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碳化硅基板及磊晶生长范畴 举世晶布局把握关键技术
发布时间:2022-05-17 16:15:45 来源:环球体育app官方入口

  因为5G、电动车、高频无线通信及国防航天等新式科技趋势的鼓起,工业关于高频率、低耗费的体现需求日益添加,如安在高温、高频率及高电压等恶劣环境作业下丢失较少功率的化合物半导体资料,备受工业等待。而根据(SiC)晶圆的供给以美国大厂Cree为首,是具有上下游整合制造才能的整合组件制造商(IDM),在之全球市占率高达六至七成。磊晶厂则以美国的II-VI Incorporated为代表;模块厂包含欧系的意法半导体(STM)、英飞凌(Infineon)、日本的罗姆(Rohm)和三菱电机(Mitsubishi Electric)等。在半导体资料范畴,台湾的举世晶为全球第三大半导体硅晶圆供货商,除了产品布局的组合多元,供给半导体资料「一站式购买」服务,而且在碳化硅芯片范畴活跃布局把握关键技术。举世晶的专利组合中触及碳化硅基板(碳化硅芯片)及磊晶结构的专利宗族(INPADOC Family)有20案,自2016年起开端专利布局,2017年布局最多关于碳化硅基板及其磊晶生长的专利(图一)。图一 : 举世晶碳化硅基板及其磊晶生长的专利申请趋势图(Count by INPADOC Family;作者绘图)在其专利组合中,触及三阶世界专利分类码(International Patent Classification; IPC)以适用半导体设备的H01L最多,其次为C30B;四阶IPC以适用于制造或处理半导体设备或组件之办法或设备的H01L 21最多,其次为C30B 29;五阶IPC则包含H01L 21/20、H01L 21/304、C30B 29/36、C30B 25/18、C30B 33/00,以及C30B 23/00(表一)。

  磊晶薄膜对芯片(基板)的依赖性很强。因而碳化硅芯片外表质量,例如缺点率和平整度,会影响于其上构成磊晶薄膜的质量,严峻会引起漏电和下降电子迁移率,然后影响半导体组件制造的功能。在技术上,举世晶对碳化硅芯片外表进行加工,以有用改进碳化硅芯片外表发生的缺点及平整度欠安的问题[1]。此外,在现有碳化硅芯片外表加工技术中,为了将碳化硅芯片的外表损害移除,能够在碳化硅芯片的外表构成献身氧化层,之后再将献身氧化层移除,以一并将外表损害移除,然后提高碳化硅芯片的外表平整度。但是,因为碳化硅芯片的碳面晶向与硅面的不同,因而双面存在着氧化速率不一致的问题,碳化硅芯片的碳面为损耗面,氧化速率过快、而硅面为加工面的氧化速率过慢,如此将因需求移除过多的碳面氧化层而易因机械加工发生新的外表损害,或许为了让硅面氧化层生长至必定的厚度致使时刻过于冗长。举世晶提出一种碳化硅芯片外表加工办法,在献身氧化层构成的过程中,以有机薄膜或蜡膜来辅佐,使得让硅面的氧化速率大于碳面的氧化速率,然后削减资料的糟蹋和新的外表损害发生的时机,并可缩短献身氧化层的生长时刻[2]。磊晶(Epitaxy)是指在晶圆上长出新结晶以构成半导体层的技术。在磊晶和基板界面常有自身磊晶资料引发自发极化或许因磊晶和基板晶格不匹配而引发压电极化,构成磊晶和基板界面电阻下降(interface loss)的问题。举世晶因而供给一种包含硅基板和碳化硅层的磊晶基板,藉由构成碳化硅层于硅基板内部,而且操控碳化硅层与榜首外表之间的间隔介于100埃与500埃之间,因而可藉由碳化硅层处理在磊晶面因自发或压电极化而发生的界面电阻下降以及寄生功率丢失的问题[3]。现有的半导体组件是在磊晶基材上生长磊晶层,然后再于磊晶层上制造组件的结构。而磊晶用的基材一般会在基板上生长缓冲层,缓冲层之意图便是用以削减基板与磊晶层之间晶格不匹配的景象、下降缺点密度或削减基板与磊晶层之间热膨胀系数的差异,为了下降基板和磊晶层之间的应力,防止基板曲折及决裂的现象发生,举世晶提出一种磊晶用的基材,包含运用复数层仓库的原子层构成质量较高的缓冲层,然后提高基材上磊晶层的质量及组件的效能[4]。并供给一种包含背分散阻挠阻障层的磊晶结构,除了可改进磊晶结构晶格的匹配性,其间该背分散阻挠阻障层的碳浓度沿厚度方向为步阶式改变或步阶突变式改变,可一起具有分散阻挠效果与改进载子限制才能,然后添加半导体组件的特性[5]。此外,传统受骗磊晶层的资料为GaN(或其他的III-V族化合物)时,不同的基板与磊晶层在晶格常数和热膨胀系数具有差异,针对不同基板分别是:尽管SiC基板具有最小的晶格常数错配和最小的热膨胀系数,但相较其他基板原料也最贵重。根据基板与磊晶层之间的晶格常数和热膨胀系数差异,当磊晶层生善于基板上时,异质结构内将发生应力场,然后导致芯片翘曲或决裂。为削减异质磊晶结构引起的曲折/决裂现象,举世晶提出一种异质磊晶结构[6],例如在基板上创立一损害层、运用掺质在基板内构成分散层以及在基板施加保护层等技术或运用以上三种技术的组合。综观以上,唯有把握关键技术、强化碳化硅晶圆供给链及提高半导体晶圆位置,才能够在世界市场上锋芒毕露。兹阐明分析如下:

  图二 : 现在活跃布局、把握关键技术,打造台湾成为重要的供给链,化合物半导体将有时机成为下一个护国神山。(source:The Manufacturer)现在各国投入化合物半导体的厂商不多,主要是技术门坎高。化合物半导体是两种以上的元素结合,有必要考虑晶格及原子的匹配性,在晶球生长、磊晶制程及晶圆加工阶段都算困难。以SiC为例,将碳与硅两种资料进行高温熔融,有必要精准把握高真空度及高温均匀性等两大要件,技术难度高,因而本钱居高不下。未来在电动车、5G时代的促进下,肯定是化合物半导体风景的时代,该范畴技术门坎相对困难,若能现在就活跃布局、把握关键技术,打造台湾成为一个重要的供给链,化合物半导体有时机成为下一个护国神山。2019年8月举世晶与GT Advanced Technologies(GTAT)两边达成协议一起签署碳化硅晶球长时刻合约[7],串连各自的技术优势,快速扩展产能,构成新的碳化硅晶圆供给来历。此协作不只扩展举世晶于高阶半导体晶圆资料产品的完好度,也扩增其SiC硅晶圆于全球半导体市场上的供给,并保证其获得长时刻安稳且可依市场需求快速扩展产能的高质量碳化硅晶球供给,关于举世晶碳化硅产品的加快生长,具有久远活跃的本质效益。为了在半导体硅晶圆范畴抢先工业,举世晶在2020年12月与德国硅晶圆厂世创(Siltronic)正式签定商业兼并协议(BCA),并承认举世晶将揭露收买世创一切流转在外股份。预期此次结合将带来一系列的战略与营运效益,包含扩展产能及市占率,提高半导体晶圆工业位置[8],此外,透过并购可进一步缩短在碳化硅及氮化镓等宽能隙资料硅晶圆的开发及前置时刻,以争夺世界功率半导体大厂及车用芯片的订单,包含英特尔、安森美、英飞凌、意法、恩智浦、德州仪器等IDM大厂都将成为未来重要客户。台湾产学研各界在化合物半导体开展上已耕耘多年且初具成效,加以世界仰赖的硅基半导体生态系统的能量加持优势,未来台湾在全球化合物半导体竞赛板块之中,举世晶已卡位开展蓝图规画并与世界介接,等待它再创造出一个台湾之光![1] Silicon carbide wafer and method for production thereof, 2019 July 9, US Patent US10347481B2.[2] 碳化硅芯片的外表加工办法,2020年1月11日公告,台湾专利公告号I716304。[3] Epitaxy substrate and method of manufacturing the same, 2020 March 5, US Patent publication US2020075328A1.[5] Epitaxial structure, 2021 February 18, US Patent Publication US2021050422A1.[6] Silicon substrates with compressive stress and methods for production of the same, 2016 Jun. 28, US9378946B2.[8] 兼并后举世晶将挤下日本胜高(SUMCO)成为全球第二大硅晶圆厂,市占率将达26.7%,与龙头大厂日本信越(Shin-Etsu)的市占率距离仅2.7个百分点。