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碳化矽基板及磊晶成长领域 环球晶布局掌握关键技术
 

【作者: 芮嘉瑋】2021年06月18日 星期五

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由於5G、电动车、高频无线通讯及国防航太等新兴科技趋势的兴起,产业对於高频率、低耗损的表现需求日益增加,如何在高温、高频率及高电压等恶劣环境作业下损失较少功率的化合物半导体材料,备受产业期待。而基於碳化矽(SiC)晶片制作宽能隙半导体的器件,能够满足传统矽基半导体所不能满足的诸多优点。


放眼全球化合物半导体大厂,碳化矽(SiC)晶圆的供应以美国大厂Cree为首,是具有上下游整合制造能力的整合元件制造商(IDM),在碳化矽之全球市占率高达六至七成。磊晶厂则以美国的II-VI Incorporated为代表;模组厂包括欧系的意法半导体(STM)、英飞凌(Infineon)、日本的罗姆(Rohm)和三菱电机(Mitsubishi Electric)等。


在半导体材料领域,台湾的环球晶为全球第三大半导体矽晶圆供应商,除了产品布局的组合多元,提供半导体材料「一站式购买」服务,并且在碳化矽晶片领域积极布局掌握关键技术。


碳化矽专利组合家族

环球晶的专利组合中涉及碳化矽基板(碳化矽晶片)及磊晶结构的专利家族(INPADOC Family)有20案,自2016年起开始专利布局,2017年布局最多关於碳化矽基板及其磊晶成长的专利(图一)。



图一 : 环球晶碳化矽基板及其磊晶成长的专利申请趋势图(Count by INPADOC Family;作者绘图)
图一 : 环球晶碳化矽基板及其磊晶成长的专利申请趋势图(Count by INPADOC Family;作者绘图)

在其专利组合中,涉及三阶国际专利分类码(International Patent Classification; IPC)以适用半导体装置的H01L最多,其次为C30B;四阶IPC以适用於制造或处理半导体装置或元件之方法或设备的H01L 21最多,其次为C30B 29;五阶IPC则包括H01L 21/20、H01L 21/304、C30B 29/36、C30B 25/18、C30B 33/00,以及C30B 23/00(表一)。


表一 环球晶的专利组合中INPADOC Family涉及国际专利分类码(IPC)对照表

国际专利分类码 (IPC)

环球晶的专利组合

产品项目

项目内容

三阶

 

H01L

半导体装置

C30B

晶体生长、单晶或具有一定结构之均匀多晶材料及其制备

四阶

H01L 21

适用於制造或处理半导体装置或元件之方法或设备

C30B 29

以材料或形状为特徵的单晶或具有一定结构之均匀多晶材料

五阶

H01L 21/20

半导体材料於基片上之沉积,如磊晶成长

H01L 21/304

使用诸如研磨、抛光、切割等机械处理方法处理半导体材料

C30B 29/36

以碳化物材料或形状为特徵的单晶或具有一定结构之均匀多晶材料

C30B 25/18

以衬底为特徵之外延层生长

C30B 33/00

单晶或具有一定结构的均匀多晶材料之後处理

C30B 23/00

材料挥发法之单晶生长


(制表: CTIMES杂志)

专利布局着重二大要项

环球晶在碳化矽晶片领域的专利布局,着重在碳化矽晶片的表面加工方法以及磊晶技术。


一、碳化矽晶片的表面加工方法

磊晶薄膜对晶片(基板)的依赖性很强。因此碳化矽晶片表面品质,例如缺陷率和平坦度,会影响於其上形成磊晶薄膜的品质,严重会引起漏电和降低电子迁移率,进而影响半导体元件制作的性能。在技术上,环球晶对碳化矽晶片表面进行加工,以有效改善碳化矽晶片表面产生的缺陷及平整度不隹的问题[1]。


此外,在现有碳化矽晶片表面加工技术中,为了将碳化矽晶片的表面损伤移除,可以在碳化矽晶片的表面形成牺牲氧化层,之後再将牺牲氧化层移除,以一并将表面损伤移除,从而提升碳化矽晶片的表面平坦度。


然而,由於碳化矽晶片的碳面晶向与矽面的不同,因此两面存在着氧化速率不一致的问题,碳化矽晶片的碳面为损耗面,氧化速率过快、而矽面为加工面的氧化速率过慢,如此将因需要移除过多的碳面氧化层而易因机械加工产生新的表面损伤,或者为了让矽面氧化层成长至一定的厚度致使时间过於冗长。


环球晶提出一种碳化矽晶片表面加工方法,在牺牲氧化层形成的步骤中,以有机薄膜或腊膜来辅助,使得让矽面的氧化速率大於碳面的氧化速率,从而减少材料的浪费和新的表面损伤产生的机会,并可缩短牺牲氧化层的成长时间[2]。


二、磊晶技术

磊晶(Epitaxy)是指在晶圆上长出新结晶以形成半导体层的技术。在磊晶和基板界面常有本身磊晶材料引发自发极化或者因磊晶和基板晶格不匹配而引发压电极化,造成磊晶和基板界面电阻降低(interface loss)的问题。


环球晶因此提供一种包括矽基板和碳化矽层的磊晶基板,藉由形成碳化矽层於矽基板内部,并且控制碳化矽层与第一表面之间的距离介於100埃与500埃之间,因此可藉由碳化矽层解决在磊晶面因自发或压电极化而产生的界面电阻降低以及寄生功率损失的问题[3]。


现有的半导体元件是在磊晶基材上成长磊晶层,然後再於磊晶层上制作元件的结构。而磊晶用的基材通常会在基板上成长缓冲层,缓冲层之目的即是用以减少基板与磊晶层之间晶格不匹配的情形、降低缺陷密度或减少基板与磊晶层之间热膨胀系数的差异,


为了降低基板和磊晶层之间的应力,避免基板弯曲及破裂的现象产生,环球晶提出一种磊晶用的基材,包括利用复数层堆叠的原子层形成品质较高的缓冲层,进而提升基材上磊晶层的品质及元件的效能[4]。并提供一种包括背扩散阻挡阻障层的磊晶结构,除了可改善磊晶结构晶格的匹配性,其中该背扩散阻挡阻障层的碳浓度沿厚度方向为步阶式变化或步阶渐变式变化,可同时具有扩散阻挡作用与改善载子局限能力,进而增加半导体元件的特性[5]。


此外,传统上当磊晶层的材料为GaN(或其他的III-V族化合物)时,不同的基板与磊晶层在晶格常数和热膨胀系数具有差异,针对不同基板分别是:


1.矽基板(17%的晶格错配和46%的热膨胀系数差异)


2.蓝宝石基板(16%的晶格错配和34%的热膨胀系数差异)


3.SiC基板(3.5%的晶格错配和25%的热膨胀系数差异)


虽然SiC基板具有最小的晶格常数错配和最小的热膨胀系数,但相较其他基板材质也最昂贵。基於基板与磊晶层之间的晶格常数和热膨胀系数差异,当磊晶层成长於基板上时,异质结构内将产生应力场,进而导致晶片翘曲或破裂。为减少异质磊晶结构引起的弯曲/破裂现象,环球晶提出一种异质磊晶结构[6],例如在基板上创建一损伤层、应用掺质在基板内形成扩散层以及在基板施加保护层等技术或使用以上三种技术的组合。


化合物半导体竞争板块卡位前驱

综观以上,唯有掌握关键技术、强化碳化矽晶圆供应链及提升半导体晶圆地位,才能够在国际市场上脱颖而出。兹说明评析如下:



图二 : 现在积极布局、掌握关键技术,打造台湾成为重要的供应链,化合物半导体将有机会成为下一个护国神山。(source:The Manufacturer)
图二 : 现在积极布局、掌握关键技术,打造台湾成为重要的供应链,化合物半导体将有机会成为下一个护国神山。(source:The Manufacturer)

一、技术门槛高,掌握关键技术

目前各国投入化合物半导体的厂商不多,主要是技术门槛高。化合物半导体是两种以上的元素结合,必须考虑晶格及原子的匹配性,在晶球生长、磊晶制程及晶圆加工阶段都算困难。以SiC为例,将碳与矽两种材料进行高温熔融,必须精准掌握高真空度及高温均匀性等两大要件,技术难度高,因此成本居高不下。


未来在电动车、5G时代的促使下,肯定是化合物半导体风光的年代,该领域技术门槛相对困难,若能现在就积极布局、掌握关键技术,打造台湾成为一个重要的供应链,化合物半导体有机会成为下一个护国神山。


二、强化碳化矽晶圆供应链

2019年8月环球晶与GT Advanced Technologies(GTAT)双方达成协议共同签署碳化矽晶球长期合约[7],串连各自的技术优势,快速扩大产能,形成新的碳化矽晶圆供应来源。此合作不仅扩大环球晶於高阶半导体晶圆材料产品的完整度,也扩增其SiC矽晶圆於全球半导体市场上的供应,并确保其取得长期稳定且可依市场需要快速扩充产能的高品质碳化矽晶球供应,对於环球晶碳化矽产品的加速成长,具有长远积极的实质效益。


三、透过并购提升半导体晶圆产业地位

为了在半导体矽晶圆领域领先产业,环球晶在2020年12月与德国矽晶圆厂世创(Siltronic)正式签订商业合并协议(BCA),并确认环球晶将公开收购世创所有流通在外股份。预期此次结合将带来一系列的战略与营运效益,包括扩大产能及市占率,提升半导体晶圆产业地位[8],此外,透过并购可进一步缩短在碳化矽及氮化??等宽能隙材料矽晶圆的开发及前置时间,以争取国际功率半导体大厂及车用晶片的订单,包括英特尔、安森美、英飞凌、意法、恩智浦、德州仪器等IDM大厂都将成为未来重要客户。


台湾产学研各界在化合物半导体发展上已耕耘多年且初具成效,加以国际仰赖的矽基半导体生态体系的能量加持优势,未来台湾在全球化合物半导体竞争板块之中,环球晶已卡位发展蓝图规画并与国际介接,期待它再创造出一个台湾之光!


(本文作者??嘉??博士任职工业技术研究院技术移转与法律中心执行长室)


叁考资料

[1] Silicon carbide wafer and method for production thereof, 2019 July 9, US Patent US10347481B2.


[2] 碳化矽晶片的表面加工方法,2020年1月11日公告,台湾专利公告号I716304。


[3] Epitaxy substrate and method of manufacturing the same, 2020 March 5, US Patent publication US2020075328A1.


[4] 磊晶用之基材,2017年11月11日公告,台湾专利公告号M551754。


[5] Epitaxial structure, 2021 February 18, US Patent Publication US2021050422A1.


[6] Silicon substrates with compressive stress and methods for production of the same, 2016 Jun. 28, US9378946B2.


[7] https://www.sas-globalwafers.com/en/globalwafers-and-gt-advanced-technologies-sign-long-term-agreement-for-silicon-carbide-crystal-global-leader-in-silicon-wafers-adds-silicon-carbide/


[8] 合并後环球晶将挤下日本胜高(SUMCO)成为全球第二大矽晶圆厂,市占率将达26.7%,与龙头大厂日本信越(Shin-Etsu)的市占率差距仅2.7个百分点。


*刊头图(source:Wafer World)


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