重中之重看碳化矽材料

 碳化矽又稱金鋼砂或耐火砂, 分子式為 SiC, 其硬度介於剛玉和金剛石之間, 可作為磨料和其他某些工業材料使用. 根據 Si, C 原子的排列順序不同, SiC 晶體對應結構不同, 目前發現的 SiC 大約有 200 多種晶體結構形態, 其中僅有 α晶型 4H (4H-SiC) 可以用來制造功率器件.

根據電阻率不同, 碳化矽晶片可分為導電型和半絕緣型基板. 導電型 SiC 基板可通過 N 和 Al 作為摻雜劑實現 N 型和 P 型導電性, 目前產品以 N 型為主 (氮氣摻雜), 電阻率通常低於 0.02 Ω·cm. 半絕緣型 SiC 基板電阻率則需要高於 106Ω·cm, 晶體生長關注高純度高電阻. 

要得到碳化矽基板, 需要先以高純矽粉和高純碳粉作為原材料, 在 2000℃以上的高溫下反應合成碳化矽,  再採用物理氣相傳輸法 (PVT) 生長出碳化矽晶錠, 再經過切割, 研磨, 拋光, 清洗等工序對晶錠進行加工, 最終得到碳化矽晶片.

SiC 長晶環節制造成本高且工藝難度大, 其晶體生長效率極其緩慢, 生長速度僅為 0.2-0.3mm/h; 且在生長過程中升溫降溫速度緩慢, 因此一個爐子一周僅能長 2cm 厚的碳化矽晶棒. 此外由於碳化矽硬度大, 切割過程中易碎, 切割良率低.

碳化矽外延工藝是提高碳化矽器件性能及可靠性的關鍵. 碳化矽外延是指在基板的上表面生長一層與基板同質的單晶材料 4H-SiC. 目前標準化工藝是使用 4°斜切的 4H-SiC 單晶基板, 採用台階控制生長技術, 通過 CVD 進行沈積.

碳化矽技術難點主要集中在長晶, 外延, 器件可靠性及驗證上. 根據 Wolfspeed 介紹, 碳化矽基板從樣品到穩定批量供貨大約需要 5 年時間; 加上車規級器件長驗證周期, 碳化矽市場的進入壁壘相對較高. 

為提高生產效率並降低成本, 晶圓尺寸越大, 單位基板可制造的晶片數量越多, 邊緣的浪費越小, 單位晶片成本越低. 碳化矽晶圓從 6 英寸到 8 英寸, 晶片數量由 488 增至 845 個 (單位面積: 32mm2), 邊緣浪費由 14% 減至 7%.

Wolfspeed 是全球首家突破 8 英寸碳化矽量產技術的公司. 與矽基半導體器件不同, 碳化矽產業鏈價值量集中於上游且進入壁壘最高, 產能缺口最大. 由於碳化矽晶棒生長速度慢且難度大, 其器件制造成本中基板成本占比近 46%, 外延成本占比近 23%. 

收購與擴產並行, 上下游廠商不斷向 IDM 模式發展. 目前全球龍頭企業Wolfspeed, Rohm, ST 都已形成了 SiC 基板-外延-器件-模組垂直供應的體系, 而 Infineon, Bosch, On Semi 等廠商則不斷進行並購, 拓展在上游原材料的布局.