碳化硅在許多電力轉換應用中比硅表現出顯著的性能優勢。進一步的成本降低和大規模生產是滿足全球電氣化帶來的對電力半導體強勁需求的關鍵。在本文中，我們將詳細討論工程化SIC基板的潛在優勢。

　　SmartSiC工藝

　　Soitec公司在20世紀90年代早期開發了Smart Cut工藝。這涉及使用“承載”晶圓和“捐贈”晶圓。氧化的捐贈晶圓在氧化物表面以下一定深度處植入氫，然后翻轉到承載晶圓上。通過一系列退火，首先在植入深度處分離捐贈晶圓，然后將捐贈晶圓的薄片熔合到承載晶圓上。頂層表面經過拋光后可以用于器件制造。結果得到的硅-氧化物晶圓在射頻、低功耗邏輯和功率IC的制造中具有多種優勢：氧化物提供了隔離，便于不同電壓等級器件的集成，并在閂鎖效應、降低結電容和減少漏電方面具有優勢。

圖1

　　捐贈晶圓在一些準備工作后可以重復使用。這一基本流程被應用到SmartSiC工藝中，但有一些關鍵差異。在這種情況下，承載晶圓是高度摻雜的多晶SiC(pSiC)晶圓，并使用導電粘結將其與捐贈晶圓熔合，捐贈晶圓通常是生產級單晶4H SiC晶圓。捐贈晶圓的碳面向下粘結，確保頂表面是硅面，就像常規的SiC基板一樣。這個SiC層厚度可能在1微米或更少，是可以在其上生長器件外延層的種子層。

　　SmartSiC特性

　　讓我們看看SmartSiC生產的器件的一些特性以及這種基板可能為SiC功率器件的制造流程和性能帶來的潛在優勢。

　　更低的CO2足跡

　　生產單晶SiC基板的標準工藝耗能巨大。物理氣相傳輸(PVT)升華工藝需要高溫(>2,000°C)。相比之下，pSiC可以通過較低溫度、高通量的化學氣相沉積生產。Soitec公司概述的SmartSiC流程顯示，標準單晶捐贈晶圓可以重復使用10次。其生命周期分析估計，按照當前的電力生成組合，SmartSiC流程相比標準流程可減少4倍的CO2排放。

　　更低的基板電阻

　　在垂直SiC MOSFET器件中，凈器件電阻主要由橫向反轉通道電阻、柵極下方的JFET電阻、通過外延層的漂移電阻和基板電阻組成。標準基板起始厚度通常為350微米，在背面接觸金屬化之前被減薄到100微米至200微米。市面上生產級4H-SiC基板的片電阻通常在15–20毫歐厘米之間。這個摻雜水平受到PVT生長過程中晶體質量的權衡限制。相比之下，SmartSiC使用的pSiC基板可以摻雜得更高，典型值為2毫歐厘米。基板電阻的相對貢獻取決于多個因素，包括器件的電壓等級。例如，一個750V的MOSFET具有較薄的外延(漂移)層，相比1200V的MOSFET，其基板電阻的相對貢獻更大，因為較厚的漂移層會相對比基板有更大的電阻貢獻。在一個750V的MOSFET中，基板可能貢獻超過器件總導通電阻(RDS(on))的15%。

　　更低的背面接觸電阻和更簡化的工藝流程

　　在標準SiC工藝流程中，背面接觸通常通過激光退火來創建鎳硅化物層。Soitec展示了在pSiC基板上即使沒有激光退火，其背面片電阻也比標準流程低10倍。

　　圖1描繪了SmartSiC工藝流程改善基板和背面接觸電阻的情況。

　　改進的晶圓平整度和翹曲

　　與標準SiC基板相比，pSiC基板顯示出更好的平整度(通過最小二乘范圍測量)和更少的翹曲，當晶圓經過背面研磨過程時，翹曲減少了超過一倍。

　　缺陷率和檢查

　　Soitec展示了在SmartSiC上的KOH蝕刻后的缺陷密度圖像與捐贈晶圓相同。此外，SmartSiC晶圓被證明與標準光學檢查工具如SICA兼容。頂層的薄種子層允許SiC看到pSiC基底表面。

　　改進的器件比電阻

　　改進的基板和背面接觸電阻直接轉化為改進的器件品質因數。例如，在我們上面討論的750V SiC MOSFET中，器件比電阻的改進可高達20%。圖2展示了肖特基二極管的正向I-V特性的數據對比。正向電阻顯著降低超過10%。這種性能提升大致相當于器件世代躍遷所獲得的改進。

圖2

　　更小的芯片和提高的良率

　　對于給定的器件等級，實現的更高電流密度可以用于使芯片更小，從而在更高良率的情況下每片晶圓的芯片數量增加。這可以直接轉化為成本改善。

　　可靠性

　　在標準單晶SiC和SmartSiC晶圓上制造的肖特基二極管進行了主動功率循環測試(PCT)。這些5×10毫米的芯片，標準SiC的典型電流額定值為138A，而SmartSiC為146A。背面使用銀燒結，頂面接觸使用鋁線鍵合。PCT在80K和120K溫度上升情況下進行，加熱階段持續三秒，然后是冷卻階段持續六秒。

　　超過30萬次循環測試確認了SmartSiC與銀燒結芯片連接的優越性能，顯示出2倍的壽命提高，或20K更高溫度波動能力。這項研究展示了SmartSiC粘結界面的可靠性。其他在器件級別的可靠性研究，如MOSFET體二極管穩定性、短路承受時間和反向偏壓應力如HTRB和HTGB，仍然需要進行以進一步增強對該技術的信心。在離散和模塊級別的應用特定電力轉換應力測試也將是大規模使用此技術的必備前提。

浮思特科技專注功率器件領域，為客戶提供IGBT、IPM模塊等功率器件以及MCU和觸控芯片，是一家擁有核心技術的電子元器件供應商和解決方案商。