Les difficultés techniques liées à la production en série et de manière stable de plaquettes de carbure de silicium de haute qualité avec des performances stables comprennent :
1) Étant donné que les cristaux doivent croître dans un environnement scellé à haute température supérieure à 2000 °C, les exigences de contrôle de la température sont extrêmement élevées ;
2) Étant donné que le carbure de silicium possède plus de 200 structures cristallines, mais que seules quelques structures de carbure de silicium monocristallin constituent les matériaux semi-conducteurs requis, le rapport silicium/carbone, le gradient de température de croissance et la croissance cristalline doivent être contrôlés avec précision pendant le processus de croissance cristalline. Des paramètres tels que la vitesse et la pression du flux d'air ;
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.
Plaquettes épitaxiales SiC : généralement fabriquées par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Selon les différents types de dopage, elles sont divisées en plaquettes épitaxiales de type n et de type p. Les sociétés chinoises Hantian Tiancheng et Dongguan Tianyu proposent déjà des plaquettes épitaxiales SiC de 4 et 6 pouces. L'épitaxie SiC est difficile à contrôler dans le domaine des hautes tensions, et la qualité de l'épitaxie SiC a un impact majeur sur les dispositifs SiC. De plus, les équipements d'épitaxie sont monopolisés par les quatre leaders du secteur : Axitron, LPE, TEL et Nuflare.
Carbure de silicium épitaxialUne plaquette de carbure de silicium est une plaquette dans laquelle un film monocristallin (couche épitaxiale), répondant à certaines exigences et identique au cristal du substrat, est déposé sur le substrat de carbure de silicium d'origine. La croissance épitaxiale utilise principalement des équipements CVD (dépôt chimique en phase vapeur) ou MBE (épitaxie par jets moléculaires). Les dispositifs en carbure de silicium étant fabriqués directement dans la couche épitaxiale, la qualité de celle-ci affecte directement les performances et le rendement du dispositif. À mesure que la tenue en tension du dispositif augmente, l'épaisseur de la couche épitaxiale correspondante augmente et le contrôle devient plus difficile. Généralement, pour une tension d'environ 600 V, l'épaisseur de la couche épitaxiale requise est d'environ 6 microns ; pour une tension comprise entre 1 200 et 1 700 V, elle atteint 10 à 15 microns. Au-delà de 10 000 volts, une épaisseur de couche épitaxiale supérieure à 100 microns peut être requise. 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, de la résistivité et de la densité des défauts.
Dispositifs SiC : À l'échelle internationale, les SBD et MOSFET SiC de 600 à 1 700 V ont été industrialisés. Les produits les plus courants fonctionnent à des tensions inférieures à 1 200 V et adoptent principalement un boîtier TO. En termes de prix, les produits SiC sur le marché international sont environ 5 à 6 fois plus chers que leurs homologues en silicium. Cependant, les prix baissent à un rythme annuel de 10 %. Avec l'expansion de la production de matériaux et de dispositifs en amont au cours des deux à trois prochaines années, l'offre sur le marché augmentera, entraînant de nouvelles baisses de prix. On s'attend à ce que lorsque le prix atteigne 2 à 3 fois celui des produits en silicium, les avantages apportés par la réduction des coûts système et l'amélioration des performances propulseront progressivement le SiC sur le marché des dispositifs en silicium.
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 traditionnelles 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 SiC, les puces de puissance en SiC ont des vitesses de commutation plus rapides, ce qui peut entraîner des dépassements, des oscillations, des pertes de commutation accrues, voire des dysfonctionnements. De plus, les dispositifs de puissance en SiC fonctionnent à des températures plus élevées, nécessitant des techniques de gestion thermique plus avancées.
Différentes structures ont été développées dans le domaine du conditionnement des semi-conducteurs de puissance à large bande interdite. Le conditionnement traditionnel des modules de puissance à base de silicium (Si) n'est plus adapté. Afin de résoudre les problèmes de paramètres parasites élevés et de faible efficacité de dissipation thermique, le conditionnement des modules de puissance en SiC intègre une technologie d'interconnexion sans fil et de refroidissement double face. Il adopte également des matériaux de substrat offrant une meilleure conductivité thermique. L'intégration de condensateurs de découplage, de capteurs de température/courant et de circuits de commande a été recherchée, et diverses technologies de conditionnement ont été développées. De plus, la fabrication de dispositifs en SiC se heurte à des obstacles techniques importants et à des coûts de production élevés.
Les composants en carbure de silicium sont fabriqués par dépôt de couches épitaxiales sur un substrat en carbure de silicium par CVD. Ce procédé comprend le nettoyage, l'oxydation, la photolithographie, la gravure, le décapage de la résine photosensible, l'implantation ionique, le dépôt chimique en phase vapeur de nitrure de silicium, le polissage, la pulvérisation cathodique et les étapes de traitement ultérieures pour former la structure du composant sur le substrat monocristallin en SiC. Les principaux types de composants de puissance en SiC sont les diodes, les transistors et les modules de puissance en SiC. En raison de facteurs tels que la lenteur de la production de matériaux en amont et les faibles rendements, les composants en carbure de silicium ont 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 compatible avec les caractéristiques des matériaux en carbure de silicium. Par exemple, le SiC a un point de fusion élevé, ce qui rend la diffusion thermique traditionnelle inefficace. Il est nécessaire d'utiliser une méthode de dopage par implantation ionique et de contrôler précisément les paramètres tels que la température, la vitesse de chauffe, la durée et le débit de gaz ; le SiC est inerte aux solvants chimiques. Des méthodes telles que la gravure sèche doivent être utilisées, et les matériaux de masque, les mélanges gazeux, le contrôle de l'inclinaison des parois, la vitesse de gravure, la rugosité des parois, etc., doivent être optimisés et développés.
2) La fabrication d'électrodes métalliques sur plaquettes de carbure de silicium nécessite une résistance de contact inférieure à 10-5 Ω. Les matériaux d'électrodes répondant à ces exigences, Ni et Al, présentent une faible stabilité thermique au-dessus de 100 °C, tandis que l'Al/Ni présente une meilleure stabilité thermique. La résistance spécifique de contact du matériau d'électrode composite /W/Au est supérieure de 10-3 Ω.
3) Le SiC présente une usure de coupe élevée et la dureté du SiC est la deuxième après le diamant, ce qui impose des exigences plus élevées en matière de coupe, de meulage, de polissage et d'autres technologies.
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 unitaire et un procédé de fabrication simple, mais sont sensibles à l'effet JFET et présentent une capacité parasite et une résistance à l'état passant élevées. Comparés aux dispositifs planaires, les dispositifs à tranchées présentent une homogénéité unitaire plus faible et un procédé de fabrication plus complexe. Cependant, la structure à tranchées permet d'augmenter la densité unitaire et est moins susceptible de produire l'effet JFET, ce qui contribue à résoudre le problème de mobilité des canaux. Elle présente d'excellentes propriétés, telles qu'une faible résistance à l'état passant, une faible capacité parasite et une faible consommation d'énergie de commutation. Elle présente des avantages significatifs en termes de coût et de performances et est devenue la principale orientation du 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 % sous la même taille de puce.
Le substrat en carbure de silicium, l'épitaxie, le front-end, 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 suppression des barrières techniques des substrats dans la chaîne industrielle 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 du substrat en carbure de silicium comprend généralement la synthèse des matières premières, la croissance des cristaux, le traitement des lingots, la découpe des lingots, le meulage des plaquettes, le polissage, le nettoyage et d'autres liens.
L'étape de croissance cristalline est au cœur de l'ensemble du processus et cette étape détermine les propriétés électriques du substrat en carbure de silicium.
Les matériaux en carbure de silicium sont difficiles à faire croître en phase liquide dans des conditions normales. La méthode de croissance en phase vapeur, très répandue sur le marché aujourd'hui, nécessite une température de croissance supérieure à 2 300 °C et un contrôle précis de cette température. L'ensemble du processus est quasiment impossible à observer. La moindre erreur peut entraîner la mise au rebut du produit. En comparaison, les matériaux en silicium ne nécessitent que 1 600 °C, ce qui est bien moins. La préparation des substrats en carbure de silicium présente également des difficultés, telles qu'une croissance cristalline lente et des exigences de forme cristalline élevées. 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 est la deuxième après celle du diamant. Il perd beaucoup lors de la coupe, du meulage et du polissage, et son 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 augmentation se poursuit, les exigences en matière de technologie d'expansion de diamètre deviennent de plus en plus élevées. La croissance itérative des cristaux nécessite une combinaison de divers éléments de contrôle technique.
Date de publication : 22 mai 2024