Zu den technischen Schwierigkeiten bei der stabilen Massenproduktion hochwertiger Siliziumkarbidwafer mit stabiler Leistung gehören:
1) Da Kristalle in einer geschlossenen Hochtemperaturumgebung über 2000 °C wachsen müssen, sind die Anforderungen an die Temperaturkontrolle extrem hoch;
2) Da Siliziumkarbid über mehr als 200 Kristallstrukturen verfügt, aber nur wenige Strukturen aus einkristallinem Siliziumkarbid die erforderlichen Halbleitermaterialien sind, müssen das Silizium-zu-Kohlenstoff-Verhältnis, der Wachstumstemperaturgradient und das Kristallwachstum währenddessen genau gesteuert werden Der Kristallwachstumsprozess. Parameter wie Geschwindigkeit und Luftströmungsdruck;
3) Bei der Dampfphasenübertragungsmethode ist die Durchmessererweiterungstechnologie des Siliziumkarbidkristallwachstums äußerst schwierig;
4) Die Härte von Siliziumkarbid ähnelt der von Diamant und die Schneid-, Schleif- und Poliertechniken sind schwierig.
SiC-Epitaxiewafer: werden normalerweise durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) hergestellt. Je nach Dotierungsart werden sie in epitaktische Wafer vom n-Typ und p-Typ unterteilt. Die inländischen Unternehmen Hantian Tiancheng und Dongguan Tianyu können bereits 4-Zoll/6-Zoll-SiC-Epitaxiewafer liefern. Bei der SiC-Epitaxie ist die Kontrolle im Hochspannungsbereich schwierig, und die Qualität der SiC-Epitaxie hat einen größeren Einfluss auf SiC-Geräte. Darüber hinaus wird die Epitaxieausrüstung von den vier führenden Unternehmen der Branche monopolisiert: Axitron, LPE, TEL und Nuflare.
Siliziumkarbid-EpitaxieWafer bezieht sich auf einen Siliziumkarbid-Wafer, bei dem ein Einkristallfilm (Epitaxieschicht) mit bestimmten Anforderungen und den gleichen Anforderungen wie der Substratkristall auf dem ursprünglichen Siliziumkarbidsubstrat gezüchtet wird. Beim epitaktischen Wachstum kommen hauptsächlich CVD-Geräte (Chemical Vapour Deposition) oder MBE-Geräte (Molecular Beam Epitaxy) zum Einsatz. Da Siliziumkarbid-Geräte direkt in der Epitaxieschicht hergestellt werden, wirkt sich die Qualität der Epitaxieschicht direkt auf die Leistung und Ausbeute des Geräts aus. Wenn die Spannungsfestigkeit des Geräts weiter zunimmt, wird die Dicke der entsprechenden Epitaxieschicht dicker und die Steuerung wird schwieriger. Wenn die Spannung etwa 600 V beträgt, beträgt die erforderliche Dicke der Epitaxieschicht im Allgemeinen etwa 6 Mikrometer; Wenn die Spannung zwischen 1200 und 1700 V liegt, erreicht die erforderliche Epitaxieschichtdicke 10 bis 15 Mikrometer. Wenn die Spannung mehr als 10.000 Volt erreicht, kann eine Epitaxieschichtdicke von mehr als 100 Mikrometern erforderlich sein. Da die Dicke der Epitaxieschicht weiter zunimmt, wird es immer schwieriger, die Dicke, die Gleichmäßigkeit des spezifischen Widerstands und die Defektdichte zu steuern.
SiC-Geräte: International wurden 600–1700 V SiC SBD und MOSFET industrialisiert. Die Mainstream-Produkte arbeiten mit Spannungspegeln unter 1200 V und verwenden hauptsächlich TO-Gehäuse. Was die Preisgestaltung betrifft, sind SiC-Produkte auf dem internationalen Markt etwa fünf- bis sechsmal teurer als ihre Si-Gegenstücke. Allerdings sinken die Preise jährlich um 10 %. Mit der Ausweitung der vorgelagerten Material- und Geräteproduktion in den nächsten 2-3 Jahren wird sich das Marktangebot erhöhen, was zu weiteren Preissenkungen führen wird. Es wird erwartet, dass, wenn der Preis das Zwei- bis Dreifache des Preises von Si-Produkten erreicht, die Vorteile reduzierter Systemkosten und verbesserter Leistung dazu führen werden, dass SiC nach und nach den Markt für Si-Geräte einnimmt.
Traditionelle Verpackungen basieren auf siliziumbasierten Substraten, während Halbleitermaterialien der dritten Generation ein völlig neues Design erfordern. Die Verwendung herkömmlicher siliziumbasierter Gehäusestrukturen für Leistungsgeräte mit großer Bandlücke kann neue Probleme und Herausforderungen in Bezug auf Frequenz, Wärmemanagement und Zuverlässigkeit mit sich bringen. SiC-Leistungsgeräte reagieren empfindlicher auf parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten. Im Vergleich zu Si-Geräten weisen SiC-Leistungschips höhere Schaltgeschwindigkeiten auf, was zu Überschwingern, Schwingungen, erhöhten Schaltverlusten und sogar Gerätefehlfunktionen führen kann. Darüber hinaus arbeiten SiC-Leistungsgeräte bei höheren Temperaturen, was fortschrittlichere Wärmemanagementtechniken erfordert.
Im Bereich der Wide-Bandgap-Halbleiter-Leistungsverpackung wurden eine Vielzahl unterschiedlicher Strukturen entwickelt. Herkömmliche Si-basierte Leistungsmodulverpackungen sind nicht mehr geeignet. Um die Probleme hoher parasitärer Parameter und schlechter Wärmeableitungseffizienz herkömmlicher Si-basierter Leistungsmodulverpackungen zu lösen, verwenden SiC-Leistungsmodulverpackungen in ihrer Struktur drahtlose Verbindungen und doppelseitige Kühltechnologie sowie Substratmaterialien mit besserer Wärmedämmung Leitfähigkeit und versuchten, Entkopplungskondensatoren, Temperatur-/Stromsensoren und Ansteuerschaltungen in die Modulstruktur zu integrieren, und entwickelten eine Vielzahl unterschiedlicher Modulverpackungstechnologien. Darüber hinaus gibt es hohe technische Hürden bei der Herstellung von SiC-Geräten und die Produktionskosten sind hoch.
Siliziumkarbid-Bauelemente werden durch die Abscheidung epitaktischer Schichten auf einem Siliziumkarbid-Substrat durch CVD hergestellt. Der Prozess umfasst Reinigung, Oxidation, Fotolithografie, Ätzen, Ablösen des Fotolacks, Ionenimplantation, chemische Gasphasenabscheidung von Siliziumnitrid, Polieren, Sputtern und anschließende Verarbeitungsschritte zur Bildung der Gerätestruktur auf dem SiC-Einkristallsubstrat. Zu den Haupttypen von SiC-Leistungsgeräten gehören SiC-Dioden, SiC-Transistoren und SiC-Leistungsmodule. Aufgrund von Faktoren wie der langsamen Produktionsgeschwindigkeit des vorgelagerten Materials und den geringen Ausbeuten sind die Herstellungskosten für Siliziumkarbid-Geräte relativ hoch.
Darüber hinaus weist die Herstellung von Siliziumkarbid-Geräten bestimmte technische Schwierigkeiten auf:
1) Es ist notwendig, einen spezifischen Prozess zu entwickeln, der den Eigenschaften von Siliziumkarbidmaterialien entspricht. Beispiel: SiC hat einen hohen Schmelzpunkt, was die herkömmliche Thermodiffusion unwirksam macht. Es ist notwendig, die Dotierungsmethode der Ionenimplantation zu verwenden und Parameter wie Temperatur, Heizrate, Dauer und Gasfluss genau zu steuern; SiC ist gegenüber chemischen Lösungsmitteln inert. Methoden wie Trockenätzen sollten verwendet werden, und Maskenmaterialien, Gasmischungen, Kontrolle der Seitenwandneigung, Ätzrate, Seitenwandrauheit usw. sollten optimiert und entwickelt werden;
2) Die Herstellung von Metallelektroden auf Siliziumkarbid-Wafern erfordert einen Kontaktwiderstand unter 10-5 Ω2. Die Elektrodenmaterialien, die die Anforderungen erfüllen, Ni und Al, weisen über 100 °C eine schlechte thermische Stabilität auf, Al/Ni weist jedoch eine bessere thermische Stabilität auf. Der spezifische Kontaktwiderstand des /W/Au-Verbundelektrodenmaterials ist 10-3Ω2 höher;
3) SiC weist einen hohen Schneidverschleiß auf und die Härte von SiC ist nach Diamant die zweitgrößte, was höhere Anforderungen an das Schneiden, Schleifen, Polieren und andere Technologien stellt.
Darüber hinaus sind Trench-Siliziumkarbid-Leistungsbauelemente schwieriger herzustellen. Je nach Gerätestruktur können Siliziumkarbid-Leistungsgeräte hauptsächlich in planare Geräte und Grabengeräte unterteilt werden. Planare Siliziumkarbid-Leistungsbauelemente weisen eine gute Einheitskonsistenz und einen einfachen Herstellungsprozess auf, sind jedoch anfällig für den JFET-Effekt und weisen eine hohe parasitäre Kapazität und einen hohen Durchlasswiderstand auf. Im Vergleich zu planaren Bauelementen weisen Graben-Siliziumkarbid-Leistungsbauelemente eine geringere Einheitskonsistenz auf und erfordern einen komplexeren Herstellungsprozess. Die Grabenstruktur trägt jedoch dazu bei, die Dichte der Geräteeinheiten zu erhöhen, und es ist weniger wahrscheinlich, dass sie den JFET-Effekt erzeugt, der sich positiv auf die Lösung des Problems der Kanalmobilität auswirkt. Es verfügt über hervorragende Eigenschaften wie einen geringen Einschaltwiderstand, eine geringe parasitäre Kapazität und einen geringen Schaltenergieverbrauch. Es bietet erhebliche Kosten- und Leistungsvorteile und ist zur Hauptrichtung bei der Entwicklung von Siliziumkarbid-Leistungsgeräten geworden. Laut der offiziellen Website von Rohm nimmt die ROHM-Gen3-Struktur (Gen1-Trench-Struktur) nur 75 % der Gen2-Chipfläche (Plannar2) ein, und der Einschaltwiderstand der ROHM-Gen3-Struktur ist bei gleicher Chipgröße um 50 % reduziert.
Siliziumkarbid-Substrat, Epitaxie, Front-End, F&E-Kosten und andere machen 47 %, 23 %, 19 %, 6 % bzw. 5 % der Herstellungskosten von Siliziumkarbid-Geräten aus.
Schließlich werden wir uns auf den Abbau der technischen Barrieren von Substraten in der Siliziumkarbid-Industriekette konzentrieren.
Der Herstellungsprozess von Siliziumkarbid-Substraten ähnelt dem von Silizium-basierten Substraten, ist jedoch schwieriger.
Der Herstellungsprozess von Siliziumkarbidsubstraten umfasst im Allgemeinen die Rohstoffsynthese, das Kristallwachstum, die Verarbeitung von Barren, das Schneiden von Barren, das Schleifen von Wafern, Polieren, Reinigen und andere Vorgänge.
Die Kristallwachstumsphase ist der Kern des gesamten Prozesses und dieser Schritt bestimmt die elektrischen Eigenschaften des Siliziumkarbidsubstrats.
Unter normalen Bedingungen ist es schwierig, Siliziumkarbidmaterialien in der flüssigen Phase zu züchten. Die heute auf dem Markt beliebte Dampfphasen-Wachstumsmethode hat eine Wachstumstemperatur von über 2300 °C und erfordert eine genaue Kontrolle der Wachstumstemperatur. Der gesamte Vorgang ist kaum zu beobachten. Ein geringfügiger Fehler führt zur Verschrottung des Produkts. Im Vergleich dazu benötigen Siliziummaterialien nur 1600℃, was viel weniger ist. Auch bei der Herstellung von Siliziumkarbid-Substraten gibt es Schwierigkeiten wie langsames Kristallwachstum und hohe Anforderungen an die Kristallform. Das Wachstum von Siliziumkarbid-Wafern dauert etwa 7 bis 10 Tage, während das Ziehen von Siliziumstäben nur zweieinhalb Tage dauert. Darüber hinaus ist Siliziumkarbid ein Material, dessen Härte nur von Diamant übertroffen wird. Beim Schneiden, Schleifen und Polieren geht viel verloren, und die Ausbringungsquote beträgt nur 60 %.
Wir wissen, dass der Trend dahin geht, die Größe von Siliziumkarbidsubstraten zu vergrößern, da die Anforderungen an die Durchmessererweiterungstechnologie mit zunehmender Größe immer höher werden. Um ein iteratives Kristallwachstum zu erreichen, ist eine Kombination verschiedener technischer Steuerungselemente erforderlich.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 22. Mai 2024