发展历程：从扩散晶体管到MOS集成电路

1.发展历程

半导体工艺技术与新型电力半导体器件的发展息息相关。最初的半导体工艺主要是通过拉晶法和合金法来制造pn结的。自1954年发明扩散技术后，当时很快研制出了合金扩散晶体管。但半导体器件的真正发展是在硅平面工艺技术发明之后，首先是在硅片上用热氧化法生长出具有优良的绝缘性能和能掩蔽杂质扩散的二氧化硅层；然后将光刻技术和薄膜蒸发技术引入半导体器件制造中，与扩散、外延等技术相结合，形成了硅平面工艺技术，使硅晶体管在频率、功率、饱和压降及稳定性与可靠性等方面远超锗晶体管。

硅平面工艺技术的开发为电力半导体器件和集成电路制造工艺技术奠定了基础，不仅促进了晶闸管和双极型集成电路的出现和发展，而且也是MOS场效应晶体管和MOS集成电路诞生的必要和重要条件。1957年研制成功第一只晶闸管，1958年研制成功第一块双极型单片集成电路（IC）^[1]，1962年后相继诞生MOS场效应晶体管和MOS集成电路。从此半导体工艺技术向两个分支发展：一是向高电压、大电流方向发展，形成分立的半导体器件，如20世纪60年代发展各种派生晶闸管，包括双向晶闸管、逆导晶闸管、门极关断晶闸管，70年代初期开发的功率MOSFET、80年代出现的绝缘栅双极晶体管（IGBT）、90年代末出现的由GTO和MOSFET复合器件，包括发射极关断晶闸管、MOS关断晶闸管及集成门极换流晶闸管（IGCT）；二是向高集成度的集成电路方向发展，形成功率集成电路（PIC）。由于单片集成减少了系统中元件、互连及焊点数目，不仅提高了系统的可靠性与稳定性，而且减少了系统的功耗、体积、重量及成本。由于70年代初的功率集成器件主要为双极型晶体管，所需的驱动电流大，驱动与保护电路复杂，所以PIC的研究并未取得实质性进展。直到80年代，由MOS栅控制、具有输入阻抗高、驱动功耗低、易保护等特点的新型功率MOSFET及IGBT出现，使驱动电路简单化，且容易与功率器件集成，因而带动了PIC的迅速发展，但复杂的系统设计和昂贵的工艺成本限制了PIC的应用。随着双极互补MOS（Bipolar CMOS，BiCMOS）集成电路及双极-互补MOS-双扩散MOS（Bipolar-CMOS-DMOS，BCD）工艺相继出现，于90年代发展了智能功率集成电路（SPIC），将检测、驱动及自保护电路与功率器件集成在一起，使PIC的功能得到显著改善。

2.发展趋势(www.xing528.com)

半导体工艺的发展趋势之一是将分立器件制造工艺和集成电路制造工艺相结合，并相互促进共同发展。在超结MOSFET、IGBT和IGCT等新型器件结构中，都采用了浅结、薄片、大尺寸及精细的加工技术，具有大功率分立器件和集成电路制造工艺的共同特征。目前，IGBT的线宽已经达到0.35μm、晶片尺寸达到ϕ8in（ϕ200mm）水平，并需要精细的光刻工艺，必须在IC工艺线和分立器件工艺线上共同加工完成。为了提高器件工作频率，不仅要对其n基区或漂移区厚度、少子寿命及阳极（或集电极）发射效率进行精确控制，同时要求多个单元（或元胞）的工艺一致性高。所以，在新型电力半导体器件的研发中，会逐渐引入集成电路的加工技术，如离子注入、化学气相淀积（CVD）工艺及薄片工艺等，尽可能地降低器件的通态和开关损耗，并提高芯片工艺的均匀性。为了降低芯片损耗、提高器件可靠性，除了采用了薄片工艺外，新材料（如SiC、GaN及SOI衬底）、新工艺（如硅-硅直接键合技术）及先进的寿命控制技术也逐渐用于新型电力半导体器件的制造。在PIC芯片的制作中，也采用类似于分立器件中的三维超结（SJ）技术和局域寿命控制技术，以降低横向高压器件的导通损耗和开关损耗。制作SJ所用的离子注入和刻蚀工艺与制作PIC的BCD工艺完全兼容。BCD作为一种先进的单片集成工艺技术，是目前电源管理、显示驱动、汽车电子等PIC制造工艺的最佳选择，仍将朝着高压、高功率及高密度三个方向发展^[2]，并且BCD工艺与SOI技术相结合是一个非常重要的技术趋势。

半导体工艺发展另一趋势是封装技术逐渐由焊接式向压接式发展，不论是单管封装，还是模块封装，均可采用压接式结构，可以有效缓解封装材料与芯片间的热机械应力，提高器件的可靠性。同时，为了降低单片功率集成电路的技术难度，将IGBT芯片和驱动电路、保护电路以及检测电路等通过DBC基片集成在一起形成智能功率模块（IPM）；为了提高大功率器件（如GTO或GCT）的可靠性，并减小其体积、重量，将大功率器件与其驱动电路中的MOS管、大电容等通过压接封装集成在一个封装体内，再通过印制电路板与驱动电路集成形成组件。