功率半導(dǎo)體器件與功率集成技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及展望

功率半導(dǎo)體器件與功率集成技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及展望摘要：隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展和電子信息技術(shù)的普及，電力電子技術(shù)受到了社會各界的廣泛關(guān)注，功率集成與電力半導(dǎo)體器件的完美結(jié)合，形成了有鮮明時代特征的電力電子技術(shù)，本文分析了功率半導(dǎo)體器件和功率集成技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和前景。關(guān)鍵詞：功率半導(dǎo)體器件；功率集成技術(shù)；發(fā)展現(xiàn)狀；展望前言：功率集成是電力電子技術(shù)應(yīng)用的前沿領(lǐng)域。在功率集成電路的綜合控制下，電力電子技術(shù)的效率得到了很大的提高，功率半導(dǎo)體在功率集成電路中的應(yīng)用，大大提高功率集成系統(tǒng)的性能，有效降低工人的工作條件，集成系統(tǒng)，降低應(yīng)用程序和應(yīng)用程序的成本。1功率半導(dǎo)體器件及功率集成技術(shù)的發(fā)展趨勢1.1電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展趨勢功率半導(dǎo)體器件包括功率二極管、晶閘管、功率MOSFET、功率柵極雙極晶體管和功率半導(dǎo)體器件寬禁帶。（1）功率MOSFET應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，廣泛應(yīng)用于中小型功率領(lǐng)域的主要功率半導(dǎo)體開關(guān)器件。功率MOSFET來自20世紀(jì)70年代的垂直V型槽MOSFET（VVMOS）。VVMOS發(fā)展基礎(chǔ)上，MOSFET雙垂直（VDMOS傳導(dǎo)力量數(shù)MOSFET），大大降低了開關(guān)的開關(guān)時間和損耗，沖破了電力電子系統(tǒng)中20kHz這一長期被認(rèn)為不可逾越的障礙。目前主要有平面型功率MOS器件、管道柵極和過功率MOS器件。電場和功率效應(yīng)裝置是一種多細(xì)胞自動機，其功率和溫度系數(shù)為正，并聯(lián)以獲得更大的電流。為了降低功率信號的傳導(dǎo)阻力，除了優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)（或研究開發(fā)新結(jié)構(gòu)）外，一種有效的方法是增加單位面積的細(xì)胞數(shù)，即增加細(xì)胞密度。因此，制造了高密度半導(dǎo)體和高性能關(guān)鍵技術(shù)。然而，對于傳統(tǒng)的扁平VDMOS，元胞大小減小受到相鄰VDMOS結(jié)構(gòu)的元胞間效應(yīng)的限制，這導(dǎo)致了低壓低功耗功率槽柵MOSFET的快速發(fā)展，由于功率槽柵結(jié)構(gòu)沒有平面柵功固有的JFTS電阻，功率槽柵單元密度隨著特征尺寸的減小快速提高。（2）電力絕緣柵雙極型晶體管的優(yōu)點是功率MOSFET和雙極功率晶體管，具有更高的電流密度，更高的功率容量，開關(guān)頻率和較雙極型功率晶體管更高的開關(guān)頻率、更寬的安全工作區(qū).這些優(yōu)勢使IGBT在600V以上中等電壓范圍內(nèi)成為主流的功率半導(dǎo)體器件，且正逐漸向高壓大電流領(lǐng)域發(fā)展，擠占傳統(tǒng)SCR、GTO的市場份額。與設(shè)備的研發(fā)人員更好地理解物理，微電子技術(shù)的進(jìn)步，對IGBT漂移區(qū)濃度和非平衡的所謂“集電極工程〃表面電子濃度增強的“柵工程〃，IGBT芯片嵌入流函數(shù)的二極管反向傳導(dǎo)式IGBT（反向進(jìn)行進(jìn)展在IGBT，rc-igbt），短路安全工作區(qū)和抽筋封裝。瑞典ABB已經(jīng)引入了一個新的RC-IGBT，基于新設(shè)備與電源模塊的輸出電流能力達(dá)到2250A/3300V。由于平坦的加固技術(shù)，載波控制技術(shù)和軟穿透技術(shù)，IGBT在未來將繼續(xù)精細(xì)圖形，槽柵的結(jié)構(gòu)，載體注入增強，薄片加工工藝發(fā)展，其中薄片加工工藝極具挑戰(zhàn)（Infenion公司展示了其8英寸、40叩厚的IGBT芯片）。同時，電網(wǎng)應(yīng)用如壓力焊接式IGBT，更加集成化是IGBT的發(fā)展方向，如從低到高功率到RC-IGBT的發(fā)展。（3）寬禁帶半導(dǎo)體器件（SiC和GaN）技術(shù)是一項具有極高軍事和民用價值的戰(zhàn)略性高科技技術(shù)。 它得到了國內(nèi)外許多半導(dǎo)體公司和研究機構(gòu)的廣泛關(guān)注和深入研究，已成為世界新材料、微電子、光電子等領(lǐng)域的研究熱點。近年來，隨著SiC單晶生長技術(shù)的成熟和GaN異質(zhì)結(jié)外延技術(shù)的不斷成熟，寬禁帶功率半導(dǎo)體器件的開發(fā)和使用得到了迅速發(fā)展。（4）電力半導(dǎo)體器件的開發(fā)。提高功率密度和減少損耗一直是功率半導(dǎo)體器件發(fā)展的重點，該工藝平臺的持續(xù)優(yōu)化和各種特定工藝技術(shù)的開發(fā)，包括深槽工藝、超薄圓片、背面擴散、多層連接技術(shù)等。屬于寬禁帶材料有二極管、MOSFET等寬禁帶功率半導(dǎo)體器件，但原材料的缺陷密度仍需進(jìn)一步降低。SiC工藝平臺和GaN工藝平臺（特別是硅基GaN工藝）已經(jīng)成熟。Diamond也將是一個潛在的電力半導(dǎo)體材料。在這兩者中間還有一種混合平臺，嚴(yán)格地說該平臺不是一種器件制造平臺，而是一種功率模塊制造平臺，主要是用特殊封裝技術(shù)制備寬禁帶材料功率器件及硅基功率器件的集成功率模塊，可以大幅提升功率模塊的整體性能，目前最常見的應(yīng)用是硅基IGBT和SiC二極管的集成模塊，預(yù)計此種混合工藝平臺在2035年前會一直被廣泛使用。1.2功率集成技術(shù)的開發(fā)（1） 在二十世紀(jì)八十年代中期以前，集成電路的功率是雙極工藝制成，主要應(yīng)用領(lǐng)域是音頻放大和電機控制，但隨著對邏輯控制部分功能要求的不斷提高，功耗和面積越來越大.對于雙極工藝，由于工藝線面積的減小而產(chǎn)生的小芯片是非常有限的。及極低功耗CMOS器件和工藝線寬減小芯片可按比例減小，因此邏輯部分用CMOS電路來替代雙極型電路成為必然，另外DMOS功率器件可以提供大功率且不需要直流驅(qū)動，在高速開關(guān)應(yīng)用中具有優(yōu)勢。BCD（雙極-CMOSDMOS）集成技術(shù)也應(yīng)運而生，BCD集成過程就是將雙極晶體管、低壓CMOS器件、高壓DMOS器件和電阻、電容等無源器件放在同一個技術(shù)平臺上集成技術(shù)。BCD技術(shù)可以充分利用三種有源器件集成的優(yōu)勢:低噪聲、高精度、高電流密度的雙極器件等;CMOS器件集成度高，使用方便邏輯控制，低功耗;DMOS器件具有開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，使BCD工藝在電源管理中得到廣泛應(yīng)用，如DC-DC變換器、LCD驅(qū)動、LED驅(qū)動、PDP顯示驅(qū)動和全/半橋驅(qū)動等。系統(tǒng)電壓、功率集成電路基于BCD工藝可分為三類:100V以下，100300V及300V以上。100伏以下的產(chǎn)品種類最多，應(yīng)用最廣，包括dc-dc轉(zhuǎn)換、LCD顯示驅(qū)動、背光LED顯示驅(qū)動等。100-300V產(chǎn)品主要有PDP顯示驅(qū)動、100-200V電機驅(qū)動等。300多V產(chǎn)品主要有半橋/全橋驅(qū)動、交直流功率轉(zhuǎn)換、高壓照明、LED驅(qū)動等。BCD集成技術(shù):1代，含線寬4^m，基于雙極技術(shù)。BCD技術(shù)始于1980年代中期，第一代BCD電力設(shè)備的集成硅自對準(zhǔn)門垂直VDMOS，同時還包括垂直和水平PNP、N^N型設(shè)備和CMOS設(shè)備等，主要設(shè)備部分如圖1所示，（包括最小線寬為4^m，采用PN結(jié)隔離，基于雙極技術(shù)的發(fā)展，最大工作電壓60V，100V，250V系列。主要用于電橋驅(qū)動和音頻放大領(lǐng)域。BCD60技術(shù)制造的第一個商用產(chǎn)品是ST公司于1985年推出的輸出電流高達(dá)1.5A的半橋式電機驅(qū)動芯片。性能優(yōu)于同類型的雙極性半橋驅(qū)動。圖1第1代BCD集成工藝集成的器件示意圖（2） BCD集成技術(shù):2代（含線寬1.2|im，集成EPROM/EEPROM.1992年，）集成了非易失性存儲器包括可擦除可編程只讀存儲器，電可擦除可編程只讀存儲器的第2代BCD工藝開發(fā)成功，從而使得以系統(tǒng)為導(dǎo)向的功率集成電路成為現(xiàn)實.該工藝的最小線寬為1.2^m。集成CMOS邏輯器件、雙極器件、電源器件和存儲器件等第二代BCD工藝，先得到設(shè)計人員使用現(xiàn)有的CMOS工藝塊庫，EEPROM，實現(xiàn)了電源的可編程芯片。為了滿足目前邏輯器件和功率器件的能力要求，該工藝采用三種不同厚度的金屬層，頂部金屬層較厚用于功率器件的互連，金屬1、2層較薄，用于高密度CMOS器件的互連。這個流程平臺對于同時需要小尺寸和低功耗的應(yīng)用程序具有很大的優(yōu)勢。（3）5代BCD集成技術(shù):線寬0.18^m，進(jìn)入深亞微米，大大提高了集成性能。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，BCD集成工藝完成了第3、第4代的開發(fā)，現(xiàn)第5代BCD集成工藝開發(fā)成功.過程是基于CMOS技術(shù)平臺0.18|im，包含高密度SRAM、EEPROM和LDMOS7-12v、20v32v40v,MOS器件有1.8V和5V，采用不同厚度的柵氧化層和淺槽STI(shallowtrenchisolation)隔離，采用Cobaltsalicide進(jìn)一步降低器件接觸電阻。使用水合鉆進(jìn)一步降低了儀器的接觸強度。4-5層金屬互連層，頂層金屬為銅，利用氮化硅技術(shù)，提高了EEPROM的讀寫可靠性。采用3T結(jié)構(gòu)提高了EEPROM的存儲容量和集成。(4)6代BCD集成技術(shù):線寬0.13^m，當(dāng)前最先進(jìn)的BCD工藝.100V以下的應(yīng)用要求BCD工藝線寬不斷縮小，當(dāng)前BCD工藝的最小線寬為0.13^m，基于SOI和體硅的0.13^m的第6代BCD現(xiàn)均已開發(fā)成功。先進(jìn)的CMOS技術(shù)平臺的應(yīng)用系統(tǒng)集成、高性能存儲模塊(EPROM、EEPROM、Flash和SRAM)、降低表面金屬互連的六個層次和日益復(fù)雜的過程。開發(fā)硅基板(包括0.13^mBCD技術(shù))，用于低壓、高頻直流電源管理、音頻功率放大、汽車電子、LED控制等。模塊的設(shè)備的技術(shù)平臺，器件包括5V、6V、18V、25V、40V和60V，以及硅襯底上5至18用P型。硅襯底上的擴展，25~60Vp型和N層時，隔離電阻、溝深VN通道40LDMOSQ°(5)BCD集成技術(shù)發(fā)展。BCD工藝在100v以下的應(yīng)用中應(yīng)用最廣泛，也是Fab的優(yōu)先選擇。這意味著更大的線路寬度，更低的能源消耗和更大的智能。100伏以上的BCD工藝不斷優(yōu)化和開發(fā)，以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求，減少損耗，保證高可靠性。2未來技術(shù)發(fā)展的若干問題2.1功率半導(dǎo)體器件技術(shù)發(fā)展相關(guān)的幾個問題(1)IGBT或IGBT智能電源模塊(IPM)的開發(fā)，具有高能效、高斷路電壓(3300~6500V)、高電流密度、高可靠性。主要用電網(wǎng)、高鐵、工業(yè)變頻、艦船等頻率降低策略領(lǐng)域的行業(yè)等。為優(yōu)化器件設(shè)計的開關(guān)裝置，使其能承受正常的通態(tài)壓降，抵抗高壓之間的關(guān)鍵特性參數(shù)的折衷。解決問題包括:提高收集器側(cè)注效率的效率、EMI濃度控制、高效熱IPM等，在制造槽柵、薄片等圖形設(shè)備時，應(yīng)予以緊急處理。(2)SiC功率半導(dǎo)體器件和全SiC功率模塊的研制.由于SiC功率整流器結(jié)構(gòu)相對簡單，特別是SiCSBD器件已經(jīng)比較成熟，筆者認(rèn)為應(yīng)優(yōu)先向sci(包SBDJBSPiN)、耐壓機制設(shè)計和快速分析，尋找快速跟進(jìn)國外同類器件性能的有效途徑，加快生產(chǎn)過程低反型層溝道遷移率柵氧可靠性，同時應(yīng)加快工藝研究，為未來SiCMOSFET和IGBT器件發(fā)展打好基礎(chǔ)，關(guān)鍵問題是薄柵氧工藝裝置的可靠性。(3)半導(dǎo)體功率和功率模塊及故障機制分析。隨著功率半導(dǎo)體器件應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，以及功率半導(dǎo)體器件工作模式的特殊性，功率半導(dǎo)體器件需要具有高的可靠性。而功率半導(dǎo)體器件發(fā)展的模塊化和系統(tǒng)化趨勢也要求模塊或系統(tǒng)具有高的可靠性。其關(guān)鍵問題在于設(shè)計的模塊或系統(tǒng)具有良好的熱系統(tǒng)、良好的絕緣性、良好的電流浪涌能力、良好的抗宇宙射線能力，可能的解決途徑是:在宇宙射線強度內(nèi)創(chuàng)新、優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)的工藝制程，或采用新材料。2.2功率集成技術(shù)發(fā)展若干問題(1)100V集成BCD工藝加上小線寬，密度高，可靠性高，關(guān)鍵問題是:如何將亞微米CMOS工藝集成到無絲束壓力機的電力平臺中，同時實現(xiàn)高性能器件的高智能。當(dāng)前BCD工藝的最小線寬已達(dá)到0.13叩，開始朝90nm，65nm發(fā)展，借助于先進(jìn)的CMOS工藝平臺，高性能功率器件及高度智能化成為電源管理等應(yīng)用的BCD工藝所面臨的一個挑戰(zhàn)，采用如superjunction的功率器件來降低功耗可能是一個不錯的技術(shù)，與此同時還需要進(jìn)一步集成高性能CPU、快速存儲器等模塊，實現(xiàn)高度智能化(PSoC)，主要應(yīng)用于汽車電子BCD工藝、汽車電子在嚴(yán)格低溫、濕度、振動和零故障環(huán)境中的應(yīng)用。這使得HCL、SOA、HTRB等集成設(shè)備的可靠性相對較高達(dá)到了6層、集成設(shè)備類型的增多，越來越復(fù)雜，越來越便宜，性能保持不變的前提下，如何在保持性能不變的前提下降低成本是100V以下的高密度BCD工藝面臨的另一個挑戰(zhàn)，復(fù)用性水平提升、工藝流程和設(shè)備的折中優(yōu)化。（2）100-300V的應(yīng)用領(lǐng)域BCD集成技術(shù)主要是PDP驅(qū)動芯片和半橋驅(qū)動芯片，和它的整體發(fā)展趨勢是小型化和高功率，SOIBCD工藝仍是未來一段時間內(nèi)的主流工藝，采用更小尺寸是其發(fā)展的必然趨勢，關(guān)鍵的問題是:在保證功率輸出不受影響的前提下縮小芯片區(qū)域，但在電流密度達(dá)到IGBT的極限后，如果還有其他更好的結(jié)構(gòu)或材料性能，是一個研究方向，另一個問題是，芯片散熱問題，SOI材料的散熱問題是當(dāng)前可靠性研究的一個重點方向。此外，還有諸如高、低電壓串?dāng)_、高溫抗故障等問題，高溫反偏（HTRB）失效等問題都是這一電壓區(qū)間BCD工藝必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。（3）300~1200V高壓高壓BCD主工藝是交直流、高壓LED驅(qū)動、橋式驅(qū)動和IPM模塊市場，促使BCD技術(shù)向高壓方向發(fā)展，關(guān)鍵問題是:高、低電壓之間的隔離模塊、橋式驅(qū)動電路高壓側(cè)水平轉(zhuǎn)變驅(qū)動電壓從0~600V之間浮動，這需要完整的高和低側(cè)電路之間的隔離，避免latch-up是外延工藝的高壓BCD工藝需要解決的一個關(guān)鍵問題。隔震結(jié)構(gòu)的高壓互連導(dǎo)致隔震結(jié)構(gòu)的壓力下降，因此隔震結(jié)構(gòu)需要創(chuàng)新。高壓設(shè)備在高壓BCD工藝一般作為最終輸出功率水平，其能耗直接影響整個芯片的效率，大多數(shù)當(dāng)前的過程采用雙Resurf和場板技術(shù)滿足電壓電阻要求電力設(shè)備，如何在給定的耐壓下降低高壓器件的導(dǎo)通電阻，提高電流輸出能力并降低功耗是高壓BCD急需解決的問題 ，采用