芯耀
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在第1-3期內(nèi)容中，“行家說(shuō)三代半“介紹了日本電裝（Denso）的SiC長(zhǎng)晶核心技術(shù)（鏈接），今天這期內(nèi)容我們給大家剖一下他們和昭和電工（Resonac）的超快速SiC外延生長(zhǎng)技術(shù)。
30年技術(shù)研發(fā)，SiC外延具備4大優(yōu)勢(shì)
Denso很早就意識(shí)到，要實(shí)現(xiàn)SiC半導(dǎo)體技術(shù)的全面普及，不僅要降低襯底成本，降低外延成本也同樣很關(guān)鍵，而他們重點(diǎn)是要提高SiC外延的生產(chǎn)效率。
于是，電裝與豐田中央研究所、日本電力工業(yè)中央研究所（CRIEPI）和鈕富來(lái)（NuFlare）很早就進(jìn)行SiC外延技術(shù)和設(shè)備的聯(lián)合開(kāi)發(fā)。
1997年，他們自主開(kāi)發(fā)并推出了獨(dú)有的垂直式SiC外延設(shè)備，而當(dāng)時(shí)的主流設(shè)備是水平式的。
2014年，鈕富來(lái)實(shí)現(xiàn)了6英寸SiC外延設(shè)備（EPIREVO S6）的商業(yè)化，2021年還推出8英寸SiC外延設(shè)備EPIREVO S8。
我們先看Deso的碳化硅外延技術(shù)有多強(qiáng)，后面再詳細(xì)介紹設(shè)備的相關(guān)信息。
2024年3月，Denso與昭和電工（現(xiàn)Resonac）、日本電力中央研究所和鈕富來(lái)4家企業(yè)共同獲得了“2023年第50屆巖谷直二紀(jì)念獎(jiǎng)”，獲獎(jiǎng)的研發(fā)主題為“高質(zhì)量SiC外延薄膜的高速制造技術(shù)?！?/p>
據(jù)獲獎(jiǎng)公告，Denso、CRIEPI與鈕富來(lái)合作開(kāi)發(fā)出單片式6吋SiC外延爐，隨后Resonac加入了聯(lián)合開(kāi)發(fā)行列，并為Denso供應(yīng)SiC外延片，用于生產(chǎn)溝槽柵SiC MOSFET，2020年SiC MOSFET被豐田燃料汽車MIRAI的增壓動(dòng)力模塊所采用，2023年又被搭載于共藍(lán)科技（BluE Nexus）的電驅(qū)中，該電驅(qū)供給了雷克薩斯RZ。
獲獎(jiǎng)SiC外延技術(shù)的合作示意圖 來(lái)源：行家說(shuō)Research
據(jù)介紹，這項(xiàng)外延技術(shù)具備4大優(yōu)勢(shì)：
●?高生產(chǎn)效率：6吋SiC外延片超過(guò)50μm/小時(shí)，比傳統(tǒng)外延生長(zhǎng)技術(shù)快5-10倍；
●?高均勻性：6吋SiC外延片厚度均勻性不超過(guò)2%，摻雜密度均勻性不超過(guò)4%，為傳統(tǒng)方法的3倍；
●?低缺陷密度：6吋SiC外延片為0.02個(gè)/cm2，小于傳統(tǒng)方法的1/5；8吋SiC外延三角缺陷＜0.25個(gè)/cm2。
●?高厚度：成功生產(chǎn)出了厚度為160μm的碳化硅外延薄膜，耐電壓達(dá)到10kV或以上。
垂直設(shè)備歷經(jīng)多次改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)高速、高質(zhì)量SiC外延生長(zhǎng)
他們認(rèn)為，碳化硅外延要同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速和高質(zhì)量生長(zhǎng)，應(yīng)該采用單腔單片式設(shè)備，而不是傳統(tǒng)的單腔多片。
從他們的多篇論文來(lái)看，他們的外延設(shè)備歷經(jīng)了多次改進(jìn)。最早，他們是通過(guò)調(diào)整氣壓和配方，來(lái)提高碳化硅外延生長(zhǎng)速率。
因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的H2-SiH4-C3H8氣體系統(tǒng)中，典型的外延生長(zhǎng)溫度為1600-1650℃，通常是采取增加原料氣體分壓來(lái)提高生長(zhǎng)速率，但這會(huì)出現(xiàn)氣相均勻成核和團(tuán)塊問(wèn)題。
他們經(jīng)過(guò)研究找到了一個(gè)既能解決氣相均勻成核問(wèn)題，又能提升生長(zhǎng)速度的有效方法——降低了系統(tǒng)壓力，并在氣體系統(tǒng)中添加 HCl或使用含Cl 的原料氣體（如 SiHCl3）。
電裝6吋SiC外延設(shè)備改進(jìn)過(guò)程示意圖
其研究表明，通過(guò)將 H2-SiH4-C3H8氣體系統(tǒng)的壓力降低到2kPa，并使用相對(duì)較高的H2流量和原料氣體流量，可以實(shí)現(xiàn)250μm/h 的高生長(zhǎng)率。
不過(guò)，他們發(fā)現(xiàn)，這種方式只適用于小尺寸碳化硅外延片，在大直徑襯底上實(shí)現(xiàn)快速、均勻的外延生長(zhǎng)仍存在問(wèn)題。
因此，在開(kāi)發(fā)6英寸碳化硅外延生長(zhǎng)技術(shù)時(shí)，他們除了開(kāi)發(fā)了一種含有 H2-SiH4-C3H8-HCl 的氣體系統(tǒng)，還采用高轉(zhuǎn)速來(lái)解決較高氣壓力均勻成核的問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)了高生長(zhǎng)率和良好的膜厚均勻性。
其論文顯示，當(dāng)晶圓轉(zhuǎn)速為1000rpm、系統(tǒng)壓力增加到80 kPa時(shí)，SiC 外延的生長(zhǎng)率約為低轉(zhuǎn)速時(shí)的2倍。
理論上，單腔單片生產(chǎn)效率不如多片式設(shè)備，但是他們想到了幾個(gè)解決方法：
●?一是提高轉(zhuǎn)速：
他們通過(guò)以每分鐘最大1000轉(zhuǎn)的速度，實(shí)現(xiàn)了缺陷更少的高速碳化硅外延生長(zhǎng)——生長(zhǎng)速率為42 μm/h，6英寸外延片的膜厚分布約為1.5%，濃度分布為5.2%。
在小尺寸碳化硅外延襯底上，他們的速度更快。根據(jù)他們2009年的論文，其設(shè)備最大沉積速度可達(dá)250 μm/h，這是當(dāng)時(shí)最高的碳化硅外延沉積速度，比傳統(tǒng)系統(tǒng)快20多倍。
這意味著，生產(chǎn)1000V的碳化硅外延片可以在幾分鐘內(nèi)完成，而以前需要一到兩個(gè)小時(shí)；生產(chǎn)30kV的碳化硅外延片可以在大約一個(gè)小時(shí)內(nèi)完成，而以前需要一到兩天。當(dāng)時(shí)5英寸外延片也能達(dá)到79μm/h的平均沉積速度，并成功實(shí)現(xiàn)了在均勻厚度和摻雜濃度。
●?二是其他環(huán)節(jié)提速：
通過(guò)使用自動(dòng)輸送系統(tǒng)，縮短了加熱和冷卻時(shí)間，并縮短了晶圓輸送的時(shí)間。在該系統(tǒng)中，從晶片傳輸溫度到生長(zhǎng)溫度的總加熱和冷卻時(shí)間約為15分鐘。
●?三是使用2個(gè)腔室
據(jù)他們驗(yàn)證，在雙腔單片設(shè)備中，1200V碳化硅外延的生長(zhǎng)時(shí)間約為15分鐘，每小時(shí)可生產(chǎn)4片。超過(guò)50μm/h的生長(zhǎng)速度可有效提高更厚外延薄膜的產(chǎn)量。
這項(xiàng)技術(shù)是Denso與其他幾家公司共同開(kāi)發(fā)的，Denso正在建設(shè)產(chǎn)線，預(yù)計(jì)也將內(nèi)部生產(chǎn)碳化硅外延片，至于是否與Resonac的技術(shù)有所差異還未可知。
