Zu den technischen Schwierigkeiten bei der stabilen Massenproduktion hochwertiger Siliziumkarbid-Wafer mit stabiler Leistung gehören:
1) Da Kristalle in einer abgedichteten Umgebung mit hohen Temperaturen über 2000 °C wachsen müssen, sind die Anforderungen an die Temperaturregelung extrem hoch.
2) Da Siliziumkarbid über mehr als 200 Kristallstrukturen verfügt, aber nur wenige Strukturen von einkristallinem Siliziumkarbid die erforderlichen Halbleitermaterialien sind, müssen das Silizium-Kohlenstoff-Verhältnis, der Wachstumstemperaturgradient und das Kristallwachstum während des Kristallwachstumsprozesses präzise gesteuert werden. Parameter wie Geschwindigkeit und Luftströmungsdruck;
3) Bei der Dampfphasenübertragungsmethode ist die Durchmessererweiterungstechnologie des Siliziumkarbidkristallwachstums äußerst schwierig.
4) Die Härte von Siliziumkarbid kommt der von Diamant nahe, und Schneide-, Schleif- und Poliertechniken sind schwierig.
SiC-Epitaxie-Wafer: Sie werden üblicherweise durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) hergestellt. Je nach Dotierungsart werden sie in n-Typ- und p-Typ-Epitaxie-Wafer unterteilt. Die inländischen Unternehmen Hantian Tiancheng und Dongguan Tianyu bieten bereits 4-Zoll-/6-Zoll-SiC-Epitaxie-Wafer an. Die SiC-Epitaxie ist im Hochspannungsfeld schwer zu kontrollieren, und die Qualität der SiC-Epitaxie hat einen großen Einfluss auf SiC-Bauelemente. Darüber hinaus wird die Epitaxieausrüstung von den vier führenden Unternehmen der Branche dominiert: Axitron, LPE, TEL und Nuflare.
Siliziumkarbid-EpitaxieWafer bezeichnet einen Siliziumkarbid-Wafer, bei dem auf dem ursprünglichen Siliziumkarbid-Substrat ein Einkristallfilm (epitaktische Schicht) mit bestimmten Anforderungen, der dem Substratkristall entspricht, gezüchtet wird. Für das epitaktische Wachstum werden hauptsächlich CVD- (Chemical Vapor Deposition, chemische Gasphasenabscheidung) oder MBE- (Molekularstrahlepitaxie) Geräte verwendet. Da Siliziumkarbid-Bauelemente direkt in der epitaktischen Schicht hergestellt werden, wirkt sich die Qualität der epitaktischen Schicht direkt auf die Leistung und Ausbeute des Bauelements aus. Mit zunehmender Spannungsfestigkeit des Bauelements wird die Dicke der entsprechenden epitaktischen Schicht dicker und die Steuerung schwieriger. Im Allgemeinen beträgt die erforderliche epitaktische Schichtdicke bei einer Spannung von etwa 600 V etwa 6 Mikrometer; bei einer Spannung zwischen 1200 und 1700 V erreicht die erforderliche epitaktische Schichtdicke 10 bis 15 Mikrometer. Erreicht die Spannung mehr als 10.000 Volt, kann eine epitaktische Schichtdicke von mehr als 100 Mikrometer erforderlich sein. Mit zunehmender Dicke der Epitaxieschicht wird es zunehmend schwieriger, die Gleichmäßigkeit von Dicke und spezifischem Widerstand sowie die Defektdichte zu kontrollieren.
SiC-Bauelemente: International sind SiC-SBDs und -MOSFETs mit 600–1700 V industriell verfügbar. Die gängigen Produkte arbeiten mit Spannungen unter 1200 V und werden überwiegend im TO-Gehäuse eingesetzt. Preislich liegen SiC-Produkte auf dem internationalen Markt etwa fünf- bis sechsmal höher als ihre Si-Pendants. Die Preise sinken jedoch jährlich um 10 %. Mit dem Ausbau der vorgelagerten Materialien und der Bauelementproduktion in den nächsten zwei bis drei Jahren wird das Marktangebot steigen und die Preise weiter sinken. Es wird erwartet, dass SiC, sobald der Preis das Zwei- bis Dreifache des Preises von Si-Produkten erreicht, aufgrund der Vorteile reduzierter Systemkosten und verbesserter Leistung allmählich den Markt für Si-Bauelemente erobern wird.
Herkömmliche Gehäuse basieren auf siliziumbasierten Substraten, während Halbleitermaterialien der dritten Generation ein völlig neues Design erfordern. Die Verwendung herkömmlicher siliziumbasierter Gehäusestrukturen für Wide-Bandgap-Leistungsbauelemente kann neue Probleme und Herausforderungen hinsichtlich Frequenz, Wärmemanagement und Zuverlässigkeit mit sich bringen. SiC-Leistungsbauelemente reagieren empfindlicher auf parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten. Im Vergleich zu Si-Bauelementen weisen SiC-Leistungschips höhere Schaltgeschwindigkeiten auf, was zu Überschwingen, Schwingungen, erhöhten Schaltverlusten und sogar zu Gerätestörungen führen kann. Darüber hinaus arbeiten SiC-Leistungsbauelemente bei höheren Temperaturen, was fortschrittlichere Wärmemanagementtechniken erfordert.
Im Bereich der Wide-Bandgap-Halbleiter-Leistungsmodul-Verpackungen wurden verschiedene Strukturen entwickelt. Herkömmliche Si-basierte Leistungsmodul-Verpackungen sind nicht mehr geeignet. Um die Probleme der hohen parasitären Parameter und der schlechten Wärmeableitungseffizienz herkömmlicher Si-basierter Leistungsmodul-Verpackungen zu lösen, setzt die SiC-Leistungsmodul-Verpackung auf drahtlose Verbindungs- und doppelseitige Kühltechnologie sowie auf Substratmaterialien mit besserer Wärmeleitfähigkeit. Außerdem wurde versucht, Entkopplungskondensatoren, Temperatur-/Stromsensoren und Treiberschaltungen in die Modulstruktur zu integrieren. Zudem wurden verschiedene Modul-Verpackungstechnologien entwickelt. Darüber hinaus sind die technischen Hürden bei der Herstellung von SiC-Bauelementen hoch, und die Produktionskosten sind hoch.
Siliziumkarbid-Bauelemente werden durch Abscheidung epitaktischer Schichten auf einem Siliziumkarbid-Substrat mittels CVD hergestellt. Der Prozess umfasst Reinigung, Oxidation, Fotolithografie, Ätzen, Entfernen des Fotolacks, Ionenimplantation, chemische Gasphasenabscheidung von Siliziumnitrid, Polieren, Sputtern und nachfolgende Bearbeitungsschritte, um die Bauelementstruktur auf dem SiC-Einkristallsubstrat zu bilden. Zu den wichtigsten Typen von SiC-Leistungsbauelementen gehören SiC-Dioden, SiC-Transistoren und SiC-Leistungsmodule. Aufgrund von Faktoren wie der langsamen Materialproduktion und der geringen Ausbeute sind die Herstellungskosten von Siliziumkarbid-Bauelementen relativ hoch.
Darüber hinaus ist die Herstellung von Siliziumkarbid-Bauelementen mit bestimmten technischen Schwierigkeiten verbunden:
1) Es ist notwendig, ein spezifisches Verfahren zu entwickeln, das den Eigenschaften von Siliziumkarbid-Materialien entspricht. Beispiel: SiC hat einen hohen Schmelzpunkt, wodurch herkömmliche thermische Diffusion unwirksam wird. Es ist notwendig, ein Dotierungsverfahren durch Ionenimplantation anzuwenden und Parameter wie Temperatur, Heizrate, Dauer und Gasfluss genau zu kontrollieren; SiC ist inert gegenüber chemischen Lösungsmitteln. Methoden wie Trockenätzen sollten eingesetzt werden, und Maskenmaterialien, Gasgemische, die Kontrolle der Seitenwandneigung, Ätzrate, Seitenwandrauheit usw. sollten optimiert und weiterentwickelt werden.
2) Die Herstellung von Metallelektroden auf Siliziumkarbid-Wafern erfordert einen Kontaktwiderstand von unter 10-5 Ω². Die Elektrodenmaterialien, die diese Anforderungen erfüllen, Ni und Al, weisen oberhalb von 100 °C eine geringe thermische Stabilität auf, Al/Ni hingegen weist eine bessere thermische Stabilität auf. Der spezifische Kontaktwiderstand des /W/Au-Verbundelektrodenmaterials ist um 10-3 Ω² höher.
3) SiC weist einen hohen Schneidverschleiß auf und ist nach Diamant die zweithärteste Substanz, was höhere Anforderungen an Schneid-, Schleif-, Polier- und andere Technologien stellt.
Darüber hinaus sind Trench-Siliziumkarbid-Leistungsbauelemente schwieriger herzustellen. Je nach Bauelementstruktur lassen sich Siliziumkarbid-Leistungsbauelemente hauptsächlich in Planar- und Trench-Bauelemente unterteilen. Planare Siliziumkarbid-Leistungsbauelemente weisen eine gute Einheitskonsistenz und einen einfachen Herstellungsprozess auf, sind jedoch anfällig für den JFET-Effekt und weisen eine hohe parasitäre Kapazität und einen hohen Durchlasswiderstand auf. Im Vergleich zu Planar-Bauelementen weisen Trench-Siliziumkarbid-Leistungsbauelemente eine geringere Einheitskonsistenz und einen komplexeren Herstellungsprozess auf. Die Trench-Struktur trägt jedoch zu einer höheren Bauelementdichte bei und verursacht weniger den JFET-Effekt, was sich positiv auf die Kanalmobilität auswirkt. Sie verfügt über hervorragende Eigenschaften wie einen geringen Durchlasswiderstand, eine geringe parasitäre Kapazität und einen niedrigen Schaltenergieverbrauch. Sie bietet erhebliche Kosten- und Leistungsvorteile und hat sich zur wichtigsten Entwicklungsrichtung für Siliziumkarbid-Leistungsbauelemente entwickelt. Laut der offiziellen Website von Rohm beträgt die ROHM Gen3-Struktur (Gen1 Trench-Struktur) nur 75 % der Chipfläche von Gen2 (Plannar2), und der Einschaltwiderstand der ROHM Gen3-Struktur ist bei gleicher Chipgröße um 50 % reduziert.
Die Kosten für Siliziumkarbidsubstrat, Epitaxie, Front-End, F&E und andere Bereiche machen 47 %, 23 %, 19 %, 6 % bzw. 5 % der Herstellungskosten von Siliziumkarbidgeräten aus.
Schließlich konzentrieren wir uns auf den Abbau der technischen Barrieren von Substraten in der Siliziumkarbid-Industriekette.
Der Herstellungsprozess von Siliziumkarbidsubstraten ähnelt dem von Substraten auf Siliziumbasis, ist jedoch schwieriger.
Der Herstellungsprozess von Siliziumkarbidsubstraten umfasst im Allgemeinen die Synthese von Rohstoffen, Kristallwachstum, Ingotverarbeitung, Ingotschneiden, Waferschleifen, Polieren, Reinigen und andere Schritte.
Die Kristallwachstumsphase ist der Kern des gesamten Prozesses und dieser Schritt bestimmt die elektrischen Eigenschaften des Siliziumkarbidsubstrats.
Siliziumkarbid lässt sich unter normalen Bedingungen nur schwer in der Flüssigphase züchten. Das heute marktübliche Dampfphasenwachstumsverfahren erreicht Wachstumstemperaturen von über 2300 °C und erfordert eine präzise Temperaturkontrolle. Der gesamte Prozess ist kaum zu beobachten, und selbst der kleinste Fehler führt zur Verschrottung. Siliziummaterialien benötigen dagegen nur 1600 °C, also deutlich weniger. Die Herstellung von Siliziumkarbidsubstraten ist zudem mit Schwierigkeiten verbunden, wie langsamem Kristallwachstum und hohen Anforderungen an die Kristallform. Das Wachstum von Siliziumkarbid-Wafern dauert etwa 7 bis 10 Tage, das Ziehen von Siliziumstäben hingegen nur 2,5 Tage. Siliziumkarbid ist zudem ein Material, dessen Härte nur von Diamant übertroffen wird. Beim Schneiden, Schleifen und Polieren verliert es viel Härte, und die Ausbeute beträgt nur 60 %.
Wir wissen, dass der Trend zu immer größeren Siliziumkarbidsubstraten geht. Mit zunehmender Größe steigen auch die Anforderungen an die Technologie zur Durchmessererweiterung. Um ein iteratives Kristallwachstum zu erreichen, ist eine Kombination verschiedener technischer Kontrollelemente erforderlich.
Veröffentlichungszeit: 22. Mai 2024