Achieving Robust Reliability with a Challenging Material—Silicon Carbide (SiC)

シリコンカーバイド（SiC）は、ハイパワー電子デバイスの製造に使用される最も有望な半導体材料の1つで、優れた物理特性を備えています。SiC系デバイスは、高い飽和電子ドリフト速度、高い熱伝導率、高い絶縁破壊電界を提供します。シリコン（Si）MOSFETトランジスタと比較して、SiCデバイスに基づくシステムは、より小さなジオメトリで非常に低い損失とより高速なスイッチング速度を達成できます。

品質および信頼性手法

オンセミのエンジニアは、設計から量産に至るまでに導入された品質および信頼性手法を紹介するホワイトペーパー『Silicon Carbide (SiC) − From Challenging Material to Robust Reliability』を作成しました。これにはSiC系半導体デバイスの開発における固有の課題に対処する厳格な設計手法、厳しい生産モニタリング、製造管理、適切なスクリーニング、堅牢な認定計画が含まれます。オンセミの品質に関する声明/方針には、全面的にこのアプローチが取り入れられています。

図1.オンセミの品質に関する声明/方針

製品設計上で可能な最大限の信頼性の範囲内であっても、プロセスに関連する潜在的な信頼性ハザードを排除するための制限故障モードおよびメカニズムを理解する必要があります。そして、故障解析とフィードバックループによりトレースバックして、プロセスの弱点を突き止め、恒久的な是正措置を実施します。オンセミ品質−欠陥ゼロへの道（図2）は、オンセミの一般的な信頼性仕様を明確にするこれらのプログラムを示しています。

 図2.オンセミ品質–欠陥ゼロへの道

シリコンカーバイドの課題

シリコンカーバイドは、優れた物理的特性と魅力的な設計性を兼ね備えており、ハイパワー電子デバイスを製造するための有効なソリューションとなりますが、その設計と製造においていくつかの課題を考慮しなければなりません。これらは、お客様のミッションプロファイルやアプリケーション要件での卓越した信頼性および堅牢性の実現に貢献します。

半導体製品を無事安全に市場に投入するには、さまざまな要素を組み合わせる必要があります（図3）。

 図3. 堅牢な本質的信頼性と外因的信頼性の定義

シリコン系半導体技術の国際標準は十分に確立されていますが、SiC系においては文書で十分に裏付けされたグローバルな方法論はまだ開発中です。JEDEC、AEC、およびAQG委員会内の複数のサブチームが、この最初の課題に対処するために、SiC標準の基盤構築に向けて作業を行っています。

2番目のSiC技術の課題は、材料性能を自動車から産業オートメーションまで、お客様のアプリケーションの堅牢性および信頼性要件に適切に適合させるために、以下のような劣化故障メカニズムの物理学に基づく理解に重点を置いています。

• 基板およびエピタキシ欠陥レベル
• ゲート酸化膜：固有の寿命モデリング（SiC/SiO2界面特性評価）および外因的母集団（スクリーニング）
• ボディダイオードの劣化
• 高電圧ブロッキング（HTRB）時の信頼性
• アプリケーション関連性能（アバランシェ耐量、エッジターミネーション、短絡、宇宙線に対する耐性、高dv/dt耐量設計、サージ電流）

各劣化メカニズムに対して、オンセミのアプローチは厳密かつ機能横断的であり、制御、改善、テストおよびスクリーニング、特性評価、モデルの認定および抽出のステップが実行されます。

オンセミは、半導体材料の理論的側面を探求し、さらに半導体業界では必ずしも利用できない専用技術や補完的スキルを追加するには、大学や研究所との密接な協力が不可欠であると考えています。

この白書では、現時点における半導体の重要な課題である以下の問題に焦点を当て、オンセミが実施した最近の詳細な研究について紹介しています。

• バイアス温度不安定性（BTI）
• ボディダイオードの劣化
• ダイナミックストレス

関連資料では、これらの技術的なトピックの詳細と、オンセミのSiC技術が堅牢で信頼性の高いSiCデバイスを製造する上で、これらの課題にどのように対処しているかについて説明しています。

結論

厳格な設計手法、厳しい生産モニタリング、製造管理、適切なスクリーニング、堅牢な認定計画に基づいて、オンセミが1200 Vまでの堅牢で信頼性の高いハイパワーシリコンカーバイド製品を開発するための基盤が形成されています。

このホワイトペーパーでは、オンセミがSiC製品を評価し安全に市場に投入するための包括的かつ部門横断的な手法を開発した経緯を記しています。オンセミのEliteSiC製品についてはこちらをご覧ください。