I SiC nella potenza del domani

Superare le problematiche di produzione del SiC per il successo delle future applicazioni di potenza.

Per svariati decenni, il silicio (Si) è stato il materiale più utilizzato nell'industria dei semiconduttori, con il quale sono stati realizzati componenti di tutti i tipi, dai microprocessori ai dispositivi di potenza discreti. Tuttavia, le moderne e sempre più complesse applicazioni dell'elettronica di potenza in settori quali l'automotive e le energie rinnovabili, hanno fatto emergere in maniera inequivocabile i limiti del silicio.

Per questo motivo, l'attenzione del settore si è focalizzata sui materiali ad ampia banda proibita (WBG – Wide BandGap), come a esempio il carburo di silicio (SiC – Silicon Carbide) e il nitruro di gallio (GaN – Gallium Nitride). Il termine bandgap fa riferimento alla differenza di energia tra il punto più basso della banda di conduzione e quello più alto della banda di valenza. Mentre la banda proibita del silicio è di 1,1 eV (elettronVolt), quindi abbastanza ridotta, quella del SiC e del GaN è molto più ampia, pari rispettivamente a 3,3 e 3,4 eV. (Fig. 1)

In virtù delle loro caratteristiche, i materiali ad ampia banda proibita hanno un comportamento molto simile a quello degli isolatori e sono in grado di operare a tensioni, frequenze e temperature superiori. Di conseguenza, risultano particolarmente adatti all’utilizzo nelle applicazioni di conversione di potenza, come veicoli elettrici (EV) e le energie rinnovabili.

SiC, ovvero il carburo di silicio

Il carburo di silicio non rappresenta certamente una novità, in quanto viene prodotto da oltre un secolo e utilizzato come materiale abrasivo. Attualmente, il SiC sta attirando sempre più l’attenzione grazie alle sue caratteristiche, che lo rendono idoneo all’impiego in applicazioni che prevedono potenze e tensioni di valore elevato. Le sue proprietà fisiche, come a esempio l’elevata conducibilità termica, l’alta velocità di saturazione degli elettroni e l’elevato valore del campo elettrico critico (o di breakdown) permettono di sviluppare progetti caratterizzati da perdite estremamente basse, frequenze di commutazione maggiori e geometrie più ridotte rispetto a quelli basati su MOSFET o IGBT.

Molti tra coloro che operano nel settore della potenza individuano nel carburo di silicio un materiale in grado di assicurare un vantaggio competitivo, in quanto consente di incrementare l’efficienza, a fronte di una riduzione di dimensioni, peso e costi. Poiché i sistemi che utilizzano il SiC operano a frequenze più elevate, è possibile utilizzare componenti passivi più piccoli, mentre la riduzione delle perdite comporta minori oneri per quanto riguarda la gestione termica. In definitiva, ciò consente di ottenere densità di potenza più elevate, come richiesto da un gran numero di moderne applicazioni. (Fig. 2)

Oltre alla scelta del materiale, l’implementazione di nuove tecnologie di die-attach (fissaggio del chip) nei dispositivi di potenza in carburo di silicio contribuisce alla rimozione del calore dai dispositivi stessi. Tecniche come a esempio la sinterizzazione permettono di creare un legame solido tra il die e il substrato, creando un’interconnessione affidabile. Da qui la possibilità di migliorare l’efficienza nel trasferimento del calore e incrementare le prestazioni termiche.

Il SiC è generalmente utilizzato nelle applicazioni ad alta tensione (>650 V), anche se esprime al meglio le sue potenzialità con tensioni di 1200 V (o superiori), proponendosi come la soluzione ideale per inverter fotovoltaici e sistemi di ricarica per veicoli elettrici. Esso è anche un elemento chiave per i trasformatori a stato solido, dove i semiconduttori sono destinati a sostituire gli attuali magneti.

Le problematiche di produzione

Il SiC non è facile da produrre perché, in primo luogo, il granulato deve essere estremamente puro e le boule (lingotti cilindrici) di carburo di silicio richiedono elevati livelli di consistenza. Poiché il SiC non può mai essere ridotto allo stato liquido, non è possibile l’accrescimento dei cristalli mediante fusione, ma è necessario ricorrere alla sublimazione, un processo in fase di vapore che richiede una pressione attentamente controllata. Per fare ciò, la polvere di carburo di silicio viene posta in una fornace e riscaldata a una temperatura superiore a 2.200 °C, dove avviene la sublimazione e la cristallizzazione sul cristallo seme. Le velocità di accrescimento sono comunque ridotte, arrivando a un massimo di 0,5 mm/ora.

A causa della sua estrema durezza, il carburo di silicio è difficile da tagliare, anche con una sega diamantata, ragion per cui la creazione dei wafer è senza dubbio più impegnativa rispetto al silicio. Anche se è possibile ricorrere ad altre tecniche, la loro adozione può comportare l'introduzione di difetti nei cristalli.

Poiché il carburo di silicio è un materiale difficile da lavorare e il drogaggio è un'operazione complessa, la produzione di wafer di grandi dimensioni con un basso tasso di difettosità non è un compito semplice. Nonostante ciò, società come onsemi sono in grado di produrre su base regolare substrati da 8”. (Fig. 3)

L'importanza della ricerca

Da sempre onsemi annette grande importanza al contributo del mondo accademico nello sviluppo della tecnologia dei semiconduttori. Nel caso specifico del carburo di silicio, sono in corso numerose ricerche in varie aree, tra cui:

• Robustezza nei confronti dei raggi cosmici;
• Modellazione della durata intrinseca dell'ossido di gate;
• Caratterizzazione dell'interfaccia SiC/SiO₂ e modellazione della durata;
• Popolazione estrinseca (screening);
• Difettosità del substrato e dello strato epitassiale;
• Deterioramento del diodo intrinseco (body diode);
• Affidabilità durante il blocco ad alta tensione (HTRB - High Voltage Blocking Reliability);
• Parametri prestazionali specifici relativi a terminazione del bordo (edge termination), robustezza in presenza di fenomeni di valanga e di corto circuito;
• Criteri di progettazione per assicurare un'elevata affidabilità in presenza di variazioni della tensione (dV/dt);
• Correnti in presenza di sovratensioni (Surge).

Oltre a ciò, onsemi ha stanziato 8 milioni di dollari per il Silicon Carbide Crystal Center (SiC3) nell'ambito di una collaborazione strategica con l'università della Pennsylvania (PSU). L'azienda sta inoltre collaborando con almeno altri sei istituti di formazione in Europa per sviluppare questa tecnologia.

I vantaggi della produzione di onsemi

onsemi è una realtà unica nel suo genere in quanto dispone di una catena di fornitura completamente integrata per i dispositivi SiC che consente il completo controllo di tutti gli aspetti del processo (e della relativa qualità), dai boule al cliente.

Il processo ha inizio nella fabbricata situata nel New Hampshire, dove viene eseguito l'accrescimento del singolo cristallo SiC, al quale viene aggiunto un sottile strato epitassiale. Successivamente vengono eseguite diverse fasi di lavorazione e il packaging dei prodotti, che rappresenta la fase finale della lavorazione.

Questo processo completo (end-to-end) che avviene all'interno dei siti produttivi di onsemi permette di eseguire esaustivi test, nonché l'analisi delle cause. L'obiettivo è realizzare prodotti estremamente affidabili con un tasso di difettosità nullo (zero-defect). (Fig. 4)

Grazie alla visibilità e al controllo di ogni fase, la capacità può essere adeguata con relativa facilità per soddisfare la crescita della domanda. Inoltre, il processo può essere migliorato per ottimizzare la resa e controllare i costi. Uno studio condotto da McKinsey & Company ha in effetti riconosciuto i vantaggi di una catena di fornitura a integrazione verticale evidenziando che “l'integrazione verticale nella produzione di wafer e dispositivi SiC può migliorare la resa in misura compresa tra cinque e dieci punti percentuali”.

I cinque passi verso il successo

Per affrontare in maniera adeguata le problematiche specifiche relative al carburo di silicio, onsemi messo ha punto una metodologia che prevede cinque fasi per risolvere problematiche quali livelli di difettosità del substrato e dell'epitassia, deterioramento del diodo intrinseco, affidabilità durante il blocco ad alta tensione e livelli di prestazioni correlate all'applicazione. (Fig. 5)

L'approccio in cinque fasi viene utilizzato per la verifica dell'integrità dell'ossido di gate (GOI - Gate Oxide Integrity), un elemento di fondamentale importanza.

Controllo – Vengono utilizzati strumenti quali piano di controllo, controllo statistico di processo e analisi delle modalità di guasto e dei potenziali effetti (FMEA - Failure Mode and Effects Analysis) per acquisire dati utili da impiegare per il miglioramento del processo.

Miglioramento – I difetti nel substrato o nello strato epitassiale, come anche la presenza di particelle e contaminanti metallici possono influenzare l’integrità dell’ossido di gate. Il miglioramento su base continua riduce la possibilità che si verifichino tali difetti.

Collaudo e Selezione – Per identificare eventuali die difettosi si ricorre a uno screening (selezione) di tipo visivo ed elettrico i substrati vengono scansionati e la scansione continua durante la lavorazione dei wafer, per individuare i difetti in ogni fase. I test elettrici vengono eseguiti a livello di wafer, compresi burn-in e wafer sort.

Caratterizzazione – Per la misura della qualità del GOI si ricorre alla QBD (Charge to Failure, ovvero la carica totale che passa attraverso il dielettrico prima del guasto), in quanto permette di rilevare dettagli più fini. I test effettuati hanno dimostrato che il SiC è 50 volte migliore del silicio per quanto riguarda le prestazioni QBD intrinseche. Il collaudo QBD a campione viene utilizzato in produzione e i wafer che non soddisfano un criterio di accettazione predefinito vengono scartati.

Qualificazione ed estrazione dei modelli - Le prestazioni intrinseche dell'ossido di gate vengono valutate mediante un test di sollecitazione finalizzato a individuare la rottura del dielettrico dipendente dal tempo (TDDB - Time Dependent Dielectric Breakdown). La polarizzazione del gate e la temperatura sono combinate per sollecitare i MOSFET SiC e i tempi di guasto (Time-to-failure) sono registrati. Per estrarre i tempi di vita si fa ricorso alle distribuzioni statistiche di Weibull.

SiC: onsemi fa la differenza

onsemi è consapevole del fatto che il carburo di silicio sarà destinato a rivestire un ruolo fondamentale nel futuro dell'elettronica di potenza, in particolare nelle applicazioni di conversione di potenza in settori quali l'automotive e le energie rinnovabili. Questa consapevolezza ha spinto la società a investire in capacità produttive e innovazioni di prodotto, in modo che il carburo di silicio possa esprimere tutte le sue potenzialità nel più breve tempo possibile.

In qualità di fornitore a integrazione verticale, onsemi ha il pieno controllo di tutte le fasi del processo produttivo, cosa che nessun altro produttore può vantare. In questo modo è possibile controllare i costi e garantisce ai produttori che operano nei settori automotive e industriale un prodotto privo di difetti.