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意法半导体收购Norstel AB 强化碳化矽产业供应链
全球碳化矽业者技术与策略观察专栏(二)

【作者: 約書亞】2021年09月03日 星期五

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近年随着电动汽车产业崛起,碳化矽(SiC)功率半导体市场需求激增,吸引产业链相关企业的关注,国际间碳化矽(SiC)晶圆的开发驱使SiC争夺战正一触即发。与矽(Si)相比,碳化矽是具有比矽更宽的能带隙(energy bandgap,Eg)的半导体;再者,碳化矽具有更高的击穿电场 (breakdown electric field,Ec),因此可被用於制造功率元件应用之电子电路的材料,因为用碳化矽制成的晶片即使厚度相对小也能够经受得起相对高的电压。


表一分别示出了矽和碳化矽的能带隙(Eg)、击穿电场(Ec)和电子迁移率(electron mobility,μ)的值,相较之下显示出碳化矽优异的物理性质。在矽材料已经接近理论性能极限的今天,碳化矽功率元件因其高耐压、低损耗、高效率等特性,能承受非常恶劣的工作条件且耗散功率低,一直被视为「理想功率半导体材料」而备受期待。


表一:矽与碳化矽的物理性质比较表(作者改编绘制)

 

矽(Si)

碳化矽(以4H-SiC为例)

能带隙(Eg)

1.12 eV

3.26 eV

击穿电场(Ec)

30 V/μm

300 V/μm

电子迁移率(μ)

1400 cm<sup>2</sup>/V-sec

900 cm cm<sup>2</sup>/V-sec


意法半导体旗下Norstel AB的前世今生

总部位於瑞典Norrkoping的碳化矽(SiC)晶圆制造商Norstel AB公司,始於1993年瑞典linkoping大学和ABB Ltd.的碳化矽(SiC)联合研究,一直在芬兰矽晶圆制造商Okmetic OYJ的保护伞下,直到2005年从瑞典的linkoping大学独立分拆出来的衍生企业,在 SiC研究方面有很高的成就,主要开发和生产150mm (6寸)SiC裸晶圆和磊晶晶圆,是欧洲最大的Epi供应商。Norstel AB虽不如Cree/Wolfspeed有名气,但却在SiC方面有着悠久的历史,具有独特的高温化学气相沉积(Hight Temperature Chemical Vapor Deposition,HTCVD)生长技术和物理气相传输(Physical Vapor Transport,PVT)生长技术。


之後,2017年1月由中国福建省政府和中国国家积体电路产业投资基金(安信资本)全资收购了瑞典Norstel AB公司,随後在福建泉州建立了一家SiC晶圆工厂,福建北电新材料科技有限公司(简称北电新材)就此成立,并由中国LED龙头企业三安光电管理该笔基金。


三安光电後因三安集团母公司疑似财务危机而将具有战略意义和市场前景的Norstel AB出售给意法半导体(STMicroelectronics,简称ST),ST在2019年2月与Norstel AB签署协定收购其55%的股权,并可选择在特定条件下收购剩馀的45%。2019年2月首次交易後,同年12月2日ST行使期权收购了剩馀的45%股份,宣布完成对瑞典碳化矽晶圆制造商Norstel AB的整体收购,收购总额达1.375亿美元。


ST及其旗下Norstel AB在SiC晶圆与磊晶成长技术专利布局

一些国际电子业巨头都已投入巨资发展碳化矽半导体元件,ST也不例外。在ST及其旗下Norstel AB的碳化矽晶圆及其磊晶成长的专利组合(patent portfolio)中,除ST的少数专利外,其专利申请权人也包含ABB Research Ltd.早期1990年代草创时期申请的专利、Okmetic OYJ授让给Norstel AB的专利、被ST收购的Norstel AB,以及被中国三安光电旗下子公司收购的北电新材的专利,其原始专利申请权人占比如图一所示。



图一 : ST及旗下Norstel AB在碳化矽晶圆及其磊晶成长之原始专利申请权人占比圆饼图。(Source:作者绘制)
图一 : ST及旗下Norstel AB在碳化矽晶圆及其磊晶成长之原始专利申请权人占比圆饼图。(Source:作者绘制)

图二为ST及其旗下Norstel AB在碳化矽晶圆及其磊晶成长方面的专利申请趋势,系以最早优先权申请年统计其专利组合中INPADOC专利家族数量。最早优先权自1995年起开始,有用於透过化学气相沉积在衬底上磊晶生长SiC的相关专利申请,分别於2001、2003及2018年有最多相关专利家族申请,其後下降系因部分专利尚未公开所致。在该专利组合中,其INPADOC专利家族中各别专利申请的国别/地区统计如图三所示。



图二 : ST及旗下Norstel AB在碳化矽晶圆及其磊晶成长的历年专利申请趋势。(Count by INPADOC family with earliest priority year)。(Source:作者绘制)
图二 : ST及旗下Norstel AB在碳化矽晶圆及其磊晶成长的历年专利申请趋势。(Count by INPADOC family with earliest priority year)。(Source:作者绘制)

图三 : ST及旗下Norstel AB在碳化矽晶圆及其磊晶成长的专利申请国别。(Source:作者绘制)
图三 : ST及旗下Norstel AB在碳化矽晶圆及其磊晶成长的专利申请国别。(Source:作者绘制)

将ST及旗下Norstel AB之碳化矽晶圆及其磊晶成长专利组合(By INPADOC Family)中涉及较多之国际专利分类号(International Patent Classification,IPC)整理如表二,分别以三阶、四阶和五阶IPC显示其专利的技术分布。


表二:ST及旗下Norstel AB之碳化矽晶圆及其磊晶成长专利组合中所涉及的IPC国际专利分类号。(Source:作者绘制)

IPC国际专利分类号阶层

IPC

定义说明

三阶

C30B

晶体生长、单晶或具有一定结构之均匀多晶材料及其制备

H01L

半导体装置

四阶

C30B 29

以材料或形状为特徵的单晶或具有一定结构之均匀多晶材料

C30B 25

反应气体化学反应法之单晶生长,例如化学气相沉积生长

C30B 23

冷凝气化物或材料挥发法之单晶生长

H01L 21

适用於制造或处理半导体装置或元件之方法或设备

五阶

C30B 29/36

以碳化物材料或形状为特徵的单晶或具有一定结构之均匀多晶材料

C30B 25/02

磊晶层生长


ST及旗下Norstel AB专利技术解析

(一)透过化学气相沉积(CVD)在衬底上制备SiC

90年代由ABB Research和Okmetic共同申请涉及一种透过化学气相沉积在衬底上磊晶生长SiC、III族氮化物或其合金的方法专利,该方法在其专利申请专利范围(Claims)包括以下步骤:加热基座,从而将衬底和供给到衬底用於生长之气体混合物加热到高於衬底生长所需的温度水平,在该温度水平上生长的材料的升华开始显着增加,以及将具有特定组成之该气体混合物供给到基座中并以一速率确保其成长。


另一方面,透过化学气相沉积在配置以基座容置的衬底上磊晶生长SiC的方法,包括加热基座并藉此加热衬底和供给至衬底用於生长的气体混合物,并且透过改变该气体混合物中至少一种蚀刻气体的含量来改变该气体混合物对基座和衬底的作用等步骤。


与在常温下进行的化学气相沉积相比,该专利将温度升高到高於衬底生长所需的温度水平(即用於生长晶锭的温度),使生长的材料的升华开始显着增加,提升生长速率和长晶的品质。


由於该专利主张的权利范围广泛,系利用化学气相沉积在衬底上磊晶生长SiC的基础专利,後续被许多国际大厂引用,包括Okmetic OYJ、Denso Corporation、Caracal, Inc.、Cree, Inc.、Cape Simulations, Inc.等国际巨头在其衬底上磊晶生长SiC技术的基础上延伸再精进。


(二)碳化矽同质磊晶生长技术

ST申请一种在衬底上同质磊晶生长具不同掺杂水平的碳化矽磊晶层,并在该等碳化矽磊晶层上形成氮钝化碳化矽层(nitrogen-passivated silicon dioxide layer)的半导体器件结构专利。


该结构如图四所示,具有在衬底(4)上形成第一磊晶生长的碳化矽缓冲层(5),在该缓冲层(5)上方形成第二磊晶生长碳化矽层(1),并在该第二磊晶生长的碳化矽层(1)上形成氮钝化二氧化矽层(2)。其中,该氮钝化二氧化矽层(2)的氮浓度大於第一和第二磊晶生长的碳化矽层的氮掺杂浓度,从而使该第二磊晶生长的碳化矽层(1)和该氮钝化二氧化矽层(2)之间的介面品质提升、具有低陷阱密度(low trap density),提高了半导体器件的电气性能。该专利之後也被住友电工(Sumitomo Electric Industries)和格罗方德(GlobalFoundries, Inc.)等国际半导体巨头所引用。



图四 : 碳化矽晶圆的剖面图。(Source:美国专利US8183573B2)
图四 : 碳化矽晶圆的剖面图。(Source:美国专利US8183573B2)

(三)控制晶片下弯及厚度

通常矽基碳化矽(SiC on Si)之化合物半导体异质磊晶结构制程是要将碳化矽层磊晶成长在矽晶圆基板上,但晶格不匹配问题易产生翘曲(warping)为制程上的困难之一,例如产生晶片下弯(bow),且用於功率应用所需的晶片直径愈大,下弯问题愈严重。为减少大直径晶片下弯的问题,ST申请一种用於制造碳化矽功率半导体晶片的方法专利,包括:提供单晶矽晶片(102);在矽晶片(102)上磊晶生长单晶碳化矽层(108);以及在该单晶碳化矽层(108)上磊晶生长单晶矽层(110),从而该单晶碳化矽层(108)及该单晶矽层(110)具有小於50μm的下弯。


再者,为使其碳化矽晶片厚度能够经受相对高的电压,单晶碳化矽膜(106)系充当用於生长单晶碳化矽层(108)的籽晶,所得单晶碳化矽层(108)的厚度取决於晶片在反应室内暴露於矽前体和碳前体的时间量,从而适用能够经受相对高的电压的厚度,例如该单晶碳化矽层(108)非常适合在功率应用中使用的厚度范围可以从2μm至6μm。此有效控制晶片下弯程度的专利後续也被国际大厂Honeywell International Inc.所引用。



图五 : 抑制晶片下弯之异质磊晶结构。(Source:美国专利US9576793B2)
图五 : 抑制晶片下弯之异质磊晶结构。(Source:美国专利US9576793B2)

掌握碳化矽供应链、取得重要客户是领先的关键

碳化矽有助提升车辆性能、延长续航里程、加快车辆充电速度,同时是高於600V高压应用系统的最隹选择(例如纯电动汽车的驱动马达逆变器)。作为第一家为电动车的主逆变器提供SiC MOSFET的公司,ST显示出了要在汽车市场保持领先地位的雄心。关键在於碳化矽晶圆的供应是否安全无虞,ST透过Norstel AB 100%完整的股权收购举动,就是在向它的汽车客户们展示自己对碳化矽供应链掌控的能力。


赢得重要客户通常是推动特定市场或应用中成功的关键。对ST而言,其在汽车领域的成功取决於特斯拉这个主要客户,帮助ST在碳化矽功率元件市场成为领导者。因为在特斯拉Model 3之逆变器功率模组中,包含了意法半导体制造的SiC MOSFET。


ST能够迅速在电动车市场领域站稳脚跟,很大程度上要归功於特斯拉,使得其能与雷诺-日产-三菱联盟在车载充电器建立夥伴关系,研发下一代电动汽车快充技术,意法半导体於未来一段时间将继续保持特斯拉第一大供应商的地位。


(本文作者约书亚为科技产业技术与市场专利的资深研究人员,熟稔技术转移与相关法律知识,曾任职於光电领域,担任智财权的分析与管理)


叁考资料

[1]中文或称崩溃电场。https://www.rohm.com.tw/electronics-basics/sic/sic_what1


[2]碳化矽存在着各种同质多形体(结晶多形),各有不同的物理性值,针对功率元件以4H-SiC最为合适。


[3]Okmetic OYJ成立於1985年,位於芬兰,是一家老牌的矽晶片制造供应商,Okmetic透过位於瑞典的子公司Okmetic AB将其碳化矽制造技术移转给新创公司Norstel AB。


[4]之後於2020年8月三安光电旗下全资子公司湖南三安收购北电新材100%股权,https://www.eefocus.com/component/471439


[5]截至2021年6月16日止,ROHM集团在碳化矽半导体材料方面的专利组合,经筛选与碳化矽衬底及其磊晶技艺相关的专利共40案(Count by INPADOC family),合计132件专利。


[6]US6030661A, ABB Research Ltd. & Okmetic Ltd., Device and a method for epitaxially growing objects by CVD, patent issued on 2000 February 29.


[7]US8183573B2, STMicroelectronics, Process for forming an interface between silicon carbide and silicon oxide with low density of states, patent issued on 2012 May 22.


[8]US9576793B2, STMicroelectronics, Semiconductor wafer and method for manufacturing the same, patent issued on 2017 February 21.


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