최근 한 탄화규소 회사가 온라인 행사에서 6인치 탄화규소 웨이퍼 한 장의 가격이 20,000만~30,000만 위안이며, 이 웨이퍼 한 장으로 자동차용 SiC MOSFET 350~700개를 만들 수 있다고 밝혔습니다. 현재 탄화규소 소자의 가격은 실리콘 소자의 약 4~5배 수준입니다. 일부 기관에서는 탄화규소 소자의 가격이 2025년에는 실리콘 소자의 1.5배 수준까지 떨어질 것으로 예측하고 있는데, 과연 어떻게 이러한 목표를 달성할 수 있을까요?

"3.5세대에 걸친 풍향 연구"에 따르면, 얼마 전 노스캐롤라이나 주립대학교(NCSU)는 탄화규소 기술의 최신 진전을 발표했는데, 그 목표는 바로 이것이었다.탄화규소 가격을 실리콘 웨이퍼 가격의 1.5배 수준으로 낮추십시오.보고서에 따르면, 이 기술은 기업들이 탄화규소 분야에 진입하는 문턱을 낮추고, 궁극적으로 파운드리 및 공정 공유를 실현하여 독자적인 기술 공정 개발에 시간과 재정적 자원을 투자할 필요성을 없애는 데 도움이 될 수 있습니다. 더욱이, 이 기술은 기존 파운드리에서도 생산 가능하며, 대형 탄화규소 웨이퍼 제품의 양산도 이미 이루어졌습니다. 시중에는 1.2kV JBS, 파워 MOSFET, JBSFET 등의 제품이 이미 출시되어 있습니다.수확률은 최대 90%에 달합니다..

이 기술의 주요 발명자이자 IGBT 발명가이기도 한 그는 이러한 기술들이 성공한다면 언젠가 IGBT를 대체할 수 있을 것이라고 말했습니다.

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공유 공정, 더 큰 웨이퍼

목표: 실리콘 소자 가격의 1.5배 수준으로 낮추기

현재 SiC 소자의 가격은 실리콘 전력 소자의 약 5배에 달합니다. 노스캐롤라이나 주립대학교(NCSU)의 저명한 교수인 제이 발리가는 "우리의 목표는 SiC 소자의 가격을 실리콘 전력 소자의 1.5배 수준으로 낮추는 것"이라고 밝혔습니다. 그는 Si IGBT에 비해 높은 제조 비용이 대규모 시장 도입을 가로막는 장벽이 되고 있다고 생각합니다. 가격이 높은 주요 원인 중 하나는 SiC 전력 소자를 개발한 기업들이 제조 공정에 대한 독점권을 가지고 있어 다른 기업들의 진입이 어렵다는 점입니다. 공장 생산 능력을 확장할 수도 없고, 비용을 절감할 수도 없습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 NCSU는 기업들의 실리콘 카바이드 분야 진입 장벽을 낮추고 혁신을 촉진하기 위한 공유 기술인 PRESiCE™ 공정을 개발했습니다. 발리가는 "PRESiCE™는 기업들이 처음부터 설계 및 제조 공정을 개발할 필요가 없기 때문에 더 많은 기업들이 SiC 시장에 진출하도록 유도할 것입니다. 이는 매우 비용이 많이 들고 시간이 오래 걸리는 작업입니다. 이는 기업과 사용자 모두에게 이롭습니다. 더 많은 기업들이 SiC 전력 소자 제조에 참여하면 파운드리의 생산량이 증가하여 비용을 크게 절감할 수 있습니다."라고 말했습니다. 보도에 따르면, 이 기술은 2015년 1월에 시작되었으며 미국 에너지부의 파워아메리카(PowerAmerica)로부터 자금 지원을 받았습니다. 2016년에는 18개 기업이 연구 개발에 참여했으며, 현재 3세대까지 개발되었습니다. "2015년 이후 많은 기업들이 기존에 개발한 SiC 전력 소자 제조 공정을 미국 텍사스에 있는 X-Fab 파운드리로 이전했습니다." 또 다른 방법은 기존의 성숙한 실리콘 소자 파운드리를 활용하여 대용량, 대형 웨이퍼로 비용을 절감하는 것입니다. 발리가는 SiC 전력 MOSFET의 공정 단계 대부분(최대 80%)이 실리콘 파운드리에서 완료될 수 있다고 말했습니다. 실리콘 카바이드 소재에 필요한 게이트 산화 및 이온 주입 어닐링과 같은 고온 장비를 업그레이드하기만 하면 됩니다. X-Fab과 같은 비독점 파운드리를 통해 "더 많은 기업이 생산에 참여하게 되고, 실리콘 카바이드 가격은 낮아질 것입니다." 2015년 이후 PRESiCE는 더욱 개선되었습니다. 자체 장비를 사용하여 열 이온 주입 공정을 더욱 균일하게 수행함으로써 6인치 웨이퍼 파운드리에서 생산되는 PRESiCE 3세대 SiC 전력 소자가 성공적으로 출시되었습니다. 아래 그림은 PRESiCE 기술로 제조된 정격 전압 1.2kV의 고수율 JBS 다이오드, 파워 MOSFET 및 JBSFET를 보여줍니다.

그림 1. 3세대 PRESiCE 기술을 이용하여 제작된 세 가지 유형의 SiC 전력 소자.

보고서에 따르면 PRESiCE™ 기술의 주요 특징 중 하나는 10단계 마스크 공정을 사용한다는 점입니다. 아래 그림을 참조하십시오↓↓↓↓

그림 2. PreSiCE 기술을 이용한 SiC 전력 MOSFET 제조 공정 흐름도.

공정 식별 결과:

수확량이 90%를 초과합니다

3세대 PRESiCE™ 공정 기술의 성과를 확인하기 위해 파운드리 X-Fab은 동일한 공정 단계를 사용하여 세 배치(batch)의 제품을 연속 생산했습니다. 측정 데이터에 따르면, 3세대 PRESiCE™ 기술로 제조된 JBS 정류기의 수율은 90%를 초과했으며, JBS 다이오드의 누설 전류는 업계 표준인 100µA보다 훨씬 낮았습니다. JBS 다이오드의 온 상태 전압 강하는 약 2V로, 실리콘 기반 IGBT 및 SiC 파워 MOSFET과 마찬가지로 역병렬 다이오드로 사용하기에 적합합니다. PRESiCE™ 기술로 제조된 실리콘 카바이드 파워 MOSFET의 측정 데이터에 따르면, 90%의 소자에서 최대 온 저항이 일반적인 값의 1.3배 미만이었고, 수율은 90%를 초과했으며, 문턱 전압 또한 데이터시트 요구 사항의 ±30% 이내였습니다.

그림 3. 1000V 역방향 바이어스에서 측정된 SiC JBS 정류기의 누설 전류: 웨이퍼 내 변동 및 배치 내 웨이퍼 간 변동.

그림 4. 1000V 역방향 바이어스에서 측정된 SiC JBS 정류기의 누설 전류: 배치별 누설 전류 변동.

그림 5. 3세대 PRESiCE™ 기술을 사용하여 제작된 SiC 전력 JBSFET: 누설 전류의 배치별 변동.

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