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 presenta oltre 200 strutture cristalline, ma solo poche strutture di carburo di silicio monocristallino costituiscono i materiali semiconduttori richiesti, il rapporto silicio/carbonio, il gradiente di temperatura di crescita e la crescita dei cristalli devono essere controllati con precisione durante il processo di crescita dei cristalli. Parametri come la velocità e la pressione del flusso d'aria;
3) Con il metodo di trasmissione in fase di 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 sono difficili.
Wafer epitassiali in SiC: generalmente prodotti con il metodo di deposizione chimica da vapore (CVD). A seconda del tipo di drogaggio, si dividono in wafer epitassiali di tipo n e di tipo p. Le aziende nazionali Hantian Tiancheng e Dongguan Tianyu sono già in grado di fornire wafer epitassiali in SiC da 4/6 pollici. L'epitassia in SiC è difficile da controllare in condizioni di alta tensione e la qualità dell'epitassia in SiC ha un impatto maggiore sui dispositivi in SiC. Inoltre, le apparecchiature epitassiali sono monopolizzate dalle quattro aziende leader del settore: Axitron, LPE, TEL e Nuflare.
Epitassiale in carburo di silicioIl termine "wafer" si riferisce a un wafer di carburo di silicio in cui un film monocristallino (strato epitassiale) con determinati requisiti, identici a quelli del substrato, viene coltivato sul substrato di carburo di silicio originale. La crescita epitassiale utilizza principalmente apparecchiature CVD (Chemical Vapor Deposition) o MBE (Molecular Beam Epitaxy). Poiché i dispositivi in carburo di silicio vengono prodotti direttamente nello strato epitassiale, la qualità di quest'ultimo influisce direttamente sulle prestazioni e sulla resa del dispositivo. Con l'aumentare della resistenza alla tensione del dispositivo, lo spessore dello strato epitassiale corrispondente aumenta e il controllo diventa più difficile. Generalmente, quando la tensione è di circa 600 V, lo spessore richiesto dello strato epitassiale è di circa 6 micron; quando la tensione è compresa tra 1200 e 1700 V, lo spessore richiesto dello strato epitassiale 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 continua ad aumentare, diventa sempre più difficile controllare l'uniformità dello spessore e della resistività nonché la densità dei difetti.
Dispositivi SiC: a livello internazionale, sono stati industrializzati SBD e MOSFET SiC da 600~1700 V. I prodotti più diffusi operano a tensioni inferiori a 1200 V 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 Si. Tuttavia, i prezzi stanno diminuendo a un tasso annuo del 10%. Con l'espansione dei materiali upstream e della produzione 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 Si, i vantaggi offerti dalla riduzione dei costi di sistema e dal miglioramento delle prestazioni spingeranno gradualmente il SiC a occupare lo spazio di mercato dei dispositivi Si.
Il packaging tradizionale si basa su substrati a base di silicio, mentre i materiali semiconduttori di terza generazione richiedono un design completamente nuovo. L'utilizzo di strutture di packaging tradizionali a base di silicio per dispositivi di potenza a banda larga può introdurre nuove problematiche e sfide legate alla frequenza, alla gestione termica e all'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 larga sono state sviluppate diverse strutture. Il packaging tradizionale dei moduli di potenza a base di Si non è più adatto. Per risolvere i problemi di elevati parametri parassiti e scarsa efficienza di dissipazione del calore del packaging tradizionale dei moduli di potenza a base di Si, il packaging dei moduli di potenza in SiC adotta la tecnologia di interconnessione wireless e raffreddamento bifacciale nella sua struttura, adottando inoltre materiali di substrato con una migliore conduttività termica e cercando di integrare condensatori di disaccoppiamento, sensori di temperatura/corrente e circuiti di pilotaggio nella struttura del modulo, sviluppando diverse tecnologie di packaging. Inoltre, esistono elevate barriere tecniche alla produzione di dispositivi in SiC e i costi di produzione sono elevati.
I dispositivi in carburo di silicio vengono prodotti depositando strati epitassiali su un substrato di carburo di silicio tramite deposizione chimica da vapore (CVD). Il processo prevede pulizia, ossidazione, fotolitografia, incisione, rimozione del fotoresist, impiantazione ionica, deposizione chimica da 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 bassa velocità di produzione dei materiali a monte e i bassi tassi di resa, i dispositivi in carburo di silicio presentano costi di produzione relativamente elevati.
Inoltre, la produzione 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 elevato punto di fusione, che rende inefficace la diffusione termica tradizionale. È necessario utilizzare il metodo di drogaggio a impiantazione ionica e controllare accuratamente parametri quali temperatura, velocità di riscaldamento, durata e flusso di gas; il SiC è inerte ai solventi chimici. È necessario utilizzare metodi come l'incisione a secco e ottimizzare e sviluppare materiali di mascheratura, miscele di gas, controllo della pendenza della parete laterale, velocità di incisione, rugosità della parete laterale, ecc.;
2) La produzione di elettrodi metallici su wafer di carburo di silicio richiede una resistenza di contatto inferiore a 10-5Ω². I materiali per elettrodi che soddisfano i requisiti, Ni e Al, hanno una scarsa stabilità termica superiore a 100 °C, mentre la combinazione Al/Ni offre una migliore stabilità termica. La resistenza specifica di contatto del materiale per elettrodi composito /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 il taglio, la molatura, la lucidatura e altre tecnologie.
Inoltre, i dispositivi di potenza in carburo di silicio a trench sono più difficili da produrre. A seconda delle diverse strutture del dispositivo, i dispositivi di potenza in carburo di silicio possono essere principalmente suddivisi in dispositivi planari e dispositivi a trench. I dispositivi di potenza planari in carburo di silicio hanno una buona consistenza unitaria e un processo di fabbricazione semplice, ma sono soggetti all'effetto JFET e presentano un'elevata capacità parassita e resistenza di stato attivo. Rispetto ai dispositivi planari, i dispositivi di potenza in carburo di silicio a trench hanno una consistenza unitaria inferiore e un processo di fabbricazione più complesso. Tuttavia, la struttura a trench favorisce l'aumento della densità unitaria del dispositivo e ha una minore probabilità di produrre l'effetto JFET, il che è vantaggioso per risolvere il problema della mobilità di canale. Presenta eccellenti proprietà come una bassa resistenza di stato attivo, una bassa capacità parassita e un basso consumo energetico di commutazione. Presenta significativi vantaggi in termini di costi e prestazioni ed è diventata la direzione principale nello sviluppo dei dispositivi di potenza in carburo di silicio. Secondo il sito Web ufficiale di Rohm, la struttura ROHM Gen3 (struttura Gen1 Trench) occupa solo il 75% della superficie 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 di carburo di silicio, l'epitassia, il front-end, le spese di ricerca e sviluppo e altri 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 filiera del carburo di silicio.
Il processo di produzione dei substrati di carburo di silicio è simile a quello dei substrati a base di silicio, ma più complesso.
Il processo di fabbricazione del substrato di carburo di silicio generalmente comprende 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 altri passaggi.
La fase di crescita dei cristalli 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 coltivare in fase liquida in condizioni normali. Il metodo di crescita in fase vapore, oggi molto diffuso sul mercato, prevede una temperatura di crescita superiore a 2300 °C e richiede un controllo preciso della temperatura di crescita. L'intero processo operativo è quasi impossibile da osservare. Un piccolo errore può portare allo scarto del prodotto. In confronto, 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 dei cristalli e gli elevati requisiti di forma cristallina. La crescita dei wafer in carburo di silicio richiede dai 7 ai 10 giorni, mentre l'estrazione delle barre di silicio richiede solo 2 giorni e mezzo. Inoltre, il carburo di silicio è un materiale la cui durezza è seconda solo a quella del diamante. Perderà molta durezza durante il taglio, la molatura e la lucidatura e il rapporto di resa è solo del 60%.
Sappiamo che la tendenza è quella di aumentare le dimensioni dei substrati in carburo di silicio e, con il loro continuo aumento, i requisiti per la tecnologia di espansione del diametro diventano sempre più elevati. È necessaria una combinazione di diversi elementi di controllo tecnico per ottenere una crescita iterativa dei cristalli.
Data di pubblicazione: 22 maggio 2024