國(guó)家隊(duì)加持，芯片制造關(guān)鍵技術(shù)首次突破

據(jù)南京發(fā)布近日消息，國(guó)家第三代半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新中心（南京）歷時(shí)4年自主研發(fā)，成功攻關(guān)溝槽型碳化硅MOSFET芯片制造關(guān)鍵技術(shù)，打破平面型碳化硅MOSFET芯片性能“天花板”。據(jù)悉這是我國(guó)在這一領(lǐng)域的首次突破。

公開(kāi)資料顯示，碳化硅是第三代半導(dǎo)體材料的主要代表之一，具有寬禁帶、高臨界擊穿電場(chǎng)、高電子飽和遷移速率和高導(dǎo)熱率等優(yōu)良特性。碳化硅MOS主要有平面結(jié)構(gòu)和溝槽結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)。目前業(yè)內(nèi)應(yīng)用主要以平面型碳化硅MOSFET芯片為主。

平面碳化硅MOS結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，元胞一致性較好、雪崩能量比較高；缺點(diǎn)是當(dāng)電流被限制在靠近P體區(qū)域的狹窄N區(qū)中，流過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生JFET效應(yīng)，增加通態(tài)電阻，且寄生電容較大。

平面型與溝槽型碳化硅MOSFET技術(shù)對(duì)比
來(lái)源：頭部大廠結(jié)構(gòu)圖

溝槽型結(jié)構(gòu)是將柵極埋入基體中，形成垂直溝道，特點(diǎn)是可以增加元胞密度，沒(méi)有JFET效應(yīng)，溝道晶面可實(shí)現(xiàn)最佳的溝道遷移率，導(dǎo)通電阻比平面結(jié)構(gòu)明顯降低；缺點(diǎn)是由于要開(kāi)溝槽，工藝更加復(fù)雜，且元胞的一致性較差，雪崩能量比較低。

“關(guān)鍵就在工藝上?！眹?guó)家第三代半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新中心（南京）技術(shù)總監(jiān)黃潤(rùn)華介紹，碳化硅材料硬度非常高，改平面為溝槽，就意味著要在材料上“挖坑”，且不能“挖”得“坑坑洼洼”的。在制備過(guò)程中，刻蝕工藝的刻蝕精度、刻蝕損傷以及刻蝕表面殘留物均對(duì)碳化硅器件的研制和性能有致命影響。

對(duì)此，國(guó)家第三代半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新中心（南京）組織核心研發(fā)團(tuán)隊(duì)和全線配合團(tuán)隊(duì)，歷時(shí)4年，不斷嘗試新工藝，最終建立全新工藝流程，突破“挖坑”難、穩(wěn)、準(zhǔn)等難點(diǎn)，成功制造出溝槽型碳化硅MOSFET芯片，較平面型提升導(dǎo)通性能30%左右，目前中心正在進(jìn)行溝槽型碳化硅MOSFET芯片產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，推出溝槽型的碳化硅功率器件，預(yù)計(jì)一年內(nèi)可在新能源汽車電驅(qū)動(dòng)、智能電網(wǎng)、光伏儲(chǔ)能等領(lǐng)域投入應(yīng)用。

該突破對(duì)我們的生活和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)有何加持作用呢？黃潤(rùn)華以新能源汽車舉例介紹，碳化硅功率器件本身相比硅器件具備省電優(yōu)勢(shì)，可提升續(xù)航能力約5%；應(yīng)用溝槽結(jié)構(gòu)后，可實(shí)現(xiàn)更低電阻的設(shè)計(jì)。在導(dǎo)通性能指標(biāo)不變的情況下，則可實(shí)現(xiàn)更高密度的芯片布局，從而降低芯片使用成本。

生產(chǎn)一代、研發(fā)一代、預(yù)研一代，目前國(guó)家第三代半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新中心（南京）已啟動(dòng)碳化硅超級(jí)結(jié)器件研究，“這個(gè)結(jié)構(gòu)的性能，比溝槽型結(jié)構(gòu)更優(yōu)更強(qiáng)，目前還在研發(fā)?！秉S潤(rùn)華透露。

國(guó)際大廠深耕溝槽型碳化硅MOSFET芯片

溝槽型碳化硅MOSFET芯片研究在國(guó)際上勢(shì)頭紅火，羅姆、英飛凌、日本電裝、日本住友、安森美、三菱電機(jī)功率器件制作在溝槽型碳化硅MOSFET芯片制造技術(shù)上也有著較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。

羅姆

公開(kāi)資料顯示，羅姆是率先轉(zhuǎn)向溝槽MOSFET的公司，2018年羅姆推出先進(jìn)的車規(guī)級(jí)溝槽型碳化硅MOSFET。2020年羅姆開(kāi)發(fā)出第四代溝槽結(jié)構(gòu)MOSFFT，通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)自創(chuàng)的雙溝槽結(jié)構(gòu)，改善了EV牽引逆變器等應(yīng)用所需的短路耐受時(shí)間，與第三代相比，在不犧牲短路耐受時(shí)間的情況下將導(dǎo)通電阻降低約40%，為業(yè)內(nèi)最低。目前，羅姆在還在開(kāi)發(fā)第五代溝槽技術(shù)。

圖片來(lái)源：羅姆

據(jù)羅姆官方表示，溝槽MOS結(jié)構(gòu)是在外延層中形成溝槽（溝槽MOS）并用多晶硅填充的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以緩和電場(chǎng)集中，從而可以降低外延層的電阻率，在正向施加時(shí)VF更低。另外，當(dāng)反向施加時(shí)，可以緩和電場(chǎng)集中現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)更低的IR。

英飛凌

英飛凌并沒(méi)有選擇進(jìn)入平面結(jié)構(gòu)市場(chǎng)，而是直接選擇了溝槽結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)品定位于高端市場(chǎng)。

英飛凌的溝槽設(shè)計(jì)方式與眾不同，屬于半包溝槽結(jié)構(gòu)，如下圖。每個(gè)溝槽的一側(cè)都有一個(gè)通道，另一側(cè)被深P+注入覆蓋，如下面所顯示，是英飛凌的SiC MOSFET的設(shè)計(jì)示意圖。具體來(lái)看，英飛凌的CoolSiC?MOSFET包含一個(gè)獨(dú)特的非對(duì)稱溝槽結(jié)構(gòu)：在溝槽側(cè)壁的左側(cè)，它包含與平面對(duì)齊的MOS通道，以優(yōu)化通道的移動(dòng)性；在溝槽側(cè)壁右側(cè)，溝槽底部的很大一部分嵌入到p+阱中，p+阱延伸到溝槽底部以下，從而減小了離態(tài)臨界電場(chǎng)，起到了體二極管的作用。

英飛凌的SiC MOSFET的設(shè)計(jì)示意圖
來(lái)源：英飛凌

2016年，英飛凌推出第一代CoolSiC系列碳化硅MOSFET，并在2022年更新了第二代產(chǎn)品，相比第一代增強(qiáng)了25%-30%的載流能力，其第三代碳化硅MOSFET采用先進(jìn)的溝槽結(jié)構(gòu)，具有更低的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗，提高了能效。

日本電裝

2023年3月31日，電裝（DENSO）宣布已開(kāi)發(fā)出首款采用碳化硅(SiC)半導(dǎo)體的逆變器。該逆變器集成在由BluE Nexus Corporation開(kāi)發(fā)的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊eAxle中，將用于新款雷克薩斯RZ，這是該汽車制造的首款專用電池電動(dòng)汽車(BEV)車型。DENSO將其SiC技術(shù)稱為“REVOSIC”。

電裝的溝槽柵結(jié)構(gòu)來(lái)源：電裝

DENSO獨(dú)特的溝槽型MOS結(jié)構(gòu)采用DENSO專利電場(chǎng)緩和技術(shù)的溝槽柵極半導(dǎo)體器件，提高了每個(gè)芯片的輸出，因?yàn)樗鼈儨p少了由發(fā)熱引起的功率損耗，獨(dú)特的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高電壓和低導(dǎo)通電阻操作。

住友電工

住友電工利用獨(dú)特的晶面新開(kāi)發(fā)了V形槽溝槽金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(VMOSFET)。VMOSFET具有高效率、高阻斷電壓、惡劣環(huán)境下的高穩(wěn)定性等優(yōu)越特性，實(shí)現(xiàn)了大電流（單芯片200A），適用于電動(dòng)汽車（EV）和混合動(dòng)力汽車（HEV）。公開(kāi)資料顯示，住友電工正在與國(guó)家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所合作開(kāi)發(fā)具有世界最低導(dǎo)通電阻的下一代VMOSFET。

安森美

安森美在碳化硅MOSFET的溝槽結(jié)構(gòu)尚在開(kāi)發(fā)中，目前其積累了約20份相關(guān)專利。今年上半年安森美發(fā)布的最新產(chǎn)品為M3S，是第二代1200V SiC MOSFET，依舊延續(xù)的是延續(xù)平面型結(jié)構(gòu)。據(jù)悉，下一代M4將會(huì)升級(jí)為溝槽結(jié)構(gòu)，降低SiC MOSFET芯片面積的同時(shí)，成本也將顯著得到優(yōu)化。安森美中國(guó)區(qū)汽車市場(chǎng)技術(shù)應(yīng)用負(fù)責(zé)人、碳化硅首席專家吳桐博士此前在采訪中表示，安森美有很多溝槽型樣品在進(jìn)行內(nèi)部測(cè)試，問(wèn)題在于，過(guò)早地推出溝槽柵產(chǎn)品在可靠性方面會(huì)有一定風(fēng)險(xiǎn)。所以，公司正在對(duì)認(rèn)為有風(fēng)險(xiǎn)的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試和可靠性優(yōu)化，提升溝槽柵的利用率。

三菱電機(jī)

2019年，三菱電機(jī)開(kāi)發(fā)出一種溝槽的SiC MOSFET，為了解決溝槽型的柵極絕緣膜在高電壓下的斷裂問(wèn)題，三菱電機(jī)基于在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行的先進(jìn)模擬，開(kāi)發(fā)了一種獨(dú)特的電場(chǎng)限制結(jié)構(gòu)，將應(yīng)用于柵絕緣薄膜的電場(chǎng)減小到常規(guī)平面型水平，使柵絕緣薄膜在高電壓下獲得更高的可靠性。

三菱電機(jī)的新型溝槽型SiC-MOSFET三維結(jié)構(gòu)
示意圖來(lái)源：三菱電機(jī)

三菱電機(jī)功率器件制作所首席技術(shù)顧問(wèn)Gourab Majumdar博士此前在接受電力電子網(wǎng)采訪時(shí)候曾表示，碳化硅路線將來(lái)要用到兩個(gè)新技術(shù)，在1200V以下是溝槽柵碳化硅MOSFET，3.3kV以上將采用把肖特基二極管（SBD）集成在MOSFET中的平面柵碳化硅MOSFET技術(shù)。

他表示三菱電機(jī)的新型溝槽柵采用三個(gè)自研技術(shù)：一是傾斜離子注入技術(shù)（tilted ion implantation technology），以改進(jìn)芯片的可生產(chǎn)性；二是Grounded p+BPW（底部P井），在柵極底部“p+”的地方用BPW技術(shù)減少柵氧層的電場(chǎng)強(qiáng)度，使芯片具有更高的可靠性；三是在縱向溝道中采用n+JFET摻雜技術(shù)，使芯片整體損耗比傳統(tǒng)平面柵降低50%以上。

從全球市場(chǎng)看，國(guó)外碳化硅溝槽器件的研究較早，幾家龍頭企業(yè)已逐步建立起專利壁壘，產(chǎn)品逐步導(dǎo)入市場(chǎng)；國(guó)內(nèi)目前在碳化硅溝槽器件的研究上仍處于起步階段，大部分廠商仍以平面碳化硅MOS結(jié)構(gòu)為主。近年來(lái)我國(guó)企業(yè)在6英寸、8英寸碳化硅上發(fā)力，不斷縮小與國(guó)際大廠差距，未來(lái)也將在碳化硅溝槽器件有所突破，以期在碳化硅賽道上實(shí)現(xiàn)彎道超車。