性能差异化功率器件制造面临多重挑战

不同应用对功率半导体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，这些新的需求又对功率半导体器件的生产工艺提出了种种新的挑战。

天津中环半导体股份有限公司技术部部长饶祖刚表示，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。