Les difficultés techniques liées à la production en série stable de plaquettes de carbure de silicium de haute qualité et aux performances stables comprennent :
1) Étant donné que les cristaux doivent croître dans un environnement scellé à haute température supérieur à 2000 °C, les exigences en matière de contrôle de la température sont extrêmement élevées ;
2) Le carbure de silicium possédant plus de 200 structures cristallines, seules quelques-unes des structures monocristallines de carbure de silicium requises comme matériaux semi-conducteurs, le rapport silicium/carbone, le gradient de température de croissance et la croissance cristalline doivent être contrôlés avec précision lors du processus de croissance cristalline. Des paramètres tels que la vitesse et la pression du flux d'air sont également nécessaires.
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.
Les plaquettes épitaxiales de SiC sont généralement fabriquées par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Selon le type de dopage, elles sont classées en plaquettes épitaxiales de type n et de type p. Les entreprises chinoises Hantian Tiancheng et Dongguan Tianyu proposent déjà des plaquettes épitaxiales de SiC de 4 et 6 pouces. L'épitaxie du SiC est difficile à maîtriser sous haute tension, et sa qualité a un impact majeur sur les dispositifs en SiC. De plus, les équipements d'épitaxie sont largement dominés par quatre entreprises leaders du secteur : Axitron, LPE, TEL et Nuflare.
épitaxial en carbure de siliciumUne plaquette de silicium (ou wafer) est une plaquette de carbure de silicium sur laquelle est déposée une couche épitaxiale monocristalline (couche épitaxiale) présentant des caractéristiques identiques à celles du cristal du substrat. La croissance épitaxiale est principalement réalisée par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou par épitaxie par jets moléculaires (MBE). Les dispositifs en carbure de silicium étant fabriqués directement dans la couche épitaxiale, la qualité de cette dernière influe directement sur les performances et le rendement du dispositif. Plus la tension de tenue en tension du dispositif augmente, plus l'épaisseur de la couche épitaxiale correspondante est importante et plus son contrôle est complexe. Généralement, pour une tension d'environ 600 V, l'épaisseur requise est d'environ 6 µm ; entre 1 200 et 1 700 V, elle atteint 10 à 15 µm. Enfin, pour une tension supérieure à 10 000 V, une épaisseur de plus de 100 µm 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.
Dispositifs SiC : À l’échelle internationale, les diodes Schottky et les MOSFET SiC de 600 à 1 700 V sont industrialisés. Les produits les plus courants fonctionnent à des tensions inférieures à 1 200 V et utilisent principalement le boîtier TO. Sur le marché international, les produits SiC sont environ 5 à 6 fois plus chers que leurs équivalents en silicium. Cependant, les prix diminuent de 10 % par an. Avec le développement de la production de matériaux et de dispositifs en amont prévu pour les 2 à 3 prochaines années, l’offre augmentera, entraînant de nouvelles baisses de prix. On s’attend à ce que lorsque le prix atteindra 2 à 3 fois celui des produits en silicium, les avantages liés à la réduction des coûts système et à l’amélioration des performances permettront progressivement aux dispositifs SiC de conquérir une part de marché importante.
Les boîtiers traditionnels reposent 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 de boîtier classiques à base de silicium pour les dispositifs de puissance à large bande interdite peut engendrer de nouveaux problèmes et défis liés à la fréquence, à la gestion thermique et à la fiabilité. Les dispositifs de puissance en SiC sont plus sensibles aux capacités et inductances parasites. Comparées aux dispositifs en Si, les puces de puissance en SiC présentent des vitesses de commutation plus rapides, ce qui peut entraîner des surtensions, des oscillations, des pertes de commutation accrues, voire des dysfonctionnements. De plus, les dispositifs de puissance en SiC fonctionnent à des températures plus élevées, ce qui requiert des techniques de gestion thermique plus avancées.
Diverses structures ont été développées dans le domaine du conditionnement de puissance pour semi-conducteurs à large bande interdite. Le conditionnement traditionnel des modules de puissance à base de silicium n'est plus adapté. Afin de résoudre les problèmes de paramètres parasites élevés et de faible dissipation thermique inhérents à ce type de conditionnement, le conditionnement des modules de puissance en carbure de silicium (SiC) adopte une interconnexion sans fil et un refroidissement double face. Il utilise également des matériaux de substrat à conductivité thermique supérieure et intègre des condensateurs de découplage, des capteurs de température et de courant, ainsi que des circuits de commande. Différentes technologies de conditionnement ont ainsi été développées. Cependant, la fabrication de dispositifs en SiC présente des obstacles techniques importants et des coûts de production élevés.
Les dispositifs en carbure de silicium sont fabriqués par dépôt de couches épitaxiales sur un substrat en carbure de silicium par CVD (dépôt chimique en phase vapeur). Le procédé comprend les étapes suivantes : nettoyage, oxydation, photolithographie, gravure, élimination de la résine photosensible, implantation ionique, dépôt chimique en phase vapeur de nitrure de silicium, polissage, pulvérisation cathodique et étapes de traitement ultérieures pour former la structure du dispositif sur le substrat monocristallin de SiC. Les principaux types de dispositifs de puissance en SiC comprennent les diodes, les transistors et les modules de puissance. En raison de facteurs tels que la faible vitesse de production des matériaux en amont et les faibles rendements, les dispositifs en carbure de silicium présentent 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 adapté aux caractéristiques du carbure de silicium. Par exemple : le SiC possède un point de fusion élevé, ce qui rend la diffusion thermique traditionnelle inefficace. Il est donc nécessaire d’utiliser la méthode de dopage par implantation ionique et de contrôler précisément des paramètres tels que la température, la vitesse de chauffage, la durée et le débit de gaz. Le SiC étant inerte aux solvants chimiques, des méthodes telles que la gravure sèche doivent être employées, et les matériaux de masque, les mélanges gazeux, le contrôle de la pente des parois, la vitesse de gravure, la rugosité des parois, etc., doivent être optimisés et développés.
2) La fabrication d'électrodes métalliques sur des plaquettes de carbure de silicium exige une résistance de contact inférieure à 10⁻⁵ Ω². Les matériaux d'électrode répondant à cette exigence, le nickel et l'aluminium, présentent une faible stabilité thermique au-dessus de 100 °C, tandis que l'électrode Al/Ni offre une meilleure stabilité thermique. La résistance spécifique de contact du matériau d'électrode composite /W/Au est supérieure de 10⁻³ Ω².
3) Le SiC a une usure de coupe élevée et sa dureté n'est surpassée que par celle du diamant, ce qui impose des exigences plus élevées en matière de technologies de coupe, de meulage, de polissage et autres.
De plus, les dispositifs de puissance en carbure de silicium à tranchées sont plus difficiles à fabriquer. Selon leur structure, on distingue principalement les dispositifs planaires et les dispositifs à tranchées. Les dispositifs planaires présentent une bonne homogénéité et un processus de fabrication simple, mais sont sensibles à l'effet JFET et souffrent d'une capacité parasite et d'une résistance à l'état passant élevées. Comparés aux dispositifs planaires, les dispositifs à tranchées offrent une homogénéité moindre et un processus de fabrication plus complexe. Cependant, la structure à tranchées permet d'augmenter la densité d'intégration et réduit l'effet JFET, ce qui contribue à résoudre le problème de la mobilité des porteurs dans le canal. Ils possèdent d'excellentes propriétés, telles qu'une faible résistance à l'état passant, une faible capacité parasite et une faible consommation d'énergie de commutation. Offrant des avantages significatifs en termes de coût et de performances, ils constituent la voie privilégiée pour le développement des dispositifs de puissance 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 % à taille de puce égale.
Le substrat en carbure de silicium, l'épitaxie, l'interface utilisateur, 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 levée des obstacles techniques liés aux substrats dans la chaîne de valeur de l'industrie 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 d'un substrat en carbure de silicium comprend généralement la synthèse des matières premières, la croissance cristalline, le traitement des lingots, la découpe des lingots, le meulage des plaquettes, le polissage, le nettoyage et d'autres étapes.
L'étape de croissance cristalline est au cœur du processus et détermine les propriétés électriques du substrat en carbure de silicium.
La croissance des matériaux en carbure de silicium en phase liquide est complexe dans des conditions normales. La méthode de croissance en phase vapeur, largement répandue, nécessite une température de croissance supérieure à 2300 °C et un contrôle précis de cette température. L'ensemble du processus est difficilement observable, et la moindre erreur peut entraîner la mise au rebut du produit. À titre de comparaison, les matériaux en silicium ne requièrent que 1600 °C, une température bien inférieure. La préparation des substrats en carbure de silicium présente également des difficultés, telles qu'une croissance cristalline lente et des exigences élevées en matière de forme cristalline. La croissance d'une plaquette de carbure de silicium prend environ 7 à 10 jours, tandis que l'étirage d'une barre de silicium ne prend que 2 jours et demi. De plus, le carbure de silicium est un matériau dont la dureté n'est surpassée que par celle du diamant. Les opérations de découpe, de meulage et de polissage entraînent des pertes importantes, et le rendement n'est que de 60 %.
Nous savons que la tendance est à l'augmentation de la taille des substrats en carbure de silicium. À mesure que cette taille augmente, les exigences relatives à la technologie d'expansion de diamètre deviennent de plus en plus élevées. Il est nécessaire de combiner divers éléments de contrôle technique pour obtenir une croissance itérative des cristaux.
Date de publication : 22 mai 2024