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 7

最近，某碳化硅企業(yè)在線上活動(dòng)透露，6寸碳化硅晶圓的價(jià)格為2-3萬元/片，可以做成350-700顆車規(guī)級(jí)SiC Mosfet。目前碳化硅器件價(jià)格大約是硅器件的4-5倍。有機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2025年碳化硅器件的價(jià)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(xiàng)碳化硅技術(shù)的最新進(jìn)展，目標(biāo)恰巧是要將碳化硅的價(jià)格降低至僅為硅晶圓的1.5倍。據(jù)介紹，這項(xiàng)技術(shù)可以幫助企業(yè)降低進(jìn)入碳化硅領(lǐng)域的門檻，最終實(shí)現(xiàn)代工廠共享、工藝共享，從而無需耗費(fèi)時(shí)間和財(cái)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(dá)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(duì)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(gè)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(dú)享有制造工藝，從而導(dǎo)致其他企業(yè)難以進(jìn)入該領(lǐng)域，工廠產(chǎn)能無法擴(kuò)大，成本就下不來。為此，NCSU研究出一項(xiàng)共享技術(shù)——PRESiCETM工藝，來減少企業(yè)進(jìn)入碳化硅領(lǐng)域的障礙，推動(dòng)創(chuàng)新。 Baliga表示：“PRESiCETM將推動(dòng)更多的企業(yè)進(jìn)入SiC市場，因?yàn)樗麄儾恍枰獜念^開始去研發(fā)自己的設(shè)計(jì)和制造工藝，這非常昂貴和耗時(shí)。這對(duì)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(xiàng)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?！白?015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(gè)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(dá)80％）能夠在硅代工廠中去完成，要做的只是升級(jí)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(huì)給更低”。從2015年現(xiàn)在，PRESiCE得到了進(jìn)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(diǎn)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(cè)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(yuǎn)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(cè)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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