化合物半導體襯底材料研究報告(2)

化合物半導體襯底材料研究報告(2)

2021-10-18 11:34:37 0
三、碳化硅(SiC)-第三代半導體材料


SiC材料作為襯底已實現規?;瘧?,經過外延生長、器件制造等環節,可制成碳化硅基功率器件和微波射頻器件,在碳化硅芯片成本結構中 60%-70%是襯底和外延片,其中襯底約占 40%-50%,是第三代半導體產業發展的重要基礎材料。
(一)產品類別


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碳化硅晶片作為半導體襯底材料,根據電阻率不同,可分為導電型和半絕緣型。其中,導電型碳化硅晶片主要應用于制造耐高溫、耐高壓的功率器件,在新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網、航空航天等領域應用多,市場規模較大;半絕緣型碳化硅襯底主要應用于微波射頻器件等領域,如5G通訊、雷達等,隨著 5G 通訊網絡的加速建設,市場需求提升較為明顯。



(二)工藝流程
SiC襯底主要制備過程大致分為兩步:第一步SiC粉料(高純硅粉和高純碳粉)在單晶爐中經過高溫升華之后在單晶爐中形成SiC晶錠;第二步通過對SiC晶錠進行粗加工、切割、研磨、拋光,得到透明或半透明、無損傷層、低粗糙度的SiC晶片(即SiC襯底)。

(1)原料合成。將高純硅粉和高純碳粉按一定配比混合,在2,000℃以上的高溫下反應合成碳化硅顆粒。再經過破碎、清洗等工序,制得滿足晶體生長要求的高純度碳化硅微粉原料。

(2)晶體生長。以高純度碳化硅微粉為原料,使用晶體生長爐,采用物理氣相傳輸法(PVT法)或高溫化學氣相沉積法(HTCVD)生長碳化硅晶體。如PVT法將高純碳化硅微粉和籽晶分別置于單晶生長爐內圓柱狀密閉的石墨坩堝下部和頂部,通過電磁感應將坩堝加熱至 2,000℃以上,控制籽晶處溫度略低于下部微粉處,在坩堝內形成軸向溫度梯度。碳化硅微粉在高溫下升華形成氣相的 Si2C、SiC2、Si 等物質,在溫度梯度驅動下到達溫度較低的籽晶處,并在其上結晶形成圓柱狀碳化硅晶錠。

(3)晶錠加工。將制得的碳化硅晶錠使用 X 射線單晶定向儀進行定向,之后磨平、滾磨,加工成標準直徑尺寸的碳化硅晶體。

(4)晶體切割。使用多線切割設備,將碳化硅晶體切割成厚度不超過1mm 的薄片。

(5)晶片研磨。通過不同顆粒粒徑的金剛石研磨液將晶片研磨到所需的平整度和粗糙度。

(6)晶片拋光。通過機械拋光和化學機械拋光方法得到表面無損傷的碳化硅拋光片。


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(7)晶片檢測。使用光學顯微鏡、 X 射線衍射儀、原子力顯微鏡、非接觸電阻率測試儀、表面平整度測試儀、表面缺陷綜合測試儀等儀器設備,檢測碳化硅晶片的微管密度、結晶質量、表面粗糙度、電阻率、翹曲度、彎曲度、厚度變化、表面劃痕等各項參數指標,據此判定晶片的質量等級。



(8)晶片清洗。以清洗藥劑和純水對碳化硅拋光片進行清洗處理,去除拋光片上殘留的拋光液等表面沾污物,再通過超高純氮氣和甩干機將晶片吹干、甩干;將晶片在超凈室封裝在潔凈片盒內,形成可供下游即開即用的碳化硅晶片。

(三)關鍵技術
晶片尺寸越大,對應晶體的生長與加工技術難度越大,而下游器件的制造效率越高、單位成本越低。目前國際碳化硅晶片廠商主要提供4英寸至6英寸碳化硅晶片, CREE、 II-VI 等國際龍頭企業已開始投資建設8英寸碳化硅晶片生產線。碳化硅襯底制造的核心關鍵技術點包括電子級高純粉料合成與提純技術、數字仿真技術、單晶生長技術、單晶加工(切拋磨)技術。碳化硅襯底配方改進困難、晶體生長緩慢、成品良品率低。

1.高純粉料

高純碳粉是生長高質量SiC晶體的基礎,尤其對半絕緣型SiC晶體生長有至關重要的影響,涉及到制備技術、合成技術和提純技術。其中高純度碳粉提純對工藝要求極高,而合成涉及到的配方技術需要長時間的摸索和積累。


2.數字仿真技術
碳化硅晶體制作中的數字仿真


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圖片來源:國金證券研究所


單晶生長溫度在2350-2500度,由于爐內溫度不可測量,通過高精度數字仿真技術可以節約大量的研發時間和成本,仿真水平的高低也直接代表單晶企業的核心技術能力。

3.單晶生長技術
單晶生長緩慢是碳化硅襯底成本高居不下的重要原因。目前Cree和國內主流廠家都采用PVT物理氣相傳輸法。由于碳化硅晶體生長速度遠慢于硅晶體,8寸硅晶圓2-3天可以生長至1-2米,而碳化硅4寸晶圓一周只能生長2-6cm。影響晶體生長的一個重要因素是籽晶繁殖,籽晶是和碳化硅單晶晶體具有相同晶體結構的“種子”晶片,是晶體生長之源,晶體生長附著凝結于仔晶之上。籽晶生長是碳化硅制備的核心技術,也是評判所有碳化硅襯底企業的核心技術之一,籽晶一般不對外銷售。


碳化硅單晶生長工藝

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圖片來源:國金證券研究所


4.單晶加工技術

由于碳化硅硬度非常高且脆性高,使得打磨、切割、拋光都耗時長且良品率低。硅片切割只用幾小時,而6寸碳化硅片切割要上百小時。

碳化硅加工過程

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圖片來源:國金證券研究所

(四)國內襯底價格和趨勢


目前市場4英寸碳化硅襯底比較成熟,良率較高,同時價格較低,而6英寸襯底價格由于供給少和成片良率低,價格遠遠高于4寸片。未來推動碳化硅襯底成本降低的三大驅動力:工藝和設備改進以加快長晶速度;缺陷控制改進提升良率;設計改進降低使用器件的襯底使用面積。

國內碳化硅襯底價格及趨勢


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(五)全球競爭格局


目前SiC晶片市場主要由美、歐、日主導,中國企業開始嶄露頭角。據Yole預測,2017-2023年,SiC的復合年增長率將達到31%,2023年達到約15億美元市場規模。根據半導體時代產業數據中心《2020年中國第三代半導體碳化硅晶片行業分析報告》數據,2020上半年全球半導體SiC晶片市場中,美國CREE出貨量占據全球45%;歐洲企業在SiC器件的設計開發領域較強,主要企業有Siltronic、意法半導體、IQE、英飛凌等;日本的技術力量雄厚,產業鏈完整,代表企業有松下、羅姆、住友電氣、三菱等,羅姆子公司SiCrystal 占據20%,II-VI占13%;中國企業發展較快,天科合達的市占率由 2019年的3%上升至2020年的5.3%,山東天岳占比為2.6%。
2020年上半年全球半導體SiC晶片市場份額


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圖片來源:半導體時代產業數據中心



四、氮化鎵(GaN)-第三代半導體材料
受技術與工藝水平限制,GaN材料作為襯底實現規?;瘧萌悦媾R挑戰,因為氮化鎵材料本身熔點高,而且需要高壓環境,很難采用熔融的結晶技術制作GaN襯底。目前主要在Al2O3藍寶石襯底上生長氮化鎵厚膜制作的GaN基板,然后通過剝離技術實現襯底和氮化鎵厚膜的分離,分離后的氮化鎵厚膜可作為外延用的襯底。這種基板以前的主流是2英寸口徑,現在出現了4~6英寸的基板。優點是位錯密度明顯低,但價格昂貴,因此限制了氮化鎵厚膜襯底的應用。

目前通常使用的氨氣相法(或HVPE法)需要1000℃以上的生長溫度,因此單晶藍寶石(Al2O3)作為在高溫氨氣下特性依然穩定的基板受到關注。由于GaN與藍寶石的化學性質(化學鍵)、熱膨脹系數和晶格常數相差較大,在藍寶石上生長的GaN晶體表面像磨砂玻璃一樣粗糙,而且晶體缺陷非常多,無法獲得能夠用于半導體元件的高品質GaN。1986年,名古屋大學工學部教授赤崎勇開發出了“低溫堆積緩沖層技術”。該技術利用氮化鋁(AlN)作為緩沖層進行堆積,可以在藍寶石基板上生長晶體缺陷少而且表面平坦的GaN晶體。


GaN襯底生產工藝

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由于GaN材料硬度高、熔點高等特性,襯底制作難度高,良率低,技術進步緩慢,GaN晶圓的成本仍然居高不下,2005年2英寸的GaN襯底片成本2萬美元,現在價格仍然在3000美元水平,對比之下,4英寸GaAs襯底成本僅需100-200人民幣。目前通過外延技術可以將GaN生長在SiC、Si、藍寶石、金剛石等其他材料襯底上,有效的解決GaN襯底材料的限制問題。



從全球GaN襯底市場格局來看,日本廠商在GaN襯底占據領先位置,包括住友電工、三菱化學、住友化學等,三家日商合計市場份額超過85%。國內從事GaN單晶生長的企業,主要有蘇州納維、東莞中鎵、上海鎵特和芯元基等。


五、化合物半導體政策支持

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