隨著對碳化硅(SiC)技術(shù)需求的激增，一些第三方代工廠商正在進(jìn)入或擴(kuò)大他們在該領(lǐng)域的努力。
然而，對碳化硅代工供應(yīng)商和他們的客戶來說，要想在市場上取得顯著的進(jìn)展并不容易。它們正面臨來自Cree、英飛凌(Infineon)、Rohm和意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)等傳統(tǒng)SiC器件供應(yīng)商的激烈競爭。
SiC是一種基于硅和碳的化合物半導(dǎo)體材料，可用于制造用于電動(dòng)汽車、電源、太陽能和火車等高壓應(yīng)用的專用功率半導(dǎo)體器件。SiC的突出之處在于它比傳統(tǒng)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(jù)主導(dǎo)地位。Cree，Rohm和其他公司在自己的工廠生產(chǎn)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(shè)計(jì)公司也相互競爭。無晶圓廠公司和其他公司的產(chǎn)品由代工廠商生產(chǎn)。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(yīng)鏈方面的挑戰(zhàn)。通常，SiC IDM不提供代工服務(wù)或，也不為他人制造芯片，但這種情況有一天可能會(huì)改變。
SiC代工業(yè)務(wù)剛剛起步。不過，在某些時(shí)候，SiC代工廠希望復(fù)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(chǎn)外包給了臺(tái)積電、三星、GlobalFoundries和SMIC等硅代工廠。這些硅代工供應(yīng)商未參與SiC的代工。目前SiC代工業(yè)務(wù)仍然很小。
事實(shí)證明，SiC代工業(yè)務(wù)比硅代工業(yè)務(wù)困難得多。短期內(nèi)SiC代工業(yè)務(wù)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(dāng)您談?wù)摴璐S模式時(shí)，它是非常成功的?！?“我并不是要說碳化硅的代工沒有機(jī)會(huì)。在功率半導(dǎo)體行業(yè)，如果我們關(guān)注當(dāng)今的IGBT設(shè)計(jì)，這里有很多代工廠，但這更多是IDM業(yè)務(wù)?！?/p>
不過盡管如此，該行業(yè)仍需密切關(guān)注這一領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)。其中包括:
什么是功率半導(dǎo)體？根據(jù)Yole的說法，SiC器件業(yè)務(wù)總計(jì)從2018年的4.2億美元增長到2019年的5.64億美元。增長動(dòng)力最大的是電動(dòng)汽車，電源和太陽能也是強(qiáng)勁的市場。
“在我們的預(yù)測中，2020年仍將增長，” Yole的Lin說?！叭绻覀兛纯?年的復(fù)合年增長率，它接近30%。如果我們看一下今年，有一些產(chǎn)品將繼續(xù)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(dòng)汽車/混合電動(dòng)汽車的不同逆變器和轉(zhuǎn)換器，使用寬禁帶代替基于硅的技術(shù)會(huì)帶來技術(shù)優(yōu)勢，” “研發(fā)計(jì)劃和技術(shù)發(fā)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?！?/p>
圖1：功率SiC器件預(yù)測
SiC也具有競爭力。幾乎有兩個(gè)碳化硅器件供應(yīng)商參與了該業(yè)務(wù)的競爭?！笆袌鋈匀环浅Ｐ律?。我們?nèi)蕴幱陔A段，在這里看到越來越多的公司。我們可能會(huì)看到它進(jìn)入整合階段?！?預(yù)測無晶圓廠公司是否成功還為時(shí)過早。今天，現(xiàn)在說還為時(shí)過早?！?/p>
SiC也很有競爭力。近20多家碳化硅設(shè)備供應(yīng)商在該行業(yè)展開競爭，不過市場仍處于非常初期的階段?，F(xiàn)在預(yù)測這些無晶圓廠企業(yè)是否會(huì)成功還為時(shí)過早。
SiC功率半導(dǎo)體是市場上許多類型的功率器件之一。功率半導(dǎo)體是用作開關(guān)的專用晶體管。它們允許電源在“開”狀態(tài)下流動(dòng)，并在“關(guān)”狀態(tài)下截止。這些器件提高了效率，并將系統(tǒng)中的能量損失降至最低。
多年來，功率半導(dǎo)體市場一直被硅基器件所占據(jù)，即功率MOSFET和IGBT。功率MOSFET用于高達(dá)900伏的應(yīng)用中。包括適配器和電源等。
IGBT用于400伏至10千伏的應(yīng)用，包括：汽車、工業(yè)和其他應(yīng)用等。
功率MOSFET和IGBT既成熟又便宜，但它們也達(dá)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(shù)，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(qiáng)是硅的10倍，導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)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(jīng)在600伏及以下的應(yīng)用中取得進(jìn)展，而SiC已經(jīng)在1200伏特及以上的應(yīng)用得到了更多的進(jìn)展?！?/p>
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(yīng)用中。SiC功率MOSFET是功率開關(guān)晶體管。二極管是一種在一個(gè)方向通過電流并在相反方向阻止電流的設(shè)備。
目前SiC的缺點(diǎn)是成本，該器件比功率MOSFET和IGBT更加昂貴。
IDM模式
功率半導(dǎo)體與數(shù)字CMOS芯片不同。它們可以承受系統(tǒng)中的高壓和大電流。
在CMOS中，芯片供應(yīng)商強(qiáng)調(diào)IC設(shè)計(jì)以使其產(chǎn)品與眾不同。許多芯片供應(yīng)商還將其部分或全部生產(chǎn)外包給硅代工廠。代工廠商開發(fā)基準(zhǔn)流程，客戶圍繞該基準(zhǔn)流程設(shè)計(jì)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(nèi)的客戶提供MOSFET / IGBT生產(chǎn)服務(wù)。” “但是，就出貨量而言，IDM仍然繼續(xù)主導(dǎo)分立IC。”
通常，在功率分立器件中，代工廠不會(huì)制定基準(zhǔn)流程。取而代之的是，fabless設(shè)計(jì)公司根據(jù)公司的專有工藝開發(fā)設(shè)備。然后，來自fabless公司的工藝被移植到代工廠。
每個(gè)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(hù)不同的流程。
“這與普通的代工模式不符。這樣，通過運(yùn)行每個(gè)不同的單一流程，您便可以節(jié)省大量成本。Cree的電源和RF首席技術(shù)官John Palmour說，這只是用不同的掩模和電路布線方式?！斑@不適用于功率設(shè)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(lǐng)域的大佬們并不使用代工廠。他們都使用自己的晶圓廠?！?/p>
有幾個(gè)原因。簡而言之圍繞代工廠中的工藝開發(fā)和優(yōu)化了給定的設(shè)備。器件和工藝在工廠中是緊密耦合的。因此，重點(diǎn)是開發(fā)專有流程，而不是IC設(shè)計(jì)。實(shí)際上，設(shè)計(jì)和過程是相同的。
“換句話說，你不能只畫出一個(gè)功率MOSFET，把它扔下來并說‘打印’出來，” Palmour說。“原因是沒有電路設(shè)計(jì)。您無法通過電路設(shè)計(jì)將自己與競爭對手區(qū)分開來，因?yàn)檫@是一個(gè)大器件，并不是一個(gè)電路。您出售的產(chǎn)品實(shí)際上就是工藝流程。您的設(shè)計(jì)完全取決于生產(chǎn)流程，反之亦然。這就是您與競爭對手區(qū)分開來的方式?！?/p>
因此，從傳統(tǒng)的角度來看，SiC功率器件不是一個(gè)真正的電路。Palmour說：“這是一堆并聯(lián)的小離散MOSFET?！?/p>
總而言之，IDM模型適用于SiC。SiC市場由多家IDM主導(dǎo)，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(chǎn)品，而且還將其出售給競爭對手。此外，Cree制造并銷售SiC設(shè)備給客戶。
Rohm和STMicroelectronics也是垂直集成的。集成供應(yīng)商可以控制供應(yīng)鏈，使他們能夠快速響應(yīng)需求周期。
很多IDM并不是垂直集成的。大多數(shù)都從Cree，Rohm或第三方供應(yīng)商那里購買基板。
但是，對于所有供應(yīng)商而言，SiC都存在一些制造挑戰(zhàn)。在SiC流程中，供應(yīng)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(jìn)行處理，進(jìn)而產(chǎn)生了SiC功率器件。
最大的挑戰(zhàn)是SiC襯底。它太貴了，從而推高了SiC功率器件的成本。KLA產(chǎn)品營銷經(jīng)理Mukund Raghunathan表示：“我們在SiC市場上看到的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是，以合理的價(jià)格為為任何公司的生產(chǎn)計(jì)劃確保高質(zhì)量的基板?！?/p>
SiC襯底的生產(chǎn)過程很復(fù)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(yè)務(wù)發(fā)展高級(jí)副總裁Rich Rice說：“與硅相比，碳化硅存在很多挑戰(zhàn)，碳化硅更加難以處理，研磨和鋸切?！?/p>
在此過程中，SiC襯底容易出現(xiàn)各種缺陷類型。應(yīng)用材料公司戰(zhàn)略營銷總監(jiān)Llewellyn Vaughan-Edmunds說：“大多數(shù)挑戰(zhàn)都與SiC材料的質(zhì)量有關(guān)。需要減少諸如基礎(chǔ)平面缺陷之類的致命缺陷以及諸如螺釘錯(cuò)位等一般缺陷?！?/p>
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(jìn)行處理，從而制成SiC器件。
SiC MOSFET基于兩種結(jié)構(gòu)類型-平面和溝槽。平面集成了傳統(tǒng)的源極-柵極-漏極結(jié)構(gòu)。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(jí)副總裁Kevin Crofton表示：“無論使用哪種輪廓，都需要使用端點(diǎn)來將蝕刻前沿停止在正確的深度?！?“對于SiC器件，通過PVD進(jìn)行膜沉積與硅MOSFET線中使用的非常相似。在這兩種應(yīng)用中，設(shè)備制造商都希望沉積無缺陷的厚（大于4微米）鋁合金。挑戰(zhàn)之一是不使用須晶就以高速率沉積這些薄膜。另一個(gè)挑戰(zhàn)是跟蹤和對齊晶圓處理系統(tǒng)周圍的透明晶圓，特別是使用舊式硬件?！?/p>
碳化硅行業(yè)需要一些突破。如今，基板成本約為已加工晶圓的50％。該行業(yè)的目標(biāo)和重點(diǎn)是降低成本，增加供應(yīng)，同時(shí)提高質(zhì)量。因此，加快SiC晶圓棒的生長，提高均勻性，實(shí)現(xiàn)更快的切片速度和高精度CMP的新方法是重點(diǎn)。
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(guān)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(zhàn)。盡管IDM將繼續(xù)占據(jù)主導(dǎo)地位，但fabless和代工廠商還有余地。實(shí)際上，幾家fabless公司已經(jīng)在使用代工廠生產(chǎn)產(chǎn)品。
KLA的Raghunathan說：“fabless模式允許初創(chuàng)企業(yè)和較小的公司測試其產(chǎn)品而無需大量的工藝設(shè)備投資?！?相反，傳統(tǒng)的晶圓廠保留了成為主要客戶首選戰(zhàn)略供應(yīng)商的優(yōu)勢。兩種模式都在發(fā)揮各自的優(yōu)勢，滿足當(dāng)前行業(yè)格局的各種需求，并找到共存的方式?！?/p>
多年來，一些供應(yīng)商提供了SiC代工服務(wù)。但是最大的努力始于2015年，當(dāng)時(shí)美國能源部和北卡羅來納州立大學(xué)成立了PowerAmerica，這是行業(yè)、政府、國家實(shí)驗(yàn)室和學(xué)術(shù)界之間的合作伙伴關(guān)系。PowerAmerica的目標(biāo)是加速GaN和SiC的商業(yè)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(fā)SiC代工服務(wù)。X-Fab與PowerAmerica合作，設(shè)計(jì)了用于制造SiC器件的工藝套件和其他技術(shù)。
其他人正在開發(fā)類似的服務(wù)。Episil正在將其SiC晶圓代工廠從100mm轉(zhuǎn)變?yōu)?50mm。三安推出了150mm SiC代工服務(wù)?，F(xiàn)在越來越多的代工企業(yè)有興趣涉足這一市場?！?/p>
今天，X-Fab已與數(shù)個(gè)SiC客戶一起投入生產(chǎn)。但是建立SiC代工業(yè)務(wù)帶來了一些挑戰(zhàn)。X-Fab業(yè)務(wù)部經(jīng)理ChristopherToelle表示：“需要進(jìn)行投資以在批量生產(chǎn)之前提供相當(dāng)大的支持創(chuàng)建合適的代工基礎(chǔ)設(shè)施以適應(yīng)SiC電力客戶的需求也很重要?！?/p>
根據(jù)Toelle的說法，以下是該領(lǐng)域的其他挑戰(zhàn)：
盡管面臨挑戰(zhàn)，但一些SiC器件供應(yīng)商仍在使用代工廠生產(chǎn)產(chǎn)品。這些供應(yīng)商包括ABB，GeneSiC，Global Power，Microchip，Monolith和UnitedSiC。
擁有晶圓廠很有意義。但據(jù)UnitedSiC稱，除非每月可以處理10,000至30,000個(gè)SiC晶片，否則建造一個(gè)晶圓廠在經(jīng)濟(jì)上沒有意義。
只有少數(shù)供應(yīng)商以這種數(shù)量生產(chǎn)設(shè)備。如果沒有，那么使用代工廠是有意義的。Fabless SiC器件供應(yīng)商UnitedSiC總裁兼首席執(zhí)行官Chris Dries說：“走這條路的原因是，這確實(shí)是建立半導(dǎo)體業(yè)務(wù)的最有資金效率的方法?！?UnitedSiC擁有X-Fab生產(chǎn)的150mm產(chǎn)品。它還使用未公開的供應(yīng)商來提供100mm的容量。
擁有代工廠只是其中的一部分?！白鳛橐患襢abless公司，您必須購買基板并在其上進(jìn)行磊晶處理。然后，您需要代工廠和封裝廠?！?Dries說?！白鳛橐患襢abless公司，我們?nèi)绾闻c更大的垂直整合競爭對手競爭？您必須創(chuàng)新垂直整合的競爭對手。這正是我們所做的。我們擁有當(dāng)今世界上最低的特定導(dǎo)通電阻設(shè)備?！?/p>
UnitedSiC銷售幾種產(chǎn)品，包括SiC結(jié)柵極FET（JFET）?！拔覀冎谱鞒ｉ_JFET，然后用低壓硅MOSFET進(jìn)行共源共柵。它更像是一種復(fù)合器件?！?/p>
不過，有些客戶在與fabless公司打交道時(shí)可能會(huì)有些不快。為了幫助解決問題，UnitedSiC具有強(qiáng)大的后盾。ADI已投資了UnitedSiC，并與該公司簽訂了供應(yīng)協(xié)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(jià)格幾乎是不可能的?！?/p>
還有其他障礙。在CMOS中，許多IDM停止建造高級(jí)晶圓廠，因?yàn)樗鼈兲F了。相反，許多IDM決定將其部分或部分生產(chǎn)外包給代工廠。目前尚不清楚外包模式是否適用于SiC IDM。
結(jié)論
顯然，由于電動(dòng)汽車市場的潛在需求，SiC是一個(gè)熱門市場。反過來，這吸引了越來越多的新參與者，包括設(shè)備制造商和代工廠。
（本文由EETOP翻譯自semiengineering）
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