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性能差異化功率器件制造面臨多重挑戰
  • 點擊數:842     發布時間:2008-07-08 15:52:35
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 編者按:性能差異化功率器件制造面臨多重挑戰,這些新的需求又對功率半導體器件的生產工藝提出了種種新的挑戰。

    不同應用對功率半導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體器件的生產工藝提出了種種新的挑戰。  

    不同應用對功率半導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體器件的生產工藝提出了種種新的挑戰。  

    天津中環半導體股份有限公司技術部部長饒祖剛表示,性能不同的功率半導體器件滿足了差異化應用的需求,而這些不同功率半導體器件對制造工藝提出了多重挑戰。  

    功率器件要滿足差異化應用需求  

    功率半導體器件工作在大功率條件下,除了要具備低功耗的特點外,不同的應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用中,功率半導體器件需要具備高可靠性,能夠在惡劣條件下(高溫、劇烈機械振動)工作。而在一些應用中,為了滿足系統整體的運行速度指標,它們對功率半導體器件的工作速度也提出了要求。此外,由于便攜式應用具有小尺寸的特點,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,在應用中還要考慮到功率半導體器件一些指標的取舍。像耐壓(BVDS)、導通電阻(RDSON)及柵電荷(Qg)等是功率半導體器件的重要性能指標,也是一些相互矛盾的指標。不同應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(金屬氧化物場效應晶體管)是一種典型的功率半導體器件,是由多子導電的電壓控制型器件,不存在少子儲存效應,因此與傳統的由少子導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。  

    通常的VDMOSFET(垂直導電雙擴散的MOSFET)具有橫向的導通溝道,為了保證器件的耐壓,需要使用適當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通電阻的29%,而耐壓為600V的VDMOSFET,其外延層電阻約占總導通電阻的96.5%。通過采用新技術,像增加并聯元胞的數量,或者降低元胞的RDSON等措施,可以降低器件的RDSON。  

    在低耐壓(數十伏)的器件中,TrenchMOSFET(溝槽MOSFET)技術已被普遍采用。它將導電溝道由橫向變化為縱向,消除了寄生JFET(結型場效應晶體管)電阻,并且元胞的尺寸也大大縮小,并聯元胞的數量急劇增加,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域。如果減少外延層的厚度或者降低其電阻率,RDSON將相應的降低,但這樣會直接導致BVDS的下降。利用CoolMOS技術,可以實現當門柵開啟時,因柵電極下摻雜較高的外延層導通使元胞導通電阻更低,關斷時,由于內建橫向電場的作用,使柵電極下的外延區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,因此有更好的開關特性。 天津中環半導體股份有限公司技術部部長饒祖剛表示,性能不同的功率半導體器件滿足了差異化應用的需求,而這些不同功率半導體器件對制造工藝提出了多重挑戰。  

    功率器件要滿足差異化應用需求  

    功率半導體器件工作在大功率條件下,除了要具備低功耗的特點外,不同的應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用中,功率半導體器件需要具備高可靠性,能夠在惡劣條件下(高溫、劇烈機械振動)工作。而在一些應用中,為了滿足系統整體的運行速度指標,它們對功率半導體器件的工作速度也提出了要求。此外,由于便攜式應用具有小尺寸的特點,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,在應用中還要考慮到功率半導體器件一些指標的取舍。像耐壓(BVDS)、導通電阻(RDSON)及柵電荷(Qg)等是功率半導體器件的重要性能指標,也是一些相互矛盾的指標。不同應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(金屬氧化物場效應晶體管)是一種典型的功率半導體器件,是由多子導電的電壓控制型器件,不存在少子儲存效應,因此與傳統的由少子導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。  

    通常的VDMOSFET(垂直導電雙擴散的MOSFET)具有橫向的導通溝道,為了保證器件的耐壓,需要使用適當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通電阻的29%,而耐壓為600V的VDMOSFET,其外延層電阻約占總導通電阻的96.5%。通過采用新技術,像增加并聯元胞的數量,或者降低元胞的RDSON等措施,可以降低器件的RDSON。  

    在低耐壓(數十伏)的器件中,TrenchMOSFET(溝槽MOSFET)技術已被普遍采用。它將導電溝道由橫向變化為縱向,消除了寄生JFET(結型場效應晶體管)電阻,并且元胞的尺寸也大大縮小,并聯元胞的數量急劇增加,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域。如果減少外延層的厚度或者降低其電阻率,RDSON將相應的降低,但這樣會直接導致BVDS的下降。利用CoolMOS技術,可以實現當門柵開啟時,因柵電極下摻雜較高的外延層導通使元胞導通電阻更低,關斷時,由于內建橫向電場的作用,使柵電極下的外延區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,因此有更好的開關特性。 

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