高品質で安定した性能の炭化珪素ウェーハを安定的に量産するための技術的な課題としては、以下のようなものがあります。
1) 結晶は 2000°C 以上の高温密閉環境で成長する必要があるため、温度管理の要件が非常に厳しい。
2) 炭化ケイ素には 200 以上の結晶構造がありますが、必要な半導体材料となる単結晶炭化ケイ素の構造はわずかであるため、シリコンと炭素の比率、成長温度勾配、および結晶成長を精密に制御する必要があります。結晶の成長過程。速度や空気流圧力などのパラメータ。
３）気相透過法による炭化珪素結晶成長の大径化技術は極めて困難である。
4) 炭化ケイ素はダイヤモンドに近い硬度を持ち、切断、研削、研磨の技術が困難です。
SiCエピタキシャルウェーハ：通常は化学気相成長（CVD）法で製造されます。ドーピングの種類に応じて、n型エピタキシャルウェーハとp型エピタキシャルウェーハに分けられます。国内のHantian TianchengとDongguan Tianyuはすでに4インチ/6インチのSiCエピタキシャルウェーハを提供できる。 SiC エピタキシーの場合、高電圧分野での制御が難しく、SiC エピタキシーの品質が SiC デバイスに大きな影響を与えます。また、エピタキシャル装置は、Axitron、LPE、TEL、ニューフレアの業界大手4社が独占しています。
炭化ケイ素エピタキシャルウェハとは、元の炭化珪素基板上に、基板結晶と同じ一定の条件を備えた単結晶膜（エピタキシャル層）を成長させた炭化珪素ウェハを指します。エピタキシャル成長には主にCVD（化学気相成長）装置やMBE（分子線エピタキシー）装置が使用されます。炭化ケイ素デバイスはエピタキシャル層内に直接製造されるため、エピタキシャル層の品質はデバイスの性能と歩留まりに直接影響します。デバイスの耐電圧性能が向上するにつれて、対応するエピタキシャル層の厚さは厚くなり、制御はより困難になります。一般に、電圧が600V程度の場合、必要なエピタキシャル層の厚さは約6ミクロンです。電圧が 1200 ～ 1700 V の場合、必要なエピタキシャル層の厚さは 10 ～ 15 ミクロンに達します。電圧が 10,000 ボルトを超える場合、100 ミクロンを超えるエピタキシャル層の厚さが必要になる場合があります。エピタキシャル層の厚さが増加し続けるにつれて、厚さ、抵抗率の均一性、欠陥密度を制御することがますます困難になります。
SiCデバイス：国際的には600~1700VのSiC SBDとMOSFETが工業化されています。主流の製品は 1200V 未満の電圧レベルで動作し、主に TO パッケージングを採用しています。価格に関しては、国際市場での SiC 製品の価格は、Si の同等製品よりも約 5 ～ 6 倍となっています。しかし、価格は年率10％で下落しています。今後 2 ～ 3 年で上流の材料とデバイスの生産が拡大すると、市場への供給が増加し、さらなる価格低下につながるでしょう。価格がSi製品の2～3倍に達すると、システムコストの削減と性能の向上によってもたらされる利点により、SiCが徐々にSiデバイスの市場スペースを占めるようになることが予想されます。
従来のパッケージングはシリコンベースの基板に基づいていますが、第 3 世代の半導体材料にはまったく新しい設計が必要です。ワイドバンドギャップパワーデバイスに従来のシリコンベースのパッケージ構造を使用すると、周波数、熱管理、信頼性に関する新たな問題や課題が生じる可能性があります。 SiC パワー デバイスは、寄生容量と寄生インダクタンスの影響をより受けやすくなります。 Si デバイスと比較して、SiC パワー チップはスイッチング速度が速いため、オーバーシュート、発振、スイッチング損失の増加、さらにはデバイスの誤動作につながる可能性があります。さらに、SiC パワーデバイスは高温で動作するため、より高度な熱管理技術が必要になります。
ワイドバンドギャップ半導体パワーパッケージングの分野では、さまざまな異なる構造が開発されてきました。従来の Si ベースのパワーモジュールのパッケージングはもはや適切ではありません。従来のSiベースのパワーモジュールパッケージの高い寄生パラメータと低い放熱効率の問題を解決するために、SiCパワーモジュールパッケージはその構造に無線相互接続と両面冷却技術を採用し、さらに放熱性の高い基板材料も採用しています。デカップリングコンデンサ、温度/電流センサー、駆動回路などをモジュール構造に統合することを試み、さまざまなモジュールパッケージング技術を開発しました。さらに、SiC デバイスの製造には技術的な障壁が高く、製造コストも高くなります。
炭化ケイ素デバイスは、CVD によって炭化ケイ素基板上にエピタキシャル層を堆積することによって製造されます。このプロセスには、洗浄、酸化、フォトリソグラフィー、エッチング、フォトレジストの剥離、イオン注入、窒化ケイ素の化学蒸着、研磨、スパッタリング、およびその後の処理ステップが含まれ、SiC 単結晶基板上にデバイス構造を形成します。 SiCパワーデバイスの主な種類には、SiCダイオード、SiCトランジスタ、SiCパワーモジュールなどがあります。上流の材料生産速度の遅さや歩留まりの低さなどの要因により、炭化ケイ素デバイスの製造コストは比較的高くなります。
さらに、炭化ケイ素デバイスの製造には特定の技術的困難があります。
1) 炭化ケイ素材料の特性に合わせた特別なプロセスを開発する必要がある。例: SiC は融点が高いため、従来の熱拡散は効果がありません。イオン注入ドーピング法を使用し、温度、加熱速度、加熱時間、ガス流量などのパラメータを正確に制御する必要があります。 SiC は化学溶剤に対して不活性です。ドライエッチングなどの方法を使用し、マスク材料、混合ガス、側壁の傾斜、エッチング速度、側壁の粗さなどの制御を最適化して開発する必要があります。
2) 炭化ケイ素ウェーハ上に金属電極を製造するには、10-5Ω2 未満の接触抵抗が必要です。要件を満たす電極材料である Ni と Al は、100°C を超えると熱安定性に劣りますが、Al/Ni は熱安定性に優れています。 /W/Au 複合電極材料の接触固有抵抗は 10-3Ω2 高くなります。
3) SiC は切削摩耗が高く、SiC の硬度はダイヤモンドに次ぐため、切削、研削、研磨などの技術に対する要求が高くなります。
さらに、トレンチ炭化ケイ素パワーデバイスは製造がより困難です。さまざまなデバイス構造に応じて、炭化ケイ素パワーデバイスは主にプレーナデバイスとトレンチデバイスに分類できます。プレーナ型炭化ケイ素パワーデバイスは、ユニットの一貫性が高く、製造プロセスが単純ですが、JFET 効果が発生しやすく、寄生容量とオン状態抵抗が高くなります。プレーナ型デバイスと比較して、トレンチ炭化ケイ素パワーデバイスはユニットの一貫性が低く、製造プロセスがより複雑です。しかし、トレンチ構造はデバイスのユニット密度を高めるのに役立ち、JFET効果が生じにくいため、チャネル移動度の問題を解決するのに有益です。オン抵抗が小さく、寄生容量が小さく、スイッチングエネルギー消費が小さいなどの優れた特性を持っています。これはコストと性能に大きな利点があり、炭化ケイ素パワーデバイス開発の主流の方向性となっています。ローム公式サイトによると、ローム Gen3 構造（Gen1 Trench 構造）のチップ面積は Gen2（Plannar2）の 75% に過ぎず、ローム Gen3 構造のオン抵抗は同じチップサイズで 50% 低減されています。
炭化ケイ素基板、エピタキシー、フロントエンド、研究開発費などは、炭化ケイ素デバイスの製造コストのそれぞれ47%、23%、19%、6%、5%を占めます。
最後に、炭化ケイ素産業チェーンにおける基板の技術的障壁を打ち破ることに焦点を当てます。
炭化ケイ素基板の製造プロセスはシリコンベースの基板の製造プロセスと似ていますが、より困難です。
炭化珪素基板の製造プロセスには、一般に、原料合成、結晶成長、インゴット加工、インゴット切断、ウェーハ研削、研磨、洗浄などが含まれる。
結晶成長段階はプロセス全体の中核であり、この段階で炭化ケイ素基板の電気的特性が決まります。
炭化ケイ素材料は、通常の条件下では液相中で成長することが困難です。現在市場で普及している気相成長法では、成長温度が 2300℃を超えるため、成長温度を正確に制御する必要があります。動作プロセス全体を観察するのはほとんど困難です。わずかな誤差が製品の廃棄につながります。それに比べて、シリコン材料は 1600℃ しか必要とせず、はるかに低い温度です。炭化ケイ素基板の準備は、遅い結晶成長や高い結晶形状の要件などの困難にも直面しています。炭化ケイ素ウェーハの成長には約 7 ～ 10 日かかりますが、シリコン ロッドの引き上げには 2 日半しかかかりません。また、炭化ケイ素はダイヤモンドに次ぐ硬度を持つ素材です。切断、研削、研磨時のロスが多く、出力率はわずか60％です。
炭化ケイ素基板のサイズが大きくなる傾向にあることは承知しています。サイズが大きくなるにつれて、直径拡張技術に対する要件もますます高くなっています。結晶の反復成長を達成するには、さまざまな技術的制御要素の組み合わせが必要です。
投稿日時: 2024 年 5 月 22 日