碳化硅基板及磊晶成長領域 環球晶布局掌握關鍵技術

由于5G、電動車、高頻無線通信及國防航天等新興科技趨勢的興起，產業對于高頻率、低耗損的表現需求日益增加，如何在高溫、高頻率及高電壓等惡劣環境作業下損失較少功率的化合物半導體材料，備受產業期待。而基于碳化硅（SiC）芯片制作寬能隙半導體的器件，能夠滿足傳統硅基半導體所不能滿足的諸多優點。
放眼全球化合物半導體大廠，碳化硅（SiC）晶圓的供應以美國大廠Cree為首，是具有上下游整合制造能力的整合組件制造商（IDM），在碳化硅之全球市占率高達六至七成。磊晶廠則以美國的II-VI Incorporated為代表；模塊廠包括歐系的意法半導體（STM）、英飛凌（Infineon）、日本的羅姆（Rohm）和三菱電機（Mitsubishi Electric）等。
在半導體材料領域，臺灣的環球晶為全球第三大半導體硅晶圓供貨商，除了產品布局的組合多元，提供半導體材料「一站式購買」服務，并且在碳化硅芯片領域積極布局掌握關鍵技術。

碳化硅專利組合家族
環球晶的專利組合中涉及碳化硅基板（碳化硅芯片）及磊晶結構的專利家族（INPADOC Family）有20案，自2016年起開始專利布局，2017年布局最多關于碳化硅基板及其磊晶成長的專利（圖一）。
 
圖一 : 環球晶碳化硅基板及其磊晶成長的專利申請趨勢圖（Count by INPADOC Family；作者繪圖）

在其專利組合中，涉及三階國際專利分類碼（International Patent Classification； IPC）以適用半導體裝置的H01L最多，其次為C30B；四階IPC以適用于制造或處理半導體裝置或組件之方法或設備的H01L 21最多，其次為C30B 29；五階IPC則包括H01L 21/20、H01L 21/304、C30B 29/36、C30B 25/18、C30B 33/00，以及C30B 23/00（表一）。

表一 環球晶的專利組合中INPADOC Family涉及國際專利分類碼（IPC）對照表

 
專利布局著重二大要項
環球晶在碳化硅芯片領域的專利布局，著重在碳化硅芯片的表面加工方法以及磊晶技術。

一、碳化硅芯片的表面加工方法
磊晶薄膜對芯片（基板）的依賴性很強。因此碳化硅芯片表面質量，例如缺陷率和平坦度，會影響于其上形成磊晶薄膜的質量，嚴重會引起漏電和降低電子遷移率，進而影響半導體組件制作的性能。在技術上，環球晶對碳化硅芯片表面進行加工，以有效改善碳化硅芯片表面產生的缺陷及平整度不佳的問題[1]。

此外，在現有碳化硅芯片表面加工技術中，為了將碳化硅芯片的表面損傷移除，可以在碳化硅芯片的表面形成犧牲氧化層，之后再將犧牲氧化層移除，以一并將表面損傷移除，從而提升碳化硅芯片的表面平坦度。

然而，由于碳化硅芯片的碳面晶向與硅面的不同，因此兩面存在著氧化速率不一致的問題，碳化硅芯片的碳面為損耗面，氧化速率過快、而硅面為加工面的氧化速率過慢，如此將因需要移除過多的碳面氧化層而易因機械加工產生新的表面損傷，或者為了讓硅面氧化層成長至一定的厚度致使時間過于冗長。

環球晶提出一種碳化硅芯片表面加工方法，在犧牲氧化層形成的步驟中，以有機薄膜或蠟膜來輔助，使得讓硅面的氧化速率大于碳面的氧化速率，從而減少材料的浪費和新的表面損傷產生的機會，并可縮短犧牲氧化層的成長時間[2]。

二、磊晶技術
磊晶（Epitaxy）是指在晶圓上長出新結晶以形成半導體層的技術。在磊晶和基板界面常有本身磊晶材料引發自發極化或者因磊晶和基板晶格不匹配而引發壓電極化，造成磊晶和基板界面電阻降低（interface loss）的問題。

環球晶因此提供一種包括硅基板和碳化硅層的磊晶基板，藉由形成碳化硅層于硅基板內部，并且控制碳化硅層與第一表面之間的距離介于100埃與500埃之間，因此可藉由碳化硅層解決在磊晶面因自發或壓電極化而產生的界面電阻降低以及寄生功率損失的問題[3]。

現有的半導體組件是在磊晶基材上成長磊晶層，然后再于磊晶層上制作組件的結構。而磊晶用的基材通常會在基板上成長緩沖層，緩沖層之目的即是用以減少基板與磊晶層之間晶格不匹配的情形、降低缺陷密度或減少基板與磊晶層之間熱膨脹系數的差異，

為了降低基板和磊晶層之間的應力，避免基板彎曲及破裂的現象產生，環球晶提出一種磊晶用的基材，包括利用復數層堆棧的原子層形成質量較高的緩沖層，進而提升基材上磊晶層的質量及組件的效能[4]。并提供一種包括背擴散阻擋阻障層的磊晶結構，除了可改善磊晶結構晶格的匹配性，其中該背擴散阻擋阻障層的碳濃度沿厚度方向為步階式變化或步階漸變式變化，可同時具有擴散阻擋作用與改善載子局限能力，進而增加半導體組件的特性[5]。

此外，傳統上當磊晶層的材料為GaN（或其他的III-V族化合物）時，不同的基板與磊晶層在晶格常數和熱膨脹系數具有差異，針對不同基板分別是：

1.硅基板（17%的晶格錯配和46%的熱膨脹系數差異）

2.藍寶石基板（16%的晶格錯配和34%的熱膨脹系數差異）

3.SiC基板（3.5%的晶格錯配和25%的熱膨脹系數差異）

雖然SiC基板具有最小的晶格常數錯配和最小的熱膨脹系數，但相較其他基板材質也最昂貴。基于基板與磊晶層之間的晶格常數和熱膨脹系數差異，當磊晶層成長于基板上時，異質結構內將產生應力場，進而導致芯片翹曲或破裂。為減少異質磊晶結構引起的彎曲/破裂現象，環球晶提出一種異質磊晶結構[6]，例如在基板上創建一損傷層、應用摻質在基板內形成擴散層以及在基板施加保護層等技術或使用以上三種技術的組合。

化合物半導體競爭板塊卡位前驅
綜觀以上，唯有掌握關鍵技術、強化碳化硅晶圓供應鏈及提升半導體晶圓地位，才能夠在國際市場上脫穎而出。茲說明評析如下:
 
圖二 : 現在積極布局、掌握關鍵技術，打造臺灣成為重要的供應鏈，化合物半導體將有機會成為下一個護國神山。（source：The Manufacturer）

一、技術門坎高，掌握關鍵技術
目前各國投入化合物半導體的廠商不多，主要是技術門坎高。化合物半導體是兩種以上的元素結合，必須考慮晶格及原子的匹配性，在晶球生長、磊晶制程及晶圓加工階段都算困難。以SiC為例，將碳與硅兩種材料進行高溫熔融，必須精準掌握高真空度及高溫均勻性等兩大要件，技術難度高，因此成本居高不下。

未來在電動車、5G時代的促使下，肯定是化合物半導體風光的年代，該領域技術門坎相對困難，若能現在就積極布局、掌握關鍵技術，打造臺灣成為一個重要的供應鏈，化合物半導體有機會成為下一個護國神山。

二、強化碳化硅晶圓供應鏈
2019年8月環球晶與GT Advanced Technologies（GTAT）雙方達成協議共同簽署碳化硅晶球長期合約[7]，串連各自的技術優勢，快速擴大產能，形成新的碳化硅晶圓供應來源。此合作不僅擴大環球晶于高階半導體晶圓材料產品的完整度，也擴增其SiC硅晶圓于全球半導體市場上的供應，并確保其取得長期穩定且可依市場需要快速擴充產能的高質量碳化硅晶球供應，對于環球晶碳化硅產品的加速成長，具有長遠積極的實質效益。

三、透過并購提升半導體晶圓產業地位
為了在半導體硅晶圓領域領先產業，環球晶在2020年12月與德國硅晶圓廠世創（Siltronic）正式簽訂商業合并協議（BCA），并確認環球晶將公開收購世創所有流通在外股份。預期此次結合將帶來一系列的戰略與營運效益，包括擴大產能及市占率，提升半導體晶圓產業地位[8]，此外，透過并購可進一步縮短在碳化硅及氮化鎵等寬能隙材料硅晶圓的開發及前置時間，以爭取國際功率半導體大廠及車用芯片的訂單，包括英特爾、安森美、英飛凌、意法、恩智浦、德州儀器等IDM大廠都將成為未來重要客戶。

臺灣產學研各界在化合物半導體發展上已耕耘多年且初具成效，加以國際仰賴的硅基半導體生態體系的能量加持優勢，未來臺灣在全球化合物半導體競爭板塊之中，環球晶已卡位發展藍圖規畫并與國際介接，期待它再創造出一個臺灣之光!

（本文作者芮嘉瑋博士任職工業技術研究院技術移轉與法律中心執行長室）

參考數據
[1] Silicon carbide wafer and method for production thereof, 2019 July 9, US Patent US10347481B2.
[2] 碳化硅芯片的表面加工方法，2020年1月11日公告，臺灣專利公告號I716304。
[3] Epitaxy substrate and method of manufacturing the same, 2020 March 5, US Patent publication US2020075328A1.
[4] 磊晶用之基材，2017年11月11日公告，臺灣專利公告號M551754。
[5] Epitaxial structure, 2021 February 18, US Patent Publication US2021050422A1.
[6] Silicon substrates with compressive stress and methods for production of the same, 2016 Jun. 28, US9378946B2.
[7] https://www.sas-globalwafers.com/en/globalwafers-and-gt-advanced-technologies-sign-long-term-agreement-for-silicon-carbide-crystal-global-leader-in-silicon-wafers-adds-silicon-carbide/
[8] 合并后環球晶將擠下日本勝高（SUMCO）成為全球第二大硅晶圓廠，市占率將達26.7％，與龍頭大廠日本信越（Shin-Etsu）的市占率差距僅2.7個百分點。