速度快10倍！這項SiC技術提供降本新思路

在第1-3期內(nèi)容中，“行家說三代半“介紹了日本電裝（Denso）的SiC長晶核心技術（鏈接），今天這期內(nèi)容我們給大家剖一下他們和昭和電工（Resonac）的超快速SiC外延生長技術。

30年技術研發(fā)，SiC外延具備4大優(yōu)勢

Denso很早就意識到，要實現(xiàn)SiC半導體技術的全面普及，不僅要降低襯底成本，降低外延成本也同樣很關鍵，而他們重點是要提高SiC外延的生產(chǎn)效率。

于是，電裝與豐田中央研究所、日本電力工業(yè)中央研究所（CRIEPI）和鈕富來（NuFlare）很早就進行SiC外延技術和設備的聯(lián)合開發(fā)。

1997年，他們自主開發(fā)并推出了獨有的垂直式SiC外延設備，而當時的主流設備是水平式的。

2014年，鈕富來實現(xiàn)了6英寸SiC外延設備（EPIREVO S6）的商業(yè)化，2021年還推出8英寸SiC外延設備EPIREVO S8。

我們先看Deso的碳化硅外延技術有多強，后面再詳細介紹設備的相關信息。

2024年3月，Denso與昭和電工（現(xiàn)Resonac）、日本電力中央研究所和鈕富來4家企業(yè)共同獲得了“2023年第50屆巖谷直二紀念獎”，獲獎的研發(fā)主題為“高質(zhì)量SiC外延薄膜的高速制造技術。”

據(jù)獲獎公告，Denso、CRIEPI與鈕富來合作開發(fā)出單片式6吋SiC外延爐，隨后Resonac加入了聯(lián)合開發(fā)行列，并為Denso供應SiC外延片，用于生產(chǎn)溝槽柵SiC MOSFET，2020年SiC MOSFET被豐田燃料汽車MIRAI的增壓動力模塊所采用，2023年又被搭載于共藍科技（BluE Nexus）的電驅(qū)中，該電驅(qū)供給了雷克薩斯RZ。

獲獎SiC外延技術的合作示意圖 來源：行家說Research

據(jù)介紹，這項外延技術具備4大優(yōu)勢：

●?高生產(chǎn)效率：6吋SiC外延片超過50μm/小時，比傳統(tǒng)外延生長技術快5-10倍；

●?高均勻性：6吋SiC外延片厚度均勻性不超過2%，摻雜密度均勻性不超過4%，為傳統(tǒng)方法的3倍；

●?低缺陷密度：6吋SiC外延片為0.02個/cm2，小于傳統(tǒng)方法的1/5；8吋SiC外延三角缺陷＜0.25個/cm2。

●?高厚度：成功生產(chǎn)出了厚度為160μm的碳化硅外延薄膜，耐電壓達到10kV或以上。

垂直設備歷經(jīng)多次改進，實現(xiàn)高速、高質(zhì)量SiC外延生長

他們認為，碳化硅外延要同時實現(xiàn)高速和高質(zhì)量生長，應該采用單腔單片式設備，而不是傳統(tǒng)的單腔多片。

從他們的多篇論文來看，他們的外延設備歷經(jīng)了多次改進。最早，他們是通過調(diào)整氣壓和配方，來提高碳化硅外延生長速率。

因為在傳統(tǒng)的H2-SiH4-C3H8氣體系統(tǒng)中，典型的外延生長溫度為1600-1650℃，通常是采取增加原料氣體分壓來提高生長速率，但這會出現(xiàn)氣相均勻成核和團塊問題。

他們經(jīng)過研究找到了一個既能解決氣相均勻成核問題，又能提升生長速度的有效方法——降低了系統(tǒng)壓力，并在氣體系統(tǒng)中添加 HCl或使用含Cl 的原料氣體（如 SiHCl3）。

電裝6吋SiC外延設備改進過程示意圖

其研究表明，通過將 H2-SiH4-C3H8氣體系統(tǒng)的壓力降低到2kPa，并使用相對較高的H2流量和原料氣體流量，可以實現(xiàn)250μm/h 的高生長率。

不過，他們發(fā)現(xiàn)，這種方式只適用于小尺寸碳化硅外延片，在大直徑襯底上實現(xiàn)快速、均勻的外延生長仍存在問題。

因此，在開發(fā)6英寸碳化硅外延生長技術時，他們除了開發(fā)了一種含有 H2-SiH4-C3H8-HCl 的氣體系統(tǒng)，還采用高轉(zhuǎn)速來解決較高氣壓力均勻成核的問題，從而實現(xiàn)了高生長率和良好的膜厚均勻性。

其論文顯示，當晶圓轉(zhuǎn)速為1000rpm、系統(tǒng)壓力增加到80 kPa時，SiC 外延的生長率約為低轉(zhuǎn)速時的2倍。

理論上，單腔單片生產(chǎn)效率不如多片式設備，但是他們想到了幾個解決方法：

●?一是提高轉(zhuǎn)速：

他們通過以每分鐘最大1000轉(zhuǎn)的速度，實現(xiàn)了缺陷更少的高速碳化硅外延生長——生長速率為42 μm/h，6英寸外延片的膜厚分布約為1.5%，濃度分布為5.2%。

在小尺寸碳化硅外延襯底上，他們的速度更快。根據(jù)他們2009年的論文，其設備最大沉積速度可達250 μm/h，這是當時最高的碳化硅外延沉積速度，比傳統(tǒng)系統(tǒng)快20多倍。

這意味著，生產(chǎn)1000V的碳化硅外延片可以在幾分鐘內(nèi)完成，而以前需要一到兩個小時；生產(chǎn)30kV的碳化硅外延片可以在大約一個小時內(nèi)完成，而以前需要一到兩天。當時5英寸外延片也能達到79μm/h的平均沉積速度，并成功實現(xiàn)了在均勻厚度和摻雜濃度。

●?二是其他環(huán)節(jié)提速：

通過使用自動輸送系統(tǒng)，縮短了加熱和冷卻時間，并縮短了晶圓輸送的時間。在該系統(tǒng)中，從晶片傳輸溫度到生長溫度的總加熱和冷卻時間約為15分鐘。

●?三是使用2個腔室

據(jù)他們驗證，在雙腔單片設備中，1200V碳化硅外延的生長時間約為15分鐘，每小時可生產(chǎn)4片。超過50μm/h的生長速度可有效提高更厚外延薄膜的產(chǎn)量。

這項技術是Denso與其他幾家公司共同開發(fā)的，Denso正在建設產(chǎn)線，預計也將內(nèi)部生產(chǎn)碳化硅外延片，至于是否與Resonac的技術有所差異還未可知。