De tekniske vanskelighetene med stabil masseproduksjon av silisiumkarbidskiver av høy kvalitet med stabil ytelse inkluderer:
1) Siden krystaller må vokse i et forseglet miljø med høy temperatur over 2000 °C, er kravene til temperaturkontroll ekstremt høye;
2) Siden silisiumkarbid har mer enn 200 krystallstrukturer, men bare noen få strukturer av enkeltkrystall silisiumkarbid er de nødvendige halvledermaterialene, må forholdet mellom silisium og karbon, veksttemperaturgradienten og krystallveksten kontrolleres nøyaktig under krystallvekstprosessen. Parametre som hastighet og luftstrømningstrykk;
3) Under dampfaseoverføringsmetoden er diameterutvidelsesteknologien for silisiumkarbidkrystallvekst ekstremt vanskelig;
4) Silisiumkarbid har en hardhet som er nær diamant, og skjære-, slipe- og poleringsteknikker er vanskelige.
SiC epitaksiale wafere: vanligvis produsert ved kjemisk dampavsetning (CVD) metode. I henhold til forskjellige dopingtyper er de delt inn i n-type og p-type epitaksiale wafere. Innenlandske Hantian Tiancheng og Dongguan Tianyu kan allerede tilby 4-tommers/6-tommers SiC epitaksiale wafere. For SiC-epitaksi er det vanskelig å kontrollere i høyspenningsfeltet, og kvaliteten på SiC-epitaksien har større innvirkning på SiC-enheter. Dessuten er epitaksialutstyr monopolisert av de fire ledende selskapene i bransjen: Axitron, LPE, TEL og Nuflare.
Epitaksial silisiumkarbidEn wafer refererer til en silisiumkarbidwafer der en enkeltkrystallfilm (epitaksialt lag) med visse krav og de samme som substratkrystallen dyrkes på det originale silisiumkarbidsubstratet. Epitaksial vekst bruker hovedsakelig CVD-utstyr (Chemical Vapor Deposition) eller MBE-utstyr (Molecular Beam Epitaxy). Siden silisiumkarbidenheter produseres direkte i det epitaksiale laget, påvirker kvaliteten på det epitaksiale laget direkte enhetens ytelse og utbytte. Etter hvert som enhetens spenningsmotstand fortsetter å øke, blir tykkelsen på det tilsvarende epitaksiale laget tykkere og kontrollen blir vanskeligere. Generelt, når spenningen er rundt 600 V, er den nødvendige epitaksiale lagtykkelsen omtrent 6 mikron; når spenningen er mellom 1200-1700 V, når den nødvendige epitaksiale lagtykkelsen 10-15 mikron. Hvis spenningen når mer enn 10 000 volt, kan det være nødvendig med en epitaksial lagtykkelse på mer enn 100 mikron. Etter hvert som tykkelsen på det epitaksiale laget fortsetter å øke, blir det stadig vanskeligere å kontrollere tykkelse og resistivitetsjevnhet og defekttetthet.
SiC-enheter: Internasjonalt har 600~1700V SiC SBD og MOSFET blitt industrialisert. De vanlige produktene opererer på spenningsnivåer under 1200V og bruker hovedsakelig TO-pakker. Prismessig er SiC-produkter på det internasjonale markedet priset rundt 5–6 ganger høyere enn sine Si-motparter. Prisene synker imidlertid med en årlig rate på 10 %. Med utvidelsen av oppstrøms materialer og enhetsproduksjon de neste 2–3 årene vil markedstilbudet øke, noe som fører til ytterligere prisreduksjoner. Det forventes at når prisen når 2–3 ganger prisen for Si-produkter, vil fordelene med reduserte systemkostnader og forbedret ytelse gradvis føre til at SiC okkuperer markedsplassen for Si-enheter.
Tradisjonell pakking er basert på silisiumbaserte substrater, mens tredjegenerasjons halvledermaterialer krever en helt ny design. Bruk av tradisjonelle silisiumbaserte pakkingsstrukturer for kraftenheter med bredt båndgap kan introdusere nye problemer og utfordringer knyttet til frekvens, termisk styring og pålitelighet. SiC-kraftenheter er mer følsomme for parasittisk kapasitans og induktans. Sammenlignet med Si-enheter har SiC-kraftbrikker raskere svitsjehastigheter, noe som kan føre til oversving, oscillasjon, økte svitsjetap og til og med enhetsfeil. I tillegg opererer SiC-kraftenheter ved høyere temperaturer, noe som krever mer avanserte termiske styringsteknikker.
En rekke forskjellige strukturer har blitt utviklet innen feltet kraftpakker for halvledere med bredt båndgap. Tradisjonell Si-basert kraftmodulpakkering er ikke lenger egnet. For å løse problemene med høye parasittiske parametere og dårlig varmespredningseffektivitet i tradisjonell Si-basert kraftmodulpakkering, bruker SiC-kraftmodulpakkering trådløs sammenkobling og dobbeltsidig kjøleteknologi i strukturen, og bruker også substratmaterialer med bedre varmeledningsevne, og har forsøkt å integrere avkoblingskondensatorer, temperatur-/strømsensorer og drivkretser i modulstrukturen, og har utviklet en rekke forskjellige modulpakketeknologier. Dessuten er det høye tekniske barrierer for produksjon av SiC-enheter, og produksjonskostnadene er høye.
Silisiumkarbid-enheter produseres ved å avsette epitaksiale lag på et silisiumkarbidsubstrat gjennom CVD. Prosessen involverer rengjøring, oksidasjon, fotolitografi, etsning, stripping av fotoresist, ionimplantasjon, kjemisk dampavsetning av silisiumnitrid, polering, sputtering og påfølgende prosesseringstrinn for å danne enhetsstrukturen på SiC-enkrystallsubstratet. Hovedtyper av SiC-kraftenheter inkluderer SiC-dioder, SiC-transistorer og SiC-kraftmoduler. På grunn av faktorer som langsom oppstrøms materialproduksjonshastighet og lav utbytte, har silisiumkarbid-enheter relativt høye produksjonskostnader.
I tillegg har produksjon av silisiumkarbidenheter visse tekniske vanskeligheter:
1) Det er nødvendig å utvikle en spesifikk prosess som er i samsvar med egenskapene til silisiumkarbidmaterialer. For eksempel: SiC har et høyt smeltepunkt, noe som gjør tradisjonell termisk diffusjon ineffektiv. Det er nødvendig å bruke ionimplantasjonsdopingmetoden og nøyaktig kontrollere parametere som temperatur, oppvarmingshastighet, varighet og gasstrøm; SiC er inert mot kjemiske løsemidler. Metoder som tørretsing bør brukes, og maskematerialer, gassblandinger, kontroll av sidevegghelling, etsehastighet, sideveggruvhet osv. bør optimaliseres og utvikles;
2) Produksjon av metallelektroder på silisiumkarbidskiver krever kontaktmotstand under 10⁻⁶Ω². Elektrodematerialene som oppfyller kravene, Ni og Al, har dårlig termisk stabilitet over 100 °C, men Al/Ni har bedre termisk stabilitet. Den kontaktspesifikke motstanden til /W/Au-komposittelektrodemateriale er 10⁻⁶Ω² høyere;
3) SiC har høy skjæreslitasje, og hardheten til SiC er nest etter diamant, noe som stiller høyere krav til skjæring, sliping, polering og andre teknologier.
Dessuten er silisiumkarbid-kraftenheter i trench-form vanskeligere å produsere. I henhold til ulike enhetsstrukturer kan silisiumkarbid-kraftenheter hovedsakelig deles inn i plane enheter og trench-enheter. Plane silisiumkarbid-kraftenheter har god enhetskonsistens og enkel produksjonsprosess, men er utsatt for JFET-effekt og har høy parasittisk kapasitans og på-tilstandsmotstand. Sammenlignet med plane enheter har silisiumkarbid-kraftenheter i trench-form lavere enhetskonsistens og en mer kompleks produksjonsprosess. Trench-strukturen bidrar imidlertid til å øke enhetstettheten og er mindre sannsynlig å produsere JFET-effekt, noe som er gunstig for å løse problemet med kanalmobilitet. Den har utmerkede egenskaper som liten på-motstand, liten parasittisk kapasitans og lavt forbruk av svitsjeenergi. Den har betydelige kostnads- og ytelsesfordeler og har blitt den vanlige retningen for utvikling av silisiumkarbid-kraftenheter. Ifølge Rohms offisielle nettsted er ROHM Gen3-strukturen (Gen1 Trench-struktur) bare 75 % av Gen2 (Plannar2)-brikkearealet, og ROHM Gen3-strukturens motstand mot påslag er redusert med 50 % under samme brikkestørrelse.
Silisiumkarbidsubstrat, epitaksi, front-end, FoU-kostnader og annet står for henholdsvis 47 %, 23 %, 19 %, 6 % og 5 % av produksjonskostnadene for silisiumkarbidenheter.
Til slutt vil vi fokusere på å bryte ned de tekniske barrierene for substrater i silisiumkarbidindustrikjeden.
Produksjonsprosessen for silisiumkarbidsubstrater er lik den for silisiumbaserte substrater, men vanskeligere.
Produksjonsprosessen for silisiumkarbidsubstrat inkluderer vanligvis råmaterialesyntese, krystallvekst, ingotbehandling, ingotskjæring, wafersliping, polering, rengjøring og andre koblinger.
Krystallvekststadiet er kjernen i hele prosessen, og dette trinnet bestemmer de elektriske egenskapene til silisiumkarbidsubstratet.
Silisiumkarbidmaterialer er vanskelige å dyrke i flytende fase under normale forhold. Dampfasevekstmetoden som er populær på markedet i dag, har en veksttemperatur over 2300 °C og krever presis kontroll av veksttemperaturen. Hele operasjonsprosessen er nesten vanskelig å observere. En liten feil vil føre til produktskraping. Til sammenligning krever silisiummaterialer bare 1600 ℃, som er mye lavere. Forberedelse av silisiumkarbidsubstrater møter også vanskeligheter som langsom krystallvekst og høye krav til krystallform. Vekst av silisiumkarbidwafer tar omtrent 7 til 10 dager, mens trekking av silisiumstænger bare tar 2 og en halv dag. Dessuten er silisiumkarbid et materiale hvis hardhet er nest etter diamant. Det vil miste mye under skjæring, sliping og polering, og produksjonsforholdet er bare 60 %.
Vi vet at trenden er å øke størrelsen på silisiumkarbidsubstrater, og etter hvert som størrelsen fortsetter å øke, blir kravene til diameterutvidelsesteknologi stadig høyere. Det krever en kombinasjon av ulike tekniske kontrollelementer for å oppnå iterativ krystallvekst.
Publiseringstid: 22. mai 2024