近年隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)崛起，碳化硅（SiC）功率半導(dǎo)體市場(chǎng)需求激增，吸引產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)的關(guān)注，國(guó)際間碳化硅(SiC)晶圓的開(kāi)發(fā)驅(qū)使SiC爭(zhēng)奪戰(zhàn)正一觸即發(fā)。與硅(Si)相比，碳化硅是具有比硅更寬的能帶隙(energy bandgap，Eg)的半導(dǎo)體；再者，碳化硅具有更高的擊穿電場(chǎng) (breakdown electric field，Ec)，因此可被用于制造功率組件應(yīng)用之電子電路的材料，因?yàn)橛锰蓟柚瞥傻男酒词购穸认鄬?duì)小也能夠經(jīng)受得起相對(duì)高的電壓。

表一分別示出了硅和碳化硅的能帶隙(Eg)、擊穿電場(chǎng)(Ec)和電子遷移率(electron mobility，μ)的值，相較之下顯示出碳化硅優(yōu)異的物理性質(zhì)。在硅材料已經(jīng)接近理論性能極限的今天，碳化硅功率組件因其高耐壓、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(dǎo)體材料」而備受期待。

表一：硅與碳化硅的物理性質(zhì)比較表(作者改編繪制)

 
意法半導(dǎo)體旗下Norstel AB的前世今生
總部位于瑞典Norrkoping的碳化硅(SiC)晶圓制造商Norstel AB公司，始于1993年瑞典linkoping大學(xué)和ABB Ltd.的碳化硅(SiC)聯(lián)合研究，一直在芬蘭硅晶圓制造商O(píng)kmetic OYJ的保護(hù)傘下，直到2005年從瑞典的linkoping大學(xué)獨(dú)立分拆出來(lái)的衍生企業(yè)，在 SiC研究方面有很高的成就，主要開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)150mm (6吋)SiC裸晶圓和磊晶晶圓，是歐洲最大的Epi供貨商。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(dú)特的高溫化學(xué)氣相沉積(Hight Temperature Chemical Vapor Deposition，HTCVD)生長(zhǎng)技術(shù)和物理氣相傳輸(Physical Vapor Transport，PVT)生長(zhǎng)技術(shù)。

之后，2017年1月由中國(guó)福建省政府和中國(guó)國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金(安信資本)全資收購(gòu)了瑞典Norstel AB公司，隨后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(jiǎn)稱北電新材)就此成立，并由中國(guó)LED龍頭企業(yè)三安光電管理該筆基金。

三安光電后因三安集團(tuán)母公司疑似財(cái)務(wù)危機(jī)而將具有戰(zhàn)略意義和市場(chǎng)前景的Norstel AB出售給意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics，簡(jiǎn)稱ST)，ST在2019年2月與Norstel AB簽署協(xié)議收購(gòu)其55%的股權(quán)，并可選擇在特定條件下收購(gòu)剩余的45%。2019年2月首次交易后，同年12月2日ST行使期權(quán)收購(gòu)了剩余的45％股份，宣布完成對(duì)瑞典碳化硅晶圓制造商N(yùn)orstel AB的整體收購(gòu)，收購(gòu)總額達(dá)1.375億美元。

ST及其旗下Norstel AB在SiC晶圓與磊晶成長(zhǎng)技術(shù)專利布局
一些國(guó)際電子業(yè)巨頭都已投入巨資發(fā)展碳化硅半導(dǎo)體組件，ST也不例外。在ST及其旗下Norstel AB的碳化硅晶圓及其磊晶成長(zhǎng)的專利組合(patent portfolio)中，除ST的少數(shù)專利外，其專利申請(qǐng)權(quán)人也包含ABB Research Ltd.早期1990年代草創(chuàng)時(shí)期申請(qǐng)的專利、Okmetic OYJ授讓給Norstel AB的專利、被ST收購(gòu)的Norstel AB，以及被中國(guó)三安光電旗下子公司收購(gòu)的北電新材的專利，其原始專利申請(qǐng)權(quán)人占比如圖一所示。

 
圖一 : ST及旗下Norstel AB在碳化硅晶圓及其磊晶成長(zhǎng)之原始專利申請(qǐng)權(quán)人占比圓餅圖。(Source：作者繪制)

圖二為ST及其旗下Norstel AB在碳化硅晶圓及其磊晶成長(zhǎng)方面的專利申請(qǐng)趨勢(shì)，系以最早優(yōu)先權(quán)申請(qǐng)年統(tǒng)計(jì)其專利組合中INPADOC專利家族數(shù)量。最早優(yōu)先權(quán)自1995年起開(kāi)始，有用于透過(guò)化學(xué)氣相沉積在襯底上磊晶生長(zhǎng)SiC的相關(guān)專利申請(qǐng)，分別于2001、2003及2018年有最多相關(guān)專利家族申請(qǐng)，其后下降系因部分專利尚未公開(kāi)所致。在該專利組合中，其INPADOC專利家族中各別專利申請(qǐng)的國(guó)別/地區(qū)統(tǒng)計(jì)如圖三所示。


 
圖二 : ST及旗下Norstel AB在碳化硅晶圓及其磊晶成長(zhǎng)的歷年專利申請(qǐng)趨勢(shì)。(Count by INPADOC family with earliest priority year)。(Source：作者繪制)


 
圖三 : ST及旗下Norstel AB在碳化硅晶圓及其磊晶成長(zhǎng)的專利申請(qǐng)國(guó)別。(Source：作者繪制)

將ST及旗下Norstel AB之碳化硅晶圓及其磊晶成長(zhǎng)專利組合(By INPADOC Family)中涉及較多之國(guó)際專利分類號(hào)(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(shù)分布。

表二：ST及旗下Norstel AB之碳化硅晶圓及其磊晶成長(zhǎng)專利組合中所涉及的IPC國(guó)際專利分類號(hào)。(Source：作者繪制)

ST及旗下Norstel AB專利技術(shù)解析
(一)透過(guò)化學(xué)氣相沉積(CVD)在襯底上制備SiC
90年代由ABB Research和Okmetic共同申請(qǐng)涉及一種透過(guò)化學(xué)氣相沉積在襯底上磊晶生長(zhǎng)SiC、III族氮化物或其合金的方法專利，該方法在其專利申請(qǐng)專利范圍(Claims)包括以下步驟：加熱基座，從而將襯底和供給到襯底用于生長(zhǎng)之氣體混合物加熱到高于襯底生長(zhǎng)所需的溫度水平，在該溫度水平上生長(zhǎng)的材料的升華開(kāi)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并以一速率確保其成長(zhǎng)。

另一方面，透過(guò)化學(xué)氣相沉積在配置以基座容置的襯底上磊晶生長(zhǎng)SiC的方法，包括加熱基座并藉此加熱襯底和供給至襯底用于生長(zhǎng)的氣體混合物，并且透過(guò)改變?cè)摎怏w混合物中至少一種蝕刻氣體的含量來(lái)改變?cè)摎怏w混合物對(duì)基座和襯底的作用等步驟。

與在常溫下進(jìn)行的化學(xué)氣相沉積相比，該專利將溫度升高到高于襯底生長(zhǎng)所需的溫度水平(即用于生長(zhǎng)晶錠的溫度)，使生長(zhǎng)的材料的升華開(kāi)始顯著增加，提升生長(zhǎng)速率和長(zhǎng)晶的質(zhì)量。

由于該專利主張的權(quán)利范圍廣泛，系利用化學(xué)氣相沉積在襯底上磊晶生長(zhǎng)SiC的基礎(chǔ)專利，后續(xù)被許多國(guó)際大廠引用，包括Okmetic OYJ、Denso Corporation、Caracal, Inc.、Cree, Inc.、Cape Simulations, Inc.等國(guó)際巨頭在其襯底上磊晶生長(zhǎng)SiC技術(shù)的基礎(chǔ)上延伸再精進(jìn)。

(二)碳化硅同質(zhì)磊晶生長(zhǎng)技術(shù)
ST申請(qǐng)一種在襯底上同質(zhì)磊晶生長(zhǎng)具不同摻雜水平的碳化硅磊晶層，并在該等碳化硅磊晶層上形成氮鈍化碳化硅層(nitrogen-passivated silicon dioxide layer)的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)專利。

該結(jié)構(gòu)如圖四所示，具有在襯底(4)上形成第一磊晶生長(zhǎng)的碳化硅緩沖層(5)，在該緩沖層(5)上方形成第二磊晶生長(zhǎng)碳化硅層(1)，并在該第二磊晶生長(zhǎng)的碳化硅層(1)上形成氮鈍化二氧化硅層(2)。其中，該氮鈍化二氧化硅層(2)的氮濃度大于第一和第二磊晶生長(zhǎng)的碳化硅層的氮摻雜濃度，從而使該第二磊晶生長(zhǎng)的碳化硅層(1)和該氮鈍化二氧化硅層(2)之間的接口質(zhì)量提升、具有低陷阱密度(low trap density)，提高了半導(dǎo)體器件的電氣性能。該專利之后也被住友電工(Sumitomo Electric Industries)和格羅方德(GlobalFoundries, Inc.)等國(guó)際半導(dǎo)體巨頭所引用。



圖四 : 碳化硅晶圓的剖面圖。(Source：美國(guó)專利US8183573B2)

(三)控制芯片下彎及厚度
通常硅基碳化硅(SiC on Si)之化合物半導(dǎo)體異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)制程是要將碳化硅層磊晶成長(zhǎng)在硅晶圓基板上，但晶格不匹配問(wèn)題易產(chǎn)生翹曲(warping)為制程上的困難之一，例如產(chǎn)生芯片下彎(bow)，且用于功率應(yīng)用所需的芯片直徑愈大，下彎問(wèn)題愈嚴(yán)重。為減少大直徑芯片下彎的問(wèn)題，ST申請(qǐng)一種用于制造碳化硅功率半導(dǎo)體芯片的方法專利，包括：提供單晶硅芯片(102)；在硅芯片(102)上磊晶生長(zhǎng)單晶碳化硅層(108)；以及在該單晶碳化硅層(108)上磊晶生長(zhǎng)單晶硅層(110)，從而該單晶碳化硅層(108)及該單晶硅層(110)具有小于50μm的下彎。

再者，為使其碳化硅芯片厚度能夠經(jīng)受相對(duì)高的電壓，單晶碳化硅膜(106)系充當(dāng)用于生長(zhǎng)單晶碳化硅層(108)的籽晶，所得單晶碳化硅層(108)的厚度取決于芯片在反應(yīng)室內(nèi)暴露于硅前體和碳前體的時(shí)間量，從而適用能夠經(jīng)受相對(duì)高的電壓的厚度，例如該單晶碳化硅層(108)非常適合在功率應(yīng)用中使用的厚度范圍可以從2μm至6μm。此有效控制芯片下彎程度的專利后續(xù)也被國(guó)際大廠Honeywell International Inc.所引用。


 
圖五 : 抑制芯片下彎之異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)。(Source：美國(guó)專利US9576793B2)

掌握碳化硅供應(yīng)鏈、取得重要客戶是領(lǐng)先的關(guān)鍵
碳化硅有助提升車輛性能、延長(zhǎng)續(xù)航里程、加快車輛充電速度，同時(shí)是高于600V高壓應(yīng)用系統(tǒng)的最佳選擇(例如純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)逆變器)。作為第一家為電動(dòng)車的主逆變器提供SiC MOSFET的公司，ST顯示出了要在汽車市場(chǎng)保持領(lǐng)先地位的雄心。關(guān)鍵在于碳化硅晶圓的供應(yīng)是否安全無(wú)虞，ST透過(guò)Norstel AB 100%完整的股權(quán)收購(gòu)舉動(dòng)，就是在向它的汽車客戶們展示自己對(duì)碳化硅供應(yīng)鏈掌控的能力。

贏得重要客戶通常是推動(dòng)特定市場(chǎng)或應(yīng)用中成功的關(guān)鍵。對(duì)ST而言，其在汽車領(lǐng)域的成功取決于特斯拉這個(gè)主要客戶，幫助ST在碳化硅功率組件市場(chǎng)成為領(lǐng)導(dǎo)者。因?yàn)樵谔厮估璏odel 3之逆變器功率模塊中，包含了意法半導(dǎo)體制造的SiC MOSFET。

ST能夠迅速在電動(dòng)車市場(chǎng)領(lǐng)域站穩(wěn)腳跟，很大程度上要?dú)w功于特斯拉，使得其能與雷諾-日產(chǎn)-三菱聯(lián)盟在車載充電器建立伙伴關(guān)系，研發(fā)下一代電動(dòng)汽車快充技術(shù)，意法半導(dǎo)體于未來(lái)一段時(shí)間將繼續(xù)保持特斯拉第一大供貨商的地位。

(本文作者喬舒亞為科技產(chǎn)業(yè)技術(shù)與市場(chǎng)專利的資深研究人員，熟稔技術(shù)轉(zhuǎn)移與相關(guān)法律知識(shí)，曾任職于光電領(lǐng)域，擔(dān)任智財(cái)權(quán)的分析與管理)

參考數(shù)據(jù)
[1]中文或稱崩潰電場(chǎng)。https://www.rohm.com.tw/electronics-basics/sic/sic_what1
[2]碳化硅存在著各種同質(zhì)多形體(結(jié)晶多形)，各有不同的物理性值，針對(duì)功率組件以4H-SiC最為合適。
[3]Okmetic OYJ成立于1985年，位于芬蘭，是一家老牌的硅芯片制造供貨商，Okmetic透過(guò)位于瑞典的子公司Okmetic AB將其碳化硅制造技術(shù)移轉(zhuǎn)給新創(chuàng)公司Norstel AB。
[4]之后于2020年8月三安光電旗下全資子公司湖南三安收購(gòu)北電新材100%股權(quán)，https://www.eefocus.com/component/471439
[5]截至2021年6月16日止，ROHM集團(tuán)在碳化硅半導(dǎo)體材料方面的專利組合，經(jīng)篩選與碳化硅襯底及其磊晶技藝相關(guān)的專利共40案(Count by INPADOC family)，合計(jì)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.