Soppressione della propagazione dei guasti di impilamento nei diodi pin 4H-SIC mediante impianto di protone per eliminare la degradazione bipolare

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4H-SIC è stato commercializzato come materiale per i dispositivi a semiconduttore di potenza. Tuttavia, l'affidabilità a lungo termine dei dispositivi 4H-SIC è un ostacolo alla loro ampia applicazione e il problema di affidabilità più importante dei dispositivi 4H-SIC è la degradazione bipolare. Questo degrado è causato da una singola propagazione di guasto di impilamento di shockley (1SSF) di dislocazioni del piano basale nei cristalli 4H-SIC. Qui, proponiamo un metodo per sopprimere l'espansione 1SSF impiantando protoni su wafer epitassiali 4H-SIC. I diodi PIN fabbricati su wafer con impianto di protoni hanno mostrato le stesse caratteristiche di tensione di corrente dei diodi senza impianto di protoni. Al contrario, l'espansione di 1SSF viene effettivamente soppressa nel diodo PIN impianto di protone. Pertanto, l'impianto di protoni in wafer epitassiali 4H-SIC è un metodo efficace per sopprimere la degradazione bipolare dei dispositivi a semiconduttore di potenza 4H-SIC mantenendo le prestazioni del dispositivo. Questo risultato contribuisce allo sviluppo di dispositivi 4H-SIC altamente affidabili.
Il carburo di silicio (SIC) è ampiamente riconosciuto come materiale a semiconduttore per dispositivi a semiconduttore ad alta potenza e ad alta frequenza che possono operare in ambienti difficili1. Esistono molti politipi SIC, tra cui 4H-SIC ha eccellenti proprietà fisiche del dispositivo a semiconduttore come l'elevata mobilità degli elettroni e la forte rottura del campo elettrico2. I wafer 4H-SIC con un diametro di 6 pollici sono attualmente commercializzati e utilizzati per la produzione in serie di dispositivi a semiconduttore di potenza3. I sistemi di trazione per veicoli e treni elettrici sono stati fabbricati utilizzando dispositivi a semiconduttore di potenza 4H.5. Tuttavia, i dispositivi 4H-SIC soffrono ancora di problemi di affidabilità a lungo termine come la rottura dielettrica o l'affidabilità del corto circuito, 6,7 di cui uno dei problemi di affidabilità più importanti è la degradazione bipolare 2,8,9,10,11. Questo degrado bipolare è stato scoperto oltre 20 anni fa ed è stato a lungo un problema nella fabbricazione di dispositivi SIC.
La degradazione bipolare è causata da un singolo difetto dello stack shockley (1SSF) nei cristalli 4H-SIC con dislocazioni del piano basale (BPDS) che si propagano mediante glide di dislocazione migliorata di ricombinazione (Redg) 12,13,14,15,16,16,17,18,19. Pertanto, se l'espansione BPD viene soppressa a 1SSF, i dispositivi di alimentazione 4H-SIC possono essere fabbricati senza degradazione bipolare. Sono stati segnalati diversi metodi per sopprimere la propagazione della BPD, come la trasformazione della dislocazione del bordo del bordo (TED) di thread bordo 20,21,22,23,24. Negli ultimi wafer epitassiali SIC, il BPD è principalmente presente nel substrato e non nello strato epitassiale a causa della conversione di BPD in TED durante la fase iniziale della crescita epitassiale. Pertanto, il restante problema della degradazione bipolare è la distribuzione di BPD nel substrato 25,26,27. L'inserimento di un "strato di rinforzo composito" tra lo strato di deriva e il substrato è stato proposto come metodo efficace per sopprimere l'espansione della BPD nel substrato28, 29, 30, 31. Questo strato aumenta la probabilità di ricombinazione della coppia di buchi elettronici nello strato epitassiale e nel substrato SIC. La riduzione del numero di coppie di buchi elettronici riduce la forza trainante di Redg a BPD nel substrato, quindi lo strato di rinforzo composito può sopprimere la degradazione bipolare. Va notato che l'inserimento di uno strato comporta costi aggiuntivi nella produzione di wafer e senza l'inserimento di uno strato è difficile ridurre il numero di coppie di buchi elettronici controllando solo il controllo della durata del vettore. Pertanto, esiste ancora una forte necessità di sviluppare altri metodi di soppressione per ottenere un migliore equilibrio tra i costi di produzione e la resa dei dispositivi.
Poiché l'estensione del BPD a 1SSF richiede un movimento di dislocazioni parziali (PDS), il blocco del PD è un approccio promettente per inibire la degradazione bipolare. Sebbene sia stato riportato il pd di impurità metalliche, gli FPD nei substrati 4H-SIC sono situati a una distanza di oltre 5 μm dalla superficie dello strato epitassiale. Inoltre, poiché il coefficiente di diffusione di qualsiasi metallo in SIC è molto piccolo, è difficile per le impurità dei metalli diffondersi nel substrato34. A causa della massa atomica relativamente grande dei metalli, è anche difficile l'impianto ionico dei metalli. Al contrario, nel caso dell'idrogeno, l'elemento più leggero, gli ioni (protoni) può essere impiantato in 4H-SIC a una profondità di oltre 10 µm usando un acceleratore di classe MEV. Pertanto, se l'impianto di protoni influisce sul pinning di PD, può essere utilizzato per sopprimere la propagazione della BPD nel substrato. Tuttavia, l'impianto di protoni può danneggiare 4H-SIC e comportare una riduzione delle prestazioni del dispositivo 37,38,39,40.
Per superare la degradazione del dispositivo dovuto all'impianto di proton, la ricottura ad alta temperatura viene utilizzata per riparare i danni, simile al metodo di ricottura comunemente utilizzato dopo l'impianto di ioni accettanti nell'elaborazione del dispositivo1, 40, 41, 42. Sebbene la spettrometria di massa di ioni secondaria non sia sufficiente per la spettrometria di massa non sufficiente. del PR usando SIM. Pertanto, in questo studio, abbiamo impiantato i protoni in wafer epitassiali 4H prima del processo di fabbricazione del dispositivo, compresa la ricottura ad alta temperatura. Abbiamo usato diodi PIN come strutture di dispositivi sperimentali e li abbiamo fabbricati su wafer epitassiali 4H-SIC impiantati con protoni. Abbiamo quindi osservato le caratteristiche di Ampere Volt per studiare la degradazione delle prestazioni del dispositivo a causa dell'iniezione di protoni. Successivamente, abbiamo osservato l'espansione di 1SSF nelle immagini di elettroluminescenza (EL) dopo aver applicato una tensione elettrica al diodo PIN. Infine, abbiamo confermato l'effetto dell'iniezione di protoni sulla soppressione dell'espansione 1SSF.
Su Fig. La Figura 1 mostra le caratteristiche di corrente -tensione (CVC) dei diodi pin a temperatura ambiente nelle regioni con e senza impianto di protoni prima della corrente pulsata. I diodi PIN con iniezione di protoni mostrano caratteristiche di rettifica simili ai diodi senza iniezione di protoni, anche se le caratteristiche IV sono condivise tra i diodi. Per indicare la differenza tra le condizioni di iniezione, abbiamo tracciato la frequenza di tensione a una densità di corrente in avanti di 2,5 a/cm2 (corrispondente a 100 mA) come grafico statistico, come mostrato nella Figura 2. La curva approssimata da una distribuzione normale è anche rappresentata da una linea trattata. linea. Come si può vedere dai picchi delle curve, la resistenza aumenta leggermente a dosi di protoni di 1014 e 1016 cm-2, mentre il diodo PIN con una dose di protoni di 1012 cm-2 mostra quasi le stesse caratteristiche dell'impianto di protoni. Abbiamo anche eseguito l'impianto di protoni dopo la fabbricazione di diodi PIN che non presentavano elettroluminescenza uniforme dovuta a danni causati dall'impianto di protoni, come mostrato nella Figura S1 come descritto in studi precedenti37,38,39. Pertanto, la ricottura a 1600 ° C dopo l'impianto di Al ioni è un processo necessario per fabbricare dispositivi per attivare l'accettore di AL, che può riparare il danno causato dall'impianto di protoni, che rende i CVC lo stesso tra diodi a perni protonici impiantati e non impiantati. La frequenza di corrente inversa a -5 V è anche presentata nella Figura S2, non vi è alcuna differenza significativa tra i diodi con e senza iniezione di protoni.
Volt-ampere Caratteristiche dei diodi PIN con e senza protoni iniettati a temperatura ambiente. La leggenda indica la dose di protoni.
Frequenza di tensione a corrente continua 2,5 A/cm2 per diodi PIN con protoni iniettati e non iniettati. La linea tratteggiata corrisponde alla distribuzione normale.
Su Fig. 3 mostra un'immagine EL di un diodo PIN con una densità di corrente di 25 A/cm2 dopo la tensione. Prima di applicare il carico di corrente pulsata, le regioni scure del diodo non sono state osservate, come mostrato nella Figura 3. C2. Tuttavia, come mostrato in Fig. 3A, in un diodo PIN senza impianto di protoni, sono state osservate diverse regioni a strisce scure con bordi leggeri dopo aver applicato una tensione elettrica. Tali regioni scure a forma di bastoncino sono osservate nelle immagini EL per 1SSF che si estende dal BPD nel substrato28,29. Invece, sono stati osservati alcuni difetti di impilamento esteso nei diodi PIN con protoni impiantati, come mostrato in Fig. 3b -d. Usando la topografia a raggi X, abbiamo confermato la presenza di PRS che può spostarsi dal BPD al substrato alla periferia dei contatti nel diodo del perno senza iniezione di protoni (Fig. 4: questa immagine senza rimuovere l'elettrodo superiore nel substrato. mostrati nelle figure 1 e 2. I video S3-S6 con e senza aree scure estese (immagini EL variabili nel tempo di diodi PIN senza iniezione di protoni e impiantati a 1014 cm-2) sono mostrate in informazioni supplementari.
Immagini EL di diodi PIN a 25 A/CM2 dopo 2 ore di sollecitazione elettrica (A) senza impianto di protoni e con dosi impiantate di (b) 1012 cm-2, (c) 1014 cm-2 e (d) 1016 cm-2-2.
Abbiamo calcolato la densità di 1SSF espanso calcolando le aree scure con bordi luminosi in diodi a tre pin per ciascuna condizione, come mostrato nella Figura 5. La densità di 1SSF espansa diminuisce con l'aumentare della dose di protoni e persino a una dose di 1012 cm-2, la densità di 1SSF espansa è significativamente inferiore a
Aumento delle densità dei diodi del pin SF con e senza impianto di protoni dopo il caricamento con una corrente pulsata (ogni stato includeva tre diodi caricati).
L'accorciamento della durata del vettore influisce inoltre anche la soppressione dell'espansione e l'iniezione di protoni riduce la durata del trasporto 32,36. Abbiamo osservato una vita portante in uno strato epitassiale di spessore 60 µm con protoni iniettati di 1014 cm-2. Dalla durata iniziale del vettore, sebbene l'impianto riduca il valore a ~ 10%, la ricottura successiva lo ripristina a ~ 50%, come mostrato in Fig. S7. Pertanto, la durata del vettore, ridotta a causa dell'impianto di protoni, viene ripristinata dalla ricottura ad alta temperatura. Sebbene una riduzione del 50% della vita portante sopprime anche la propagazione dei guasti di impilamento, le caratteristiche I-V, che in genere dipendono dalla vita del vettore, mostrano solo lievi differenze tra diodi iniettati e non impiantati. Pertanto, riteniamo che l'ancoraggio PD abbia un ruolo nell'inibizione dell'espansione di 1SSF.
Sebbene i SIM non abbiano rilevato l'idrogeno dopo la ricottura a 1600 ° C, come riportato in studi precedenti, abbiamo osservato l'effetto dell'impianto di protoni sulla soppressione dell'espansione 1SSF, come mostrato nelle Figure 1 e 4. 3, 4. Pertanto, il PD è ancorato da idrogeno con la densità al di sotto del limite di rilevamento di Sims (2 × 1016). Va notato che non abbiamo confermato un aumento della resistenza allo stato a causa dell'allungamento di 1SSF dopo un carico di corrente di aumento. Ciò può essere dovuto a contatti ohmici imperfetti effettuati utilizzando il nostro processo, che verranno eliminati nel prossimo futuro.
In conclusione, abbiamo sviluppato un metodo di tempra per estendere il BPD a 1SSF nei diodi pin 4H-SIC usando l'impianto di protoni prima della fabbricazione del dispositivo. Il deterioramento della caratteristica I - V durante l'impianto del protone è insignificante, specialmente a una dose di protoni di 1012 cm -2, ma l'effetto di sopprimere l'espansione di 1SSF è significativo. Sebbene in questo studio abbiamo fabbricato diodi a pin spesso 10 µm con impianto di protoni a una profondità di 10 µm, è ancora possibile ottimizzare ulteriormente le condizioni di impianto e applicarle per fabbricare altri tipi di dispositivi 4H-SIC. Dovrebbero essere presi in considerazione ulteriori costi per la fabbricazione dei dispositivi durante l'impianto di protoni, ma saranno simili a quelli per l'impianto di ioni in alluminio, che è il principale processo di fabbricazione per i dispositivi di alimentazione 4H-SIC. Pertanto, l'impianto di protoni prima dell'elaborazione del dispositivo è un potenziale metodo per fabbricare dispositivi di potenza bipolare 4H-SIC senza degenerazione.
Un wafer 4H-SIC di tipo N da 4 pollici con uno spessore di strato epitassiale di 10 µM e una concentrazione di drogatura donatore di 1 × 1016 cm-3 è stato usato come campione. Prima di elaborare il dispositivo, gli ioni H+ sono stati impiantati nella piastra con un'energia di accelerazione di 0,95 mev a temperatura ambiente a una profondità di circa 10 μm con un angolo normale rispetto alla superficie della piastra. Durante l'impianto di protoni, è stata utilizzata una maschera su una piastra e la piastra aveva sezioni senza e con una dose di protoni di 1012, 1014 o 1016 cm-2. Quindi, gli ioni Al con dosi di protoni di 1020 e 1017 cm -3 sono stati impiantati sull'intero wafer a una profondità di 0-0,2 µm e 0,2-0,5 µm dalla superficie, seguita da ricottura a 1600 ° C per formare un cappuccio di carbonio per formare lo strato AP. -tipo. Successivamente, è stato depositato un contatto Ni sul retro sul lato del substrato, mentre un contatto frontale TI/AL a forma di pettine da 2,0 mm × 2,0 mm è stato depositato sul lato strato epitassiale. Infine, la ricottura di contatto viene effettuata a una temperatura di 700 ° C. Dopo aver tagliato il wafer in chips, abbiamo eseguito la caratterizzazione e l'applicazione dello stress.
Le caratteristiche I - V dei diodi PIN fabbricati sono state osservate utilizzando un analizzatore di parametri a semiconduttore HP4155. Come sollecitazione elettrica, è stata introdotta una corrente pulsata di 10 milioni di 212,5 a/cm2 per 2 ore a una frequenza di 10 impulsi/sec. Quando abbiamo scelto una densità o una frequenza di corrente inferiore, non abbiamo osservato l'espansione di 1SSF anche in un diodo PIN senza iniezione di protoni. Durante la tensione elettrica applicata, la temperatura del diodo del perno è di circa 70 ° C senza riscaldamento intenzionale, come mostrato nella Figura S8. Le immagini elettroluminescenti sono state ottenute prima e dopo lo stress elettrico a una densità di corrente di 25 A/cm2. La topografia a raggi X di incidenza di incidenza del pascolo di riflessione di sincrotrone usando un raggio di raggi X monocromatico (λ = 0,15 nm) nel centro di radiazione di sincrotrone Aichi, il vettore AG in BL8S2 è -1-128 o 11-28 (vedi Rif. 44 per i dettagli). ).
La frequenza di tensione a una densità di corrente in avanti di 2,5 A/cm2 viene estratta con un intervallo di 0,5 V in Fig. 2 Secondo il CVC di ogni stato del diodo PIN. Dal valore medio dello stress vave e dalla deviazione standard σ dello stress, tracciamo una normale curva di distribuzione sotto forma di una linea tratteggiata nella Figura 2 usando la seguente equazione:
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Tempo post: nov-06-2022