양극성 분해를 제거하기 위해 양성자 이식을 사용하여 4H-sic 핀 다이오드에서의 스택 결함 전파 억제

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4H-SIC는 전력 반도체 장치의 재료로 상용화되었습니다. 그러나 4H-SIC 장치의 장기 신뢰성은 광범위한 적용에 장애물이며 4H-SIC 장치의 가장 중요한 신뢰성 문제는 양극성 저하입니다. 이 분해는 4H-sic 결정에서 기저 평면 탈구의 단일 Shockley 스태킹 결함 (1SSF) 전파에 의해 야기된다. 여기, 우리는 4H-sic 에피 택셜 웨이퍼에 양성자를 이식하여 1SSF 팽창을 억제하는 방법을 제안합니다. 양성자 이식으로 웨이퍼에 제조 된 핀 다이오드는 양성자 이식이없는 다이오드와 동일한 전류-전압 특성을 보여 주었다. 대조적으로, 1SSF 팽창은 양성자 이식 핀 다이오드에서 효과적으로 억제된다. 따라서, 4H-SIC 에피 택셜 웨이퍼로의 양성자를 이식하는 것은 장치 성능을 유지하면서 4H-SIC 전력 반도체 장치의 양극성 분해를 억제하는 효과적인 방법이다. 이 결과는 매우 신뢰할 수있는 4H-SIC 장치의 개발에 기여합니다.
실리콘 카바이드 (SIC)는 가혹한 환경에서 작동 할 수있는 고격한 고주파 반도체 장치의 반도체 재료로 널리 인식됩니다 1. 많은 SIC 폴리 유형이 있으며, 그중 4H-SIC는 높은 전자 이동성 및 강한 고장 전기장과 같은 우수한 반도체 장치 물리적 특성을 갖는다. 직경이 6 인치 인 4H-Sic 웨이퍼는 현재 상용화되어 있으며 전력 반도체 장치의 질량 생산에 사용됩니다. 전기 자동차 및 열차를위한 트랙션 시스템은 4H-SIC4.5 전력 반도체 장치를 사용하여 제조되었습니다. 그러나, 4H-SIC 장치는 여전히 유전체 파괴 또는 단락 신뢰성과 같은 장기 신뢰성 문제로 인해 가장 중요한 신뢰성 문제 중 하나는 양극성 분해 2,8,9,10,11입니다. 이 양극성 분해는 20 년 전에 발견되었으며 SIC 장치 제조에서 오랫동안 문제가되었습니다.
바이폴라 분해는 재조합 강화 탈구 글라이드 (REDG) 12,14,15,16,17,18,19에 의해 전파되는 기저 평면 탈구 (BPD)를 갖는 4H-SIC 결정에서 단일 Shockley 스택 결함 (1SSF)에 의해 야기된다. 따라서, BPD 확장이 1SSF로 억제되는 경우, 4H-sic 전력 장치는 양극성 분해없이 제조 될 수있다. BPD에서 스레드 에지 탈구 (TED) 변환 20,21,22,23,24와 같은 BPD 전파를 억제하는 몇 가지 방법이보고되었다. 최신 SIC 에피 택셜 웨이퍼에서, BPD는 주로 기질에 존재하며, 에피 택셜 성장의 초기 단계 동안 BPD를 TED로 전환하여 에피 택셜 층에 있지 않으며, 에피 택셜 층에는 존재한다. 따라서, 바이폴라 분해의 나머지 문제는 기질 25,26,27에서 BPD의 분포이다. 드리프트 층과 기판 사이의 "복합 강화 층"의 삽입은 기판 28, 29, 30, 31에서 BPD 팽창을 억제하기위한 효과적인 방법으로 제안되었다. 전자 구멍 쌍의 수를 줄이면 기판에서 Redg의 구동력이 감소하여 복합 강화 층은 양극성 분해를 억제 할 수 있습니다. 층의 삽입은 웨이퍼 생산에 추가 비용이 수반되며, 층의 삽입 없이는 캐리어 수명의 제어 만 제어하여 전자 구멍 쌍의 수를 줄이기가 어렵습니다. 따라서 장치 제조 비용과 수확량 사이의 균형을 향상시키기 위해 다른 억제 방법을 개발해야 할 필요가 여전히 높습니다.
BPD의 1SSF 연장은 부분 탈구 (PDS)의 이동이 필요하기 때문에, PD를 고정시키는 것은 양극성 분해를 억제하는 유망한 접근법이다. 금속 불순물에 의한 PD 고정이보고되었지만, 4H-SIC 기판의 FPD는 에피 택셜 층의 표면으로부터 5 μm 이상의 거리에 위치한다. 또한, SIC에서 임의의 금속의 확산 계수는 매우 작기 때문에, 금속 불순물이 기질로 확산되는 것은 어렵다. 상대적으로 많은 원자의 금속 질량으로 인해 금속의 이온 주입도 어렵다. 대조적으로, 수소의 경우, 가장 가벼운 요소, 이온 (양성자)은 MEV 클래스 가속기를 사용하여 10 μm 이상의 깊이로 4H-sic으로 이식 될 수 있습니다. 따라서, 양성자 이식이 PD 고정에 영향을 미치면, 기판에서 BPD 전파를 억제하는 데 사용될 수있다. 그러나, 양성자 이식은 4H-sic을 손상시키고 장치 성능이 감소 할 수있다 37,38,39,40.
양성자 이식으로 인한 장치 분해를 극복하기 위해, 고온 어닐링은 장치 프로세싱 1, 40, 41, 42에서 수용체 이온 주입 후에 일반적으로 사용되는 어닐링 방법과 유사하게 손상을 복구하는 데 사용됩니다. 2 차 이온 질량 분석법 (SIMS) 43은 고혈압으로 인한 수소 확산을보고했을 가능성이 없을 것입니다. 심을 사용하여 PR 고정. 따라서,이 연구에서, 우리는 고온 어닐링을 포함하여 장치 제조 공정 전에 양성자를 4H-sic 에피 택셜 웨이퍼에 이식했다. 우리는 실험적인 장치 구조로 핀 다이오드를 사용하여 양성자 이식 된 4H-sic 에피 택셜 웨이퍼에 제조했습니다. 그런 다음 양성자 주입으로 인한 장치 성능의 저하를 연구하기 위해 볼트 암시 특성을 관찰했습니다. 이어서, 우리는 핀 다이오드에 전기 전압을 적용한 후 전기 발광 (EL) 이미지에서 1SSF의 확장을 관찰 하였다. 마지막으로, 우리는 1SSF 팽창의 억제에 대한 양성자 주사의 효과를 확인했다.
그림에서 그림 1은 펄스 전류 이전에 양성자 이식이 있거나없는 영역에서 실온에서 핀 다이오드의 전류 - 전압 특성 (CVC)을 보여줍니다. 양성자 주입을 갖는 핀 다이오드는 IV 특성이 다이오드 사이에서 공유 되더라도 양성자 주입이없는 다이오드와 유사한 정류 특성을 보여준다. 주입 조건 사이의 차이를 나타 내기 위해, 우리는도 2에 도시 된 바와 같이 2.5 a/cm2의 전류 밀도 (100 ma에 해당)에서 전압 주파수를 플로팅했다. 정규 분포에 의해 근사된 곡선은 또한 점선으로 표시된다. 선. 곡선의 피크에서 볼 수 있듯이, 내재는 1014 및 1016 cm-2의 양성자 용량에서 약간 증가하는 반면, 1012 cm-2의 양성자 용량을 갖는 핀 다이오드는 양성자 이식이없는 것과 거의 동일한 특성을 나타낸다. 우리는 또한 이전 연구에 설명 된 바와 같이 양성자 이식에 의한 손상으로 인해 균일 한 전기 발광을 나타내지 않은 핀 다민종을 나타내지 않은 핀 다민종을 제조 한 후 양성자 이식을 수행 하였다. 따라서, Al 이온을 이식 한 후 1600 ℃에서 어닐링하는 것은 AL 수용체를 활성화하기 위해 장치를 제조하는 데 필요한 과정이며, 이는 양성자 이식으로 인한 손상을 복구 할 수 있으며, 이는 이식 된 양성자 핀 다이오드와 비 이식 된 양성자 핀 다이오드 사이에서 CVC를 동일하게 만듭니다. -5V의 역 전류 주파수는 또한도 S2에 제시되어 있으며, 양성자 주입 유무에 관계없이 다이오드 사이에는 유의 한 차이가 없다.
실온에서 주입 된 양성자가 있거나없는 핀 다이오드의 볼트-앰프 특성. 전설은 양성자의 복용량을 나타냅니다.
주입 및 비 삽입 된 양성자가있는 핀 다이오드의 직류 2.5 A/CM2에서의 전압 주파수. 점선은 정규 분포에 해당합니다.
그림에서 도 3은 전압 후 전류 밀도가 25 a/cm2 인 핀 다이오드의 EL 이미지를 보여준다. 펄스 전류 하중을 적용하기 전에,도 3. C2에 도시 된 바와 같이, 다이오드의 어두운 영역은 관찰되지 않았다. 그러나, 그림과 같이. 도 3a, 양성자 이식이없는 핀 다이오드에서, 전압을 적용한 후 광 가장자리를 갖는 몇몇 어두운 줄무늬 영역이 관찰되었다. 이러한 막대 모양의 어두운 영역은 기판 28,29의 BPD로부터 연장되는 1SSF에 대한 EL 이미지에서 관찰된다. 대신,도 3b -d에 도시 된 바와 같이, 일부 확장 된 스태킹 결함은 이식 된 양성자를 갖는 핀 다이오드에서 관찰되었다. X- 선 지형을 사용하여, 우리는 양성자 주입없이 핀 다이오드의 접점의 주변에서 BPD에서 기판으로 이동할 수있는 PR의 존재를 확인했습니다 (그림 4 :이 이미지는 상단 전극을 제거하지 않고 (사진 촬영, 전극 하의 PR은 보이지 않습니다), 따라서 EL 이미지의 어두운 영역은 기저의 1SSF BPD에 해당합니다. 그림 1 및 2. 확장 된 어두운 영역이 있거나없는 비디오 S3-S6 (1014 cm-2에서 양성자 주입없이 핀 다이오드의 시간 변동 EL 이미지)도 보충 정보에 표시됩니다.
2 시간의 전기 응력 (a) 양성자 이식없이 (b) 1012 cm-2, (c) 1014 cm-2 및 (d) 1016 cm-2 protons의 이식 용량을 갖는 2 시간의 전기 응력 (a) 후 25 a/cm2에서 핀 다이오드의 EL 이미지.
그림 5와 같이 각 조건에 대해 3 개의 핀 다이오드에서 밝은 가장자리가있는 어두운 영역을 계산하여 팽창 된 1SSF의 밀도를 계산했습니다.도 5와 같이 확장 된 1SSF의 밀도는 양성자 용량이 증가함에 따라 감소하고, 1012 cm-2의 용량에서도 팽창 된 1SSF의 밀도는 비 이식 PIN DIODE에서 유의하게 낮습니다.
펄스 전류로 로딩 한 후 양성자 이식되거나없는 SF 핀 다이오드의 밀도 증가 (각 상태에는 3 개의 로딩 된 다이오드가 포함되어 있음).
캐리어 수명이 단축되면 확장 억제에 영향을 미치며 양성자 주입은 캐리어 수명을 줄입니다 .32,36. 우리는 1014 cm-2의 주입 된 양성자와 함께 60 μm 두께의 에피 택셜 층에서 캐리어 수명을 관찰했다. 초기 캐리어 수명에서 임플란트는 값을 ~ 10%로 줄이지 만, 후속 어닐링은 그림 S7과 같이 ~ 50%로 복원합니다. 따라서, 양성자 이식으로 인해 감소 된 캐리어 수명은 고온 어닐링에 의해 복원된다. 캐리어 수명의 50% 감소는 또한 스태킹 결함의 전파를 억제하지만, 일반적으로 캐리어 수명에 의존하는 I – V 특성은 주사 된 다이어터와 비 이식 된 다이오드 사이의 사소한 차이만을 나타냅니다. 따라서, 우리는 PD 앵커링이 1SSF 확장을 억제하는 데 중요한 역할을한다고 믿는다.
SIMS는 1600 ° C에서 어닐링 후 수소를 검출하지 않았지만, 이전 연구에서보고 된 바와 같이, 우리는 그림 1 및 4. 3, 4에 도시 된 바와 같이, 1SSF 확장에 대한 양성자 이식의 효과를 관찰 하였다. 서지 전류 하중 후 1SSF의 신장으로 인해 국가 저항의 증가를 확인하지 않았다는 점에 유의해야합니다. 이것은 우리의 프로세스를 사용하여 만들어진 불완전한 저장 접촉 때문일 수 있으며, 이는 가까운 시일 내에 제거 될 것입니다.
결론적으로, 우리는 장치 제조 전에 양성자 이식을 사용하여 4H-sic 핀 다이오드에서 BPD를 1SSF로 확장하기위한 담금질 방법을 개발했다. 양성자 이식 동안 I -V 특성의 악화는 특히 1012 cm – 2의 양성자 용량에서 중요하지 않지만 1SSF 확장을 억제하는 효과는 중요합니다. 이 연구에서는 양성자 이식이 10 µm 깊이로 10μm 두께의 핀 다이오드를 제조했지만, 이식 조건을 추가로 최적화하고 다른 유형의 4H-SIC 장치를 제조하는 데 적용 할 수 있습니다. 양성자 이식 중 장치 제조 비용을 추가로 고려해야하지만, 4H-SIC 전력 장치의 주요 제조 공정 인 알루미늄 이온 이식과 유사합니다. 따라서, 장치 처리 전에 양성자 이식은 퇴화없이 4H-sic 바이폴라 전력 장치를 제조 할 수있는 잠재적 인 방법이다.
에피 택셜 층 두께가 10 μm이고 1 × 1016 cm-3의 공여자 도핑 농도를 갖는 4 인치 N- 타입 4H-Sic 웨이퍼를 샘플로 사용 하였다. 장치를 처리하기 전에, H+ 이온을 실온에서 0.95 meV의 가속 에너지로 플레이트 표면에 정상 각도로 약 10 μm의 깊이로 플레이트에 이식 하였다. 양성자 이식 동안, 플레이트상의 마스크를 사용하였고, 플레이트는 1012, 1014 또는 1016 cm-2의 양성자 용량이 있거나없는 부분을 가졌다. 이어서, 1020 및 1017 cm – 3의 양성자 용량을 갖는 Al 이온을 표면에서 0-0.2 µm 및 0.2–0.5 µm의 깊이로 전체 웨이퍼에 대해 이식 한 후 1600 ℃에서 어닐링하여 탄소 캡을 형성하여 AP 층을 형성 하였다. -유형. 이어서, 후속 Ni 접촉을 기판 측에 퇴적 한 반면, 포토 리소그래피에 의해 형성된 2.0 mm x 2.0 mm 콤 콤으로 구성된 Ti/Al 전면 접촉 및 껍질 공정을 에피 택셜 층에 퇴적 하였다. 마지막으로, 접촉 어닐링은 700 ° C의 온도에서 수행됩니다. 웨이퍼를 칩으로 자른 후 스트레스 특성화 및 응용 프로그램을 수행했습니다.
제조 된 핀 다이오드의 I -V 특성은 HP4155B 반도체 파라미터 분석기를 사용하여 관찰되었다. 전기 응력으로서, 10 밀리 초 펄스 전류 212.5 A/CM2가 10 펄스/초 주파수에서 2 시간 동안 도입되었다. 우리가 더 낮은 전류 밀도 또는 주파수를 선택했을 때, 우리는 양성자 주입이없는 핀 다이오드에서도 1SSF 팽창을 관찰하지 못했습니다. 가해진 전압 동안, 핀 다이오드의 온도는 그림 S8과 같이 의도적 인 가열없이 약 70 ℃이다. 전기 밀도가 25 a/cm2의 전류 밀도에서 전기 응력 전후에 전기 발광 이미지를 얻었다. 싱크 론 반사 방목 입사 X- 선 지형은 Aichi Synchrotron 방사선 센터에서 단색 X- 선 빔 (λ = 0.15 nm)을 사용하여 BL8S2의 Ag 벡터는 -1-128 또는 11-28입니다 (자세한 내용은 참조 44 참조). ).
2.5 a/cm2의 순방향 전류 밀도에서의 전압 주파수는도 1에서 0.5V의 간격으로 추출된다. 2 핀 다이오드의 각 상태의 CVC에 따라. 응력 Vave의 평균값과 응력의 표준 편차 σ에서, 우리는 다음 방정식을 사용하여 그림 2의 점선 형태로 정규 분포 곡선을 플로팅합니다.
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Zhang, Z., Moulton, E. & Sudarshan, 에칭 된 기판상의 에피 택시에 의해 SiC 박막의 기저 평면 탈구를 제거하는 메커니즘. Zhang, Z., Moulton, E. & Sudarshan, 에칭 된 기판상의 에피 택시에 의해 SiC 박막의 기저 평면 탈구를 제거하는 메커니즘.Zhang Z., Moulton E. 및 Sudarshan TS 에칭 된 기판상의 에피 택시에 의해 SIC 박막에서 기본 평면 탈구 제거 메커니즘. Zhang, Z., Moulton, E. & Sudarshan, ts 通过在蚀刻衬底上外延消除 sic 薄膜中基面位错的机制。 Zhang, Z., Moulton, E. & Sudarshan, ts 기판을 에칭하여 SIC 박막의 제거 메커니즘.Zhang Z., Moulton E. 및 Sudarshan TS 에칭 된 기판상의 에피 택시에 의해 SIC 박막에서 염기 평면 탈구 제거 메커니즘.응용 물리학 라이트. 89, 081910 (2006).
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Song, H. & Sudarshan, 4 ° 축 4H-SIC의 에피 택셜 성장에서 에피 층/기판 인터페이스 근처의 기저 평면 탈구 변환. Song, H. & Sudarshan, 4 ° 축 4H-SIC의 에피 택셜 성장에서 에피 층/기판 인터페이스 근처의 기저 평면 탈구 변환.Song, H. 및 Sudarshan, 4H-SIC의 축외 에피 택셜 성장 동안 에피 택셜 층/기판 인터페이스 근처의 기저 평면 탈구의 TS 변환. Song, H. & Sudarshan, ts 在 4 ° 离轴 4H-sic 外延生长中外延层/衬底界面附近的基底平面位错转换。 Song, H. & Sudarshan, ts 在 4 ° 离轴 4h-sic 노래, H. & Sudarshan, TS4 ° 축 외부의 4H-SIC의 에피 택셜 성장 동안 에피 택시 층/기질 경계 근처의 기질의 평면 탈구 전이.J. 크리스탈. 성장 371, 94–101 (2013).
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후 시간 : Nov-06-2022