天津中环半导体股份有限公司技术部部长 饶祖刚

　　性能不同的功率半导体器件满足了差异化应用的需求，而这些不同功率半导体器件对制造工艺提出了多重挑战。

　　功率器件要满足差异化应用需求

　　功率半导体器件工作在大功率条件下，除了要具备低功耗的特点外，不同的应用还提出了一些新需求。例如，在电动车、混合动力汽车这样的应用中，功率半导体器件需要具备高可靠性，能够在恶劣条件下(高温、剧烈机械振动)工作。而在一些应用中，为了满足系统整体的运行速度指标，它们对功率半导体器件的工作速度也提出了要求。此外，由于便携式应用具有小尺寸的特点，可供布局的空间很有限，因此它们要求功率器件所占用的面积要尽可能小。

　　除了上述这些需求外，在应用中还要考虑到功率半导体器件一些指标的取舍。像耐压(BVDS)、导通电阻(RDSON)及栅电荷(Qg)等是功率半导体器件的重要性能指标，也是一些相互矛盾的指标。不同应用需要选用耐压不同的器件；为了降低功耗，需要器件具有更小的RDSON和Qg；为了得到更快的开关速度，需要尽可能地降低器件的Qg。

　　功率MOSFET（金属氧化物场效应晶体管）是一种典型的功率半导体器件，是由多子导电的电压控制型器件，不存在少子储存效应，因此与传统的由少子导电的电流控制型双极晶体管相比，功率MOSFET具有工作速度更快的特点。

　　通常的VDMOSFET(垂直导电双扩散的MOSFET)具有横向的导通沟道，为了保证器件的耐压，需要使用适当厚度的低掺杂外延层。耐压越高，需要的外延层电阻越高。耐压为30V的VDMOSFET，其外延层电阻约占总导通电阻的29%，而耐压为600V的VDMOSFET，其外延层电阻约占总导通电阻的96.5%。通过采用新技术，像增加并联元胞的数量，或者降低元胞的RDSON等措施，可以降低器件的RDSON。

　　在低耐压(数十伏)的器件中，TrenchMOSFET(沟槽MOSFET)技术已被普遍采用。它将导电沟道由横向变化为纵向，消除了寄生JFET(结型场效应晶体管)电阻，并且元胞的尺寸也大大缩小，并联元胞的数量急剧增加，从而使器件获得了更低的RDSON，也得到了更低的Qg和更小的尺寸。

　　而对于较高耐压(数百伏)的器件，影响元胞RDSON的重要因素为栅电极下低掺杂、高电阻率的外延层区域。如果减少外延层的厚度或者降低其电阻率，RDSON将相应的降低，但这样会直接导致BVDS的下降。利用CoolMOS技术，可以实现当门栅开启时，因栅电极下掺杂较高的外延层导通使元胞导通电阻更低，关断时，由于内建横向电场的作用，使栅电极下的外延区域耗尽而保持其高耐压。高耐压CoolMOS与通常的高耐压VDMOSFET相比，还有很低的Qg，因此有更好的开关特性。

　　当需要耐压很高(上千伏)的器件时，通常的功率MOSFET因其极高的导通电阻和导通压降而难以满足应用的要求，应用新技术的功率MOSFET显著地改善了RDSON的特性，但在高电压下也有较大的导通电阻，IGBT(绝缘栅双极型功率管)则满足了这种条件下的器件需求。

　　IGBT是一种由MOSFET与PNP双极型晶体管构成的电压控制型复合器件。它兼具两种器件的优点，既有MOSFET易于驱动、开关速度快的特点，也有双极型晶体管电压较高、电流容量较大的特点。因此，IGBT已逐步取代了高压双极晶体管和晶闸管，被广泛应用于变频空调、电力网络以及机车牵引等大功率系统之中。

　　在电压高达1700V以上的应用中，IGBT器件，尤其是平面IGBT器件，由于邻近沟道区的JFET（结型场效应管）电阻和增厚的低离子浓度漂移区的原因，其导通损耗会急剧增大。所以，在更高的电压应用上，IGBT器件又有其局限性，而新型的CIGBT器件则有更好的性能。

　　功率器件制造面临多重挑战

　　VDMOSFET的设计复杂度远不如大规模集成电路高，但在制造方面却面临着多重挑战。在设计的布局上，它将器件划分为源区、栅电极区以及周边的保护环区。典型的VDMOSFET制造工艺需要六次光刻，包括保护环、栅、P+、N+、接触孔和金属光刻，之后进行背面减薄、背面注入和背面金属化。VDMOSFET的制造面临着以下几方面挑战：

　　高质量外延层生长

　　为了实现VDMOS器件的N+/N-/P/N+结构，需要选用低阻值的N型衬底硅片，然后在其表面生长一层高质量、低掺杂的N型外延层。通常衬底硅片选用掺锑的硅片，也可以选用掺砷的衬底硅片。在外延生长之前，先给衬底硅片做好背封，然后用外延炉在上面生长一层掺磷的高质量外延层。根据VDMOSFET器件的耐压和导通电阻的要求，选择生长不同厚度和电阻率的外延层。

　　注入与推进形成器件特性

　　通常当外延条件确定之后，JFET注入及其推进可以在一定程度上对导通电阻起到调节作用。在背面减薄之后的背面注入工艺，对降低背面的接触电阻也有一定的作用。这些注入工艺、推进工艺的优化程度决定着器件的性能。

　　厚金属工艺加工

　　VDMOSFET要求金属布线厚达4μm甚至更厚，这对物理淀积、光刻以及刻蚀工艺都提出了挑战。对于物理淀积工艺，形成厚的金属层容易使套件粘片，从而导致加工中发生碎片的事故，进而使产品的成品率降低。在此情况下，采用热铝工艺是一种较好的选择。热铝工艺可以防止粘片的发生，硅片的应力也相对较小。对于光刻工艺，如果采用尼康公司的i线光刻机，通常的WGA对准方式和LSA对准方式已经不能满足硅片对准要求，需要使用FIA对准方式才能实现对准。如果硅片应力较大，光刻的对准操作将更加困难。对于刻蚀工艺，只用干法刻蚀工艺或只用湿法刻蚀工艺都不是最好的选择，需要考虑选用干法刻蚀与湿法刻蚀相结合的工艺。而且，这种相结合的工艺需要去除干法刻蚀所生成的聚合物以及湿法刻蚀后形成的硅的残渣。根据工艺组合的不同，它们都可能给制造加工提出挑战。

　　背面减薄与金属化工艺

　　当硅片完成金属布线之后，需要做背面减薄。为了形成更为粗糙的背面表面，以便背面金属化时形成更大的接触面和更牢固的接触(避免“起皮”)，需要选用目数较低的砂轮。而且，对于减薄后的硅片，需要用药液将损伤层腐蚀掉，并形成粗糙的背面表面。

　　背面减薄的损伤层可能影响到背面金属化的接触特性，也容易因应力问题而在后面的划片工序出现碎片事故。背面金属化之前，为了确保金属与衬底形成良好的接触，需要将表面形成的自然氧化层去除干净。如果采用蒸发工艺做背金，一般采用湿法刻蚀工艺去除自然氧化膜，而如果用溅射工艺做背金，则可以用RF（射频）刻蚀方式去除自然氧化膜。

　　尽管在器件结构上与VDMOSFET相似，IGBT的制造远比VDMOSFET的制造要难得多。从传统的PT型IGBT到后来的NPT型IGBT，在工艺上又增加了难度。与VDMOSFET的制造相比，PT型IGBT需要生长两层外延层，N+与N-，这在制造工艺上有更大的难度，而且这一工序也是影响成品率的重要因素。另外，IGBT还需要使用电子束照射，以改善器件性能。对于NPT型IGBT，虽然不再使用外延层，但需要在衬底被研磨之后，进行背面刻蚀、背面注入和背面金属化等超薄片处理工艺。普通的VDMOSFET生产线是不具备这些功能的，因此需要投入大量的资金以购买相应的设备。当然，工艺技术上进一步的改善将继续提高IGBT的性能。

　　国内外功率半导体企业实力悬殊

　　飞兆半导体(Fairchild)公司、意法半导体(STM)公司、国际整流器(IR)公司、三菱(Mitsubishi)公司及英飞凌(Infineon)公司等国际大公司都采用先进的技术加工制造功率半导体器件。例如，国际整流器公司的HEXFET技术、英飞凌的CoolMOS技术和Trench+Field-StopIGBT技术、飞兆半导体的PowerTrenchN-chMOSFET技术等。

　　这些国际化大公司技术实力雄厚，产能规模与销售额巨大。我国也有多家芯片厂加工制造功率MOSFET，与国外大公司相比，我国功率半导体器件制造公司的规模还普遍偏小，技术与国外公司相比也有较大的差距。

　　在我国功率半导体制造企业中，有的公司是IDM(集成器件制造商)模式的，也有的是Foundry(代工厂)模式的。如，吉林华微电子股份有限公司(4英寸、5英寸与6英寸生产线)、珠海南科集成电子有限公司(6英寸生产线)、杭州士兰微电子股份有限公司(5英寸生产线)、深圳深爱半导体有限公司(5英寸生产线)、绍兴福兴微电子有限公司(5英寸生产线)等的功率半导体芯片生产线选择走IDM模式；而华润上华科技有限公司(8英寸生产线)、无锡华润晶芯半导体有限公司(6英寸生产线)和天津中环半导体股份有限公司(6英寸生产线)等的功率半导体芯片生产线则选择走代工厂的道路。但无论是选择IDM模式，还是选择代工厂模式，这些企业都在为节约能源和绿色环保做着贡献。

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　　功率半导体节能降耗中扮演重要角色

　　世界文明发展到今天，越来越多威胁人类生存环境的危机显现出来。节约能源与寻找新型可再生替代能源成为全世界人们面临的重要课题。

　　在能源消耗中，电能的消耗是巨大的。电力、工业制造、个人电脑、网络通信、照明和消费电子等领域使用着大量的电子系统，这些电子系统包括电机、电源和各种电路。当它们处于工作状态甚至是待机状态时，都要消耗大量的能源。

　　而通过对这些电机、电源和电路配套驱动器、转换器和控制器进行合理的电源管理，将能够使整个系统的功耗降低下来。另外，使用新型的功率半导体分立器件来替代老的功率半导体分立器件，将进一步使系统的功耗降低。

　　被业界广泛应用的功率半导体分立器件包括肖特基管、快恢复二极管、双极型功率晶体管、功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、单/双向晶闸管、IGBT等等。随着应用的不断增加，电源管理IC(集成电路)的种类也越来越多，有由功率管及其管理电路构成的简单模块IC，也有由多个模块集成在一起的复杂IC。典型的电源管理IC有电池充电IC、LDO(低压差线性稳压器)、DC/DC(直流/直流)转换器、AC/DC(交流/直流)转换器、PFC(功率因数校正)控制器、LED(发光二极管)驱动器、CCFL(冷阴极荧光灯)驱动器以及PMU(电源管理单元)等等。

　　功率半导体器件有着广泛的应用前景。例如，今天，为替代燃油/燃气汽车，人们正在研发商用电动及混合动力汽车，而在这些应用中需要使用大量的功率半导体器件。使用新型功率半导体分立器件和电源管理IC是降低电源消耗的重要措施，它为环境的改善带来了新的希望。为此，联合国国际能源署以及多个国家的政府部门已经出台了鼓励政策以及引导性措施，比如“1瓦倡议”、“能源之星计划”等，以推动相关产业的发展和产品的应用。