硅基功率半导体面临挑战_风闻

功率半导体供应商在持续开发和交付基于传统硅技术的设备，但硅已接近它的性能极限，并面临来自 GaN 和 SiC 等技术的日益激烈的竞争。

作为回应，业界正在寻找扩展传统的硅基功率器件的方法。至少在短期内，芯片制造商正在努力提高性能并延长技术的应用时间。

功率半导体是用于从低压到高压多种应用场景的专用晶体管，例如汽车、工业、电源、太阳能和火车。这些晶体管像设备中的开关一样工作，允许电流在“开”状态下流动并在“关”状态下停止。它们提高了设备的运作效率，并最大限度地减少了设备系统中的能量损失。

多年来，功率半导体市场一直由硅基器件主导，即功率 MOSFET、超结功率 MOSFET 和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。这些硅基器件于上世纪70年代首次实现商业化，如今几乎在每个系统中都能找到。这些产品在技术上比较成熟且价格低廉，但它们也有一些缺点，并且在某些情况下达到了理论性能极限。

这就是为什么许多供应商也在开发和交付基于两种宽带隙半导体——氮化镓(GaN) 和碳化硅(SiC) 的新型功率器件。在一段时间里，市场上GaN和硅基功率器件在不同领域与硅基IGBT和硅基MOSFET竞争。虽然GaN 和 SiC 器件效率更高，但它们也更昂贵。

总的来说，这些不同类型的功率半导体为客户提供了选择，但它们也增加了一定程度的混乱。事实证明，没有一种功率器件可以满足系统中的所有要求。这就是客户需要一系列具有不同额定电压和价位的选项的原因。

**GaN 和 SiC 器件在近期备受关注。**它们是新一代半导体，并提供了各种令人印象深刻的属性。但成熟的硅基器件也很重要，它们不仅不会很快消失，而且会继续发展，尽管速度比前几年慢。

全球最大功率半导体供应商英飞凌的应用管理总监 Bob Yee 表示：“今天我们看到，即使宽带隙技术出现，硅仍将是功率MOSFET的主导形式，约占市场的60%。”

他还表示：“宽带隙将填补并占据硅的空间，从而增加更多价值，并将在硅无法实现的地方实现新的应用。也就是说，宽带隙是对硅的补充，但在可预见的未来，硅仍将是主力。”

换句话说，所有技术都有一席之地。总而言之，基于硅的功率半导体器件，包括 IGBT 和 MOSFET在内，仍占整个市场份额的 80% 左右。如今在硅的竞技场上已经发生了几项大事，包括：

• 供应商正在推出新系列的硅基功率MOSFET、超级结器件和IGBT。

• 在研发方面，业界正在推进基于硅的 MOSFET 和 IGBT。

• Lam Research 和其他公司开发了用于功率半导体的新设备。

 

图 1：当今电源开关的分类。资料来源：英飞凌

01****什么是功率半导体？

功率半导体用于电力电子领域，使用固态设备，用电力电子控制、转换各种系统中的电力，例如汽车、电机驱动器、电源、太阳能和风力涡轮机。

这些器件不同于传统的金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)。当今的数字 CMOS FET 由构建在硅顶部的源极、栅极和漏极组成。在操作中，向栅极施加电压，使电流从源极流向漏极。

相比之下，IGBT 和大多数功率 MOSFET 是垂直器件，源极和栅极位于器件顶部，漏极位于底部。在操作中，向栅极施加电压并且电子沿垂直方向移动，垂直方向支持更高的电流和电压。

同样地，它们还有其他差异。在传统的 MOSFET 中，芯片制造商在其每一代都会缩小晶体管的特征尺寸，从而使芯片具有更高的晶体管密度。在功率器件中，供应商也在缩小晶体管，但还没有达到数字 CMOS 的程度。

Lam Research战略营销高级总监 Michelle Bourke 表示：“如果要探讨 MOSFET 和 IGBT，它们在规模和效率方面其实正在经历自己的发展轨迹。” “有些人可能会说，与 CMOS 相比，它们的功能很强大。但是，为达到该设备性能所需的垂直度和配置文件控制，这与我们在公司中遇到的CMOS 问题一样具有挑战性。因此，虽然从设备的角度来看，这些功能仍然很强大，但从开发的角度来看，这是我们完成的最具挑战性的过程之一。我们正在实现这一点。”

通常来说，对于功率半导体最重要的考虑因素是其他参数，例如电压 (V)、Rds(on) 和栅极电荷。每个功率半导体器件都有一个额定电压 (V)。“VDSS 中的 ‘V’ 是最大允许工作电压，或漏源电压规格。”EPC 首席执行官 Alex Lidow 解释道。

On电阻或Rds（On）是源极和漏极之间的电阻值，栅极电荷是开启设备的电荷量，Rds(on) x A (area) 很重要。“半导体业务的成本优化一直与芯片缩小相关，此规则也适用于功率器件。Ron x A 是一个关键品质因数，它描述了提供功率器件的特定器件性能所需的硅面积。通常，当我们开发新的电源技术时，我们通过降低新技术的 Ron x A 来获得的成本优势超过了通常更复杂的生产过程的额外成本。这些成本效益可以移交给客户，这是降低成本路线图的核心。”英飞凌的 Yee 说。

为了适应不同的应用，目前有多种功率半导体选项可供选择。在硅方面，可选择的包括功率 MOSFET、超结功率 MOSFET 和 IGBT：

功率 MOSFET 被认为是最便宜和最受欢迎的器件，用于适配器、电源和其他产品，用于 25 V-500 V的应用。

超结功率 MOSFET 是增强型 MOSFET，用于 500 V-900 V系统。同时，领先的中端功率半导体器件是用于 1,200 V-6.6 kV应用的 IGBT。

硅基功率器件在各个领域与 GaN 和 SiC 竞争。GaN 和 SiC 都具有一些令人印象深刻的特性。SiC 提供 10 倍的击穿电场强度和 3 倍的硅带隙，GaN 则超过了这些数字。

“宽带隙半导体具有关键优势，但它们将与基于硅的技术并行存在。”Lam Research 战略营销董事总经理 David Haynes 说。“基于硅的技术将持续很长时间，它们非常成熟，而在基于硅的功率器件方面，也在进行着大量的研究和技术开发。”

图 2：平面与沟槽 MOSFET 芯片层。资料来源：英飞凌

1969 年，日立公司向我们介绍了世界上第一个功率 MOSFET。随着时间的推移，越来越多的公司加入到功率 MOSFET 市场，功率 MOSFET 同时也发展成一项大产业。

根据 Yole Développement 的数据，2020 年，整个功率 MOSFET 市场的业务规模为 75 亿美元。Yole 称，该市场正以每年 3.8% 的平稳速度增长。其中，英飞凌是最大的功率 MOSFET 供应商，其次是许多其他供应商。

功率 MOSFET 用于 25 V- 500 V的应用，几乎在每个应用系统中都可以找到。通常来说，它们由 200 mm和 300 mm的晶圆厂制造。

多年来，功率 MOSFET 得到了改进。根据 B. Jayant Baliga 在其《功率半导体器件基础》一书中的说法，在上世纪70年代，第一批器件是基于平面栅极结构。Baliga 是 IGBT 的发明者，一名来自北卡罗来纳州立大学的教授。

这个功率 MOSFET 的顶部有一个源极和栅极，底部有一个漏极，它有时也被称为平面功率 MOSFET。

根据 Baliga 的说法，在上世纪90年代，供应商转向基于沟槽的栅极结构，它仍然是一个垂直设备，但基于沟槽的功率 MOSFET 不具有水平栅极结构，而是在结构中具有垂直栅极。这种基于沟槽的功率 MOSFET 能够以更小的芯片尺寸实现更高的密度。

随着时间的推移，供应商根据应用同时使用了平面和垂直栅极。他们还利用了设计和制造领域的各种创新，以便继续改进产品。

例如，最近英飞凌推出了最新的功率 MOSFET 系列 — OptiMOS 6。这些器件的 Rds(on) 比上一代产品低 18%。

其他供应商也正在出货新的功率 MOSFET。此外，它们正在研究更新的技术，例如，Applied Novel Devices (AND) 正在开发具有类 GaN 性能的功率 MOSFET，SkyWater 是 AND 的代工合作伙伴。

“随着硅的每一代迭代，我们减小了沟槽的单元间距。”英飞凌的 Yee 说。“这就是说我们正在降低 Rds x A ，这会导致品质因数较低，从而使应用程序更快地切换。Rds x A 的降低使供应商能够降低 MOSFET 的总体成本，同时提高性能。”

尽管如此，推进功率 MOSFET 仍存在挑战。“在保持器件热特性的同时，进一步降低性能因数[Rds（on）x栅极电荷]，始终是一个挑战。”Yee说。

虽然供应商正在寻找通过新设备获得更高性能的方法，但他们也在调整晶圆厂的制造工艺。一般来说，功率MOSFET工艺已经成熟，但也存在一些问题。

在晶圆厂中，供应商对平面栅极和沟槽栅极功率 MOSFET 使用了许多相同的工艺步骤，但存在关键差异。这两种技术的第一步都是在衬底上沉积一层薄的 N+ 外延层，该层称为漂移区。

在器件上沉积掩模层，掩模层覆盖设备顶部，但设备两侧的边缘除外。根据Baliga 的说法，边缘植入了P型掺杂剂。

epi堆叠的厚度是关键。外延层的厚度与最终器件的阻断电压直接相关。根据AOS万国半导体的说法：“例如，更厚、更轻掺杂的epi（堆栈）支持更高的击穿电压，但导通电阻增加。”然后，在器件上形成沟槽。沟槽的尺寸由原始设计确定。在某些情况下，沟槽尺寸可能为1.5μm或更小。

为了形成沟槽，还要在器件上沉积另一个掩模层。这次，中间部分被暴露，其中注入了N型掺杂剂。

为了形成沟槽，还要在表面上沉积氧化物，沟槽被图案化，然后被蚀刻。沟槽填充有栅极材料，最后形成源极和漏极。

所有这些步骤都很重要，尤其是蚀刻过程。使用蚀刻工具，功率MOSFET中的沟槽通常使用SF6/O2等离子体工艺进行蚀刻。

KLA公司SPTS产品管理副总裁戴夫·托马斯（Dave Thomas）说：“这是大多数晶圆厂使用的方法。侧壁平滑度和底部圆整度是关键。SF6/O2方法让你对硬口罩有合理的选择性，并允许你拥有相对较高的深度和纵横比。SF6/O2连续法的一个限制是你将要达到的绝对深度，你只能达到一个不能再保持侧壁质量的特定点。这是由于防止硅蚀刻移动和通过氧化保护蚀刻侧壁之间的微妙平衡（即平衡SF2和O2的比率）。因此，对于更深层次的结构，Bosch工艺（一种刻蚀工艺）更合适。然而，关键点是通过最小化Bosch蚀刻扇形孔，使侧壁光滑。”

02****先进的超结MOSFET

功率 MOSFET 也有一些局限性，因此在几年前，业界开发了超结功率MOSFET。超结器件仍以硅为基础，用于 500 V-900 V的应用。

这些器件类似于功率 MOSFET。最大的区别在于，超结功率MOSFET在结构内由垂直的高纵横比P/N柱组成，具有一些优势。

“超结功率 MOSFET 可在更小的空间内实现更大的功率。其次，它为关键任务应用提供了可靠性。”英飞凌的 Yee 说。“每一代，我们都在不断改进设备参数，例如Rds(on)、降低栅极电荷以及Eoss（存储在输出电容中的能量）。”

图 3：标准 MOSFET (L) 和超结 MOSFET (R) 的横截面。资料来源：英飞凌

事实上，这些设备还在不断发展。例如，英飞凌的超结功率 MOSFET 系列，称为 CoolMOS，目前已进入第七代，新一代正在酝酿之中。此外，Alpha 和 Omega、Magnachip、Rohm、Toshiba 等公司正在出货新的超结功率 MOSFET。

然而，一般来说，超结技术正在达到自己的极限。“经过 20 年的发展，超级结功率 MOSFET 在 Rds(on) x A 方面存在物理限制，但仍然会有几代超级结的改进。宽带隙的出现无疑将在未来几年接替这种对性能提升的追求。重申一下，在可预见的未来，超结 MOSFET 将与宽带隙技术共存。”Yee 说。

供应商仍在寻找扩展超结器件的方法，但也存在一些挑战。按照传统，为了在晶圆厂中制造超级结 MOSFET，供应商会在基板上堆叠多个外延层。在每一层都有一个掩膜和注入步骤，这又在器件中形成 P 型柱，然后形成源极、漏极和栅极。

这种方法有效，但产生的 N 型和 P 型结构更大，这反过来又会影响芯片尺寸。

因此，在 2008 年，DENSO公司开发了一种不同的方法，并在市场上获得了成功。在该流程中，N型外延层沉积在衬底上，接下来，使用蚀刻工具，在外延层中以高纵横比形成垂直沟槽。

接着，根据DENSO的说法，P 型材料被沉积在沟槽中，形成 P 型柱。这导致设备具有交替的 P/N 列。形成栅极、源极和漏极。

“（这种方法）改善了击穿电压和特定导通电阻之间的权衡关系。”DENSO 的 Jun Sakakibara 在 2008 年的原始论文中说。

这里存在一些制造挑战，即在结构内制作高纵横比 (HAR) 沟槽。

“制造超级结 MOSFET 有不同的机制，其中许多涉及高纵横比沟槽蚀刻。这些纵横比可以是 40:1 到 50:1，并且越来越多的纵横比可以高达 80:1 或 100:1。这是硅蚀刻的一系列新挑战。与 IGBT 或传统 MOSFET 沟槽不同，这些极深的 HAR 超级结 MOSFET 沟槽无法使用 CMOS 制造中使用的稳态蚀刻工艺类型进行蚀刻。”LAM 的 Haynes 说。

换句话说，它需要一种不同的解决方案，即反应离子蚀刻 (RIE) 工具。“它们需要使用深度反应离子蚀刻工艺进行蚀刻，该工艺在蚀刻和侧壁钝化沉积之间切换，以实现深度蚀刻能力。”Haynes 说。

在 RIE 中，第一步是蚀刻掉结构的一部分，然后将其钝化。然后重复该过程，直到蚀刻完成。这称为Bosch工艺。

多年来，一些供应商已经为这些应用程序开发了 RIE 工具。例如，LAM 最近推出了一种新的 RIE 工具设计来应对 HAR 挑战。LAM 的新工具 Syndion GP 为所有功率器件和其他产品提供深度硅蚀刻能力，它支持 200mm 和 300mm 晶圆。

“我们制造功率器件的客户可能在同一条生产线上制造 IGBT、MOSFET 和 SJ-MOSFET，因此在开发 Syndion GP 工具时，我们希望在同一工具中同时提供稳定状态和深度 RIE 工艺的功能。”Haynes 说。

03****IGBT 的下一步是什么？

与此同时，IGBT 仍然是领先的中档功率器件。IGBT 作为一种垂直器件，结合了 MOSFET 的开关速度和双极器件的导电性。

据 Yole 称，IGBT 在 2020 年的业务价值为 54 亿美元，预计每年增长 7.5%。富士、英飞凌、Littlefuse、三菱、安森美、东芝等都在这里展开竞争。

这些器件用于汽车、消费和工业应用。在一些电池电动汽车 (BEV) 中，IGBT 用于牵引逆变器，它为电机提供牵引力以驱动车辆。

图 4：显示 MOSFET 和双极器件内部连接的 IGBT 横截面。资料来源：Wefoij/维基百科

特斯拉在其 Model 3 BEV 中使用具有竞争力的 SiC 功率器件作为牵引逆变器。展望未来，BEV 制造商可能会同时将 IGBT 和 SiC 器件用于功率逆变器。

多年来，IGBT 得到了改进。去年，英飞凌推出了基于其第七代 IGBT 系列的新模块。基于微图案沟槽技术，这些器件的开关损耗比之前的产品低 24%。

与功率 MOSFET 一样，IGBT 由平面或沟槽栅极结构组成。在更先进的基于沟槽的 IGBT 中，该工艺首先在衬底上沉积四个交替外延层 (PNPN)。

表面经过 P 型注入步骤，之后，为了形成沟槽，对该结构进行构图和蚀刻，然后用栅极材料填充沟槽结构。最后，采用沉积技术，在顶部形成发射极，在底部形成集电极。

IGBT 已经存在了几十年，但最新的器件面临着一些制造挑战。“如果你采用 IGBT，就会通过制造越来越薄的晶圆来降低导通电阻，同时提高功率密度。当你增加功率密度时，你会增加沟槽的密度，可以从过去是方形或六边形的单元阵列，变成非常密集的沟槽。”LAM 的 Haynes 说。

沟槽的纵横比也增加了。“现在使用的特征尺寸可能是 7 到 10 微米深，随着图案密度的接近，纵横比正在增加，但在 RIE 蚀刻工艺中，需要良好的轮廓控制。它们在非常高的电压下工作，沟槽的任何畸形或沟槽轮廓的任何不均匀都可能导致故障。”Haynes 说。

还有其他挑战。“在晶圆的正面，你正在对栅极和源极 (MOSFET)/发射极 (IGBT) 连接进行接触金属化，由于功率器件涉及高电流，因此金属必须比常规半导体器件厚。金属，通常是通过 PVD 沉积的铝合金（通常是 AlSi 或 AlSiCu），可以是 3μm 或高达 10μm 厚的任何东西。接触往往是基于长沟槽的结构，但也可以存在圆形或开槽接触。尺寸通常为 1-2μm 宽，具有低纵横比。但随着人们使用更先进的设备，他们可能会将接触尺寸缩小到 0.5μm 宽度，纵横比为 2:1，将铝放入低纵横比触点相对容易。”KLA 公司 SPTS 的 PVD 产品管理高级总监 Chris Jones 说。

图 5：功率器件 IGBT 工艺流程。来源：ULVAC

尽管如此，供应商仍在继续开发基于硅的 IGBT。在研发方面，供应商和大学正在研究新奇的设备。

例如，在 2020 年 IEDM 会议上，多家实体发表了一篇关于 3.3kV 背栅 IGBT (BC-IGBT) 的论文，东京大学、三菱、东芝等为这项工作做出了贡献。

BC-IGBT由结构顶部和底部的栅极组成。“IGBT的一个主要缺点是由于其基带中电荷载流子的积累，其开关频率相对较低，通过使用背面MOS栅极加速电子漏极和空穴注入阻塞，关断损耗降低了60%以上。”东京大学的研究人员Takuya Saraya说。

开发背栅IGBT的一种方法是制造两个单独的器件，然后将它们连接在一起，但这增加了成本。

在BC-IGBT技术中，研究人员开发了一种传统的IGBT。之后，他们在设备底部实施了传统的沟槽工艺，两扇门都对齐了。

04****结论

基于硅的功率半导体将存在很长时间，并且没有迹象表明它们会永远消失，但 GaN 和 SiC 器件正在大举进军，因此，系统厂商有多种选择来满足功率半导体的需求。

本文原发于：芯世相公众号