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对功率半导体器件生产工艺提出新挑战

2008年07月02日 10:53中国机床商务网点击:2745

    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。 

    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。  
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