SmartSiC解決方案的創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)、研發(fā)、生產(chǎn)情況

本篇文章為“讀懂 SmartSiC” 系列文章的下篇，將對(duì) SmartSiC 解決方案的創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)、研發(fā)、生產(chǎn)情況進(jìn)行深入的介紹。

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SmartSiC晶圓卓越的性能：

更環(huán)保、更高效、更出色

Soitec SmartSiC 晶圓

無(wú)論是對(duì)于 150mm 晶圓還是 200mm 晶圓而言，SmartSiC 都是一種更環(huán)保、更高效、更出色的技術(shù)解決方案，有望成為 SiC 市場(chǎng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之一。

SmartSiC 將可重復(fù)利用十次的優(yōu)質(zhì)單晶 SiC 與超高導(dǎo)電性操作晶圓相結(jié)合，與傳統(tǒng) SiC 襯底相比，這種即插即用的解決方案可以無(wú)縫集成到所有現(xiàn)存的電源生產(chǎn)線中，并表現(xiàn)出明顯的商用、環(huán)境與制造優(yōu)勢(shì)。

簡(jiǎn)單且節(jié)能的制造工藝使 SmartSiC 的碳足跡更少，更為環(huán)保。與傳統(tǒng) SiC 相比，每片 SmartSiC 晶圓減少的碳排放量可高達(dá) 70%。

通過(guò)重復(fù)利用稀缺的 200mm 單晶供體，Soitec 能夠助力這些大尺寸襯底的快速落地應(yīng)用，賦能市場(chǎng)的增長(zhǎng)。SmartSiC 的優(yōu)化設(shè)計(jì)所帶來(lái)的卓越生產(chǎn)良率、更高的效率和功率密度，為電力電子設(shè)備提供了更好的解決方案。相比塊狀 SiC，SmartSiC 具有更高的導(dǎo)電性，可為每平方毫米功率器件（例如 MOSFET 或二極管）提供多達(dá) 20% 的電流。這是生成新一代功率器件的制勝秘訣。

Soitec 的 SmartSiC 產(chǎn)品系列由 SmartSiC-Performance和 SmartSiC-Advanced 襯底組成。SmartSiC-Performance 目前處于原型開(kāi)發(fā)階段，正在與 Soitec 客戶進(jìn)行驗(yàn)證。而 Soitec 的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)正在研發(fā) SmartSiC-Advanced 無(wú) BPD 襯底，該產(chǎn)品目前處于送樣階段。

圖 2：Soitec 獨(dú)特且專利的 SmartCut 工藝同樣適用于 SiC 材料

在具有超高導(dǎo)電性的多晶碳化硅操作襯底之上（其 150mm 和 200mm 晶圓的總厚度分別為 350μm 和 500μm），SmartSiC 襯底的優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠提供最高水準(zhǔn)、厚度小于 1μm 的單晶 SiC 層。供體晶圓減去用于第一個(gè) SmartSiC 晶圓的 1μm 層之后，可重復(fù)用于第二個(gè) SmartSiC 晶圓。以此類推，每個(gè)供體晶圓至少可用于十個(gè) SmartSiC 晶圓。

與塊狀 SiC 中使用的物理氣相傳輸 (PVT) 相比，采用多晶碳化硅作為每個(gè) SmartSiC 晶圓生產(chǎn)的操作晶圓則是基于更環(huán)保、用時(shí)更短的化學(xué)氣相沉積 (CVD) 工藝。Soitec 和合作伙伴共同開(kāi)發(fā)的 PolySiC 具有足夠的摻雜來(lái)控制襯底的導(dǎo)電性，同時(shí)還能保持極具競(jìng)爭(zhēng)力的成本優(yōu)勢(shì)（見(jiàn)圖 3）。

圖 3：PolySiC 主要工藝步驟

經(jīng)過(guò)多年積淀，無(wú)論成熟度還是專業(yè)儲(chǔ)備，Soitec 都具備能力定義并確保晶圓幾何構(gòu)造的完美，而這恰是掌握晶圓鍵合的關(guān)鍵所在。2021 年 11 月 Soitec 收購(gòu) NovaSiC，為公司帶來(lái)超過(guò) 25 年的 SiC 晶圓生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，是 Soitec 在碳化硅戰(zhàn)略路線上的又一里程碑。

截至目前，Soitec 的 SmartSiC 已在襯底工藝和設(shè)計(jì)中達(dá)到了穩(wěn)定的高水平。經(jīng)過(guò)密集和大規(guī)模的測(cè)試與原型設(shè)計(jì)，Soitec 生產(chǎn)的晶圓為市場(chǎng)、電力設(shè)備和電力系統(tǒng)帶來(lái)的價(jià)值和益處顯著。采用 SmartSiC 生產(chǎn)的 MOSFET 和二極管性能均獲得大幅提升，同時(shí)擁有了更為長(zhǎng)期的可靠性和更強(qiáng)的高溫穩(wěn)健性。目前，多家設(shè)備制造商已承諾加大資源投入力度，在其下一代產(chǎn)品的認(rèn)證中采用 SmartSiC。

探秘 SmartSiC 的研發(fā)

Soitec 最初派遣研發(fā)團(tuán)隊(duì)深入研究 SmartSiC 項(xiàng)目時(shí)，目的在于將 SiC 的制造良率提高到全球公認(rèn)的硅基功率器件標(biāo)準(zhǔn)水平。

SmartCut 工藝可以保持來(lái)料供體晶圓的晶體質(zhì)量。如圖 4 所示，在供體和 SmartSiC 表面的相同位置可以觀察到氫氧化鉀（KOH） 蝕刻晶體產(chǎn)生的缺陷。

圖 4：晶體缺陷表征、KOH 蝕刻和光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)果；單晶 SiC 供體（左）和 SmartSiC （右）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)比對(duì)

為降低缺陷水平，Soitec 探索并采用了一種新的概念，即在已去除基面位錯(cuò)（BPD）的供體上采用 Smart Cut 工藝。

利用單晶 SiC 晶圓獨(dú)特的生長(zhǎng)特性，無(wú) BPD 的供體能夠?qū)o(wú) BPD 層轉(zhuǎn)移到多晶 SiC 操作晶圓上。這種新型優(yōu)化襯底稱為 SmartSiC-Advanced。SmartSiC-Advanced 襯底的 BPD 密度值如圖 5 所示。

圖 5：供體 SmartSiC-Advanced 襯底中的 BPD 缺陷密度

具備無(wú) BPD 頂層的 SmartSiC-Advanced 襯底因此成為漂移外延環(huán)節(jié)的優(yōu)質(zhì)晶種層。

這明顯降低了致命缺陷的潛在成核位置密度，同時(shí)擴(kuò)大了外延工藝窗口并簡(jiǎn)化了外延堆棧，而且無(wú)需轉(zhuǎn)換緩沖層。

良率模擬和實(shí)驗(yàn)表明，這些改進(jìn)將引入的外延生長(zhǎng)致命缺陷密度降低了 10 倍，并且將大于 20 平方毫米的器件生產(chǎn)良率提高到 20% 以上。在器件可靠性方面，無(wú)基面位錯(cuò)層不僅可以防止位錯(cuò)滑動(dòng)，還能消除器件中的雙極退化。Soitec 的下一代 SmartSiC-Advanced 襯底消除了 SiC 晶圓中的 BPD，對(duì)整個(gè) SiC 行業(yè)而言，有望將 SiC 器件制造良率提升至 90%。

而且，SmartSiC 中采用的多晶 SiC 操作襯底具有高摻雜水平，這使 SiC 功率器件（二極管或 MOSFET）背面的歐姆接觸層更易制成。

Soitec 的最新研究證明，無(wú)需退火的歐姆接觸工藝可在 SmartSiC 襯底上輕松執(zhí)行，且長(zhǎng)遠(yuǎn)芯片組裝的可靠性不會(huì)因此受到影響。

Soitec 150mm 的 SmartSiC-Advanced 產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始送樣。其原型襯底正接受主要客戶的檢驗(yàn)，并可根據(jù)需求向其他客戶彈性交付。更多數(shù)據(jù)已于 ICSCRM 2022 國(guó)際會(huì)議（2022 年碳化硅及相關(guān)材料國(guó)際會(huì)議）上進(jìn)行公布。

SmartSiC 晶圓廠的啟動(dòng)與擴(kuò)產(chǎn)

圖 6：位于法國(guó)的新工廠貝寧 4 廠

大批量生產(chǎn)是 Soitec 的下一步目標(biāo)舉措。Soitec 用于 SmartSiC 大規(guī)模生產(chǎn)的新工廠 Bernin 4 已于 2022 年 3 月破土動(dòng)工，開(kāi)工日期定為 2023 年年中（如圖 6 所示）。憑借最先進(jìn)的設(shè)備設(shè)施，Soitec 將在 2024 年實(shí)現(xiàn) SmartSiC 的產(chǎn)能提升；到 2030 年，SmartSiC 晶圓總產(chǎn)能（包括 150mm 和 200mm）將達(dá)到 100 萬(wàn)片/年。其中大部分為 200mm 晶圓，這得益于 Soitec 的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：

經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，晶圓的尺寸面積不斷擴(kuò)大，SmartCut 工藝的效益規(guī)模也呈現(xiàn)出指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，而 200mm 規(guī)格的晶圓變得愈發(fā)重要。

Soitec 200mm SmartSiC 晶圓所具備的 10 倍重復(fù)利用率，將成倍優(yōu)化資源利用率，緩解供應(yīng)鏈壓力，并加速汽車和工業(yè)市場(chǎng)中高質(zhì)量晶圓的高效生產(chǎn)與應(yīng)用。

隨著多個(gè)合作伙伴對(duì) SmartSiC-Performance 產(chǎn)品原型的認(rèn)可（如圖 7 所示），2022 年的產(chǎn)品認(rèn)證正處于緊鑼密鼓地?cái)U(kuò)大范圍并加速推進(jìn)中。

圖7：150mm 和 200mm 規(guī)格的 SmartSiC 晶圓

SmartSiC晶圓正成為新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

電動(dòng)汽車正在經(jīng)歷百年一遇的變革，市場(chǎng)上的創(chuàng)新成果不斷涌現(xiàn)。上一次交通業(yè)變革發(fā)生在二十世紀(jì) 90 年代左右，人類用了 15 年時(shí)間從馬車交通時(shí)代轉(zhuǎn)進(jìn)入機(jī)械交通時(shí)代；而鑒于 CO2減排和減緩全球變暖的迫切需要，從汽油車時(shí)代進(jìn)入電動(dòng)車時(shí)代的轉(zhuǎn)變應(yīng)該會(huì)更快。

自 2018 年特斯拉引入 SiC 并開(kāi)創(chuàng)電動(dòng)汽車市場(chǎng)以來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)已被大多數(shù)汽車制造商采納。然而，SiC 還需要克服在電氣性能、產(chǎn)能、成本和良率方面的眾多障礙，才能在電動(dòng)汽車領(lǐng)域獨(dú)占鰲頭。

Soitec 成功預(yù)見(jiàn)了上述挑戰(zhàn)以及電動(dòng)汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展的勢(shì)頭。我們推出的 SmartSiC 是具有更高附加值的單晶 SiC 襯底替代品，能夠?yàn)楦咝实碾娫刺峁└h(huán)保、更高效、更出色的解決方案。

由于單晶 SiC 供體晶圓可重復(fù)使用 10 次，并且低 RDSON 功率器件的電導(dǎo)率提高了10倍，SmartSiC 已能夠?qū)崿F(xiàn)大批量生產(chǎn)，并有望成為行業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)。

Soitec 汽車與工業(yè)部門(mén)副總裁 Emmanuel Sabonnadiere 表示：“我們的 SmartSiC 襯底將成為加速電動(dòng)汽車變革的關(guān)鍵，可幫助電力電子設(shè)備的能效與性能提升至新高度，賦能電動(dòng)汽車的發(fā)展?！?/p>

圖 8：SmartSiC 產(chǎn)業(yè)化藍(lán)圖

Soitec 的創(chuàng)新將助力提升資源利用及能效，助推經(jīng)濟(jì)發(fā)展和賦能商業(yè)成功。我們的創(chuàng)新成果正在推動(dòng)眾多行業(yè)和生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展，而半導(dǎo)體及其基礎(chǔ)襯底的戰(zhàn)略地位正是他們所一致認(rèn)可的。

Soitec 的創(chuàng)新土壤孕育著美好未來(lái)！

注：Soitec 的四篇科學(xué)出版物已于 ICSCRM 2022 上正式發(fā)布。

審核編輯 ：李倩