功率半导体 | 制造工艺的特点（上）

一、功率半导体与集成电路的区别

在了解功率半导体的各种工艺之前，先了解一下功率半导体与代表先进半导体主流的集成电路，及其它们各自所使用的晶体管之间的区别。

功率半导体的双面工艺

集成电路和功率半导体，其实本质上都是在硅晶圆上制作出来的各种芯片。但是两者也有区别:集成电路希望在一片晶圆上制作的芯片数量越多越好;而功率半导体不追求数量，甚至也有在一片晶圆上只做一片芯片的情况。两者的需求不同，所以制造工艺会有极大的区别。

两者所制造出来的晶体管的物理原理是一样的，但具体结构和性能参数不一样。集成电路中的晶体管的作用是信号的开关，在低电压、小电流下工作。集成电路中所使用的 MOSFET，采用的是下图那样横向的构造方式，工作电流是沿图中的横向移动的。如果要增大电流，就要沿垂直于图纸的方向，增大载流子的通道(沟道)宽度。而功率半导体采用的是纵向的构造方式，电流是朝着晶圆的厚度方向流动的，功率半导体器件要利用晶圆的整个厚度，会在晶圆的正反两面进行加工，所以称为双面工艺。功率半导体增大电流的方法，则是增大 MOSFET的面积，面积越大，通过的电流越大。

横向 NOSFET 的剖面结构示意图

先进数字集成电路的单面工艺

与功率半导体不同，集成电路工艺由于使用横向 MOSFET结构，所以只利用了晶圆表面薄薄的一层，所以叫作单面工艺。但是现在的先进数字电路越来越复杂，在同样的面积上要实现更多的功能，例如其中会有大量的电路验证模块（一种用来验证电路中某个动作是否完成的固定模块，也称为核。IP是Inellectual Property的缩写，意思是一种具有独立知识产权的功能模块，用来保护设计者的知识产权），因此目前已经发展出了在一块芯片上制作出层叠结构并在其间多层布线的工艺。先进的CMOS（Complementary Metal 0xide Semiconductor 的缩写。由一对 NMOS 和 PMOS 器件将负载端接在一起构成的互补型器件，目的是降低耗电。）数字电路工艺已经实现了多个布线层的堆叠，如下图所示。

先进CMOS 数字电路的剖面示意图

当然这只是一张示意图，和实际的集成电路芯片结构是有差别的，只是为了让读者直观地了解多层布线这个概念。

多层布线其实属于后段工艺。就像一场高尔夫球赛分为前段和后段，两段同样是有9个洞。而集成电路的制造过程中，后段工艺是比前段工艺更长的。

电流方向的区别

前面看过了集成电路器件的垂直剖面图，这里再从平面图的角度，比较一下集成电路器件和功率半导体器件。两者的区别如下图所示。前者有一个栅极，将两侧的源极、漏极隔开;后者是源极包围住了栅极，在晶圆的正面，而漏极则与之相对，位于晶圆的底面。电流从源极穿过晶圆到达漏极，要扩大电流的通路(沟道)，就要扩大整个器件的面积。由于这些结构上的差别，集成电路和功率半导体的制造工艺就存在差别。

普通MOSFET 与功率半导体 MOSFET 的区别

晶体管的纵向结构

再从剖面图看一下器件的立体结构。功率半导体为了流过大电流，耐高电压，通常会采用如下图所示的纵向结构。这种结构称为纵向双扩散 MOSFET，英文写作 Vertical Diffusion MOSFET，或缩写成 VDMOS-FET。在栅极施加电压后，在氧化层的下方形成P型反型层，即P沟道，器件进入导通状态。

综上所述，功率半导体与集成电路的器件构造有极大的不同，因此制造工艺也各不相同。下一节内容还将围绕器件结构的差异进行一些比较。从7-3节开始就会对工艺的每一个环节进行介绍。

 VDMOSFET 纵向结构示意图

二、器件构造的研究

功率半导体要兼顾耐压性和导通电阻，就需要仔细研究能满足要求的特殊构造，以及实现这些构造的工艺过程。

MOSEET 的各种构造

前面一节介绍了功率半导体所使用的 MOSFET的特别之处，这里再补充一些内容。随着拥有高速开关性能的 MOSFET 的应用范围越来越广，人们研发出了各种不同的构造。如下图所示，采用V形沟槽，在降低导通电阻的同时，还增大了耐压性。我们在前面说过，降低导通电阻和提高耐压性是难以兼顾的两个方向，但是在这个构造中，通过提高N*层的掺杂浓度并减薄其厚度，降低了导通电阻，但耐压性也随之降低。为了保证耐压性，有人设计了V形的沟槽，其实变相增加了N⁺层的厚度，做到了导通电阻与耐压性的兼顾。但V形的底部过于尖锐，局部电场很强，会降低耐压性，因此改进成下图的U形沟槽，让电场分布变得平缓，不容易击穿。这个典型的例子告诉我们，功率半导体的设计中是如何兼顾耐压性与导通电阻的。

V形沟槽的形成工艺

U形沟槽的形成工艺

V形沟槽的斜面与硅晶圆本身的晶向不一样，需要用到湿法刻蚀中的各向异性刻蚀。如下图所示，要使用强碱性溶液，例如氢氧化钾(KOH)溶液，它对硅(100)面的腐蚀速度大于(111)面。腐蚀过后，(111)面会变成V形沟槽的斜面。不需要刻蚀的部分，用 SiO₂覆盖保护。

集成电路的工艺中一般不使用这种各向异性刻蚀，但在最近的MEMS器件的工艺中有它的应用。

硅晶面上的各向异性刻蚀图

U形沟槽的形成工艺

V形沟槽会在尖端造成强电场，导致器件容易击穿，为了防止这种现象，将其改进成U形沟槽。这种沟槽就要用到干法刻蚀中的反应离子刻蚀(ReactivelonEtching，简称RIE)。集成电路的浅槽隔离工艺(ShallowTrench Isolation，简称STI)中也使用这种方法，将相邻的器件分割开来。下图表示了这个工艺过程，用光刻胶和氯气、六氟化硫等气体实现刻蚀。

晶圆上制作好各籽晶体管结构后，为了让晶体管之间不互相影响，需要进行隔离。先在晶体管之间刻蚀出深的U形沟槽，然后在其中填入 SiO₂进行绝缘。就好像稻田之间的田埂，或是每户家庭的院墙。画器件结构图的时候为了简明，这些部分经常省略不画，但实际上一般是存在的。

功率半导体独有的构造

重视速度的集成电路，与重视大电流的功率半导体功能不同，结构也就不同。下面的章节，我们就开始详细介绍功率半导体的各项工艺，

三、外延生长法的广泛应用

外延生长法是碳化硅、氮化镓薄膜常用的生长方法，但其实在功率半导体器件中也有应用，也就是在硅的衬底上外延生长硅。

什么是外延生长

外延生长，英文是 Epitaxy，或 Epitaxial Growth。其中词缀 epi-有“在……之上”的意思，-tax有“序列”的意思。所以硅的外延生长，就是在硅衬底上，将外来的硅原子按照衬底本身的晶向，排列在晶格点上，不断累积，从而生长出新的、与衬底性质一致的晶体。在硅衬底上生长硅基器件，是相同元素的外延生长，称为同质外延(Homoepitaxy)。后面会讲到异质外延(Heteroepitaxy)，用缓冲层来调节不同元素外延时晶格常数的差异。以前，外延生长主要应用在双极型器件工艺中。例如在N型区上外延出掺杂浓度更高的 N*型区域，或者相反，在P型区域上外延出 P⁺区域，从而减小材料的电阻。MOSFET器件中，为了解决CMOS的闩锁效应（闩锁效应是CMOS电路所特有的寄生效应，会引起逻辑混乱甚至烧毁芯片），一度有人提出用外延生长的方法但现在已经不使用这种办法了。

外延生长时，需要将硅的化合物气体（含有硅元素的气体，主要是氢化物和卤化物。前者比如甲硅烧SiH₄、乙硅烧Si₂H₆。后者比如四氯化硅 SiCl₄ 等），与掺杂气体(N型杂使用磷PH₃，P型为乙硼烷 B₂H₆)混合通到硅衬底的表面，同时衬底被加热到 1000℃以上的高温。于是两种气体在硅的表面发生反应，反应得到的硅原子在衬底表面按照固定的晶向逐层排列，形成外延层。这样生长出来的硅晶圆，被称为外延硅。

功率半导体为什么要使用外延生长技术?前面说过，降低导通电阻对功率半导体来说很重要，而外延生长是降低导通电阻的方法之一，因为它可以调控外延层的掺杂浓度以及厚度，从而改变导通电阻。漏极上的 N⁺层就是外延生长得到的。

外延生长炉

外延生长所需的生长炉，与半导体制造业中其他生长设备相比，最大的区别在于其拥有特别的加热装置，能够达到1000℃以上的高温，通常会采用射频感应加热的方法。功率半导体所使用的晶圆尺寸都不大，可以采用批处理9方式，在旋转台上用旋转托盘或直立桶型装置一次性装人多片晶圆，进行外延生长。

前者的例子如下图所示，后者如下图所示。业界对它们也有很多别的称呼，比如前者叫作煎饼型或钟罩型，后者叫作圆柱形等。这些都是根据设备的外形命名的。日本国内外都有企业在生产外延生长炉，但相对于其他设备，参与的企业还是比较少的。

旋转托盘形外延生长炉示意图

图柱形外延生长炉示意图

IGBT器件需要大量使用外延生长炉，所以日本有很多面向IGBT的设备制造商。实际生长时，硅晶圆会被加热到1000℃以上，因此工艺上还应该注意硅片翘曲的问题。此外还有自掺杂问题、图形偏移的问题。

自掺杂(Auto-Doping)问题是指，在原本已经高浓度掺杂的硅片衬底上外延时，衬底中的杂质原子会在高温下扩散到外延层中。即使衬底没有高度掺杂，硅中总是有N型或P型杂质，一样会随着高温扩散到外延层，引起外延层杂质组分的变化。这就是自掺杂现象，外延生长的时候不得不考虑这个问题。

图形偏移(Pattem Shitt)问题是指，硅衬底上如果原本刻有图形，也就是存在高低差的话，外延层不会完全沿着原本的图形生长。这会导致光刻工艺所需的掩膜版对齐标志变得模糊和移位。关于掩膜版对齐的问题，请参考下一节的内容。

四、正反面曝光工艺

紧接着上一节提到的光刻问题，本节稍微深人地介绍一下曝光工艺。

反面曝光

首先说说为什么需要反面曝光。在制作功率半导体时，有时需要在晶圆背面制作一个类似续流二极管的器件。这个续流二极管是为了在器件进入截止状态的瞬间，能快速回收多余的载流子，使器件快速截止。

在功率型 MOSFET的结构中，如下图所示，栅极下方的P区，与晶圆背面(器件的底面)连接漏极的 N⁺/N^-区，自然会形成一个二极管，这个管子是寄生在 MOSFET内部的，所以称为寄生二极管(Body Diode)。这个寄生二极管就起到了上面续流二极管的作用，无须再制作。关于 N⁺/N^-区的情况请参考 后面内容。

在许多器件的设计中，P型区域、N型区域乃至器件上的导线，在一定条件下都会形成PN 结或三极管的结构。这些结构并不是出于设计的本意，所以称为寄生器件。上面的寄生二极管就是一个很好的例子。

寄生二极管的原理示意图

什么是续流二极管

但是在 IGBT器件中，并不会形成寄生二极管。为了实现前面所说的“让器件更快地截止”，就需要人为设置一个续流二极管(Free Wheel Diode，简称FWD)，使多余的载流子快速回收。功率半导体的工作电流通常都很大，截止的时候发射区会有大量过剩的载流子，需要很久才能消失，所以器件真正达到截止状态需要很长的时间。此时就可以利用这个续流二极管，反向并联在发射区和集电区之间，使过剩的载流子快速回收到集电区。注意这里二极管的单向导通特性。

IGBT 器件反向并联续流二极管

为了在工艺上实现IGBT 与续流二极管的组合，就在IGBT下部的双极型区域进行设计。如下图所示，在器件的背面 P⁺区中制作一个 N⁺区，就会在这个 N⁺区域上方 N^-区和P区之间形成二极管。为实现这个 N⁺区，就要专门进行一系列的工艺。这就是为什么有些器件工艺需要反面曝光。

器件需要反面曝光的例子

反面曝光装置

反面曝光装置如图 所示。首先晶圆的承片台(WaferChucker)上有通光孔,CCD摄像头的透镜组从下方向上，通过通光孔，对准上方掩膜版上的校准标记(Alignment Mark)。之后将晶圆背面朝上放在承片台上，再次对准透镜组和校准标记，晶圆的背面就与掩膜版完全对准了。

反面曝光装置

这样的校准和曝光方式，被称为接触式曝光(ContactExposure)或接近式曝光(Proximity Exposure)。图中那样的器件就会采用这种接触式曝光。但是现在的集成电路工艺已经采用了更为先进的投影式曝光(ProjectionExposure)

但话说回来，对于功率半导体的光刻工艺来说，这样的校准和图像解析度已经足够了。曝光的光源采用高压汞灯。关于曝光和图像解析技术的发展过程，可以参考《图解入门--半导体制造工艺基础精讲(原书第4版)》。能够制造这种两面曝光设备的企业，包括专门研发和制造半导体曝光设备的尼康、佳能等大厂。也有其他的光学仪器、半导体生产设备制造商，填补着大厂无法关注到的一些领域。

五、反面杂质激活

本节将讨论如何将晶圆背面的杂质进行激活。首首先得了解什么是杂质激活。本节和下一节所举的例子，都与场截止型 IGBT 器件有关。

容易误解的杂质浓度

笔者向半导体初学者做一些科普讲座的时候，发现一种常见的错误理解。有人会理解为:所谓N型区域，里面就全部是N型杂质原子;所谓P型区域，里面就全部是P型杂质原子。

这样非此即彼的理解，过于简单，当然会出错。其实，所谓的N型区域，里面绝大部分还是硅原子，大约只有百万分之一的原子是N型杂质原子，这些原子把晶格中某些硅原子取代了，这才形成 N 型区域。前面所说过的N区，就是N型杂质浓度比正常掺杂情况更高一些，而N-区就是N型杂质浓度比正常掺杂情况更低一些。P型区域的情况也是如此。

杂质激活的例子

场截止(Field Stop，简称FS)型IGBT的模型，如下图所示。它的主要特点是背面有 P⁺/N⁺层掺杂，制作时需要将FZ晶圆减薄，从反面注人不同类型的杂质。为此，需要用到3种工艺:①下一节要介绍的晶圆减薄工艺;②反面杂质注人工艺;③将反面杂质激活的反面退火工艺。

场截止型IGBT 的模型

首先以轻掺杂的 N型的F2晶圆为基础，先在上面分别制作出发射区、基区、栅极，然后在晶圆背面进行研磨，直到晶圆厚度达到要求(参考下一节内容)。为了实现FS型IGBT器件，需要先注人磷(P)得到重掺杂的N⁺区，再注人硼(B)得到重掺杂的P⁺区。N⁺区在器件中起到的作用正是将电场(Field)阻断(Stop)。然后对反面的这两层进行退火(Anneal)以激活掺人的杂质。要在比较厚的深度上对两层不同类型的杂质进行退火激活，这个过程是比较复杂的。

杂质激活的过程比

杂质原子是通过离子注人法进入晶圆内部的，但并不是每一个进入晶圆的杂质原子都真正替换硅原子，占据了晶格位置。之后进行的退火，其实是在热处理(Annealing)装置中加热，使注人晶体的杂质原子获得热运动的能量，替换硅原子，占据其晶格位置。这样占据了晶格位置的杂质，就是激活了的杂质。没有激活的杂质，是无法真的起到杂质原子的作用，不能吸收或释放自由电子。常见的热处理装置，有石英退火炉、红外退火炉等最近准分子激光退火(Excimer Laser Annealing)技术也越来越多地得到应用。

离子注入和热处理后的晶格示意图

IGBT器件与常规的MOSFET器件相比，杂质激活工艺复杂得多，有许多不一样的地方。另外，非穿通(NPT)IGBT器件也要经过类似的工艺，但区别在于，在研过的背面，只需要注人硼这一种杂质即可。

激活装置的例子

这里以红外退火炉为例，如下图所示。红外线是指波长在 800nm 以上的光波，一般用卤素灯(Halogen Lamp)来产生红外线，并控制温度。退火炉内充满惰性气体，防止硅发生氧化。整片硅片吸收红外线以后，温度快速上升，所以这个装置又称为RTA(Rapid Theral Annealing)。即快速热处理装置。

红外退火炉

图中所示的是单片式退火炉，每次只能处理一片晶圆。但是因为每一片只需要短时间的退火，所以总体的吞吐量(Throughput)并不小。

未完待续......

参考文献：

(客服电话4001021226)

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