车规碳化硅功率模块——衬底和外延篇

据中国汽车工业协会最新数据显示，2022年新能源汽车产销分别完成705.8万辆和688.7万辆，同比增长96.9%和93.4%，市场占有率达到25.6%。由此可见新能源汽车的发展已经进入了快车道。由于里程焦虑和快速充电的要求，800V 电池母线系统获得了不少的OEM以及Tier1的青睐。

谈到800V母线系统，可以聚焦到其中的核心功率器件——碳化硅（SiC）功率模块。由于碳化硅得天独厚的优势，使得它非常适合用来制造高耐压、高结温、高速的MOSFET，这“三高”恰好契合了800V母线系统对于核心的功率器件的要求。有研究机构预测，截至到2026年，SiC在整个功率器件市场的占比将达到12%以上。

以安森美碳化硅全垂直整合的供应链为例，其供应链从位于新罕布什尔州哈德逊的工厂生长单晶SiC粉材料开始，在衬底上生长一层很薄的外延层，然后经过多个复杂的器件加工步骤生产出芯片，最后将芯片封装成最终产品。整个制造流程端到端垂直整合，具有全面的可靠性、可追溯性以及完善的质量测试，以确保产品零缺陷的要求。

图 1. 长晶炉示意图和实物

图 2. 碳化硅衬底生产流程图

全垂直整合的供应链，在目前的供应链体系里具有相当的优势，如产能易于扩展、品质优和成本控制，尤其是目前碳化硅的整个供应链的每一个环节都不是那么容易可靠地高质量量产。这和硅的供应体系不一样：在硅的供应链里，硅片（衬底）通常会被交给第三方来生产，第三方的质量、成本和良率都做得相当不错。本文将对两个碳化硅关键的供应链——衬底和外延epi进行分析和介绍。

晶体/衬底（substrate）

芯片都是在衬底的基础上长上一层薄薄的外延，然后才拿去制作芯片。那衬底又是怎样生产制造出来的呢？这里涉及到两个步骤，首先是将碳化硅粉放到长晶炉里生长成晶体得到碳化硅晶锭，碳化硅晶锭需要打磨抛光，然后送去切割，并经过抛光得到生产器件需要的晶圆衬底。

这里面涉及到了两个关键的步骤，晶体生长，晶锭切割和抛光。

目前比较成熟的碳化硅晶体生长方法主要是PVT和CVD两种，它们都属于气象生长，而碳化硅型体主要是4H和6H两种。

首先我们来看看晶体的生长都面临哪些挑战：
●  要拥有高品质的籽晶（种子）
●  减少从籽晶到新生长的晶体缺陷的技术
●  晶体生长需要高温（>2000℃）
●  多态性-达220种型体，目前可用的主要是用4H和6H
●  不一致的分解（气体: Si, Si2C, SiC），（ 固态：碳 ）
●  源头的纯净度-缺陷的晶核点
●  与Si相比，晶锭长宽比往往较低
●  晶体直径扩大（目前最大是8英寸 ）
●  无裂纹、高结晶质量（晶片边缘附近的晶界、缺陷等）

图 3. 碳化硅衬底缺陷

安森美在2021年收购了GT Advanced Technologies（GTAT）之后开始全方位在碳化硅领域的投入，而GTAT本身是从生产制造长晶炉起家的，到现在有20年左右的碳化硅长晶炉的设计制造经验，对于晶体生长的这些挑战，GTAT拥有者丰富的经验，其有高品质的籽晶，很好的温度的控制等，有很好的缺陷控制技术以及缺陷检测和标识能力。

谈到碳化硅的缺陷，下面是碳化硅晶体的几种典型的缺陷：
●  晶型不稳定性
●  开核位错（微管）
●  闭合核螺钉位错
●  低角度晶界
●  常规位错
●  基底平面位错（BPD）-基底平面边缘位错或部分BPD
●  螺纹边缘错位（TED）
●  叠加故障/转换

图 4. 外延缺陷

这些缺陷都是在衬底或者说晶锭阶段产生的，但是这些缺陷一旦产生了，就没法消除，它们会继续衍生到外延层，最终会影响到器件的质量。所以不仅需要在衬底阶段就要标识缺陷，在外延层也要把他们标识出来以排除在外。高质量的晶体是整个碳化硅供应链的基石，这给外延层带来了挑战。

Epitaxy – EPI外延

碳化硅外延层是指在碳化硅器件制造工艺中，生长沉积在晶圆衬底上的那一部分。我们为什么需要外延？在某些情况下，需要碳化硅有非常纯的与衬底有相同晶体结构表面，还要保持对杂质类型和浓度的控制。这要通过在碳化硅衬底表面淀积一个外延层来达到。在功率器件中器件的每个单元基本上都是在外延层加工完成的，它的质量对于器件来说重要性可见一斑。

图 5. 碳化硅 MOSFET 缺陷剖面图 -衬底外延缺陷

不同的器件对于外延的要求是不一样的。二极管对于外延的偏差和缺陷要求和MOSFET对它们的要求是两个不同层次的需求。MOSFET对于外延质量的要求很高。掺杂的偏差会影响MOSFET的Rdson的分布。有些缺陷会导致MOSFET轻则漏电流偏大，严重的会导致MOSFET失效。

外延目前来说比较成熟的加工技术是CVD，这也导致很多人误认为外延是比较容易加工的。其实这个是一个误解，外延并不是简单的把CVD的炉子买回来，就可以把它们做好。虽然相对晶体衬底来说，它要相对简单一些。

外延和晶体衬底面临的挑战是不一样的。也有很多人说现在市场上很多公司都有能力加工二极管的外延，他们只要稍微升级一下设备就可以很好地生长MOSFET的外延了，这个说法有待商榷。如上述，MOSFET和二极管对于外延的要求是不一样的，他们对于一致性和翘曲度等要求也不是一个数量级的。

相对晶锭衬底不同的是，外延的挑战主要集中在下面的几个指标上：
●  厚度以及一致性
●  掺杂和一致性
●  表面缺陷快速检测和标识追踪能力
●  底部缺陷快速检测和标识追踪能力
●  控制扩展缺陷
●  清洗
●  大尺寸的晶圆翘曲度的控制
我们把检测到的缺陷做一下分类：
右图是一个完整的MOSFET活动单元格，这里就包含了衬底的缺陷，然后衍生到外延的缺陷。

总结

由于衬底的缺陷不能在外延层把它消除，所以制造商会采取一定的策略，让致命缺陷恶化，然后把它们筛选出来，这样的话在外延这一个流程中就要求衬底的缺陷具有可追溯性，所以衬底和外延都自己生产的公司就具有天然的优势，可以比较好地控制缺陷率。

作者：陆涛，安森美中国区车规功率模块产品线经理

来源：荣格-《国际汽车设计及制造》

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