第三代半导体发展之碳化硅(SiC)篇(2)

第三代半导体发展之碳化硅(SiC)篇(2)

2021-11-15 12:20:54 0

三、碳化硅功率半导体存在的问题

尽管全球碳化硅器件市场已经初具规模,但是碳化硅功率器件领域仍然存在一些诸多共性问题亟待突破,比如碳化硅单晶和外延材料价格居高不下、材料缺陷问题仍未完全解决、碳化硅器件制造工艺难度较高、高压碳化硅器件工艺不成熟、器件封装不能满足高频高温应用需求等,全球碳化硅技术和产业距离成熟尚有一定的差距,在一定程度上制约了碳化硅器件市场扩大的步伐。

1、碳化硅单晶材料

国际上碳化硅单晶材料领域存在的问题主要有:

(1)大尺寸碳化硅单晶衬底制备技术仍不成熟。目前国际上碳化硅芯片的制造已经从4英寸换代到6英寸,并已经开发出了8英寸碳化硅单晶样品,与先进的硅功率半导体器件相比,单晶衬底的尺寸仍然偏小、缺陷水平仍然偏高。

(2)缺乏更高效的碳化硅单晶衬底加工技术。碳化硅单晶衬底材料线切割工艺存在材料损耗大、效率低等缺点,必须进一步开发大尺寸碳化硅晶体的切割工艺,提高加工效率。衬底表面加工质量的好坏直接决定了外延材料的表面缺陷密度,而大尺寸碳化硅衬底的研磨和抛光工艺仍不能满足要求,需要进一步开发研磨、抛光工艺参数,降低晶圆表面粗糙度。

(3)P型衬底技术的研发较为滞后。目前商业化的碳化硅产品是单极型器件。未来高压双极型器件需要P型衬底。目前碳化硅P型单晶衬底缺陷较高、电阻率较高,其基础科学问题尚未得到突破,技术开发滞后。

近年来,我国碳化硅单晶材料领域取得了长足进步,但与国际水平相比仍存在一定的差距。除了以上共性问题以外,我国碳化硅单晶材料领域在以下两个方面存在巨大的风险:一是本土碳化硅单晶企业无法为国内已经/即将投产的6英寸芯片工艺线提供高质量的6英寸单晶衬底材料。(2)碳化硅材料的检测设备完全被国外公司所垄断。

2. 碳化硅外延材料

国际上碳化硅外延材料领域存在的问题主要有:

(1)N型碳化硅外延生长技术有待进一步提高。目前外延材料生长过程中气流和温度控制等技术仍不完美,在6英寸碳化硅单晶衬底上生长高均匀性的外延材料技术仍有一定挑战,一定程度影响了中低压碳化硅芯片良率的提高。

(2)P型碳化硅外延技术仍不成熟。高压碳化硅功率器件是双极型器件,对P型重掺杂外延材料提出了要求,目前尚无满足需求的低缺陷、重掺杂的P型碳化硅外延材料。

近年来我国碳化硅外延材料技术获得了长足进展,申请了一系列的专利,正在缩小与其它国家的差距,已经开始批量采用本土4英寸单晶衬底材料,产品已经打入国际市场。但是,以下两个方面存在巨大的风险:一是目前国内碳化硅外延材料产品以4英寸为主,由于受单晶衬底材料的局限,尚无法批量供货6英寸产品。二是碳化硅外延材料加工设备全部进口,将制约我国独立自主产业的发展壮大。

3. 碳化硅功率器件

虽然国际上碳化硅器件技术和产业化水平发展迅速,开始了小范围替代硅基二极管和IGBT的市场化进程,但是碳化硅功率器件的市场优势尚未完全形成,尚不能撼动目前硅功率半导体器件市场上的主体地位。国际碳化硅器件领域存在的问题主要有:

(1)碳化硅单晶及外延技术还不够完美,高质量的厚外延技术不成熟,这使得制造高压碳化硅器件非常困难,而外延层的缺陷密度又制约了碳化硅功率器件向大容量方向发展。

(2)碳化硅器件工艺技术水平还比较低,这是制约碳化硅功率器件发展和推广实现的技术瓶颈,特别是高温大剂量高能离子注入工艺、超高温退火工艺、深槽刻蚀工艺和高质量氧化层生长工艺尚不理想,使得碳化硅功率器件中存在不同程度的高温和长期工作条件下可靠性低的缺陷。

(3)在碳化硅功率器件的可靠性验证方面,其试验标准和评价方法基本沿用硅器件,尚未有专门针对碳化硅功率器件特点的可靠性试验标准和评价方法,导致试验情况与实际使用的可靠性有差距。

(4)在碳化硅功率器件测试方面,碳化硅器件测试设备、测试方法和测试标准基本沿用硅器件的测试方法,导致碳化硅器件动态特性、安全工作区等测试结果不够准确,缺乏统一的测试评价标准。

除了以上共性问题外,我国碳化硅功率器件领域发展还存在研发时间短,技术储备不足,进行碳化硅功率器件研发的科研单位较少,研发团队的技术水平跟国外还有一定的差距等问题,特别是在以下三个方面差距巨大:一是在SiC MOSFET器件方面的研发进展缓慢,只有少数单位具备独立的研发能力,存在一定程度上依赖国际代工企业来制造芯片的弊病,容易受制于人,产业化水平不容乐观。二是碳化硅芯片主要的工艺设备基本上被国外公司所垄断,特别是高温离子注入设备、超高温退火设备和高质量氧化层生长设备等,国内大规模建立碳化硅工艺线所采用的关键设备基本需要进口。三是碳化硅器件高端检测设备被国外所垄断。

4. 碳化硅功率模块

当前碳化硅功率模块主要有引线键合型和平面封装型两种。为了充分发挥碳化硅功率器件的高温、高频优势,必须不断降低功率模块的寄生电感、降低互连层热阻,并提高芯片在高温下的稳定运行能力。目前碳化硅功率模块存在的主要问题有:

(1)采用多芯片并联的碳化硅功率模块,由于结电容小、开关速度高,因此在开关过程中会出现极高的电流上升率(di/dt)和电压上升率(dv/dt),在这种情况下会产生较严重的电磁干扰和额外损耗,无法发挥碳化硅器件的优良性能。

(2)碳化硅功率模块的封装工艺和封装材料基本沿用了硅功率模块的成熟技术,在焊接、引线、基板、散热等方面的创新不足,功率模块杂散参数较大,可靠性不高。

(3)碳化硅功率高温封装技术发展滞后。目前碳化硅器件高温、高功率密度封装的工艺及材料尚不完全成熟。为了发挥碳化硅功率器件的高温优势,必须进一步研发先进烧结材料和工艺,在高温、高可靠封装材料及互连技术等方面实现整体突破。

5. 碳化硅功率半导体的应用

尽管碳化硅功率器件应用前景广阔,但是目前受限于价格过高等因素,迄今为止,市场规模并不大,应用范围并不广,主要集中于光伏、电源等领域。目前碳化硅器件应用存在的主要问题有:

(1)碳化硅功率器件的驱动技术尚不成熟。为了充分发挥碳化硅功率器件的高频、高温特性,要求其驱动芯片具有工作温度高、驱动电流大和可靠性高的特点。目前驱动芯片沿用硅器件的驱动技术,尚不能满足要求。

(2)碳化硅功率器件的保护技术尚不完善。碳化硅功率器件具有开关频率快、短路时间短等特点,目前器件保护技术尚不能满足需求。

(3)碳化硅器件的电路应用开关模型尚不能全面反映碳化硅功率器件的开关特性,尚不能对碳化硅器件的电路拓扑仿真设计提供准确的指导。

(4)碳化硅功率器件应用中的电磁兼容问题尚未完全解决。

5)碳化硅功率器件应用的电路拓扑尚不够优化。目前碳化硅功率器件的应用电路拓扑基本上沿用硅器件的电路拓扑,没有开发出完全发挥碳化硅功率器件优势的新型电路拓扑结构。

四、碳化硅功率半导体下一步重点发展方向

1. 碳化硅单晶材料的发展重点

为了开发高压大容量碳化硅功率半导体器件,必须突破碳化硅单晶材料的大直径生长、多型控制、应力和位错缺陷降低等关键技术,解决碳化硅单晶生长的瓶颈问题。积极推进单晶制造设备、单晶生长与加工设备、单晶检测设备等的全面本土制造,加快推进大尺寸碳化硅单晶衬底的产业化进程,开发出6~8英寸碳化硅单晶衬底制备技术。典型的技术指标为:4H型单晶、直径150 mm~200 mm、零微管、电阻率0.015 Ω∙cm~0.030 Ω∙cm;切磨抛圆片的技术参数:表面粗糙度≤0.1 nm,翘曲度(warp)≤ 20 μm、弯曲度(bow)≤10 μm、晶向(0001)偏4±0.5º。

2. 碳化硅外延材料的发展重点

碳化硅外延材料未来的重点发展方向主要有:

(1)增大外延材料尺寸:目前碳化硅芯片的制造已经转移到6英寸,未来会进一步提升至8英寸,通过提高晶圆尺寸来进一步降低碳化硅功率器件的制造成本。

(2)进一步提升薄碳化硅外延材料的质量,实现基平面位错等缺陷100 %的转化率,大幅度降低甚至消除表面缺陷密度。

(3)开发100 μm~300 μm厚碳化硅外延晶片,进一步降低碳化硅外延材料中的缺陷,提高少数载流子寿命,满足制造万伏级以上高压PiN二极管和IGBT晶体管等器件的需求。

3. 碳化硅功率器件的发展重点

(1)碳化硅功率二极管器件

碳化硅功率二极管未来的发展重点,一是继续优化中低压SiC JBS二极管性能,依靠技术创新来解决器件开启电压高、高温下的导通电阻大、抗浪涌能力差的问题;二是开发出万伏及以上高压器件。做大做强600 V~10 kV SiC JBS二极管产业,实现10 kV以上SiC PiN二极管的技术突破。碳化硅功率二极管产品的典型指标有:

600 V~1200 V SiC JBS器件,最大单芯片电流400 A;

1700 V~3300 V SiC JBS器件,最大单芯片电流300 A;

4500 V~6500 V SiC JBS器件,最大单芯片电流200 A;

10 kV SiC JBS器件,最大单芯片电流100 A;

10 kV~30 kV以上SiC PiN功率二极管,最大单芯片电流100 A。

(2)SiC MOSFET晶体管

作为单极型功率器件,SiC MOSFET具有低导通电阻、高输入阻抗、高开关速度等优势,是阻断电压600 V~10 kV内的理想功率器件,完全有可能取代Si IGBT器件,进一步提高系统的电能变换效率以及开关频率。SiC MOSFET的技术路线主要有平面栅和沟槽栅两种,关键是进一步优化栅极工艺来提高SiC MOSFET栅极沟道电子迁移率和栅氧长期可靠性。SiC MOSFET产品的主要指标有:

600 V~1200 V SiC MOSFET晶体管,最大单芯片电流400 A;

1700 V~3300 V SiC MOSFET晶体管,最大单芯片电流300 A;

4500 V~6500 V SiC MOSFET晶体管,最大单芯片电流200 A;

10 kV SiC MOSFET晶体管,最大单芯片电流100 A。

(3)SiC IGBT/GTO器件

作为双极型功率器件,SiC IGBT/GTO器件在高压领域具有显著的技术优势,特别适用于高压电力系统应用领域。近年来,国外研究报道的SiC GTO实验样品的耐压已超过20 kV,SiC IGBT实验样品已达到27 kV,有望成为未来高压电力系统输电和配电中的重要器件。SiC IGBT器件面临着与SiC MOSFET一样的沟道载流子迁移低、栅氧可靠性低的问题,同时漂移区的缺陷导致IGBT的体载流子寿命低、电导调制困难。而且,由于P型碳化硅单晶衬底材料不成熟、N型材料少子寿命不够高等问题,限制了高压SiC IGBT和GTO器件的发展。解决这些问题需要通过碳化硅材料质量的改进、器件结构的优化、制造工艺的提高等各方面的共同进步来实现。SiC IGBT/GTO产品的主要指标有:

10 kV~30 kV SiC GTO器件,单芯片电流50 A~400 A;

15 kV~30 kV SiC IGBT晶体管,单芯片电流50 A~200 A。

4. 碳化硅功率模块及典型应用

碳化硅功率模块对封装材料的高温特性提出了新的要求。高温封装技术主要涉及耐高温的金属和陶瓷管壳、高温焊料的焊接工艺、键合工艺和高温绝缘胶工艺等。在碳化硅功率模块封装方面,重点开发新型的高可靠性的高温封装材料、低寄生电感的互联工艺和高温高可靠的焊接工艺,掌握全套的碳化硅器件封装材料、封装设计和封装工艺技术,满足高压、大容量和高温碳化硅功率模块的需求,并掌握全套测试技术,研发整套测试设备,建立相关技术标准,为碳化硅功率器件在高压大容量装置中的应用打下基础。

面向新能源汽车等领域,开发650 V~900 V碳化硅功率模块,电流容量200 A~1200 A;

面向新能源并网等领域,开发600 V~1700 V功率模块,电流容量200 A~1400 A;

面向轨道交通等领域,开发1700 V~6500 V功率模块,电流容量200 A~2400 A;

面向智能电网等领域,开发10 kV~30 kV及以上碳化硅功率模块,电流容量200 A~1200 A。

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