編者按】本文為祥峰投資對第三代半導體產業研究內容,其中包含了各材料性能對比與材料應用範圍,方便從底層了解半導體產業發展,系列文章較長,建議收藏閱讀。本文為上篇,上篇請點擊:第三代半導體產業(上)
文章來自於祥峰投資,經億歐再次編輯,供行業人士參考。
在上一期的「站在『新基建』浪潮上的第三代半導體產業 (上) 」中,我們圍繞「新基建」的核心材料——第三代半導體做了概述,對當下規模化商用最主要的氮化鎵 (GaN) 器件和碳化矽 (SiC) 器件加以解構。
在本次報告的下篇,我們將進一步歸納總結第三代半導體晶片在產業鏈的各個環節 (襯底、外延、設計、製造、封裝) 的關鍵技術,梳理國內外主要廠商,並對本次第三代半導體產業研究報告做以總結。
GaN和SiC晶片的產業鏈與矽晶片類似,主要分為晶圓襯底、外延、設計、製造和封裝等環節。
襯底
當前的GaN器件的常用襯底有以下4種:
Si襯底:半導體產業發展最成熟襯底,應用最廣,晶體質量高、尺寸大、成本低、易加工,價格便宜,目前GaN產品上使用的Si襯底基本是6英寸的,也有部分公司實現8英寸的商用。
藍寶石襯底(Al2O3):生產技術成熟、器件質量、穩定性都較好,能夠運用在高溫生長過程中,機械強度高,易於處理和清洗,廣泛應用於LED產業。
SiC襯底:按照晶體結構主要分4H-SiC和6H-SiC,4H-SiC為主流產品,按照性能主要分為半導電型和半絕緣型。矽片拉晶時和單晶種子大小無關,但是SiC的單晶種子的尺寸卻直接決定了SiC的尺寸,目前主流尺寸是4-6英寸,8英寸襯底已由II-VI公司和Cree公司研製成功。半導電型SiC襯底以n型襯底為主,主要用於外延GaN基LED等光電子器件、SiC基電力電子器件等。半絕緣型SiC襯底主要用於外延製造GaN高功率射頻器件。SiC襯底市場的主要供應商有美國Cree(Wolfspeed)、DowCorning、日本羅姆、美國II-VI、日本新日鐵住金、瑞典Norstel(中國資本收購)等。Cree公司的SiC襯底佔據整個市場40%左右的份額,其次為Ⅱ-Ⅵ公司、日本ROHM,三者合計佔據75%左右的市場份額,國內有山東天嶽、天科合達等公司。6」半導電型襯底均價約為1200美元,6」襯底價格在4」襯底價格2倍以上。
GaN單晶襯底:主流產品以2~4英寸為主,6英寸甚至8英寸的也已經實現商用。GaN襯底主要由日本公司主導,日本住友電工的市場份額達到90%以上。我國目前已實現產業化的企業包括蘇州納米所的蘇州納維科技公司和北京大學的東莞市中鎵半導體科技公司。
以下重點對三種襯底做詳細分析。
SiC矽襯底
90%以上的集成電路晶片是用矽片作為襯底製造出來的,整個信息產業就是建立在矽材料之上。
單晶矽製備流程:矽石(SiO2)> 工業矽(粗矽)> 高純的多晶矽 > 矽單晶。
大尺寸矽片是矽片未來發展的趨勢,目前8英寸矽片主要用於生產功率半導體和微控制器,邏輯晶片和存儲晶片則需要12英寸矽片。2018年12英寸矽片全球市場份額預計為68.9%,到2021年佔比預計提升至71.2%。12英寸矽片主要被NAND和DRAM需求驅動,8英寸主要被汽車電子和工業應用對功率半導體需求驅動。長期看12英寸和8英寸依然是市場的主流。
半導體矽片投入資金多,研發周期長,是技術壁壘和資金壁壘都極高的行業。目前全球矽片市場處於寡頭壟斷局面。2018年全球半導體矽片行業銷售額前五名企業的市場份額分別為:日本信越化學28%,日本SUMCO 25%,中國臺灣環球晶圓14%,德國Siltronic13%,韓國SKSiltron9%,前五名的全球市場市佔率接近90%,市場集中度高。
資料來源:華經情報網,智研資訊,中港證券研究所
SiC襯底
目前生長碳化矽單晶最成熟的方法是物理氣相輸運(PVT)法(升華法),又稱改良的Lely法,其生長機理是在超過2000 ℃高溫下將碳粉和矽粉升華分解成為Si原子、Si2C分子和SiC2分子等氣相物質,在溫度梯度的驅動下,這些氣相物質將被輸運到溫度較低的碳化矽籽晶上形成碳化矽晶體。通過控制PVT的溫場、氣流等工藝參數可以生長特定的4H-SiC晶型。單晶棒再進行切割、拋光等工藝,製作成襯底片。
「高質量、大尺寸的碳化矽單晶材料是碳化矽技術發展首要解決的問題,持續增大晶圓尺寸、降低缺陷密度(微管、位錯、層錯等)是其重點發展方向。」
* SiC原料部分處於高溫中,溫度大約在2400~2500攝氏度,碳化矽粉逐漸分解或升華,產生Si和Si的碳化物混合蒸汽,並在溫度梯度的驅使下向粘貼在坩堝低溫區域的籽晶表面輸送,使籽晶逐漸生長為晶體。
GaN襯底
因為氮化鎵材料本身熔點高,而且需要高壓環境,很難採用熔融的結晶技術製作GaN襯底,目前主要在Al2O3藍寶石襯底上生長氮化鎵厚膜製作的GaN基板,然後通過剝離技術實現襯底和氮化鎵厚膜的分離,分離後的氮化鎵厚膜可作為外延用的襯底。這種基板以前的主流是2英寸口徑,現在出現了4~6英寸的基板。優點是位錯密度明顯低,但價格昂貴,因此限制了氮化鎵厚膜襯底的應用。
氨氣相法(或HVPE法):利用氨氣相法需要1000℃以上的生長溫度。因此,作為在高溫氨氣下特性依然穩定的基板,單晶藍寶石(Al2O3)受到關注。由於GaN與藍寶石的化學性質(化學鍵)、熱膨脹係數和晶格常數相差較大,在藍寶石上生長的GaN晶體表面像磨砂玻璃一樣粗糙。而且晶體缺陷非常多,無法獲得能夠用於半導體元件的高品質GaN。1986年,名古屋大學工學部教授赤崎勇開發出了「低溫堆積緩衝層技術」。該技術利用氮化鋁(AlN)作為緩衝層進行堆積,可以在藍寶石基板上生長晶體缺陷少而且表面平坦的GaN晶體。
GaN襯底生產工藝
*導入緩衝層提高晶體品質。在藍寶石基板上直接生長GaN時,會零散地生長一些微小晶體,因此GaN晶體的表面比較粗糙(a)。通過在藍寶石基板與GaN晶體之間設置「低溫堆積緩衝層」,便可獲得平坦的GaN晶體(b)
外延
GaN外延
外延生長(Epitaxy),是指在原有半導體晶片之上生長出新的半導體晶體層的技術。主要用CVD(Chemical Vapor Deposition,化學氣相沉積)設備,或者MBE(Molecular Beam Epitaxy,分子束外延)設備實現。原有的晶體稱為襯底(substrate),生長出的新晶體層稱為外延層。
「GaN襯底材料的成本是限制GaN器件商業化應用的主要因素。」
由於GaN材料硬度高,熔點高等特性,襯底製作難度高,位錯缺陷密度較高導致良率低,技術進步緩慢。因此GaN晶圓的成本仍然居高不下
2005年2寸的GaN襯底片成本2 萬美元,現在GaN2寸襯底價格仍然在3000美元水平。對比之下,4寸GaAs襯底成本僅需100-200人民幣。
採用外延技術,可以將GaN生長在SiC、Si、藍寶石、金剛石等其他材料襯底上,有效的解決GaN襯底材料的限制問題。GaN on SiC和 GaN on Si是未來的主流技術方向。
GaN on Si
GaN on Si:在Si基板襯底上製作GaN晶體,也能使用和在藍寶石襯底上生長的低溫堆積緩衝層技術,實現與藍寶石基板上的GaN基本相同的晶體缺陷密度(貫通位錯密度)。但由於Si基板襯底與GaN性質差異更大,在Si基板上製造時的難題更多的是熱膨脹係數差導致的裂紋。GaN與Si的熱膨脹係數差較大,因此在生長GaN後進行冷卻時會產生非常大的應力,導致有裂紋產生。
GaN on Si外延生長上可採用多層構造防止裂紋:在GaN層與Si基板之間設置AlGaN/GaN多層構造的「形變控制技術」來防止裂紋。
目前實現了產品化的GaN功率元件大多是在口徑6英寸的Si基板上製造,至少6英寸口徑的基板已經解決了裂紋問題。想要進一步降低價格,就必須擴大口徑。以比利時微電子研究中心(IMEC)為首,全球正在推進採用8英寸Si基板的GaN開發。日本英達公司已與Transphorm公司籤訂了GaN功率元件的前工序生產受託合同,將在日本英達的筑波事務所導入支持8英寸基板生產的前工序生產線。
國內英諾賽科也宣稱實現了8英寸GaN on Si外延生長。
GaN-on-Si未來主要有兩條發展路徑:
第一是向大功率器件方向發展,通過系統級封裝做成模塊化產品。
第二是在中低功率領域SoC化,集成更多被動元件、射頻驅動等。業界有廠商已經實現了驅動IC和GaN開關管的集成,進一步降低用戶的使用門檻。
目前主流的GaN技術廠商都在研發以Si為襯底的GaN的器件,提升外延質量,期望替代昂貴的SiC襯底。
GaN on SiC
GaN on SiC:同樣在GaN on SiC上做外延生長需要注意晶格失配和熱膨脹不匹配原因造成的裂紋或彎曲,從而影響GaN器件的性能和良率。目前轉移和協調釋放SiC基板上製備GaN外延材料失配應力的方法有:應力協變層技術(包括緩衝層、柔性層、插入層等)和圖形襯底技術。
GaN on SiC外延,SiC襯底散熱性更好,而且與氮化鎵晶格不匹配問題比Si小。限制在於SiC襯底晶圓的尺寸還做不大,目前尚未超過6寸。
採用SiC為襯底的GaN外延生長方法示例:
MOCVD生長依次將氮化鈦層、氮化鋁層和氮化鎵層沉積在SiC襯底上,氣氛是以三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)、三甲基鈦(TDEAT)和氨氣(NH3)分別作為Ga、Al、Ti和N源,以氫氣(H2)為載氣。
首先,將SiC襯底置於1200oC反應室進行前烘300s,降溫至500oC,通入氨氣8000sccm對襯底進行氮化;
然後通入TDEAT三甲基鈦氣體,流量控制在40sccm,並繼續通入氨氣8000sccm,時長80s,進行氮化鈦沉積,250s進行復原;
然後通入TMAl三甲基鋁氣體50sccm,10000sccm氨氣,時長100s,進行氮化鋁沉積;
最後通入TMGa三甲基鎵氣體。80sccm,15000sccm氨氣,時長150s,進行氮化鎵沉積,對反應室氣氛復原,完成緩衝層生長。
*各家GaN外延生長方法knowhow不一樣,屬於機密配方
圖形襯底技術:對複合緩衝層進行感應耦合等離子體(ICP)刻蝕技術做圖形化刻蝕孔形、柱形、條形的一種或多種,並周期性排列,圖形由窗口區域和臺面區域組成,圖形深度小於複合緩衝層厚度,外延生長GaN時,氣體原子在檯面上反應成核,襯底上被可使的部分即窗口區域,不易成核,膜層沿垂直臺面方向生長,在縱向生長的同時也進行橫向生長,隨著厚膜的生長,相鄰臺面的橫向生長區域可以達到合併,當橫向生長達到一定程度後氮化鎵外延層便能覆蓋整個緩衝層表面。圖形襯底技術利用縱向生長和橫向生長的合併,可以降低或抑制位錯在氮化鎵外延層的延伸,從而提高氮化鎵外延層的晶體質量。
設計
在矽基晶片中,EDA工具隨著摩爾定律一起發展多年,已經形成了相當成熟和極為複雜的一套設計工具。由於CMOS器件工藝標準化程度極高,EDA工具更加側重電路級的仿真。
在GaN和SiC晶片領域,設計和仿真更偏重器件級,以及更類似簡單矽基模擬電路,核心原因是:
以GaN射頻為例:
無源電路主要用ANSYS的HFSS,Integrand公司旗下的EMX,是德科技旗下的ADS Momentum等仿真工具。
有源電路通常採用Foundry提供的有源器件model,因為有源電路的仿真準確度較低。
器件物理級別的仿真,最常用的是Synopsis旗下的Sentaurus,包括器件仿真、製程仿真等功能非常完善。此外,Comsol也是一個優秀的仿真工具。但這些仿真基本上只能模擬直流特性。
器件的高頻特性,或者說高頻model,一般都是依賴設計者自己畫測試結構,實際測試並提取參數,這樣最準確。仿真一般只能模擬單個特徵頻率或者截止頻率。
行業領先的GaN/SiC公司如Infineon、Qorvo、GaN Systems、Modelithics也都在積極開發自己的設計工具和模型庫。
GaN和SiC晶片的製造是產業鏈的核心環節。其製造過程與矽基晶片類似,都需要複雜的半導體晶片製造工藝和流程,基本上每一類工藝都對應一種專用的半導體晶片設備,在微米和納米尺度進行製造。
晶片製造環節最重要的是產品良率、生產效率、穩定性。由於處理的材料不同和結構不同,製造設備之間也無法通用。因此,GaN器件、SiC器件都必須建立獨立專用的製造產線。
半導體晶片主要製造工藝及對應設備 (1/2)
*:核心工藝和設備
半導體晶片主要製造工藝及對應設備 (2/2)
*:核心工藝和設備
光刻 (Photo Lithography)
光刻工作原理:將晶片設計版圖先製作在光掩膜板上(通常是氧化鉻板),再以光掩膜版作為阻擋,對晶圓上塗覆的光刻膠進行曝光。被曝光的區域化學性質改變,通過顯影去除後,設計版圖即轉移到被掩膜版阻擋的光刻膠上。
掩膜板的最小線寬基本上決定了晶片的關鍵尺寸,也就是工藝節點,因此光刻是晶片製造中最關鍵的設備。
光刻機行業高度集中,荷蘭ASML、日本尼康和佳能三足壟斷。ASML是行業霸主,在EUV和浸潤式高端光刻機市場獨家壟斷。尼康和佳能則主要佔據中低端市場。
光刻設備的核心部件主要包括光源、光學透鏡組、對準系統。光源的波長越短,可達到的最小線寬解析度越低 ,設備單價也越高。
其它提高光刻解析度的主要技術有移相掩膜(PSM)、鄰近效應修正(OPC)、駐波效應修正(SWC)、浸潤式光刻(Immersion)、雙重曝光(Double Patterning)、運算光刻等。
光刻膠材料必須與光源匹配,也是決定關鍵尺寸的非常重要的因素,一般由光刻設備廠商和光刻膠廠商合作開發。
對於GaN和SiC而言,其晶片製程沒有發展到40nm以下的先進位程,因此產線對光刻設備的要求相對Si CMOS集成電路而言要低很多。
刻蝕 (Etching)
刻蝕是用化學或物理方法有選擇地從矽片表面去除不需要的材料的過程。刻蝕的基本目標是在塗膠的矽片上正確地複製掩膜圖形。
光刻結果如果不合格,可以將光刻膠掩膜洗掉重新進行光刻,所以是可逆的,而刻蝕是不可逆的,一旦刻蝕步驟失敗,整個晶圓即報廢,給晶圓廠造成很大經濟損失。因此刻蝕設備的工藝重複性要求極高。
資料來源:中微半導體招股書
刻蝕工藝通過刻蝕設備來實現。幹法刻蝕是刻蝕製程的絕對主流,其原理是通過等離子體對材料的物理轟擊激活,並同時發生化學反應,產生可揮發的產物,達到對材料的去除。
根據不同的刻蝕材料和結構,需要使用的刻蝕化學氣體和物理條件有極大差異,因此刻蝕設備在生產線上也是專用程度極高,在不同材料體系之間幾乎不可能復用。
薄膜沉積 (Deposition)
薄膜沉積設備的作用是在基底材料上進行薄膜的沉積,這些不同材料的薄膜構與外延材料一起,構成了晶片的基本材料結構。
通常晶片的製造過程會用到幾十次薄膜沉積製程,不同材料的薄膜有絕緣、導電、掩膜、發光、物理支撐等多種用途。
半導體設備行業格局和主要設備廠商
總體來看,晶片製造的絕大多數核心設備都被國外廠商壟斷,具有極高的技術壁壘。2018年,前五家企業 AMAT、ASML、Lam Research、TEL、KLA市佔率合計為 71%。
按照設備種類細分,每一類設備產品也被前1-4家公司寡頭壟斷。
關鍵工藝的核心設備是第三代半導體晶片發展的一個重要因素。
封裝
封裝是把製作集成電路之後的晶圓轉變為一個個晶片成品的過程。封裝廠獨立於晶圓製造廠,使用標準化的工藝流程和多種專門設備。
封裝測試的核心設備毛利率遠高於非核心設備,目前仍被國外公司壟斷。中低端封裝設備國產化率較高。
對於GaN和SiC晶片,封裝技術與形式與Si晶片類似。且由於不必用最先進的製程,也不需要BGA、CSP、WLP等先進封裝技術。但是由於高溫、高頻等特性,其具體封裝材料選擇等方面也存在一定的技術knowhow。
全球GaN器件產業鏈主要公司
全球GaN器件產業鏈主要公司:Qorvo
Qorvo成立於2015年,由射頻行業兩家廠商RFMD和TriQuint合併而來,全球領先的射頻IDM廠商,擁有自己的晶圓代工廠和封測廠,公司主要為移動終端、 基礎設施、航空航天、國防等領域提供RF解決方案,產品包括放大器、濾波器、雙工器、無源器件等射頻晶片。
2019年三季報Qorvo共實現營收24.51億美金,同比增長1.7%,非GAAP毛利率42.4%;公司收入分為MP(Mobile Products,佔比約75%,主要客戶蘋果、華為、三星等移動業務)和IDP(Infrastructure and Defense Products,佔比約25%,主要服務國防、wifi、5G基礎設施客戶)兩大塊。
Qorvo是GaN晶片領導廠商,尤其在國防和基礎設施領域,Qorvo在2017年就最早推出39Ghz雙通道GaNFEM,2018年推出業內最強GaN-on-SiC電晶體Transistor,公司有望在GaN領域實現業務快速增長。
全球GaN器件產業鏈主要公司:Infineon
Infineon公司於1999年從西門子集團的半導體部門獨立出來,在德國慕尼黑正式成立,2000年上市,是全球領先的半導體公司之一。公司為有線和無線通信、汽車及工業電子、內存、計算機安全以及晶片卡市場提供先進的半導體產品及完整的系統解決方案。
公司2018年營收達到75.99億歐元,毛利率40%,淨利潤17.8%,同比增長10.7%,其中功率器件佔比約68%、傳感器和射頻器件佔比15%、嵌入式控制器佔比約17%。
Infineon是電源器件尤其是功率半導體的全球領導者(infineon在2019年全球功率半導體市場佔比19%排名第一,細分IGBT、MOSFET市場更是佔比達27%和28%),也是市場上唯一一家提供覆蓋矽、碳化矽和氮化鎵等材料的全系列功率產品的公司,擁有高性價比的第七代CoolMOSTM、基於第三代寬禁帶半導體的高性能CoolSiCTM與 CoolGaNTM,公司主做6英寸SiC和GaN產線,8英寸GaN產線在準備中,GaN和SiC產能佔比約10%(Si佔90%),但在GaN和SiC產品上依然面臨提升良率、可靠性、降成本等挑戰。
SiC廠商以全產業鏈的IDM巨頭為主。全球大部分市場份額被Infineon、Cree、羅姆、意法半導體等少數企業瓜分。
Cree佔據襯底市場約40%份額、器件市場約23%份額;Cree和Infineon共佔器件市場的70%。
全球SiC器件產業鏈主要公司:Cree (Wolfspeed)
Cree科銳成立於1987年,是美國上市公司(1993年,納斯達克)。當前市值48億美元。
Cree在早期以LED材料與元件起家,其核心優勢是全球領先且不斷創新的SiC材料技術。晶型由6H擴展到4H;電阻率由低阻到半絕緣;尺寸由2寸到6寸。公司近年來開始謀求向功率和射頻器件進行轉型。
Cree旗下子公司Wolfspeed是全球最領先的碳化矽晶圓和外延晶圓製造商,完整覆蓋從SiC襯底、外延,到SiC肖特基二極體、SiC MOSFET 元件以及模塊的全產業鏈, 在市場佔據主導地位 。Cree的SiC襯底佔據了全球市場近40%份額 ,在SiC器件領域的市場份額達到62%。(Yole2019報告)
在GaN射頻器件市場,Wolfspeed市場份額位居第二,具備十年以上的GaN HEMT 生產經驗,出貨量超過1500萬隻。
Wolfspeed同時提供GaN-on-SiC代工服務,改變了行業傳統的IDM模式。
2016年Infineon曾試圖收購Wolfspeed, 但被美國政府以危害國家安全為由予以否決。
2019年1月,Cree宣布與意法半導體籤署了一份多年供貨協議 ,為意法半導體供應SiC襯底和外延晶圓 ,總價值達到2.5億美元。該合作將加速SiC在汽車和工業兩大市場的商用。
全球SiC器件產業鏈主要公司:Infineon
Infineon是市場上唯一一家提供涵蓋Si、SiC和GaN等材料的全系列功率產品的公司,開發的CoolSiC技術具備非常大的潛力。
Infineon於1992年開始SiC領域研發,2001推出全球首個商業化SiC二極體,2006年推出全球首個採用SiC組件的商用電源模塊,目前已經已經發展至第五代。
國內GaN晶片產業鏈
國內GaN晶片公司大多都是IDM模式,橫跨外延、設計、製造全鏈條。輕資產的Fabless公司較少。
國內SiC晶片產業鏈
國內SiC產業仍然以襯底、外延、製造環節為主,輕資產的Fabless公司很少。行業總體仍處於起步階段。
近年來國內已初步建立起相對完整的碳化矽產業鏈體系,追趕速度在加快。
單晶襯底方面,目前國內可實現4英寸襯底的商業化生產,山東天嶽、天科合達、同光晶體均已完成6英寸襯底的研發,中電科裝備研製出6英寸半絕緣襯底。
外延方面,國內瀚天天成和天域半導體均可供應4-6英寸外延片,中電科13所、55所亦均有內部供應的外延片生產部門。
晶片設計與製造方面,國內600-3300VSiC-SBD已開始批量應用,有企業研發出 1200V/50ASiC-MOSFET;泰科天潤已建成國內第一條SiC器件生產線,SBD產品覆蓋 600V-3300V的電壓範圍;中車時代電氣的6英寸SiC生產線也於2018年1月首批晶片試製成功。
第三代半導體率先大規模商業化的是GaN和SiC。由於襯底材料製備、外延等技術仍然不夠成熟,分立器件產品階段處於規模商用初期,集成電路產品階段處於探索期。
第三代半導體與第一代、第二代半導體是補充和部分替代的關係。在高電壓、大電流、高頻、高溫等應用中,第三代半導體有明顯的性能優勢,一方面可用於矽基器件無法勝任的對性能要求更加極端的工況條件,另一方面也可以降低系統的整體能耗、尺寸或重量,因而存在替代部分矽基器件的機會,關鍵看系統的性能指標要求,以及性價比。
第三代半導體目前應用市場規模有限,未來市場增速可期。
GaN的機會與市場空間
GaN射頻器件全球市場預計到2024年成長至20億美元。主要的市場增長來自軍用和5G通信。GaN將在5G基站的射頻晶片替換Si-LDMOS。5G將推動該市場在2024年達到7.5億美元。
GaN功率器件的增長來自電源管理、新能源車、LiDAR、封包追蹤等應用。2016年GaN功率器件全球市場規模僅1200萬美元,目前不到1億美元,預計到2022年將增長到4.6億美元。
消費電子產品的電源晶片、新能源車的電源晶片是GaN功率晶片最可能快速增長的領域。目前GaN晶片成本較高導致充電器價格仍然較高,以配件銷售為主,未來2-3年隨著價格下降,預裝機會很大。在新能源車領域,在3-5年內GaN功率器件有機會替代傳統Si-IGBT,但同時面臨與SiC功率器件的競爭。
SiC的機會與市場空間
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