性能差異化功率器件制造面臨多重挑戰(zhàn)
[導(dǎo)讀]不同應(yīng)用對功率半導(dǎo)體器件提出了新的需求，包括低功耗、高可靠性、高速度、小尺寸等，這些新的需求又對功率半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)工藝提出了種種新的挑戰(zhàn)。
天津中環(huán)半導(dǎo)體股份有限公司技術(shù)部部長饒祖剛表示，性能不同
不同應(yīng)用對功率半導(dǎo)體器件提出了新的需求，包括低功耗、高可靠性、高速度、小尺寸等，這些新的需求又對功率半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)工藝提出了種種新的挑戰(zhàn)。
天津中環(huán)半導(dǎo)體股份有限公司技術(shù)部部長饒祖剛表示，性能不同的功率半導(dǎo)體器件滿足了差異化應(yīng)用的需求，而這些不同功率半導(dǎo)體器件對制造工藝提出了多重挑戰(zhàn)。
功率器件要滿足差異化應(yīng)用需求
功率半導(dǎo)體器件工作在大功率條件下，除了要具備低功耗的特點(diǎn)外，不同的應(yīng)用還提出了一些新需求。例如，在電動車、混合動力汽車這樣的應(yīng)用中，功率半導(dǎo)體器件需要具備高可靠性，能夠在惡劣條件下(高溫、劇烈機(jī)械振動)工作。而在一些應(yīng)用中，為了滿足系統(tǒng)整體的運(yùn)行速度指標(biāo)，它們對功率半導(dǎo)體器件的工作速度也提出了要求。此外，由于便攜式應(yīng)用具有小尺寸的特點(diǎn)，可供布局的空間很有限，因此它們要求功率器件所占用的面積要盡可能小。
除了上述這些需求外，在應(yīng)用中還要考慮到功率半導(dǎo)體器件一些指標(biāo)的取舍。像耐壓(BVDS)、導(dǎo)通電阻(RDSON)及柵電荷(Qg)等是功率半導(dǎo)體器件的重要性能指標(biāo)，也是一些相互矛盾的指標(biāo)。不同應(yīng)用需要選用耐壓不同的器件；為了降低功耗，需要器件具有更小的RDSON和Qg；為了得到更快的開關(guān)速度，需要盡可能地降低器件的Qg。
功率MOSFET（金屬氧化物場效應(yīng)晶體管）是一種典型的功率半導(dǎo)體器件，是由多子導(dǎo)電的電壓控制型器件，不存在少子儲存效應(yīng)，因此與傳統(tǒng)的由少子導(dǎo)電的電流控制型雙極晶體管相比，功率MOSFET具有工作速度更快的特點(diǎn)。
通常的VDMOSFET(垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散的MOSFET)具有橫向的導(dǎo)通溝道，為了保證器件的耐壓，需要使用適當(dāng)厚度的低摻雜外延層。耐壓越高，需要的外延層電阻越高。耐壓為30V的VDMOSFET，其外延層電阻約占總導(dǎo)通電阻的29%，而耐壓為600V的VDMOSFET，其外延層電阻約占總導(dǎo)通電阻的96.5%。通過采用新技術(shù)，像增加并聯(lián)元胞的數(shù)量，或者降低元胞的RDSON等措施，可以降低器件的RDSON。
在低耐壓(數(shù)十伏)的器件中，TrenchMOSFET(溝槽MOSFET)技術(shù)已被普遍采用。它將導(dǎo)電溝道由橫向變化為縱向，消除了寄生JFET(結(jié)型場效應(yīng)晶體管)電阻，并且元胞的尺寸也大大縮小，并聯(lián)元胞的數(shù)量急劇增加，從而使器件獲得了更低的RDSON，也得到了更低的Qg和更小的尺寸。
而對于較高耐壓(數(shù)百伏)的器件，影響元胞RDSON的重要因素為柵電極下低摻雜、高電阻率的外延層區(qū)域。如果減少外延層的厚度或者降低其電阻率，RDSON將相應(yīng)的降低，但這樣會直接導(dǎo)致BVDS的下降。利用CoolMOS技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)門柵開啟時(shí)，因柵電極下?lián)诫s較高的外延層導(dǎo)通使元胞導(dǎo)通電阻更低，關(guān)斷時(shí)，由于內(nèi)建橫向電場的作用，使柵電極下的外延區(qū)域耗盡而保持其高耐壓。高耐壓CoolMOS與通常的高耐壓VDMOSFET相比，還有很低的Qg，因此有更好的開關(guān)特性。
天津中環(huán)半導(dǎo)體股份有限公司技術(shù)部部長饒祖剛表示，性能不同的功率半導(dǎo)體器件滿足了差異化應(yīng)用的需求，而這些不同功率半導(dǎo)體器件對制造工藝提出了多重挑戰(zhàn)。
功率器件要滿足差異化應(yīng)用需求
功率半導(dǎo)體器件工作在大功率條件下，除了要具備低功耗的特點(diǎn)外，不同的應(yīng)用還提出了一些新需求。例如，在電動車、混合動力汽車這樣的應(yīng)用中，功率半導(dǎo)體器件需要具備高可靠性，能夠在惡劣條件下(高溫、劇烈機(jī)械振動)工作。而在一些應(yīng)用中，為了滿足系統(tǒng)整體的運(yùn)行速度指標(biāo)，它們對功率半導(dǎo)體器件的工作速度也提出了要求。此外，由于便攜式應(yīng)用具有小尺寸的特點(diǎn)，可供布局的空間很有限，因此它們要求功率器件所占用的面積要盡可能小。
除了上述這些需求外，在應(yīng)用中還要考慮到功率半導(dǎo)體器件一些指標(biāo)的取舍。像耐壓(BVDS)、導(dǎo)通電阻(RDSON)及柵電荷(Qg)等是功率半導(dǎo)體器件的重要性能指標(biāo)，也是一些相互矛盾的指標(biāo)。不同應(yīng)用需要選用耐壓不同的器件；為了降低功耗，需要器件具有更小的RDSON和Qg；為了得到更快的開關(guān)速度，需要盡可能地降低器件的Qg。
功率MOSFET（金屬氧化物場效應(yīng)晶體管）是一種典型的功率半導(dǎo)體器件，是由多子導(dǎo)電的電壓控制型器件，不存在少子儲存效應(yīng)，因此與傳統(tǒng)的由少子導(dǎo)電的電流控制型雙極晶體管相比，功率MOSFET具有工作速度更快的特點(diǎn)。
通常的VDMOSFET(垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散的MOSFET)具有橫向的導(dǎo)通溝道，為了保證器件的耐壓，需要使用適當(dāng)厚度的低摻雜外延層。耐壓越高，需要的外延層電阻越高。耐壓為30V的VDMOSFET，其外延層電阻約占總導(dǎo)通電阻的29%，而耐壓為600V的VDMOSFET，其外延層電阻約占總導(dǎo)通電阻的96.5%。通過采用新技術(shù)，像增加并聯(lián)元胞的數(shù)量，或者降低元胞的RDSON等措施，可以降低器件的RDSON。
在低耐壓(數(shù)十伏)的器件中，TrenchMOSFET(溝槽MOSFET)技術(shù)已被普遍采用。它將導(dǎo)電溝道由橫向變化為縱向，消除了寄生JFET(結(jié)型場效應(yīng)晶體管)電阻，并且元胞的尺寸也大大縮小，并聯(lián)元胞的數(shù)量急劇增加，從而使器件獲得了更低的RDSON，也得到了更低的Qg和更小的尺寸。
而對于較高耐壓(數(shù)百伏)的器件，影響元胞RDSON的重要因素為柵電極下低摻雜、高電阻率的外延層區(qū)域。如果減少外延層的厚度或者降低其電阻率，RDSON將相應(yīng)的降低，但這樣會直接導(dǎo)致BVDS的下降。利用CoolMOS技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)門柵開啟時(shí)，因柵電極下?lián)诫s較高的外延層導(dǎo)通使元胞導(dǎo)通電阻更低，關(guān)斷時(shí)，由于內(nèi)建橫向電場的作用，使柵電極下的外延區(qū)域耗盡而保持其高耐壓。高耐壓CoolMOS與通常的高耐壓VDMOSFET相比，還有很低的Qg，因此有更好的開關(guān)特性。
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