炭化ケイ素の技術的障壁とは何か？Ⅱ

安定した性能を持つ高品質の炭化ケイ素ウェハーを安定的に量産する上での技術的な課題は以下のとおりです。

1) 結晶は2000℃以上の高温密閉環境で成長させる必要があるため、温度制御の要求は非常に高い。
2) 炭化ケイ素には200種類以上の結晶構造がありますが、必要な半導体材料となる単結晶炭化ケイ素の構造はごくわずかであるため、結晶成長プロセス中は、速度や空気流量圧力などのパラメータ、シリコン対炭素比、成長温度勾配、結晶成長を精密に制御する必要があります。
3) 気相伝送法では、炭化ケイ素結晶成長の直径拡大技術は極めて困難である。
4) 炭化ケイ素の硬度はダイヤモンドに近く、切削、研削、研磨技術は難しい。

SiCエピタキシャルウェーハ：通常、化学気相成長法（CVD）で製造されます。ドーピングの種類によって、n型とp型のエピタキシャルウェーハに分けられます。国内では、Hantian TianchengとDongguan Tianyuが4インチ/6インチのSiCエピタキシャルウェーハを提供できます。SiCエピタキシーは高電圧領域での制御が難しく、SiCエピタキシーの品質はSiCデバイスに大きな影響を与えます。さらに、エピタキシャル装置は、Axitron、LPE、TEL、Nuflareの4つの大手企業によって独占されています。

炭化ケイ素エピタキシャルウェーハとは、特定の要件を満たし、基板結晶と同じ単結晶膜（エピタキシャル層）が元の炭化ケイ素基板上に成長した炭化ケイ素ウェーハを指します。エピタキシャル成長には主にCVD（化学気相成長）装置またはMBE（分子線エピタキシー）装置が使用されます。炭化ケイ素デバイスはエピタキシャル層で直接製造されるため、エピタキシャル層の品質はデバイスの性能と歩留まりに直接影響します。デバイスの耐電圧性能が継続的に向上するにつれて、対応するエピタキシャル層の厚さは厚くなり、制御がより困難になります。一般的に、電圧が約600Vの場合、必要なエピタキシャル層の厚さは約6ミクロンです。電圧が1200～1700Vの場合、必要なエピタキシャル層の厚さは10～15ミクロンに達します。電圧が10,000ボルトを超えると、100ミクロンを超えるエピタキシャル層の厚さが必要になる場合があります。エピタキシャル層の厚さが増加するにつれて、厚さや抵抗率の均一性、および欠陥密度を制御することがますます困難になる。

SiCデバイス：国際的には、600～1700VのSiC SBDおよびMOSFETが工業化されています。主流製品は1200V以下の電圧レベルで動作し、主にTOパッケージを採用しています。価格面では、国際市場におけるSiC製品は、Si製品の約5～6倍の価格となっています。しかし、価格は年間10%の割合で下落傾向にあります。今後2～3年で上流材料およびデバイス生産が拡大するにつれ、市場供給が増加し、さらなる価格低下につながると予想されます。価格がSi製品の2～3倍に達すれば、システムコストの削減と性能向上によるメリットが徐々にSiCをSiデバイスの市場シェアへと押し上げていくと考えられます。
従来のパッケージングは​​シリコンベースの基板を基盤としていますが、第3世代半導体材料では全く新しい設計が必要です。ワイドバンドギャップパワーデバイスに従来のシリコンベースのパッケージング構造を使用すると、周波数、熱管理、信頼性に関する新たな問題や課題が生じる可能性があります。SiCパワーデバイスは寄生容量と寄生インダクタンスの影響を受けやすく、Siデバイスと比較してスイッチング速度が速いため、オーバーシュート、発振、スイッチング損失の増加、さらにはデバイスの誤動作につながる可能性があります。さらに、SiCパワーデバイスは高温で動作するため、より高度な熱管理技術が必要となります。

ワイドバンドギャップ半導体パワーパッケージの分野では、さまざまな構造が開発されてきました。従来のSiベースのパワーモジュールパッケージはもはや適していません。従来のSiベースのパワーモジュールパッケージの高い寄生パラメータと低い放熱効率の問題を解決するために、SiCパワーモジュールパッケージは、その構造に無線相互接続と両面冷却技術を採用し、また熱伝導率の高い基板材料を採用し、デカップリングコンデンサ、温度/電流センサ、駆動回路をモジュール構造に統合しようと試み、さまざまなモジュールパッケージ技術を開発しました。さらに、SiCデバイスの製造には高い技術的障壁があり、製造コストも高くなっています。

炭化ケイ素デバイスは、CVD法を用いて炭化ケイ素基板上にエピタキシャル層を堆積させることで製造されます。このプロセスには、洗浄、酸化、フォトリソグラフィ、エッチング、フォトレジストの除去、イオン注入、窒化ケイ素の化学気相成長、研磨、スパッタリング、およびSiC単結晶基板上にデバイス構造を形成するための後続処理工程が含まれます。SiCパワーデバイスの主な種類には、SiCダイオード、SiCトランジスタ、およびSiCパワーモジュールがあります。上流の材料生産速度の遅さや歩留まりの低さなどの要因により、炭化ケイ素デバイスの製造コストは比較的高くなっています。

さらに、炭化ケイ素デバイスの製造には、いくつかの技術的な困難が伴う。

1) 炭化ケイ素材料の特性に合った特定のプロセスを開発する必要があります。例えば、SiCは融点が高いため、従来の熱拡散は効果的ではありません。イオン注入ドーピング法を使用し、温度、加熱速度、時間、ガス流量などのパラメータを正確に制御する必要があります。SiCは化学溶剤に対して不活性です。ドライエッチングなどの方法を使用し、マスク材料、ガス混合物、側壁傾斜の制御、エッチング速度、側壁粗さなどを最適化して開発する必要があります。
2) 炭化ケイ素ウェハ上に金属電極を製造するには、10⁻⁵Ω²以下の接触抵抗が必要です。この要件を満たす電極材料であるNiとAlは、100℃以上では熱安定性が低いですが、Al/Niは熱安定性が優れています。/W/Au複合電極材料の接触比抵抗は10⁻³Ω²高くなっています。
3) SiCは切削摩耗が大きく、硬度はダイヤモンドに次ぐため、切削、研削、研磨などの技術にはより高い要求が課せられます。

さらに、トレンチ型炭化ケイ素パワーデバイスは製造がより困難です。デバイス構造の違いにより、炭化ケイ素パワーデバイスは主にプレーナー型デバイスとトレンチ型デバイスに分類できます。プレーナー型炭化ケイ素パワーデバイスは、ユニットの一貫性が高く、製造プロセスが単純ですが、JFET効果が発生しやすく、寄生容量とオン抵抗が高いという欠点があります。プレーナー型デバイスと比較すると、トレンチ型炭化ケイ素パワーデバイスはユニットの一貫性が低く、製造プロセスがより複雑です。しかし、トレンチ構造はデバイスのユニット密度を高めるのに有利で、JFET効果が発生しにくく、チャネル移動度の問題を解決するのに役立ちます。オン抵抗が小さく、寄生容量が小さく、スイッチングエネルギー消費が低いなど、優れた特性を備えています。コストと性能面で大きな利点があり、炭化ケイ素パワーデバイスの開発の主流となっています。ロームの公式サイトによると、ロームの第3世代構造（第1世代トレンチ構造）は、第2世代（プランナー2）のチップ面積のわずか75%であり、同じチップサイズでオン抵抗が50%低減されている。

炭化ケイ素デバイスの製造コストのうち、炭化ケイ素基板、エピタキシャル成長、フロントエンド、研究開発費、その他がそれぞれ47%、23%、19%、6%、5%を占めている。

最後に、炭化ケイ素産業チェーンにおける基板の技術的障壁を打破することに注力します。

炭化ケイ素基板の製造工程は、シリコン系基板の製造工程と似ているが、より困難である。
炭化ケイ素基板の製造工程は、一般的に、原料合成、結晶成長、インゴット加工、インゴット切断、ウェーハ研削、研磨、洗浄などの工程を含む。
結晶成長段階は全工程の中核であり、この段階が炭化ケイ素基板の電気的特性を決定づける。

炭化ケイ素材料は、通常の条件下では液相成長が困難です。現在市場で普及している気相成長法では、成長温度が2300℃を超え、成長温度の精密な制御が必要です。全工程を観察することはほぼ不可能で、わずかな誤差でも製品の廃棄につながります。これに対し、シリコン材料は1600℃というはるかに低い温度で済みます。炭化ケイ素基板の作製にも、結晶成長が遅く、結晶形状に対する要求が高いといった困難があります。炭化ケイ素ウェハの成長には約7～10日かかりますが、シリコンロッドの引き抜きはわずか2日半で済みます。さらに、炭化ケイ素はダイヤモンドに次ぐ硬度を持つ材料です。切断、研削、研磨の際に大きく損失し、出力率はわずか60%です。

シリコンカーバイド基板のサイズを大きくしていく傾向にあることは周知の事実であり、サイズが大きくなるにつれて、直径拡大技術に対する要求もますます高まっている。結晶の反復成長を実現するには、様々な技術的制御要素の組み合わせが必要となる。