一、功率半導體與集成電路的區(qū)別

在了解功率半導體的各種工藝之前，先了解一下功率半導體與代表先進半導體主流的集成電路，及其它們各自所使用的晶體管之間的區(qū)別。

功率半導體的雙面工藝

集成電路和功率半導體，其實本質上都是在硅晶圓上制作出來的各種芯片。但是兩者也有區(qū)別:集成電路希望在一片晶圓上制作的芯片數量越多越好;而功率半導體不追求數量，甚至也有在一片晶圓上只做一片芯片的情況。兩者的需求不同，所以制造工藝會有極大的區(qū)別。

兩者所制造出來的晶體管的物理原理是一樣的，但具體結構和性能參數不一樣。集成電路中的晶體管的作用是信號的開關，在低電壓、小電流下工作。集成電路中所使用的 MOSFET，采用的是下圖那樣橫向的構造方式，工作電流是沿圖中的橫向移動的。如果要增大電流，就要沿垂直于圖紙的方向，增大載流子的通道(溝道)寬度。而功率半導體采用的是縱向的構造方式，電流是朝著晶圓的厚度方向流動的，功率半導體器件要利用晶圓的整個厚度，會在晶圓的正反兩面進行加工，所以稱為雙面工藝。功率半導體增大電流的方法，則是增大 MOSFET的面積，面積越大，通過的電流越大。

橫向 NOSFET 的剖面結構示意圖

先進數字集成電路的單面工藝

與功率半導體不同，集成電路工藝由于使用橫向 MOSFET結構，所以只利用了晶圓表面薄薄的一層，所以叫作單面工藝。但是現在的先進數字電路越來越復雜，在同樣的面積上要實現更多的功能，例如其中會有大量的電路驗證模塊（一種用來驗證電路中某個動作是否完成的固定模塊，也稱為核。IP是Inellectual Property的縮寫，意思是一種具有獨立知識產權的功能模塊，用來保護設計者的知識產權），因此目前已經發(fā)展出了在一塊芯片上制作出層疊結構并在其間多層布線的工藝。先進的CMOS（Complementary Metal 0xide Semiconductor 的縮寫。由一對 NMOS 和 PMOS 器件將負載端接在一起構成的互補型器件，目的是降低耗電。）數字電路工藝已經實現了多個布線層的堆疊，如下圖所示。

先進CMOS 數字電路的剖面示意圖

當然這只是一張示意圖，和實際的集成電路芯片結構是有差別的，只是為了讓讀者直觀地了解多層布線這個概念。

多層布線其實屬于后段工藝。就像一場高爾夫球賽分為前段和后段，兩段同樣是有9個洞。而集成電路的制造過程中，后段工藝是比前段工藝更長的。

電流方向的區(qū)別

前面看過了集成電路器件的垂直剖面圖，這里再從平面圖的角度，比較一下集成電路器件和功率半導體器件。兩者的區(qū)別如下圖所示。前者有一個柵極，將兩側的源極、漏極隔開;后者是源極包圍住了柵極，在晶圓的正面，而漏極則與之相對，位于晶圓的底面。電流從源極穿過晶圓到達漏極，要擴大電流的通路(溝道)，就要擴大整個器件的面積。由于這些結構上的差別，集成電路和功率半導體的制造工藝就存在差別。

普通MOSFET 與功率半導體 MOSFET 的區(qū)別

晶體管的縱向結構

再從剖面圖看一下器件的立體結構。功率半導體為了流過大電流，耐高電壓，通常會采用如下圖所示的縱向結構。這種結構稱為縱向雙擴散 MOSFET，英文寫作 Vertical Diffusion MOSFET，或縮寫成 VDMOS-FET。在柵極施加電壓后，在氧化層的下方形成P型反型層，即P溝道，器件進入導通狀態(tài)。

綜上所述，功率半導體與集成電路的器件構造有極大的不同，因此制造工藝也各不相同。下一節(jié)內容還將圍繞器件結構的差異進行一些比較。從7-3節(jié)開始就會對工藝的每一個環(huán)節(jié)進行介紹。

 VDMOSFET 縱向結構示意圖

二、器件構造的研究

功率半導體要兼顧耐壓性和導通電阻，就需要仔細研究能滿足要求的特殊構造，以及實現這些構造的工藝過程。

MOSEET 的各種構造

前面一節(jié)介紹了功率半導體所使用的 MOSFET的特別之處，這里再補充一些內容。隨著擁有高速開關性能的 MOSFET 的應用范圍越來越廣，人們研發(fā)出了各種不同的構造。如下圖所示，采用V形溝槽，在降低導通電阻的同時，還增大了耐壓性。我們在前面說過，降低導通電阻和提高耐壓性是難以兼顧的兩個方向，但是在這個構造中，通過提高N*層的摻雜濃度并減薄其厚度，降低了導通電阻，但耐壓性也隨之降低。為了保證耐壓性，有人設計了V形的溝槽，其實變相增加了N⁺層的厚度，做到了導通電阻與耐壓性的兼顧。但V形的底部過于尖銳，局部電場很強，會降低耐壓性，因此改進成下圖的U形溝槽，讓電場分布變得平緩，不容易擊穿。這個典型的例子告訴我們，功率半導體的設計中是如何兼顧耐壓性與導通電阻的。

V形溝槽的形成工藝

U形溝槽的形成工藝

V形溝槽的斜面與硅晶圓本身的晶向不一樣，需要用到濕法刻蝕中的各向異性刻蝕。如下圖所示，要使用強堿性溶液，例如氫氧化鉀(KOH)溶液，它對硅(100)面的腐蝕速度大于(111)面。腐蝕過后，(111)面會變成V形溝槽的斜面。不需要刻蝕的部分，用 SiO₂覆蓋保護。

集成電路的工藝中一般不使用這種各向異性刻蝕，但在最近的MEMS器件的工藝中有它的應用。

硅晶面上的各向異性刻蝕圖

U形溝槽的形成工藝

V形溝槽會在尖端造成強電場，導致器件容易擊穿，為了防止這種現象，將其改進成U形溝槽。這種溝槽就要用到干法刻蝕中的反應離子刻蝕(ReactivelonEtching，簡稱RIE)。集成電路的淺槽隔離工藝(ShallowTrench Isolation，簡稱STI)中也使用這種方法，將相鄰的器件分割開來。下圖表示了這個工藝過程，用光刻膠和氯氣、六氟化硫等氣體實現刻蝕。

晶圓上制作好各籽晶體管結構后，為了讓晶體管之間不互相影響，需要進行隔離。先在晶體管之間刻蝕出深的U形溝槽，然后在其中填入 SiO₂進行絕緣。就好像稻田之間的田埂，或是每戶家庭的院墻。畫器件結構圖的時候為了簡明，這些部分經常省略不畫，但實際上一般是存在的。

功率半導體獨有的構造

重視速度的集成電路，與重視大電流的功率半導體功能不同，結構也就不同。下面的章節(jié)，我們就開始詳細介紹功率半導體的各項工藝，

三、外延生長法的廣泛應用

外延生長法是碳化硅、氮化鎵薄膜常用的生長方法，但其實在功率半導體器件中也有應用，也就是在硅的襯底上外延生長硅。

什么是外延生長

外延生長，英文是 Epitaxy，或 Epitaxial Growth。其中詞綴 epi-有“在……之上”的意思，-tax有“序列”的意思。所以硅的外延生長，就是在硅襯底上，將外來的硅原子按照襯底本身的晶向，排列在晶格點上，不斷累積，從而生長出新的、與襯底性質一致的晶體。在硅襯底上生長硅基器件，是相同元素的外延生長，稱為同質外延(Homoepitaxy)。后面會講到異質外延(Heteroepitaxy)，用緩沖層來調節(jié)不同元素外延時晶格常數的差異。以前，外延生長主要應用在雙極型器件工藝中。例如在N型區(qū)上外延出摻雜濃度更高的 N*型區(qū)域，或者相反，在P型區(qū)域上外延出 P⁺區(qū)域，從而減小材料的電阻。MOSFET器件中，為了解決CMOS的閂鎖效應（閂鎖效應是CMOS電路所特有的寄生效應，會引起邏輯混亂甚至燒毀芯片），一度有人提出用外延生長的方法但現在已經不使用這種辦法了。

外延生長時，需要將硅的化合物氣體（含有硅元素的氣體，主要是氫化物和鹵化物。前者比如甲硅燒SiH₄、乙硅燒Si₂H₆。后者比如四氯化硅 SiCl₄ 等），與摻雜氣體(N型雜使用磷PH₃，P型為乙硼烷 B₂H₆)混合通到硅襯底的表面，同時襯底被加熱到 1000℃以上的高溫。于是兩種氣體在硅的表面發(fā)生反應，反應得到的硅原子在襯底表面按照固定的晶向逐層排列，形成外延層。這樣生長出來的硅晶圓，被稱為外延硅。

功率半導體為什么要使用外延生長技術?前面說過，降低導通電阻對功率半導體來說很重要，而外延生長是降低導通電阻的方法之一，因為它可以調控外延層的摻雜濃度以及厚度，從而改變導通電阻。漏極上的 N⁺層就是外延生長得到的。

外延生長爐

外延生長所需的生長爐，與半導體制造業(yè)中其他生長設備相比，最大的區(qū)別在于其擁有特別的加熱裝置，能夠達到1000℃以上的高溫，通常會采用射頻感應加熱的方法。功率半導體所使用的晶圓尺寸都不大，可以采用批處理9方式，在旋轉臺上用旋轉托盤或直立桶型裝置一次性裝人多片晶圓，進行外延生長。

前者的例子如下圖所示，后者如下圖所示。業(yè)界對它們也有很多別的稱呼，比如前者叫作煎餅型或鐘罩型，后者叫作圓柱形等。這些都是根據設備的外形命名的。日本國內外都有企業(yè)在生產外延生長爐，但相對于其他設備，參與的企業(yè)還是比較少的。

旋轉托盤形外延生長爐示意圖

圖柱形外延生長爐示意圖

IGBT器件需要大量使用外延生長爐，所以日本有很多面向IGBT的設備制造商。實際生長時，硅晶圓會被加熱到1000℃以上，因此工藝上還應該注意硅片翹曲的問題。此外還有自摻雜問題、圖形偏移的問題。

自摻雜(Auto-Doping)問題是指，在原本已經高濃度摻雜的硅片襯底上外延時，襯底中的雜質原子會在高溫下擴散到外延層中。即使襯底沒有高度摻雜，硅中總是有N型或P型雜質，一樣會隨著高溫擴散到外延層，引起外延層雜質組分的變化。這就是自摻雜現象，外延生長的時候不得不考慮這個問題。

圖形偏移(Pattem Shitt)問題是指，硅襯底上如果原本刻有圖形，也就是存在高低差的話，外延層不會完全沿著原本的圖形生長。這會導致光刻工藝所需的掩膜版對齊標志變得模糊和移位。關于掩膜版對齊的問題，請參考下一節(jié)的內容。

四、正反面曝光工藝

緊接著上一節(jié)提到的光刻問題，本節(jié)稍微深人地介紹一下曝光工藝。

反面曝光

首先說說為什么需要反面曝光。在制作功率半導體時，有時需要在晶圓背面制作一個類似續(xù)流二極管的器件。這個續(xù)流二極管是為了在器件進入截止狀態(tài)的瞬間，能快速回收多余的載流子，使器件快速截止。

在功率型 MOSFET的結構中，如下圖所示，柵極下方的P區(qū)，與晶圓背面(器件的底面)連接漏極的 N⁺/N^-區(qū)，自然會形成一個二極管，這個管子是寄生在 MOSFET內部的，所以稱為寄生二極管(Body Diode)。這個寄生二極管就起到了上面續(xù)流二極管的作用，無須再制作。關于 N⁺/N^-區(qū)的情況請參考 后面內容。

在許多器件的設計中，P型區(qū)域、N型區(qū)域乃至器件上的導線，在一定條件下都會形成PN 結或三極管的結構。這些結構并不是出于設計的本意，所以稱為寄生器件。上面的寄生二極管就是一個很好的例子。

寄生二極管的原理示意圖

什么是續(xù)流二極管

但是在 IGBT器件中，并不會形成寄生二極管。為了實現前面所說的“讓器件更快地截止”，就需要人為設置一個續(xù)流二極管(Free Wheel Diode，簡稱FWD)，使多余的載流子快速回收。功率半導體的工作電流通常都很大，截止的時候發(fā)射區(qū)會有大量過剩的載流子，需要很久才能消失，所以器件真正達到截止狀態(tài)需要很長的時間。此時就可以利用這個續(xù)流二極管，反向并聯在發(fā)射區(qū)和集電區(qū)之間，使過剩的載流子快速回收到集電區(qū)。注意這里二極管的單向導通特性。

IGBT 器件反向并聯續(xù)流二極管

為了在工藝上實現IGBT 與續(xù)流二極管的組合，就在IGBT下部的雙極型區(qū)域進行設計。如下圖所示，在器件的背面 P⁺區(qū)中制作一個 N⁺區(qū)，就會在這個 N⁺區(qū)域上方 N^-區(qū)和P區(qū)之間形成二極管。為實現這個 N⁺區(qū)，就要專門進行一系列的工藝。這就是為什么有些器件工藝需要反面曝光。

器件需要反面曝光的例子

反面曝光裝置

反面曝光裝置如圖 所示。首先晶圓的承片臺(WaferChucker)上有通光孔,CCD攝像頭的透鏡組從下方向上，通過通光孔，對準上方掩膜版上的校準標記(Alignment Mark)。之后將晶圓背面朝上放在承片臺上，再次對準透鏡組和校準標記，晶圓的背面就與掩膜版完全對準了。

反面曝光裝置

這樣的校準和曝光方式，被稱為接觸式曝光(ContactExposure)或接近式曝光(Proximity Exposure)。圖中那樣的器件就會采用這種接觸式曝光。但是現在的集成電路工藝已經采用了更為先進的投影式曝光(ProjectionExposure)

但話說回來，對于功率半導體的光刻工藝來說，這樣的校準和圖像解析度已經足夠了。曝光的光源采用高壓汞燈。關于曝光和圖像解析技術的發(fā)展過程，可以參考《圖解入門--半導體制造工藝基礎精講(原書第4版)》。能夠制造這種兩面曝光設備的企業(yè)，包括專門研發(fā)和制造半導體曝光設備的尼康、佳能等大廠。也有其他的光學儀器、半導體生產設備制造商，填補著大廠無法關注到的一些領域。

五、反面雜質激活

本節(jié)將討論如何將晶圓背面的雜質進行激活。首首先得了解什么是雜質激活。本節(jié)和下一節(jié)所舉的例子，都與場截止型 IGBT 器件有關。

容易誤解的雜質濃度

筆者向半導體初學者做一些科普講座的時候，發(fā)現一種常見的錯誤理解。有人會理解為:所謂N型區(qū)域，里面就全部是N型雜質原子;所謂P型區(qū)域，里面就全部是P型雜質原子。

這樣非此即彼的理解，過于簡單，當然會出錯。其實，所謂的N型區(qū)域，里面絕大部分還是硅原子，大約只有百萬分之一的原子是N型雜質原子，這些原子把晶格中某些硅原子取代了，這才形成 N 型區(qū)域。前面所說過的N區(qū)，就是N型雜質濃度比正常摻雜情況更高一些，而N-區(qū)就是N型雜質濃度比正常摻雜情況更低一些。P型區(qū)域的情況也是如此。

雜質激活的例子

場截止(Field Stop，簡稱FS)型IGBT的模型，如下圖所示。它的主要特點是背面有 P⁺/N⁺層摻雜，制作時需要將FZ晶圓減薄，從反面注人不同類型的雜質。為此，需要用到3種工藝:①下一節(jié)要介紹的晶圓減薄工藝;②反面雜質注人工藝;③將反面雜質激活的反面退火工藝。

場截止型IGBT 的模型

首先以輕摻雜的 N型的F2晶圓為基礎，先在上面分別制作出發(fā)射區(qū)、基區(qū)、柵極，然后在晶圓背面進行研磨，直到晶圓厚度達到要求(參考下一節(jié)內容)。為了實現FS型IGBT器件，需要先注人磷(P)得到重摻雜的N⁺區(qū)，再注人硼(B)得到重摻雜的P⁺區(qū)。N⁺區(qū)在器件中起到的作用正是將電場(Field)阻斷(Stop)。然后對反面的這兩層進行退火(Anneal)以激活摻人的雜質。要在比較厚的深度上對兩層不同類型的雜質進行退火激活，這個過程是比較復雜的。

雜質激活的過程比

雜質原子是通過離子注人法進入晶圓內部的，但并不是每一個進入晶圓的雜質原子都真正替換硅原子，占據了晶格位置。之后進行的退火，其實是在熱處理(Annealing)裝置中加熱，使注人晶體的雜質原子獲得熱運動的能量，替換硅原子，占據其晶格位置。這樣占據了晶格位置的雜質，就是激活了的雜質。沒有激活的雜質，是無法真的起到雜質原子的作用，不能吸收或釋放自由電子。常見的熱處理裝置，有石英退火爐、紅外退火爐等最近準分子激光退火(Excimer Laser Annealing)技術也越來越多地得到應用。

離子注入和熱處理后的晶格示意圖

IGBT器件與常規(guī)的MOSFET器件相比，雜質激活工藝復雜得多，有許多不一樣的地方。另外，非穿通(NPT)IGBT器件也要經過類似的工藝，但區(qū)別在于，在研過的背面，只需要注人硼這一種雜質即可。

激活裝置的例子

這里以紅外退火爐為例，如下圖所示。紅外線是指波長在 800nm 以上的光波，一般用鹵素燈(Halogen Lamp)來產生紅外線，并控制溫度。退火爐內充滿惰性氣體，防止硅發(fā)生氧化。整片硅片吸收紅外線以后，溫度快速上升，所以這個裝置又稱為RTA(Rapid Theral Annealing)。即快速熱處理裝置。

紅外退火爐

圖中所示的是單片式退火爐，每次只能處理一片晶圓。但是因為每一片只需要短時間的退火，所以總體的吞吐量(Throughput)并不小。

未完待續(xù)......

參考文獻：

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