硅基动力semi面临挑战

功率半导体供应商继续基于传统硅技术开发和运输器件，但硅已接近极限，并面临来自GaN和SiC等技术的日益激烈的竞争。

作为回应，该行业正在寻找扩展传统硅基电力设备的方法。至少在短期内，芯片制造商正在努力提高性能，延长技术寿命。

功率半导体是专用的晶体管，用于许多低到高电压的应用，如汽车、工业、电源、太阳能和火车。这些晶体管就像设备中的开关一样，允许电流在“开”状态下流动，并在“关”状态下停止。它们提高了系统的效率，最大限度地减少了能量损失。

多年来，功率半导体市场一直由硅基器件主导，即功率场效应管、超结功率mosfet等绝缘栅双极晶体管(igbt)。这些设备在20世纪70年代首次商业化，如今几乎在每个系统中都能找到。这些产品成熟且价格低廉，但它们也有一些缺点，在某些情况下已达到理论上的性能极限。

这就是为什么许多供应商也在开发和运输一种基于两种宽带隙半导体的新型功率器件出(甘)和碳化硅(原文如此)。一段时间以来，基于GaN和sic的功率器件在各个细分领域与硅igbt和mosfet竞争。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，但也增加了一定程度的困惑。事实证明，没有一种动力设备可以满足系统中的所有要求。这就是为什么客户需要一系列具有不同电压等级和价格点的选择。

GaN和SiC器件最近成为人们关注的焦点。它们更新，并提供各种令人印象深刻的属性。但成熟的硅基器件也很重要，而且它们不会很快消失。硅基器件继续发展，尽管速度比前几年慢了一些。

“今天，我们看到硅仍将是功率MOSFET的主导形式，约占市场的60%，即使是宽带隙技术的出现，”Bob Yee说，该公司的应用管理总监英飞凌该公司是全球最大的功率半导体供应商。“宽带隙将填补并占据硅的空间，它可以增加更多的价值，并将使硅无法实现的新应用成为可能。也就是说，宽带隙与硅是互补的。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，硅基功率半器件(包括igbt和mosfet)仍占整个市场的80%左右。在硅领域有几项活动正在进行，包括:

•供应商正在推出新的硅基功率mosfet、超结器件和igbt系列。
•在研发方面，该行业正在推进硅基mosfet和igbt。
•Lam Research和其他研究人员已经开发了用于动力半卡车的新设备。

图1:当今的电源开关如何分类。来源:英飞凌

什么是幂半?
功率半器件广泛应用于电力电子领域。使用固态设备，电力电子控制和转换各种系统中的电力，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)。今天的数字CMOS fet由一个源，栅极和漏极组成，这些源，栅极和漏极建立在硅的顶部。在工作中，一个电压加到栅极上，使电流从源流向漏极。

相比之下，igbt和大多数功率mosfet是垂直器件，源极和栅极在器件的顶部，漏极在底部。在工作中，一个电压被施加到栅极和电子在垂直方向移动。垂直方向支持更高的电流和电压。

还有其他不同之处。在传统的mosfet中，芯片制造商每一代都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。在功率器件方面，供应商也在缩小晶体管，但还没有到数字CMOS的程度。

“如果你考虑到mosfet和igbt，它们在规模和效率方面正在经历自己的轨迹，”该公司战略营销高级总监Michelle Bourke说林的研究．“有些人可能会说，与CMOS相比，它的功能更大。但是为了达到设备性能所需要的垂直度和轮廓控制与我们在Lam中遇到的一些CMOS问题一样具有挑战性。所以虽然从设备的角度来看，这些功能仍然很大，但从开发的角度来看，这是我们所做过的最具挑战性的过程之一。我们正在让这种情况发生。”

一般来说，对于功率半器件，最重要的考虑因素是其他参数，如电压(V)、Rds(on)和栅电荷。每个功率半器件都有一个额定电压(V)，“在VDSS中，‘V’是允许的最大工作电压，或漏源极电压规格，”EPC首席执行官Alex Lidow解释道。

导通电阻，或Rds(on)，是源和漏之间的电阻值。栅极电荷是开启设备的电荷量。Ron x A很重要。“半导体行业的成本优化一直与芯片收缩有关。这个规则同样适用于电力设备。Ron x A是一个关键的优点数字，描述了提供功率器件的特定器件性能所需的硅面积。通常，当我们开发新的电力技术时，我们通过降低新技术的Ron X A面积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。这些成本效益可以传递给客户，是成本路线图的核心，”英飞凌的Yee说。

几种功率半选择，以适应不同的应用。在硅前沿，选择包括功率mosfet，超结功率mosfet和igbt。功率mosfet被认为是最便宜和最受欢迎的设备，用于适配器，电源和其他产品。它们用于25至500伏的应用。

超结功率mosfet是一种增强型mosfet，用于500至900伏的系统。与此同时，领先的中端功率半导体器件是IGBT，用于1200伏至6.6千伏的应用。

硅基功率器件在各个领域与GaN和SiC竞争。GaN和SiC都有一些令人印象深刻的特性。SiC的击穿电场强度是硅的10倍，带隙是硅的3倍。GaN超过了这些数字。

Lam Research战略营销董事总经理大卫•海恩斯(David Haynes)表示:“宽带隙半导体具有关键优势，但它们将与硅基技术并立。”“硅基技术将会存在很长一段时间。他们已经建立得很好了。硅基电力设备方面有很多研究和技术开发。”

图2:平面与沟槽MOSFET模具层。来源:英飞凌

1969年，日立描述了世界上第一个功率MOSFET。随着时间的推移，越来越多的公司进入功率MOSFET市场，它成长为一个大业务。

根据Yole Développement的数据，到2020年，整体功率MOSFET市场规模为75亿美元。Yole称，该市场正以每年3.8%的温和速度增长。据Yole称，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至500伏的应用，几乎在每个系统中都能找到。通常，这些器件在200mm和300mm晶圆厂生产。

多年来，功率mosfet得到了改进。在20世纪70年代，第一个器件是基于平面栅极结构，根据B. Jayant Baliga在他的书中题为“功率半导体器件基础”。IGBT的发明者Baliga是北卡罗莱纳州立大学的教授。

这种功率MOSFET在顶部有一个源极和栅极，在底部有一个漏极。它有时被称为平面功率MOSFET。

然后，在20世纪90年代，根据Baliga的说法，供应商搬到了一个基于沟渠的大门结构。它仍然是一个垂直设备。但与具有水平栅极结构不同，基于沟槽的功率MOSFET在结构中具有垂直栅极。基于沟槽的功率mosfet能够以更小的模具尺寸实现更高的密度。

随着时间的推移，供应商使用平面和垂直闸门，这取决于应用。他们还从设计和制造方面采用了各种创新，这使他们能够继续改进他们的设备。

例如，最近英飞凌推出了其最新的功率MOSFET系列- OptiMOS 6。这些设备的Rds(on)比上一代低18%。

其他供应商正在运送新的功率mosfet。此外，供应商正在开发更新的技术。例如，Applied Novel Devices (AND)正在开发具有gan类性能的功率MOSFET。SkyWater是AND的代工合作伙伴。

英飞凌的Yee说:“随着每一代硅的迭代，我们都减小了沟槽的电池间距。“这就是说，我们降低了Rds(在)x A(面积)。这将导致较低的性能值，从而允许应用程序更快地切换。Rds(on) 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。”

然而，推进功率mosfet仍面临挑战。Yee说:“在保持器件热特性的同时，进一步降低性能值[Rds(on) x栅电荷]始终是一个挑战。”

虽然厂商们正在想方设法通过新设备获得更高的性能，但他们也在调整自己在晶圆厂的制造流程。一般来说，功率MOSFET工艺已经成熟，但还存在一些问题。

在晶圆厂，供应商使用许多相同的工艺步骤，平面和沟槽栅功率mosfet，但有关键的区别。对于这两种技术，第一步都是在衬底上沉积薄的N+外延层。这一层叫做漂移区。

掩模层沉积在设备上。掩模层覆盖设备的顶部，除设备两侧的边缘外。据北卡罗来纳州立大学的巴利加介绍，这些边缘被植入了p型掺杂剂。

外延层的厚度是关键。Epi层厚度与最终器件的阻塞电压直接相关。“(例如)，更厚、更轻掺杂的epi(堆栈)支持更高的击穿电压，但会增加导通电阻，”Alpha和Omega半导体公司表示。

然后在设备上形成沟槽。沟槽的尺寸是根据原始设计确定的。在某些情况下，沟槽的尺寸可能为1.5μm或更小。

为了形成沟槽，另一个掩膜层沉积在设备上。这一次，暴露中间部分，植入n型掺杂剂。

为了形成沟槽，氧化物沉积在表面。壕沟是有图案的，然后蚀刻。沟渠里填满了大门材料。最后，形成源和漏。

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SF蚀刻₆/ O₂等离子体的过程。

“这是大多数人使用的方法。侧壁平滑和底部圆润是关键。旧金山₆/ O₂SPTS的产品管理副总裁Dave Thomas说:“这种方法可以合理地选择硬掩模，并允许您拥有相对较高的深度和宽高比心理契约公司。“SF的局限性之一₆/ O₂连续方法是你要达到的绝对深度。你只能到达一个你不能再保持侧壁质量的点。这是由于保持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SF6和O2的比例)。因此，对于更深层次的结构，博世工艺更为合适。然后，通过最大限度地减少博世蚀刻扇贝，重点回到了侧壁的平滑。”

推进超结mosfet
与此同时，功率mosfet也有一些局限性。所以几年前，业界开发了超结功率mosfet。超结器件仍以硅为基础，用于500至900伏的应用。

这些器件类似于功率mosfet。最大的不同是，超结mosfet结构中包含垂直的高纵横比P/N柱，这具有一些优点。

“超结功率mosfet能够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。“在每一代产品中，我们都在不断改进设备参数，例如1)Rds(on);2)降低栅费;3) Eoss(能量存储在输出电容中)。”

图3:标准MOSFET (L)和超结MOSFET (R)截面图来源: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。新一代正在酝酿中。此外，Alpha和Omega、Magnachip、Rohm、Toshiba等公司正在推出新的超结功率mosfet。

然而，总的来说，超级结技术已经达到了极限。Yee说:“经过20年的发展，在Rds(on) x a方面，超级结功率mosfet存在物理限制。”“但仍会有几代超级结的改进。宽带隙的出现无疑将在未来几年取代对性能提升的追求。重申一下，在可预见的未来，超结mosfet将与宽带隙技术共存。”

供应商仍在寻找扩展超级结设备的方法，但仍存在一些挑战。传统上，为了在晶圆厂制造超结mosfet，供应商将多个外延层堆叠在衬底上。在每一层，都有一个掩蔽和植入步骤。这反过来又在装置中形成p型支柱。然后，形成源、漏、门。

这种方法有效，但是得到的N型和p型结构更大。这反过来又影响了模具的尺寸。

因此，在2008年，电装开发了一种不同的方法，并在市场上获得了动力。在这种流动中，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。

然后，根据Denso的说法，p型材料沉积在沟槽中，形成p型柱子。这就产生了具有交替P/N列的设备。栅极、源极和漏极形成。

“(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，”电装公司的Jun Sakakibara在2008年的原始论文中说。

这里存在一些制造挑战，即在结构中制造高纵横比(HAR)沟槽。

“制造超结mosfet有不同的机制，”Lam的Haynes说。“其中许多都涉及高纵横比沟槽蚀刻。纵横比可以是40:1到50:1。越来越多的情况下，纵横比可以高达80:1或100:1。这对硅蚀刻技术是一个新的挑战。与IGBT或传统的MOSFET沟槽不同，这些极深的HAR超结MOSFET沟槽不能使用CMOS制造中使用的稳态蚀刻工艺进行蚀刻。”

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

在RIE中，第一步是蚀刻出结构的一部分，然后钝化它。然后，重复这个过程，直到蚀刻完成。这被称为博世过程。

多年来，一些供应商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，以应对这里的HAR挑战。Lam的新工具名为Syndion GP，可为所有电力设备和其他产品提供深度硅蚀刻功能。支持200mm和300mm晶圆。

Haynes表示:“我们生产功率器件的客户可能会在同一条生产线上生产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态和深层RIE过程的能力。”

igbt的下一步是什么?
与此同时，igbt仍然是领先的中端功率设备。igbt是垂直器件，结合了mosfet的开关速度和双极器件的导电性。

据Yole称，2020年igbt的业务规模为54亿美元，预计每年将增长7.5%。富士、英飞凌、利特尔夫斯、三菱、安森半导体、东芝等公司在这里竞争。

这些设备用于汽车、消费和工业应用。在一些纯电动汽车(bev)中，igbt用于牵引逆变器，为电机提供牵引力以推动车辆。

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

特斯拉在其Model 3纯电动汽车的牵引逆变器中使用了具有竞争力的SiC功率器件。展望未来，BEV制造商可能会同时使用igbt和SiC器件作为功率逆变器。

多年来，igbt得到了改进。去年，英飞凌推出了基于第七代IGBT系列的新模块。采用微模式沟槽技术，该器件的开关损耗比以前的产品低24%。

与功率mosfet一样，igbt由平面或沟槽栅结构组成。在更先进的基于沟槽的igbt中，该过程首先在衬底上沉积四个交替外延层(P-N-P-N)。

表面经历p型注入步骤。然后，为了形成沟槽，该结构被刻蚀。然后用栅极材料填充沟槽结构。最后，使用沉积技术，在顶部形成发射极，而在底部开发集电极。

igbt已经存在了几十年，但最新的设备存在几个制造挑战。Lam的Haynes说:“以igbt为例，通过制造越来越薄的晶圆来降低导通电阻，同时也提高了功率密度。”“随着功率密度的增加，堑壕的密度也会增加。你从过去的正方形或六角形阵列到非常密集的沟槽。”

沟槽的纵横比也增加了。“现在，你使用的特征尺寸可能是7到10微米深。随着图案密度的增加，纵横比也在增加，”海恩斯说。“但在RIE蚀刻过程中，你需要良好的轮廓控制。它们在非常高的电压下工作。沟槽的任何变形，或沟槽轮廓的任何不均匀，都可能导致故障。”

还有其他挑战。“在晶圆的正面，你正在对栅极和源(MOSFET)/发射极(IGBT)连接进行接触金属化。由于功率器件涉及大电流，金属必须比普通半导体器件更厚，”KLA SPTS公司PVD产品管理高级总监Chris Jones说。“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10μm厚的任何东西。触点往往是长沟槽结构，但圆形或槽型触点也可以存在。尺寸一般为宽1 ~ 2μm，宽宽比较低。但当人们使用更先进的设备时，他们可能会将接触尺寸缩小到0.5μm宽，纵横比为2:1。将铝置于低纵横比触点是相对容易的。但要把它挤进狭窄的缝隙，你必须使用更先进的工艺。”

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硅基igbt。然后，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，几个实体提交了一篇关于3.3kV背门IGBT (BC-IGBT)的论文。东京大学、三菱、东芝和其他机构为这项工作做出了贡献。

BC-IGBT由结构的顶部和底部的栅极组成。东京大学的研究人员Takuya Saraya在论文中说:“IGBT的一个主要缺点是它的开关频率相对较低，这是由于电荷载流子在其基底区域的积累。”“通过使用背面MOS栅极来加速电子流失和阻止空穴注入，可以减少60%以上的关断损耗。”

开发后门IGBT的一种方法是制造两个独立的器件，然后将它们结合在一起。但这也增加了成本。

在BC-IGBT技术中，研究人员开发了一种传统的IGBT。然后他们在设备底部实施了常规的沟槽处理。两个大门都对准了。

结论
硅基半动力电池还会存在很长一段时间，而且没有迹象表明它们会消失。但氮化镓和碳化硅器件正在大举进军。因此，系统制造商有多种选择来满足功率半导体的需求。

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