良率高达90%，成本仅为硅器件的1.5倍！碳化硅能否彻底改变IGBT行业？

2022-03-16 284

近日，一家碳化硅公司在一次线上活动中透露，6英寸碳化硅晶圆的价格为每片20,000万至30,000万元人民币，可制成350至700个车规级SiC MOSFET。目前碳化硅器件的价格约为硅器件的4至5倍。有机构预测，到2025年，碳化硅器件的价格有望降至硅器件的1.5倍左右，但这如何才能实现呢？

“三代半风向”发现，不久前，北卡罗来纳州立大学（NCSU）宣布了碳化硅技术的最新进展，而其目标恰好是将碳化硅的价格降低到硅晶片的1.5倍。据报道，这项技术可以帮助企业降低进入碳化硅领域的门槛，最终实现代工和工艺共享，从而避免耗费时间和财力开发专有技术工艺。此外，这项技术可以在传统代工厂生产，目前已实现大尺寸碳化硅晶圆产品的量产。已上市的产品包括1.2kV JBS、功率MOSFET和JBSFET。产率高达90%。。

该技术的主要发明者，同时也是IGBT的发明者，表示这些技术如果成功，有朝一日可能会取代IGBT。

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共享工艺，更大尺寸的晶圆

目标：成本仅为硅器件的1.5倍

目前碳化硅（SiC）器件的成本约为硅功率器件的五倍。北卡罗来纳州立大学杰出教授杰伊·巴利加（Jay Baliga）表示：“我们的目标是将碳化硅器件的成本降低到硅功率器件的1.5倍。”他认为，相对于硅IGBT，较高的制造成本已成为其大规模市场应用的一大障碍。成本居高不下的一个重要原因是，所有开发出碳化硅功率器件的公司都拥有制造工艺的独家使用权，这使得其他公司难以进入该领域。工厂产能无法扩大，成本也无法降低。为此，北卡罗来纳州立大学开发了一种共享技术——PRESiCE™工艺，旨在降低企业进入碳化硅领域的门槛，并促进创新。巴利加表示：“PRESiCE™技术将推动更多公司进入碳化硅（SiC）市场，因为他们无需从零开始开发自己的设计和制造工艺，这既昂贵又耗时。这对公司和用户都有好处。如果更多公司加入碳化硅功率器件的制造行列，将提高代工厂的产量，从而显著降低成本。” 据报道，这项技术始于2015年1月，并获得了美国能源部“电力美国”（PowerAmerica）项目的资助。2016年，共有18家公司参与了研发，目前已发展到第三代。“自2015年以来，许多公司已将其先前开发的专有碳化硅功率器件制造工艺移植到位于美国德克萨斯州的X-Fab代工厂。” 另一种方法是利用现有的成熟硅器件代工厂，通过大容量、大尺寸晶圆来降低成本。巴利加表示，碳化硅功率MOSFET的大部分工艺步骤（高达80%）都可以在硅代工厂完成。只需升级高温设备，例如用于碳化硅材料所需的栅极氧化和离子注入退火设备即可。通过像 X-Fab 这样的非专有代工厂，“将有更多公司进行生产，碳化硅的成本也会降低”。自 2015 年以来，PRESiCE 技术得到了进一步改进。通过使用内部设备更均匀地执行热离子注入步骤，PRESiCE 在 6 英寸晶圆代工厂成功推出了第三代碳化硅功率器件。下图展示了采用 PRESiCE 技术制造的高良率 JBS 二极管、功率 MOSFET 和额定电压为 1.2 kV 的 JBSFET。

图 1. 采用第三代 PRESiCE 技术制造的三种 SiC 功率器件。

据报道，PRESiCE™技术的主要特点之一是采用了10道掩模工艺。请参见下图↓↓↓↓

图 2. PRESiCE 技术工艺流程图，用于制造 SiC 功率 MOSFET。

过程识别结果：

产量超过90%

为了验证第三代 PRESiCE™ 工艺技术的性能，代工厂 X-Fab 连续生产了三批产品，所有批次均采用相同的工艺步骤。根据测量数据，采用第三代 PRESiCE™ 工艺制造的 JBS 整流器良率超过 90%，JBS 二极管的漏电流远低于 100 µA 的行业标准。JBS 二极管的导通压降约为 2 V。与硅基 IGBT 和 SiC 功率 MOSFET 一样，它们也适用于反并联二极管。采用 PRESiCE™ 工艺制造的碳化硅功率 MOSFET 的测量数据显示，90% 的器件最大导通电阻小于典型值的 1.3 倍，良率超过 90%，阈值电压也在数据手册要求的 ±30% 范围内。