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    • 30年技术研发,SiC外延具备4大优势
    • 垂直设备历经多次改进,实现高速、高质量SiC外延生长
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速度快10倍!这项SiC技术提供降本新思路

10/18 09:20
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在第1-3期内容中,“行家说三代半“介绍了日本电装(Denso)的SiC长晶核心技术(链接),今天这期内容我们给大家剖一下他们和昭和电工(Resonac)的超快速SiC外延生长技术。

30年技术研发,SiC外延具备4大优势

Denso很早就意识到,要实现SiC半导体技术的全面普及,不仅要降低衬底成本,降低外延成本也同样很关键,而他们重点是要提高SiC外延的生产效率

于是,电装与丰田中央研究所、日本电力工业中央研究所(CRIEPI)和钮富来(NuFlare)很早就进行SiC外延技术和设备的联合开发。

1997年,他们自主开发并推出了独有的垂直式SiC外延设备,而当时的主流设备是水平式的。

2014年,钮富来实现了6英寸SiC外延设备(EPIREVO S6)的商业化,2021年还推出8英寸SiC外延设备EPIREVO S8。

我们先看Deso的碳化硅外延技术有多强,后面再详细介绍设备的相关信息。

2024年3月,Denso与昭和电工(现Resonac)、日本电力中央研究所和钮富来4家企业共同获得了“2023年第50届岩谷直二纪念奖”,获奖的研发主题为“高质量SiC外延薄膜的高速制造技术。”

据获奖公告,Denso、CRIEPI与钮富来合作开发出单片式6吋SiC外延炉,随后Resonac加入了联合开发行列,并为Denso供应SiC外延片,用于生产沟槽栅SiC MOSFET,2020年SiC MOSFET被丰田燃料汽车MIRAI的增压动力模块所采用,2023年又被搭载于共蓝科技(BluE Nexus)的电驱中,该电驱供给了雷克萨斯RZ。

获奖SiC外延技术的合作示意图 来源:行家说Research

据介绍,这项外延技术具备4大优势:

● 高生产效率:6吋SiC外延片超过50μm/小时,比传统外延生长技术快5-10倍;

● 高均匀性:6吋SiC外延片厚度均匀性不超过2%,掺杂密度均匀性不超过4%,为传统方法的3倍

● 低缺陷密度:6吋SiC外延片为0.02个/cm2,小于传统方法的1/5;8吋SiC外延三角缺陷<0.25个/cm2。

● 高厚度:成功生产出了厚度为160μm的碳化硅外延薄膜,耐电压达到10kV或以上。

垂直设备历经多次改进,实现高速、高质量SiC外延生长

他们认为,碳化硅外延要同时实现高速和高质量生长,应该采用单腔单片式设备,而不是传统的单腔多片

从他们的多篇论文来看,他们的外延设备历经了多次改进。最早,他们是通过调整气压和配方,来提高碳化硅外延生长速率。

因为在传统的H2-SiH4-C3H8气体系统中,典型的外延生长温度为1600-1650℃,通常是采取增加原料气体分压来提高生长速率,但这会出现气相均匀成核和团块问题。

他们经过研究找到了一个既能解决气相均匀成核问题,又能提升生长速度的有效方法——降低了系统压力,并在气体系统中添加 HCl或使用含Cl 的原料气体(如 SiHCl3)。

电装6吋SiC外延设备改进过程示意图

其研究表明,通过将 H2-SiH4-C3H8气体系统的压力降低到2kPa,并使用相对较高的H2流量和原料气体流量,可以实现250μm/h 的高生长率。

不过,他们发现,这种方式只适用于小尺寸碳化硅外延片,在大直径衬底上实现快速、均匀的外延生长仍存在问题。

因此,在开发6英寸碳化硅外延生长技术时,他们除了开发了一种含有 H2-SiH4-C3H8-HCl 的气体系统,还采用高转速来解决较高气压力均匀成核的问题,从而实现了高生长率和良好的膜厚均匀性。

其论文显示,当晶圆转速为1000rpm、系统压力增加到80 kPa时,SiC 外延的生长率约为低转速时的2倍

理论上,单腔单片生产效率不如多片式设备,但是他们想到了几个解决方法:

● 一是提高转速

他们通过以每分钟最大1000转的速度,实现了缺陷更少的高速碳化硅外延生长——生长速率为42 µm/h,6英寸外延片的膜厚分布约为1.5%,浓度分布为5.2%。

在小尺寸碳化硅外延衬底上,他们的速度更快。根据他们2009年的论文,其设备最大沉积速度可达250 µm/h,这是当时最高的碳化硅外延沉积速度,比传统系统快20多倍

这意味着,生产1000V的碳化硅外延片可以在几分钟内完成,而以前需要一到两个小时;生产30kV的碳化硅外延片可以在大约一个小内完成,而以前需要一到两天。当时5英寸外延片也能达到79µm/h的平均沉积速度,并成功实现了在均匀厚度和掺杂浓度。

● 二是其他环节提速

通过使用自动输送系统,缩短了加热和冷却时间,并缩短了晶圆输送的时间。在该系统中,从晶片传输温度到生长温度的总加热和冷却时间约为15分钟

● 三是使用2个腔室

据他们验证,在双腔单片设备中,1200V碳化硅外延的生长时间约为15分钟,每小时可生产4片。超过50μm/h的生长速度可有效提高更厚外延薄膜的产量。

这项技术是Denso与其他几家公司共同开发的,Denso正在建设产线,预计也将内部生产碳化硅外延片,至于是否与Resonac的技术有所差异还未可知。

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