Imec是一家专注于纳米电子学的开放式研发组织，最近因其推出的300毫米氮化镓项目而成为头条新闻。该项目针对低压(100V及以下)应用使用Si(111)衬底，针对高压(650V及以上)横向p-GaN栅HEMT则采用QST®衬底。

这家佛兰德组织自1984年成立以来，已经走过了漫长的道路，建立了一个庞大的研发中心，成为国际公认的独立研究中心。其氮化镓项目主要聚焦三个领域：产业化、探索以及当前的300毫米技术。

PEN有机会与Imec的研究员兼氮化镓功率电子项目总监Stefaan Decoutere进行座谈，以深入了解这一新的300毫米项目，以及该公司大规模制造低压和高压300毫米氮化镓晶圆的方法。

300毫米氮化镓面临的挑战

2010年之前，IMEC的氮化镓研究活动纯粹是学术性的;然而，随后在新启动的IMEC产业联盟计划中，他们接受了在200毫米(8英寸)衬底上开发氮化镓技术的挑战。当时，业界仍在普遍使用100毫米(4英寸)和150毫米(6英寸)尺寸的晶圆。

增加晶圆直径的主要障碍在于氮化镓缓冲层与硅衬底之间存在巨大的晶格失配和热膨胀系数不匹配。"如果在高温下生长然后冷却，晶圆会像恒温器中的双金属开关一样弯曲，这可能导致塑性变形，最终致使晶圆破裂，"Decoutere解释说。为了缓解这种热应力，必须构建应力补偿层，以便在冷却后，晶圆的翘曲(凸起或凹陷的变化)足够小，既能防止晶圆开裂，也能被工艺设备所处理。

这通常是讨论的主要障碍，但还存在其他工艺因素阻碍300毫米氮化镓实现全面量产："我们用于运行硅上氮化镓晶圆的设备有60多台;如果损坏一片晶圆，将导致计划外的设备停机，这可能造成损坏或中断在300毫米设施中运行的其他工艺，"Decoutere说。因此，Imec已与晶圆厂的设备工程师进行了广泛的晶圆处理测试，准备在出现问题时立即恢复设备运行。

"对于300毫米工艺，这些设备相当先进且专业，它们在处理非标准重量或厚度的晶圆时，灵活性并不高。" 因此，Imec不仅必须应对300毫米晶圆的翘曲问题，而且典型的风险缓解措施，例如使用更厚的晶圆，也受到限制。

Decoutere还指出了其低压300毫米氮化镓项目面临的另一个短期障碍：CMOS使用的是(100)晶向的硅晶圆，这种晶圆易于获取;然而，对于氮化镓，需要的是Si(111)晶圆。对于200毫米氮化镓，已有足够的需求催生了200毫米Si(111)晶圆市场，但要迈向下一步，必须建立足够的需求来保证供应并降低成本："衬底供应商不会仅仅为了我们而生产少量的300毫米Si(111)晶圆。"

300毫米氮化镓带来的机遇

从降低成本的角度来看，其益处可能是巨大的，因为300毫米晶圆的表面积约为200毫米晶圆的2.5倍，这使得制造商能够在同一片晶圆上集成更多的功率器件。

Decoutere指出了尺寸增大的第二个好处：有机会研究更激进缩放的器件。他举例说明："CPU和GPU的供电电压从1V降至0.8V，再降至0.5V。为此，你必须拥有极低导通电阻的功率器件，因为它们消耗约1000A的电流，如果在1Ω的电阻上输送这么大的电流，压降将达到1000V。"要将xPU电压降至更低水平，器件的电阻率必须小于1mΩ/mm²，这一点至关重要。

Decoutere认为，凭借300毫米硅上氮化镓技术，可以实现各种先进架构，例如三维集成。"如果你在300毫米晶圆上集成逻辑电路，你有可能在其下方贴装一个功率晶圆，以垂直方式为晶圆供电。因此，有许多机会为前沿研究敞开大门。"

Decoutere继续说道："我们可以在项目中通过站在功率器件开发的前沿来支持设备供应商，使用他们的设备来生长氮化镓层、进行刻蚀或进行层沉积，这样他们不仅可以通过物理分析，还可以在功率器件级别通过电气性能来展示其设备能力。"

低压300毫米硅上氮化镓

低压300毫米氮化镓平台借鉴了其40V和100V 200毫米硅上氮化镓的研发成果。"我们开发了关键的300毫米工艺模块，如欧姆接触和p-GaN栅极，并且正在300毫米晶圆厂中运行首批全集成批次的晶圆作为探路者。" Imec正通过专门的PDK(工艺设计工具包)进行这种半导体"探路"工作，以评估300毫米氮化镓技术。

据Decoutere介绍，"40V氮化镓与100V氮化镓使用相同的缓冲层，因此我们不预期在外延生长和晶圆机械强度方面会出现任何问题。" 然而，Imec在初始工艺设置期间在晶圆厂中非常谨慎，工程师随时待命以应对意外的设备停机。

他表示，24V氮化镓工艺是为激进缩放的器件准备的，因为这些器件通常部署在数据中心作为最后的电压转换步骤。为了支持这些应用，Imec使用的是标准晶圆厚度。"我们并未通过使用更厚的晶圆来降低风险;这在200毫米工艺中是常见的做法。" 此外，与标准硅衬底相比，300毫米晶圆处理设备不会处理重量或厚度差异过大的晶圆。

高压300毫米QST上氮化镓

除了低压平台，Imec还在研究基于QST衬底的650V和1200V氮化镓器件。"QST实现了其承诺，即能够生长厚层，且晶圆非常坚固。我们从未损坏过一片200毫米的QST晶圆，即使是用于1200V垂直器件的多层材料堆叠，总堆叠厚度高达10-14µm。"

使用300毫米QST衬底进行650V器件开发是Imec较为保守的做法，这考虑了设备数量(60台)以及因晶圆损坏可能导致工艺中断的风险。"一些设备供应商一直表示，他们的客户希望开发300毫米650V硅上氮化镓，但我们采取稍微保守一些的立场;我们从QST衬底上的650V开始，"Decoutere说。

300毫米进展与工艺改进

本着实用精神，该项目研究了一种成本回收策略，以抵消使用更昂贵的QST衬底带来的成本。"与此同时，我们正在研究一种回收利用QST晶圆以节省成本的技术，而不是通过晶圆研磨进行强力减薄来降低热阻，但这仍是一项正在进行的工作，"Decoutere说。

他指出，提高缓冲层击穿电压需要生长更厚的缓冲层，因为击穿电压直接与缓冲层厚度和组成相关。然而，有一些因素需要考虑。"你必须进行应力管理;我们通过使用一个或两个超晶格、插入层以及优化生长条件来实现这一点。" 超晶格将交替生长不同材料的超薄层，例如AlGaN/GaN，以精确控制内部应力。

精确控制缓冲层之上的各层是下一步。通常，碳掺杂背势垒层、非故意掺杂GaN沟道层和极化层需要纳米级的精度。Imec开发了增强型器件，其使用掺镁层形成p-GaN栅极。以前，该层是均匀掺杂的;然而，Imec现在使用更复杂的掺杂分布来提高可靠性。

"为了提高晶圆的坚固性以及层厚度和组成的均匀性，我们在300毫米衬底上使用单晶圆MOCVD反应器进行生长;而对于200毫米衬底的生长，仍有可能采用批处理工艺，"Decoutere说。

"我们看到的情况是，设备供应商正在构建由多个单晶圆反应器组成的集群，这些反应器围绕一个中央机器人系统模块化排列，这样你可以让多个反应器并行工作，从而减小系统的占地面积，"Decoutere指出，并提到了晶圆厂空间有限的问题。

单晶圆反应器提供了更好的均匀性，这对于必须精确控制生长的AlGaN势垒层尤其关键。"有时人们认为像650V这样的大电压意味着更大的尺寸，但当涉及到外延层时，对于一些子层，需要纳米级的精度，"Decoutere说。

氮化镓器件通常采用多指栅布局，以实现高输出功率所需的栅极宽度，而无需将多个晶体管的功率合并。"器件的有效栅极宽度可达约1米，也就是说，平行栅指的合并长度可达约1000毫米，"Decoutere解释道。

"特别是在p-GaN栅器件中的AlGaN势垒层，需要对厚度和铝含量进行严格控制，因为阈值电压的灵敏度可能高达每纳米或每铝百分比变化500mV，"Decoutere说。

据Decoutere称，新设备具有巨大潜力："我们与其中一家设备供应商进行了一些演示，看到在300毫米晶圆上，即使晶圆面积显著增大，整片晶圆上的阈值电压均匀性也提高了两倍。" 他接着指出，更先进的能力——如新型材料、原子层沉积和原子层刻蚀——为新的器件架构打开了大门。

对于用于低压应用的激进缩放器件，例如用于下一代xPU的负载点转换器，我们使用深紫外光刻技术，这是其300毫米工厂中现成的核心半导体制造技术。"我们不需要极紫外光刻或其他更先进的技术，"Decoutere说。

未来合作与发展时间表

"虽然我们已经在工业联盟计划的300毫米部分迎来了5个合作伙伴，并得到了佛兰德政府和欧盟委员会的直接和间接支持，但目前这项活动的一部分是作为我们200毫米活动价值实现的预投资，"Decoutere解释说。

鉴于氮化镓需求的不断增长，Decoutere确信300毫米项目将随着更多项目成员的加入而扩大，因为他们目前正在与设备供应商和集成器件制造商进行洽谈。"一旦我们展示了完全在300毫米工艺线上制造的首批功率器件，我们预计会有更多公司加入。"

该项目已经实现了其路线图上的一个目标：取一片300毫米硅上氮化镓晶圆，将其切割成200毫米，并使用成熟的200毫米工艺流程进行处理。"因此，我们正在帮助我们的外延合作伙伴，因为他们可以通过展示电气功率器件的结果来证明非常优秀的外延质量。"

"大约在四月份，我们可能会运行前两批集成工艺晶圆作为探路者，这样我们所有的单元工艺步骤都已准备就绪，现在我们需要看所有模块能否协同工作，"Decoutere说。

当被问及时间表时，Decoutere强调答案具有推测性，但他确实表示："我们可能在谈论一个两年的期限;这不是需要五年才能开发完成的事情。"