國家隊(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，國家第三代半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新中心（南京）歷時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)悉這是我國在這一領(lǐng)域的首次突破。

公開資料顯示，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、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，流過時會產(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)對比
來源：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。

“關(guān)鍵就在工藝上?！眹业谌雽?dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新中心（南京）技術(shù)總監(jiān)黃潤華介紹，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碳化硅器件的研制和性能有致命影響。

對此，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、智能電網(wǎng)、光伏儲能等領(lǐng)域投入應(yīng)用。

該突破對我們的生活和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)有何加持作用呢？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，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，目前國家第三代半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新中心（南京）已啟動碳化硅超級結(jié)器件研究，“這個結(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潤華透露。

國際大廠深耕溝槽型碳化硅MOSFET芯片

溝槽型碳化硅MOSFET芯片研究在國際上勢頭紅火，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。

羅姆

公開資料顯示，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)級溝槽型碳化硅MOSFET。2020年羅姆開發(fā)出第四代溝槽結(jié)構(gòu)MOSFFT，通過進(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間，與第三代相比，在不犧牲短路耐受時間的情況下將導(dǎo)通電阻降低約40%，為業(yè)內(nèi)最低。目前，羅姆在還在開發(fā)第五代溝槽技術(shù)。

圖片來源：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)可以緩和電場集中，從而可以降低外延層的電阻率，在正向施加時VF更低。另外，當(dāng)反向施加時，可以緩和電場集中現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)更低的IR。

英飛凌

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

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。每個溝槽的一側(cè)都有一個通道，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。具體來看，英飛凌的CoolSiC?MOSFET包含一個獨(dú)特的非對稱溝槽結(jié)構(gòu)：在溝槽側(cè)壁的左側(cè)，它包含與平面對齊的MOS通道，以優(yōu)化通道的移動性；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，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開發(fā)的電動驅(qū)動模塊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)來源：電裝

DENSO獨(dú)特的溝槽型MOS結(jié)構(gòu)采用DENSO專利電場緩和技術(shù)的溝槽柵極半導(dǎo)體器件，提高了每個芯片的輸出，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)特的晶面新開發(fā)了V形槽溝槽金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(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），適用于電動汽車（EV）和混合動力汽車（HEV）。公開資料顯示，住友電工正在與國家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所合作開發(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將會升級為溝槽結(jié)構(gòu)，降低SiC MOSFET芯片面積的同時，成本也將顯著得到優(yōu)化。安森美中國區(qū)汽車市場技術(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)部測試，問題在于，過早地推出溝槽柵產(chǎn)品在可靠性方面會有一定風(fēng)險(xiǎn)。所以，公司正在對認(rèn)為有風(fēng)險(xiǎn)的點(diǎn)進(jìn)行測試和可靠性優(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，開發(fā)了一種獨(dú)特的電場限制結(jié)構(gòu)，將應(yīng)用于柵絕緣薄膜的電場減小到常規(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Gourab Majumdar博士此前在接受電力電子網(wǎng)采訪時候曾表示，碳化硅路線將來要用到兩個新技術(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。

從全球市場看，國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；國內(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。近年來我國企業(yè)在6英寸、8英寸碳化硅上發(fā)力，不斷縮小與國際大廠差距，未來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。