Zukünftige Leistungselektronik Herausforderungen bei der SiC-Fertigung überwinden

Anbieter zum Thema

onsemi

ROHM Semiconductor GmbH

ISH Ingenieursozietät GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Seit Jahrzehnten bildet Silizium (Si) das Rückgrat der Halbleitertechnologie – von Mikroprozessoren bis hin zur Leistungselektronik. Doch mit wachsendem technischem Anspruch stoßen die Eigenschaften des Materials zunehmend an ihre physikalischen Grenzen.

Auf der Suche nach Lösungen kommen Materialien mit breiter Bandlücke (Wide Bandgap, WBG), darunter Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), zunehmend zum Einsatz. Die Bandlücke beschreibt den Energieunterschied zwischen dem oberen Ende des Valenzbandes und dem unteren Ende des Leitungsbandes. Silizium (Si) hat eine relativ schmale Bandlücke von 1,1 Elektronenvolt (eV), während SiC und GaN 3,3 bzw. 3,4 eV aufweisen. Diese Eigenschaften bedeuten, dass sich WBG-Materialien eher wie Isolatoren verhalten und bei höheren Spannungen, Frequenzen und Temperaturen arbeiten können. Daher eignen sie sich für Anwendungen zur Stromwandlung wie Elektrofahrzeuge und erneuerbare Energien.

Siliziumkarbid (SiC)

SiC ist nicht neu und wird bereits seit mehr als einem Jahrhundert als Schleifmittel hergestellt. Das Material hat aufgrund seiner attraktiven Eigenschaften jedoch noch weitere Vorteile: es eignet sich für Hochleistungsanwendungen mit hoher Spannung. Physikalische Eigenschaften wie hohe Wärmeleitfähigkeit, eine hohe Driftgeschwindigkeit und eine hohe Durchbruchfeldstärke verleihen SiC-Designs sehr niedrige Verluste, schnellere Schaltgeschwindigkeiten und kleinere Geometrien als Si-MOSFETs oder IGBTs. Viele in der Branche sehen in SiC einen Wettbewerbsvorteil, da sich die Effizienz steigern und gleichzeitig Größe, Gewicht und Kosten reduzieren lassen. Da SiC-Systeme bei höheren Frequenzen arbeiten, sind die passiven Bauelemente kleiner, und da die Verluste geringer sind, sind weniger thermische Schutzmaßnahmen erforderlich. Dies führt zu den gewünschten höheren Leistungsdichten, die viele moderne Anwendungen fordern.

Neben der Materialwahl tragen auch neue Chip-/Die-Befestigungstechniken in SiC-Leistungsbauelementen dazu bei, die Wärme aus den Bauelementen abzuführen. Techniken wie Sintern schaffen eine feste Verbindung zwischen dem Chip und dem Substrat und gewährleisten eine zuverlässige Verbindung. Dies verbessert die Effizienz der Wärmeübertragung und das Wärmeverhalten. SiC wird im Allgemeinen für hohe Spannungen (>650 V) verwendet, obwohl es bei 1.200 V und mehr seine Stärken ausspielt und die beste Lösung für PV-Wechselrichter und das Laden von Elektrofahrzeugen darstellt. Das Material ist auch ein wichtiger Wegbereiter für halbleiterbasierte (Solid-State-)Transformatoren, bei denen Halbleiter die Magnete ersetzen.

Herausforderungen bei der Herstellung

Die Herstellung von SiC ist nicht einfach, da das Granulat sehr rein sein muss und SiC-Boules (Halbleiterrohling) ein hohes Maß an Konsistenz erfordern. Da SiC-Material niemals flüssig sein kann, können Kristalle nicht aus einer Schmelze wachsen und erfordern daher einen sorgfältig kontrollierten Druck in einem Dampfphasenverfahren, das als Sublimation bekannt ist. Dazu wird SiC-Pulver in einen Ofen gegeben und auf über 2.200 °C erhitzt, wobei es sublimiert und an einem Keim kristallisiert. Dennoch sind die Wachstumsraten langsam – bis zu 0,5 mm pro Stunde. Aufgrund der extremen Härte von SiC ist es selbst mit einer Diamantsäge schwer zu schneiden, was die Herstellung von Wafern schwieriger macht als bei Silizium. Zwar können auch andere Techniken eingesetzt werden, diese können jedoch Defekte in die Kristalle einbringen.

Da SiC ein sehr defektes Material ist und die Dotierung eine Herausforderung darstellt, ist es nicht einfach, größere Wafer mit wenigen Defekten herzustellen. Dennoch stellen Unternehmen wie Onsemi jetzt routinemäßig 8-Zoll-Substrate her.

Unterstützende Forschung

Onsemi ist sich der Bedeutung der Wissenschaft für die Entwicklung der Halbleitertechnologie bewusst. Rund um SiC laufen Forschungsarbeiten wie:

• Widerstandsfähigkeit gegenüber kosmischer Strahlung

• Modellierung der intrinsischen Lebensdauer des Gate-Oxids

• Charakterisierung der SiC/SiO2-Grenzfläche und Modellierung der Lebensdauer

• Extrinsische Population (Screening)

• Epitaxie und Substratdefekte

• Degradierung der Body-Diode

• Zuverlässigkeit beim Blockieren hoher Spannungen (HTRB)

• Spezifische Leistungskennzahlen für Edge Termination, Avalanche-Robustheit und Kurzschluss

• Design für hohe dv/dt-Robustheit

• Stoßströme

Darüber hinaus investierte Onsemi 8 Mio. US-$ in eine Kooperation mit dem Onsemi Silicon Carbide Crystal Center (SiC3) an der Pennsylvania State University (PSU). Ziel dieser Zusammenarbeit ist es, die Entwicklung von Siliziumkarbid-Technologien weiter voranzubringen. Zusätzlich kooperiert Onsemi mit mindestens sechs weiteren Bildungseinrichtungen in Europa, um Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet auszubauen.

Der Fertigungsvorteil

Onsemi besitzt eine vollständig integrierte Lieferkette für SiC-Bauelemente, die eine vollständige Kontrolle über alle Aspekte des Prozesses und der damit verbundenen Qualität ermöglicht – vom Rohling bis zum Kunden. Der Prozess beginnt in New Hampshire mit dem Züchten von einkristallinem SiC-Material, dem dann eine dünne Epitaxie-Schicht hinzugefügt wird. Anschließend werden mehrere Verarbeitungsschritte für den Chip (Die) und die Verpackung durchgeführt. Der durchgehende Prozess in der Onsemi-Fab ermöglicht umfassende Tests und unterstützt die Ursachenanalyse. Das Ziel sind hochzuverlässige Produkte ohne Mängel.

Durch Transparenz und Kontrolle über jeden einzelnen Schritt lässt sich die Kapazität einfach an die wachsende Nachfrage anpassen. Zudem kann der Prozess optimiert werden, um den Ertrag zu maximieren und die Kosten zu kontrollieren. McKinsey & Company erkannte den Vorteil einer vertikal integrierten Lieferkette und bestätigte, dass „die vertikale Integration in der SiC-Wafer- und Bauelemente-Herstellung die Ausbeute um 5 bis 10 % verbessern kann“.

Fünf Schritte zum Erfolg

Um die SiC-spezifischen Herausforderungen zu bewältigen, wendet Onsemi eine fünfstufige Methodik an. So lassen sich Probleme wie Substrat- und Epitaxiedefekte, Verschlechterung der Body-Diode, Zuverlässigkeit bei der Blockierung hoher Spannungen und anwendungsbezogene Leistungsfähigkeit lösen. Die Gate-Oxid-Integrität (GOI) ist bei diesem Prozess entscheidend und ein Bereich, in dem der fünfstufige Ansatz angewendet wird:

• 1. Kontrolle – Instrumente wie ein Kontrollplan, statistische Prozesskontrolle und eine Fehleranalyse (FMEA; Failure Mode and Effects Analysis) werden eingesetzt, Daten werden gesammelt und zur Prozessverbesserung genutzt.

• 2. Verbesserung – Defekte im Substrat oder in der Epitaxieschicht sowie metallische Verunreinigungen und Partikel können die GOI beeinträchtigen. Durch kontinuierliche Verbesserung wird das Auftreten solcher Defekte verringert.

• 3. Test und Screening – Visuelle und elektrische Prüfungen identifizieren fehlerhafte Chips. Substrate werden gescannt und das Scannen wird während der Waferverarbeitung fortgesetzt, um Defekte in jeder Phase zu erkennen. Elektrische Tests werden auf Waferebene durchgeführt, einschließlich Burn-in und Wafersortierung.

• 4. Charakterisieren – QBD-Tests (Charge to Failure) werden zur Messung der GOI-Qualität verwendet, da mehr Details erkennbar sind. Die Tests haben gezeigt, dass SiC bei der intrinsischen QBD-Leistung 50-mal besser ist als Silizium. QBD-Tests werden in der Produktion durchgeführt, und Wafer werden zurückgewiesen, wenn sie ein vordefiniertes Akzeptanzkriterium nicht erfüllen.

• 5. Modelle qualifizieren und extrahieren – Die intrinsische Leistungsfähigkeit des Gate-Oxids wird mittels zeitabhängiger dielektrischer Durchbruchbelastung (TDDB) bewertet. Gate-Vorspannung und Temperatur werden kombiniert, um die SiC-MOSFETs zu belasten, und die Zeiten bis zum Ausfall werden aufgezeichnet. Die statistischen Weibull-Verteilungen werden dann verwendet, um die Lebensdauer zu extrahieren.

Der SiC-Unterschied

Onsemi ist sich der entscheidenden Rolle von SiC für die Zukunft der Leistungselektronik bewusst – insbesondere bei der Leistungswandlung in den Bereichen E-Fahrzeuge und erneuerbare Energien. Dieses Verständnis treibt die Investitionen in Fertigungskapazitäten und Produktneuerungen voran, um sicherzustellen, dass SiC sein volles Potenzial so schnell wie möglich erreicht.

Als vertikal integrierter Zulieferer befindet sich der gesamte Prozess unter einem Dach und in unserer Hand – etwas, das niemand sonst behaupten kann. Dies kontrolliert die Kosten und gewährleistet fehlerfreie Produkte für Fahrzeughersteller und Industriekunden.  (mr)

* Catherine De Keukeleire ist Director Reliability & Quality Assurance, Wide Bandgap bei onsemi

(ID:50405405)