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意法半導體收購Norstel AB 強化碳化矽產業供應鏈
全球碳化矽業者技術與策略觀察專欄(二)

【作者: 約書亞】   2021年09月03日 星期五

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近年隨著電動汽車產業崛起,碳化矽(SiC)功率半導體市場需求激增,吸引產業鏈相關企業的關注,國際間碳化矽(SiC)晶圓的開發驅使SiC爭奪戰正一觸即發。與矽(Si)相比,碳化矽是具有比矽更寬的能帶隙(energy bandgap,Eg)的半導體;再者,碳化矽具有更高的擊穿電場 (breakdown electric field,Ec),因此可被用於製造功率元件應用之電子電路的材料,因為用碳化矽製成的晶片即使厚度相對小也能夠經受得起相對高的電壓。


表一分別示出了矽和碳化矽的能帶隙(Eg)、擊穿電場(Ec)和電子遷移率(electron mobility,μ)的值,相較之下顯示出碳化矽優異的物理性質。在矽材料已經接近理論性能極限的今天,碳化矽功率元件因其高耐壓、低損耗、高效率等特性,能承受非常惡劣的工作條件且耗散功率低,一直被視為「理想功率半導體材料」而備受期待。


表一:矽與碳化矽的物理性質比較表(作者改編繪製)

?

矽(Si)

碳化矽(以4H-SiC為例)

能帶隙(Eg)

1.12 eV

3.26 eV

擊穿電場(Ec)

30 V/μm

300 V/μm

電子遷移率(μ)

1400 cm2/V-sec

900 cm2/V-sec


意法半導體旗下Norstel AB的前世今生

總部位於瑞典Norrkoping的碳化矽(SiC)晶圓製造商Norstel AB公司,始於1993年瑞典linkoping大學和ABB Ltd.的碳化矽(SiC)聯合研究,一直在芬蘭矽晶圓製造商Okmetic OYJ的保護傘下,直到2005年從瑞典的linkoping大學獨立分拆出來的衍生企業,在 SiC研究方面有很高的成就,主要開發和生產150mm (6吋)SiC裸晶圓和磊晶晶圓,是歐洲最大的Epi供應商。Norstel AB雖不如Cree/Wolfspeed有名氣,但卻在SiC方面有著悠久的歷史,具有獨特的高溫化學氣相沉積(Hight Temperature Chemical Vapor Deposition,HTCVD)生長技術和物理氣相傳輸(Physical Vapor Transport,PVT)生長技術。


之後,2017年1月由中國福建省政府和中國國家積體電路產業投資基金(安信資本)全資收購了瑞典Norstel AB公司,隨後在福建泉州建立了一家SiC晶圓工廠,福建北電新材料科技有限公司(簡稱北電新材)就此成立,並由中國LED龍頭企業三安光電管理該筆基金。


三安光電後因三安集團母公司疑似財務危機而將具有戰略意義和市場前景的Norstel AB出售給意法半導體(STMicroelectronics,簡稱ST),ST在2019年2月與Norstel AB簽署協定收購其55%的股權,並可選擇在特定條件下收購剩餘的45%。2019年2月首次交易後,同年12月2日ST行使期權收購了剩餘的45%股份,宣佈完成對瑞典碳化矽晶圓製造商Norstel AB的整體收購,收購總額達1.375億美元。


ST及其旗下Norstel AB在SiC晶圓與磊晶成長技術專利佈局

一些國際電子業巨頭都已投入巨資發展碳化矽半導體元件,ST也不例外。在ST及其旗下Norstel AB的碳化矽晶圓及其磊晶成長的專利組合(patent portfolio)中,除ST的少數專利外,其專利申請權人也包含ABB Research Ltd.早期1990年代草創時期申請的專利、Okmetic OYJ授讓給Norstel AB的專利、被ST收購的Norstel AB,以及被中國三安光電旗下子公司收購的北電新材的專利,其原始專利申請權人占比如圖一所示。



圖一 : ST及旗下Norstel AB在碳化矽晶圓及其磊晶成長之原始專利申請權人占比圓餅圖。(Source:作者繪製)
圖一 : ST及旗下Norstel AB在碳化矽晶圓及其磊晶成長之原始專利申請權人占比圓餅圖。(Source:作者繪製)

圖二為ST及其旗下Norstel AB在碳化矽晶圓及其磊晶成長方面的專利申請趨勢,係以最早優先權申請年統計其專利組合中INPADOC專利家族數量。最早優先權自1995年起開始,有用於透過化學氣相沉積在襯底上磊晶生長SiC的相關專利申請,分別於2001、2003及2018年有最多相關專利家族申請,其後下降係因部分專利尚未公開所致。在該專利組合中,其INPADOC專利家族中各別專利申請的國別/地區統計如圖三所示。



圖二 : ST及旗下Norstel AB在碳化矽晶圓及其磊晶成長的歷年專利申請趨勢。(Count by INPADOC family with earliest priority year)。(Source:作者繪製)
圖二 : ST及旗下Norstel AB在碳化矽晶圓及其磊晶成長的歷年專利申請趨勢。(Count by INPADOC family with earliest priority year)。(Source:作者繪製)

圖三 : ST及旗下Norstel AB在碳化矽晶圓及其磊晶成長的專利申請國別。(Source:作者繪製)
圖三 : ST及旗下Norstel AB在碳化矽晶圓及其磊晶成長的專利申請國別。(Source:作者繪製)

將ST及旗下Norstel AB之碳化矽晶圓及其磊晶成長專利組合(By INPADOC Family)中涉及較多之國際專利分類號(International Patent Classification,IPC)整理如表二,分別以三階、四階和五階IPC顯示其專利的技術分布。


表二:ST及旗下Norstel AB之碳化矽晶圓及其磊晶成長專利組合中所涉及的IPC國際專利分類號。(Source:作者繪製)

IPC國際專利分類號階層

IPC

定義說明

三階

 

C30B

晶體生長、單晶或具有一定結構之均勻多晶材料及其製備

H01L

半導體裝置

四階

C30B 29

以材料或形狀為特徵的單晶或具有一定結構之均勻多晶材料

C30B 25

反應氣體化學反應法之單晶生長,例如化學氣相沉積生長

C30B 23

冷凝氣化物或材料揮發法之單晶生長

H01L 21

適用於製造或處理半導體裝置或元件之方法或設備

五階

C30B 29/36

以碳化物材料或形狀為特徵的單晶或具有一定結構之均勻多晶材料

C30B 25/02

磊晶層生長


ST及旗下Norstel AB專利技術解析

(一)透過化學氣相沉積(CVD)在襯底上製備SiC

90年代由ABB Research和Okmetic共同申請涉及一種透過化學氣相沉積在襯底上磊晶生長SiC、III族氮化物或其合金的方法專利,該方法在其專利申請專利範圍(Claims)包括以下步驟:加熱基座,從而將襯底和供給到襯底用於生長之氣體混合物加熱到高於襯底生長所需的溫度水平,在該溫度水平上生長的材料的昇華開始顯著增加,以及將具有特定組成之該氣體混合物供給到基座中並以一速率確保其成長。


另一方面,透過化學氣相沉積在配置以基座容置的襯底上磊晶生長SiC的方法,包括加熱基座並藉此加熱襯底和供給至襯底用於生長的氣體混合物,並且透過改變該氣體混合物中至少一種蝕刻氣體的含量來改變該氣體混合物對基座和襯底的作用等步驟。


與在常溫下進行的化學氣相沉積相比,該專利將溫度升高到高於襯底生長所需的溫度水平(即用於生長晶錠的溫度),使生長的材料的昇華開始顯著增加,提升生長速率和長晶的品質。


由於該專利主張的權利範圍廣泛,係利用化學氣相沉積在襯底上磊晶生長SiC的基礎專利,後續被許多國際大廠引用,包括Okmetic OYJ、Denso Corporation、Caracal, Inc.、Cree, Inc.、Cape Simulations, Inc.等國際巨頭在其襯底上磊晶生長SiC技術的基礎上延伸再精進。


(二)碳化矽同質磊晶生長技術

ST申請一種在襯底上同質磊晶生長具不同摻雜水平的碳化矽磊晶層,並在該等碳化矽磊晶層上形成氮鈍化碳化矽層(nitrogen-passivated silicon dioxide layer)的半導體器件結構專利。


該結構如圖四所示,具有在襯底(4)上形成第一磊晶生長的碳化矽緩衝層(5),在該緩衝層(5)上方形成第二磊晶生長碳化矽層(1),並在該第二磊晶生長的碳化矽層(1)上形成氮鈍化二氧化矽層(2)。其中,該氮鈍化二氧化矽層(2)的氮濃度大於第一和第二磊晶生長的碳化矽層的氮摻雜濃度,從而使該第二磊晶生長的碳化矽層(1)和該氮鈍化二氧化矽層(2)之間的介面品質提升、具有低陷阱密度(low trap density),提高了半導體器件的電氣性能。該專利之後也被住友電工(Sumitomo Electric Industries)和格羅方德(GlobalFoundries, Inc.)等國際半導體巨頭所引用。



圖四 : 碳化矽晶圓的剖面圖。(Source:美國專利US8183573B2)
圖四 : 碳化矽晶圓的剖面圖。(Source:美國專利US8183573B2)

(三)控制晶片下彎及厚度

通常矽基碳化矽(SiC on Si)之化合物半導體異質磊晶結構製程是要將碳化矽層磊晶成長在矽晶圓基板上,但晶格不匹配問題易產生翹曲(warping)為製程上的困難之一,例如產生晶片下彎(bow),且用於功率應用所需的晶片直徑愈大,下彎問題愈嚴重。為減少大直徑晶片下彎的問題,ST申請一種用於製造碳化矽功率半導體晶片的方法專利,包括:提供單晶矽晶片(102);在矽晶片(102)上磊晶生長單晶碳化矽層(108);以及在該單晶碳化矽層(108)上磊晶生長單晶矽層(110),從而該單晶碳化矽層(108)及該單晶矽層(110)具有小於50μm的下彎。


再者,為使其碳化矽晶片厚度能夠經受相對高的電壓,單晶碳化矽膜(106)係充當用於生長單晶碳化矽層(108)的籽晶,所得單晶碳化矽層(108)的厚度取決於晶片在反應室內暴露於矽前體和碳前體的時間量,從而適用能夠經受相對高的電壓的厚度,例如該單晶碳化矽層(108)非常適合在功率應用中使用的厚度範圍可以從2μm至6μm。此有效控制晶片下彎程度的專利後續也被國際大廠Honeywell International Inc.所引用。



圖五 : 抑制晶片下彎之異質磊晶結構。(Source:美國專利US9576793B2)
圖五 : 抑制晶片下彎之異質磊晶結構。(Source:美國專利US9576793B2)

掌握碳化矽供應鏈、取得重要客戶是領先的關鍵

碳化矽有助提升車輛性能、延長續航里程、加快車輛充電速度,同時是高於600V高壓應用系統的最佳選擇(例如純電動汽車的驅動馬達逆變器)。作為第一家為電動車的主逆變器提供SiC MOSFET的公司,ST顯示出了要在汽車市場保持領先地位的雄心。關鍵在於碳化矽晶圓的供應是否安全無虞,ST透過Norstel AB 100%完整的股權收購舉動,就是在向它的汽車客戶們展示自己對碳化矽供應鏈掌控的能力。


贏得重要客戶通常是推動特定市場或應用中成功的關鍵。對ST而言,其在汽車領域的成功取決於特斯拉這個主要客戶,幫助ST在碳化矽功率元件市場成為領導者。因為在特斯拉Model 3之逆變器功率模組中,包含了意法半導體製造的SiC MOSFET。


ST能夠迅速在電動車市場領域站穩腳跟,很大程度上要歸功於特斯拉,使得其能與雷諾-日產-三菱聯盟在車載充電器建立夥伴關係,研發下一代電動汽車快充技術,意法半導體於未來一段時間將繼續保持特斯拉第一大供應商的地位。


(本文作者約書亞為科技產業技術與市場專利的資深研究人員,熟稔技術轉移與相關法律知識,曾任職於光電領域,擔任智財權的分析與管理)


參考資料

[1]中文或稱崩潰電場。https://www.rohm.com.tw/electronics-basics/sic/sic_what1


[2]碳化矽存在著各種同質多形體(結晶多形),各有不同的物理性值,針對功率元件以4H-SiC最為合適。


[3]Okmetic OYJ成立於1985年,位於芬蘭,是一家老牌的矽晶片製造供應商,Okmetic透過位於瑞典的子公司Okmetic AB將其碳化矽製造技術移轉給新創公司Norstel AB。


[4]之後於2020年8月三安光電旗下全資子公司湖南三安收購北電新材100%股權,https://www.eefocus.com/component/471439


[5]截至2021年6月16日止,ROHM集團在碳化矽半導體材料方面的專利組合,經篩選與碳化矽襯底及其磊晶技藝相關的專利共40案(Count by INPADOC family),合計132件專利。


[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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