Le difficoltà tecniche nella produzione di massa stabile di wafer in carburo di silicio di alta qualità con prestazioni stabili includono:
1) Poiché i cristalli devono crescere in un ambiente sigillato ad alta temperatura superiore a 2000°C, i requisiti di controllo della temperatura sono estremamente elevati;
2) Poiché il carburo di silicio ha più di 200 strutture cristalline, ma solo poche strutture di carburo di silicio monocristallino sono i materiali semiconduttori richiesti, il rapporto silicio-carbonio, il gradiente di temperatura di crescita e la crescita dei cristalli devono essere controllati con precisione durante il processo di crescita dei cristalli. Parametri come velocità e pressione del flusso d'aria;
3) Con il metodo di trasmissione in fase vapore, la tecnologia di espansione del diametro della crescita dei cristalli di carburo di silicio è estremamente difficile;
4) La durezza del carburo di silicio è vicina a quella del diamante e le tecniche di taglio, molatura e lucidatura sono difficili.
Wafer epitassiali SiC: solitamente prodotti con il metodo di deposizione chimica in fase vapore (CVD). In base ai diversi tipi di drogaggio, sono suddivisi in wafer epitassiali di tipo n e di tipo p. Le nazionali Hantian Tiancheng e Dongguan Tianyu possono già fornire wafer epitassiali SiC da 4 pollici/6 pollici. Per l'epitassia SiC, è difficile da controllare nel campo ad alta tensione e la qualità dell'epitassia SiC ha un impatto maggiore sui dispositivi SiC. Inoltre, le apparecchiature epitassiali sono monopolizzate dalle quattro aziende leader del settore: Axitron, LPE, TEL e Nuflare.
Epitassiale al carburo di siliciowafer si riferisce a un wafer di carburo di silicio in cui una pellicola a cristallo singolo (strato epitassiale) con determinati requisiti e uguale al cristallo del substrato viene coltivata sul substrato di carburo di silicio originale. La crescita epitassiale utilizza principalmente apparecchiature CVD (Chemical Vapour Deposition) o apparecchiature MBE (Molecular Beam Epitaxy). Poiché i dispositivi in carburo di silicio sono realizzati direttamente nello strato epitassiale, la qualità dello strato epitassiale influisce direttamente sulle prestazioni e sulla resa del dispositivo. Man mano che le prestazioni di tenuta alla tensione del dispositivo continuano ad aumentare, lo spessore dello strato epitassiale corrispondente diventa più spesso e il controllo diventa più difficile. Generalmente, quando la tensione è di circa 600 V, lo spessore dello strato epitassiale richiesto è di circa 6 micron; quando la tensione è compresa tra 1200-1700 V, lo spessore dello strato epitassiale richiesto raggiunge 10-15 micron. Se la tensione supera i 10.000 volt, potrebbe essere necessario uno spessore dello strato epitassiale superiore a 100 micron. Poiché lo spessore dello strato epitassiale continua ad aumentare, diventa sempre più difficile controllare l'uniformità dello spessore e della resistività e la densità dei difetti.
Dispositivi SiC: a livello internazionale, sono stati industrializzati SBD e MOSFET SiC da 600 ~ 1700 V. I prodotti tradizionali funzionano a livelli di tensione inferiori a 1200 V e adottano principalmente il packaging TO. In termini di prezzo, i prodotti SiC sul mercato internazionale hanno un prezzo circa 5-6 volte superiore rispetto ai loro omologhi Si. Tuttavia, i prezzi stanno diminuendo ad un tasso annuo del 10%. con l’espansione dei materiali a monte e della produzione di dispositivi nei prossimi 2-3 anni, l’offerta di mercato aumenterà, portando ad ulteriori riduzioni di prezzo. Si prevede che quando il prezzo raggiungerà 2-3 volte quello dei prodotti Si, i vantaggi apportati dalla riduzione dei costi di sistema e dal miglioramento delle prestazioni spingeranno gradualmente il SiC ad occupare lo spazio di mercato dei dispositivi Si.
Gli imballaggi tradizionali si basano su substrati a base di silicio, mentre i materiali semiconduttori di terza generazione richiedono un design completamente nuovo. L'utilizzo di strutture di packaging tradizionali a base di silicio per dispositivi di potenza ad ampio gap di banda può introdurre nuovi problemi e sfide legate alla frequenza, alla gestione termica e all'affidabilità. I dispositivi di potenza SiC sono più sensibili alla capacità e all'induttanza parassite. Rispetto ai dispositivi Si, i chip di potenza SiC hanno velocità di commutazione più elevate, che possono portare a superamenti, oscillazioni, maggiori perdite di commutazione e persino malfunzionamenti del dispositivo. Inoltre, i dispositivi di potenza SiC funzionano a temperature più elevate, richiedendo tecniche di gestione termica più avanzate.
Una varietà di strutture differenti è stata sviluppata nel campo del confezionamento di energia per semiconduttori ad ampio gap di banda. Il tradizionale packaging dei moduli di potenza basato su Si non è più adatto. Per risolvere i problemi legati agli elevati parametri parassiti e alla scarsa efficienza di dissipazione del calore del tradizionale packaging dei moduli di potenza basato su Si, il packaging dei moduli di potenza SiC adotta nella sua struttura l'interconnessione wireless e la tecnologia di raffreddamento a doppio lato, oltre ad adottare materiali di substrato con una migliore termica conduttività elettrica e ha cercato di integrare condensatori di disaccoppiamento, sensori di temperatura/corrente e circuiti di comando nella struttura del modulo e ha sviluppato una varietà di diverse tecnologie di confezionamento dei moduli. Inoltre, esistono elevati ostacoli tecnici alla produzione di dispositivi SiC e i costi di produzione sono elevati.
I dispositivi in carburo di silicio vengono prodotti depositando strati epitassiali su un substrato di carburo di silicio tramite CVD. Il processo prevede la pulizia, l'ossidazione, la fotolitografia, l'incisione, la rimozione del fotoresist, l'impianto di ioni, la deposizione chimica in fase vapore del nitruro di silicio, la lucidatura, lo sputtering e le successive fasi di lavorazione per formare la struttura del dispositivo sul substrato a cristallo singolo SiC. I principali tipi di dispositivi di potenza SiC includono diodi SiC, transistor SiC e moduli di potenza SiC. A causa di fattori quali la lenta velocità di produzione del materiale a monte e i bassi tassi di rendimento, i dispositivi in carburo di silicio hanno costi di produzione relativamente elevati.
Inoltre, la produzione di dispositivi in carburo di silicio presenta alcune difficoltà tecniche:
1) È necessario sviluppare un processo specifico che sia coerente con le caratteristiche dei materiali in carburo di silicio. Ad esempio: il SiC ha un punto di fusione elevato, il che rende inefficace la tradizionale diffusione termica. È necessario utilizzare il metodo di drogaggio con impiantazione ionica e controllare accuratamente parametri quali temperatura, velocità di riscaldamento, durata e flusso di gas; Il SiC è inerte ai solventi chimici. Dovrebbero essere utilizzati metodi come l'incisione a secco e dovrebbero essere ottimizzati e sviluppati i materiali delle maschere, le miscele di gas, il controllo della pendenza delle pareti laterali, la velocità di incisione, la rugosità delle pareti laterali, ecc.;
2) La produzione di elettrodi metallici su wafer di carburo di silicio richiede una resistenza di contatto inferiore a 10-5Ω2. I materiali degli elettrodi che soddisfano i requisiti, Ni e Al, hanno una scarsa stabilità termica sopra i 100°C, ma Al/Ni ha una migliore stabilità termica. La resistenza specifica del contatto del materiale dell'elettrodo composito /W/Au è maggiore di 10-3Ω2;
3) Il SiC ha un'elevata usura al taglio e la sua durezza è seconda solo a quella del diamante, il che richiede requisiti più elevati per il taglio, la molatura, la lucidatura e altre tecnologie.
Inoltre, i dispositivi di potenza a trincea in carburo di silicio sono più difficili da produrre. In base alle diverse strutture dei dispositivi, i dispositivi di potenza al carburo di silicio possono essere principalmente suddivisi in dispositivi planari e dispositivi a trincea. I dispositivi di potenza planari in carburo di silicio hanno una buona consistenza unitaria e un processo di produzione semplice, ma sono soggetti all'effetto JFET e hanno un'elevata capacità parassita e resistenza allo stato attivo. Rispetto ai dispositivi planari, i dispositivi di potenza in carburo di silicio a trincea hanno una consistenza unitaria inferiore e hanno un processo di produzione più complesso. Tuttavia, la struttura a trincea favorisce l'aumento della densità delle unità del dispositivo ed è meno probabile che produca l'effetto JFET, il che è vantaggioso per risolvere il problema della mobilità del canale. Ha proprietà eccellenti come piccola resistenza di conduzione, piccola capacità parassita e basso consumo di energia di commutazione. Presenta notevoli vantaggi in termini di costi e prestazioni ed è diventata la direzione principale dello sviluppo di dispositivi di potenza in carburo di silicio. Secondo il sito web ufficiale di Rohm, la struttura ROHM Gen3 (struttura Gen1 Trench) rappresenta solo il 75% dell'area del chip Gen2 (Plannar2) e la resistenza on della struttura ROHM Gen3 è ridotta del 50% con la stessa dimensione del chip.
Substrato in carburo di silicio, epitassia, front-end, spese di ricerca e sviluppo e altro rappresentano rispettivamente il 47%, 23%, 19%, 6% e 5% del costo di produzione dei dispositivi in carburo di silicio.
Infine, ci concentreremo sull’abbattimento delle barriere tecniche dei substrati nella catena industriale del carburo di silicio.
Il processo di produzione dei substrati in carburo di silicio è simile a quello dei substrati a base di silicio, ma più difficile.
Il processo di produzione del substrato di carburo di silicio comprende generalmente la sintesi delle materie prime, la crescita dei cristalli, la lavorazione dei lingotti, il taglio dei lingotti, la molatura dei wafer, la lucidatura, la pulizia e altri collegamenti.
La fase di crescita dei cristalli è il fulcro dell'intero processo e determina le proprietà elettriche del substrato di carburo di silicio.
I materiali in carburo di silicio sono difficili da far crescere nella fase liquida in condizioni normali. Il metodo di crescita in fase vapore oggi più diffuso sul mercato ha una temperatura di crescita superiore a 2300°C e richiede un controllo preciso della temperatura di crescita. L'intero processo operativo è quasi difficile da osservare. Un piccolo errore comporterà la rottamazione del prodotto. In confronto, i materiali in silicio richiedono solo 1600 ℃, che è molto più basso. Anche la preparazione dei substrati di carburo di silicio deve affrontare difficoltà quali la crescita lenta dei cristalli e requisiti elevati di forma cristallina. La crescita del wafer di carburo di silicio richiede circa 7-10 giorni, mentre l'estrazione della barra di silicio richiede solo 2 giorni e mezzo. Inoltre, il carburo di silicio è un materiale la cui durezza è seconda solo al diamante. Perderà molto durante il taglio, la molatura e la lucidatura e il rapporto di uscita è solo del 60%.
Sappiamo che la tendenza è quella di aumentare le dimensioni dei substrati di carburo di silicio, poiché le dimensioni continuano ad aumentare, i requisiti per la tecnologia di espansione del diametro stanno diventando sempre più alti. Richiede una combinazione di vari elementi di controllo tecnico per ottenere una crescita iterativa dei cristalli.
Orario di pubblicazione: 22 maggio 2024