К техническим трудностям, связанным со стабильным массовым производством высококачественных кремниевых карбидных пластин со стабильными характеристиками, относятся:
1) Поскольку выращивание кристаллов необходимо в герметичной среде при высокой температуре выше 2000 °C, требования к контролю температуры чрезвычайно высоки;
2) Поскольку карбид кремния имеет более 200 кристаллических структур, но лишь немногие структуры монокристаллического карбида кремния являются необходимыми полупроводниковыми материалами, соотношение кремния и углерода, градиент температуры роста и сам процесс роста кристаллов должны точно контролироваться. К таким параметрам относятся скорость и давление воздушного потока;
3) При использовании метода парофазного переноса технология расширения диаметра кристаллов карбида кремния крайне сложна;
4) Твердость карбида кремния близка к твердости алмаза, поэтому методы резки, шлифовки и полировки с его использованием затруднительны.
Эпитаксиальные пластины SiC: обычно изготавливаются методом химического осаждения из газовой фазы (CVD). В зависимости от типа легирования они делятся на n-типовые и p-типовые эпитаксиальные пластины. Отечественные компании Hantian Tiancheng и Dongguan Tianyu уже могут поставлять 4-дюймовые/6-дюймовые эпитаксиальные пластины SiC. Эпитаксия SiC сложна в контроле в высоковольтном поле, и качество эпитаксии SiC оказывает значительное влияние на работу SiC-устройств. Кроме того, оборудование для эпитаксии монополизировано четырьмя ведущими компаниями отрасли: Axitron, LPE, TEL и Nuflare.
Эпитаксиальный карбид кремнияПод эпитаксиальной пластиной понимается пластина из карбида кремния, на которой на исходной подложке из карбида кремния выращивается монокристаллическая пленка (эпитаксиальный слой) с определенными требованиями, идентичными кристаллу подложки. Эпитаксиальное выращивание в основном осуществляется с использованием оборудования CVD (химическое осаждение из паровой фазы) или оборудования MBE (молекулярно-лучевая эпитаксия). Поскольку устройства на основе карбида кремния изготавливаются непосредственно в эпитаксиальном слое, качество эпитаксиального слоя напрямую влияет на производительность и выход годных изделий. По мере увеличения напряжения, выдерживаемого устройством, толщина соответствующего эпитаксиального слоя увеличивается, и контроль становится все сложнее. Как правило, при напряжении около 600 В требуемая толщина эпитаксиального слоя составляет около 6 микрон; при напряжении от 1200 до 1700 В требуемая толщина эпитаксиального слоя достигает 10-15 микрон. Если напряжение превышает 10 000 вольт, может потребоваться толщина эпитаксиального слоя более 100 микрон. По мере увеличения толщины эпитаксиального слоя становится все сложнее контролировать однородность толщины, удельного сопротивления и плотности дефектов.
Устройства на основе SiC: На международном рынке внедрены в промышленность SiC SBD и MOSFET с напряжением 600–1700 В. Основные продукты работают при напряжении ниже 1200 В и преимущественно используют TO-корпус. Что касается цен, то на международном рынке SiC-продукты стоят примерно в 5–6 раз дороже, чем их Si-аналоги. Однако цены снижаются на 10% в год. С расширением производства исходных материалов и устройств в ближайшие 2–3 года рыночное предложение увеличится, что приведет к дальнейшему снижению цен. Ожидается, что когда цена достигнет 2–3 раз выше, чем у Si-продуктов, преимущества, обеспечиваемые снижением системных затрат и улучшением характеристик, постепенно вытеснят SiC с рынка Si-устройств.
Традиционная упаковка основана на кремниевых подложках, в то время как полупроводниковые материалы третьего поколения требуют совершенно новой конструкции. Использование традиционных кремниевых структур упаковки для силовых устройств с широкой запрещенной зоной может создавать новые проблемы и сложности, связанные с частотой, тепловым режимом и надежностью. Силовые устройства на основе SiC более чувствительны к паразитной емкости и индуктивности. По сравнению с кремниевыми устройствами, силовые чипы на основе SiC имеют более высокую скорость переключения, что может привести к перерегулированию, колебаниям, увеличению потерь при переключении и даже к сбоям в работе устройства. Кроме того, силовые устройства на основе SiC работают при более высоких температурах, что требует более совершенных методов теплового режима.
В области силовой упаковки широкозонных полупроводниковых элементов разработано множество различных структур. Традиционная упаковка силовых модулей на основе кремния больше не подходит. Для решения проблем высоких паразитных параметров и низкой эффективности теплоотвода, характерных для традиционной упаковки силовых модулей на основе кремния, в конструкции силовых модулей на основе карбида кремния (SiC) используются беспроводные межсоединения и технология двухстороннего охлаждения, а также материалы подложки с лучшей теплопроводностью. Были предприняты попытки интегрировать в структуру модуля развязывающие конденсаторы, датчики температуры/тока и схемы управления, и разработаны различные технологии упаковки модулей. Однако существуют высокие технические барьеры для производства устройств на основе SiC, и себестоимость производства высока.
Устройства на основе карбида кремния изготавливаются путем осаждения эпитаксиальных слоев на подложку из карбида кремния методом химического осаждения из газовой фазы (CVD). Процесс включает в себя очистку, окисление, фотолитографию, травление, удаление фоторезиста, ионную имплантацию, химическое осаждение из газовой фазы нитрида кремния, полировку, распыление и последующие этапы обработки для формирования структуры устройства на монокристаллической подложке SiC. Основные типы силовых устройств на основе SiC включают диоды SiC, транзисторы SiC и силовые модули SiC. Из-за таких факторов, как низкая скорость производства исходных материалов и низкий выход годной продукции, устройства на основе карбида кремния имеют относительно высокую себестоимость производства.
Кроме того, производство устройств на основе карбида кремния сопряжено с определенными техническими трудностями:
1) Необходимо разработать специфический процесс, соответствующий характеристикам материалов из карбида кремния. Например: SiC имеет высокую температуру плавления, что делает традиционную термическую диффузию неэффективной. Необходимо использовать метод легирования ионной имплантацией и точно контролировать такие параметры, как температура, скорость нагрева, продолжительность и поток газа; SiC инертен к химическим растворителям. Следует использовать такие методы, как сухое травление, а также оптимизировать и разработать материалы маски, газовые смеси, контролировать наклон боковых стенок, скорость травления, шероховатость боковых стенок и т. д.
2) Для изготовления металлических электродов на подложках из карбида кремния требуется контактное сопротивление ниже 10⁻⁵ Ом². Электродные материалы, отвечающие этим требованиям, Ni и Al, обладают низкой термической стабильностью выше 100 °C, тогда как Al/Ni имеет лучшую термическую стабильность. Контактное удельное сопротивление композитного электродного материала /W/Au на 10⁻³ Ом² выше;
3) Карбид кремния обладает высокой износостойкостью при резке, а его твердость уступает только твердости алмаза, что предъявляет более высокие требования к технологиям резки, шлифовки, полировки и другим процессам.
Кроме того, силовые устройства на основе карбида кремния с траншейной структурой сложнее в изготовлении. В зависимости от структуры, силовые устройства на основе карбида кремния можно разделить на планарные и траншейные. Планарные силовые устройства на основе карбида кремния обладают хорошей однородностью элементов и простым процессом изготовления, но подвержены эффекту JFET и имеют высокую паразитную емкость и сопротивление в открытом состоянии. По сравнению с планарными устройствами, траншейные силовые устройства на основе карбида кремния имеют более низкую однородность элементов и более сложный процесс изготовления. Однако траншейная структура способствует увеличению плотности элементов устройства и снижает вероятность возникновения эффекта JFET, что помогает решить проблему подвижности носителей заряда в канале. Она обладает превосходными свойствами, такими как малое сопротивление в открытом состоянии, малая паразитная емкость и низкое энергопотребление при переключении. Она имеет значительные преимущества в стоимости и производительности и стала основным направлением развития силовых устройств на основе карбида кремния. Согласно официальному сайту Rohm, структура ROHM Gen3 (структура Gen1 Trench) составляет всего 75% от площади чипа Gen2 (Plannar2), а сопротивление в открытом состоянии структуры ROHM Gen3 снижено на 50% при том же размере чипа.
Затраты на подложку из карбида кремния, эпитаксию, разработку на начальном этапе, НИОКР и прочие расходы составляют 47%, 23%, 19%, 6% и 5% от себестоимости производства устройств на основе карбида кремния соответственно.
Наконец, мы сосредоточимся на преодолении технических барьеров, связанных с подложками в производственной цепочке карбида кремния.
Процесс производства подложек из карбида кремния аналогичен процессу производства подложек на основе кремния, но более сложен.
Технологический процесс производства подложек из карбида кремния обычно включает синтез сырья, выращивание кристаллов, обработку слитков, резку слитков, шлифовку пластин, полировку, очистку и другие этапы.
Этап выращивания кристаллов является ядром всего процесса, и именно на этом этапе определяются электрические свойства подложки из карбида кремния.
Выращивание материалов из карбида кремния в жидкой фазе в обычных условиях представляет собой сложную задачу. Популярный сегодня на рынке метод выращивания в паровой фазе требует температуры роста выше 2300 °C и точного контроля температуры. Весь процесс практически невозможно наблюдать. Незначительная ошибка приведет к браку продукции. В сравнении с этим, для кремниевых материалов требуется всего 1600 °C, что значительно ниже. Подготовка подложек из карбида кремния также сопряжена с трудностями, такими как медленный рост кристаллов и высокие требования к кристаллической форме. Выращивание кремниевых пластин занимает от 7 до 10 дней, в то время как вытягивание кремниевых стержней занимает всего 2,5 дня. Кроме того, карбид кремния — материал, твердость которого уступает только алмазу. Он сильно теряет в процессе резки, шлифовки и полировки, а выход готовой продукции составляет всего 60%.
Известно, что тенденция заключается в увеличении размеров подложек из карбида кремния, и по мере дальнейшего увеличения размеров требования к технологии расширения диаметра становятся все выше. Это требует сочетания различных элементов технического контроля для достижения итеративного роста кристаллов.
Дата публикации: 22 мая 2024 г.