碳化硅(SiC)代工业务即将兴起？

2020-01-30 11:03:22 EETOP

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随着对碳化硅(SiC)技术需求的激增，一些第三方代工厂商正在进入或扩大他们在该领域的努力。

然而，对碳化硅代工供应商和他们的客户来说，要想在市场上取得显著的进展并不容易。它们正面临来自Cree、英飞凌(Infineon)、Rohm和意法半导体(STMicroelectronics)等传统SiC器件供应商的激烈竞争。

SiC是一种基于硅和碳的化合物半导体材料，可用于制造用于电动汽车、电源、太阳能和火车等高压应用的专用功率半导体器件。SiC的突出之处在于它比传统的功率电源更有效率，具有更高的击穿电压。

在SiC中，集成器件制造商（IDM）占据主导地位。Cree，Rohm和其他公司在自己的工厂生产器件，并以自己的品牌名称出售。

IDM相互竞争，新兴的SiC无晶圆设计公司也相互竞争。无晶圆厂公司和其他公司的产品由代工厂商生产。SiC代工厂使客户能够获得制造能力，但是这里存在一些成本和供应链方面的挑战。通常，SiC IDM不提供代工服务或，也不为他人制造芯片，但这种情况有一天可能会改变。

SiC代工业务刚刚起步。不过，在某些时候，SiC代工厂希望复制成功的硅代工厂的模式。在这种模式下，许多芯片公司将其IC生产外包给了台积电、三星、GlobalFoundries和SMIC等硅代工厂。这些硅代工供应商未参与SiC的代工。目前SiC代工业务仍然很小。

事实证明，SiC代工业务比硅代工业务困难得多。短期内SiC代工业务将与其他半功率市场类似。最好的例子是绝缘栅双极晶体管（IGBT），这是一种与SiC器件竞争的功率半类型。

YoleDéveloppement分析师Hong Lin说：“当您谈论硅代工厂模式时，它是非常成功的。” “我并不是要说碳化硅的代工没有机会。在功率半导体行业，如果我们关注当今的IGBT设计，这里有很多代工厂，但这更多是IDM业务。”

不过尽管如此，该行业仍需密切关注这一领域的动态。其中包括:

X-Fab（德国）在其位于美国的晶圆厂中的SiC代工能力翻了一番。
Clas-SiC（英国），Episil（中国台湾），三安（中国）和YPT（韩国）最近进入了SiC代工业务。
一些IDM和硅代工厂也在探索市场。

什么是功率半导体？根据Yole的说法，SiC器件业务总计从2018年的4.2亿美元增长到2019年的5.64亿美元。增长动力最大的是电动汽车，电源和太阳能也是强劲的市场。

“在我们的预测中，2020年仍将增长，” Yole的Lin说。“如果我们看看5年的复合年增长率，它接近30%。如果我们看一下今年，有一些产品将继续上升。但真正的增长，尤其是汽车市场的增长，要晚一些，而不是在2020年。

Lin说：“毫无疑问，对于电动汽车/混合电动汽车的不同逆变器和转换器，使用宽禁带代替基于硅的技术会带来技术优势，” “研发计划和技术发展显示出积极的成果，包括减小了尺寸和重量，并提高了SiC和GaN的效率。”

图1：功率SiC器件预测

SiC也具有竞争力。几乎有两个碳化硅器件供应商参与了该业务的竞争。“市场仍然非常新生。我们仍处于阶段，在这里看到越来越多的公司。我们可能会看到它进入整合阶段。” 预测无晶圆厂公司是否成功还为时过早。今天，现在说还为时过早。”

SiC也很有竞争力。近20多家碳化硅设备供应商在该行业展开竞争，不过市场仍处于非常初期的阶段。现在预测这些无晶圆厂企业是否会成功还为时过早。

SiC功率半导体是市场上许多类型的功率器件之一。功率半导体是用作开关的专用晶体管。它们允许电源在“开”状态下流动，并在“关”状态下截止。这些器件提高了效率，并将系统中的能量损失降至最低。

多年来，功率半导体市场一直被硅基器件所占据，即功率MOSFET和IGBT。功率MOSFET用于高达900伏的应用中。包括适配器和电源等。

IGBT用于400伏至10千伏的应用，包括：汽车、工业和其他应用等。

功率MOSFET和IGBT既成熟又便宜，但它们也达到了理论极限。这正是SiC和氮化镓(GaN)的用武之地。氮化镓和碳化硅都是宽禁带技术，这意味着它们比硅基器件效率更高。例如，与硅相比，SiC的击穿场强是硅的10倍，导热系数是硅的3倍。

UMC公司市场营销副总裁Steven Liu表示：“由于SiC和GaN与诸如功率MOSFET和IGBT的硅基同行相比，具有更高的效率和更小的外形特性，因此它们是电力半导体市场上很有前途的元件。” “在具有相同的相对电压和电流处理能力的情况下，器件的尺寸可以小得多。GaN已经在600伏及以下的应用中取得进展，而SiC已经在1200伏特及以上的应用得到了更多的进展。”

器件制造商出售SiC功率MOSFET和二极管，它们用于600伏至10千伏的应用中。SiC功率MOSFET是功率开关晶体管。二极管是一种在一个方向通过电流并在相反方向阻止电流的设备。

目前SiC的缺点是成本，该器件比功率MOSFET和IGBT更加昂贵。

IDM模式

功率半导体与数字CMOS芯片不同。它们可以承受系统中的高压和大电流。

在CMOS中，芯片供应商强调IC设计以使其产品与众不同。许多芯片供应商还将其部分或全部生产外包给硅代工厂。代工厂商开发基准流程，客户围绕该基准流程设计芯片。

半功率段是不同的。UMC的刘表示：“许多代工厂为包括UMC在内的客户提供MOSFET / IGBT生产服务。” “但是，就出货量而言，IDM仍然继续主导分立IC。”

通常，在功率分立器件中，代工厂不会制定基准流程。取而代之的是，fabless设计公司根据公司的专有工艺开发设备。然后，来自fabless公司的工艺被移植到代工厂。

每个fabless客户可能有不同的工艺过程。因此，代工厂必须为众多客户移植和维护不同的流程。

“这与普通的代工模式不符。这样，通过运行每个不同的单一流程，您便可以节省大量成本。Cree的电源和RF首席技术官John Palmour说，这只是用不同的掩模和电路布线方式。“这不适用于功率设备。我并不是说代工模型行不通。他们在做生意。但是，碳化硅领域的大佬们并不使用代工厂。他们都使用自己的晶圆厂。”

有几个原因。简而言之围绕代工厂中的工艺开发和优化了给定的设备。器件和工艺在工厂中是紧密耦合的。因此，重点是开发专有流程，而不是IC设计。实际上，设计和过程是相同的。

“换句话说，你不能只画出一个功率MOSFET，把它扔下来并说‘打印’出来，” Palmour说。“原因是没有电路设计。您无法通过电路设计将自己与竞争对手区分开来，因为这是一个大器件，并不是一个电路。您出售的产品实际上就是工艺流程。您的设计完全取决于生产流程，反之亦然。这就是您与竞争对手区分开来的方式。”

因此，从传统的角度来看，SiC功率器件不是一个真正的电路。Palmour说：“这是一堆并联的小离散MOSFET。”

总而言之，IDM模型适用于SiC。SiC市场由多家IDM主导，例如Cree，Infineon，OnSemiconductor，STMicroelectronics，Rohm，Toshiba等。

并非所有IDM都一样。一些是垂直整合的。例如，Cree制造自己的SiC衬底。它不仅将基材用于自己的产品，而且还将其出售给竞争对手。此外，Cree制造并销售SiC设备给客户。

Rohm和STMicroelectronics也是垂直集成的。集成供应商可以控制供应链，使他们能够快速响应需求周期。

很多IDM并不是垂直集成的。大多数都从Cree，Rohm或第三方供应商那里购买基板。

但是，对于所有供应商而言，SiC都存在一些制造挑战。在SiC流程中，供应商获得SiC晶片，然后在100毫米（4英寸）或150毫米（6英寸）晶圆厂中对其进行处理，进而产生了SiC功率器件。

最大的挑战是SiC衬底。它太贵了，从而推高了SiC功率器件的成本。KLA产品营销经理Mukund Raghunathan表示：“我们在SiC市场上看到的一个关键挑战是，以合理的价格为为任何公司的生产计划确保高质量的基板。”

SiC衬底的生产过程很复杂。它从插入坩埚中的硅和碳材料开始。在坩埚中，形成晶锭，然后将其切成SiC衬底。

ASE公司业务发展高级副总裁Rich Rice说：“与硅相比，碳化硅存在很多挑战，碳化硅更加难以处理，研磨和锯切。”

在此过程中，SiC衬底容易出现各种缺陷类型。应用材料公司战略营销总监Llewellyn Vaughan-Edmunds说：“大多数挑战都与SiC材料的质量有关。需要减少诸如基础平面缺陷之类的致命缺陷以及诸如螺钉错位等一般缺陷。”

在SiC晶片工艺之后，在衬底上生长外延层。然后在晶圆厂中对晶片进行处理，从而制成SiC器件。

SiC MOSFET基于两种结构类型-平面和沟槽。平面集成了传统的源极-栅极-漏极结构。沟槽形成“ U形”垂直浇口通道。

谈到晶圆处理和等离子蚀刻，对于非平面SiC器件，沟槽轮廓有两种选择。用户要求没有微沟槽（平底）或底部倒圆（试管形状）的沟槽。SPTS总裁兼KLA高级副总裁Kevin Crofton表示：“无论使用哪种轮廓，都需要使用端点来将蚀刻前沿停止在正确的深度。” “对于SiC器件，通过PVD进行膜沉积与硅MOSFET线中使用的非常相似。在这两种应用中，设备制造商都希望沉积无缺陷的厚（大于4微米）铝合金。挑战之一是不使用须晶就以高速率沉积这些薄膜。另一个挑战是跟踪和对齐晶圆处理系统周围的透明晶圆，特别是使用旧式硬件。”

碳化硅行业需要一些突破。如今，基板成本约为已加工晶圆的50％。该行业的目标和重点是降低成本，增加供应，同时提高质量。因此，加快SiC晶圆棒的生长，提高均匀性，实现更快的切片速度和高精度CMP的新方法是重点。

fabless模式

客户可以购买从IDM和fabless公司的SiC器件。

在CMOS中，这种关系通常称为fabless代工模式。该模式于1980年代首次引入。

SiC fabless代工模式是相对较新的模式，它带来了各种各样的挑战。尽管IDM将继续占据主导地位，但fabless和代工厂商还有余地。实际上，几家fabless公司已经在使用代工厂生产产品。

KLA的Raghunathan说：“fabless模式允许初创企业和较小的公司测试其产品而无需大量的工艺设备投资。” 相反，传统的晶圆厂保留了成为主要客户首选战略供应商的优势。两种模式都在发挥各自的优势，满足当前行业格局的各种需求，并找到共存的方式。”

多年来，一些供应商提供了SiC代工服务。但是最大的努力始于2015年，当时美国能源部和北卡罗来纳州立大学成立了PowerAmerica，这是行业、政府、国家实验室和学术界之间的合作伙伴关系。PowerAmerica的目标是加速GaN和SiC的商业化。

作为其努力的一部分，PowerAmerica在2016年为X-Fab提供了支持，该工厂正在（并且仍在）在其德克萨斯州150毫米晶圆厂开发SiC代工服务。X-Fab与PowerAmerica合作，设计了用于制造SiC器件的工艺套件和其他技术。

其他人正在开发类似的服务。Episil正在将其SiC晶圆代工厂从100mm转变为150mm。三安推出了150mm SiC代工服务。现在越来越多的代工企业有兴趣涉足这一市场。”

今天，X-Fab已与数个SiC客户一起投入生产。但是建立SiC代工业务带来了一些挑战。X-Fab业务部经理ChristopherToelle表示：“需要进行投资以在批量生产之前提供相当大的支持创建合适的代工基础设施以适应SiC电力客户的需求也很重要。”

根据Toelle的说法，以下是该领域的其他挑战：

开发与现有代工有竞争力的成本结构。
说服IDM通过代工厂的生产来补充其内部能力。
引入合适的人才来开发和安装新的流程。

尽管面临挑战，但一些SiC器件供应商仍在使用代工厂生产产品。这些供应商包括ABB，GeneSiC，Global Power，Microchip，Monolith和UnitedSiC。

拥有晶圆厂很有意义。但据UnitedSiC称，除非每月可以处理10,000至30,000个SiC晶片，否则建造一个晶圆厂在经济上没有意义。

只有少数供应商以这种数量生产设备。如果没有，那么使用代工厂是有意义的。Fabless SiC器件供应商UnitedSiC总裁兼首席执行官Chris Dries说：“走这条路的原因是，这确实是建立半导体业务的最有资金效率的方法。” UnitedSiC拥有X-Fab生产的150mm产品。它还使用未公开的供应商来提供100mm的容量。

拥有代工厂只是其中的一部分。“作为一家fabless公司，您必须购买基板并在其上进行磊晶处理。然后，您需要代工厂和封装厂。” Dries说。“作为一家fabless公司，我们如何与更大的垂直整合竞争对手竞争？您必须创新垂直整合的竞争对手。这正是我们所做的。我们拥有当今世界上最低的特定导通电阻设备。”

UnitedSiC销售几种产品，包括SiC结栅极FET（JFET）。“我们制作常开JFET，然后用低压硅MOSFET进行共源共栅。它更像是一种复合器件。”

不过，有些客户在与fabless公司打交道时可能会有些不快。为了帮助解决问题，UnitedSiC具有强大的后盾。ADI已投资了UnitedSiC，并与该公司签订了供应协议。

但是要与IDM竞争并不容易。工艺成本高。一位专家表示：“试图与IDM竞争价格几乎是不可能的。”

还有其他障碍。在CMOS中，许多IDM停止建造高级晶圆厂，因为它们太贵了。相反，许多IDM决定将其部分或部分生产外包给代工厂。目前尚不清楚外包模式是否适用于SiC IDM。

结论

显然，由于电动汽车市场的潜在需求，SiC是一个热门市场。反过来，这吸引了越来越多的新参与者，包括设备制造商和代工厂。

（本文由EETOP翻译自semiengineering）

关键词：碳化硅 SiC