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碳化硅(SiC)代工業務即將興起？

2020-01-30 11:03:22 EETOP

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隨著對碳化硅(SiC)技術需求的激增，一些第三方代工廠商正在進入或擴大他們在該領域的努力。

然而，對碳化硅代工供應商和他們的客戶來說，要想在市場上取得顯著的進展并不容易。它們正面臨來自Cree、英飛凌(Infineon)、Rohm和意法半導體(STMicroelectronics)等傳統SiC器件供應商的激烈競爭。

SiC是一種基于硅和碳的化合物半導體材料，可用于制造用于電動汽車、電源、太陽能和火車等高壓應用的專用功率半導體器件。SiC的突出之處在于它比傳統的功率電源更有效率，具有更高的擊穿電壓。

在SiC中，集成器件制造商（IDM）占據主導地位。Cree，Rohm和其他公司在自己的工廠生產器件，并以自己的品牌名稱出售。

IDM相互競爭，新興的SiC無晶圓設計公司也相互競爭。無晶圓廠公司和其他公司的產品由代工廠商生產。SiC代工廠使客戶能夠獲得制造能力，但是這里存在一些成本和供應鏈方面的挑戰。通常，SiC IDM不提供代工服務或，也不為他人制造芯片，但這種情況有一天可能會改變。

SiC代工業務剛剛起步。不過，在某些時候，SiC代工廠希望復制成功的硅代工廠的模式。在這種模式下，許多芯片公司將其IC生產外包給了臺積電、三星、GlobalFoundries和SMIC等硅代工廠。這些硅代工供應商未參與SiC的代工。目前SiC代工業務仍然很小。

事實證明，SiC代工業務比硅代工業務困難得多。短期內SiC代工業務將與其他半功率市場類似。最好的例子是絕緣柵雙極晶體管（IGBT），這是一種與SiC器件競爭的功率半類型。

YoleDéveloppement分析師Hong Lin說：“當您談論硅代工廠模式時，它是非常成功的。” “我并不是要說碳化硅的代工沒有機會。在功率半導體行業，如果我們關注當今的IGBT設計，這里有很多代工廠，但這更多是IDM業務。”

不過盡管如此，該行業仍需密切關注這一領域的動態。其中包括:

X-Fab（德國）在其位于美國的晶圓廠中的SiC代工能力翻了一番。
Clas-SiC（英國），Episil（中國臺灣），三安（中國）和YPT（韓國）最近進入了SiC代工業務。
一些IDM和硅代工廠也在探索市場。

什么是功率半導體？根據Yole的說法，SiC器件業務總計從2018年的4.2億美元增長到2019年的5.64億美元。增長動力最大的是電動汽車，電源和太陽能也是強勁的市場。

“在我們的預測中，2020年仍將增長，” Yole的Lin說。“如果我們看看5年的復合年增長率，它接近30%。如果我們看一下今年，有一些產品將繼續上升。但真正的增長，尤其是汽車市場的增長，要晚一些，而不是在2020年。

Lin說：“毫無疑問，對于電動汽車/混合電動汽車的不同逆變器和轉換器，使用寬禁帶代替基于硅的技術會帶來技術優勢，” “研發計劃和技術發展顯示出積極的成果，包括減小了尺寸和重量，并提高了SiC和GaN的效率。”

圖1：功率SiC器件預測

SiC也具有競爭力。幾乎有兩個碳化硅器件供應商參與了該業務的競爭。“市場仍然非常新生。我們仍處于階段，在這里看到越來越多的公司。我們可能會看到它進入整合階段。” 預測無晶圓廠公司是否成功還為時過早。今天，現在說還為時過早。”

SiC也很有競爭力。近20多家碳化硅設備供應商在該行業展開競爭，不過市場仍處于非常初期的階段。現在預測這些無晶圓廠企業是否會成功還為時過早。

SiC功率半導體是市場上許多類型的功率器件之一。功率半導體是用作開關的專用晶體管。它們允許電源在“開”狀態下流動，并在“關”狀態下截止。這些器件提高了效率，并將系統中的能量損失降至最低。

多年來，功率半導體市場一直被硅基器件所占據，即功率MOSFET和IGBT。功率MOSFET用于高達900伏的應用中。包括適配器和電源等。

IGBT用于400伏至10千伏的應用，包括：汽車、工業和其他應用等。

功率MOSFET和IGBT既成熟又便宜，但它們也達到了理論極限。這正是SiC和氮化鎵(GaN)的用武之地。氮化鎵和碳化硅都是寬禁帶技術，這意味著它們比硅基器件效率更高。例如，與硅相比，SiC的擊穿場強是硅的10倍，導熱系數是硅的3倍。

UMC公司市場營銷副總裁Steven Liu表示：“由于SiC和GaN與諸如功率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，因此它們是電力半導體市場上很有前途的元件。” “在具有相同的相對電壓和電流處理能力的情況下，器件的尺寸可以小得多。GaN已經在600伏及以下的應用中取得進展，而SiC已經在1200伏特及以上的應用得到了更多的進展。”

器件制造商出售SiC功率MOSFET和二極管，它們用于600伏至10千伏的應用中。SiC功率MOSFET是功率開關晶體管。二極管是一種在一個方向通過電流并在相反方向阻止電流的設備。

目前SiC的缺點是成本，該器件比功率MOSFET和IGBT更加昂貴。

IDM模式

功率半導體與數字CMOS芯片不同。它們可以承受系統中的高壓和大電流。

在CMOS中，芯片供應商強調IC設計以使其產品與眾不同。許多芯片供應商還將其部分或全部生產外包給硅代工廠。代工廠商開發基準流程，客戶圍繞該基準流程設計芯片。

半功率段是不同的。UMC的劉表示：“許多代工廠為包括UMC在內的客戶提供MOSFET / IGBT生產服務。” “但是，就出貨量而言，IDM仍然繼續主導分立IC。”

通常，在功率分立器件中，代工廠不會制定基準流程。取而代之的是，fabless設計公司根據公司的專有工藝開發設備。然后，來自fabless公司的工藝被移植到代工廠。

每個fabless客戶可能有不同的工藝過程。因此，代工廠必須為眾多客戶移植和維護不同的流程。

“這與普通的代工模式不符。這樣，通過運行每個不同的單一流程，您便可以節省大量成本。Cree的電源和RF首席技術官John Palmour說，這只是用不同的掩模和電路布線方式。“這不適用于功率設備。我并不是說代工模型行不通。他們在做生意。但是，碳化硅領域的大佬們并不使用代工廠。他們都使用自己的晶圓廠。”

有幾個原因。簡而言之圍繞代工廠中的工藝開發和優化了給定的設備。器件和工藝在工廠中是緊密耦合的。因此，重點是開發專有流程，而不是IC設計。實際上，設計和過程是相同的。

“換句話說，你不能只畫出一個功率MOSFET，把它扔下來并說‘打印’出來，” Palmour說。“原因是沒有電路設計。您無法通過電路設計將自己與競爭對手區分開來，因為這是一個大器件，并不是一個電路。您出售的產品實際上就是工藝流程。您的設計完全取決于生產流程，反之亦然。這就是您與競爭對手區分開來的方式。”

因此，從傳統的角度來看，SiC功率器件不是一個真正的電路。Palmour說：“這是一堆并聯的小離散MOSFET。”

總而言之，IDM模型適用于SiC。SiC市場由多家IDM主導，例如Cree，Infineon，OnSemiconductor，STMicroelectronics，Rohm，Toshiba等。

并非所有IDM都一樣。一些是垂直整合的。例如，Cree制造自己的SiC襯底。它不僅將基材用于自己的產品，而且還將其出售給競爭對手。此外，Cree制造并銷售SiC設備給客戶。

Rohm和STMicroelectronics也是垂直集成的。集成供應商可以控制供應鏈，使他們能夠快速響應需求周期。

很多IDM并不是垂直集成的。大多數都從Cree，Rohm或第三方供應商那里購買基板。

但是，對于所有供應商而言，SiC都存在一些制造挑戰。在SiC流程中，供應商獲得SiC晶片，然后在100毫米（4英寸）或150毫米（6英寸）晶圓廠中對其進行處理，進而產生了SiC功率器件。

最大的挑戰是SiC襯底。它太貴了，從而推高了SiC功率器件的成本。KLA產品營銷經理Mukund Raghunathan表示：“我們在SiC市場上看到的一個關鍵挑戰是，以合理的價格為為任何公司的生產計劃確保高質量的基板。”

SiC襯底的生產過程很復雜。它從插入坩堝中的硅和碳材料開始。在坩堝中，形成晶錠，然后將其切成SiC襯底。

ASE公司業務發展高級副總裁Rich Rice說：“與硅相比，碳化硅存在很多挑戰，碳化硅更加難以處理，研磨和鋸切。”

在此過程中，SiC襯底容易出現各種缺陷類型。應用材料公司戰略營銷總監Llewellyn Vaughan-Edmunds說：“大多數挑戰都與SiC材料的質量有關。需要減少諸如基礎平面缺陷之類的致命缺陷以及諸如螺釘錯位等一般缺陷。”

在SiC晶片工藝之后，在襯底上生長外延層。然后在晶圓廠中對晶片進行處理，從而制成SiC器件。

SiC MOSFET基于兩種結構類型-平面和溝槽。平面集成了傳統的源極-柵極-漏極結構。溝槽形成“ U形”垂直澆口通道。

談到晶圓處理和等離子蝕刻，對于非平面SiC器件，溝槽輪廓有兩種選擇。用戶要求沒有微溝槽（平底）或底部倒圓（試管形狀）的溝槽。SPTS總裁兼KLA高級副總裁Kevin Crofton表示：“無論使用哪種輪廓，都需要使用端點來將蝕刻前沿停止在正確的深度。” “對于SiC器件，通過PVD進行膜沉積與硅MOSFET線中使用的非常相似。在這兩種應用中，設備制造商都希望沉積無缺陷的厚（大于4微米）鋁合金。挑戰之一是不使用須晶就以高速率沉積這些薄膜。另一個挑戰是跟蹤和對齊晶圓處理系統周圍的透明晶圓，特別是使用舊式硬件。”

碳化硅行業需要一些突破。如今，基板成本約為已加工晶圓的50％。該行業的目標和重點是降低成本，增加供應，同時提高質量。因此，加快SiC晶圓棒的生長，提高均勻性，實現更快的切片速度和高精度CMP的新方法是重點。

fabless模式

客戶可以購買從IDM和fabless公司的SiC器件。

在CMOS中，這種關系通常稱為fabless代工模式。該模式于1980年代首次引入。

SiC fabless代工模式是相對較新的模式，它帶來了各種各樣的挑戰。盡管IDM將繼續占據主導地位，但fabless和代工廠商還有余地。實際上，幾家fabless公司已經在使用代工廠生產產品。

KLA的Raghunathan說：“fabless模式允許初創企業和較小的公司測試其產品而無需大量的工藝設備投資。” 相反，傳統的晶圓廠保留了成為主要客戶首選戰略供應商的優勢。兩種模式都在發揮各自的優勢，滿足當前行業格局的各種需求，并找到共存的方式。”

多年來，一些供應商提供了SiC代工服務。但是最大的努力始于2015年，當時美國能源部和北卡羅來納州立大學成立了PowerAmerica，這是行業、政府、國家實驗室和學術界之間的合作伙伴關系。PowerAmerica的目標是加速GaN和SiC的商業化。

作為其努力的一部分，PowerAmerica在2016年為X-Fab提供了支持，該工廠正在（并且仍在）在其德克薩斯州150毫米晶圓廠開發SiC代工服務。X-Fab與PowerAmerica合作，設計了用于制造SiC器件的工藝套件和其他技術。

其他人正在開發類似的服務。Episil正在將其SiC晶圓代工廠從100mm轉變為150mm。三安推出了150mm SiC代工服務。現在越來越多的代工企業有興趣涉足這一市場。”

今天，X-Fab已與數個SiC客戶一起投入生產。但是建立SiC代工業務帶來了一些挑戰。X-Fab業務部經理ChristopherToelle表示：“需要進行投資以在批量生產之前提供相當大的支持創建合適的代工基礎設施以適應SiC電力客戶的需求也很重要。”

根據Toelle的說法，以下是該領域的其他挑戰：

開發與現有代工有競爭力的成本結構。
說服IDM通過代工廠的生產來補充其內部能力。
引入合適的人才來開發和安裝新的流程。

盡管面臨挑戰，但一些SiC器件供應商仍在使用代工廠生產產品。這些供應商包括ABB，GeneSiC，Global Power，Microchip，Monolith和UnitedSiC。

擁有晶圓廠很有意義。但據UnitedSiC稱，除非每月可以處理10,000至30,000個SiC晶片，否則建造一個晶圓廠在經濟上沒有意義。

只有少數供應商以這種數量生產設備。如果沒有，那么使用代工廠是有意義的。Fabless SiC器件供應商UnitedSiC總裁兼首席執行官Chris Dries說：“走這條路的原因是，這確實是建立半導體業務的最有資金效率的方法。” UnitedSiC擁有X-Fab生產的150mm產品。它還使用未公開的供應商來提供100mm的容量。

擁有代工廠只是其中的一部分。“作為一家fabless公司，您必須購買基板并在其上進行磊晶處理。然后，您需要代工廠和封裝廠。” Dries說。“作為一家fabless公司，我們如何與更大的垂直整合競爭對手競爭？您必須創新垂直整合的競爭對手。這正是我們所做的。我們擁有當今世界上最低的特定導通電阻設備。”

UnitedSiC銷售幾種產品，包括SiC結柵極FET（JFET）。“我們制作常開JFET，然后用低壓硅MOSFET進行共源共柵。它更像是一種復合器件。”

不過，有些客戶在與fabless公司打交道時可能會有些不快。為了幫助解決問題，UnitedSiC具有強大的后盾。ADI已投資了UnitedSiC，并與該公司簽訂了供應協議。

但是要與IDM競爭并不容易。工藝成本高。一位專家表示：“試圖與IDM競爭價格幾乎是不可能的。”

還有其他障礙。在CMOS中，許多IDM停止建造高級晶圓廠，因為它們太貴了。相反，許多IDM決定將其部分或部分生產外包給代工廠。目前尚不清楚外包模式是否適用于SiC IDM。

結論

顯然，由于電動汽車市場的潛在需求，SiC是一個熱門市場。反過來，這吸引了越來越多的新參與者，包括設備制造商和代工廠。

（本文由EETOP翻譯自semiengineering）

關鍵詞：碳化硅 SiC