克服碳化硅制造挑战，助力未来电力电子应用

作者：Catherine De Keukeleire，可靠性与质量保证总监，宽禁带，安森美

几十年来，硅（Si）一直是半导体行业的主要材料——从微处理器到分立功率器件，无处不在。然而，随着汽车和可再生能源等领域对现代电力需求应用的发展，硅的局限性变得越来越明显。

随着行业不断探索解决方案，宽禁带（WBG）材料，包括碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），被视为解决之道。禁带宽度描述了价带顶部和导带底部之间的能量差。硅的禁带宽度相对较窄，为1.1电子伏特（eV），而SiC和GaN的禁带宽度分别为3.3eV和3.4eV。

图 1 - 宽禁带材料的物理特性（资料来源：安森美）

这些特性意味着宽禁带材料的特性更像绝缘体，能够在更高的电压、频率和温度下工作。因此，它们非常适合用于电动汽车（EV）和可再生能源等领域的功率转换应用。

碳化硅（SiC）

碳化硅（SiC）并非新鲜事物，作为研磨材料已有超过一个世纪的生产历史。然而，由于具有适合高压、大功率应用的诱人特性，SiC正逐渐崭露头角。SiC的物理特性，如高热导率、高饱和电子漂移速度和高击穿电场，使得SiC设计相比硅MOSFET或IGBT具有极低的损耗、更快的开关速度和更小的几何尺寸。

许多业内人士将SiC视为具有竞争优势的原材料，因为它能够在减小尺寸、重量和成本的同时提高效率。由于SiC系统的工作频率更高，无源器件的体积更小，损耗更低，因此所需的散热措施也更少。最终，这将实现许多现代应用所需的更高功率密度。

图 2 - SiC 在许多应用中都具有优势（来源：安森美）

在选择材料的同时，在SiC功率器件中采用新的裸片连接技术有助于消除器件中的热量。烧结等技术可在裸片和衬底之间形成牢固的结合，并确保可靠的互连性。因此，它可以提高热传导效率，改善散热性能。

SiC通常用于高压应用（>650V），但在 1200V 及更高电压下，碳化硅开始发挥显著作用，成为太阳能逆变器和电动汽车充电的最佳解决方案。它也是固态变压器的关键推动因素，在固态变压器中，半导体将取代磁性元件。

制造挑战

SiC的制造并不容易，首先，颗粒的纯度必须极高，并且SiC晶锭需要高度的一致性。由于SiC材料永远不会变成液态，因此晶体不能从熔融状态中生长出来，而是需要在气相技术中通过仔细控制的压力来实现，这种技术称为升华法。为了实现这一点，SiC粉末被放置在熔炉中并加热到超过2200°C，使其升华并在籽晶上结晶。然而，即便如此，生长速度也非常缓慢，每小时最多只能生长0.5毫米。

SiC的极端硬度使得即使使用金刚石锯切割也十分困难，这使得与硅相比，制造晶圆更具挑战性。虽然可以使用其他技术，但这些技术可能会在晶体中产生缺陷。

由于SiC是一种非常容易产生缺陷的材料，且掺杂工艺具有挑战性，生产出缺陷少的大尺寸晶圆并不容易。尽管如此，安森美（onsemi）公司现在已可以常规生产8英寸的衬底。

图 3 - 碳化硅制造工艺（来源：安森美）

支持研究

安森美意识到学术界在半导体技术发展中的重要性。就SiC而言，目前正在以下领域开展研究：

●对宇宙射线的抗扰性

●栅极氧化物的固有寿命建模

●碳化硅/二氧化硅界面特征描述和寿命建模

●外来物质（筛选）

●外延和衬底缺陷

●体二极管退化

●高压阻断可靠性 (HTRB)

●有关边缘终止、雪崩稳健性和短路的特定性能指标

●高 dv/dt 耐久性设计

●浪涌电流

此外， 安森美还承诺出资 800 万美元，围绕宾夕法尼亚州立大学（PSU）的安森美碳化硅晶体中心（SiC3）开展战略合作。他们还与欧洲其他至少六家教育机构合作，进一步推动该技术的发展。

安森美制造的优势

安森美的独特之处在于，该公司为SiC器件提供了完全集成的供应链，可以全面控制从晶锭到客户的所有流程环节和相关质量。

该流程从新罕布什尔州开始，首先培育单晶碳化硅材料，然后在其上添加一层薄的外延层。接下来，完成多个器件处理步骤和封装，以生产出最终产品。

安森美生产基地的端到端能力有助于进行最全面的测试并支持根本原因分析。其目标是生产零缺陷的高可靠性产品。

图 4 - 终极质量 - 零缺陷（来源：安森美）

通过对每个步骤的可见性和控制，可以相对轻松地扩大产能，以满足不断增长的需求。此外，还可以对流程进行优化，以最大限度地提高产量和控制成本。事实上，麦肯锡公司也认可垂直整合供应链的好处，他们写道："SiC 晶圆和器件生产的垂直整合可以将产量提高五到十个百分点。

成功的五个步骤

在应对碳化硅的特定挑战时，安森美采用了五步方法来解决衬底和外延缺陷水平、体二极管退化、高压阻断期间的可靠性以及与应用相关的性能等问题。

图 5 - 应对 SiC 挑战的五步方法（来源：安森美）

栅极氧化物完整性 (GOI) 至关重要，也是采用五步法的一个领域。

控制 - 采用控制计划、统计过程控制和潜在失效模式与后果分析 (FMEA) 等工具，收集数据并用于流程改进。

改进 - 衬底或外延层的缺陷以及金属污染物和颗粒都会影响 GOI。持续改进可减少此类缺陷的发生。

测试和筛选 - 视觉和电学筛选都用于识别任何有缺陷的裸片。对衬底进行扫描，并在晶圆加工过程中继续扫描，以了解每个阶段的缺陷。在晶圆级进行电气测试，包括老化测试和晶圆分类。

特性描述 – 使用电荷击穿（QBD）测试来衡量GOI的质量，因为它能检测到更细微的细节。测试表明，SiC的内在 QBD 性能是硅的 50 倍。在生产中进行样本QBD测试，如果晶圆不符合预定的验收标准，则会被剔除。

鉴定和提取模型 – 通过时间相关的介电层击穿(Time Dependent Dielectric Breakdown,TDDB)应力测试评估栅极氧化层的内在性能。结合栅极偏压和温度对碳化硅MOSFET施加应力，并记录失效时间。然后使用 Weibull 统计分布得出器件寿命。

安森美 SiC 的不同之处

安森美深知碳化硅在未来电力电子领域的关键作用，尤其是在汽车和可再生能源等领域的电力转换应用。这推动了对产能和产品创新的投资，以确保 SiC 尽快充分发挥其潜力。

安森美作为一家垂直整合的供应商，整个生产过程都在我们的掌控之下，这是其他任何公司都无法比拟的。这不仅能控制成本，还能确保向汽车和工业制造商提供零缺陷的产品。