù)著。同時，根據(jù)市場的公開資料顯示，這些廠商在進入6英寸生產(chǎn)后，在近兩年來，其中一部分廠商又對其6英寸產(chǎn)線進行了擴產(chǎn)，并在積極推動SiC向8英寸發(fā)展。
在國際知名大廠中，據(jù)“三代半風(fēng)向”統(tǒng)計，目前有7家企業(yè)能夠生產(chǎn)8英寸SiC晶圓襯底，包括英飛凌、Wolfspeed、羅姆、II-VI、Soitec，意法半導(dǎo)體以及中國的爍科晶體。
2015年，Wolfspeed和羅姆都展示了8英寸SiC襯底。2019年5月，Wolfspeed宣布投入10億美元（約64.6億人民幣）建設(shè)新工廠，將于2024年量產(chǎn)8英寸碳化硅等產(chǎn)品。
2015年7月，II-VI也展示了8英寸導(dǎo)電型SiC襯底，2019年又推出了半絕緣8英寸SiC襯底。2021年4月，II-VI表示，未來5年內(nèi)，將SiC襯底的生產(chǎn)能力提高5至10倍，其中包括量產(chǎn)直徑200mm（8英寸）的襯底。
2020年9月24日，英飛凌表示200mmSiC晶圓生產(chǎn)線已經(jīng)建成。
2021年，Soitec宣布計劃在五年內(nèi)投資11億歐元（87.57億人民幣），將其年產(chǎn)能翻一番，達到400萬片晶圓。同時，還將新建2家工廠，其中一家工廠將生產(chǎn)6英寸和8英寸SiC晶圓，該廠計劃在2023/2024財年投入使用。
意法半導(dǎo)體在碳化硅晶圓的研發(fā)上已經(jīng)投入了25年之久，擁有70多項專利，2019年還收購了Norstel，并改名為意法半導(dǎo)體碳化硅公司，獲得了碳化硅硅錠生長技術(shù)開發(fā)方面的技術(shù)積累。2021年，意法半導(dǎo)體在一次會議中發(fā)布了消息——他們最近已經(jīng)量產(chǎn)了8英寸SiC晶圓。
2020年10月，據(jù)山西日報報道，山西爍科晶體公司完全掌握4-6英寸襯底片“切、磨、拋”工藝，同時8英寸襯底片已經(jīng)研發(fā)成功。2022年1月，爍科晶體實現(xiàn)8英寸N型碳化硅拋光片小批量生產(chǎn)，向8英寸國產(chǎn)N型碳化硅拋光片的批量化生產(chǎn)邁出關(guān)鍵一步。
圖源：爍科晶體
SiC的研究一度被擱淺
相比于第一代和第二代半導(dǎo)體材料，SiC具有一系列優(yōu)良的物理化學(xué)特性，除了禁帶寬度，還具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度和高遷移率等特點。SiC的臨界擊穿電場是Si的10倍，GaAs的5倍，這提高了SiC基器件的耐壓容量、工作頻率和電流密度，降低了器件的導(dǎo)通損耗。加上比Cu還高的熱導(dǎo)率，器件使用時無需額外散熱裝置，減小了整機體積。這些均是SiC材料的極大優(yōu)勢。
此外，SiC器件具有極低的導(dǎo)通損耗，而且在超高頻率時，可以維持很好的電氣性能。例如從基于Si器件的三電平方案改為基于SiC的兩電平方案，效率可以從96%提高到97.6%，功耗降低可達40%。因此SiC器件在低功耗、小型化和高頻的應(yīng)用場景中具有極大的優(yōu)勢。
Si、GaAs、SiC和GaN基本性質(zhì)
Si和SiC作為半導(dǎo)體材料幾乎同時被提出，但由于SiC生長技術(shù)的復(fù)雜和缺陷、多型現(xiàn)象的存在，其發(fā)展曾一度被擱淺。SiC的發(fā)展歷經(jīng)了多個重要階段。第一個階段是結(jié)構(gòu)基本性質(zhì)和生長技術(shù)的探索階段，時間跨度從1924年發(fā)現(xiàn)SiC結(jié)構(gòu)至1955年Lely法的提出。第二階段是物理基本性質(zhì)研究和英寸級別單晶生長的技術(shù)積累階段。在此階段物理氣相傳輸(PVT)生長方法基本確定、摻雜半絕緣技術(shù)被提出，至1994年Wolfspeed推出了商用的2英寸(50.8mm)SiC襯底材料。從1994年以后，隨著國際上半導(dǎo)體照明及2英寸SiC單晶襯底的突破性進展，掀起了全球SiC器件及相關(guān)技術(shù)的研究熱潮。
SiC單晶技術(shù)研發(fā)歷史
2015年美國Ⅱ-Ⅵ公司首次研制成功8英寸SiC單晶襯底，美國Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ公司均于2019年宣布開始建設(shè)8英寸SiC單晶襯底生產(chǎn)線。美國Wolfspeed公司最早研究和生產(chǎn)SiC晶體和晶片，1991年推出商品化2英寸6H-SiC單晶片，并于1994年研發(fā)出2英寸4H-SiC單晶，1999年推出商品化3英寸6H-SiC單晶片，并于2004年研發(fā)出3英寸4H-SiC單晶，2007年推出4英寸“零微管”4H-SiC單晶片，2010年發(fā)布6英寸SiC單晶襯底試樣，并于2013年推出商品化6英寸SiC單晶襯底，2015年在ICSCＲM國際會議上展示了其8英寸SiC單晶襯底試樣，于2019年10月在紐約州立理工學(xué)院奧爾巴尼分校完成了首批8英寸SiC晶圓樣品的制備。
目前國內(nèi)已實現(xiàn)了6英寸SiC襯底的量產(chǎn)，山東天岳、天科合達、河北同光、中科節(jié)能等公司通過與山東大學(xué)、中科院物理所和中科院半導(dǎo)體所等科研院所的“產(chǎn)學(xué)研用”合作，均已完成6英寸SiC襯底的研發(fā)，天科合達已于2020年啟動8英寸SiC單晶襯底的研發(fā)工作，我國在SiC單晶襯底技術(shù)上已初步形成自主技術(shù)體系。
做一片八英寸SiC晶圓難在哪？
進入八英寸，每片晶圓中理論上可用的裸片數(shù)量（GDPW，又稱PDPW）大大增加。Wolfspeed方面在去年十月底的財報說明上也表示，單從晶圓加工成本來看，從六英寸升級到八英寸，成本是增加的，但是八英寸晶圓得到的優(yōu)良die數(shù)量增加了20-30%，產(chǎn)量更高，所以芯片成本更低。
我們知道，以硅基為材料的晶圓已經(jīng)開始從8英寸邁向了12英寸，硅晶圓的生產(chǎn)經(jīng)驗是否可以助力SiC晶圓向更大面積發(fā)展，與硅晶圓相比，SiC晶圓的生產(chǎn)難點又在哪里？
包括SiC在內(nèi)的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈包括包括襯底→外延→設(shè)計→制造→封裝。其中，襯底是所有半導(dǎo)體芯片的底層材料，起到物理支撐、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等作用；外延是在襯底材料上生長出新的半導(dǎo)體晶層，這些外延層是制造半導(dǎo)體芯片的重要原料，影響器件的基本性能；設(shè)計包括器件設(shè)計和集成電路設(shè)計，其中器件設(shè)計包括半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)、材料，與外延相關(guān)性很大；制造需要通過光刻、薄膜沉積、刻蝕等復(fù)雜工藝流程在外延片上制作出設(shè)計好的器件結(jié)構(gòu)和電路；封裝是指將制造好的晶圓切割成裸芯片。
SiC器件成本高的一大原因就是SiC襯底制造困難。數(shù)據(jù)顯示，襯底成本大約占晶片加工總成本的50%，外延片占25%，器件晶圓制造環(huán)節(jié)20%，封裝測試環(huán)節(jié)5%。SiC襯底成本高昂，生產(chǎn)工藝還復(fù)雜，與硅相比，SiC很難處理。
“在功率半導(dǎo)體制造的離子注入、薄膜沉積、介質(zhì)刻蝕、金屬化等環(huán)節(jié)，8英寸碳化硅與6英寸SiC的差距不大。”深圳基本半導(dǎo)體有限公司總經(jīng)理和巍巍博士指出：“8英寸SiC的制造難點主要集中在襯底生長、襯底切割加工、氧化工藝。
在單晶生長方面
與傳統(tǒng)的單晶硅使用提拉法制備不同，目前規(guī)模化生長SiC單晶主要采用物理氣相輸運法(PVT)或籽晶的升華法。這也就帶來了SiC晶體制備的兩個難點：
1、生長條件苛刻，需要在高溫下進行。一般而言，SiC氣相生長溫度在2300℃以上，壓力350MPa，而硅僅需1600℃左右。高溫對設(shè)備和工藝控制帶來了極高的要求，生產(chǎn)過程幾乎是黑箱操作難以觀測。如果溫度和壓力控制稍有失誤，則會導(dǎo)致生長數(shù)天的產(chǎn)品失敗。
2、生長速度慢。PVT法生長SiC的速度緩慢，7天才能生長2cm左右。而硅棒拉晶2-3天即可拉出約2m長的8英寸硅棒。
還有一個令人頭疼的問題，SiC存在200多種晶體結(jié)構(gòu)類型，其中六方結(jié)構(gòu)的4H型(4H-SiC)等少數(shù)幾種晶體結(jié)構(gòu)的單晶型SiC才是所需的半導(dǎo)體材料，在晶體生長過程中需要精確控制硅碳比、生長溫度梯度、晶體生長速率以及氣流氣壓等參數(shù)，否則容易產(chǎn)生多晶型夾雜，導(dǎo)致產(chǎn)出的晶體不合格。
在晶圓加工方面
SiC是世界上硬度排名第三的物質(zhì)，不僅具有高硬度的特點，高脆性、低斷裂韌性也使得其磨削加工過程中易引起材料的脆性斷裂從而在材料表面留下表面破碎層，且產(chǎn)生較為嚴重的表面與亞表層損傷，影響加工精度。所以在研磨、鋸切和拋光階段，挑戰(zhàn)也非常大，其加工難主要體現(xiàn)在：
(1)硬度大，莫氏硬度分布在9.2～9.6；
(2)化學(xué)穩(wěn)定性高，幾乎不與任何強酸或強堿發(fā)生反應(yīng)；
(3)加工設(shè)備尚不成熟。
一句話就是——SiC襯底的劃切非常棘手，并且晶圓尺寸越大越棘手。
此外，在氧化工藝方面，氧化工藝一直是碳化硅工藝中的核心難點，8英寸、6英寸對氣流和溫場的控制有不同需求，工藝需各自獨立開發(fā)。
國內(nèi)狀況
就國內(nèi)8英寸SiC產(chǎn)線的發(fā)展進程上看，國內(nèi)已有一些公司和單位取得了量產(chǎn)突破或作為預(yù)研項目進行立項。這其中就包括：中電科半導(dǎo)體持股的山西爍科晶體公司8英寸襯底片已經(jīng)研發(fā)成功，并小批量生產(chǎn)；天科合達在2020年也啟動了8英寸SiC晶片的研發(fā)。
外延方面，4月13日，松山湖管委會官網(wǎng)公布了《東莞市生態(tài)園2022年度土地征收成片開發(fā)方案》征求意見稿。擬征收地塊面積6.316公頃，合計94.7畝，后續(xù)將用于保障東莞市天域半導(dǎo)體科技有限公司半導(dǎo)體項目的落地。項目主要內(nèi)容為新增產(chǎn)能達100萬片/年的6英寸/8英寸碳化硅外延晶片生產(chǎn)線；8英寸碳化硅外延晶片產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)；6英寸/8英寸碳化硅外延晶片的生產(chǎn)和銷售。
在國內(nèi)與8英寸SiC產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)的設(shè)備和材料方面，2020年11月合肥露笑科技投資100億元建設(shè)的SIC設(shè)備制造、長晶生產(chǎn)、襯底加工、外延制作等產(chǎn)業(yè)鏈的研發(fā)和生產(chǎn)基地開工，按照他們的計劃，將在第二期、第三期分別達成年產(chǎn)10萬片8英寸襯底片（二期）、年產(chǎn)10萬片8英寸外延片和年產(chǎn)15萬片8英寸襯底片（三期）的建設(shè)。
參考來源：
[1]彭燕等.半絕緣碳化硅單晶襯底的研究進展
[2]麥玉冰等.第三代半導(dǎo)體材料碳化硅(SiC)
[3]這家廠商表示，SiC產(chǎn)能大增7倍，將進入八英寸.半導(dǎo)體行業(yè)觀察
[4]碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈！.碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈
[5]8英寸碳化硅晶圓，這么難的嗎？.電子工程專輯
[6]又一企業(yè)量產(chǎn)8寸SiC，全球已有7家.第三代半導(dǎo)體風(fēng)向
[7]Wolfspeed
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知刪除
