碳化硅功率半导体如何变得更好
日期：2025-07-11
当然，最新一代的技术是最好的！但为什么最好？
作者：意法半导体Gianfranco Di Marco和Michele Macauda
总是想要更多
碳化硅的优势与汽车电气化的目标非常契合，可以提高能源效率，缓解牵引逆变器、车载充电器、DC/DC转换器和机电模块的热管理挑战。
然而，汽车市场总是要求更高的可靠性和性能，以及更低的成本。碳化硅元件制造商正在通过技术发展做出回应，以提高坚固性和改善品质因数，特别是在高温下。此外，增加晶圆尺寸和铸造产能使该行业能够满足汽车产量需求并实现规模经济。
始于晶体
众所周知，作为半导体器件衬底，碳化硅比纯硅更难加工。从一开始，在晶体形成时，由于原始晶锭在研磨和抛光之前生长，复合结构中可能会形成缺陷。为了形成完美的晶体，必须完美控制包括压力、温度、化学计量比和冷却速率在内的工艺参数。不可避免地，会出现小偏差，导致缺陷，如空位、间隙缺陷和错位，从而导致位错和晶界。
此外，SiC以其硬度而闻名，因此抛光既耗时又昂贵。经过抛光、研磨和抛光后，原始晶圆仍可能存在缺陷。随后应用外延可以补偿其中的一些，尽管其他外延通常会保留下来，并可能影响在这些位置制造的器件的操作参数和性能。
由于SiC的固有硬度，实现表面平整度也具有挑战性。这对于简化光刻设备的聚焦非常重要，这直接影响了最终的器件参数。需要在单个管芯位置以及整个晶圆表面建立平坦度。两者都是必要的，以确保参数的精确控制，并最大限度地减少由同一晶圆生产的不同器件之间的参数差异。
在晶圆的后续处理中，缺陷会影响外延生长，外延生长会添加与晶圆晶体结构对齐的纯净完美的晶体层，为制造SiC元件奠定基础。外延可以覆盖较小的晶圆缺陷，并防止它们影响器件性能。然而，其他缺陷可能会导致诸如不规则台阶形成、位错以及外延表面上下不一致等现象。
器件开发
显然，晶体生长和晶圆化工艺的改进使得能够生产出具有均匀高质量的外表面晶圆，作为满足市场对性能、可靠性和成本期望的高产量元件制造的起点。
对于元件制造商来说，开发外延和掺杂工艺为改善器件特性以满足汽车等目标市场的需求提供了主要机会。这些是意法半导体在创建其第四代SiC产品组合时关注的关键领域，该产品组合于2024年向主要客户提供。
意法半导体的垂直集成SiC制造战略使工程团队能够优化晶圆外延，以提高对单事件效应和不可避免的累积组件损坏的弹性，这些损坏可能会导致漏电流。外延的发展也允许微调SiC MOSFET的本征体二极管的行为，以实现更快、更节能的开启，同时减少电磁辐射。
意法半导体第四代SiC技术开发的另一个重点是优化掺杂工艺，寻求提高MOSFET的导通电阻，从而降低系统功耗。除了已经讨论过的SiC晶圆生产和外延中遇到的困难外，掺杂SiC衬底也比硅更具挑战性。SiC对掺杂剂原子的溶解度相对较低，使得难以实现高浓度和清晰定义的器件结。此外，SiC中的掺杂剂活化能更高。此外，SiC的硬度可以抵抗离子注入的常规掺杂，因此可能会对晶体结构造成损坏。高温退火可以修复损伤并激活掺杂剂，但代价是元件生产的额外复杂性。
与之前的（第三代）SiC技术相比，克服这些问题后，MOSFET导通电阻x有源区品质因数（FoM）进一步提高了15%。值得注意的是，第三代比第二代好30%，这表明SiC技术正在继续快速发展。最终，这些改进大大降低了电动汽车牵引逆变器等系统的功耗。事实上，第四代器件主要是为汽车牵引逆变器应用而设计的，在高温下具有同类最佳的FoM（图1），并在实际牵引逆变器应力条件下具有扩展的鲁棒性。
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图1：室温和175°C下的导通电阻x管芯面积FoM
改进的保护
意法半导体的第四代SiC技术开发团队还设计了增强型边缘终端，这是集成在基板中的结构，可提高坚固性和可靠性。这些通常位于功率半导体的外围，以防止由器件边缘的结或其他特征周围的场浓度不均匀引起的过度电场强度的影响。场强可能局部超过器件击穿电压，导致早期故障。因此，边缘保护对鲁棒性和可靠性有着至关重要的影响，通常通过场护环（FGR）、结端扩展（JTE）或这些结构的组合来实现。然而，边缘端接可能会占用很大的面积，因此改进必须具有空间效率，以防止封装器件具有过大的占地面积。
改进边缘端接需要一种在尽可能小的面积内提供高达所需击穿电压的有效保护的结构，以确保器件的整体效率。设计一个有效且紧凑的终端是复杂的，因为SiC是一种具有挑战性的材料。除了掺杂剂的缓慢和困难扩散外，合适的介电材料的选择也受到限制。
意法半导体第四代SiC技术的专利边缘终端已被证明可以管理电场分布，并经过定制，可以处理最具挑战性的汽车任务。
除了改进工艺控制以消除晶圆和外延中缺陷的原因，有效提高质量外，还可以通过增加数量来提高每片晶圆的器件产量。早期的商用SiC器件是在小直径晶圆上生产的，一次一个晶圆。随着商业成熟度的提高，典型的生产工艺已经发展到能够同时处理多个晶圆的更大反应器，晶圆之间的质量保持一致。此外，更大的晶圆尺寸使元件制造商能够应对汽车等市场以及新兴的绿色能源领域对高元件量的需求。
为了提高产量和供应链弹性，意法半导体于2023年对其200mm晶圆制造工厂进行了资格认证，并宣布在西西里岛卡塔尼亚的SiC园区投资数十亿美元。这将创建世界上第一个完全集成的碳化硅设施（图2）。生产计划于2026年开始。此外，在与中国制造商三安的合资企业中，ST将于2025年第四季度开始在中国重庆生产SiC器件。
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图2：世界上第一个完全集成的碳化硅工厂，位于卡塔尼亚
结论
每一代SiC技术的改进都带来了新的组件，从而提高了效率、可靠性和鲁棒性。结合对产能的投资以生产更大的产量，设备可以在汽车行业中更有效地部署，在针对不同细分市场的更广泛的车辆平台上部署。同样的进步也使更高性能、更持久、更经济的部件可用于工业、可再生能源发电和存储以及人工智能服务器的电源等市场。
www.st.com
作者：意法半导体Gianfranco Di Marco和Michele Macauda
总是想要更多
碳化硅的优势与汽车电气化的目标非常契合，可以提高能源效率，缓解牵引逆变器、车载充电器、DC/DC转换器和机电模块的热管理挑战。
然而，汽车市场总是要求更高的可靠性和性能，以及更低的成本。碳化硅元件制造商正在通过技术发展做出回应，以提高坚固性和改善品质因数，特别是在高温下。此外，增加晶圆尺寸和铸造产能使该行业能够满足汽车产量需求并实现规模经济。
始于晶体
众所周知，作为半导体器件衬底，碳化硅比纯硅更难加工。从一开始，在晶体形成时，由于原始晶锭在研磨和抛光之前生长，复合结构中可能会形成缺陷。为了形成完美的晶体，必须完美控制包括压力、温度、化学计量比和冷却速率在内的工艺参数。不可避免地，会出现小偏差，导致缺陷，如空位、间隙缺陷和错位，从而导致位错和晶界。
此外，SiC以其硬度而闻名，因此抛光既耗时又昂贵。经过抛光、研磨和抛光后，原始晶圆仍可能存在缺陷。随后应用外延可以补偿其中的一些，尽管其他外延通常会保留下来，并可能影响在这些位置制造的器件的操作参数和性能。
由于SiC的固有硬度，实现表面平整度也具有挑战性。这对于简化光刻设备的聚焦非常重要，这直接影响了最终的器件参数。需要在单个管芯位置以及整个晶圆表面建立平坦度。两者都是必要的，以确保参数的精确控制，并最大限度地减少由同一晶圆生产的不同器件之间的参数差异。
在晶圆的后续处理中，缺陷会影响外延生长，外延生长会添加与晶圆晶体结构对齐的纯净完美的晶体层，为制造SiC元件奠定基础。外延可以覆盖较小的晶圆缺陷，并防止它们影响器件性能。然而，其他缺陷可能会导致诸如不规则台阶形成、位错以及外延表面上下不一致等现象。
器件开发
显然，晶体生长和晶圆化工艺的改进使得能够生产出具有均匀高质量的外表面晶圆，作为满足市场对性能、可靠性和成本期望的高产量元件制造的起点。
对于元件制造商来说，开发外延和掺杂工艺为改善器件特性以满足汽车等目标市场的需求提供了主要机会。这些是意法半导体在创建其第四代SiC产品组合时关注的关键领域，该产品组合于2024年向主要客户提供。
意法半导体的垂直集成SiC制造战略使工程团队能够优化晶圆外延，以提高对单事件效应和不可避免的累积组件损坏的弹性，这些损坏可能会导致漏电流。外延的发展也允许微调SiC MOSFET的本征体二极管的行为，以实现更快、更节能的开启，同时减少电磁辐射。
意法半导体第四代SiC技术开发的另一个重点是优化掺杂工艺，寻求提高MOSFET的导通电阻，从而降低系统功耗。除了已经讨论过的SiC晶圆生产和外延中遇到的困难外，掺杂SiC衬底也比硅更具挑战性。SiC对掺杂剂原子的溶解度相对较低，使得难以实现高浓度和清晰定义的器件结。此外，SiC中的掺杂剂活化能更高。此外，SiC的硬度可以抵抗离子注入的常规掺杂，因此可能会对晶体结构造成损坏。高温退火可以修复损伤并激活掺杂剂，但代价是元件生产的额外复杂性。
与之前的（第三代）SiC技术相比，克服这些问题后，MOSFET导通电阻x有源区品质因数（FoM）进一步提高了15%。值得注意的是，第三代比第二代好30%，这表明SiC技术正在继续快速发展。最终，这些改进大大降低了电动汽车牵引逆变器等系统的功耗。事实上，第四代器件主要是为汽车牵引逆变器应用而设计的，在高温下具有同类最佳的FoM（图1），并在实际牵引逆变器应力条件下具有扩展的鲁棒性。
图1：室温和175°C下的导通电阻x管芯面积FoM
改进的保护
意法半导体的第四代SiC技术开发团队还设计了增强型边缘终端，这是集成在基板中的结构，可提高坚固性和可靠性。这些通常位于功率半导体的外围，以防止由器件边缘的结或其他特征周围的场浓度不均匀引起的过度电场强度的影响。场强可能局部超过器件击穿电压，导致早期故障。因此，边缘保护对鲁棒性和可靠性有着至关重要的影响，通常通过场护环（FGR）、结端扩展（JTE）或这些结构的组合来实现。然而，边缘端接可能会占用很大的面积，因此改进必须具有空间效率，以防止封装器件具有过大的占地面积。
改进边缘端接需要一种在尽可能小的面积内提供高达所需击穿电压的有效保护的结构，以确保器件的整体效率。设计一个有效且紧凑的终端是复杂的，因为SiC是一种具有挑战性的材料。除了掺杂剂的缓慢和困难扩散外，合适的介电材料的选择也受到限制。
意法半导体第四代SiC技术的专利边缘终端已被证明可以管理电场分布，并经过定制，可以处理最具挑战性的汽车任务。
除了改进工艺控制以消除晶圆和外延中缺陷的原因，有效提高质量外，还可以通过增加数量来提高每片晶圆的器件产量。早期的商用SiC器件是在小直径晶圆上生产的，一次一个晶圆。随着商业成熟度的提高，典型的生产工艺已经发展到能够同时处理多个晶圆的更大反应器，晶圆之间的质量保持一致。此外，更大的晶圆尺寸使元件制造商能够应对汽车等市场以及新兴的绿色能源领域对高元件量的需求。
为了提高产量和供应链弹性，意法半导体于2023年对其200mm晶圆制造工厂进行了资格认证，并宣布在西西里岛卡塔尼亚的SiC园区投资数十亿美元。这将创建世界上第一个完全集成的碳化硅设施（图2）。生产计划于2026年开始。此外，在与中国制造商三安的合资企业中，ST将于2025年第四季度开始在中国重庆生产SiC器件。
图2：世界上第一个完全集成的碳化硅工厂，位于卡塔尼亚
结论
每一代SiC技术的改进都带来了新的组件，从而提高了效率、可靠性和鲁棒性。结合对产能的投资以生产更大的产量，设备可以在汽车行业中更有效地部署，在针对不同细分市场的更广泛的车辆平台上部署。同样的进步也使更高性能、更持久、更经济的部件可用于工业、可再生能源发电和存储以及人工智能服务器的电源等市场。
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