Le difficoltà tecniche nella produzione in serie stabile di wafer di 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 del cristallo devono essere controllati con precisione durante il processo di crescita del cristallo. 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 simile a quella del diamante e le tecniche di taglio, molatura e lucidatura risultano complesse.
Wafer epitassiali di SiC: solitamente prodotti con il metodo di deposizione chimica da fase vapore (CVD). A seconda del tipo di drogaggio, si dividono in wafer epitassiali di tipo n e di tipo p. Le aziende cinesi Hantian Tiancheng e Dongguan Tianyu sono già in grado di fornire wafer epitassiali di SiC da 4 e 6 pollici. Per l'epitassia del SiC, il controllo in campo ad alta tensione è complesso e la qualità dell'epitassia ha un impatto significativo sui dispositivi SiC. Inoltre, le apparecchiature per l'epitassia sono monopolizzate da quattro aziende leader del settore: Axitron, LPE, TEL e Nuflare.
carburo di silicio epitassialeIl termine wafer si riferisce a un wafer di carburo di silicio su cui viene fatto crescere un film monocristallino (strato epitassiale) con determinati requisiti e identico al cristallo del substrato originale. La crescita epitassiale utilizza principalmente apparecchiature CVD (Chemical Vapor Deposition, deposizione chimica da fase vapore) o MBE (Molecular Beam Epitaxy). Poiché i dispositivi in carburo di silicio vengono fabbricati direttamente nello strato epitassiale, la qualità di quest'ultimo influisce direttamente sulle prestazioni e sulla resa del dispositivo. Man mano che la tensione di tenuta del dispositivo aumenta, lo spessore del corrispondente strato epitassiale diventa maggiore e il controllo più difficile. Generalmente, quando la tensione è intorno ai 600 V, lo spessore dello strato epitassiale richiesto è di circa 6 micron; quando la tensione è compresa tra 1200 e 1700 V, lo spessore dello strato epitassiale richiesto raggiunge i 10-15 micron. Se la tensione supera i 10.000 volt, potrebbe essere necessario uno spessore dello strato epitassiale superiore a 100 micron. Man mano che lo spessore dello strato epitassiale aumenta, diventa sempre più difficile controllare l'uniformità dello spessore e della resistività, nonché la densità dei difetti.
Dispositivi SiC: a livello internazionale, i diodi Schottky (SBD) e i MOSFET SiC da 600~1700V sono stati industrializzati. I prodotti principali operano a livelli di tensione inferiori a 1200V 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 alle loro controparti in Si. Tuttavia, i prezzi stanno diminuendo a un tasso annuo del 10%. Con l'espansione della produzione di materiali a monte e di dispositivi nei prossimi 2-3 anni, l'offerta di mercato aumenterà, portando a ulteriori riduzioni di prezzo. Si prevede che quando il prezzo raggiungerà 2-3 volte quello dei prodotti in Si, i vantaggi derivanti dalla riduzione dei costi di sistema e dal miglioramento delle prestazioni porteranno gradualmente il SiC a occupare lo spazio di mercato dei dispositivi in Si.
Il packaging tradizionale si basa su substrati a base di silicio, mentre i materiali semiconduttori di terza generazione richiedono una progettazione completamente nuova. L'utilizzo di strutture di packaging tradizionali a base di silicio per dispositivi di potenza a banda larga può introdurre nuove problematiche e sfide relative a frequenza, gestione termica e affidabilità. I dispositivi di potenza in SiC sono più sensibili alla capacità e all'induttanza parassite. Rispetto ai dispositivi in Si, i chip di potenza in SiC hanno velocità di commutazione più elevate, che possono causare overshoot, oscillazioni, maggiori perdite di commutazione e persino malfunzionamenti del dispositivo. Inoltre, i dispositivi di potenza in SiC operano a temperature più elevate, richiedendo tecniche di gestione termica più avanzate.
Nel campo del packaging di potenza per semiconduttori a banda proibita ampia (WBF), sono state sviluppate diverse strutture. Il packaging tradizionale dei moduli di potenza basato sul silicio (Si) non è più adeguato. Per risolvere i problemi di elevati parametri parassiti e scarsa efficienza di dissipazione del calore tipici del packaging tradizionale, il packaging dei moduli di potenza in SiC (carburo di silicio) adotta interconnessioni wireless e tecnologie di raffreddamento su entrambi i lati, impiega materiali di substrato con migliore conduttività termica e cerca di integrare condensatori di disaccoppiamento, sensori di temperatura/corrente e circuiti di pilotaggio nella struttura del modulo, sviluppando diverse tecnologie di packaging. Tuttavia, la produzione di dispositivi in SiC presenta elevate barriere tecniche e costi di produzione elevati.
I dispositivi al carburo di silicio vengono prodotti depositando strati epitassiali su un substrato di carburo di silicio tramite CVD (deposizione chimica da fase vapore). Il processo prevede pulizia, ossidazione, fotolitografia, incisione, rimozione del fotoresist, impiantazione ionica, deposizione chimica da fase vapore di nitruro di silicio, lucidatura, sputtering e successive fasi di lavorazione per formare la struttura del dispositivo sul substrato monocristallino di SiC. I principali tipi di dispositivi di potenza in SiC includono diodi, transistor e moduli di potenza in SiC. A causa di fattori quali la lenta velocità di produzione dei materiali a monte e i bassi tassi di resa, i dispositivi al carburo di silicio presentano costi di produzione relativamente elevati.
Inoltre, la fabbricazione 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 diffusione termica tradizionale. È necessario utilizzare il metodo di drogaggio mediante impiantazione ionica e controllare con precisione 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 materiali di mascheratura, miscele di gas, controllo della pendenza delle pareti laterali, velocità di incisione, rugosità delle pareti laterali, ecc.
2) La fabbricazione 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 al di sopra di 100 °C, ma Al/Ni ha una migliore stabilità termica. La resistenza specifica di contatto del materiale composito per elettrodi /W/Au è superiore di 10⁻³Ω²;
3) Il SiC presenta un'elevata resistenza all'usura da taglio e la sua durezza è seconda solo a quella del diamante, il che impone requisiti più elevati per le tecnologie di taglio, rettifica, lucidatura e altre lavorazioni.
Inoltre, i dispositivi di potenza in carburo di silicio a trincea sono più difficili da produrre. In base alle diverse strutture dei dispositivi, i dispositivi di potenza in carburo di silicio possono essere suddivisi principalmente in dispositivi planari e dispositivi a trincea. I dispositivi di potenza planari in carburo di silicio presentano una buona uniformità unitaria e un processo di produzione semplice, ma sono soggetti all'effetto JFET e hanno un'elevata capacità parassita e resistenza di conduzione. Rispetto ai dispositivi planari, i dispositivi di potenza in carburo di silicio a trincea hanno una minore uniformità unitaria e un processo di produzione più complesso. Tuttavia, la struttura a trincea favorisce l'aumento della densità unitaria dei dispositivi ed è meno soggetta all'effetto JFET, il che è vantaggioso per risolvere il problema della mobilità del canale. Presenta eccellenti proprietà come bassa resistenza di conduzione, bassa capacità parassita e basso consumo energetico di commutazione. Ha significativi vantaggi in termini di costi e prestazioni ed è diventata la direzione principale dello sviluppo dei dispositivi di potenza in carburo di silicio. Secondo il sito web ufficiale di Rohm, la struttura ROHM Gen3 (struttura Trench Gen1) occupa solo il 75% dell'area del chip Gen2 (Plannar2) e la resistenza di conduzione della struttura ROHM Gen3 è ridotta del 50% a parità di dimensioni del chip.
Il substrato in carburo di silicio, l'epitassia, il front-end, le spese di ricerca e sviluppo e altri costi rappresentano rispettivamente il 47%, il 23%, il 19%, il 6% e il 5% del costo di produzione dei dispositivi in carburo di silicio.
Infine, ci concentreremo sull'abbattimento delle barriere tecniche dei substrati nella catena di fornitura dell'industria 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 complesso.
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 altre fasi.
La fase di crescita cristallina 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 in fase liquida in condizioni normali. Il metodo di crescita in fase vapore, oggi diffuso sul mercato, richiede temperature di crescita superiori a 2300 °C e un controllo preciso della temperatura. L'intero processo operativo è quasi impossibile da monitorare. Un minimo errore può comportare lo scarto del prodotto. Al contrario, i materiali in silicio richiedono solo 1600 °C, una temperatura molto inferiore. Anche la preparazione dei substrati in carburo di silicio presenta difficoltà, come la lenta crescita cristallina e gli elevati requisiti di forma cristallina. La crescita di un wafer di carburo di silicio richiede dai 7 ai 10 giorni, mentre la produzione di barre di silicio richiede solo due giorni e mezzo. Inoltre, il carburo di silicio è un materiale la cui durezza è seconda solo a quella del diamante. Si perde molto materiale durante il taglio, la molatura e la lucidatura, con una resa di solo il 60%.
Sappiamo che la tendenza è quella di aumentare le dimensioni dei substrati di carburo di silicio; con l'aumento delle dimensioni, i requisiti per la tecnologia di espansione del diametro diventano sempre più stringenti. Ciò richiede una combinazione di diversi elementi di controllo tecnico per ottenere una crescita iterativa dei cristalli.
Data di pubblicazione: 22 maggio 2024