良率高達90%，成本僅為矽元件的1.5倍！碳化矽能否徹底改變IGBT產業？

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2022-03-16 284

近日，一家碳化矽公司在一次線上活動中透露，6吋碳化矽晶圓的價格為每片20,000萬至30,000萬元人民幣，可製成350至700個車規級SiC MOSFET。目前碳化矽元件的價格約為矽元件的4至5倍。有機構預測，到2025年，碳化矽元件的價格可望降至矽元件的1.5倍左右，但這如何實現？

「三代半風向」發現，不久前，北卡羅來納州立大學（NCSU）宣布了碳化矽技術的最新進展，而其目標恰好是將碳化矽的價格降低到矽晶片的1.5倍。據報道，這項技術可以幫助企業降低進入碳化矽領域的門檻，最終實現代工和工藝共享，從而避免耗費時間和財力開發專有技術工藝。此外，這項技術可以在傳統代工廠生產，目前已實現大尺寸碳化矽晶圓產品的量產。已上市的產品包括1.2kV JBS、功率MOSFET和JBSFET。產率高達90%。。

該技術的主要發明者，同時也是IGBT的發明者，表示這些技術如果成功，有朝一日可能會取代IGBT。

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共享工藝，更大尺寸的晶圓

目標：成本僅為矽元件的1.5倍

目前碳化矽（SiC）裝置的成本約為矽功率元件的五倍。北卡羅來納州立大學傑出教授傑伊·巴利加（Jay Baliga）表示：「我們的目標是將碳化矽裝置的成本降低到矽功率裝置的1.5倍。」他認為，相對於矽IGBT，較高的製造成本已成為其大規模市場應用的一大障礙。成本居高不下的一個重要原因是，所有開發出碳化矽功率元件的公司都擁有製造流程的獨家使用權，這使得其他公司難以進入該領域。工廠產能無法擴大，成本也無法降低。為此，北卡羅來納州立大學開發了一種共享技術—PRESiCE™工藝，旨在降低企業進入碳化矽領域的門檻，並促進創新。巴利加表示：「PRESiCE™技術將推動更多公司進入碳化矽（SiC）市場，因為他們無需從零開始開發自己的設計和製造工藝，這既昂貴又耗時。這對公司和用戶都有好處。如果更多公司加入碳化矽功率裝置的製造行列，將提高代工廠的產量，從而顯著降低成本。」據報道，這項技術始於2015年1月，並獲得了美國能源部「電力美國」（PowerAmerica）計畫的資助。 2016年，共有18家公司參與了研發，目前已發展到第三代。「自2015年以來，許多公司已將其先前開發的專有碳化矽功率元件製造流程移植到位於美國德克薩斯州的X-Fab代工廠。」另一種方法是利用現有的成熟矽元件代工廠，透過大容量、大尺寸晶圓來降低成本。巴利加表示，碳化矽功率MOSFET的大部分製程步驟（高達80%）都可以在矽代工廠完成。只需升級高溫設備，例如用於碳化矽材料所需的閘極氧化和離子注入退火設備。透過像 X-Fab 這樣的非專有代工廠，「將有更多公司進行生產，碳化矽的成本也會降低」。自 2015 年以來，PRESiCE 技術得到了進一步改進。透過使用內部設備更均勻地執行熱離子注入步驟，PRESiCE 在 6 吋晶圓代工廠成功推出了第三代碳化矽功率元件。下圖展示了採用 PRESiCE 技術製造的高良率 JBS 二極體、功率 MOSFET 和額定電壓為 1.2 kV 的 JBSFET。

圖 1. 採用第三代 PRESiCE 技術製造的三種 SiC 功率元件。

據報道，PRESiCE™技術的主要特點之一是採用了10道掩模製程。請參閱下圖↓↓↓↓

圖 2. PRESiCE 技術製程流程圖，用於製造 SiC 功率 MOSFET。

過程識別結果：

產量超過90%

為了驗證第三代 PRESiCE™ 製程技術的性能，代工廠 X-Fab 連續生產了三批產品，所有批次均採用相同的製程步驟。根據測量數據，採用第三代 PRESiCE™ 製程製造的 JBS 整流器良率超過 90%，JBS 二極體的漏電流遠低於 100 µA 的業界標準。 JBS 二極體的導通壓降約為 2 V。與矽基 IGBT 和 SiC 功率 MOSFET 一樣，它們也適用於反並聯二極體。採用 PRESiCE™ 製程製造的碳化矽功率 MOSFET 的測量數據顯示，90% 的裝置最大導通電阻小於典型值的 1.3 倍，良率超過 90%，閾值電壓也在數據手冊要求的 ±30% 範圍內。