隨著全球汽車行業(yè)向電動化轉(zhuǎn)型，碳化硅芯片因其卓越的性能，成為電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵推動力以及眾多整車廠的首選。在這一技術(shù)前沿，博世憑借其創(chuàng)新的溝槽蝕刻技術(shù)，尤其是垂直溝槽結(jié)構(gòu)的開發(fā)，正在重新定義半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造的標(biāo)準(zhǔn)。本文將介紹博世溝槽蝕刻技術(shù)的核心優(yōu)勢，以及垂直芯片結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)的差異。

垂直溝槽結(jié)構(gòu)的誕生：從硅到碳化硅

博世在半導(dǎo)體領(lǐng)域的創(chuàng)新始于1990年代，由Andrea Urban和Franz L?rmer發(fā)明了“博世工藝”（深反應(yīng)離子蝕刻工藝），成功實(shí)現(xiàn)了硅晶圓的溝槽蝕刻。這一技術(shù)通過交替進(jìn)行蝕刻和鈍化步驟，能夠在硅晶圓上形成陡峭的側(cè)壁和深垂直溝槽，為微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

然而，隨著碳化硅材料的崛起，傳統(tǒng)的博世工藝面臨新的挑戰(zhàn)。碳化硅的分子鍵能是硅的兩倍，化學(xué)惰性更高，這使得傳統(tǒng)的蝕刻方法難以直接應(yīng)用于碳化硅晶圓。由于材料特性帶來的挑戰(zhàn)，幾乎所有其他供應(yīng)商都專注于生產(chǎn)平面碳化硅芯片。盡管如此，博世團(tuán)隊(duì)堅(jiān)信碳化硅在汽車行業(yè)中的潛力，并決定開發(fā)一種全新的溝槽蝕刻工藝，以充分發(fā)揮碳化硅材料的優(yōu)勢。

傳送門：博世工藝：革命性MEMS制造技術(shù)的誕生與發(fā)展

使用“博世工藝”制造的深硅溝槽式碳化硅溝槽蝕刻的起點(diǎn)。

垂直溝槽結(jié)構(gòu)的核心優(yōu)勢

垂直溝槽結(jié)構(gòu)是博世碳化硅芯片技術(shù)的核心創(chuàng)新之一。與傳統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu)相比，垂直溝槽結(jié)構(gòu)在多個方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢：

更高的集成度與功率密度

垂直溝槽結(jié)構(gòu)通過在晶圓中蝕刻出深溝槽，將柵極電極嵌入溝槽內(nèi)部，而非僅僅放置在材料表面。這種設(shè)計(jì)使得芯片能夠在相同尺寸的晶圓上集成更多的單元和功能，從而大幅提高封裝效率和功率密度。博世汽車電子寬禁帶半導(dǎo)體首席專家Klaus Heyers博士解釋道：“垂直溝槽結(jié)構(gòu)使我們能夠在更小的尺寸下實(shí)現(xiàn)與平面芯片相同的性能，甚至更優(yōu)?！?/p>

優(yōu)異的電氣隔離性能

溝槽結(jié)構(gòu)在芯片上形成了天然的隔離屏障，有效防止不同組件之間的電氣干擾。這種隔離性能在高壓、高功率的應(yīng)用場景中尤為重要，能夠顯著提升芯片的可靠性和穩(wěn)定性。

充分利用碳化硅的材料特性

碳化硅具有各向異性的導(dǎo)電特性，電子在垂直方向上的傳輸比水平方向更容易。垂直溝槽結(jié)構(gòu)充分利用了這一特性，使得電子能夠更高效地通過芯片，從而提升整體性能。

更緊湊的設(shè)計(jì)與成本優(yōu)勢

垂直溝槽結(jié)構(gòu)使得芯片尺寸更小，這不僅有助于實(shí)現(xiàn)更緊湊的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還能在芯片和系統(tǒng)層面降低成本。博世汽車電子工藝開發(fā)工程師Jens Kalmbach博士指出：“在汽車行業(yè)，高性價(jià)比尤為關(guān)鍵。更小的芯片意味著更低的材料成本和更高效的制造流程?！?/p>

博世自2001年起開始研發(fā)碳化硅功率半導(dǎo)體；博世首款MOSFET原型于2011年問世。

碳化硅溝槽蝕刻技術(shù)的突破

為了克服碳化硅材料的蝕刻難題，博世團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種全新的溝槽蝕刻工藝。這一工藝在傳統(tǒng)博世工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，采用了不同的氣體混合物和調(diào)整后的工藝條件。具體而言，蝕刻過程分為兩個階段：

蝕刻階段：通過氣體混合物形成等離子體，將加速離子幾乎垂直地射向晶圓，以去除材料。

鈍化階段：使用氧氣和氦氣防止電荷積聚，并形成圓形溝槽輪廓。

這種工藝不僅實(shí)現(xiàn)了陡峭而深的溝槽蝕刻，還確保了溝槽側(cè)壁的平滑度，從而最大限度地提升了芯片的性能和可靠性。

從150毫米到200毫米晶圓：技術(shù)持續(xù)演進(jìn)

為了滿足市場對碳化硅芯片的快速增長需求，博世正在將其溝槽蝕刻技術(shù)從150毫米晶圓擴(kuò)展到200毫米晶圓，并顯著擴(kuò)展其生產(chǎn)能力。Kalmbach博士解釋道：“為應(yīng)對更大尺寸晶圓的挑戰(zhàn)，200毫米晶圓的工藝是連續(xù)性的，以實(shí)現(xiàn)更平滑的溝槽輪廓和更高的生產(chǎn)效率?！?/p>

博世在德國羅伊特林根和美國羅斯維爾的新生產(chǎn)基地將進(jìn)一步推動這一技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用，為電動出行的未來發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持。

博世自2021年底以來，已在位于羅伊特林根的工廠開始大規(guī)模生產(chǎn)其第一代碳化硅芯片，采用150毫米的晶圓。自2024年6月，博世在羅伊特林根開始生產(chǎn)第二代碳化硅芯片樣品，采用200毫米晶圓，供客戶試跑。于2027年，博世計(jì)劃啟動第三代碳化硅芯片的200毫米晶圓量產(chǎn)。

垂直溝槽結(jié)構(gòu)的未來展望

博世的垂直溝槽蝕刻技術(shù)不僅是半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破，更是推動電動汽車行業(yè)向前發(fā)展的關(guān)鍵動力。通過將碳化硅材料的優(yōu)異特性與垂直溝槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)勢相結(jié)合，博世正在為高效、緊湊、可靠的電動出行解決方案奠定基礎(chǔ)。

隨著全球?qū)μ蓟栊酒枨蟮某掷m(xù)增長，博世的創(chuàng)新技術(shù)將繼續(xù)引領(lǐng)行業(yè)變革，為可持續(xù)的未來出行貢獻(xiàn)力量。正如Heyers博士所言：“我們的碳化硅溝槽蝕刻技術(shù)是我們在汽車半導(dǎo)體領(lǐng)域多年經(jīng)驗(yàn)的集大成者，它將為現(xiàn)代出行帶來革命性的改變?！?/p>

博世的垂直溝槽蝕刻技術(shù)，不僅是一項(xiàng)技術(shù)突破，更是電動出行時(shí)代的重要里程碑。通過這一創(chuàng)新，博世正在為更高效、更可持續(xù)的未來鋪平道路。