----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----車規(guī)碳化硅功率模塊-襯底和外延篇安森美中國區(qū)車規(guī)功率模塊產(chǎn)品線經(jīng)理-陸濤

中國汽車工業(yè)協(xié)會最新數(shù)據(jù)顯示，2022年1月至11月，新能源汽車產(chǎn)銷分別完成625.3萬輛和606.7萬輛，同比均增長1倍，市場占有率達到25%。由此可見新能源汽車的進展已經(jīng)進入了快車道。在這里我們留意到，由于里程焦慮和快速充電的要求，800V電池母線系統(tǒng)獲得了不少的OEM或者Tier1的青睞。談到800V母線系統(tǒng)，讓我們聚焦到其中的核心功率器件碳化硅功率模塊，由于碳化硅得天獨厚的優(yōu)勢，使得它特別適合用來制造高耐壓、高結溫、高速的MOSFET，這三高恰好契合了800V母線系統(tǒng)對于核心的功率器件的要求。安森美(onsemi)特別看好800V母線系統(tǒng)的進展，有一些討論機構，猜測截至到2026年，SiC在整個功率器件市場的占比將達到12%以上。

安森美在碳化硅的領域涉足甚早，最早從2023年就開頭SiC器件的研發(fā)。但是安森美是從2023年收購了GTAdvancedTechnologies(GTAT)之后開頭全方位在碳化硅領域的投入，無論是資金，人力物力以及客戶和市場。收購了GTAT之后，開頭了安森美在碳化硅領域的垂直整合供應鏈從晶體到系統(tǒng)之路！接下來我們將對兩個碳化硅的關鍵的供應鏈襯底和外延epi進行分析和介紹，這樣大家會對于安森美在碳化硅的布局和領先優(yōu)勢會有進一步的了解。

安森美碳化硅全垂直整合的供應鏈從晶體到系統(tǒng)

供應鏈從我們位于新罕布什爾州哈德遜的工廠生長單晶SiC粉材料開頭。在襯底上生長一層很薄的外延層，然后經(jīng)過多個簡單的器件加工步驟生產(chǎn)出芯片，然后將芯片來封裝成最終產(chǎn)品。整個制造流程端到端垂直整合，具有全面的牢靠性、可追溯性以及完善的質量測試，以確保產(chǎn)品零缺陷的要求。

全垂直整合的供應鏈，在目前的供應鏈體系里具有相當?shù)膬?yōu)勢，如產(chǎn)能易于擴展、品質優(yōu)和成本掌握，尤其是目前碳化硅的整個供應鏈的每一個環(huán)節(jié)都不是那么簡單牢靠的高質量的量產(chǎn)，這個和硅的供應體系下是不太一樣的。在硅的供應鏈里，硅片（襯底）通常會被交給第三方來生產(chǎn)，第三方的質量、成本和良率都做的相當不錯。接下來我們會對襯底和外延的生產(chǎn)進行綻開，這樣大家就會明白為什么安森美選擇在碳化硅領域選擇了全垂直整合的供應鏈模式。這也使得安森美成為了目前全球為數(shù)不多具有從襯底到模塊、到系統(tǒng)力量的公司。

晶體/襯底（substrate）

我們的芯片都是在襯底的基礎上長上一層薄薄的外延，然后才拿去制作芯片。那襯底又是怎樣生產(chǎn)制造出來的呢？這里涉及到兩個步驟，首先是將碳化硅粉放到長晶爐里生長成晶體得到碳化硅晶錠，碳化硅晶錠需要打磨拋光，然后送去切割，并經(jīng)過拋光這樣得到了我們生產(chǎn)器件需要的晶圓襯底。圖一是一個長晶爐的示意圖和實物照片。

圖一長晶爐示意圖和實物

這里面涉及到了兩個關鍵的步驟，晶體生長，晶錠切割和拋光。圖二則是我們從碳化硅粉到襯底的生產(chǎn)流程簡圖

圖二碳化硅襯底生產(chǎn)流程圖

目前比較成熟的碳化硅晶體生長方法主要是PVT和CVD兩種，它們都屬于氣象生長（vaporphasegrowth），而碳化硅型體主要是4H和6H兩種。

圖三碳化硅晶體生長方式

首先我們來看看晶體的生長都面臨哪些挑戰(zhàn)

要擁有高品質的籽晶（種子）

削減從籽晶到新生長的晶體缺陷的技術

晶體生長需要高溫（2000C）

o在這些溫度和生長時間下，很少有材料保持惰性，很簡單發(fā)生反應。

多態(tài)性多達220種型體，目前可用的主要是用4H和6H

不全都的分解（氣體:Si,Si2C,SiC），（固態(tài)：碳）

源頭的純潔度缺陷的晶核點

與Si相比，晶錠長寬比往往較低

整個行業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是長出更長的無缺陷晶體

晶體直徑擴大（目前最大是8"）

o無裂紋、高結晶質量（晶片邊緣四周的晶界、缺陷等）

而GTAT本身是從生產(chǎn)制造長晶爐起家的，到現(xiàn)在差不多有20年左右的碳化硅長晶爐的設計制造閱歷，對于晶體生長的這些挑戰(zhàn)，GTAT擁有者豐富的閱歷，我們有高品質的籽晶，很好的溫度的掌握等，有很好的缺陷掌握技術以及很好的缺陷檢測和標識力量。

談到碳化硅的缺陷，下面是碳化硅晶體的幾種典型的缺陷

晶型不穩(wěn)定性

開核位錯（微管）

閉合核螺釘位錯

低角度晶界

常規(guī)位錯

基底平面位錯（BPD）-基底平面邊緣位錯或部分BPD

螺紋邊緣錯位（TED）

疊加故障/轉換

這些缺陷都是在襯底或者說晶錠階段產(chǎn)生的，但是這些缺陷一旦產(chǎn)生了，就沒法消退，它們會連續(xù)衍生到外延層，最終會影響到器件的質量。所以我們不僅需要在襯底階段就要標識出來，在外延層也要把他們標識出來以排解在外。這個對外延層帶來了挑戰(zhàn)。

圖四碳化硅襯底缺陷

高質量的晶體是整個碳化硅供應鏈的基石，而GTAT在這些方面積累了相當豐富的生產(chǎn)閱歷，它確保了安森美的碳化硅器件是在一個高質量的襯底上完成的。同時我們也可以特別快速的擴產(chǎn)，而這也是安森美富有競爭力的一個方面。

EpitaxyEPI外延

碳化硅外延層是指在碳化硅器件制造工藝中，生長沉積在晶圓襯底上的那一部分。我們?yōu)槭裁葱枰庋?？在某些狀況下，需要碳化硅有特別純的與襯底有相同晶體結構表面，還要保持對雜質類型和濃度的掌握。這要通過在碳化硅襯底表面淀積一個外延層來達到。在功率器件中我們器件的每個單元等基本上都是在外延層加工完成的，它的質量對于器件來說重要性可見一斑。不同的器件對于外延的要求是不一樣的。二極管對于外延的偏差和缺陷要求和MOSFET對它們的要求是兩個不同層次的需求。MOSFET對于外延質量的要求很高。摻雜的偏差會影響MOSFET的Rdson的分布。有些缺陷會導致MOSFET輕則漏電流偏大，嚴峻的會導致MOSFET失效。

外延目前來說比較成熟的加工技術是CVD，這也導致許多人誤認為外延是比較簡單加工的。其實這個是一個誤會，外延并不是簡潔的把CVD的爐子買回來，就可以把它們做好，當然相對晶體襯底來說，它要相對簡潔一些但是并不代表它很簡單做好，外延和晶體襯底面臨的挑戰(zhàn)是不一樣的。也有許多人說現(xiàn)在市場上許多公司都有力量加工二極管的外延，他們只要略微升級一下設備就可以很好的生長MOSFET的外延了，這個說法有待商榷。由于就像文章上面說的MOSFET和二極管對于外延的要求是不一樣的，他們對于全都性和翹曲度等要求也不是一個數(shù)量級的。在外延這一個環(huán)節(jié)，安森美同樣擁有豐富的閱歷，早在并購GTAT之前，安森美在碳化硅的外延和晶圓生產(chǎn)研發(fā)方面已經(jīng)擁有超過10年的閱歷。因此我們會把這一優(yōu)勢連續(xù)保持，在擴大襯底生產(chǎn)的同時也擴大外延的生產(chǎn)。

相對晶錠襯底不同的是，外延的挑戰(zhàn)主要集中在下面的幾個指標上：

厚度以及全都性

摻雜和全都性

表面缺陷快速檢測和標識追蹤力量

底部缺陷快速檢測和標識追蹤力量

掌握擴展缺陷

清洗

大尺寸的晶圓翹曲度的掌握

我們把檢測到的缺陷做一下分類。

圖五外延缺陷

下圖是一個完整的MOSFETactivecell，這里就包含了襯底的缺陷，然后衍生到外延的缺陷。

圖六碳化硅MOSFET缺陷剖面圖-襯底外延缺陷

總結一下，由于襯底的缺陷不能在外延層去把它消退，所以我們會實行肯定的策略，讓致命缺陷惡化，然后把它們篩選出來，這樣的話在外延這一個流程中就要求襯底的缺陷具有可追溯性，所以對于襯底和外延都自己生產(chǎn)的公司就具有自然?的優(yōu)勢。可以比較好的掌握缺陷率。

由于襯底和外延和芯片的技術進展相關性不是特殊大，所以我單獨把這兩個流程拿出來和大