탄화규소의 기술적 장벽은 무엇입니까?Ⅱ

안정적인 성능을 갖춘 고품질 탄화규소 웨이퍼를 안정적으로 대량 생산하는 데 있어 기술적 어려움은 다음과 같습니다.

1) 결정은 2000°C 이상의 고온 밀봉 환경에서 성장해야 하므로 온도 제어 요구 사항이 매우 높습니다.
2) 탄화규소는 200개 이상의 결정 구조를 가지고 있으나 단결정 탄화규소 중 소수의 구조만이 필요한 반도체 재료이기 때문에, 탄화규소 비율, 성장 온도 구배, 결정 성장을 정밀하게 제어해야 합니다. 결정 성장 과정. 속도 및 기류 압력과 같은 매개변수
3) 기상 투과 방식에서는 탄화 규소 결정 성장의 직경 확장 기술이 매우 어렵습니다.
4) 탄화규소의 경도는 다이아몬드에 가깝고 절단, 연삭, 연마 기술이 어렵다.

SiC 에피택셜 웨이퍼: 일반적으로 화학 기상 증착(CVD) 방법으로 제조됩니다. 다양한 도핑 유형에 따라 n형과 p형 에피택셜 웨이퍼로 구분됩니다. 국내 Hantian Tiancheng과 Dongguan Tianyu는 이미 4인치/6인치 SiC 에피택셜 웨이퍼를 제공할 수 있습니다. SiC 에피택시는 고전압 분야에서 제어하기 어렵고, SiC 에피택시의 품질은 SiC 장치에 더 큰 영향을 미칩니다. 더욱이 에피택시 장비는 Axitron, LPE, TEL, Nuflare 등 업계 선두 4개 기업이 독점하고 있습니다.

실리콘 카바이드 에피텍셜웨이퍼는 특정 요구 사항을 충족하고 기판 결정과 동일한 단결정 필름(에피택셜 층)이 원래의 탄화규소 기판 위에 성장된 탄화규소 웨이퍼를 의미합니다. Epitaxis 성장은 주로 CVD(Chemical Vapor Deposition, ) 장비나 MBE(Molecular Beam Epitaxy) 장비를 사용합니다. 탄화규소 장치는 에피택셜 층에서 직접 제조되므로 에피택셜 층의 품질은 장치의 성능과 수율에 직접적인 영향을 미칩니다. 장치의 내전압 성능이 계속 증가함에 따라 해당 에피택셜 층의 두께는 더 두꺼워지고 제어가 더욱 어려워집니다. 일반적으로 전압이 약 600V일 때 필요한 에피택셜 층 두께는 약 6미크론입니다. 전압이 1200-1700V 사이에 있을 때 필요한 에피택셜 층 두께는 10-15 마이크론에 이릅니다. 전압이 10,000V를 초과하면 100미크론 이상의 에피택셜 층 두께가 필요할 수 있습니다. 에피택셜 층의 두께가 계속해서 증가함에 따라 두께와 저항률 균일성 및 결함 밀도를 제어하는 ​​것이 점점 더 어려워지고 있습니다.

SiC 소자: 국제적으로는 600~1700V SiC SBD와 MOSFET이 산업화되어 있다. 주류 제품은 1200V 미만의 전압 수준에서 작동하며 주로 TO 패키징을 채택합니다. 가격 측면에서 국제 시장의 SiC 제품 가격은 Si 제품보다 약 5~6배 더 높습니다. 그러나 가격은 매년 10%씩 하락하고 있다. 향후 2~3년 동안 업스트림 소재 및 장치 생산이 확대되면서 시장 공급이 증가하고 가격이 더욱 하락할 것입니다. 가격이 Si 제품의 2~3배에 이르면 시스템 비용 절감과 성능 향상으로 인한 이점으로 인해 SiC가 Si 디바이스의 시장 공간을 점차 점유하게 될 것으로 예상됩니다.
기존 패키징은 실리콘 기반 기판을 기반으로 하는 반면, 3세대 반도체 소재에는 완전히 새로운 디자인이 필요합니다. 광대역 간격 전력 장치에 기존 실리콘 기반 패키징 구조를 사용하면 주파수, 열 관리 및 신뢰성과 관련된 새로운 문제와 과제가 발생할 수 있습니다. SiC 전력 장치는 기생 용량과 인덕턴스에 더 민감합니다. Si 장치에 비해 SiC 전원 칩은 스위칭 속도가 더 빠르기 때문에 오버슈트, 진동, 스위칭 손실 증가, 심지어 장치 오작동까지 초래할 수 있습니다. 또한 SiC 전력 장치는 더 높은 온도에서 작동하므로 더욱 발전된 열 관리 기술이 필요합니다.

광대역갭 반도체 전력 패키징 분야에서는 다양한 구조가 개발되었습니다. 기존의 Si 기반 전력 모듈 패키징은 더 이상 적합하지 않습니다. 기존 Si 기반 전력 모듈 패키징의 높은 기생 매개변수와 낮은 방열 효율 문제를 해결하기 위해 SiC 전력 모듈 패키징은 구조에 무선 상호 연결 및 양면 냉각 기술을 채택하고 더 나은 열 성능을 제공하는 기판 재료를 채택합니다. 전도성을 확보하고 디커플링 커패시터, 온도/전류 센서, 구동 회로를 모듈 구조에 통합하려고 시도했으며 다양한 모듈 패키징 기술을 개발했습니다. 더욱이 SiC 장치 제조에는 기술적 장벽이 높고 생산 비용도 높습니다.

탄화규소 장치는 CVD를 통해 탄화규소 기판에 에피택셜 층을 증착하여 생산됩니다. 이 프로세스에는 SiC 단결정 기판에 장치 구조를 형성하기 위한 세정, 산화, 포토리소그래피, 에칭, 포토레지스트 제거, 이온 주입, 질화규소의 화학 기상 증착, 연마, 스퍼터링 및 후속 처리 단계가 포함됩니다. SiC 전력 장치의 주요 유형에는 SiC 다이오드, SiC 트랜지스터 및 SiC 전력 모듈이 포함됩니다. 느린 업스트림 재료 생산 속도 및 낮은 수율과 같은 요인으로 인해 탄화 규소 장치는 제조 비용이 상대적으로 높습니다.

또한 탄화규소 장치 제조에는 다음과 같은 기술적 어려움이 있습니다.

1) 탄화규소 소재의 특성에 맞는 구체적인 공정 개발이 ​​필요하다. 예를 들어, SiC는 융점이 높아 기존의 열 확산이 효과적이지 않습니다. 이온 주입 도핑 방법을 사용하고 온도, 가열 속도, 지속 시간, 가스 흐름과 같은 매개 변수를 정확하게 제어해야 합니다. SiC는 화학 용매에 대해 불활성입니다. 건식 에칭과 같은 방법을 사용해야 하며 마스크 재료, 가스 혼합, 측벽 경사 제어, 에칭 속도, 측벽 거칠기 등을 최적화하고 개발해야 합니다.
2) 탄화규소 웨이퍼에 금속전극을 제조하려면 접촉저항이 10-5Ω2 이하가 되어야 한다. 이러한 요구 사항을 충족하는 전극 재료인 Ni와 Al은 100°C 이상에서 열 안정성이 좋지 않지만 Al/Ni는 열 안정성이 더 좋습니다. /W/Au 복합 전극 재료의 접촉 비저항은 10-3Ω2 더 높습니다.
3) SiC는 절단 마모가 높고 SiC의 경도는 다이아몬드에 이어 두 번째로 절단, 연삭, 연마 및 기타 기술에 대한 요구 사항이 더 높습니다.

더욱이, 트렌치 탄화규소 전력 장치는 제조하기가 더 어렵습니다. 다양한 장치 구조에 따라 탄화 규소 전력 장치는 주로 평면 장치와 트렌치 장치로 나눌 수 있습니다. 평면 탄화규소 전력 장치는 장치 일관성이 우수하고 제조 공정이 간단하지만 JFET 효과가 발생하기 쉽고 기생 용량과 온 상태 저항이 높습니다. 평면형 장치에 비해 트렌치 탄화규소 전력 장치는 단위 일관성이 낮고 제조 공정이 더 복잡합니다. 그러나 트렌치 구조는 소자 단위 밀도를 높이는 데 도움이 되고 JFET 효과가 발생할 가능성이 적어 채널 이동성 문제를 해결하는 데 유리합니다. 작은 온 저항, 작은 기생 용량, 낮은 스위칭 에너지 소비 등 우수한 특성을 가지고 있습니다. 이는 상당한 비용 및 성능 이점을 가지며 탄화규소 전력 장치 개발의 주류 방향이 되었습니다. Rohm 공식 웹사이트에 따르면 ROHM Gen3 구조(Gen1 Trench 구조)는 Gen2(Plannar2) 칩 면적의 75%에 불과하며, ROHM Gen3 구조의 온저항은 동일한 칩 크기에서 50% 감소합니다.

탄화규소 기판, 에피택시, 프런트 엔드, R&D 비용 및 기타 비용은 탄화규소 장치 제조 비용의 각각 47%, 23%, 19%, 6%, 5%를 차지합니다.

마지막으로, 우리는 탄화규소 산업 체인에서 기판의 기술적 장벽을 허무는 데 중점을 둘 것입니다.

탄화규소 기판의 생산 공정은 실리콘 기반 기판의 생산 공정과 유사하지만 더 어렵습니다.
탄화 규소 기판의 제조 공정에는 일반적으로 원료 합성, 결정 성장, 잉곳 가공, 잉곳 절단, 웨이퍼 연삭, 연마, 세척 및 기타 링크가 포함됩니다.
결정 성장 단계는 전체 공정의 핵심이며, 이 단계에서 탄화규소 기판의 전기적 특성이 결정됩니다.

실리콘 카바이드 재료는 정상적인 조건에서 액상으로 성장하기 어렵습니다. 현재 시장에서 널리 보급되고 있는 기상성장법은 성장온도가 2300℃ 이상으로 성장온도의 정밀한 제어가 요구된다. 전체 작업 과정을 관찰하기가 거의 어렵습니다. 약간의 오차로 인해 제품이 폐기될 수 있습니다. 이에 비해 실리콘 소재는 1600℃만 필요하며 이는 훨씬 낮습니다. 탄화규소 기판을 준비하는 것은 또한 느린 결정 성장과 높은 결정 형태 요구 사항과 같은 어려움에 직면합니다. 실리콘 카바이드 웨이퍼 성장에는 약 7~10일이 소요되는 반면, 실리콘 로드 당김은 2일 반 밖에 걸리지 않습니다. 더욱이, 탄화규소는 다이아몬드 다음으로 경도가 높은 물질입니다. 절단, 연삭, 연마 과정에서 손실이 많이 발생하며 출력 비율은 60%에 불과합니다.

우리는 탄화 규소 기판의 크기가 계속 증가하는 경향이 있다는 것을 알고 있으며, 크기가 계속 증가함에 따라 직경 확장 기술에 대한 요구 사항도 점점 더 높아지고 있습니다. 결정의 반복적인 성장을 위해서는 다양한 기술적 제어 요소의 조합이 필요합니다.