200mm SiC 生产之路

降低半导体制造成本的一个关键方法是采用更大直径的晶圆。Si CMOS 制造在 90 年代经历了 150 毫米到 200 毫米的转变，随后在十年左右的时间里转向了 300 毫米晶圆。

目前绝大多数功率 FET 的 SiC 生产是在 150 毫米直径的晶圆上生产的。例如，从 150 毫米到 200 毫米直径的晶圆，每个晶圆的管芯数量将增加大约 85%。

就组件的总成本而言，据估计，对于 1.2-kV SiC MOSFET，衬底 + Epi 约占总成本的 50%，而对于 6.5-kV MOSFET，这一数字高达约 70%。1其他部分的晶圆加工成本预计在 150 毫米和 200 毫米晶圆之间大致相同。

几家主要的 SiC 器件制造商现在正在寻求 200 毫米的 SiC 制造路径。Wolfspeed 最近宣布其位于纽约马西的 200 毫米 SiC 晶圆厂正式开业。该工厂号称是最大的 200 毫米 SiC 工厂，被认为对 Wolfspeed 在 SiC 功率 FET 市场的未来增长至关重要，其中包括为 Lucid Motors 的电动汽车提供一些关键的功率逆变器模块。

在纽约州 5 亿美元赠款的协助下，这座完全自动化的晶圆厂耗资约 10 亿美元，随着减少对化石燃料依赖的势头增强，为满足对 SiC 功率模块的强劲需求提供了途径.

该市场的其他主要参与者也采取了类似的步骤：

早在 2021 年 7 月，意法半导体还宣布已在其位于瑞典的 Norstel 晶圆厂制造了其首款 200 毫米 SiC 晶圆。

全球巨头英飞凌科技于今年 2 月宣布，将斥资超过 20 亿欧元扩大其 200 毫米 SiC 和 GaN 产能，将其位于奥地利菲拉赫的 150 毫米和 200 毫米硅生产线转换为 SiC 和GaN 以及在马来西亚的第三个晶圆厂也这样做。

onsemi 于 2021 年 8 月收购了 GT Advanced Technologies，增加了其内部采购 200 毫米起始 SiC 晶圆的能力。

2020 年 6 月，总部位于中国的三安集成电路 (Sanan IC) 在其湖南三安半导体工厂开设了全国首条垂直集成的 SiC 生产线。三安集成电路最新的制造工厂位于湖南省长沙高新技术产业开发区，投资 25 亿美元，计划到 2024 年在 200 毫米晶圆上生产 SiC 器件。

要使 200 毫米体积的 SiC 生产成为成功的框架，需要克服几个挑战。SiC 的关键问题之一是晶圆衬底通常是通过物理气相传输 (PVT) 的各种修改之一形成的。生长速率低且温度接近 2,400˚C，这使得该工艺比用于硅晶片生长的液体熔化工艺昂贵得多。PVT 工艺中的缺陷和故障会限制最终的裸片良率。此外，生长过程中的不均匀性要求 200 毫米晶圆衬底比 150 毫米对应的衬底更厚。

GTAT 估计 200 毫米晶圆的厚度为 500 微米，而 150 毫米晶圆的厚度为 350 微米。考虑到 200 毫米 SiC 衬底的成本增加（与 150 毫米晶圆约 800 美元的成本相比，估计约为 1,300 至 1800 美元），200 毫米晶圆的总芯片成本实际上可能更高，至少在短期内，直到基板良率和制造成本得到改善（PGC 咨询，2022 年 1 月）。在 5 到 7 年的时间里，对于 1.2 kV、100 A MOSFET，200 毫米衬底上的每片晶片成本应该会提高，并比 150 毫米低约 20%（根据分析PGC 咨询）。衬底+外延在总裸片成本中占较大组成部分的更高电压级晶圆将看到更大的百分比改进。

用于 SiC 生产的 Smart Cut 技术

Soitec 在 APEC 2022 会议上强调了一种显示出前景的新方法。一段时间以来，它一直在使用一种称为 Smart Cut 的技术生产 SOI 晶圆。这涉及使用高剂量 H 注入将晶圆的器件部分（〜顶部 1 µm）从主晶圆上分离出来，然后将其键合到处理晶圆上。已经提出了一种类似的 SmartSiC 衬底制备方法，其中单晶 SiC 供体晶片被劈开，并且该顶部可能薄至 0.5 µm，被粘合到超高电导率多晶 SiC 处理晶片上。这方面的一些放大优势包括处理晶片的成本较低，其生产温度比单晶对应物低得多，以及增加处理晶圆衬底掺杂的能力，而不会随之增加限制产量的晶体缺陷，正如在标准单晶晶圆上进行的那样。对 SmartSiC 和标准 SiC 衬底之间的 JBS 二极管进行了比较，这些二极管在 SmartSiC 工艺流程中显示出较低的电阻，而衬底缺陷率保持不变。

除了基板的改进，200 毫米还需要其他几项制造改进/升级。虽然硅常见的工艺步骤可以利用完全折旧的 200 毫米硅晶圆厂设备，但 SiC 生产和工艺制造有几个独特的步骤。其中之一是使用加热的铝注入进行 p 型掺杂。领先的半导体工艺设备制造商应用材料公司最近宣布推出其用于 150 毫米和 200 毫米 SiC 晶圆的新型 VISta 900 3D 热离子注入系统。

应用材料公司开发的另一种工具是 Mirra Durum CMP 系统，与机械研磨的 SiC 晶圆相比，该系统可将成品晶圆表面粗糙度降低 50 倍。其他用于 SiC 生产的独特工具包括可以达到 1,700˚C 以上温度的掺杂剂激活退火工具，以及用于硅化物背接触的激光退火工具。对于较大的晶片直径，需要仔细管理晶片应力，并且需要优化工具和/或工艺条件。

参考

1阿加瓦尔等人。（2016 年）。“提高能源效率的宽带隙半导体技术。” 材料科学论坛，卷。858，第 797-802 页。

审核编辑 黄昊宇