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”官方公眾號于 9 月 1 日發(fā)布博文，報道稱國家第三代半導(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”，實現(xiàn)我國在該領(lǐng)域的首次突破。

項目背景

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、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)的特點是工藝簡單，元胞一致性較好、雪崩能量比較高；缺點是當(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

溝槽型結(jié)構(gòu)是將柵極埋入基體中，形成垂直溝道，特點是可以增加元胞密度，沒有 JFET 效應(yīng)，溝道晶面可實現(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)計比平面柵結(jié)構(gòu)具有明顯的性能優(yōu)勢，可實現(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)隊和全線配合團(tuán)隊，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，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。

項目意義

對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，可提升續(xù)航能力約 5%；應(yīng)用溝槽結(jié)構(gòu)后，可實現(xiàn)更低電阻的設(shè)計。

在導(dǎo)通性能指標(biāo)不變的情況下，則可實現(xiàn)更高密度的芯片布局，從而降低芯片使用成本。