Kürzlich gab ein Siliziumkarbid-Unternehmen in einer Online-Veranstaltung bekannt, dass der Preis für 6-Zoll-Siliziumkarbid-Wafer bei 20,000 bis 30,000 Yuan pro Stück liegt. Aus diesen Wafern lassen sich 350 bis 700 SiC-MOSFETs in Automobilqualität herstellen. Derzeit sind Siliziumkarbid-Bauelemente etwa vier- bis fünfmal so teuer wie Silizium-Bauelemente. Einige Organisationen prognostizieren, dass der Preis für Siliziumkarbid-Bauelemente bis 2025 auf etwa das 1.5-Fache des Silizium-Preises sinken wird. Doch wie kann dieses Ziel erreicht werden?

„Dreieinhalb Generationen der Windrichtung“ – so lautete die Erkenntnis, die die North Carolina State University (NCSU) vor nicht allzu langer Zeit über die neuesten Fortschritte in der Siliziumkarbid-Technologie verkündete. Das Ziel war zufällig …Den Preis für Siliziumkarbid auf nur noch das 1.5-fache des Preises für Siliziumwafer senkenBerichten zufolge kann diese Technologie Unternehmen den Einstieg in die Siliziumkarbid-Branche erleichtern und letztendlich die gemeinsame Nutzung von Foundry- und Prozessressourcen ermöglichen. Dadurch entfällt der Aufwand für die Entwicklung eigener Technologien und Prozesse. Darüber hinaus lässt sich diese Technologie in herkömmlichen Foundries umsetzen, und großformatige Siliziumkarbid-Wafer werden bereits in Serie gefertigt. Zu den bereits erhältlichen Produkten gehören 1.2-kV-JBS-Transistoren, Leistungs-MOSFETs und JBSFETs.Die Rendite beträgt bis zu 90 %..

Der Hauptentwickler der Technologie, der auch der Erfinder des IGBT ist, sagte, dass diese Technologien, wenn sie erfolgreich sind, eines Tages den IGBT ersetzen könnten.

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Gemeinsame Prozesse, größere Wafer

Ziel: Nur das 1.5-fache der Kosten von Siliziumbauteilen.

Die aktuellen Kosten für SiC-Bauelemente sind etwa fünfmal so hoch wie die von Silizium-Leistungsbauelementen. Jay Baliga, angesehener Professor an der NCSU, erklärte: „Unser Ziel ist es, die Kosten für SiC auf das 1.5-Fache der Kosten für Silizium-Leistungsbauelemente zu senken.“ Er ist überzeugt, dass die im Vergleich zu Si-IGBTs höheren Herstellungskosten ein Hindernis für die breite Markteinführung darstellen. Ein wesentlicher Grund für die anhaltend hohen Kosten ist, dass die Unternehmen, die SiC-Leistungsbauelemente entwickelt haben, exklusiven Zugang zum Herstellungsprozess besitzen, was anderen Unternehmen den Markteintritt erschwert. Die Produktionskapazitäten können nicht erweitert und die Kosten nicht gesenkt werden. Aus diesem Grund hat die NCSU mit dem PRESiCE™-Verfahren eine gemeinsame Technologie entwickelt, um den Markteintritt in den Siliziumkarbid-Bereich zu erleichtern und Innovationen zu fördern. Baliga erklärte: „PRESiCE™ wird mehr Unternehmen zum Einstieg in den SiC-Markt bewegen, da sie ihre Design- und Fertigungsprozesse nicht von Grund auf selbst entwickeln müssen, was sehr kostspielig und zeitaufwendig ist. Das ist vorteilhaft für Unternehmen und Anwender. Wenn mehr Unternehmen in die Fertigung von SiC-Leistungshalbleitern einsteigen, erhöht sich die Auslastung der Foundries, was die Kosten deutlich senken kann.“ Berichten zufolge wurde diese Technologie im Januar 2015 entwickelt und vom US-Energieministerium (PowerAmerica) gefördert. 2016 beteiligten sich 18 Unternehmen an der Forschung und Entwicklung, und mittlerweile befindet sie sich in der dritten Generation. „Seit 2015 haben viele Unternehmen ihre zuvor entwickelten, proprietären Fertigungsprozesse für SiC-Leistungshalbleiter in die X-Fab-Foundry in Texas, USA, verlagert.“ Eine weitere Möglichkeit besteht darin, bestehende, etablierte Silizium-Foundries zu nutzen, um die Kosten durch großvolumige Wafer mit hoher Kapazität zu senken. Baliga sagte, dass die meisten Prozessschritte (bis zu 80 %) von SiC-Leistungs-MOSFETs in Silizium-Foundries durchgeführt werden können. Es bedarf lediglich einer Modernisierung der Hochtemperaturanlagen, beispielsweise für die Gate-Oxidation und die Ionenimplantations-Ausheilung, die für Siliziumkarbid-Materialien erforderlich sind. Durch unabhängige Auftragsfertiger wie X-Fab werden mehr Unternehmen Siliziumkarbid produzieren, und die Kosten werden sinken. Seit 2015 wurde PRESiCE kontinuierlich verbessert. Durch den Einsatz eigener Anlagen zur gleichmäßigeren Durchführung der thermischen Ionenimplantation konnte die dritte Generation der in einer 6-Zoll-Wafer-Foundry gefertigten SiC-Leistungsbauelemente von PRESiCE erfolgreich auf den Markt gebracht werden. Die Abbildung unten zeigt mit der PRESiCE-Technologie hergestellte JBS-Dioden, Leistungs-MOSFETs und JBSFETs mit hoher Ausbeute und einer Nennspannung von 1.2 kV.

Abbildung 1. Drei Arten von SiC-Leistungsbauelementen, die mit der PRESiCE-Technologie der dritten Generation hergestellt wurden.

Berichten zufolge ist eines der Hauptmerkmale der PRESiCE™-Technologie die Verwendung von 10 Maskenprozessen. Siehe Abbildung unten↓↓↓↓

Abbildung 2. Prozessablauf der PRESiCE-Technologie zur Herstellung von SiC-Leistungs-MOSFETs.

Ergebnisse der Prozessidentifizierung:

Die Rendite übersteigt 90 %

Um die Leistungsfähigkeit der PRESiCE™-Prozesstechnologie der dritten Generation zu ermitteln, fertigte die Foundry X-Fab drei Produktchargen nacheinander unter Verwendung identischer Prozessschritte. Die Messdaten zeigen, dass die Ausbeute der mit der PRESiCE™-Technologie der dritten Generation hergestellten JBS-Gleichrichter über 90 % liegt und der Leckstrom der JBS-Dioden deutlich unter dem Industriestandard von 100 µA liegt. Der Durchlassspannungsabfall der JBS-Dioden beträgt etwa 2 V. Ähnlich wie Silizium-basierte IGBTs und SiC-Leistungs-MOSFETs eignen sie sich für den Einsatz als antiparallele Dioden. Die Messdaten der mit PRESiCE™ hergestellten Siliziumkarbid-Leistungs-MOSFETs zeigen, dass der maximale Durchlasswiderstand von 90 % der Bauelemente weniger als das 1.3-Fache des typischen Wertes beträgt, die Ausbeute über 90 % liegt und ihre Schwellenspannung innerhalb von ± 30 % der Datenblattvorgaben liegt.

Abbildung 3. Gemessener Leckstrom des SiC JBS-Gleichrichters bei einer Sperrspannung von 1000 V: Variationen innerhalb eines Wafers und innerhalb einer Charge von Wafer zu Wafer.

Abbildung 4. Gemessener Leckstrom des SiC JBS-Gleichrichters bei 1000 V Sperrspannung: Chargenabhängige Schwankungen des Leckstroms.

Abbildung 5. SiC-Leistungs-JBSFET, hergestellt mit der Gen-3 PRESiCETM-Technologie: Chargenabhängige Schwankungen des Leckstroms.

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