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4H-SiC는 전력 반도체 소자 재료로 상용화되어 왔습니다. 그러나 4H-SiC 소자의 장기 신뢰성은 광범위한 응용에 걸림돌이 되고 있으며, 4H-SiC 소자의 가장 중요한 신뢰성 문제는 양극성 열화입니다. 이러한 열화는 4H-SiC 결정에서 기저면 전위의 단일 쇼클리 적층 결함(1SSF) 전파에 의해 발생합니다. 본 연구에서는 4H-SiC 에피택셜 웨이퍼에 양성자를 주입하여 1SSF 팽창을 억제하는 방법을 제안합니다. 양성자 주입 웨이퍼에 제작된 PiN 다이오드는 양성자 주입을 하지 않은 다이오드와 동일한 전류-전압 특성을 보였습니다. 이와는 대조적으로, 양성자 주입된 PiN 다이오드에서는 1SSF 팽창이 효과적으로 억제되었습니다. 따라서 4H-SiC 에피택셜 웨이퍼에 양성자를 주입하는 것은 소자 성능을 유지하면서 4H-SiC 전력 반도체 소자의 양극성 열화를 억제하는 효과적인 방법입니다. 본 결과는 신뢰성이 높은 4H-SiC 소자 개발에 기여할 것으로 기대된다.
탄화규소(SiC)는 혹독한 환경에서 작동할 수 있는 고전력, 고주파 반도체 소자용 반도체 재료로 널리 알려져 있습니다.1 SiC 폴리타입은 다양하며, 그중 4H-SiC는 높은 전자 이동도와 강한 파괴 전계와 같은 우수한 반도체 소자 물리적 특성을 가지고 있습니다.2 직경 6인치의 4H-SiC 웨이퍼가 현재 상용화되어 전력 반도체 소자의 대량 생산에 사용되고 있습니다.3 전기 자동차 및 열차용 견인 시스템은 4H-SiC4.5 전력 반도체 소자를 사용하여 제작되었습니다. 그러나 4H-SiC 소자는 여전히 유전 파괴 또는 단락 신뢰성과 같은 장기 신뢰성 문제로 어려움을 겪고 있으며,6,7 그중 가장 중요한 신뢰성 문제 중 하나는 양극성 저하입니다.2,8,9,10,11 이 양극성 저하 현상은 20년 전에 발견되었으며 오랫동안 SiC 소자 제조에서 문제가 되어 왔습니다.
양극성 열화는 4H-SiC 결정에서 기저면 전위(BPD)가 재결합 강화 전위 활공(REDG)에 의해 전파되는 단일 쇼클리 스택 결함(1SSF)에 의해 발생합니다.12,13,14,15,16,17,18,19 따라서 BPD 확장을 1SSF로 억제하면 양극성 열화 없이 4H-SiC 전력 소자를 제작할 수 있습니다. BPD 전파를 억제하는 여러 방법이 보고되었는데, BPD에서 TED(Thread Edge Dislocation)로의 변환이 그 예입니다.20,21,22,23,24 최신 SiC 에피택셜 웨이퍼에서는 에피택셜 성장 초기 단계에서 BPD가 TED로 변환되기 때문에 BPD가 주로 기판에 존재하고 에피택셜층에는 존재하지 않습니다. 따라서 양극성 열화의 남은 문제는 기판 내 BPD 분포입니다.25,26,27 드리프트층과 기판 사이에 "복합 보강층"을 삽입하는 것이 기판 내 BPD 팽창을 억제하는 효과적인 방법으로 제안되었다28, 29, 30, 31. 이 층은 에피택셜층과 SiC 기판에서 전자-정공 쌍 재결합 확률을 높인다. 전자-정공 쌍의 수를 줄이면 기판 내 REDG의 BPD 구동력이 감소하므로, 복합 보강층은 양극성 열화를 억제할 수 있다. 층을 삽입하면 웨이퍼 생산에 추가 비용이 발생하며, 층을 삽입하지 않고는 캐리어 수명 제어만으로 전자-정공 쌍의 수를 줄이는 것이 어렵다는 점에 유의해야 한다. 따라서 소자 제조 비용과 수율 간의 균형을 맞추기 위해 다른 억제 방법 개발이 여전히 절실히 필요하다.
BPD를 1SSF로 확장하려면 부분 전위(PD)의 이동이 필요하므로, PD를 고정하는 것은 양극성 열화를 억제하는 유망한 방법입니다. 금속 불순물에 의한 PD 고정이 보고되었지만, 4H-SiC 기판의 FPD는 에피택셜층 표면으로부터 5μm 이상 떨어져 있습니다. 또한, SiC 내 금속의 확산 계수가 매우 작기 때문에 금속 불순물이 기판으로 확산되기 어렵습니다.34 금속의 원자량이 비교적 크기 때문에 금속의 이온 주입도 어렵습니다. 반면, 가장 가벼운 원소인 수소의 경우 MeV급 가속기를 사용하여 4H-SiC에 이온(양성자)을 10μm 이상의 깊이까지 주입할 수 있습니다. 따라서 양성자 주입이 PD 고정에 영향을 미친다면, 기판 내 BPD 전파를 억제하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 양성자 이식은 4H-SiC를 손상시킬 수 있으며 장치 성능 저하를 초래할 수 있습니다37,38,39,40.
양성자 주입으로 인한 소자 성능 저하를 극복하기 위해, 소자 공정에서 억셉터 이온 주입 후 일반적으로 사용되는 어닐링 방법과 유사하게 고온 어닐링을 사용하여 손상을 복구합니다.1, 40, 41, 42. 2차 이온 질량 분석법(SIMS)43은 고온 어닐링으로 인한 수소 확산을 보고했지만, FD 근처의 수소 원자 밀도만으로는 SIMS를 사용하여 PR의 고정을 감지하기에 충분하지 않을 수 있습니다. 따라서 본 연구에서는 고온 어닐링을 포함한 소자 제작 공정 전에 4H-SiC 에피택셜 웨이퍼에 양성자를 주입했습니다. 실험용 소자 구조로 PiN 다이오드를 사용하여 양성자 주입된 4H-SiC 에피택셜 웨이퍼에 제작했습니다. 그런 다음, 양성자 주입으로 인한 소자 성능 저하를 연구하기 위해 전압-전류 특성을 관찰했습니다. 이어서, PiN 다이오드에 전압을 인가한 후 전기발광(EL) 이미지에서 1SSF의 확장을 관찰했습니다. 마지막으로, 양성자 주입이 1SSF 확장 억제에 미치는 영향을 확인했습니다.
그림 1은 펄스 전류 이전에 양성자 주입이 있는 영역과 없는 영역에서 실온에서 PiN 다이오드의 전류-전압 특성(CVC)을 보여줍니다. 양성자 주입이 있는 PiN 다이오드는 양성자 주입이 없는 다이오드와 유사한 정류 특성을 보이지만, IV 특성은 다이오드 간에 공유됩니다. 주입 조건 간의 차이를 나타내기 위해 그림 2와 같이 순방향 전류 밀도가 2.5 A/cm²(100 mA에 해당)일 때 전압 주파수를 통계적 플롯으로 표시했습니다. 정규 분포로 근사된 곡선도 점선으로 표시됩니다. 곡선의 피크에서 볼 수 있듯이, 양성자 주입량이 1014 및 1016 cm²일 때 온 저항이 약간 증가하는 반면, 양성자 주입량이 1012 cm²인 PiN 다이오드는 양성자 주입이 없는 경우와 거의 동일한 특성을 보입니다. 또한, 이전 연구37,38,39에서 기술한 바와 같이, 그림 S1에서 볼 수 있듯이 양성자 주입으로 인한 손상으로 균일한 전계 발광을 나타내지 않는 PiN 다이오드 제작 후 양성자 주입을 수행했습니다. 따라서 Al 이온 주입 후 1600°C에서 어닐링하는 것은 양성자 주입으로 인한 손상을 복구할 수 있는 Al 수용체를 활성화하는 소자 제작에 필수적인 공정이며, 이를 통해 양성자 주입 후와 비주입 후 양성자 PiN 다이오드 간의 CVC가 동일하게 됩니다. -5V에서의 역방향 전류 주파수도 그림 S2에 제시되어 있으며, 양성자 주입 유무에 따른 다이오드 간 유의미한 차이는 없었습니다.
실온에서 양성자 주입 유무에 따른 PiN 다이오드의 전압-전류 특성. 범례는 양성자 주입량을 나타냅니다.
주입된 양성자와 주입되지 않은 양성자를 갖는 PiN 다이오드의 직류 2.5 A/cm2에서의 전압 주파수. 점선은 정규 분포에 해당합니다.
그림 3은 전압 인가 후 전류 밀도가 25 A/cm²인 PiN 다이오드의 EL 이미지를 보여줍니다. 펄스 전류 부하를 인가하기 전에는 그림 3에서 볼 수 있듯이 다이오드의 어두운 영역이 관찰되지 않았습니다. C2. 그러나 그림 3a에서 볼 수 있듯이 양성자 주입이 없는 PiN 다이오드에서는 전압 인가 후 밝은 가장자리를 가진 여러 개의 어두운 줄무늬 영역이 관찰되었습니다. 이러한 막대 모양의 어두운 영역은 기판의 BPD에서 확장된 1SSF의 EL 이미지에서 관찰됩니다.28,29 그러나 양성자가 주입된 PiN 다이오드에서는 그림 3b-d에서 볼 수 있듯이 확장된 적층 결함이 관찰되었습니다. X선 지형학을 사용하여 양성자 주입 없이 PiN 다이오드의 접점 주변에서 BPD에서 기판으로 이동할 수 있는 PR의 존재를 확인했습니다(그림 4: 상단 전극을 제거하지 않은 이 이미지(촬영 시 전극 아래의 PR은 보이지 않음). 따라서 EL 이미지의 어두운 영역은 기판에서 확장된 1SSF BPD에 해당합니다. 다른 부하가 걸린 PiN 다이오드의 EL 이미지는 그림 1과 2에 나와 있습니다. 확장된 어두운 영역이 있는 비디오와 없는 비디오 S3-S6(양성자 주입 없이 1014cm-2에서 이식된 PiN 다이오드의 시간 변화 EL 이미지)도 보충 정보에 나와 있습니다.
(a) 양성자 이식 없이, (b) 1012 cm-2, (c) 1014 cm-2 및 (d) 1016 cm-2 양성자를 이식한 경우의 2시간 전기 스트레스 후 25 A/cm2에서 PiN 다이오드의 EL 이미지.
그림 5에서 보듯이, 각 조건에 대해 세 개의 PiN 다이오드에서 밝은 모서리가 있는 어두운 영역을 계산하여 확장된 1SSF의 밀도를 계산했습니다. 확장된 1SSF의 밀도는 양성자 투여량이 증가함에 따라 감소하며, 1012cm-2의 투여량에서도 확장된 1SSF의 밀도는 이식되지 않은 PiN 다이오드보다 상당히 낮습니다.
펄스 전류를 부하한 후 양성자 이식 여부에 따른 SF PiN 다이오드의 밀도 증가(각 상태에는 부하된 다이오드 3개가 포함됨).
캐리어 수명 단축은 팽창 억제에도 영향을 미치며, 양성자 주입은 캐리어 수명을 감소시킨다32,36. 1014 cm-2의 양성자가 주입된 60 µm 두께의 에피택셜층에서 캐리어 수명을 관찰했다. 초기 캐리어 수명은 주입으로 인해 약 10%까지 감소하지만, 이후 어닐링 과정을 거치면 그림 S7과 같이 약 50%까지 회복된다. 따라서 양성자 주입으로 인해 감소된 캐리어 수명은 고온 어닐링 과정을 통해 회복된다. 캐리어 수명이 50% 감소하면 적층 결함의 전파도 억제되지만, 일반적으로 캐리어 수명에 따라 달라지는 I-V 특성은 주입된 다이오드와 주입되지 않은 다이오드 간에 미미한 차이만 보인다. 따라서 PD 앵커링이 1SSF 팽창을 억제하는 데 중요한 역할을 한다고 생각한다.
SIMS는 이전 연구에서 보고된 바와 같이 1600°C에서 어닐링 후 수소를 검출하지 못했지만, 그림 1과 4에서 볼 수 있듯이 양성자 주입이 1SSF 팽창 억제에 미치는 영향을 관찰했습니다. 3, 4. 따라서 PD는 SIMS 검출 한계(2 × 1016 cm-3) 미만의 밀도를 가진 수소 원자 또는 주입으로 유도된 점 결함에 의해 고정된다고 생각합니다. 서지 전류 부하 후 1SSF의 신장으로 인한 온 상태 저항의 증가는 확인하지 못했습니다. 이는 본 공정을 사용하여 만들어진 불완전한 오믹 접촉 때문일 수 있으며, 이는 가까운 시일 내에 제거될 예정입니다.
결론적으로, 본 연구에서는 소자 제작 전 양성자 주입을 이용하여 4H-SiC PiN 다이오드에서 BPD를 1SSF까지 확장하는 퀀칭 방법을 개발했습니다. 양성자 주입 중 I-V 특성의 저하는 특히 양성자 주입량이 1012cm-2일 때 미미하지만, 1SSF 확장 억제 효과는 상당합니다. 본 연구에서는 양성자 주입 깊이가 10µm인 10µm 두께의 PiN 다이오드를 제작했지만, 주입 조건을 더욱 최적화하여 다른 유형의 4H-SiC 소자 제작에 적용할 수 있습니다. 양성자 주입 중 소자 제작에 드는 추가 비용을 고려해야 하지만, 이는 4H-SiC 전력 소자의 주요 제조 공정인 알루미늄 이온 주입과 유사할 것입니다. 따라서 소자 공정 전 양성자 주입은 변성 없이 4H-SiC 바이폴라 전력 소자를 제작할 수 있는 잠재적인 방법입니다.
에피택셜층 두께가 10µm이고 도너 도핑 농도가 1 × 1016cm–3인 4인치 n형 4H-SiC 웨이퍼를 샘플로 사용했습니다.소자를 가공하기 전에 H+ 이온을 실온에서 가속 에너지 0.95MeV로 플레이트 표면에 수직인 각도로 약 10µm 깊이까지 플레이트에 주입했습니다.양성자 주입 중에 플레이트의 마스크를 사용했고 플레이트에는 양성자 투여량이 1012, 1014 또는 1016cm–2인 섹션과 없는 섹션이 있었습니다.그런 다음 양성자 투여량이 1020 및 1017cm–3인 Al 이온을 전체 웨이퍼 위에 표면에서 0–0.2µm 깊이와 0.2–0.5µm 깊이까지 주입한 다음 1600°C에서 어닐링하여 ap 층을 형성하는 탄소 캡을 형성했습니다.-타입. 이후, 기판 측에 후면 Ni 접촉을 증착하고, 에피택셜층 측에는 포토리소그래피 및 박리 공정을 통해 형성된 2.0 mm × 2.0 mm 크기의 빗살 모양 Ti/Al 전면 접촉을 증착했습니다. 마지막으로, 700 °C의 온도에서 접촉 어닐링을 수행했습니다. 웨이퍼를 칩으로 절단한 후, 응력 특성 분석 및 적용을 수행했습니다.
제작된 PiN 다이오드의 I-V 특성은 HP4155B 반도체 파라미터 분석기를 사용하여 관찰했습니다. 전기적 스트레스로서 212.5 A/cm2의 10밀리초 펄스 전류를 10펄스/초의 주파수로 2시간 동안 도입했습니다. 더 낮은 전류 밀도 또는 주파수를 선택했을 때 양성자 주입이 없는 PiN 다이오드에서도 1SSF 팽창을 관찰하지 못했습니다. 인가된 전압 동안 PiN 다이오드의 온도는 의도적인 가열 없이도 그림 S8에 표시된 대로 약 70°C입니다. 25 A/cm2의 전류 밀도에서 전기적 스트레스 전후에 전기 발광 이미지를 얻었습니다. 아이치 싱크로트론 방사선 센터에서 단색 X선 빔(λ = 0.15 nm)을 사용한 싱크로트론 반사 스침 입사 X선 지형, BL8S2의 ag 벡터는 -1-128 또는 11-28입니다(자세한 내용은 참고 문헌 44 참조). ).
그림 2는 PiN 다이오드의 각 상태의 CVC에 따라 2.5 A/cm²의 순방향 전류 밀도에서 0.5 V 간격으로 전압 주파수를 추출한 것입니다. 응력 Vave의 평균값과 응력의 표준 편차 σ로부터 다음 식을 사용하여 그림 2에 점선 형태의 정규 분포 곡선을 그립니다.
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Zhang, Z., Moulton, E. & Sudarshan, TS 에칭된 기판에서 에피택시를 통해 SiC 박막의 기저면 전위를 제거하는 메커니즘. Zhang, Z., Moulton, E. & Sudarshan, TS 에칭된 기판에서 에피택시를 통해 SiC 박막의 기저면 전위를 제거하는 메커니즘.Zhang Z., Moulton E. 및 Sudarshan TS 에칭된 기판에서 에피택시를 통해 SiC 박막의 기저면 전위를 제거하는 메커니즘. Zhang, Z., Moulton, E. & Sudarshan, TS는 SiC 薄膜中基면位错的机제조에 있습니다. Zhang, Z., Moulton, E. & Sudarshan, TS 기판을 에칭하여 SiC 박막을 제거하는 메커니즘.Zhang Z., Moulton E. 및 Sudarshan TS 에칭된 기판에서 에피택시를 통해 SiC 박막의 기저면 전위를 제거하는 메커니즘.응용물리학 Wright. 89, 081910 (2006).
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Song, H. & Sudarshan, TS 4° 오프축 4H–SiC의 에피택셜 성장에서 에피층/기판 계면 근처의 기저면 전위 변환. Song, H. & Sudarshan, TS 4° 오프축 4H–SiC의 에피택셜 성장에서 에피층/기판 계면 근처의 기저면 전위 변환.Song, H. 및 Sudarshan, TS 4H–SiC의 축외 에피택시 성장 중 에피택시 층/기판 계면 근처의 기저면 전위의 변형. Song, H. & Sudarshan, TS는 4° 离轴4H-SiC 外延生长中外延层/衬底界면附近的基底平face位错转换. Song, H. & Sudarshan, TS 4° 离轴4H-SiC 송, H. & 수다르샨, TS4° 축 외부에서 4H-SiC의 에피택셜 성장 중 에피택셜 층/기판 경계 근처 기판의 평면 전위 전이.J. Crystal. 성장 371, 94–101(2013).
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게시 시간: 2022년 11월 6일
