Les difficultés techniques liées à la production stable et en masse de tranches de carbure de silicium de haute qualité avec des performances stables comprennent :
1) Étant donné que les cristaux doivent se développer dans un environnement scellé à haute température supérieure à 2 000 °C, les exigences en matière de contrôle de la température sont extrêmement élevées ;
2) Étant donné que le carbure de silicium possède plus de 200 structures cristallines, mais que seules quelques structures de carbure de silicium monocristallin constituent les matériaux semi-conducteurs requis, le rapport silicium/carbone, le gradient de température de croissance et la croissance cristalline doivent être contrôlés avec précision pendant le processus de croissance cristalline. Paramètres tels que la vitesse et la pression du débit d'air ;
3) Dans le cadre de la méthode de transmission en phase vapeur, la technologie d'expansion du diamètre de la croissance des cristaux de carbure de silicium est extrêmement difficile ;
4) La dureté du carbure de silicium est proche de celle du diamant et les techniques de coupe, de meulage et de polissage sont difficiles.
Plaquettes épitaxiales SiC : généralement fabriquées par la méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Selon les différents types de dopage, elles sont divisées en tranches épitaxiales de type n et de type p. Les sociétés nationales Hantian Tiancheng et Dongguan Tianyu peuvent déjà fournir des plaquettes épitaxiales SiC de 4/6 pouces. Pour l'épitaxie SiC, il est difficile de contrôler dans le domaine haute tension, et la qualité de l'épitaxie SiC a un impact plus important sur les dispositifs SiC. De plus, les équipements d'épitaxie sont monopolisés par les quatre sociétés leaders du secteur : Axitron, LPE, TEL et Nuflare.
Epitaxie au carbure de siliciumLa tranche fait référence à une tranche de carbure de silicium dans laquelle un film monocristallin (couche épitaxiale) avec certaines exigences et les mêmes que le cristal du substrat est développé sur le substrat en carbure de silicium d'origine. La croissance épitaxiale utilise principalement des équipements CVD (Chemical Vapor Deposition, ) ou MBE (Molecular Beam Epitaxy). Étant donné que les dispositifs en carbure de silicium sont fabriqués directement dans la couche épitaxiale, la qualité de la couche épitaxiale affecte directement les performances et le rendement du dispositif. À mesure que les performances de tenue à la tension du dispositif continuent d'augmenter, l'épaisseur de la couche épitaxiale correspondante devient plus épaisse et le contrôle devient plus difficile. Généralement, lorsque la tension est d'environ 600 V, l'épaisseur de la couche épitaxiale requise est d'environ 6 microns ; lorsque la tension est comprise entre 1 200 et 1 700 V, l'épaisseur de couche épitaxiale requise atteint 10 à 15 microns. Si la tension atteint plus de 10 000 volts, une épaisseur de couche épitaxiale supérieure à 100 microns peut être nécessaire. À mesure que l’épaisseur de la couche épitaxiale continue d’augmenter, il devient de plus en plus difficile de contrôler l’uniformité de l’épaisseur et de la résistivité ainsi que la densité des défauts.
Appareils SiC : à l'échelle internationale, les SiC SBD et MOSFET 600 ~ 1 700 V ont été industrialisés. Les produits grand public fonctionnent à des niveaux de tension inférieurs à 1 200 V et adoptent principalement un emballage TO. En termes de prix, les produits SiC sur le marché international sont environ 5 à 6 fois plus chers que leurs homologues Si. Cependant, les prix diminuent au rythme annuel de 10 %. avec l'expansion de la production de matériaux et d'appareils en amont au cours des 2-3 prochaines années, l'offre du marché augmentera, entraînant de nouvelles réductions de prix. On s'attend à ce que lorsque le prix atteindra 2 à 3 fois celui des produits Si, les avantages apportés par la réduction des coûts du système et l'amélioration des performances conduiront progressivement le SiC à occuper l'espace de marché des dispositifs Si.
Les emballages traditionnels sont basés sur des substrats à base de silicium, tandis que les matériaux semi-conducteurs de troisième génération nécessitent une conception entièrement nouvelle. L’utilisation de structures d’emballage traditionnelles à base de silicium pour les dispositifs d’alimentation à large bande interdite peut introduire de nouveaux problèmes et défis liés à la fréquence, à la gestion thermique et à la fiabilité. Les dispositifs d'alimentation SiC sont plus sensibles aux capacités et inductances parasites. Par rapport aux dispositifs Si, les puces de puissance SiC ont des vitesses de commutation plus rapides, ce qui peut entraîner des dépassements, des oscillations, des pertes de commutation accrues et même des dysfonctionnements des dispositifs. De plus, les dispositifs d'alimentation SiC fonctionnent à des températures plus élevées, ce qui nécessite des techniques de gestion thermique plus avancées.
Une variété de structures différentes ont été développées dans le domaine du conditionnement de puissance des semi-conducteurs à large bande interdite. Le conditionnement traditionnel des modules d'alimentation à base de Si ne convient plus. Afin de résoudre les problèmes de paramètres parasites élevés et de mauvaise efficacité de dissipation thermique du boîtier de module d'alimentation traditionnel à base de Si, le boîtier de module d'alimentation SiC adopte une interconnexion sans fil et une technologie de refroidissement double face dans sa structure, et adopte également des matériaux de substrat avec une meilleure thermique. conductivité, et a essayé d'intégrer des condensateurs de découplage, des capteurs de température/courant et des circuits de commande dans la structure du module, et a développé une variété de technologies d'emballage de modules différentes. De plus, il existe d’importantes barrières techniques à la fabrication des dispositifs SiC et les coûts de production sont élevés.
Les dispositifs en carbure de silicium sont produits en déposant des couches épitaxiales sur un substrat en carbure de silicium par CVD. Le processus implique le nettoyage, l'oxydation, la photolithographie, la gravure, le décapage de la résine photosensible, l'implantation ionique, le dépôt chimique en phase vapeur de nitrure de silicium, le polissage, la pulvérisation cathodique et les étapes de traitement ultérieures pour former la structure du dispositif sur le substrat monocristallin de SiC. Les principaux types de dispositifs d'alimentation SiC comprennent les diodes SiC, les transistors SiC et les modules d'alimentation SiC. En raison de facteurs tels que la lenteur de la production des matériaux en amont et les faibles taux de rendement, les dispositifs en carbure de silicium ont des coûts de fabrication relativement élevés.
De plus, la fabrication de dispositifs en carbure de silicium présente certaines difficultés techniques :
1) Il est nécessaire de développer un procédé spécifique et cohérent avec les caractéristiques des matériaux en carbure de silicium. Par exemple : le SiC a un point de fusion élevé, ce qui rend la diffusion thermique traditionnelle inefficace. Il est nécessaire d'utiliser une méthode de dopage par implantation ionique et de contrôler avec précision des paramètres tels que la température, la vitesse de chauffage, la durée et le débit de gaz ; Le SiC est inerte vis-à-vis des solvants chimiques. Des méthodes telles que la gravure sèche doivent être utilisées, et les matériaux des masques, les mélanges gazeux, le contrôle de la pente des parois latérales, la vitesse de gravure, la rugosité des parois latérales, etc. doivent être optimisés et développés ;
2) La fabrication d'électrodes métalliques sur des plaquettes de carbure de silicium nécessite une résistance de contact inférieure à 10-5Ω2. Les matériaux d'électrode qui répondent aux exigences, Ni et Al, ont une mauvaise stabilité thermique au-dessus de 100°C, mais Al/Ni a une meilleure stabilité thermique. La résistance spécifique de contact du matériau d'électrode composite /W/Au est supérieure de 10 à 3 Ω2 ;
3) Le SiC a une usure de coupe élevée et la dureté du SiC est juste derrière le diamant, ce qui impose des exigences plus élevées en matière de coupe, de meulage, de polissage et d'autres technologies.
De plus, les dispositifs de puissance en carbure de silicium à tranchée sont plus difficiles à fabriquer. Selon différentes structures de dispositifs, les dispositifs électriques en carbure de silicium peuvent être principalement divisés en dispositifs planaires et en dispositifs à tranchées. Les dispositifs d'alimentation planaires en carbure de silicium présentent une bonne cohérence unitaire et un processus de fabrication simple, mais sont sujets à l'effet JFET et présentent une capacité parasite et une résistance à l'état passant élevées. Par rapport aux dispositifs planaires, les dispositifs de puissance en carbure de silicium à tranchée ont une cohérence unitaire inférieure et ont un processus de fabrication plus complexe. Cependant, la structure de tranchée est propice à l'augmentation de la densité des unités de dispositif et est moins susceptible de produire l'effet JFET, ce qui est bénéfique pour résoudre le problème de la mobilité des canaux. Il possède d'excellentes propriétés telles qu'une faible résistance à l'état passant, une petite capacité parasite et une faible consommation d'énergie de commutation. Il présente des avantages significatifs en termes de coût et de performances et est devenu la direction principale du développement de dispositifs électriques en carbure de silicium. Selon le site officiel de Rohm, la structure ROHM Gen3 (structure Gen1 Trench) ne représente que 75 % de la surface de la puce Gen2 (Plannar2), et la résistance à l'état passant de la structure ROHM Gen3 est réduite de 50 % pour la même taille de puce.
Le substrat en carbure de silicium, l'épitaxie, l'amont, les dépenses de R&D et autres représentent respectivement 47 %, 23 %, 19 %, 6 % et 5 % du coût de fabrication des dispositifs en carbure de silicium.
Enfin, nous nous concentrerons sur la suppression des barrières techniques des substrats dans la chaîne industrielle du carbure de silicium.
Le processus de production des substrats en carbure de silicium est similaire à celui des substrats à base de silicium, mais plus difficile.
Le processus de fabrication du substrat en carbure de silicium comprend généralement la synthèse des matières premières, la croissance des cristaux, le traitement des lingots, la découpe des lingots, le meulage des plaquettes, le polissage, le nettoyage et d'autres liens.
L’étape de croissance cristalline est au cœur de tout le processus et cette étape détermine les propriétés électriques du substrat en carbure de silicium.
Les matériaux en carbure de silicium sont difficiles à cultiver en phase liquide dans des conditions normales. La méthode de croissance en phase vapeur, populaire sur le marché aujourd'hui, a une température de croissance supérieure à 2 300 °C et nécessite un contrôle précis de la température de croissance. L’ensemble du processus opérationnel est presque difficile à observer. Une légère erreur entraînera la mise au rebut du produit. En comparaison, les matériaux en silicium ne nécessitent que 1 600 ℃, ce qui est bien inférieur. La préparation de substrats en carbure de silicium se heurte également à des difficultés telles qu'une croissance cristalline lente et des exigences élevées en matière de forme cristalline. La croissance des plaquettes de carbure de silicium prend environ 7 à 10 jours, tandis que l'extraction des tiges de silicium ne prend que 2 jours et demi. De plus, le carbure de silicium est un matériau dont la dureté est juste derrière le diamant. Il perdra beaucoup lors de la coupe, du meulage et du polissage, et le taux de sortie n'est que de 60 %.
Nous savons que la tendance est à l'augmentation de la taille des substrats en carbure de silicium, et à mesure que la taille continue d'augmenter, les exigences en matière de technologie d'expansion de diamètre deviennent de plus en plus élevées. Cela nécessite une combinaison de divers éléments de contrôle technique pour réaliser une croissance itérative des cristaux.
Heure de publication : 22 mai 2024