陳華茂 / 工研院電光所
2023國際碳化矽與材料論壇(International Conference on Silicon Carbide and Related Materials; ICSCRM)是碳化矽相關研究重點研討會。該研討會基於疫情趨緩，並且開始整併European Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ECSCRM)而在義大利蘇連多盛大舉辦，吸引了來自全球各地碳化矽相關的研究學者、工程師、技術專家等參加，其中包含Wolfspeed、ST microelectronics、Infineon、On-semi等國際大廠。此會議總共五天議程，分成三十個報告議題，會議內容包括碳化矽基板、磊晶、缺陷分析、元件製程、元件特性、可靠度分析、新穎碳化矽元件應用等，其中元件製程更細分至閘極絕緣層沉積技術、介面缺陷分析、離子佈植技術、雷射製程等相關領域。除了三十個口頭報告會議，論壇同時在每天下午安排三場海報交流討論，內容相當豐富。藉由此文，將提供各位讀者研討會上碳化矽相關領域學者們的研究成果，並針對各領域重點成果進行分析，以饗讀者。
本文將摘錄此次論壇報告中筆者較關注的內容，並彙整成八個議題，包括Keynote主題演講、碳化矽長晶、碳化矽切片、碳化矽離子佈植、碳化矽/閘極絕緣層介面缺陷、碳化矽元件結構、碳化矽元件可靠度及新型碳化矽元件應用等，據此來說明碳化矽未來發展方向。
Keynote主題演講
近幾年受到全球暖化影響，造成全球氣候變遷，因此各國皆紛紛提出淨零碳排相關解方，以期降低對於全球暖化之影響。碳化矽元件大廠 Wolfspeed首席技術長 Elif Balkas 於會議演講分析碳化矽電晶體(MOSFET)取代傳統矽材料之絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)對於碳排量降低之變化(如圖一)。首先，須先定義能耗比為節省能源量除以元件製作消耗能源量。碳化矽電晶體的能耗比是傳統Si IGBT的15倍，若碳化矽電晶體能取代傳統Si IGBT，可以節省814GJ之能量，亦即每個快充座所節省的能源相當於每台汽車節省行駛235,000 miles距離所消耗的能源，或者是132桶石油，可見碳化矽元件對於節約能源具有很大的效益。因此，Wolfspeed相當看重碳化矽領域並投入相當多的資源。Wolfspeed從2019年開始在美國紐約州莫霍克谷投資碳化矽相關廠房，近年來電動車持續普及化，對於碳化矽元件供不應求，因此Wolfspeed持續投資碳化矽相關領域， 2022年分別在德國以及日本擴產6”碳化矽廠，2023年除了在美國莫霍克谷廠開始量產，並更擴大投資8吋碳化矽晶圓開發與擴產，以期能穩定維持碳化矽元件相關供貨。
除了Wolfspeed對於8吋碳化矽廠的投資，另外一家碳化矽國際大廠ST Microelectronics 同樣持續投資8吋碳化矽相關領域，並於會議中更新8吋碳化矽基板開發進度。目前碳化矽基板從150 mm至200 mm會遇到兩個缺陷問題，如圖二所示：(1)基板化學性機械研磨拋光造成晶圓邊界刮傷；(2)大尺寸物理氣相傳輸法成長方式造成條狀形狀之缺點，並且邊界外圍的缺陷將造成崩潰電壓之不均勻性，因此目前雖然可製作出8吋碳化矽基板成品，但要達到高均勻性基板品質仍具有相當大的挑戰。
圖二、八吋碳化矽基板之基板缺陷分佈圖
另外，Bosch的Bernd Thomas發表8吋碳化矽磊晶開發進度，目前200 mm碳化矽磊晶摻雜均勻性與150 mm相當，並且wafer-to-wafer均勻性可以控制在±20%之內。如圖三(a)，但其厚度略差於150 mm，且200 mm磊晶片之yield loss高於1.4倍的150 mm磊晶片之良率損失如圖三(b)，但8吋碳化矽磊晶品質目前已達到合理良率標準。
圖三、(a)八吋碳化矽磊晶之離子摻雜分佈比較圖；(b)六吋/八吋碳化矽磊晶之缺陷分佈圖以及良率比較
另外一家碳化矽國際大廠ROHM也宣布預計在2025年於福岡廠開始量產8吋碳化矽晶片，且預期增加產量6.5倍(圖四)，並規劃將於2028年開始於宮崎市建置8吋碳化矽廠，預計量產完畢產量可增加35倍。各家國際大廠皆紛紛展開8吋碳化矽佈局。
碳化矽長晶相關研究
首先，針對碳化矽長晶方式進行分析。目前碳化矽長晶方式為物理氣相傳輸法成長方式，但如圖五(a)所示，碳化矽長晶方式目前面臨 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。