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4H-SICは、電力半導体デバイスの材料として商品化されています。ただし、4H-SICデバイスの長期的な信頼性は、幅広いアプリケーションの障害であり、4H-SICデバイスの最も重要な信頼性の問題は双極分解です。この劣化は、4H-SIC結晶における基底平面転位の単一のShockleyスタッキング断層（1SSF）伝播によって引き起こされます。ここでは、4H-SICエピタキシャルウェーハにプロトンを埋め込むことにより、1SSF拡張を抑制する方法を提案します。プロトン移植を伴うウェーハに製造されたピンダイオードは、プロトン移植のないダイオードと同じ電流電圧特性を示しました。対照的に、1SSF拡張は、プロトンインプラントピンダイオードで効果的に抑制されます。したがって、4H-SICエピタキシャルウェーファーへのプロトンの着床は、デバイスのパフォーマンスを維持しながら、4H-SICパワー半導体デバイスの双極分解を抑制するための効果的な方法です。この結果は、信頼性の高い4H-SICデバイスの開発に貢献します。
シリコン炭化物（SIC）は、過酷な環境で動作できる高出力の高周波半導体デバイスの半導体材料として広く認識されています1。多くのSICポリタイプがあり、そのうち4H-SICには、高い電子移動度や強力な分解電界などの優れた半導体デバイスの物理的特性があります2。直径6インチの4H-SICウェーハは現在商業化されており、電力半導体デバイスの大量生産に使用されています3。電気自動車および列車用の牽引システムは、4H-SIC4.5パワー半導体デバイスを使用して製造されました。ただし、4H-SICデバイスは依然として誘電性破壊や短絡信頼性などの長期的な信頼性の問題に悩まされており、そのうち最も重要な信頼性の問題の1つは双極分解2,8,9,10,11です。この双極の分解は20年以上前に発見され、SICデバイスの製造で長い間問題となっています。
双極分解は、組換え脱臼グライド（REDG）12,13,14,15,16,17,18,19,14,14,15,16,17,18,19によって伝播する基底平面脱臼（BPD）を伴う4H-SIC結晶における単一の衝撃スタック欠陥（1SSF）によって引き起こされます。したがって、BPD拡張が1SSFに抑制されると、4H-SICパワーデバイスを双極分解なしに製造できます。 BPDからエッジ脱臼（TED）変換20,21,22,23,24へのBPDなど、BPD伝播を抑制するためのいくつかの方法が報告されています。最新のSICエピタキシャルウェーハでは、BPDは主に基質に存在し、エピタキシャル成長の初期段階でBPDがTEDに変換されるため、エピタキシャル層には存在しません。したがって、双極分解の残りの問題は、基質25,26,27のBPDの分布です。ドリフト層と基質の間に「複合補強層」の挿入は、基質28、29、30、31のBPD拡張を抑制するための効果的な方法として提案されています。この層は、エピタキシャル層とSIC基質の電子穴ペア再結合の確率を高めます。電子ホールペアの数を減らすと、基質のRedgの駆動力がBPDに減少するため、複合補強層が双極分解を抑制することができます。層の挿入には、ウェーハの生産に追加のコストが必要であり、層の挿入がなければ、キャリア寿命の制御のみを制御することで電子穴ペアの数を減らすことは困難です。したがって、デバイスの製造コストと利回りの間のより良いバランスをとるために、他の抑制方法を開発する強いニーズがまだあります。
BPDの1SSFへの拡張には部分的な転位（PD）の動きが必要なため、PDを固定することは双極分解を阻害する有望なアプローチです。金属不純物によるPDピン留めが報告されていますが、4H-SIC基質のFPDは、エピタキシャル層の表面から5μm以上の距離にあります。さらに、SICの金属の拡散係数は非常に小さいため、金属の不純物が基質に拡散することは困難です34。金属の原子質量が比較的大きいため、金属のイオン移植も困難です。対照的に、水素の場合、最軽量の元素であるイオン（陽子）は、MEVクラスのアクセラレータを使用して10 µmを超える深さまで4H-SICに埋め込むことができます。したがって、プロトン移植がPDピン留めに影響する場合、基質のBPD伝播を抑制するために使用できます。ただし、プロトン移植は4H-SICを損傷し、デバイスのパフォーマンスの低下をもたらす可能性があります37,38,39,40。
プロトン移植によるデバイスの劣化を克服するために、デバイス処理で一般的に使用されるアニーリング法と同様に、高温アニーリングは損傷を修復するために使用されます1、40、41、42。 SIMを使用します。したがって、この研究では、高温アニーリングを含むデバイス製造プロセスの前に、プロトンを4H-SICエピタキシャルウェーハに埋め込みました。 PINダイオードを実験デバイス構造として使用し、プロトンインプラント4H-SICエピタキシャルウェーハにそれらを製造しました。次に、プロトン注入によるデバイスの性能の分解を研究するために、ボルト後続の特性を観察しました。その後、ピンダイオードに電圧を適用した後、エレクトロルミネッセンス（EL）画像での1SSFの膨張が観察されました。最後に、1SSF膨張の抑制に対する陽子注射の効果を確認しました。
図図1は、パルス電流の前にプロトン移植の有無にかかわらず、室温でのピンダイオードの電流 - 電圧特性（CVC）を示しています。陽子注射によるピンダイオードは、IV特性がダイオード間で共有されているにもかかわらず、プロトン注入のないダイオードと同様の整流特性を示します。注入条件の差を示すために、図2に示すように、統計的プロットとして2.5 A/cm2（100 mAに対応）の前方電流密度（100 mAに対応）で電圧周波数をプロットしました。正規分布によって近似される曲線は、点線で表されます。ライン。曲線のピークからわかるように、1014および1016 cm-2のプロトン用量で耐性がわずかに増加しますが、1012 cm-2のプロトン用量を備えたピンダイオードは、プロトン移植なしではほぼ同じ特性を示します。また、以前の研究に記載されているように、図S1に示すように、プロトン移植による損傷のために均一なエレクトロルミネッセンスを示さなかったピンダイオードの製造後、プロトン移植を行いました37,38,39。したがって、Alイオンの移植後1600°Cでのアニーリングは、ALアクセプターを活性化するためにデバイスを製造するために必要なプロセスであり、プロトン移植によって引き起こされる損傷を修復することができます。 -5 Vでの逆電流周波数も図S2に示されており、プロトン注入の有無にかかわらずダイオードの間に有意な差はありません。
室温で注入された陽子を伴う有無にかかわらず、ピンダイオードのボルトアメア特性。伝説は、陽子の線量を示しています。
注入されたプロトンと非注入プロトンを備えたピンダイオードの直電流2.5 A/cm2での電圧周波数。点線は正規分布に対応します。
図3は、電圧後に25 a/cm2の電流密度のピンダイオードのEL画像を示しています。パルス電流負荷を適用する前に、図3。C2に示すように、ダイオードの暗い領域は観察されませんでした。ただし、図に示すように。 3aは、プロトン移植のないピンダイオードで、電圧を塗布した後に明るい縁のあるいくつかの暗い縞模様の領域が観察されました。このような棒状の暗い領域は、基質28,29のBPDから伸びる1SSFのEL画像で観察されます。代わりに、図3b – dに示すように、埋め込まれた陽子を備えたピンダイオードでいくつかの拡張積み重ね障害が観察されました。 X線トポグラフィーを使用して、陽子注入なしでピンダイオードの接触型の接点でBPDから基板に移動できるPRSの存在を確認しました（図4：この画像は、撮影されていない、PRは電極の下ではPRが見えません）。図1および2に示されています。延長された暗い領域の有無にかかわらず、ビデオS3-S6（プロトン注入なしのピンダイオードの時間変化のEL画像と1014 cm-2で埋め込まれます）も補足情報に示されています。
2時間の電気応力の後の25 A/cm2でのピンダイオードのEL画像（a）プロトン移植なしで、（b）1012 cm-2、（c）1014 cm-2、および（d）1016 cm-2プロトンの埋め込まれた用量。
図5に示すように、各条件の3つのピンダイオードに明るいエッジを持つ暗い領域を計算することにより、拡張された1SSFの密度を計算しました。1SSFの拡張密度は、プロトン用量の増加とともに減少します。
パルス電流（各状態には3つの荷重ダイオードが含まれていた）を搭載した後、プロトン移植の有無にかかわらず、SFピンダイオードの密度の増加。
キャリアの寿命を短縮することは膨張抑制にも影響し、プロトン注射はキャリアの寿命を減らします32,36。厚さ60 µmのエピタキシャル層で、1014 cm-2の注入プロトンでキャリアの寿命を観察しました。最初のキャリアの寿命から、インプラントは値を〜10％に減らしますが、図S7に示すように、その後のアニーリングはそれを〜50％に復元します。したがって、プロトン移植のために減少したキャリアの寿命は、高温アニーリングによって回復します。キャリアの寿命が50％減少すると、積み重ね障害の伝播も抑制されますが、通常、キャリア寿命に依存するI – V特性は、注入されたダイオードと非植物性ダイオードの間にわずかな違いのみを示します。したがって、PDアンカーは1SSF拡大の阻害に役割を果たすと考えています。
1600°Cでのアニーリング後の水素は検出されませんでしたが、以前の研究で報告されているように、図1および4。3、4に示すように、1SSF拡大の抑制に対するプロトン移植の効果が観察されました。サージ電流負荷後の1SSFの伸長により、州内耐性の増加を確認していないことに注意する必要があります。これは、近い将来に排除されるプロセスを使用して行われた不完全なオームの接触によるものかもしれません。
結論として、デバイス製造前にプロトン移植を使用して、4H-SICピンダイオードでBPDを1SSFに拡張するためのクエンチング方法を開発しました。プロトン移植中のI – V特性の劣化は、特に1012 cm – 2のプロトン用量では重要ではありませんが、1SSF膨張を抑制する効果は重要です。この研究では、10 µmの深さ10 µmにプロトン移植を備えた厚さ10 µmのピンダイオードを製造しましたが、埋め込み条件をさらに最適化し、他のタイプの4H-SICデバイスを製造するためにそれらを適用することは依然として可能です。プロトン移植中のデバイス製造の追加コストを考慮する必要がありますが、それらは4H-SICパワーデバイスの主要な製造プロセスであるアルミニウムイオン移植のものと類似しています。したがって、デバイス処理前のプロトン移植は、変性のない4H-SIC双極電力デバイスを製造するための潜在的な方法です。
10 µmのエピタキシャル層の厚さと1×1016 cm-3のドナードーピング濃度を備えた4インチNタイプ4H-SICウェーハをサンプルとして使用しました。デバイスを処理する前に、H+イオンは、室温で0.95 MEVの加速エネルギーで、プレート表面に対して通常の角度で約10μmの深さまでプレートに埋め込まれました。陽子移植中、プレートのマスクを使用し、プレートには1012、1014、または1016 cm-2のプロトン用量なしでセクションがありました。次に、1020および1017 cm – 3のプロトン用量を伴うAlイオンを、表面から0〜0.2 µmおよび0.2〜0.5 µmの深さまでウェーハ全体に移植し、その後1600°CでアニーリングしてAPレイヤーを形成しました。 -タイプ。その後、後部側のNI接触を基質側に堆積させ、一方、フォトリソグラフィによって形成された2.0 mm×2.0 mmの櫛型Ti/Alフロントサイド接触を剥離し、皮縁層に剥離を堆積させました。最後に、接触アニーリングは700°Cの温度で実行されます。ウェーハをチップに切断した後、ストレスの特性評価とアプリケーションを実行しました。
製造されたピンダイオードのI – V特性は、HP4155B半導体パラメーターアナライザーを使用して観察されました。電気応力として、10ミリ秒のパルス電流が212.5 A/cm2の速度を2時間、10パルス/秒の周波数で導入しました。電流密度または周波数が低いことを選択したとき、プロトン注入なしのピンダイオードでも1SSFの膨張は観察されませんでした。印加された電圧中に、図S8に示すように、ピンダイオードの温度は意図的な加熱なしで約70°Cです。電気応力の前後の電流画像は、25 A/cm2の電流密度で電気応力の前後に得られました。シンクロトロンリフレクションは、AICHIシンクロトロン放射センターで単色X線ビーム（λ= 0.15 nm）を使用したX線トポグラフィーの発生率X線トポグラフィー、BL8S2のAgベクターは-1-28または11-28です（詳細についてはRef。44を参照）。 ）。
2.5 a/cm2の前方電流密度での電圧周波数は、図１００ vの間隔で抽出されます。 2ピンダイオードの各状態のCVCに従って。応力自由の平均値と応力の標準偏差σから、次の方程式を使用して、図2の点線の形で正規分布曲線をプロットします。
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投稿時間：11月 - 06-2022
