我國首次突破溝槽型碳化硅MOSFET芯片制造技術(shù)

9 月 3 日消息，“南京發(fā)布”官方公眾號(hào)于 9 月 1 日發(fā)布博文，報(bào)道稱國家第三代半導(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”，實(shí)現(xiàn)我國在該領(lǐng)域的首次突破。

項(xiàng)目背景

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

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。

而溝槽柵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)比平面柵結(jié)構(gòu)具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)更低的導(dǎo)通損耗、更好的開關(guān)性能、更高的晶圓密度，從而大大降低芯片使用成本，卻一直以來受限于制造工藝，溝槽型碳化硅 MOSFET 芯片產(chǎn)品遲遲未能問世、應(yīng)用。

項(xiàng)目介紹

國家第三代半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新中心（南京）技術(shù)總監(jiān)黃潤華介紹稱“關(guān)鍵就在工藝上”，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。

國家第三代半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新中心（南京）。圖源：江寧發(fā)布。

在制備過程中，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的影響。

國家第三代半導(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。

項(xiàng)目意義

對(duì)老百姓生活有何影響？黃潤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。