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4H-SiC wird als Material für Leistungshalbleiterbauelemente kommerziell eingesetzt. Die Langzeitstabilität von 4H-SiC-Bauelementen stellt jedoch ein Hindernis für deren breite Anwendung dar, wobei die bipolare Degradation das wichtigste Zuverlässigkeitsproblem ist. Diese Degradation wird durch die Ausbreitung einzelner Shockley-Stapelfehler (1SSF) von Basisebenenversetzungen in 4H-SiC-Kristallen verursacht. Wir schlagen hier eine Methode zur Unterdrückung der 1SSF-Ausbreitung durch Protonenimplantation in 4H-SiC-Epitaxiewafer vor. Auf protonenimplantierten Wafern hergestellte PiN-Dioden zeigten die gleichen Strom-Spannungs-Kennlinien wie Dioden ohne Protonenimplantation. Im Gegensatz dazu wird die 1SSF-Ausbreitung in der protonenimplantierten PiN-Diode effektiv unterdrückt. Die Protonenimplantation in 4H-SiC-Epitaxiewafer ist somit eine effektive Methode zur Unterdrückung der bipolaren Degradation von 4H-SiC-Leistungshalbleiterbauelementen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Bauelementleistung. Dieses Ergebnis trägt zur Entwicklung hochzuverlässiger 4H-SiC-Bauelemente bei.
Siliziumkarbid (SiC) ist als Halbleitermaterial für Hochleistungs- und Hochfrequenz-Halbleiterbauelemente, die auch unter rauen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden können, weithin anerkannt1. Es existieren zahlreiche SiC-Polytypen, darunter 4H-SiC mit exzellenten physikalischen Eigenschaften wie hoher Elektronenmobilität und starker Durchbruchfeldstärke2. 4H-SiC-Wafer mit einem Durchmesser von 6 Zoll sind bereits kommerziell erhältlich und werden für die Massenproduktion von Leistungshalbleiterbauelementen verwendet3. Traktionssysteme für Elektrofahrzeuge und -züge wurden mit 4H-SiC-Leistungshalbleiterbauelementen gefertigt4,5. Allerdings weisen 4H-SiC-Bauelemente weiterhin Probleme mit der Langzeitstabilität auf, wie z. B. dielektrischen Durchschlag oder Kurzschlussfestigkeit6,7. Eines der wichtigsten Zuverlässigkeitsprobleme ist die bipolare Degradation2,8,9,10,11. Diese bipolare Degradation wurde vor über 20 Jahren entdeckt und stellt seitdem ein Problem bei der SiC-Bauelementfertigung dar.
Die bipolare Degradation wird durch einen einzelnen Shockley-Stapeldefekt (1SSF) in 4H-SiC-Kristallen verursacht, deren Basisebenenversetzungen (BPDs) sich durch rekombinationsverstärktes Versetzungsgleiten (REDG) ausbreiten12,13,14,15,16,17,18,19. Wenn die Ausbreitung von BPDs auf 1SSF unterdrückt wird, können 4H-SiC-Leistungsbauelemente ohne bipolare Degradation hergestellt werden. Es wurden verschiedene Methoden zur Unterdrückung der BPD-Ausbreitung beschrieben, beispielsweise die Umwandlung von BPDs in Gewindekantenversetzungen (TEDs)20,21,22,23,24. In modernen SiC-Epitaxie-Wafern befinden sich die BPDs aufgrund der Umwandlung in TEDs während des anfänglichen Epitaxiewachstums hauptsächlich im Substrat und nicht in der Epitaxieschicht. Das verbleibende Problem der bipolaren Degradation ist daher die Verteilung der BPDs im Substrat25,26,27. Das Einfügen einer „Verstärkungsschicht“ zwischen Driftzone und Substrat wurde als effektive Methode zur Unterdrückung der Bipolartransistor-Ausbreitung im Substrat vorgeschlagen28,29,30,31. Diese Schicht erhöht die Wahrscheinlichkeit der Rekombination von Elektron-Loch-Paaren in der Epitaxieschicht und im SiC-Substrat. Durch die Reduzierung der Anzahl an Elektron-Loch-Paaren wird die Triebkraft der REDG-Rekombination für die Bipolartransistor-Ausbreitung im Substrat verringert, sodass die Verstärkungsschicht die Bipolartransistor-Degradation unterdrücken kann. Es ist jedoch zu beachten, dass das Einfügen einer solchen Schicht zusätzliche Kosten bei der Waferherstellung verursacht und es ohne diese Schicht schwierig ist, die Anzahl der Elektron-Loch-Paare allein durch die Kontrolle der Trägerlebensdauer zu reduzieren. Daher besteht weiterhin ein dringender Bedarf an der Entwicklung anderer Unterdrückungsmethoden, um ein besseres Gleichgewicht zwischen Herstellungskosten und Ausbeute zu erzielen.
Da die Ausdehnung der bipolaren Degradation (BPD) auf 1SSF die Bewegung von Teilversetzungen (PDs) erfordert, ist die Fixierung der PDs ein vielversprechender Ansatz zur Hemmung der bipolaren Degradation. Obwohl die Fixierung von PDs durch Metallverunreinigungen bereits beschrieben wurde, befinden sich FPDs in 4H-SiC-Substraten in einem Abstand von mehr als 5 µm von der Oberfläche der Epitaxieschicht. Da der Diffusionskoeffizient von Metallen in SiC sehr gering ist, diffundieren Metallverunreinigungen nur schwer in das Substrat34. Aufgrund der relativ großen Atommasse von Metallen ist auch die Ionenimplantation von Metallen schwierig. Im Gegensatz dazu können im Fall von Wasserstoff, dem leichtesten Element, Ionen (Protonen) mithilfe eines MeV-Beschleunigers bis zu einer Tiefe von mehr als 10 µm in 4H-SiC implantiert werden. Sollte die Protonenimplantation die Fixierung von PDs beeinflussen, könnte sie daher zur Unterdrückung der BPD-Ausbreitung im Substrat eingesetzt werden. Allerdings kann die Protonenimplantation 4H-SiC beschädigen und zu einer verminderten Leistungsfähigkeit des Bauelements führen.37,38,39,40
Um die durch Protonenimplantation verursachte Degradation von Bauelementen zu kompensieren, wird eine Hochtemperaturglühung zur Reparatur von Schäden eingesetzt, ähnlich der Glühmethode, die üblicherweise nach Akzeptorionenimplantation in der Bauelementfertigung angewendet wird1, 40, 41, 42. Obwohl Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS)43 eine Wasserstoffdiffusion infolge der Hochtemperaturglühung nachgewiesen hat, ist es möglich, dass die Dichte der Wasserstoffatome in der Nähe der FD allein nicht ausreicht, um die Pinning der PR mittels SIMS zu detektieren. Daher implantierten wir in dieser Studie Protonen in 4H-SiC-Epitaxie-Wafer vor dem eigentlichen Herstellungsprozess der Bauelemente, einschließlich der Hochtemperaturglühung. Wir verwendeten PiN-Dioden als experimentelle Bauelementstrukturen und fertigten diese auf protonenimplantierten 4H-SiC-Epitaxie-Wafern. Anschließend untersuchten wir die Strom-Spannungs-Kennlinien, um die durch die Protoneninjektion verursachte Degradation der Bauelementleistung zu analysieren. Abschließend beobachteten wir die Ausdehnung der 1SSF in Elektrolumineszenzbildern (EL) nach Anlegen einer elektrischen Spannung an die PiN-Diode. Abschließend bestätigten wir den Effekt der Protoneninjektion auf die Unterdrückung der 1SSF-Expansion.
Abbildung 1 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinien (CVCs) von PiN-Dioden bei Raumtemperatur mit und ohne Protonenimplantation vor dem Anlegen eines Stromimpulses. PiN-Dioden mit Protoneninjektion weisen ähnliche Gleichrichtercharakteristiken wie Dioden ohne Protoneninjektion auf, obwohl die IV-Kennlinien beider Dioden identisch sind. Um den Unterschied zwischen den Injektionsbedingungen zu verdeutlichen, wurde die Spannungs-Frequenz-Kennlinie bei einer Vorwärtsstromdichte von 2,5 A/cm² (entsprechend 100 mA) als statistisches Diagramm in Abbildung 2 dargestellt. Die durch eine Normalverteilung approximierte Kurve ist als gestrichelte Linie dargestellt. Wie aus den Kurvenmaxima ersichtlich, steigt der Durchlasswiderstand bei Protonendosen von 10¹⁴ und 10¹⁶ cm⁻² leicht an, während die PiN-Diode mit einer Protonendosis von 10¹² cm⁻² nahezu die gleichen Eigenschaften wie ohne Protonenimplantation aufweist. Wir führten außerdem eine Protonenimplantation nach der Herstellung von PiN-Dioden durch, die aufgrund von Schäden durch die Protonenimplantation keine gleichmäßige Elektrolumineszenz aufwiesen (siehe Abb. S1), wie in früheren Studien beschrieben37,38,39. Daher ist das Tempern bei 1600 °C nach der Implantation von Al-Ionen ein notwendiger Prozess zur Aktivierung des Al-Akzeptors, der die durch die Protonenimplantation verursachten Schäden repariert und somit die Strom-Spannungs-Kennlinien (CVCs) von implantierten und nicht-implantierten PiN-Dioden angleicht. Die Sperrstromfrequenz bei -5 V ist ebenfalls in Abb. S2 dargestellt; es zeigt sich kein signifikanter Unterschied zwischen Dioden mit und ohne Protoneninjektion.
Strom-Spannungs-Kennlinien von PiN-Dioden mit und ohne injizierte Protonen bei Raumtemperatur. Die Legende gibt die Protonendosis an.
Spannungsfrequenz bei Gleichstrom von 2,5 A/cm² für PiN-Dioden mit injizierten und nicht-injizierten Protonen. Die gestrichelte Linie entspricht der Normalverteilung.
Abbildung 3 zeigt ein Elektrolumineszenzbild (EL-Bild) einer PiN-Diode mit einer Stromdichte von 25 A/cm² nach Anlegen einer Spannung. Vor Anlegen der gepulsten Stromlast waren keine dunklen Bereiche der Diode zu beobachten (Abb. 3.C2). Wie in Abb. 3a dargestellt, zeigten sich jedoch in einer nicht protonenimplantierten PiN-Diode nach Anlegen einer elektrischen Spannung mehrere dunkle, streifenförmige Bereiche mit hellen Rändern. Derartige stabförmige dunkle Bereiche sind auch in EL-Bildern von 1SSF zu sehen, die sich vom BPD im Substrat aus erstrecken28,29. In PiN-Dioden mit implantierten Protonen wurden hingegen ausgedehnte Stapelfehler beobachtet (Abb. 3b–d). Mithilfe der Röntgentopographie bestätigten wir das Vorhandensein von Fotolacken (PRs), die sich ohne Protoneninjektion vom BPD zum Substrat an der Peripherie der Kontakte in der PiN-Diode bewegen können (Abb. 4: diese Abbildung zeigt die Diode ohne Entfernen der oberen Elektrode; der Fotolack unter den Elektroden ist nicht sichtbar). Der dunkle Bereich im Elektrolumineszenzbild (EL-Bild) entspricht daher einem ausgedehnten 1SSF-BPD im Substrat. EL-Bilder weiterer beladener PiN-Dioden sind in den Abbildungen 1 und 2 dargestellt. Die Videos S3–S6 mit und ohne ausgedehnte dunkle Bereiche (zeitlich veränderliche EL-Bilder von PiN-Dioden ohne Protoneninjektion und mit einer Implantationsrate von 1014 cm-2) sind ebenfalls in den Zusatzinformationen zu finden.
EL-Bilder von PiN-Dioden bei 25 A/cm2 nach 2 Stunden elektrischer Belastung (a) ohne Protonenimplantation und mit implantierten Dosen von (b) 1012 cm-2, (c) 1014 cm-2 und (d) 1016 cm-2 Protonen.
Wir berechneten die Dichte des expandierten 1SSF, indem wir die dunklen Bereiche mit hellen Rändern in drei PiN-Dioden für jede Bedingung ermittelten, wie in Abbildung 5 dargestellt. Die Dichte des expandierten 1SSF nimmt mit zunehmender Protonendosis ab, und selbst bei einer Dosis von 1012 cm-2 ist die Dichte des expandierten 1SSF deutlich geringer als in einer nicht implantierten PiN-Diode.
Erhöhte Dichten von SF PiN Dioden mit und ohne Protonenimplantation nach Belastung mit einem gepulsten Strom (jeder Zustand umfasste drei belastete Dioden).
Die Verkürzung der Trägerlebensdauer beeinflusst auch die Unterdrückung der Expansion, und die Protoneninjektion reduziert die Trägerlebensdauer32,36. Wir haben die Trägerlebensdauer in einer 60 µm dicken Epitaxieschicht mit 1014 cm-2 injizierten Protonen gemessen. Ausgehend von der anfänglichen Trägerlebensdauer reduziert die Implantation den Wert zwar auf ca. 10 %, eine anschließende Temperung stellt ihn jedoch wieder auf ca. 50 % her (siehe Abb. S7). Die durch die Protonenimplantation reduzierte Trägerlebensdauer wird somit durch Hochtemperaturtemperung wiederhergestellt. Obwohl eine 50%ige Reduzierung der Trägerlebensdauer auch die Ausbreitung von Stapelfehlern hemmt, zeigen die I-V-Kennlinien, die typischerweise von der Trägerlebensdauer abhängen, nur geringe Unterschiede zwischen injizierten und nicht-implantierten Dioden. Daher gehen wir davon aus, dass die PD-Verankerung eine Rolle bei der Hemmung der 1SSF-Expansion spielt.
Obwohl SIMS nach dem Tempern bei 1600 °C, wie in früheren Studien berichtet, keinen Wasserstoff nachweisen konnte, beobachteten wir den Effekt der Protonenimplantation auf die Unterdrückung der 1SSF-Expansion (siehe Abbildungen 1 und 4). Daher gehen wir davon aus, dass die PD durch Wasserstoffatome mit einer Dichte unterhalb der Nachweisgrenze von SIMS (2 × 10¹⁶ cm⁻³) oder durch implantationsinduzierte Punktdefekte verankert ist. Es ist anzumerken, dass wir nach einer Stoßstrombelastung keinen Anstieg des Durchlasswiderstands aufgrund der 1SSF-Länge feststellen konnten. Dies könnte auf unvollkommene ohmsche Kontakte zurückzuführen sein, die mit unserem Verfahren hergestellt wurden und in naher Zukunft behoben werden.
Zusammenfassend haben wir eine Methode zur Unterdrückung der Bipolartransistor-Diode (BPD) in 4H-SiC-PiN-Dioden mittels Protonenimplantation vor der Bauelementfertigung entwickelt. Die Verschlechterung der Strom-Spannungs-Kennlinie während der Protonenimplantation ist vernachlässigbar, insbesondere bei einer Protonendosis von 1012 cm–2, der Effekt der Unterdrückung der 1SSF-Expansion ist jedoch signifikant. Obwohl wir in dieser Studie 10 µm dicke PiN-Dioden mit einer Protonenimplantationstiefe von 10 µm hergestellt haben, ist es möglich, die Implantationsbedingungen weiter zu optimieren und sie zur Herstellung anderer 4H-SiC-Bauelemente anzuwenden. Die zusätzlichen Kosten für die Bauelementfertigung während der Protonenimplantation sollten berücksichtigt werden, sie dürften jedoch vergleichbar mit denen der Aluminiumionenimplantation sein, dem Hauptherstellungsverfahren für 4H-SiC-Leistungsbauelemente. Somit stellt die Protonenimplantation vor der Bauelementfertigung eine vielversprechende Methode zur Herstellung von 4H-SiC-Bipolar-Leistungsbauelementen ohne Degeneration dar.
Als Probe diente ein 4-Zoll-n-dotiertes 4H-SiC-Wafer mit einer Epitaxieschichtdicke von 10 µm und einer Donator-Dotierungskonzentration von 1 × 10¹⁶ cm⁻³. Vor der Weiterverarbeitung wurden H⁺-Ionen mit einer Beschleunigungsenergie von 0,95 MeV bei Raumtemperatur bis zu einer Tiefe von ca. 10 µm senkrecht zur Oberfläche in das Wafer implantiert. Während der Protonenimplantation wurde eine Maske verwendet, sodass das Wafer Bereiche ohne und mit Protonendosen von 10¹², 10¹⁴ bzw. 10¹⁶ cm⁻² aufwies. Anschließend wurden Al-Ionen mit Protonendosen von 10²⁰ und 10¹⁷ cm⁻³ über den gesamten Wafer bis zu einer Tiefe von 0–0,2 µm bzw. 0,2–0,5 µm unterhalb der Oberfläche implantiert. Abschließend erfolgte eine Temperung bei 1600 °C zur Bildung einer Kohlenstoffkappe, die die ap-Schicht erzeugte. Anschließend wurde auf der Substratseite ein rückseitiger Ni-Kontakt aufgebracht, während auf der Epitaxieschichtseite ein 2,0 mm × 2,0 mm großer, kammförmiger Ti/Al-Vorderseitenkontakt mittels Fotolithografie und anschließendem Ablöseprozess abgeschieden wurde. Abschließend erfolgte eine Kontaktglühung bei 700 °C. Nach dem Zerteilen des Wafers in Chips wurden Spannungscharakteristika und Anwendungsversuche durchgeführt.
Die Strom-Spannungs-Kennlinien der hergestellten PiN-Dioden wurden mit einem Halbleiterparameteranalysator HP4155B untersucht. Als elektrische Belastung wurde ein 10 ms langer Stromimpuls von 212,5 A/cm² über 2 Stunden mit einer Frequenz von 10 Impulsen/s angelegt. Bei niedrigerer Stromdichte oder Frequenz wurde selbst in einer PiN-Diode ohne Protoneninjektion keine 1SSF-Expansion beobachtet. Während der angelegten Spannung betrug die Temperatur der PiN-Diode ohne gezielte Erwärmung etwa 70 °C (siehe Abb. S8). Elektrolumineszenzbilder wurden vor und nach der elektrischen Belastung bei einer Stromdichte von 25 A/cm² aufgenommen. Die Synchrotron-Röntgentopographie erfolgte mit einem monochromatischen Röntgenstrahl (λ = 0,15 nm) am Aichi Synchrotron Radiation Center. Der ag-Vektor in BL8S2 ist -1-128 oder 11-28 (siehe Ref. 44 für Details).
Die Spannungsfrequenz bei einer Vorwärtsstromdichte von 2,5 A/cm² wird in Abb. 2 in Schritten von 0,5 V anhand der CVC jedes Zustands der PiN-Diode ermittelt. Aus dem Mittelwert der Spannung Vave und der Standardabweichung σ der Spannung wird mithilfe der folgenden Gleichung eine Normalverteilungskurve in Form einer gestrichelten Linie in Abb. 2 gezeichnet:
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Veröffentlichungsdatum: 06.11.2022
