最近、ある炭化ケイ素企業がオンラインイベントで、6インチ炭化ケイ素ウェハーの価格は1枚あたり2万～3万元で、350～700個の車載グレードSiC MOSFETを製造できると明らかにした。現在の炭化ケイ素デバイスの価格はシリコンデバイスの約4～5倍である。一部の組織は、2025年には炭化ケイ素デバイスの価格がシリコンデバイスの約1.5倍まで下がると予測しているが、それはどのように実現できるのだろうか？

「風向の3.5世代」では、ノースカロライナ州立大学（NCSU）が最近、炭化ケイ素技術の最新の進歩を発表し、その目標は炭化ケイ素の価格をシリコンウェハーの1.5倍にまで引き下げる報道によると、この技術は企業が炭化ケイ素分野に参入する際のハードルを下げ、最終的にはファウンドリ共有とプロセス共有を実現し、独自の技術プロセス開発に時間と資金を費やす必要性を排除するのに役立つという。さらに、この技術は従来のファウンドリで製造可能であり、大型炭化ケイ素ウェハ製品が既に量産されている。既に市場に出回っている製品には、1.2kV JBS、パワーMOSFET、JBSFETなどがある。利回りは90％にも達する。

この技術の主要発明者であり、IGBTの発明者でもある人物は、これらの技術が成功すれば、いずれIGBTに取って代わる可能性があると述べた。

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共通プロセス、大型ウェハー

目標：シリコンデバイスの1.5倍のコストに抑える

SiCデバイスの現在のコストは、シリコンパワーデバイスの約5倍です。ノースカロライナ州立大学のジェイ・バリガ特別教授は、「私たちの目標は、SiCのコストをシリコンパワーデバイスの1.5倍にまで削減することです」と述べています。同教授は、Si IGBTと比較して、製造コストが高いことが大規模な市場導入の障壁となっていると考えています。コストが高いままになっている重要な理由の1つは、SiCパワーデバイスを開発した企業が製造プロセスを独占的に利用しているため、他の企業がこの分野に参入しにくいことです。工場の生産能力を拡大することも、コストを削減することもできません。このため、ノースカロライナ州立大学は、企業が炭化ケイ素分野に参入する障壁を減らし、イノベーションを促進するために、PRESiCE™プロセスという共有技術を開発しました。バリガ氏は、「PRESiCETM は、企業が独自の設計および製造プロセスをゼロから開発する必要がないため、より多くの企業が SiC 市場に参入するよう促すでしょう。これは非常にコストがかかり、時間もかかります。これは企業とユーザーにとって良いことです。より多くの企業が SiC パワーデバイスの製造に参加すれば、ファウンドリの生産量が増加し、コストを大幅に削減できます。」と述べた。報道によると、この技術は 2015 年 1 月に開始され、米国エネルギー省 PowerAmerica から資金提供を受けた。2016 年に 18 社が研究開発に参加し、現在では第 3 世代に発展している。「2015 年以降、多くの企業が以前に開発した独自の SiC パワーデバイス製造プロセスを米国テキサス州の X-Fab ファウンドリに移植しました。」別の方法は、既存の成熟したシリコンデバイスファウンドリを使用して、大容量、大型ウェハでコストを削減することです。バリガ氏は、SiC パワー MOSFET のプロセスステップの大部分 (最大 80%) はシリコンファウンドリで完了できると述べた。必要なのは、炭化ケイ素材料に必要なゲート酸化やイオン注入アニーリングなどの高温装置をアップグレードすることだけです。X-Fabのような非独占的なファウンドリを通じて、「より多くの企業が生産し、炭化ケイ素のコストは低くなります」。2015年以降、PRESiCEはさらに改良されました。熱イオン注入工程をより均一に行うために自社装置を使用することで、6インチウェハファウンドリで製造されたPRESiCEの第3世代SiCパワーデバイスが成功裏に発売されました。下の写真は、PRESiCE技術で製造された定格電圧1.2kVの高歩留まりJBSダイオード、パワーMOSFET、JBSFETを示しています。

図1．第3世代PRESiCE技術を用いて作製された3種類のSiCパワーデバイス。

報道によると、PRESiCETM技術の主な特徴の一つは、10種類のマスクプロセスを使用している点である。下の画像を参照↓↓↓↓

図2．SiCパワーMOSFET製造のためのPRESiCE技術のプロセスフロー。

プロセス識別結果：

利回り90％超

第3世代PRESiCETMプロセス技術の成果を確認するため、ファウンドリX-Fabは、すべて同じプロセスステップを使用して3バッチの製品を連続生産しました。測定データによると、第3世代PRESiCETM技術を使用して製造されたJBS整流器の歩留まり率は90%を超え、JBSダイオードのリーク電流は業界標準の100μAをはるかに下回っています。JBSダイオードのオン状態電圧降下は約2Vです。シリコンベースのIGBTやSiCパワーMOSFETと同様に、逆並列ダイオードとして使用するのに適しています。PRESiCETMで製造された炭化ケイ素パワーMOSFETの測定データによると、デバイスの90%の最大オン抵抗は標準値の1.3倍未満であり、歩留まりは90%を超え、しきい値電圧もデータシートの要求値の±30%以内に収まっています。

図3．1000V逆バイアス時のSiC JBS整流器のリーク電流測定結果：ウェハ内およびバッチ間におけるウェハ間のばらつき。

図4. 1000V逆バイアス時のSiC JBS整流器の測定漏れ電流：漏れ電流のバッチ間変動。

図5. Gen-3 PRESiCETM技術を用いて製造されたSiCパワーJBSFET：リーク電流のバッチ間変動。

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