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迈向 12吋薄晶功率技术之挑战
功率电子大跃进

【作者: Gerald Deboy 博士,Kurt Aigner 博士】2014年04月22日 星期二

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英飞凌在 2013 年 2 月推出于奥地利维拉赫 (Villach) 厂全新 12吋生产线制造 的首批CoolMOS 系列产品。英飞凌为此进行超过三年的密集研发活动,并与全欧洲各个领域的合作伙伴合作,其中包括制程技术、生产技术,以及进阶功率技术(以12吋晶圆为基础) 的处理和自动化。英飞凌是全球第一家以 12吋薄晶圆上生产功率半导体的公司。 12吋薄晶圆的直径比标准的 8 吋晶圆更大,每片晶圆所生产的晶片数是后者的两倍半。英飞凌投入大量资本及工程人力,大幅提升先进功率半导体装置的产能,未来将能达到永续支援市场的目标。


电力电子在协助全球朝向更有效运用能源的方向发展中扮演重要角色 (请参阅图 1 的 OECD 情境)。效率随着世代发展逐渐提升,转换效能将成为减少排放温室气体的关键推动因素。



图一 : 不同情境下的 CO2 减量。提升能源效率可获得最高的 CO2 减量效果。
图一 : 不同情境下的 CO2 减量。提升能源效率可获得最高的 CO2 减量效果。

电力在全球能源组合之中的比例日渐增加,这将进一步提升电力电子的重要性。其中最重要的部分,就是电力电子将在协助大幅减少主要能源来源及能源终端使用者之间大量的能源损耗上,扮演不可或缺的角色。目前市场上什至出现高达 90% 的损耗情形,而 50% 的损耗仍是司空见惯。图 2 说明从第一次转换为电力开始到配送过程,乃至于最终供电至终端使用者设备的损耗情形。现代的功率半导体装置所扮演的关键角色,便是协助推动电力电子迈向更优异的效能及更低的系统成本,借此支援电力电子进一步扩展至电力转换及控制的更多层面。



图二 : 从来源到储存槽的能源损耗相当可观
图二 : 从来源到储存槽的能源损耗相当可观

如果我们更深入探讨各种电力应用的节能潜力,可以发现马达控制应用消耗了高达 40%的电力,致为关键。该应用的主要议题是由单纯的开/关控制转换为变速马达,除了能节省大量能源以外,也能减少产生的噪音,并创造更舒适的环境 (例如空调应用)。另一项重点领域为照明应用,大约占了 15% 的电力消耗。就照明而言,主要议题在于将白炽灯泡及铁磁式安定器 (目前已遭欧盟国家普遍禁用) 转换为 LED 照明及更精密的电子式安定器,协助推动节省能源。电力电子提供合适的高压 MOSFET、驱动器及控制器,支援上述各项应用的过渡转换。


最后则是资料中心及 RF 电信基地台的电力供应。网际网路存取及高速资料交换广泛存在于现代的生活型态中,具有不可或缺的地位。业界已于「电脑产业气候行动计画」(Computing Climate Initiative) 采取各项主要步骤,设定更具挑战性的效率目标(目前以钛金级为最高标准),未来实施后将持续增加在新IT设备的应用比例。这里的关键技术主要在于高压及低压 MOSFET,范围从 AC 前端的 600V 装置,乃至于负载点转换器的 25V 装置。


强劲成长的应用领域,例如:太阳光电 (预估于 2016 年可达到 60GW 的新安装设备) 及电动车,将进一步带动功率半导体产品的全球需求。



图三 : 功率半导体大幅减少能源损耗
图三 : 功率半导体大幅减少能源损耗

12吋晶圆功率技术

英飞凌因此成为全球第一家肩负以 12吋晶圆制造先进功率产品的功率半导体公司。英飞凌为此投入大量资本及工程资源,将巩固公司在业界的领导地位,在持续成长的市场中提供稳定永续的产能。英飞凌结合三年以上的密集研究成果,以及德国维拉赫(Villach) 和德勒斯登(Dresden) 等工厂的制造专业,于2013 年2 月成功以12吋薄晶圆技术生产CoolMOS 功率半导体,完成首批客户出货。


英飞凌参与 EPT300 专案 –「实现在 12吋晶圆的功率技术(Enabling Power Technologies on 300mm wafers)」;这是欧洲奈米科技方案咨询委员会 (ENIAC Joint Undertaking) 的专案。在 EPT300 的协助下,由欧洲半导体制造业及欧洲设备与材料业 23 家厂商所组成的联盟,实现全球首创专用于功率产品生产的 12吋功率半导体制程生产线,让欧洲拥有先进的制造能力。


明确区分电力电子制造与传统 CMOS 制造技术之差异相当重要。电力电子的产品特性非常不同,因此必须采用不同的,且过去未曾使用于12吋晶圆的材料及制程。全球目前现有的先进功率半导体制造 (MOSFET、IGBT 及功率 IC 技术),仰赖 6吋及 8 吋晶圆技术。因此目前这类应用的制造设备都专为这这些晶圆尺寸所设计。要发展12吋晶圆制造功率半导体的专用技术,需要克服过去无法解决的制造难题。


为了克服这项限制,EPT 300 专案的目标就是针对下列目标提供解决方案:

‧ 在晶圆厂环境以 1:1 的转换方式在 12吋晶圆制造首批 MOSFET 产品,充分证明新基板材料能够符合应用需求。


‧ 提供更优异的设备及全新制程技术。


‧ 证明在生产线上量产的制造能力,并提出稳定及可接受的良率数据。


‧ 针对功率半导体技术的未来发展树立技术基础。


功率半导体的制造是高度复杂的作业,包括许多制程步骤,需要深入的材料知识与专业技术。第一项先决条件是取得适当原料和生产设备。因此最初的制造步骤需要处理一系列步骤,以便建立装置的有效区域。后续步骤则专门处理半导体后端生产,其中包括薄层金属化及一组晶圆背面制程步骤 (这是制造功率半导体的必要步骤)。其中一项关键制程就是晶圆薄化,因为功率装置厚度对其效能有很大影响。英飞凌在薄晶圆制造领域扮演业界领航角色,主要用于生产 IGBT 产品系列,例如效能无可比拟的 TRENCHSTOP IGBT。不过晶圆薄化也将大幅提升低压 MOSFET 的效能,亦应用于英飞凌的 CoolMOS 技术。


迈向 12吋制程中的挑战

在 12吋晶圆实现功率技术的首要步骤,就是必须「移转」现有的 8 吋技术。不过这绝不只是移转而已,因为专案开始时并没有适合 12吋使用的功率基本材料。此外部分功率技术设备也没有适用于 12吋的设备。在现实情况下,这仍是充满挑战的研发专案,不能称为「移转」。


因此英飞凌必须证明已于 8 吋供应的产品,能以 1:1 效能转换的方式进行移转,并且要证明装置能够提供相同或更优异的效能。


除此之外,在 12吋晶圆开发及生产功率装置,还有三项主要挑战:

1. 以符合成本效益的方式取得 12吋的功率基板 (例如英飞凌修改 p 型标准基板,并由基板供应商开发 12吋的功率基板)


2. 调整 12吋 CMOS 设备进行功率制程 (例如晶圆正面及背面制程与制程、厚层制程、高温制程,当然还包括薄晶圆制程及混合型机台制程)


3. 适合 12吋功率技术的薄晶圆技术 (调整英飞凌的 8 吋薄晶圆技术应用于 12吋 (最低至 40 微米),实现 20 微米的矽厚度)


12吋晶圆功率技术基板材料之挑战

目前 CMOS 产品采 12吋基板生产制造,以更低的成本实现更优异的晶片效能。更小的尺寸 (


CMOS 技术使用 p 型基板 (大多为硼),而功率技术则需要 n 型 (一般为磷掺杂) 基板。此外所需的掺杂程度及装置厚度,则主要取决于所需的崩溃电压,在专案中产生另一个需要解决的技术差异。


在 CMOS 技术中,唯一有效的电力区域位于表面,但是在大部分的功率技术中,则是整个晶片体积,都让电流从装置顶端流动至底部。因此基板的污染和杂质,对装置效能的影响远超过 CMOS 结构。


即使是现在,8 吋功率技术的专用原料,仍比进阶 CMOS 制程的标准材料昂贵许​​多。因此必须针对基板寻找符合成本效益的解决方案,维持 12吋直径晶圆预期的成本优势。


设备的挑战

28奈米的12吋 CMOS 技术占半导体市场的比例较高,应用于 DRAM、Flash 记忆体,以及个人电脑、笔记型电脑和智慧型手机的 CPU 等大众产品。于此同时,功率技术迅速成长的发展潜力,也让上述应用对于 12吋技术产生需求。不过即使目前市面上半导体生产的主流设备,都可供 12吋晶圆使用,但主流 CMOS 工具与功率技术所需要的特殊设备之间仍然存在重大差异。


相较于 CMOS 制程,制造节能功率半导体需要使用「三维制程」(在晶片上进行正面制程、背面制程及垂直制程 (沟槽))、厚层制程、高温制程,当然还有薄晶圆技术。


英飞凌的高压 MOSFET 是以超接面技术为基础;这项技术可大幅减少每个晶片区域的导通电阻,并克服众所周知的晶片限制。虽然导通电阻受益于持续提升的漂移区掺杂程度,但崩溃电压则需要三维结构p 及n 掺杂区域的完美补偿,涵盖各个装置、整个晶圆,乃至于每个晶圆甚至每批晶圆。英飞凌分别投入大量资源处理生产线内控制方法和精密的设备操作及维护,以便将 CoolMOS 技术成功转移至 12吋。


其他功率技术挑战则是高温熔炉制程。 12吋技术的标准设备能够处理高达 ~1000°C 的温度,功率技术则需要最高 ~1200°C 。因此英飞凌针对熔炉硬体进行大型研究,以满足这些高难度需求。其中包括加热系统及精密的温度控制器,以及特殊调整的石英​​制品技术。


弹性使用能够处理 8 吋及 12吋晶圆的设备 (混合型机台),是欧洲厂房制造具备高度弹性及成本竞争力的关键所在。这些混合型机台的另一项重要层面,就是能够在相同设备提供相同的 8 吋参考。



图四: 弹性使用设备处理8 吋及12吋是关键所在
图四: 弹性使用设备处理8 吋及12吋是关键所在

薄晶圆制造之挑战

如前所述,功率产品会出现垂直电流,由前端载入电流通往装置后端。为了实现最佳效能,功率装置的最终厚度非常重要。英飞凌的IGBT 技术仰赖非常浅的p 掺杂后端植入,以正确控制其射极效率,并结合较深的n 掺杂场终止层,以及顶端沟槽结构,精准打造电场分布(因此具备阻断能力) 及载波外型。任何多余的装置厚度,都可能增加顺向饱和电压及截流损耗,影响 IGBT 的两项关键效能指标。下图显示个别 IGBT 电压类别未来的晶圆厚度目标。



图五 : IGBT 的晶圆厚度目标
图五 : IGBT 的晶圆厚度目标

就功率技术的 6吋及 8 吋晶圆而言,目前最先进的晶圆厚度为  70 微米。这代表处理这类薄晶圆时因其易碎性而极具挑战。使用 12吋晶圆使这项挑战更为艰巨,因为趋势显示晶圆厚度将再度降低,最终晶圆厚度甚至可达 20 微米。


薄晶圆处理技术亦嘉惠英飞凌其他如低压 MOSFET 等产品,可以减少剩余基板厚度的导通电阻及热阻。


英飞凌已于 12吋晶圆制造成功实作功率 MOSFET 技术。原料供应及薄晶圆制造的相关挑战已经解决。超接面装置和低压 MOSFET 的特定议题,也已成功获得证明。


以上成果将英飞凌继续居于领先地位,为市场对功率半导体持续增加的需求提供永续产能。


(本文作者皆任职于英飞凌科技)


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