탄화규소의 기술적 장벽은 무엇인가?Ⅱ

안정적인 성능을 갖춘 고품질 탄화규소 웨이퍼를 안정적으로 대량 생산하는 데 있어 기술적 어려움은 다음과 같습니다.

1) 결정은 2000°C 이상의 고온 밀폐 환경에서 성장해야 하므로 온도 제어 요구 사항이 매우 높습니다.
2) 탄화규소는 200가지 이상의 결정 구조를 가지고 있지만, 반도체 재료로서 필요한 단결정 탄화규소는 몇 가지 구조에 불과하므로, 결정 성장 과정에서 속도, 공기 유량 압력 등의 실리콘-탄소 비율, 성장 온도 구배, 결정 성장 조건을 정밀하게 제어해야 합니다.
3) 기상 전송법 하에서 탄화규소 결정 성장의 직경 확장 기술은 매우 어렵습니다.
4) 탄화규소의 경도는 다이아몬드와 거의 비슷하여 절단, 연삭 및 연마 기술이 어렵습니다.

SiC 에피택셜 웨이퍼는 일반적으로 화학 기상 증착(CVD) 방식으로 제조됩니다. 도핑 종류에 따라 n형과 p형 에피택셜 웨이퍼로 구분됩니다. 국내의 한톈톈청(Hantian Tiancheng)과 둥관톈위(Dongguan Tianyu)는 이미 4인치/6인치 SiC 에피택셜 웨이퍼를 공급할 수 있습니다. SiC 에피택시 공정은 고전압 영역에서 제어가 어렵고, SiC 에피택시 품질은 SiC 소자의 성능에 큰 영향을 미칩니다. 또한, 에피택시 장비 시장은 Axitron, LPE, TEL, Nuflare 등 업계 4대 기업이 독점하고 있습니다.

탄화규소 에피택셜웨이퍼는 특정 조건을 충족하고 기판 결정과 동일한 단결정 박막(에피택셜 층)이 원래의 탄화규소 기판 위에 성장된 탄화규소 웨이퍼를 말합니다. 에피택셜 성장은 주로 CVD(화학 기상 증착) 장비 또는 MBE(분자빔 에피택시) 장비를 사용합니다. 탄화규소 소자는 에피택셜 층에서 직접 제조되기 때문에 에피택셜 층의 품질은 소자의 성능과 수율에 직접적인 영향을 미칩니다. 소자의 내전압 성능이 지속적으로 증가함에 따라 해당 에피택셜 층의 두께가 두꺼워지고 제어가 더욱 어려워집니다. 일반적으로 전압이 약 600V일 때 필요한 에피택셜 층 두께는 약 6마이크론이고, 1200~1700V일 때는 10~15마이크론에 이릅니다. 전압이 10,000V를 초과하면 100마이크론 이상의 에피택셜 층 두께가 필요할 수 있습니다. 에피택셜 층의 두께가 계속 증가함에 따라 두께 및 저항률 균일성, 결함 밀도를 제어하는 ​​것이 점점 더 어려워집니다.

SiC 소자: 전 세계적으로 600~1700V SiC SBD 및 MOSFET이 상용화되었습니다. 주력 제품은 1200V 이하의 전압에서 동작하며 주로 TO 패키징을 채택하고 있습니다. 가격 측면에서 국제 시장의 SiC 제품은 Si 제품보다 약 5~6배 높은 수준입니다. 그러나 가격은 연간 10%씩 하락하고 있습니다. 향후 2~3년 내에 원자재 및 소자 생산이 확대됨에 따라 시장 공급이 증가하여 가격이 더욱 하락할 것으로 예상됩니다. SiC 제품의 가격이 2~3배 수준에 도달하면 시스템 비용 절감 및 성능 향상이라는 이점 덕분에 SiC가 점차 Si 소자 시장을 점유하게 될 것으로 전망됩니다.
기존 패키징은 실리콘 기반 기판을 사용하지만, 3세대 반도체 소재는 완전히 새로운 설계를 요구합니다. 광대역 갭 전력 소자에 기존 실리콘 기반 패키징 구조를 사용하는 것은 주파수, 열 관리 및 신뢰성과 관련된 새로운 문제와 어려움을 야기할 수 있습니다. SiC 전력 소자는 기생 정전 용량과 인덕턴스에 더욱 민감합니다. Si 소자에 비해 SiC 전력 칩은 스위칭 속도가 더 빠르기 때문에 오버슈트, 발진, 스위칭 손실 증가, 심지어 소자 오작동으로 이어질 수 있습니다. 또한 SiC 전력 소자는 더 높은 온도에서 작동하므로 더욱 발전된 열 관리 기술이 필요합니다.

광대역 반도체 전력 모듈 패키징 분야에서는 다양한 구조가 개발되어 왔습니다. 기존의 실리콘 기반 전력 모듈 패키징은 더 이상 적합하지 않습니다. 기존 실리콘 기반 전력 모듈 패키징의 높은 기생 파라미터와 낮은 방열 효율 문제를 해결하기 위해, SiC 전력 모듈 패키징은 구조에 무선 상호 연결 및 양면 냉각 기술을 도입하고, 열전도율이 우수한 기판 소재를 사용하며, 디커플링 커패시터, 온도/전류 센서, 구동 회로 등을 모듈 구조에 통합하는 등 다양한 모듈 패키징 기술을 개발해 왔습니다. 그러나 SiC 소자 제조에는 높은 기술적 장벽과 생산 비용이라는 문제점이 존재합니다.

탄화규소 소자는 화학 기상 증착(CVD)을 통해 탄화규소 기판 위에 에피택셜 층을 증착하여 제조됩니다. 이 공정은 세척, 산화, 포토리소그래피, 에칭, 포토레지스트 제거, 이온 주입, 질화규소의 화학 기상 증착, 연마, 스퍼터링 및 후속 공정을 거쳐 탄화규소 단결정 기판 위에 소자 구조를 형성하는 과정을 포함합니다. 주요 탄화규소 전력 소자에는 탄화규소 다이오드, 탄화규소 트랜지스터 및 탄화규소 전력 모듈이 있습니다. 탄화규소 소자는 원료 생산 속도가 느리고 수율이 낮다는 등의 요인으로 인해 제조 비용이 상대적으로 높습니다.

또한, 탄화규소 소자 제조에는 몇 가지 기술적 어려움이 있습니다.

1) 탄화규소 재료의 특성에 맞는 특정한 공정을 개발해야 합니다. 예를 들어, SiC는 융점이 높아 기존의 열 확산법으로는 효과적이지 않습니다. 이온 주입 도핑법을 사용하고 온도, 가열 속도, 시간, 가스 유량 등의 매개변수를 정밀하게 제어해야 합니다. 또한 SiC는 화학 용매에 불활성이므로 건식 식각과 같은 방법을 사용해야 하며, 마스크 재료, 가스 혼합물, 측벽 경사 제어, 식각 속도, 측벽 조도 등을 최적화하고 개발해야 합니다.
2) 탄화규소 웨이퍼 상의 금속 전극 제조에는 10⁻⁵Ω² 미만의 접촉 저항이 요구됩니다. 이러한 요구 사항을 충족하는 전극 재료인 Ni와 Al은 100°C 이상에서 열 안정성이 떨어지지만, Al/Ni는 열 안정성이 더 우수합니다. /W/Au 복합 전극 재료의 접촉 비저항은 10⁻³Ω² 더 높습니다.
3) SiC는 절삭 마모가 심하고 경도가 다이아몬드 다음으로 높아 절삭, 연삭, 연마 등의 기술에 더 높은 요구 조건을 제시합니다.

또한, 트렌치형 실리콘 카바이드 전력 소자는 제조가 더 어렵습니다. 소자 구조에 따라 실리콘 카바이드 전력 소자는 크게 평면형과 트렌치형으로 나눌 수 있습니다. 평면형 실리콘 카바이드 전력 소자는 단위 균일성이 우수하고 제조 공정이 간단하지만, JFET 효과에 취약하고 기생 정전 용량과 온 저항이 높습니다. 평면형 소자와 비교했을 때, 트렌치형 실리콘 카바이드 전력 소자는 단위 균일성이 떨어지고 제조 공정이 더 복잡합니다. 그러나 트렌치 구조는 소자 밀도를 높이는 데 유리하고 JFET 효과 발생 가능성이 낮아 채널 이동도 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다. 또한, 낮은 온 저항, 낮은 기생 정전 용량, 낮은 스위칭 에너지 소비와 같은 우수한 특성을 가지고 있습니다. 이러한 장점으로 인해 비용 및 성능 측면에서 상당한 이점을 가지며, 실리콘 카바이드 전력 소자 개발의 주류 방향으로 자리 잡고 있습니다. 로옴 공식 웹사이트에 따르면, ROHM Gen3 구조(Gen1 Trench 구조)는 Gen2(Plannar2) 칩 면적의 75%에 불과하며, 동일한 칩 크기에서 온 저항이 50% 감소했습니다.

실리콘 카바이드 소자 제조 비용에서 실리콘 카바이드 기판, 에피택시, 프런트엔드, 연구 개발 비용 및 기타 비용은 각각 47%, 23%, 19%, 6%, 5%를 차지합니다.

마지막으로, 우리는 탄화규소 산업 사슬에서 기판과 관련된 기술적 장벽을 허무는 데 집중할 것입니다.

탄화규소 기판의 제조 공정은 실리콘 기반 기판의 제조 공정과 유사하지만 더 어렵습니다.
탄화규소 기판의 제조 공정은 일반적으로 원료 합성, 결정 성장, 잉곳 가공, 잉곳 절단, 웨이퍼 연삭, 연마, 세척 등의 단계를 포함합니다.
결정 성장 단계는 전체 공정의 핵심이며, 이 단계가 탄화규소 기판의 전기적 특성을 결정합니다.

탄화규소 소재는 일반적인 조건에서 액상 성장이 어렵습니다. 현재 시장에서 널리 사용되는 기상 성장법은 2300°C 이상의 고온에서 성장해야 하며, 온도 제어가 매우 정밀해야 합니다. 전체 공정을 관찰하기가 거의 불가능하며, 작은 오차라도 제품 불량으로 이어질 수 있습니다. 반면, 실리콘 소재는 1600°C의 훨씬 낮은 온도에서만 성장이 가능합니다. 탄화규소 기판 제조 또한 결정 성장 속도가 느리고 결정 형태에 대한 요구 조건이 까다롭다는 어려움이 있습니다. 탄화규소 웨이퍼 성장에는 약 7~10일이 소요되는 반면, 실리콘 로드 인발 공정은 2.5일이면 완료됩니다. 더욱이, 탄화규소는 다이아몬드 다음으로 경도가 높은 소재이기 때문에 절단, 연삭, 연마 과정에서 손실이 많이 발생하여 수율이 60%에 불과합니다.

실리콘 카바이드 기판의 크기가 점점 커지는 추세라는 것을 알고 있습니다. 크기가 계속 커짐에 따라 직경 확장 기술에 대한 요구 사항도 점점 더 높아지고 있습니다. 결정의 반복적인 성장을 달성하기 위해서는 다양한 기술 제어 요소의 조합이 필요합니다.