안정적인 성능을 갖춘 고품질 실리콘 카바이드 웨이퍼를 안정적으로 대량 생산하는 데 있어 다음과 같은 기술적 어려움이 있습니다.
1) 결정은 2000°C 이상의 고온 밀폐 환경에서 성장해야 하므로 온도 제어 요구 사항이 매우 높습니다.
2) 탄화규소는 200개가 넘는 결정 구조를 가지고 있지만, 필요한 반도체 재료는 단결정 탄화규소의 몇 가지 구조에 불과하므로, 결정 성장 과정에서 실리콘 대 탄소 비율, 성장 온도 구배, 그리고 결정 성장을 정밀하게 제어해야 합니다. 속도 및 공기 흐름 압력과 같은 변수들이 있습니다.
3) 기상투과법에서는 탄화규소 결정성장의 직경확장기술이 극히 어렵다.
4) 탄화규소의 경도는 다이아몬드와 비슷하여 절단, 연삭, 연마 기술이 어렵다.
SiC 에피택셜 웨이퍼는 일반적으로 화학 기상 증착(CVD) 방식으로 제조됩니다. 도핑 유형에 따라 n형과 p형 에피택셜 웨이퍼로 구분됩니다. 국내 한톈톈청(Hantian Tiancheng)과 동관톈위(Dongguan Tianyu)는 이미 4인치/6인치 SiC 에피택셜 웨이퍼를 공급하고 있습니다. SiC 에피택시 웨이퍼는 고전압 영역에서 제어가 어렵고, SiC 에피택시 품질이 SiC 소자에 미치는 영향이 더 큽니다. 더욱이 에피택셜 장비는 업계 4대 기업인 Axitron, LPE, TEL, Nuflare가 독점하고 있습니다.
탄화규소 에피택셜웨이퍼는 특정 요건을 충족하고 기판 결정과 동일한 단결정막(에피택셜층)이 원래의 실리콘 카바이드 기판 위에 성장된 실리콘 카바이드 웨이퍼를 의미합니다. 에피택셜 성장은 주로 CVD(화학 기상 증착) 장비 또는 MBE(분자 빔 에피택시) 장비를 사용합니다. 실리콘 카바이드 소자는 에피택셜층에서 직접 제조되므로 에피택셜층의 품질은 소자의 성능과 수율에 직접적인 영향을 미칩니다. 소자의 내전압 성능이 지속적으로 향상됨에 따라 해당 에피택셜층의 두께는 더욱 두꺼워지고 제어는 더욱 어려워집니다. 일반적으로 전압이 600V 정도일 때 필요한 에피택셜층 두께는 약 6마이크론입니다. 전압이 1200~1700V일 때 필요한 에피택셜층 두께는 10~15마이크론에 이릅니다. 전압이 10,000V를 초과하는 경우 100마이크론 이상의 에피택셜층 두께가 필요할 수 있습니다. 에피택셜층의 두께가 계속 증가함에 따라 두께와 저항률의 균일성, 결함 밀도를 제어하는 것이 점점 더 어려워집니다.
SiC 소자: 국제적으로 600~1700V SiC SBD 및 MOSFET이 산업화되었습니다. 주류 제품은 1200V 미만의 전압에서 작동하며 주로 TO 패키징을 채택합니다. 가격 측면에서 국제 시장의 SiC 제품은 Si 대비 약 5~6배 높은 가격에 판매되고 있습니다. 그러나 가격은 연 10%씩 하락하고 있습니다. 향후 2~3년 동안 상류 소재 및 소자 생산 확대로 시장 공급이 증가하여 가격이 더욱 하락할 것으로 예상됩니다. SiC 제품의 가격이 Si 제품의 2~3배에 도달하면 시스템 비용 절감 및 성능 향상으로 인한 이점을 통해 SiC가 Si 소자 시장을 점차 점유할 것으로 예상됩니다.
기존 패키징은 실리콘 기반 기판을 기반으로 하지만, 3세대 반도체 소재는 완전히 새로운 설계를 요구합니다. 와이드 밴드갭 전력 소자에 기존 실리콘 기반 패키징 구조를 사용하면 주파수, 열 관리 및 신뢰성과 관련된 새로운 문제와 과제가 발생할 수 있습니다. SiC 전력 소자는 기생 커패시턴스와 인덕턴스에 더 민감합니다. Si 소자에 비해 SiC 전력 칩은 스위칭 속도가 빨라 오버슈트, 발진, 스위칭 손실 증가, 심지어 소자 오작동까지 발생할 수 있습니다. 또한, SiC 전력 소자는 더 높은 온도에서 작동하기 때문에 더욱 진보된 열 관리 기술이 필요합니다.
와이드 밴드갭 반도체 전력 패키징 분야에서 다양한 구조가 개발되어 왔습니다. 기존 Si 기반 전력 모듈 패키징은 더 이상 적합하지 않습니다. 기존 Si 기반 전력 모듈 패키징의 높은 기생 계수와 낮은 방열 효율 문제를 해결하기 위해, SiC 전력 모듈 패키징은 무선 상호 연결 및 양면 냉각 기술을 구조에 적용하고, 열전도도가 우수한 기판 소재를 사용하며, 디커플링 커패시터, 온도/전류 센서, 구동 회로를 모듈 구조에 통합하는 것을 시도하고 다양한 모듈 패키징 기술을 개발했습니다. 그러나 SiC 소자 제조에는 높은 기술 장벽과 높은 생산 비용이 존재합니다.
탄화규소 소자는 CVD(화학기상증착)를 통해 탄화규소 기판에 에피택셜층을 증착하여 생산됩니다. 이 공정에는 세정, 산화, 포토리소그래피, 에칭, 포토레지스트 제거, 이온 주입, 질화규소 화학 기상 증착, 연마, 스퍼터링, 그리고 후속 공정 단계들이 포함되어 SiC 단결정 기판에 소자 구조를 형성합니다. 주요 SiC 전력 소자 유형으로는 SiC 다이오드, SiC 트랜지스터, 그리고 SiC 전력 모듈이 있습니다. 느린 상류 소재 생산 속도와 낮은 수율 등의 요인으로 인해 탄화규소 소자는 제조 비용이 상대적으로 높습니다.
또한, 실리콘 카바이드 장치 제조에는 다음과 같은 기술적 어려움이 있습니다.
1) 탄화규소 재료의 특성에 부합하는 특정 공정을 개발해야 합니다. 예를 들어, SiC는 높은 융점을 가지고 있어 기존의 열 확산 공정이 비효율적입니다. 이온 주입 도핑 방법을 사용하고 온도, 가열 속도, 지속 시간, 가스 흐름과 같은 매개변수를 정확하게 제어해야 합니다. SiC는 화학 용매에 불활성입니다. 건식 에칭과 같은 방법을 사용하고, 마스크 재료, 가스 혼합물, 측벽 경사도 제어, 에칭 속도, 측벽 거칠기 등을 최적화하고 개발해야 합니다.
2) 탄화규소 웨이퍼에 금속 전극을 제조하려면 10-5Ω² 미만의 접촉 저항이 요구됩니다. 이러한 요건을 충족하는 전극 재료인 Ni와 Al은 100°C 이상에서 열 안정성이 낮지만, Al/Ni는 열 안정성이 더 우수합니다. Al/W/Au 복합 전극 재료의 접촉 저항은 10-3Ω²보다 높습니다.
3) SiC는 절삭 마모성이 높고, SiC의 경도는 다이아몬드에 이어 두 번째로 높아 절삭, 연삭, 연마 등의 기술에 대한 요구가 더 높습니다.
더욱이, 트렌치 실리콘 카바이드 전력 소자는 제조가 더 어렵습니다. 다양한 소자 구조에 따라 실리콘 카바이드 전력 소자는 크게 평면 소자와 트렌치 소자로 구분할 수 있습니다. 평면 실리콘 카바이드 전력 소자는 단위 일관성이 우수하고 제조 공정이 간단하지만, JFET 효과가 발생하기 쉽고 기생 커패시턴스와 온 상태 저항이 높습니다. 평면 소자에 비해 트렌치 실리콘 카바이드 전력 소자는 단위 일관성이 낮고 제조 공정이 더 복잡합니다. 그러나 트렌치 구조는 소자 단위 밀도를 높이는 데 유리하고 JFET 효과가 발생할 가능성이 낮아 채널 이동도 문제 해결에 도움이 됩니다. 트렌치 구조는 낮은 온 저항, 작은 기생 커패시턴스, 낮은 스위칭 에너지 소비와 같은 우수한 특성을 가지고 있습니다. 비용 및 성능 측면에서 상당한 이점을 제공하며, 실리콘 카바이드 전력 소자 개발의 주요 방향으로 자리 잡았습니다. 로옴 공식 홈페이지에 따르면, ROHM Gen3 구조(Gen1 Trench 구조)는 Gen2(Plannar2) 칩 면적의 75%에 불과하며, 동일한 칩 사이즈에서 ROHM Gen3 구조의 온 저항은 50% 감소했습니다.
실리콘 카바이드 기판, 에피택시, 프런트엔드, R&D 비용 및 기타 비용은 각각 실리콘 카바이드 소자 제조 비용의 47%, 23%, 19%, 6%, 5%를 차지합니다.
마지막으로, 실리콘 카바이드 산업 체인에서 기판의 기술적 장벽을 무너뜨리는 데 중점을 둘 것입니다.
실리콘 카바이드 기판의 생산 공정은 실리콘 기반 기판의 생산 공정과 유사하지만 더 어렵습니다.
탄화규소 기판의 제조 공정은 일반적으로 원료 합성, 결정 성장, 잉곳 가공, 잉곳 절단, 웨이퍼 분쇄, 연마, 세척 및 기타 단계를 포함합니다.
결정 성장 단계는 전체 공정의 핵심이며, 이 단계에서는 실리콘 카바이드 기판의 전기적 특성이 결정됩니다.
실리콘 카바이드 소재는 정상적인 조건에서 액상으로 성장시키기 어렵습니다. 현재 시중에서 널리 사용되는 기상 성장법은 성장 온도가 2300°C 이상이기 때문에 성장 온도의 정밀한 제어가 필요합니다. 전체 공정 과정을 관찰하기는 거의 불가능하며, 사소한 오류라도 제품 폐기로 이어질 수 있습니다. 이에 비해 실리콘 소재는 1600°C로 훨씬 낮은 온도만 필요합니다. 실리콘 카바이드 기판을 제작하는 데는 느린 결정 성장 속도와 높은 결정형 요구 조건이라는 어려움이 있습니다. 실리콘 카바이드 웨이퍼 성장에는 약 7~10일이 소요되는 반면, 실리콘 막대를 당기는 데는 2.5일밖에 걸리지 않습니다. 더욱이 실리콘 카바이드는 다이아몬드 다음으로 경도가 높은 소재입니다. 절삭, 연삭, 연마 과정에서 많은 손실이 발생하며, 생산량은 60%에 불과합니다.
실리콘 카바이드 기판의 크기가 점점 더 커지는 추세임을 알고 있습니다. 크기가 계속 커짐에 따라 직경 확장 기술에 대한 요구도 점점 더 높아지고 있습니다. 결정의 반복적인 성장을 달성하기 위해서는 다양한 기술적 제어 요소의 조합이 필요합니다.
게시 시간: 2024년 5월 22일