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 6

最近，某碳化硅企業在線上活動透露，6寸碳化硅晶圓的價格為2-3萬元/片，可以做成350-700顆車規級SiC Mosfet。目前碳化硅器件價格大約是硅器件的4-5倍。有機構預測，2025年碳化硅器件的價格有望低至硅器件的1.5倍左右，但如何才能做到？

“三代半風向”發現，不久前，北卡羅來納州立大學（NCSU）公布了一項碳化硅技術的最新進展，目標恰巧是要將碳化硅的價格降低至僅為硅晶圓的1.5倍。據介紹，這項技術可以幫助企業降低進入碳化硅領域的門檻，最終實現代工廠共享、工藝共享，從而無需耗費時間和財力去研發專有技術工藝。而且該技術能夠在傳統代工廠中生產，大尺寸碳化硅晶圓產品已經量產，已經上市的產品包括1.2kV的JBS、功率MOSFET和JBSFET，良率均高達90%。

該技術的主要發明人也是IGBT的發明人，他表示，這些技術如果成功的話，有一天可以取代IGBT。

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共享工藝、更大晶圓

目標：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：“我們的目標是將SiC的成本降為硅功率器件的1.5倍。” 他認為，相對于Si IGBT，較高的制造成本成為了市場大規模采用的障礙。而成本持續高昂的其中一個重要原因是，那些已經研發出SiC功率器件的企業都是單獨享有制造工藝，從而導致其他企業難以進入該領域，工廠產能無法擴大，成本就下不來。為此，NCSU研究出一項共享技術——PRESiCETM工藝，來減少企業進入碳化硅領域的障礙，推動創新。 Baliga表示：“PRESiCETM將推動更多的企業進入SiC市場，因為他們不需要從頭開始去研發自己的設計和制造工藝，這非常昂貴和耗時。這對企業、用戶都很好，如果更多企業加入到SiC功率器件的制造中，將增加代工廠的產量，從而可以顯著減少成本。” 據介紹，這項技術開始于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，目前已經發展到第三代。“自2015年以來，許多公司已將其先前開發的專有SiC功率器件制造工藝流程移植美國德州的X-Fab代工廠。” 另一個方式是采用現有的成熟的硅器件代工廠，用大產能、大尺寸晶圓來降低成本。 Baliga表示，SiC功率MOSFET的大多數工藝步驟（多達80％）能夠在硅代工廠中去完成，要做的只是升級碳化硅材料所需的柵極氧化和離子注入退火等高溫設備。通過X-Fab這種非專有代工廠，“更多企業生產，碳化硅成本將會給更低”。從2015年現在，PRESiCE得到了進一步改。通過使用內部設備更均勻地執行熱離子注入步驟，第三代PRESiCE在6英寸晶圓代工廠中制造的SiC功率器件已經成功上市。下圖為PRESiCE技術制造的高良率、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技術制造的三種類型的SiC功率器件。

據介紹，PRESiCETM技術主要特點之一是使用了10次掩膜工藝，看下圖↓↓↓↓

10a443762e23cd00ac0039615dd514df 圖2.制造SiC功率MOSFET的PRESiCE技術工藝流程。

工藝鑒定結果：

良率超過90%

為了鑒定第三代PRESiCETM工藝技術成果，代工廠X-Fab連續生產了三批產品，采用的都是相同的工藝步驟。根據測得的數據，發現使用第三代 PRESiCETM技術制造的JBS整流器的良率超過90％、JBS二極管的泄漏電流遠低于行業標準的100 µA。JBS二極管的通態壓降約為2 V，跟硅基IGBT和SiC功率MOSFET一樣，都適合用作反并聯二極管。而PRESiCETM制造的碳化硅功率MOSFET的測量數據顯示：90％的器件的最大導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據表要求的+/- 30％之內。

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