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4H-SiC는 전력 반도체 소자용 소재로 상용화되었습니다. 그러나 4H-SiC 소자의 장기적인 신뢰성은 광범위한 적용을 가로막는 걸림돌이며, 가장 중요한 신뢰성 문제는 양극성 열화입니다. 이 열화는 4H-SiC 결정 내 기저면 전위의 단일 쇼클리 적층 결함(1SSF) 전파에 의해 발생합니다. 본 연구에서는 4H-SiC 에피택셜 웨이퍼에 양성자를 주입하여 1SSF 확장을 억제하는 방법을 제안합니다. 양성자 주입된 웨이퍼에서 제작된 PiN 다이오드는 양성자 주입되지 않은 다이오드와 동일한 전류-전압 특성을 보였습니다. 반면, 양성자 주입된 PiN 다이오드에서는 1SSF 확장이 효과적으로 억제되었습니다. 따라서 4H-SiC 에피택셜 웨이퍼에 양성자를 주입하는 것은 소자 성능을 유지하면서 4H-SiC 전력 반도체 소자의 양극성 열화를 억제하는 효과적인 방법입니다. 이 결과는 신뢰성이 매우 높은 4H-SiC 소자 개발에 기여합니다.
탄화규소(SiC)는 가혹한 환경에서도 작동할 수 있는 고출력, 고주파 반도체 소자용 반도체 소재로 널리 알려져 있습니다.1 SiC에는 다양한 다형체가 있는데, 그중 4H-SiC는 높은 전자 이동도와 강한 항복 전기장과 같은 우수한 반도체 소자 물리적 특성을 가지고 있습니다.2 현재 6인치 직경의 4H-SiC 웨이퍼가 상용화되어 고출력 반도체 소자의 양산에 사용되고 있습니다.3 전기 자동차 및 열차용 견인 시스템에도 4H-SiC4,5 고출력 반도체 소자가 사용되었습니다. 그러나 4H-SiC 소자는 절연 파괴나 단락 신뢰성과 같은 장기적인 신뢰성 문제를 여전히 안고 있으며,6,7 그중에서도 가장 중요한 신뢰성 문제 중 하나는 양극성 열화입니다.2,8,9,10,11 이 양극성 열화는 20여 년 전에 발견되었으며, SiC 소자 제조에서 오랫동안 골칫거리였습니다.
양극성 열화는 기저면 전위(BPD)가 재결합 강화 전위 활주(REDG)에 의해 전파되는 4H-SiC 결정 내 단일 쇼클리 적층 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, 그중 하나는 BPD를 나사형 모서리 전위(TED)로 변환하는 것입니다.20,21,22,23,24 최근 SiC 에피택셜 웨이퍼에서는 에피택셜 성장 초기 단계에서 BPD가 TED로 변환되기 때문에 에피택셜 층이 아닌 기판에 주로 존재합니다. 따라서 양극성 열화의 남은 문제는 기판 내 BPD 분포입니다.25,26,27 드리프트층과 기판 사이에 "복합 보강층"을 삽입하는 것이 기판에서의 BPD(바이폴라 열화) 확장을 억제하는 효과적인 방법으로 제안되었다.28, 29, 30, 31 이 층은 에피택셜층과 SiC 기판에서 전자-정공 쌍의 재결합 확률을 증가시킨다. 전자-정공 쌍의 수가 감소하면 기판에서 REDG(레버리지 발광)가 BPD로 진행되는 구동력이 줄어들어, 복합 보강층은 바이폴라 열화를 억제할 수 있다. 그러나 이러한 층을 삽입하는 것은 웨이퍼 생산 비용을 증가시키며, 층 삽입 없이 캐리어 수명 제어만으로는 전자-정공 쌍의 수를 줄이기 어렵다. 따라서 소자 제조 비용과 수율 사이의 균형을 더 잘 맞출 수 있는 다른 억제 방법을 개발해야 할 필요성이 여전히 크다.
BPD가 1SSF까지 확장되려면 부분 전위(PD)의 이동이 필요하기 때문에, PD를 고정하는 것은 양극성 열화를 억제하는 유망한 접근 방식입니다. 금속 불순물에 의한 PD 고정이 보고된 바 있지만, 4H-SiC 기판의 FPD는 에피택셜 층 표면에서 5μm 이상 떨어진 곳에 위치합니다. 또한, SiC에서 모든 금속의 확산 계수가 매우 작기 때문에 금속 불순물이 기판으로 확산되기 어렵습니다.34 금속의 원자 질량이 상대적으로 크기 때문에 금속 이온 주입 또한 어렵습니다. 반면, 가장 가벼운 원소인 수소의 경우, MeV급 가속기를 사용하여 이온(양성자)을 4H-SiC에 10μm 이상 깊이까지 주입할 수 있습니다. 따라서 양성자 주입이 PD 고정에 영향을 미친다면, 기판에서 BPD 전파를 억제하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 양성자 주입은 4H-SiC를 손상시키고 장치 성능을 저하시킬 수 있습니다.37,38,39,40
양성자 주입으로 인한 소자 성능 저하를 극복하기 위해 고온 어닐링을 사용하여 손상을 복구하는데, 이는 소자 공정에서 수용체 이온 주입 후 일반적으로 사용되는 어닐링 방법과 유사합니다.1, 40, 41, 42 이차 이온 질량 분석법(SIMS)43을 통해 고온 어닐링으로 인한 수소 확산이 보고되었지만, FD 근처의 수소 원자 밀도만으로는 SIMS를 사용하여 PR의 피닝을 감지하기에 충분하지 않을 수 있습니다. 따라서 본 연구에서는 고온 어닐링을 포함한 소자 제작 공정 전에 4H-SiC 에피택셜 웨이퍼에 양성자를 주입했습니다. 실험 소자 구조로는 PiN 다이오드를 사용했으며, 양성자 주입된 4H-SiC 에피택셜 웨이퍼에 제작했습니다. 그런 다음 전압-전류 특성을 관찰하여 양성자 주입으로 인한 소자 성능 저하를 연구했습니다. 이어서 PiN 다이오드에 전압을 인가한 후 전기발광(EL) 이미지에서 1SSF의 확장을 관찰했습니다. 마지막으로, 우리는 양성자 주입이 1SSF 팽창 억제에 미치는 영향을 확인했습니다.
그림 1은 펄스 전류 인가 전 양성자 주입 유무에 따른 상온에서의 PiN 다이오드의 전류-전압 특성(CVC)을 보여줍니다. 양성자 주입을 한 PiN 다이오드는 IV 특성은 유사하지만 정류 특성은 양성자 주입을 하지 않은 다이오드와 비슷한 양상을 보입니다. 주입 조건 간의 차이를 명확히 하기 위해, 그림 2와 같이 순방향 전류 밀도 2.5 A/cm²(100 mA에 해당)에서의 전압-주파수 변화를 통계적으로 나타냈습니다. 정규 분포로 근사화된 곡선은 점선으로 표시했습니다. 곡선의 피크에서 알 수 있듯이, 양성자 주입량이 10¹⁴ 및 10¹⁶ cm⁻²일 때 온 저항이 약간 증가하는 반면, 10¹² cm⁻²의 양성자 주입량을 가진 PiN 다이오드는 양성자 주입을 하지 않은 다이오드와 거의 동일한 특성을 보입니다. 또한, 이전 연구37,38,39에서 설명한 바와 같이 양성자 주입으로 인한 손상 때문에 균일한 전기발광을 나타내지 않는 PiN 다이오드를 제작한 후 양성자 주입을 수행했습니다(그림 S1 참조). 따라서, Al 이온 주입 후 1600°C에서 어닐링하는 것은 Al 억셉터를 활성화하여 양성자 주입으로 인한 손상을 복구하고, 양성자 주입 여부에 따른 PiN 다이오드의 CVC(순환 전압 전류 곡선)를 동일하게 만드는 데 필요한 공정입니다. -5V에서의 역전류 주파수도 그림 S2에 나타냈으며, 양성자 주입 유무에 따른 다이오드 간에 유의미한 차이가 없습니다.
상온에서 양성자 주입 유무에 따른 PiN 다이오드의 전압-전류 특성. 범례는 양성자 주입량을 나타낸다.
양성자가 주입된 경우와 주입되지 않은 경우의 PiN 다이오드에 대한 직류 2.5 A/cm2에서의 전압 주파수. 점선은 정규 분포를 나타냅니다.
그림 3은 전압 인가 후 전류 밀도가 25 A/cm2인 PiN 다이오드의 EL 이미지를 보여줍니다. 펄스 전류 부하를 인가하기 전에는 그림 3C2에서 볼 수 있듯이 다이오드의 어두운 영역이 관찰되지 않았습니다. 그러나 그림 3a에서 볼 수 있듯이, 양성자 주입이 없는 PiN 다이오드에서는 전압을 인가한 후 밝은 가장자리를 가진 여러 개의 어두운 줄무늬 영역이 관찰되었습니다. 이러한 막대 모양의 어두운 영역은 기판의 BPD에서 확장되는 1SSF의 EL 이미지에서 관찰됩니다.28,29 반면, 양성자가 주입된 PiN 다이오드에서는 그림 3b~d에서 볼 수 있듯이 확장된 적층 결함이 관찰되었습니다. X선 토포그래피를 사용하여 양성자 주입 없이도 PiN 다이오드의 접점 주변부에서 BPD에서 기판으로 이동할 수 있는 PR의 존재를 확인했습니다(그림 4: 상부 전극을 제거하지 않은 상태에서 촬영한 이미지로, 전극 아래의 PR은 보이지 않습니다). 따라서 EL 이미지의 어두운 영역은 기판 내 확장된 1SSF BPD에 해당합니다. 다른 로딩된 PiN 다이오드의 EL 이미지는 그림 1과 2에 나와 있습니다. 확장된 어두운 영역이 있는 경우와 없는 경우의 비디오 S3-S6(양성자 주입 없이 10¹⁴ cm⁻²로 이온 주입된 PiN 다이오드의 시간 변화 EL 이미지)도 보충 정보에 제공되어 있습니다.
25 A/cm2의 전류 밀도에서 2시간 동안 전기적 스트레스를 가한 후 PiN 다이오드의 EL 이미지 (a) 양성자 주입 없음, (b) 1012 cm-2, (c) 1014 cm-2 및 (d) 1016 cm-2의 양성자 주입량.
그림 5에서와 같이 각 조건에 대해 3개의 PiN 다이오드에서 밝은 가장자리를 가진 어두운 영역을 계산하여 확장된 1SSF의 밀도를 계산했습니다. 확장된 1SSF의 밀도는 양성자 선량이 증가함에 따라 감소하며, 10¹² cm⁻²의 선량에서도 비이식된 PiN 다이오드보다 현저히 낮습니다.
펄스 전류를 흘려보낸 후 양성자 주입 유무에 따른 SF PiN 다이오드의 밀도 증가 (각 상태에는 3개의 다이오드가 포함됨).
캐리어 수명 단축은 팽창 억제에도 영향을 미치며, 양성자 주입은 캐리어 수명을 감소시킵니다.32,36 우리는 10¹⁴ cm⁻²의 양성자를 주입한 60 µm 두께의 에피택셜 층에서 캐리어 수명을 관찰했습니다. 초기 캐리어 수명은 주입으로 인해 약 10%까지 감소했지만, 후속 어닐링을 통해 약 50%까지 회복되었습니다(그림 S7 참조). 따라서 양성자 주입으로 인해 감소된 캐리어 수명은 고온 어닐링에 의해 회복됩니다. 캐리어 수명이 50% 감소하면 적층 결함의 전파도 억제되지만, 일반적으로 캐리어 수명에 의존하는 I-V 특성은 주입된 다이오드와 주입되지 않은 다이오드 간에 큰 차이를 보이지 않습니다. 따라서 우리는 PD 앵커링이 1SSF 팽창 억제에 중요한 역할을 한다고 생각합니다.
SIMS 분석 결과 1600°C에서 어닐링 후 수소가 검출되지 않았지만, 이전 연구에서 보고된 바와 같이 양성자 주입이 1SSF 팽창 억제에 미치는 영향을 그림 1과 4에서 확인할 수 있었습니다. 따라서 PD는 SIMS 검출 한계(2 × 10¹⁶ cm⁻³) 미만의 밀도를 가진 수소 원자 또는 주입으로 인해 생성된 점결함에 의해 고정되어 있다고 생각합니다. 서지 전류 부하 후 1SSF의 연장으로 인한 온 상태 저항 증가는 확인되지 않았는데, 이는 본 공정에서 형성된 불완전한 오믹 접촉 때문일 수 있으며, 이는 향후 개선될 예정입니다.
결론적으로, 본 연구에서는 소자 제작 전 양성자 주입을 이용하여 4H-SiC PiN 다이오드에서 BPD(바이폴라 결함)가 1SSF(단일 가닥 결함)까지 확장되는 현상을 억제하는 방법을 개발했습니다. 양성자 주입 과정에서 I-V 특성 저하는 미미하며, 특히 10¹² cm⁻²의 양성자 주입량에서는 더욱 그러합니다. 그러나 1SSF 확장을 억제하는 효과는 상당합니다. 본 연구에서는 10 µm 두께의 PiN 다이오드를 10 µm 깊이까지 양성자 주입하여 제작했지만, 주입 조건을 더욱 최적화하여 다른 유형의 4H-SiC 소자 제작에도 적용할 수 있을 것으로 예상됩니다. 양성자 주입 과정에서 소자 제작 비용이 추가될 수 있지만, 이는 4H-SiC 전력 소자 제작의 주요 공정인 알루미늄 이온 주입과 유사한 수준일 것입니다. 따라서 소자 공정 전 양성자 주입은 4H-SiC 바이폴라 전력 소자를 결함 없이 제작할 수 있는 유망한 방법입니다.
에피택셜 층 두께가 10 µm이고 도너 도핑 농도가 1 × 10¹⁶ cm⁻³인 4인치 n형 4H-SiC 웨이퍼를 시료로 사용하였다. 소자 제작 전, 상온에서 0.95 MeV의 가속 에너지로 H⁺ 이온을 웨이퍼 표면에 수직 방향으로 약 10 µm 깊이까지 주입하였다. 양성자 주입 시, 웨이퍼에 마스크를 적용하여 양성자 주입량이 각각 10¹², 10¹⁴, 또는 10¹⁶ cm⁻²인 부분과 주입되지 않은 부분을 구분하였다. 그 후, 10²⁰ 및 10¹⁷ cm⁻³의 양성자 주입량을 가진 Al 이온을 웨이퍼 전체에 걸쳐 표면으로부터 각각 0–0.2 µm 및 0.2–0.5 µm 깊이까지 주입하였다. 이어서 1600°C에서 어닐링하여 탄소 캡을 형성함으로써 ap 층을 형성하였다. 이후 기판 측에 후면 Ni 접촉층을 증착하고, 에피택셜 층 측에는 포토리소그래피 및 박리 공정을 통해 형성된 2.0 mm × 2.0 mm 크기의 빗살형 Ti/Al 전면 접촉층을 증착하였다. 마지막으로 700 °C에서 접촉부 어닐링을 수행하였다. 웨이퍼를 칩으로 절단한 후 응력 특성 분석 및 응용 시험을 진행하였다.
제작된 PiN 다이오드의 I-V 특성은 HP4155B 반도체 파라미터 분석기를 사용하여 측정하였다. 전기적 스트레스로는 212.5 A/cm²의 펄스 전류를 10펄스/초의 주파수로 2시간 동안 인가하였다. 더 낮은 전류 밀도나 주파수를 선택했을 때는 양성자 주입이 없는 PiN 다이오드에서도 1SSF 팽창이 관찰되지 않았다. 인가 전압 동안 PiN 다이오드의 온도는 의도적인 가열 없이 약 70°C를 유지하였다(그림 S8 참조). 전기적 스트레스 전후의 전기발광 이미지는 25 A/cm²의 전류 밀도에서 얻었다. X선 반사 그레이징 입사 X선 토포그래피는 아이치 방사광 센터(Aichi Synchrotron Radiation Center)에서 단색 X선 빔(λ = 0.15 nm)을 사용하여 수행하였으며, BL8S2의 ag 벡터는 -1-128 또는 11-28이다(자세한 내용은 참고문헌 44 참조).
그림 2에서는 PiN 다이오드의 각 상태에 대한 CVC에 따라 순방향 전류 밀도 2.5 A/cm2에서의 전압 주파수를 0.5 V 간격으로 추출했습니다. 스트레스의 평균값 Vave와 표준편차 σ를 이용하여 다음 방정식을 통해 그림 2에 점선 형태의 정규 분포 곡선을 그렸습니다.
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게시 시간: 2022년 11월 6일
