jackzhang的个人空间 https://blog.eetop.cn/jack1 [收藏] [复制] [分享] [RSS]

空间首页 动态 记录 日志 相册 主题 分享 留言板 个人资料

日志

【图解】如何打造一颗第三代半导体芯片?上中下游产业链、5大制程带你一次看懂! ...

热度 5已有 2174 次阅读2021-12-31 11:53 |系统分类:芯片设计

来源:数位时代(台)

打造一颗具备信号处理能力的芯片,就像盖房子一般,从设计、建材到最后装潢,各个环节都不容轻忽。由「硅」(Si)打造的第一代半导体,已走过60多个年头,制程趋于成熟,有一套标准化的生产流程,对应到芯片制造程序,就是从晶圆(基板+磊晶)→设计→制造→封装。

图片

第一代半导体技术相对成熟,已有一套标准生产流程,对应到芯片制造程序,就是从晶圆(基板+磊晶)→设计→制造→封装。




这套制程长期的发展,基本上是持续推进摩尔定律。而加码投资先进封装制程、力求在单一芯片上堆叠更多电晶体,以提升芯片效能与降低耗电量,也是全球晶圆代工巨头门的长期努力的方向。

目前硅是主流半导体材料,在全球半导体市占约9成,而第二代半导体如砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP),多用于通信、传感器等相关产品,产值与应用范围都比较小,因此本文主要以第一代和第三代半导体做比较。

碳化硅原料难取得,生产门槛更高

与硅芯片制程相似,第三代半导体材料同样需要经过基板、磊晶、IC设计、制造、封装等步骤,才能产生出一颗芯片。不过,由于第三代半导体发展历史仅硅半导体一半,从制程的前段材料与长晶就有许多挑战,像是源头的材料配方和长晶炉的设计,专利都掌握在国际大厂手中,而长晶炉又攸关晶锭品质优劣,也牵动了后续切割成基板的良率高低。

图片

基板与磊晶制造,是半导体产业的最上游,光是原料的取得与加工,就有重重挑战。图为碳化硅磊晶。




从制程源头的材料面来看,第三代半导体又分为碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)两种材料。

高纯度的碳化硅材料取得不易,源头集中于美国、日本与俄国等国。高纯度的碳化硅大多用于军用雷达、国防应用相关领域,被视为战略性物资,加上高纯度碳化硅材料成本是一般纯度的10倍,较少人会直接购买高纯度材料。

通常市面上流通的碳化硅粉体是一般等级的材料,由厂商进口后自行纯化碳化硅材料,但是否可以提炼出高纯度的碳化硅,就得各凭本事。此外,碳化硅硬度极高(仅次钻石),切割、研磨与抛光等加工制程难度相对较高,所以具备生产制造能力的厂商非常少,形成垄断市场。

以基板为例,美国Wolfspeed(前身为Cree)就占了将近6成市占率,其次为日本罗姆半导体(ROHM)、美国贰陆(II-VI)等公司。

半导体材料面,由于原料取得不易与加工困难等原因,形成垄断市场。以基板为例,美国Wolfspeed就占了近6成市占率。




对照碳化硅,由于氮化镓晶圆的制造方式,是在其他材料的基板上生长出新结晶,比方蓝宝石、硅或碳化硅,设备也具通用性。

目前基板材料中,硅基氮化镓(GaN on Si)主要用于快充、电动车领域,而碳化硅基氮化镓(GaN on SiC)则主要用于基站、卫星通信等地。不过,氮化镓磊晶也有不小挑战,原因是氮化镓经常是透过异质材料基板生成结晶,容易产生晶格不匹配而翘曲(warpage)破片,磊晶技术优劣,又会大幅影响良率。

比起第三代半导体在制程前端(材料取得、基板、磊晶)难度较高,在中下游的IC设计、制造生产/封测等阶段,则基本上能建立在既有硅产业基础上。例如台积电就是采取硅基氮化镓技术,帮氮化镓功率IC龙头纳微(Navitas)代工,以最有效方式抢进市场。

image.png

半导体的中上下游产业链,可分为五大生产环节。




世界先进董事长方略指出,第三代半导体与第一代半导体生产管理、制造流程通用,部分技术也有重叠。像是氮化镓可以整合现在相对成熟、有部分CMOS(互补式金属氧化物半导体)技术应用于高频率元件产品。

至于IC设计环节上,第三代半导体的设计程序与第一代半导体无太大差异,需进行规格定义、制程选择、架构选择、电路设计、可靠性分析等过程,只是因为两者间的材料特性非常不一样,因此在设计时,研发人员要更能掌握对碳化硅、氮化镓材料特性的理解,以利产品能顺利量产。

最后的制造与封测阶段,虽然很多传统晶圆厂第三代半导体产业发展尚未规模化,没有相关的机器设备商,但已有厂商积极布局中,希望能够同步掌握制造与封测的能力。

比如硅晶圆代工二哥联电,早已投入氮化镓功率元件与射频(RF)元件制程开发,日前更以54亿元新台币入股第9大封测业者颀邦科技,以强化第三代半导体制造能力。第三代半导体由于造价昂贵及耐高压、高频等特性,主要用于国防、航太等领域,直到近年才因为技术进展、成本下降,应用到工业、汽车与消费性电子产业。这个极度精密、复杂的产业,究竟有哪些生产流程,本文带你一次了解!

基板:在黑盒子中制造长晶,难度最高

image.png

基板起始步骤:长晶,须在密闭空间里进行。




要生产出碳化硅(SiC)单晶(monocrystal或single crystal)基板(Substrate),须从长晶(生长碳化硅单晶)做起,作法是将碳化硅粉体倒入长晶炉,在高温且密闭的空间使其升华,让晶源粉末的蒸汽冷凝后,附着在碳化硅晶种上。

碳化硅的长晶完全是在「黑盒子中」制造,因为生产制造的过程中需要维持在高温(大于2100℃)环境下运作,且须保持低压、长时间稳定的状态,这也意味着做出来的品质、成果会在最后一刻才揭晓答案。

因为看不到坩埚内碳化硅结晶的状况,因此要控制得好,让碳化硅的原子能适当排列并附着在起始的晶种上面,除了晶种本身的品质非常重要之外,热场设计及坩埚材质等因素,都会影响基板品质的好坏。

基板是一种纯材料的技术,需要具备高温热力学的专业知识,不是买设备就可以自行制作,没有一定程度的技术来源,很难做出品质好的基板,尤其是在完全密闭的空间里进行,设计难度也相对比较高。

此外,与硅相比,碳化硅因材料特性使然,长晶速度与晶锭(或称晶棒,Ingot)高度差异甚大,碳化硅需要7天时间才能长出2~5公分的晶锭,硅则是3天就能制作出200公分的晶棒,长晶效率相差100~200倍。

长成晶柱的碳化硅晶锭,首先会切割成基板,经过机械研磨、化学侵蚀,将表面磨得光滑如一面镜子,最后成为集成电路(IC)基板。

目前主流的碳化硅基板为6吋(150mm),而意法半导体(ST)率先于2021年8月宣布,在瑞典Norrköping工厂制造出全球首批量产8吋(200mm)碳化硅基板。预期2022年起,基板大厂Wolfspeed(前身为科锐Cree)、贰陆(II-VI)及Qromis也将陆续推出8吋碳化硅量产基板,可望大幅提升全球第三代半导体芯片产能。

磊晶:碳化硅基氮化镓,被视为未来主流

image.png

薄薄一层磊晶,是强化基板工作效能关键。




磊晶(Epitaxy)是指透过在原有的基板上,长出薄薄一层结晶,以达到强化工作效能的目标。通常在磊晶过程中,会经过2个步骤:先在基板表面沉积化学物质,而后才会在基板上形成薄膜,俗称磊晶。

就难度来讲,碳化硅磊晶的挑战相对较小,因为碳化硅采用的磊晶材料与基板相同,晶格匹配度较高,主要用途是优化晶圆的晶体结构和品质。相较之下,第三代半导体的另一个关键材料——氮化镓(GaN),磊晶技术的好坏就是非常关键的要素。

受限于材料本身的特性,氮化镓基板(目前用于功率元件的基板,还在研发阶段)尚未量产,即使做成了氮化镓基板,成本也高达2000~3000美元,比一般硅基板(仅35~55美元)贵上许多。因此,氮化镓大多是在硅、碳化硅或蓝宝石基板上磊晶,以加速产品上市时间。

出于成本考虑,加上与互补式金属氧化物半导体(CMOS)制程相容,现阶段主流的氮化镓技术是将氮化镓磊晶长在硅之上的硅基氮化镓(GaN on Si)方案。台积电即是采用此晶圆代工技术,为第三代半导体元件龙头纳微半导体(Navitas)代工生产氮化镓功率元件。

长期而言,碳化硅基氮化镓(GaN on SiC)被视为是未来的主流技术,因为碳化硅基板的导热性优异,氮化镓磊晶层的品质较佳,适合高温、高频、高功率的产品,如5G基站、低轨卫星应用。

整体来看,无论是碳化硅或氮化镓,将来在应用上都会用到碳化硅基板,「得碳化硅基板者得天下」已成为业界共识,国际大厂也陆续透过并购,取得碳化硅基板技术。

IC设计:上游材料、后端制程,都会影响良率

image.png

IC设计需考虑材料及后端制造,台积电与纳微也是合作许久后才推出可商用的氮化镓产品。




对于IC设计来说,由于高纯度的碳化硅材料取得不易,再加上碳化硅基板、磊晶制程困难,对IC设计是很大挑战,因为要拿到长得很整齐的基板、磊晶不容易,这也是决定良率很大的因素。

IC设计的好坏,不仅受上游晶圆制作的影响,也与下游晶圆代工的环节息息相关。制作第三代半导体芯片,IC设计商一定要与晶圆代工厂密切合作,确保设计出来的产品能够有相对应的制程,才能做出元件。

IC设计过程中,需要考虑材料品质而调整设计,若只是将设计做得很理想,但后端制程做不到设计要求也是徒劳。

第三代半导体的材料与制程还不是很成熟,因此设计的产品与制造出的成品常有特性差异(因材料品质或制程条件的变动而偏离目标值)与稳定度问题,因此要发展相关芯片,IC设计者必须了解材料的元件特性才有利于产品开发。

制造、封测:可借重硅制程经验

图片

相较硅制程,第三代半导体仅需10余层材料。图为碳化硅制程。




相比于第一代半导体「硅制程」的制造与封装,动辄需要整合30~40层材料,第三代半导体仅需10~20层,难度应该属于中等。

不过,层数少,虽说复杂度较低,却未必简单。受限于材料的不同,每一步的层数叠加都有其挑战。第三代半导体制造与封测的技术门槛,来自于材料、制程经验,以及后端的封装技术,懂得材料的know-how(知识技能),才有办法做出来。

此外,也因为材料的不同,许多制程必须透过不同的机器来执行,无法与过去的硅制程设备完全通用,因此,机器生产制造商与晶圆代工的制造商必须共同讨论制程研发的需求,以开发适用的机器设备。

IDM:第三代半导体的主流运作方式

image.png

IDM是指从IC设计、制造到封测都一手包办的公司,由于第三代半导体发展为初期阶段,因此仍由IDM公司主导市占。




IDM是指垂直整合制造商(Integrated DeviceManufacturer, IDM),意味可以*从芯片设计、生产制造、封装测试等都一手包办的公司,这种商业模式也是半导体发展之初的主要运作方式,如早期的英特尔(Intel)。

然而,随着产业的发展和半导体制程的演进,在设计、技术研发上的成本拉高,生产制造的费用也不停垫高,半导体产业链一条龙的运作模式逐渐出现转变,半导体市场逐渐走向专业分工,例如晶圆、IC设计、制造代工、封测等流程,形成更多半导体产业的切分。

如今,进入第三代半导体领域,由于产业发展处于较初期阶段,研发成本不像第一代半导体产业追逐先进制程,动辄斥资千亿美元,而且大多数专利还都掌握在少数厂商手中,因此多由IDM公司主导,关键业者包括英飞凌(Infineon)、罗姆半导体(ROHM)、安森美(onsemi)、恩智浦(NXP)与Wolfspeed。


1

点赞

刚表态过的朋友 (1 人)

发表评论 评论 (4 个评论)

回复 CmosLgh 2022-1-6 22:17
新内容,学习了,大哥威武哈!
回复 李玉彬 2022-1-7 23:21
太强了
回复 古罔金来 2022-1-12 10:02
非常不错
回复 ailisiping 2022-2-11 17:18
感谢分享!

facelist

您需要登录后才可以评论 登录 | 注册

  • 关注TA
  • 加好友
  • 联系TA
  • 4

    周排名
  • 3

    月排名
  • 16

    总排名
  • 8

    关注
  • 72

    粉丝
  • 343

    好友
  • 78

    获赞
  • 149

    评论
  • 45475

    访问数
关闭

站长推荐 上一条 /2 下一条

小黑屋| 关于我们| 联系我们| 在线咨询| 隐私声明| EETOP 创芯网 ( 京ICP备:10050787号 京公网安备:11010502037710 )

GMT+8, 2022-8-15 06:16 , Processed in 0.035660 second(s), 8 queries , Gzip On, Redis On.

eetop公众号 创芯大讲堂 创芯人才网
返回顶部