【无线射频电路】-车规碳化硅功率模块 - 衬底和外延篇

----宋停云与您分享--------宋停云与您分享----车规碳化硅功率模块-衬底和外延篇安森美中国区车规功率模块产品线经理-陆涛

中国汽车工业协会最新数据显示，2022年1月至11月，新能源汽车产销分别完成625.3万辆和606.7万辆，同比均增长1倍，市场占有率达到25%。由此可见新能源汽车的进展已经进入了快车道。在这里我们留意到，由于里程焦虑和快速充电的要求，800V电池母线系统获得了不少的OEM或者Tier1的青睐。谈到800V母线系统，让我们聚焦到其中的核心功率器件碳化硅功率模块，由于碳化硅得天独厚的优势，使得它特别适合用来制造高耐压、高结温、高速的MOSFET，这三高恰好契合了800V母线系统对于核心的功率器件的要求。安森美(onsemi)特别看好800V母线系统的进展，有一些讨论机构，猜测截至到2026年，SiC在整个功率器件市场的占比将达到12%以上。

安森美在碳化硅的领域涉足甚早，最早从2023年就开头SiC器件的研发。但是安森美是从2023年收购了GTAdvancedTechnologies(GTAT)之后开头全方位在碳化硅领域的投入，无论是资金，人力物力以及客户和市场。收购了GTAT之后，开头了安森美在碳化硅领域的垂直整合供应链从晶体到系统之路！接下来我们将对两个碳化硅的关键的供应链衬底和外延epi进行分析和介绍，这样大家会对于安森美在碳化硅的布局和领先优势会有进一步的了解。

安森美碳化硅全垂直整合的供应链从晶体到系统

供应链从我们位于新罕布什尔州哈德逊的工厂生长单晶SiC粉材料开头。在衬底上生长一层很薄的外延层，然后经过多个简单的器件加工步骤生产出芯片，然后将芯片来封装成最终产品。整个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质量测试，以确保产品零缺陷的要求。

全垂直整合的供应链，在目前的供应链体系里具有相当的优势，如产能易于扩展、品质优和成本掌握，尤其是目前碳化硅的整个供应链的每一个环节都不是那么简单牢靠的高质量的量产，这个和硅的供应体系下是不太一样的。在硅的供应链里，硅片（衬底）通常会被交给第三方来生产，第三方的质量、成本和良率都做的相当不错。接下来我们会对衬底和外延的生产进行绽开，这样大家就会明白为什么安森美选择在碳化硅领域选择了全垂直整合的供应链模式。这也使得安森美成为了目前全球为数不多具有从衬底到模块、到系统力量的公司。

晶体/衬底（substrate）

我们的芯片都是在衬底的基础上长上一层薄薄的外延，然后才拿去制作芯片。那衬底又是怎样生产制造出来的呢？这里涉及到两个步骤，首先是将碳化硅粉放到长晶炉里生长成晶体得到碳化硅晶锭，碳化硅晶锭需要打磨抛光，然后送去切割，并经过抛光这样得到了我们生产器件需要的晶圆衬底。图一是一个长晶炉的示意图和实物照片。

图一长晶炉示意图和实物

这里面涉及到了两个关键的步骤，晶体生长，晶锭切割和抛光。图二则是我们从碳化硅粉到衬底的生产流程简图

图二碳化硅衬底生产流程图

目前比较成熟的碳化硅晶体生长方法主要是PVT和CVD两种，它们都属于气象生长（vaporphasegrowth），而碳化硅型体主要是4H和6H两种。

图三碳化硅晶体生长方式

首先我们来看看晶体的生长都面临哪些挑战

要拥有高品质的籽晶（种子）

削减从籽晶到新生长的晶体缺陷的技术

晶体生长需要高温（2000C）

o在这些温度和生长时间下，很少有材料保持惰性，很简单发生反应。

多态性多达220种型体，目前可用的主要是用4H和6H

不全都的分解（气体:Si,Si2C,SiC），（固态：碳）

源头的纯洁度缺陷的晶核点

与Si相比，晶锭长宽比往往较低

整个行业面临的主要挑战是长出更长的无缺陷晶体

晶体直径扩大（目前最大是8"）

o无裂纹、高结晶质量（晶片边缘四周的晶界、缺陷等）

而GTAT本身是从生产制造长晶炉起家的，到现在差不多有20年左右的碳化硅长晶炉的设计制造阅历，对于晶体生长的这些挑战，GTAT拥有者丰富的阅历，我们有高品质的籽晶，很好的温度的掌握等，有很好的缺陷掌握技术以及很好的缺陷检测和标识力量。

谈到碳化硅的缺陷，下面是碳化硅晶体的几种典型的缺陷

晶型不稳定性

开核位错（微管）

闭合核螺钉位错

低角度晶界

常规位错

基底平面位错（BPD）-基底平面边缘位错或部分BPD

螺纹边缘错位（TED）

叠加故障/转换

这些缺陷都是在衬底或者说晶锭阶段产生的，但是这些缺陷一旦产生了，就没法消退，它们会连续衍生到外延层，最终会影响到器件的质量。所以我们不仅需要在衬底阶段就要标识出来，在外延层也要把他们标识出来以排解在外。这个对外延层带来了挑战。

图四碳化硅衬底缺陷

高质量的晶体是整个碳化硅供应链的基石，而GTAT在这些方面积累了相当丰富的生产阅历，它确保了安森美的碳化硅器件是在一个高质量的衬底上完成的。同时我们也可以特别快速的扩产，而这也是安森美富有竞争力的一个方面。

EpitaxyEPI外延

碳化硅外延层是指在碳化硅器件制造工艺中，生长沉积在晶圆衬底上的那一部分。我们为什么需要外延？在某些状况下，需要碳化硅有特别纯的与衬底有相同晶体结构表面，还要保持对杂质类型和浓度的掌握。这要通过在碳化硅衬底表面淀积一个外延层来达到。在功率器件中我们器件的每个单元等基本上都是在外延层加工完成的，它的质量对于器件来说重要性可见一斑。不同的器件对于外延的要求是不一样的。二极管对于外延的偏差和缺陷要求和MOSFET对它们的要求是两个不同层次的需求。MOSFET对于外延质量的要求很高。掺杂的偏差会影响MOSFET的Rdson的分布。有些缺陷会导致MOSFET轻则漏电流偏大，严峻的会导致MOSFET失效。

外延目前来说比较成熟的加工技术是CVD，这也导致许多人误认为外延是比较简单加工的。其实这个是一个误会，外延并不是简洁的把CVD的炉子买回来，就可以把它们做好，当然相对晶体衬底来说，它要相对简洁一些但是并不代表它很简单做好，外延和晶体衬底面临的挑战是不一样的。也有许多人说现在市场上许多公司都有力量加工二极管的外延，他们只要略微升级一下设备就可以很好的生长MOSFET的外延了，这个说法有待商榷。由于就像文章上面说的MOSFET和二极管对于外延的要求是不一样的，他们对于全都性和翘曲度等要求也不是一个数量级的。在外延这一个环节，安森美同样拥有丰富的阅历，早在并购GTAT之前，安森美在碳化硅的外延和晶圆生产研发方面已经拥有超过10年的阅历。因此我们会把这一优势连续保持，在扩大衬底生产的同时也扩大外延的生产。

相对晶锭衬底不同的是，外延的挑战主要集中在下面的几个指标上：

厚度以及全都性

掺杂和全都性

表面缺陷快速检测和标识追踪力量

底部缺陷快速检测和标识追踪力量

掌握扩展缺陷

清洗

大尺寸的晶圆翘曲度的掌握

我们把检测到的缺陷做一下分类。

图五外延缺陷

下图是一个完整的MOSFETactivecell，这里就包含了衬底的缺陷，然后衍生到外延的缺陷。

图六碳化硅MOSFET缺陷剖面图-衬底外延缺陷

总结一下，由于衬底的缺陷不能在外延层去把它消退，所以我们会实行肯定的策略，让致命缺陷恶化，然后把它们筛选出来，这样的话在外延这一个流程中就要求衬底的缺陷具有可追溯性，所以对于衬底和外延都自己生产的公司就具有自然 的优势。可以比较好的掌握缺陷率。

由于衬底和外延和芯片的技术进展相关性不是特殊大，所以我单独把这两个流程拿出来和大