Zu den technischen Schwierigkeiten bei der stabilen Massenproduktion von hochwertigen Siliziumkarbid-Wafern mit stabiler Leistung gehören:
1) Da die Kristalle in einer Hochtemperatur-Umgebung mit Temperaturen über 2000°C wachsen müssen, sind die Anforderungen an die Temperaturkontrolle extrem hoch;
2) Da Siliciumcarbid über 200 Kristallstrukturen aufweist, aber nur wenige einkristalline Siliciumcarbid-Strukturen als Halbleitermaterialien benötigt werden, müssen das Silicium-Kohlenstoff-Verhältnis, der Temperaturgradient und das Kristallwachstum während des Kristallwachstumsprozesses präzise gesteuert werden. Parameter wie Geschwindigkeit und Luftdruck spielen dabei eine wichtige Rolle.
3) Bei der Dampfphasen-Transfermethode ist die Durchmesseraufweitungstechnologie für das Siliciumcarbid-Kristallwachstum äußerst schwierig;
4) Die Härte von Siliciumcarbid ist vergleichbar mit der von Diamant, und Schneid-, Schleif- und Poliertechniken sind schwierig.
SiC-Epitaxie-Wafer werden üblicherweise mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) hergestellt. Je nach Dotierung werden sie in n- und p-dotierte Epitaxie-Wafer unterteilt. Die chinesischen Hersteller Hantian Tiancheng und Dongguan Tianyu bieten bereits 4-Zoll- und 6-Zoll-SiC-Epitaxie-Wafer an. Die Kontrolle der SiC-Epitaxie im Hochspannungsbereich ist anspruchsvoll, und ihre Qualität hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistung von SiC-Bauelementen. Der Markt für Epitaxieanlagen wird von den vier führenden Unternehmen der Branche dominiert: Axitron, LPE, TEL und Nuflare.
Epitaxie von SiliziumkarbidEin Wafer ist ein Siliziumkarbid-Wafer, auf dem ein Einkristallfilm (Epitaxieschicht) mit bestimmten Anforderungen und identischen Eigenschaften wie das Substratkristallgewebe aufgewachsen ist. Das Epitaxiewachstum erfolgt hauptsächlich mittels CVD (Chemical Vapor Deposition) oder MBE (Molecular Beam Epitaxy). Da Siliziumkarbid-Bauelemente direkt in der Epitaxieschicht gefertigt werden, beeinflusst deren Qualität unmittelbar die Leistung und Ausbeute des Bauelements. Mit steigender Spannungsfestigkeit des Bauelements nimmt die Dicke der Epitaxieschicht zu, was die Kontrolle erschwert. Im Allgemeinen beträgt die erforderliche Epitaxieschichtdicke bei einer Spannung von etwa 600 V ca. 6 µm; bei Spannungen zwischen 1200 und 1700 V erreicht sie 10–15 µm. Bei Spannungen über 10.000 V kann eine Epitaxieschichtdicke von mehr als 100 µm erforderlich sein. Mit zunehmender Dicke der Epitaxieschicht wird es immer schwieriger, die Gleichmäßigkeit von Dicke und spezifischem Widerstand sowie die Defektdichte zu kontrollieren.
SiC-Bauelemente: International sind SiC-SBDs und -MOSFETs für 600–1700 V industriell gefertigt. Die gängigsten Produkte arbeiten mit Spannungen unter 1200 V und verwenden hauptsächlich TO-Gehäuse. Preislich liegen SiC-Produkte auf dem internationalen Markt etwa fünf- bis sechsmal höher als vergleichbare Si-Produkte. Die Preise sinken jedoch jährlich um 10 %. Mit dem Ausbau der vorgelagerten Material- und Bauelementeproduktion in den nächsten zwei bis drei Jahren wird das Marktangebot steigen und zu weiteren Preissenkungen führen. Es wird erwartet, dass SiC-Bauelemente den Marktanteil von Si-Bauelementen schrittweise erobern werden, sobald der Preis das Zwei- bis Dreifache des Si-Preises erreicht. Die Vorteile geringerer Systemkosten und verbesserter Leistung werden dies ermöglichen.
Herkömmliche Gehäuse basieren auf Siliziumsubstraten, während Halbleitermaterialien der dritten Generation ein völlig neues Design erfordern. Die Verwendung herkömmlicher Siliziumgehäuse für Leistungshalbleiter mit großem Bandabstand kann neue Probleme und Herausforderungen in Bezug auf Frequenz, Wärmemanagement und Zuverlässigkeit mit sich bringen. SiC-Leistungshalbleiter reagieren empfindlicher auf parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten. Im Vergleich zu Si-Bauelementen weisen SiC-Leistungschips höhere Schaltgeschwindigkeiten auf, was zu Überschwingen, Oszillationen, erhöhten Schaltverlusten und sogar Gerätefehlfunktionen führen kann. Darüber hinaus arbeiten SiC-Leistungshalbleiter bei höheren Temperaturen, was fortschrittlichere Wärmemanagementtechniken erfordert.
Im Bereich der Leistungselektronik für Halbleiter mit großem Bandabstand wurden verschiedene Gehäusestrukturen entwickelt. Traditionelle Silizium-basierte Leistungsmodulgehäuse sind nicht mehr zeitgemäß. Um die Probleme hoher parasitärer Parameter und geringer Wärmeableitung herkömmlicher Silizium-basierter Leistungsmodulgehäuse zu lösen, nutzen Siliziumkarbid-Leistungsmodulgehäuse drahtlose Verbindungen und doppelseitige Kühlung. Zudem werden Substratmaterialien mit besserer Wärmeleitfähigkeit eingesetzt. Es wurde versucht, Entkopplungskondensatoren, Temperatur-/Stromsensoren und Treiberschaltungen in die Modulstruktur zu integrieren und so verschiedene Modulgehäusetechnologien zu entwickeln. Die Herstellung von Siliziumkarbid-Bauelementen ist jedoch mit hohen technischen Hürden und Produktionskosten verbunden.
Siliziumkarbid-Bauelemente werden durch die Abscheidung epitaktischer Schichten auf einem Siliziumkarbid-Substrat mittels CVD hergestellt. Der Prozess umfasst Reinigung, Oxidation, Fotolithografie, Ätzen, Entfernen des Fotolacks, Ionenimplantation, chemische Gasphasenabscheidung von Siliziumnitrid, Polieren, Sputtern und weitere Bearbeitungsschritte zur Erzeugung der Bauelementstruktur auf dem SiC-Einkristallsubstrat. Zu den wichtigsten SiC-Leistungsbauelementen zählen SiC-Dioden, SiC-Transistoren und SiC-Leistungsmodule. Aufgrund von Faktoren wie der geringen Produktionsgeschwindigkeit der Ausgangsmaterialien und niedrigen Ausbeuten sind die Herstellungskosten von Siliziumkarbid-Bauelementen vergleichsweise hoch.
Darüber hinaus bestehen bei der Herstellung von Siliziumkarbidbauteilen gewisse technische Schwierigkeiten:
1) Es ist notwendig, ein spezifisches Verfahren zu entwickeln, das den Eigenschaften von Siliciumcarbid-Materialien gerecht wird. Beispielsweise hat SiC einen hohen Schmelzpunkt, wodurch die herkömmliche thermische Diffusion ineffektiv ist. Daher ist die Ionenimplantation erforderlich, wobei Parameter wie Temperatur, Aufheizrate, Dauer und Gasfluss präzise gesteuert werden müssen. Da SiC gegenüber chemischen Lösungsmitteln inert ist, sollten Verfahren wie das Trockenätzen angewendet werden. Maskenmaterialien, Gasmischungen, die Kontrolle der Seitenwandneigung, die Ätzrate, die Seitenwandrauheit usw. müssen optimiert und weiterentwickelt werden.
2) Die Herstellung von Metallelektroden auf Siliziumkarbid-Wafern erfordert einen Kontaktwiderstand unter 10⁻⁵ Ω². Die Elektrodenmaterialien, die diese Anforderungen erfüllen, Ni und Al, weisen oberhalb von 100 °C eine geringe thermische Stabilität auf, Al/Ni hingegen eine bessere. Der spezifische Kontaktwiderstand des /W/Au-Kompositelektrodenmaterials ist um 10⁻³ Ω² höher.
3) SiC weist einen hohen Schneidverschleiß auf und seine Härte steht an zweiter Stelle hinter der von Diamant, was höhere Anforderungen an Schneid-, Schleif-, Polier- und andere Technologien stellt.
Darüber hinaus ist die Herstellung von Siliziumkarbid-Leistungshalbleitern mit Grabenstruktur aufwendiger. Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter lassen sich anhand ihrer Struktur hauptsächlich in planare und Grabenstrukturen unterteilen. Planare Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter zeichnen sich durch eine gute Bauteilgenauigkeit und einen einfachen Herstellungsprozess aus, neigen jedoch zum JFET-Effekt und weisen eine hohe parasitäre Kapazität sowie einen hohen Durchlasswiderstand auf. Im Vergleich dazu weisen Grabenstrukturen eine geringere Bauteilgenauigkeit und einen komplexeren Herstellungsprozess auf. Die Grabenstruktur ermöglicht jedoch eine höhere Bauteildichte und reduziert die Wahrscheinlichkeit des JFET-Effekts, was die Kanalmobilität verbessert. Sie bieten hervorragende Eigenschaften wie einen geringen Durchlasswiderstand, eine geringe parasitäre Kapazität und einen niedrigen Schaltenergieverbrauch. Aufgrund ihrer signifikanten Kosten- und Leistungsvorteile haben sie sich zur wichtigsten Entwicklungsrichtung für Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter entwickelt. Laut der offiziellen Website von Rohm beträgt die Fläche der ROHM Gen3-Struktur (Gen1 Trench-Struktur) nur 75 % der Chipfläche der Gen2-Struktur (Plannar2), und der Einschaltwiderstand der ROHM Gen3-Struktur ist bei gleicher Chipgröße um 50 % reduziert.
Siliziumkarbidsubstrat, Epitaxie, Front-End, F&E-Kosten und Sonstiges machen jeweils 47 %, 23 %, 19 %, 6 % bzw. 5 % der Herstellungskosten von Siliziumkarbidbauteilen aus.
Abschließend werden wir uns darauf konzentrieren, die technischen Barrieren von Substraten in der Siliziumkarbid-Industriekette abzubauen.
Die Herstellung von Siliziumkarbidsubstraten ist ähnlich wie die von Siliziumsubstraten, jedoch schwieriger.
Der Herstellungsprozess von Siliziumkarbidsubstraten umfasst im Allgemeinen die Rohmaterialsynthese, das Kristallwachstum, die Blockverarbeitung, das Blockschneiden, das Waferschleifen, das Polieren, die Reinigung und weitere Arbeitsschritte.
Die Kristallwachstumsphase ist der Kern des gesamten Prozesses und bestimmt die elektrischen Eigenschaften des Siliziumkarbidsubstrats.
Siliziumkarbid-Werkstoffe lassen sich unter normalen Bedingungen nur schwer in der flüssigen Phase herstellen. Das heute gängige Dampfphasenverfahren erfordert Wachstumstemperaturen über 2300 °C und eine präzise Temperaturkontrolle. Der gesamte Prozess ist kaum zu überwachen; schon geringfügige Fehler führen zum Ausschuss des Produkts. Im Vergleich dazu benötigen Siliziummaterialien nur 1600 °C, was deutlich niedriger ist. Auch die Herstellung von Siliziumkarbid-Substraten ist mit Schwierigkeiten verbunden, wie z. B. langsamem Kristallwachstum und hohen Anforderungen an die Kristallform. Das Wachstum von Siliziumkarbid-Wafern dauert etwa 7 bis 10 Tage, während das Ziehen von Siliziumstäben nur zweieinhalb Tage in Anspruch nimmt. Darüber hinaus ist Siliziumkarbid nach Diamant das zweithärteste Material. Beim Schneiden, Schleifen und Polieren geht viel Material verloren, sodass die Ausbeute nur 60 % beträgt.
Wir wissen, dass der Trend zu größeren Siliziumkarbidsubstraten geht. Mit zunehmender Größe steigen auch die Anforderungen an die Technologie zur Durchmessererweiterung. Für das iterative Kristallwachstum ist eine Kombination verschiedener technischer Steuerungselemente erforderlich.
Veröffentlichungsdatum: 22. Mai 2024