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4H-SiC는 전력반도체 소자용 소재로 상용화됐다.그러나 4H-SiC 디바이스의 장기적인 신뢰성은 폭넓은 적용에 걸림돌이 되며, 4H-SiC 디바이스의 가장 중요한 신뢰성 문제는 양극성 저하입니다.이러한 저하는 4H-SiC 결정의 기저면 전위의 단일 Shockley 적층 결함(1SSF) 전파로 인해 발생합니다.여기서는 4H-SiC 에피택셜 웨이퍼에 양성자를 주입하여 1SSF 팽창을 억제하는 방법을 제안합니다.양성자 주입을 통해 웨이퍼에 제작된 PiN 다이오드는 양성자 주입이 없는 다이오드와 동일한 전류-전압 특성을 나타냈습니다.대조적으로, 양성자 주입 PiN 다이오드에서는 1SSF 확장이 효과적으로 억제됩니다.따라서, 4H-SiC 에피택셜 웨이퍼에 양성자를 주입하는 것은 소자 성능을 유지하면서 4H-SiC 전력 반도체 소자의 양극성 열화를 억제하는 효과적인 방법입니다.이 결과는 신뢰성이 높은 4H-SiC 소자 개발에 기여합니다.
탄화규소(SiC)는 열악한 환경에서 작동할 수 있는 고전력, 고주파 반도체 장치용 반도체 소재로 널리 인식되고 있습니다1.SiC 다형이 많이 있으며, 그 중 4H-SiC는 높은 전자 이동도 및 강한 항복 전기장과 같은 우수한 반도체 장치 물리적 특성을 가지고 있습니다2.현재 6인치 직경의 4H-SiC 웨이퍼가 상용화되어 전력반도체 소자3의 양산에 사용되고 있다.4H-SiC4.5 전력반도체 소자를 이용하여 전기자동차 및 열차용 견인시스템을 제작하였다.그러나 4H-SiC 장치는 여전히 절연 파괴 또는 단락 신뢰성과 같은 장기적인 신뢰성 문제를 겪고 있으며, 그 중 가장 중요한 신뢰성 문제 중 하나는 양극성 저하입니다2,8,9,10,11.이러한 양극성 열화는 20여년 전에 발견되었으며 SiC 장치 제조에서 오랫동안 문제가 되어 왔습니다.
양극성 분해는 REDG(재결합 강화 전위 글라이드)12,13,14,15,16,17,18,19에 의해 전파되는 기저 평면 전위(BPD)가 있는 4H-SiC 결정의 단일 Shockley 스택 결함(1SSF)으로 인해 발생합니다.따라서 BPD 확장을 1SSF까지 억제하면 양극성 열화 없이 4H-SiC 전력소자를 제작할 수 있다.BPD에서 TED(Thread Edge Dislocation) 변환으로의 BPD 전파와 같은 여러 가지 방법이 BPD 전파를 억제하는 것으로 보고되었습니다.최신 SiC 에피택셜 웨이퍼에서는 에피택셜 성장 초기 단계에서 BPD가 TED로 전환되므로 BPD는 에피택셜 층에는 주로 존재하지 않고 기판에 존재합니다.따라서 양극성 열화의 나머지 문제는 기판(25,26,27)의 BPD 분포입니다.드리프트층과 기판 사이에 "복합 강화층"을 삽입하는 것은 기판의 BPD 팽창을 억제하는 효과적인 방법으로 제안되었습니다28, 29, 30, 31. 이 층은 기판에서 전자-정공 쌍 재결합 가능성을 증가시킵니다. 에피택셜 층 및 SiC 기판.전자-정공 쌍의 수를 줄이면 기판 내에서 REDG의 BPD로의 구동력이 감소하므로 복합재 강화층은 양극성 열화를 억제할 수 있습니다.층을 삽입하면 웨이퍼 생산에 추가 비용이 발생하며, 층을 삽입하지 않으면 캐리어 수명 제어만으로는 전자-정공 쌍의 수를 줄이는 것이 어렵다는 점에 유의해야 합니다.따라서 장치 제조 비용과 수율 간의 더 나은 균형을 달성하기 위해 다른 억제 방법을 개발해야 할 필요성이 여전히 강합니다.
BPD를 1SSF로 확장하려면 부분 전위(PD)의 이동이 필요하기 때문에 PD를 고정하는 것은 양극성 저하를 억제하는 유망한 접근법입니다.금속 불순물에 의한 PD 피닝이 보고되었지만, 4H-SiC 기판의 FPD는 에피택셜 층 표면에서 5μm 이상 떨어진 곳에 위치합니다.또한, SiC의 모든 금속은 확산 계수가 매우 작기 때문에 금속 불순물이 기판으로 확산되기 어렵습니다34.금속의 원자 질량이 상대적으로 크기 때문에 금속의 이온 주입도 어렵습니다.반면, 가장 가벼운 원소인 수소의 경우 MeV급 가속기를 사용하면 4H-SiC에 이온(양성자)을 10μm 이상의 깊이까지 주입할 수 있다.따라서 양성자 주입이 PD 고정에 영향을 미치는 경우 기판에서 BPD 전파를 억제하는 데 사용할 수 있습니다.그러나 양성자 주입은 4H-SiC를 손상시켜 장치 성능을 저하시킬 수 있습니다.
양성자 주입으로 인한 장치 성능 저하를 극복하기 위해 장치 처리에서 억셉터 이온 주입 후 일반적으로 사용되는 어닐링 방법과 유사한 고온 어닐링을 사용하여 손상을 복구합니다. 고온 어닐링으로 인한 수소 확산이 보고되었지만 FD 근처의 수소 원자 밀도만으로는 SIMS를 사용하여 PR의 고정을 감지하기에 충분하지 않을 수 있습니다.따라서 본 연구에서는 고온 어닐링을 포함한 소자 제조 공정 전에 4H-SiC 에피택셜 웨이퍼에 양성자를 주입했습니다.우리는 PiN 다이오드를 실험 장치 구조로 사용하고 이를 양성자 주입 4H-SiC 에피택셜 웨이퍼에 제작했습니다.그런 다음 양성자 주입으로 인한 장치 성능 저하를 연구하기 위해 볼트-암페어 특성을 관찰했습니다.이어서, PiN 다이오드에 전압을 인가한 후 EL(electroluminescent) 이미지에서 1SSF의 팽창을 관찰했습니다.마지막으로, 양성자 주입이 1SSF 확장 억제에 미치는 영향을 확인했습니다.
그림에.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 다이오드 간에 IV 특성이 공유됨에도 불구하고 양성자 주입이 없는 다이오드와 유사한 정류 특성을 나타냅니다.주입 조건 간의 차이를 나타내기 위해 그림 2와 같이 순방향 전류 밀도 2.5A/cm2(100mA에 해당)에서 전압 주파수를 통계 플롯으로 플롯했습니다. 정규 분포에 의해 근사된 곡선도 표시됩니다. 점선으로.선.곡선의 정점에서 알 수 있듯이 양성자량이 1014cm-2와 1016cm-2에서는 온 저항이 약간 증가하는 반면, 양성자량이 1012cm-2인 PiN 다이오드는 양성자 주입을 하지 않은 경우와 거의 동일한 특성을 나타냅니다. .또한 이전 연구에서 설명한 대로 그림 S1과 같이 양성자 주입으로 인한 손상으로 인해 균일한 전계발광을 나타내지 않는 PiN 다이오드를 제작한 후 양성자 주입을 수행했습니다.따라서 Al 이온 주입 후 1600°C에서 어닐링하는 것은 Al 수용체를 활성화하는 장치를 제작하는 데 필요한 공정으로, 이는 양성자 주입으로 인한 손상을 복구할 수 있으며, 이는 주입된 양성자 PiN 다이오드와 이식되지 않은 양성자 PiN 다이오드 사이에서 CVC를 동일하게 만듭니다. .-5V의 역전류 주파수도 그림 S2에 나와 있으며, 양성자 주입이 있는 다이오드와 없는 다이오드 사이에는 큰 차이가 없습니다.
실온에서 양성자가 주입되거나 주입되지 않은 PiN 다이오드의 볼트-암페어 특성.범례는 양성자의 양을 나타냅니다.
주입된 양성자와 비주입된 양성자가 있는 PiN 다이오드에 대한 직류 2.5A/cm2의 전압 주파수.점선은 정규 분포에 해당합니다.
그림에.도 3은 전압 후 전류 밀도가 25A/cm2인 PiN 다이오드의 EL 이미지를 보여준다.펄스 전류 부하를 적용하기 전에는 그림 3과 같이 다이오드의 어두운 영역이 관찰되지 않았습니다. C2.그러나 그림에 표시된 것처럼.도 3a에 도시된 바와 같이, 양성자 주입이 없는 PiN 다이오드에서는 전압을 인가한 후 가장자리가 밝은 여러 개의 어두운 줄무늬 영역이 관찰되었다.이러한 막대 모양의 어두운 영역은 기판의 BPD에서 연장되는 1SSF에 대한 EL 이미지에서 관찰됩니다.대신 그림 3b-d와 같이 양성자가 주입된 PiN 다이오드에서 일부 확장된 적층 결함이 관찰되었습니다.X선 토포그래피를 사용하여 양성자 주입 없이 PiN 다이오드의 접점 주변에서 BPD에서 기판으로 이동할 수 있는 PR의 존재를 확인했습니다(그림 4: 상단 전극을 제거하지 않은 이 이미지(사진 촬영, PR) 전극 아래는 보이지 않습니다.) 따라서 EL 이미지의 어두운 영역은 기판의 확장된 1SSF BPD에 해당합니다. 다른 로드된 PiN 다이오드의 EL 이미지는 그림 1과 2에 표시됩니다. 어두운 영역(양성자 주입이 없고 1014 cm-2에 주입된 PiN 다이오드의 시변 EL 이미지)도 보충 정보에 표시되어 있습니다.
2시간의 전기적 스트레스 후 25A/cm2에서 PiN 다이오드의 EL 이미지(a) 양성자 주입 없이 (b) 1012cm-2, (c) 1014cm-2 및 (d) 1016cm-2 주입 선량 사용 양성자.
그림 5와 같이 각 조건에 대해 3개의 PiN 다이오드에서 밝은 가장자리가 있는 어두운 영역을 계산하여 확장된 1SSF의 밀도를 계산했습니다. 확장된 1SSF의 밀도는 양성자 선량이 증가함에 따라 감소하며 심지어 1012cm-2의 선량에서도 감소합니다. 확장된 1SSF의 밀도는 이식되지 않은 PiN 다이오드보다 훨씬 낮습니다.
펄스 전류를 로딩한 후 양성자 주입이 있거나 없는 SF PiN 다이오드의 밀도가 증가했습니다(각 상태에는 3개의 로드된 다이오드가 포함됨).
캐리어 수명을 단축하면 팽창 억제에도 영향을 미치며 양성자 주입은 캐리어 수명을 감소시킵니다.우리는 1014cm-2의 양성자가 주입된 60μm 두께의 에피택셜 층에서 캐리어 수명을 관찰했습니다.초기 캐리어 수명부터 주입으로 인해 값이 ~10%로 감소하지만 후속 어닐링을 통해 그림 S7과 같이 값이 ~50%로 복원됩니다.따라서 양성자 주입으로 인해 감소된 캐리어 수명은 고온 어닐링을 통해 회복됩니다.캐리어 수명이 50% 감소하면 적층 결함의 전파도 억제되지만 일반적으로 캐리어 수명에 따라 달라지는 I-V 특성은 주입된 다이오드와 주입되지 않은 다이오드 간에 아주 작은 차이만 나타냅니다.따라서 우리는 PD 고정이 1SSF 확장을 억제하는 역할을 한다고 믿습니다.
이전 연구에서 보고된 바와 같이 SIMS는 1600°C에서 어닐링한 후 수소를 검출하지 못했지만 그림 1과 4, 3, 4에서 볼 수 있듯이 양성자 주입이 1SSF 확장 억제에 미치는 영향을 관찰했습니다. PD는 SIMS의 검출 한계(2 x 1016cm-3)보다 낮은 밀도를 갖는 수소 원자 또는 주입으로 인한 점 결함에 의해 고정됩니다.서지 전류 부하 후 1SSF의 신장으로 인한 온 상태 저항의 증가는 확인되지 않았습니다.이는 당사 프로세스를 사용하여 만들어진 불완전한 오믹 접촉으로 인해 발생할 수 있으며, 이는 가까운 시일 내에 제거될 것입니다.
결론적으로 우리는 장치 제조 전에 양성자 주입을 사용하여 4H-SiC PiN 다이오드에서 BPD를 1SSF로 확장하기 위한 담금질 방법을 개발했습니다.양성자 주입 동안 I-V 특성의 악화는 특히 양성자 선량이 1012cm-2인 경우 미미하지만 1SSF 확장을 억제하는 효과는 상당합니다.본 연구에서는 10μm 깊이의 양성자 주입을 통해 10μm 두께의 PiN 다이오드를 제작했지만 주입 조건을 더욱 최적화하고 이를 다른 유형의 4H-SiC 장치 제작에 적용하는 것이 여전히 가능합니다.양성자 주입 시 소자 제작 시 추가 비용을 고려해야 하지만, 이는 4H-SiC 전력 소자의 주요 제작 공정인 알루미늄 이온 주입 비용과 유사할 것으로 예상된다.따라서 장치 처리 전 양성자 주입은 변성 없이 4H-SiC 양극 전력 장치를 제조하기 위한 잠재적인 방법입니다.
에피택시층 두께가 10μm이고 도너 도핑 농도가 1×1016cm-3인 4인치 n형 4H-SiC 웨이퍼를 샘플로 사용했습니다.장치를 처리하기 전에 H+ 이온을 플레이트 표면에 수직인 각도로 실온에서 0.95 MeV의 가속 에너지로 약 10μm 깊이까지 플레이트에 주입했습니다.양성자 주입 동안 플레이트 위의 마스크가 사용되었으며 플레이트에는 1012, 1014 또는 1016 cm-2의 양성자 선량이 없는 섹션과 양성자 선량이 있는 섹션이 있었습니다.그런 다음 양성자 선량이 1020 및 1017cm-3인 Al 이온을 웨이퍼 전체에 표면으로부터 0~0.2μm 및 0.2~0.5μm 깊이까지 주입한 후 1600°C에서 어닐링하여 탄소 캡을 형성했습니다. AP 레이어를 형성합니다.-유형.그 후, 후면 Ni 접점을 기판 측면에 증착하고, 포토리소그래피와 박리 공정을 통해 형성된 2.0mm x 2.0mm 빗살 모양의 Ti/Al 전면 접점을 에피택셜 층 측면에 증착했습니다.마지막으로 접촉 어닐링은 700°C의 온도에서 수행됩니다.웨이퍼를 칩으로 절단한 후 응력 특성화 및 적용을 수행했습니다.
제작된 PiN 다이오드의 I-V 특성은 HP4155B 반도체 파라미터 분석기를 사용하여 관찰되었습니다.전기적 스트레스로서 212.5A/cm2의 10밀리초 펄스 전류를 10펄스/초의 주파수로 2시간 동안 도입했습니다.더 낮은 전류 밀도 또는 주파수를 선택하면 양성자 주입이 없는 PiN 다이오드에서도 1SSF 확장이 관찰되지 않았습니다.전압이 인가되는 동안 PiN 다이오드의 온도는 그림 S8과 같이 의도적인 가열 없이 약 70°C입니다.25A/cm2의 전류 밀도에서 전기적 스트레스 전후에 전자발광 이미지를 얻었습니다.아이치 싱크로트론 방사선 센터에서 단색 X선 빔(λ = 0.15nm)을 사용하는 싱크로트론 반사 방목 입사 X선 지형, BL8S2의 ag 벡터는 -1-128 또는 11-28입니다(자세한 내용은 참조 44 참조). .).
순방향 전류 밀도 2.5A/cm2에서의 전압 주파수는 그림에서 0.5V 간격으로 추출됩니다.2 PiN 다이오드의 각 상태의 CVC에 따라.응력 Vave의 평균값과 응력의 표준편차 σ로부터 다음 방정식을 사용하여 그림 2에 점선 형태로 정규 분포 곡선을 그립니다.
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Zhang, Z., Moulton, E. & Sudarshan, TS 에칭된 기판의 에피택시를 통해 SiC 박막의 기저 평면 전위를 제거하는 메커니즘. Zhang, Z., Moulton, E. & Sudarshan, TS 에칭된 기판의 에피택시를 통해 SiC 박막의 기저 평면 전위를 제거하는 메커니즘.Zhang Z., Moulton E. 및 Sudarshan TS 에칭된 기판의 에피택시에 의한 SiC 박막의 베이스 평면 전위 제거 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 기판의 에피택시에 의한 SiC 박막의 베이스 평면 전위 제거 메커니즘.응용 물리학 Wright.89, 081910(2006).
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Zhang, X. & Tsuchida, H. 고온 어닐링을 통해 4H-SiC 에피층의 기저 평면 전위를 스레딩 가장자리 전위로 변환합니다. Zhang, X. & Tsuchida, H. 고온 어닐링을 통해 4H-SiC 에피층의 기저 평면 전위를 스레딩 가장자리 전위로 변환합니다.Zhang, X. 및 Tsuchida, H. 고온 어닐링에 의해 4H-SiC 에피택셜 층에서 기저 평면 전위가 스레딩 가장자리 전위로 변환됩니다. Zhang, X. & Tsuchida, H. 통고고온화염 4H-SiC는 외부 표면에 적합합니다. Zhang, X. & Tsuchida, H. 통过高温退화将4H-SiCZhang, X. 및 Tsuchida, H. 고온 어닐링에 의해 4H-SiC 에피택셜 층에서 기본 평면 전위가 필라멘트 가장자리 전위로 변환됩니다.J. 신청.물리학.111, 123512(2012).
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Hirayama, T.et al.두꺼운 4H-SiC 에피택셜 층의 캐리어 수명의 깊이 분포는 자유 캐리어 흡수 및 교차광의 시간 분해능을 사용하여 비파괴적으로 측정되었습니다.과학으로 전환하세요.미터.91, 123902(2020).
게시 시간: 2022년 11월 6일