良率90%,成本仅为硅器件的1.5倍!碳化硅将革IGBT的命?

2021-04-08 14:46:34 125

近,某碳化硅企业在线上活动透露,6寸碳化硅晶圆的价格为2-3万元/片,可以做成350-700颗车规级SiC Mosfet。目前碳化硅器件价格大约是硅器件的4-5倍。有机构预测,2025年碳化硅器件的价格有望低至硅器件的1.5倍左右,但如何才能做到?

“三代半风向”发现,不久前,北卡罗来纳州立大学(NCSU)公布了一项碳化硅技术的最新进展,目标恰巧是要将碳化硅的价格降低至仅为硅晶圆的1.5倍
据介绍,这项技术可以帮助企业降低进入碳化硅领域的门槛,最终实现代工厂共享、工艺共享,从而无需耗费时间和财力去研发专有技术工艺。而且该技术能够在传统代工厂中生产,大尺寸碳化硅晶圆产品已经量产,已经上市的产品包括1.2kV的JBS、功率MOSFET和JBSFET,良率均高达90%

该技术的主要发明人也是IGBT的发明人,他表示,这些技术如果成功的话,有一天可以取代IGBT。

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共享工艺、更大晶圆

目标:成本仅为硅器件的1.5倍

目前SiC器件的成本大约是硅功率器件的5倍多。NCSU杰出教授Jay Baliga表示:“我们的目标是将SiC的成本降为硅功率器件的1.5倍。”
他认为,相对于Si IGBT,较高的制造成本成为了市场大规模采用的障碍。而成本持续高昂的其中一个重要原因是,那些已经研发出SiC功率器件的企业都是单独享有制造工艺,从而导致其他企业难以进入该领域,工厂产能无法扩大,成本就下不来。
为此,NCSU研究出一项共享技术——PRESiCETM工艺,来减少企业进入碳化硅领域的障碍,推动创新。
Baliga表示:“PRESiCETM将推动更多的企业进入SiC市场,因为他们不需要从头开始去研发自己的设计和制造工艺,这非常昂贵和耗时。这对企业、用户都很好,如果更多企业加入到SiC功率器件的制造中,将增加代工厂的产量,从而可以显著减少成本。”
据介绍,这项技术开始于2015年1月,获得了美国能源部PowerAmerica资助,2016年就有18家公司参与研发,目前已经发展到第三代。“自2015年以来,许多公司已将其先前开发的专有SiC功率器件制造工艺流程移植美国德州的X-Fab代工厂。”
另一个方式是采用现有的成熟的硅器件代工厂,用大产能、大尺寸晶圆来降低成本。
Baliga表示,SiC功率MOSFET的大多数工艺步骤(多达80%)能够在硅代工厂中去完成,要做的只是升级碳化硅材料所需的栅极氧化和离子注入退火等高温设备。通过X-Fab这种非专有代工厂,“更多企业生产,碳化硅成本将会给更低”。
从2015年现在,PRESiCE得到了进一步改。通过使用内部设备更均匀地执行热离子注入步骤,第三代PRESiCE在6英寸晶圆代工厂中制造的SiC功率器件已经成功上市。
下图为PRESiCE技术制造的高良率、额定电压为1.2 kV的JBS二极管、功率MOSFET和JBSFET。

图1.使用第三代PRESiCE技术制造的三种类型的SiC功率器件。

据介绍,PRESiCETM技术主要特点之一是使用了10次掩膜工艺,看下图↓↓↓↓

图2.制造SiC功率MOSFET的PRESiCE技术工艺流程。

工艺鉴定结果:

良率超过90%

为了鉴定第三代PRESiCETM工艺技术成果,代工厂X-Fab连续生产了三批产品,采用的都是相同的工艺步骤。根据测得的数据,发现使用第三代 PRESiCETM技术制造的JBS整流器的良率超过90%、JBS二极管的泄漏电流远低于行业标准的100 µA。JBS二极管的通态压降约为2 V,跟硅基IGBT和SiC功率MOSFET一样,都适合用作反并联二极管。
而PRESiCETM制造的碳化硅功率MOSFET的测量数据显示:90%的器件的最大导通电阻小于典型值的1.3倍,良率超过90%,其阈值电压也处在数据表要求的+/- 30%之内。

图3. SiC JBS整流器在1000V反向偏置下测得的泄漏电流:晶圆内和不同批次内的晶圆间差异。

图4. SiC JBS整流器在1000V反向偏置下测得的漏电流:漏电流的批次间变化。

图5.使用Gen-3 PRESiCETM技术制造的SiC功率JBSFET:漏电流的批次间变化。


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