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沟槽栅功率MOSFET制备工艺发展

2026-03-02 14:59:15

上篇聊到,四十多年前,前人发现conformal coating(保形覆盖)不能实现沟槽的有效填充,于是开发出过填充+回刻的方案,

图片来源:网络

如上,沟槽栅功率MOSFET截面图,

N+P-body被近似矩形的沟槽隔开,槽中主要填充物为深蓝色的GateGate两侧及底部是荧绿色的栅介质(SiO2),

Gate上方同样被SiO2覆盖,这是为了将栅电极与源电极实现电气隔离

另一细节是Gate顶部微微向下凹陷,这是回刻工艺所致。

介绍完基本结构,接下来聊聊沟槽栅功率MOSFET量产所需的其他工艺

为了将沟槽功率MOSFET从实验室样品推向大规模生产的量产器件,必须解决一系列工艺和材料问题,

最终目标是——制造具有圆角的沟槽,生长无表面态、工作过程中不会发生热载流子充电的稳定栅氧化层

早期沟槽刻蚀在硅的<111>晶面进行,存在表面粗糙、界面态密度高、沟道迁移率低等问题

为解决此问题,当使用<100>晶向的直拉硅晶圆时,需在<110>晶向进行沟槽刻蚀

由于光刻过程中会借助平边对准晶圆,而此前的标准硅晶圆平边是在< 111 >晶面上研磨形成,不能满足要求,

因此,晶圆供应商需要提供带<110>平边的硅片,以支持沟槽功率MOSFET晶圆的光刻对准。

另一经验是——可选择条形或方形版图布局,不要选择六边形版图布局

因为沟槽刻蚀时,后者会产生多个晶面刻蚀的问题。

Si沟槽刻蚀通常采用氧化物/氮化物叠层作为硬掩模,避免光刻胶残留污染沟槽,

为避免沟槽底部出现尖角,刻蚀初期在腔室中采用定向场,通过动量传递实现高度各向异性刻蚀,如此才能使沟槽侧壁接近90度,

刻蚀过程临近结尾,降低加速场和刻蚀各向异性,以增加化学刻蚀程度,使沟槽底部尖角更加圆滑。

随后是沟槽处理工艺,此前的刻蚀会引入表面损伤和悬挂键,影响栅氧质量,因此在这步需要对这些损伤进行修复,

常用方法是牺牲氧化,即在1100℃以上的高温下生长一层SiO2,随后完全去除,

本质上是将表面带有损伤的那层Si去掉,但实际制作中要注意,高温过程是否会影响P型阱区和N+源区的掺杂分布。

多晶硅顶部氧化工艺也值得一提,

前文提到,沟槽填充并回刻后,多晶硅顶部会呈现微微向下凹陷的形状,

为确保栅极和源极之间实现彻底的电气隔离,一般会在多晶硅回刻之后,增设一步氧化工艺,使顶部的多晶硅氧化成SiO2,与后续生长的隔离介质融为一体,共同发挥栅源电气隔离之效果,

但这步氧化也会带来问题,

若氧化形成的SiO2存在缺陷,会增大栅源失效风险,

另有研究发现,顶部多晶硅氧化引起的薄膜应力会诱发短沟道效应,从而在HTRB实验中导致IDSS超限失效,虽然失效样品比例较小,但不可接受。

通过阻挡沟槽顶部拐角附近的N+注入,可以消除这种IDSS失效风险。

所有这些工艺问题都得到解决后,沟槽栅功率MOSFET终于正式出山,

考虑到其在可靠性方面的不确定性,首款商用沟槽栅功率MOSFET并未作为分立器件出售,而是用作功率模块内的部件,

在实际应用中积累了数年可靠性数据后,在1994年慕尼黑国际电子展,沟槽栅功率MOSFET终于作为商用分立器件推出

包括30V60VN沟道、P沟道功率MOSFET器件,元胞密度分别为1.3Mcell/cm²1.9Mcell/cm²

随着锂离子电池的出现,市场对低阈值电压节能负载开关的需求迅速增长,

为满足锂离子电池市场需求,业界开发出一款30V P沟道沟槽栅功率MOSFET,在VGS=2.7V(锂离子电池最低电压)条件下,器件比导通电阻为90mΩ·mm2

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作者: 深圳市亿伟世科技有限公司
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沟槽栅功率MOSFET制备工艺发展
上篇聊到,四十多年前,前人发现conformal coating(保形覆盖)不能实现沟槽的有效填充,于是开发出过填充+回刻的方案,图片来源:网络如上,沟槽栅功率
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