Anwendungen von β-Siliciumcarbid (β-SiC) in der Halbleiterindustrie

β-SiC, auch bekannt als 3C-SiC, besitzt eine kubische Zinkblende-Kristallstruktur und ist eine metastabile Phase. Es unterscheidet sich vom kommerziell dominierenden 4H-SiC (hexagonales α-SiC) für Leistungshalbleiter. Es weist eine Bandlücke von ca. 2,36 eV, eine hohe Elektronenmobilität und Heteroepitaxie auf Siliziumwafern auf und bietet exzellente Hochtemperaturbeständigkeit, Plasmaätzbeständigkeit und Strahlungstoleranz. Es bietet deutliche Kostenvorteile für die Großserienfertigung, obwohl die Massenproduktion von einkristallinen Substraten weiterhin eine Herausforderung darstellt. Seine Anwendungen in der Halbleiterindustrie lassen sich in fünf Hauptkategorien einteilen: Halbleiterprozessmaterialien, Epitaxie- und Leistungshalbleiterbauelemente, Gehäusematerialien, Elektronik für extreme Umgebungsbedingungen und Optoelektronik.

1. Wichtige Verbrauchsmaterialien für Halbleiter-Ätz-/Abscheidungsanlagen (Serienfertigung)

1. Wafer-Fokusring / Kantenring (CVD-β-SiC) Hochreines, dichtes CVD-β-SiC (Reinheit ≥ 99,99999 %). Wird in Plasmaätzanlagen und CVD-Kammern installiert und umschließt Si/SiC-Wafer. Er moduliert das Plasma-Hüllpotential, um die Ätzgleichmäßigkeit über den gesamten Wafer zu verbessern und kantenbedingten Ausschuss zu reduzieren. Er ist beständig gegen Plasmaerosion durch Fluor und Chlor, erzeugt minimale Partikelkontamination und bietet eine längere Lebensdauer als Quarz- oder Siliziumringe. Weit verbreitet für 8-Zoll- und 12-Zoll-Technologieknoten bis hinunter zu 5 nm.
2. Kammerauskleidungen, Suszeptorbeschichtungen und Gasduschenkopfkomponenten profitieren von hoher Reinheit, Plasmakorrosionsbeständigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit. Sie werden als Strukturbauteile und Schutzbeschichtungen für Ätz-, PVD- und CVD-Kammern eingesetzt, um metallische Verunreinigungen auf Wafern zu minimieren.

2. Epitaxie und Leistungshalbleiterbauelemente (F&E und Kleinserienfertigung)

1. Heteroepitaktische β-SiC-Dünnschichten auf Siliziumsubstraten β-SiC kann direkt auf großformatigen Siliziumwafern gezüchtet werden, wodurch die hohen Kosten und die Fertigungsengpässe von großformatigen 4H-SiC-Substraten umgangen werden und Arbeitsabläufe mit 8-12 Zoll großen Wafern ermöglicht werden.

• SBD-Schottky-Dioden, MOSFETs : Geringer Spannungsabfall im Durchlassbereich und schnelles Schaltverhalten. Einsatzgebiete: Leistungswandlung im mittleren und niedrigen Spannungsbereich, DC/DC-Wandler und Motorantriebe. Besonders geeignet für mittlere und niedrige Spannungsbereiche; im Hochspannungsbereich weniger leistungsfähig als 4H-SiC.
• α‑SiC / β‑SiC Heteroübergangsbauelemente : Nutzung des Bandlückenversatzes zwischen zwei Polytypen für Heteroübergangs-BJTs zur Verbesserung der Ladungsträgerinjektionseffizienz für Hochtemperaturschaltungen.

Anmerkung: Massive monokristalline β-SiC-Substrate werden nicht kommerziell in Massenproduktion hergestellt. Die meisten Anwendungen basieren auf epitaxialen Dünnschichten .

3. TGV-Interposer für High-End-KI-Chip-Packaging (Spitzenforschung und -entwicklung)

β-SiC-Interposer dienen als TGV-Durchkontaktierungssubstrate für die Hochleistungs-GPU- und HBM-Gehäusetechnik.

• Wärmeleitfähigkeit: 200–300 W/m·K, niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient, hohe mechanische Steifigkeit und geringe Hochfrequenzverluste.
• Übertrifft Glas-Interposer hinsichtlich der Wärmeableitung für KI-Chips mit extrem hoher Leistungsaufnahme. Integriert mit Kupfermetallisierung und vertikalen TGV-Durchkontaktierungen zur Realisierung hochdichter Chip-zu-Chip-Verbindungen. Ein vielversprechendes Material für fortschrittliche Gehäuse der nächsten Generation.

4. Hochtemperatur- und strahlungsresistente elektronische Bauelemente (Luft- und Raumfahrt, Nuklearindustrie)

1. Hochtemperatursensoren und -detektoren: Langzeitbetrieb über 600 °C zur Druck- und Temperaturmessung in Flugtriebwerken und bei der Bohrlocherkundung.
2. Strahlungsresistente integrierte Schaltungen: Anwendung in Satelliten und nuklearen Systemen. Sie tolerieren Neutronen- und Hochenergieionenstrahlung mit geringem Leckstrom für Elektronik in der Raumfahrt.
3. MESFET-HF-Mikrowellenbauelemente für 5G und Radar. β-SiC zeichnet sich durch isotrope Elektronenbeweglichkeit mit günstigen Hochfrequenzeigenschaften aus; derzeit beschränkt es sich auf Laborprototypen und ersetzt halbisolierende 4H-SiC-Substrate nicht kommerziell.

5. Optoelektronik

1. UV-Photodetektoren : Die große Bandlücke ermöglicht die Detektion von ultraviolettem Licht ohne Reaktion auf sichtbares Licht; sie werden zur Flammenüberwachung und für ultraviolette Warnsysteme eingesetzt.
2. Forschung und Entwicklung von kurzwelligen UV-LEDs: Ziel ist die Emission im Bereich von 200-400 nm, befindet sich aber noch im Laborstadium ohne großtechnische Industrialisierung.

6. Hochreines β-SiC-Pulver für vorgelagerte Halbleiterrohstoffe

1. Ausgangsmaterial für CVD‐SiC-Beschichtungen und die Herstellung von CVD-Fokusringen.
2. Ausgangsmaterial für das Wachstum von SiC-Einkristallen und für Sputtertargets.
3. Füllstoff für wärmeleitende Verbundverpackungsmaterialien zur Verbesserung der Wärmeableitung des Substrats.

β-SiC vs. 4H-SiC (α-SiC) Halbleiter-Vergleichstabelle

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Zusammenfassung: Der größte bestehende kommerzielle Markt für β-SiC in der Halbleiterindustrie sind Verbrauchsmaterialien für den CVD-SiC-Prozess, wie z. B. Fokusringe und Randringe. Anwendungen in Leistungshalbleitern werden von der Forschung und Entwicklung im Bereich der siliziumbasierten β-SiC-Epitaxie dominiert. TGV-Interposer stellen einen vielversprechenden Ansatz der nächsten Generation dar. 4H-SiC bleibt der gängigste Polytyp für Hochspannungs-Leistungshalbleiter.