良率90%，成本僅為硅器件的1.5倍！碳化硅將革IGBT的命？

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2022-03-17 07:50:31 8

最近，某碳化硅企業(yè)在線上活動透露，6寸碳化硅晶圓的價格為2-3萬元/片，可以做成350-700顆車規(guī)級SiC Mosfet。目前碳化硅器件價格大約是硅器件的4-5倍。有機構(gòu)預(yù)測，2025年碳化硅器件的價格有望低至硅器件的1.5倍左右，但如何才能做到？

“三代半風(fēng)向”發(fā)現(xiàn)，不久前，北卡羅來納州立大學(xué)（NCSU）公布了一項碳化硅技術(shù)的最新進展，目標(biāo)恰巧是要將碳化硅的價格降低至僅為硅晶圓的1.5倍。據(jù)介紹，這項技術(shù)可以幫助企業(yè)降低進入碳化硅領(lǐng)域的門檻，最終實現(xiàn)代工廠共享、工藝共享，從而無需耗費時間和財力去研發(fā)專有技術(shù)工藝。而且該技術(shù)能夠在傳統(tǒng)代工廠中生產(chǎn)，大尺寸碳化硅晶圓產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn)，已經(jīng)上市的產(chǎn)品包括1.2kV的JBS、功率MOSFET和JBSFET，良率均高達90%。

該技術(shù)的主要發(fā)明人也是IGBT的發(fā)明人，他表示，這些技術(shù)如果成功的話，有一天可以取代IGBT。

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共享工藝、更大晶圓

目標(biāo)：成本僅為硅器件的1.5倍

目前SiC器件的成本大約是硅功率器件的5倍多。NCSU杰出教授Jay Baliga表示：“我們的目標(biāo)是將SiC的成本降為硅功率器件的1.5倍。” 他認(rèn)為，相對于Si IGBT，較高的制造成本成為了市場大規(guī)模采用的障礙。而成本持續(xù)高昂的其中一個重要原因是，那些已經(jīng)研發(fā)出SiC功率器件的企業(yè)都是單獨享有制造工藝，從而導(dǎo)致其他企業(yè)難以進入該領(lǐng)域，工廠產(chǎn)能無法擴大，成本就下不來。為此，NCSU研究出一項共享技術(shù)——PRESiCETM工藝，來減少企業(yè)進入碳化硅領(lǐng)域的障礙，推動創(chuàng)新。 Baliga表示：“PRESiCETM將推動更多的企業(yè)進入SiC市場，因為他們不需要從頭開始去研發(fā)自己的設(shè)計和制造工藝，這非常昂貴和耗時。這對企業(yè)、用戶都很好，如果更多企業(yè)加入到SiC功率器件的制造中，將增加代工廠的產(chǎn)量，從而可以顯著減少成本。” 據(jù)介紹，這項技術(shù)開始于2015年1月，獲得了美國能源部PowerAmerica資助，2016年就有18家公司參與研發(fā)，目前已經(jīng)發(fā)展到第三代。“自2015年以來，許多公司已將其先前開發(fā)的專有SiC功率器件制造工藝流程移植美國德州的X-Fab代工廠。” 另一個方式是采用現(xiàn)有的成熟的硅器件代工廠，用大產(chǎn)能、大尺寸晶圓來降低成本。 Baliga表示，SiC功率MOSFET的大多數(shù)工藝步驟（多達80％）能夠在硅代工廠中去完成，要做的只是升級碳化硅材料所需的柵極氧化和離子注入退火等高溫設(shè)備。通過X-Fab這種非專有代工廠，“更多企業(yè)生產(chǎn)，碳化硅成本將會給更低”。從2015年現(xiàn)在，PRESiCE得到了進一步改。通過使用內(nèi)部設(shè)備更均勻地執(zhí)行熱離子注入步驟，第三代PRESiCE在6英寸晶圓代工廠中制造的SiC功率器件已經(jīng)成功上市。下圖為PRESiCE技術(shù)制造的高良率、額定電壓為1.2 kV的JBS二極管、功率MOSFET和JBSFET。

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圖1.使用第三代PRESiCE技術(shù)制造的三種類型的SiC功率器件。

據(jù)介紹，PRESiCETM技術(shù)主要特點之一是使用了10次掩膜工藝，看下圖↓↓↓↓

10a443762e23cd00ac0039615dd514df 圖2.制造SiC功率MOSFET的PRESiCE技術(shù)工藝流程。

工藝鑒定結(jié)果：

良率超過90%

為了鑒定第三代PRESiCETM工藝技術(shù)成果，代工廠X-Fab連續(xù)生產(chǎn)了三批產(chǎn)品，采用的都是相同的工藝步驟。根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)使用第三代 PRESiCETM技術(shù)制造的JBS整流器的良率超過90％、JBS二極管的泄漏電流遠低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的100 µA。JBS二極管的通態(tài)壓降約為2 V，跟硅基IGBT和SiC功率MOSFET一樣，都適合用作反并聯(lián)二極管。而PRESiCETM制造的碳化硅功率MOSFET的測量數(shù)據(jù)顯示：90％的器件的最大導(dǎo)通電阻小于典型值的1.3倍，良率超過90％，其閾值電壓也處在數(shù)據(jù)表要求的+/- 30％之內(nèi)。

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