Supressão da propagação de falhas de empilhamento em diodos 4H-SiC PiN usando implantação de prótons para eliminar a degradação bipolar

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O 4H-SiC foi comercializado como material para dispositivos semicondutores de potência. No entanto, a confiabilidade a longo prazo dos dispositivos 4H-SiC é um obstáculo à sua ampla aplicação, e o problema de confiabilidade mais importante dos dispositivos 4H-SiC é a degradação bipolar. Esta degradação é causada por uma única propagação de falha de empilhamento Shockley (1SSF) de discordâncias do plano basal em cristais 4H-SiC. Aqui, propomos um método para suprimir a expansão de 1SSF através da implantação de prótons em wafers epitaxiais de 4H-SiC. Os diodos PiN fabricados em wafers com implantação de prótons apresentaram as mesmas características de corrente-tensão que os diodos sem implantação de prótons. Em contraste, a expansão 1SSF é efetivamente suprimida no diodo PiN implantado em prótons. Assim, a implantação de prótons em wafers epitaxiais 4H-SiC é um método eficaz para suprimir a degradação bipolar de dispositivos semicondutores de potência 4H-SiC, mantendo o desempenho do dispositivo. Este resultado contribui para o desenvolvimento de dispositivos 4H-SiC altamente confiáveis.
O carboneto de silício (SiC) é amplamente reconhecido como um material semicondutor para dispositivos semicondutores de alta potência e alta frequência que podem operar em ambientes agressivos1. Existem muitos politipos de SiC, entre os quais o 4H-SiC possui excelentes propriedades físicas de dispositivos semicondutores, como alta mobilidade eletrônica e forte campo elétrico de decomposição . Atualmente, wafers 4H-SiC com diâmetro de 6 polegadas são comercializados e usados ​​para produção em massa de dispositivos semicondutores de potência3. Sistemas de tração para veículos elétricos e trens foram fabricados utilizando dispositivos semicondutores de potência 4H-SiC4.5. No entanto, os dispositivos 4H-SiC ainda sofrem de problemas de confiabilidade de longo prazo, como ruptura dielétrica ou confiabilidade de curto-circuito,6,7 dos quais um dos problemas de confiabilidade mais importantes é a degradação bipolar2,8,9,10,11. Esta degradação bipolar foi descoberta há mais de 20 anos e tem sido um problema na fabricação de dispositivos de SiC.
A degradação bipolar é causada por um único defeito de pilha Shockley (1SSF) em cristais 4H-SiC com luxações do plano basal (BPDs) propagando-se por deslizamento de luxação aprimorado por recombinação (REDG) . Portanto, se a expansão do BPD for suprimida para 1SSF, os dispositivos de potência 4H-SiC poderão ser fabricados sem degradação bipolar. Vários métodos foram relatados para suprimir a propagação de BPD, como a transformação de BPD para Thread Edge Dislocation (TED) 20,21,22,23,24. Nas últimas pastilhas epitaxiais de SiC, o BPD está presente principalmente no substrato e não na camada epitaxial devido à conversão de BPD em TED durante o estágio inicial de crescimento epitaxial. Portanto, o problema remanescente da degradação bipolar é a distribuição da DBP no substrato 25,26,27. A inserção de uma “camada de reforço composta” entre a camada de deriva e o substrato foi proposta como um método eficaz para suprimir a expansão de BPD no substrato . Esta camada aumenta a probabilidade de recombinação do par elétron-buraco no camada epitaxial e substrato de SiC. A redução do número de pares elétron-buraco reduz a força motriz do REDG para o BPD no substrato, de modo que a camada de reforço composta pode suprimir a degradação bipolar. Deve-se notar que a inserção de uma camada acarreta custos adicionais na produção de wafers, e sem a inserção de uma camada é difícil reduzir o número de pares elétron-buraco controlando apenas o controle da vida útil do portador. Portanto, ainda existe uma forte necessidade de desenvolver outros métodos de supressão para alcançar um melhor equilíbrio entre o custo e o rendimento de fabricação do dispositivo.
Como a extensão do BPD para 1SSF requer movimento de luxações parciais (PDs), fixar o PD é uma abordagem promissora para inibir a degradação bipolar. Embora tenha sido relatada fixação de PD por impurezas metálicas, os FPDs em substratos 4H-SiC estão localizados a uma distância de mais de 5 μm da superfície da camada epitaxial. Além disso, como o coeficiente de difusão de qualquer metal no SiC é muito pequeno, é difícil que as impurezas metálicas se difundam no substrato . Devido à massa atômica relativamente grande dos metais, a implantação iônica de metais também é difícil. Em contraste, no caso do hidrogênio, o elemento mais leve, os íons (prótons) podem ser implantados em 4H-SiC a uma profundidade de mais de 10 µm usando um acelerador da classe MeV. Portanto, se a implantação de prótons afetar a fixação de PD, ela poderá ser usada para suprimir a propagação de BPD no substrato. No entanto, a implantação de prótons pode danificar o 4H-SiC e resultar na redução do desempenho do dispositivo37,38,39,40.
Para superar a degradação do dispositivo devido à implantação de prótons, o recozimento de alta temperatura é usado para reparar danos, semelhante ao método de recozimento comumente usado após a implantação de íons aceitadores no processamento de dispositivos 1, 40, 41, 42. Embora a espectrometria de massa de íons secundários (SIMS) 43 tenha relataram difusão de hidrogênio devido ao recozimento em alta temperatura, é possível que apenas a densidade dos átomos de hidrogênio próximos ao FD não seja suficiente para detectar a fixação do PR usando SIMS. Portanto, neste estudo, implantamos prótons em wafers epitaxiais de 4H-SiC antes do processo de fabricação do dispositivo, incluindo recozimento em alta temperatura. Usamos diodos PiN como estruturas de dispositivos experimentais e os fabricamos em wafers epitaxiais 4H-SiC implantados em prótons. Observamos então as características volt-ampere para estudar a degradação do desempenho do dispositivo devido à injeção de prótons. Posteriormente, observamos a expansão de 1SSF em imagens de eletroluminescência (EL) após aplicação de tensão elétrica ao diodo PiN. Finalmente, confirmamos o efeito da injeção de prótons na supressão da expansão do 1SSF.
Na fig. A Figura 1 mostra as características de corrente-tensão (CVCs) de diodos PiN à temperatura ambiente em regiões com e sem implantação de prótons antes da corrente pulsada. Os diodos PiN com injeção de prótons apresentam características de retificação semelhantes aos diodos sem injeção de prótons, embora as características IV sejam compartilhadas entre os diodos. Para indicar a diferença entre as condições de injeção, traçamos a frequência de tensão a uma densidade de corrente direta de 2,5 A/cm2 (correspondente a 100 mA) como um gráfico estatístico conforme mostrado na Figura 2. A curva aproximada por uma distribuição normal também é representada por uma linha pontilhada. linha. Como pode ser visto nos picos das curvas, a resistência aumenta ligeiramente nas doses de prótons de 1014 e 1016 cm-2, enquanto o diodo PiN com uma dose de prótons de 1012 cm-2 mostra quase as mesmas características que sem implantação de prótons . Também realizamos implantação de prótons após fabricação de diodos PiN que não exibiam eletroluminescência uniforme devido a danos causados ​​pela implantação de prótons como mostrado na Figura S1 conforme descrito em estudos anteriores . Portanto, o recozimento a 1600 °C após a implantação de íons Al é um processo necessário para fabricar dispositivos para ativar o aceitador de Al, que pode reparar os danos causados ​​pela implantação de prótons, o que torna os CVCs iguais entre diodos PiN de prótons implantados e não implantados . A frequência da corrente reversa em -5 V também é apresentada na Figura S2, não há diferença significativa entre diodos com e sem injeção de prótons.
Características volt-ampere de diodos PiN com e sem prótons injetados em temperatura ambiente. A legenda indica a dose de prótons.
Frequência de tensão em corrente contínua 2,5 A/cm2 para diodos PiN com prótons injetados e não injetados. A linha pontilhada corresponde à distribuição normal.
Na fig. 3 mostra uma imagem EL de um diodo PiN com densidade de corrente de 25 A/cm2 após tensão. Antes da aplicação da carga de corrente pulsada não foram observadas as regiões escuras do diodo, conforme mostra a Figura 3. C2. No entanto, como mostrado na fig. 3a, em um diodo PiN sem implantação de prótons, após aplicação de tensão elétrica, foram observadas diversas regiões listradas escuras com bordas claras. Tais regiões escuras em forma de bastonete são observadas em imagens EL para 1SSF estendendo-se do BPD no substrato . Em vez disso, algumas falhas de empilhamento estendidas foram observadas em diodos PiN com prótons implantados, como mostrado na Fig. Usando topografia de raios X, confirmamos a presença de PRs que podem se mover do BPD para o substrato na periferia dos contatos no diodo PiN sem injeção de prótons (Fig. 4: esta imagem sem remover o eletrodo superior (fotografado, PR sob os eletrodos não é visível). Portanto, a área escura na imagem EL corresponde a um BPD 1SSF estendido no substrato. Imagens EL de outros diodos PiN carregados são mostradas nas Figuras 1 e 2. Vídeos S3-S6 com e sem extensão. áreas escuras (imagens EL variantes no tempo de diodos PiN sem injeção de prótons e implantadas em 1014 cm-2) também são mostradas em Informações Suplementares.
Imagens EL de diodos PiN a 25 A/cm2 após 2 horas de estresse elétrico (a) sem implantação de prótons e com doses implantadas de (b) 1012 cm-2, (c) 1014 cm-2 e (d) 1016 cm-2 prótons.
Calculamos a densidade do 1SSF expandido calculando áreas escuras com bordas brilhantes em três diodos PiN para cada condição, conforme mostrado na Figura 5. A densidade do 1SSF expandido diminui com o aumento da dose de prótons, e mesmo na dose de 1012 cm-2, a densidade do 1SSF expandido é significativamente menor do que em um diodo PiN não implantado.
Densidades aumentadas de diodos SF PiN com e sem implantação de prótons após carregamento com corrente pulsada (cada estado incluía três diodos carregados).
A redução do tempo de vida do portador também afeta a supressão da expansão, e a injeção de prótons reduz o tempo de vida do portador . Observamos tempos de vida dos portadores em uma camada epitaxial de 60 µm de espessura com prótons injetados de 1014 cm-2. A partir da vida útil inicial do portador, embora o implante reduza o valor para ~10%, o recozimento subsequente o restaura para ~50%, como mostrado na Fig. Portanto, a vida útil do portador, reduzida devido à implantação de prótons, é restaurada pelo recozimento em alta temperatura. Embora uma redução de 50% na vida útil da portadora também suprima a propagação de falhas de empilhamento, as características I – V, que normalmente dependem da vida útil da portadora, mostram apenas pequenas diferenças entre diodos injetados e não implantados. Portanto, acreditamos que a ancoragem da PD desempenha um papel na inibição da expansão do 1SSF.
Embora o SIMS não tenha detectado hidrogênio após o recozimento a 1600°C, conforme relatado em estudos anteriores, observamos o efeito da implantação de prótons na supressão da expansão de 1SSF, conforme mostrado nas Figuras 1 e 4. 3, 4. Portanto, acreditamos que o PD é ancorado por átomos de hidrogênio com densidade abaixo do limite de detecção do SIMS (2 × 1016 cm-3) ou defeitos pontuais induzidos pela implantação. Deve-se notar que não confirmamos um aumento na resistência no estado ligado devido ao alongamento de 1SSF após uma carga de corrente de surto. Isto pode ser devido a contatos ôhmicos imperfeitos feitos com nosso processo, que serão eliminados em um futuro próximo.
Concluindo, desenvolvemos um método de extinção para estender o BPD para 1SSF em diodos 4H-SiC PiN usando implantação de prótons antes da fabricação do dispositivo. A deterioração da característica I – V durante a implantação de prótons é insignificante, especialmente em uma dose de prótons de 1012 cm–2, mas o efeito de suprimir a expansão de 1SSF é significativo. Embora neste estudo tenhamos fabricado diodos PiN de 10 µm de espessura com implantação de prótons a uma profundidade de 10 µm, ainda é possível otimizar ainda mais as condições de implantação e aplicá-las para fabricar outros tipos de dispositivos 4H-SiC. Devem ser considerados custos adicionais para a fabricação de dispositivos durante a implantação de prótons, mas serão semelhantes aos da implantação de íons de alumínio, que é o principal processo de fabricação de dispositivos de energia 4H-SiC. Assim, a implantação de prótons antes do processamento do dispositivo é um método potencial para a fabricação de dispositivos de potência bipolares 4H-SiC sem degeneração.
Um wafer 4H-SiC tipo n de 4 polegadas com uma espessura de camada epitaxial de 10 µm e uma concentração de dopagem do doador de 1 × 1016 cm-3 foi usado como amostra. Antes do processamento do dispositivo, íons H+ foram implantados na placa com uma energia de aceleração de 0,95 MeV à temperatura ambiente até uma profundidade de cerca de 10 μm em um ângulo normal à superfície da placa. Durante a implantação do próton, foi utilizada uma máscara em uma placa, e a placa apresentava cortes sem e com dose de prótons de 1012, 1014 ou 1016 cm-2. Em seguida, íons Al com doses de prótons de 1020 e 1017 cm–3 foram implantados sobre todo o wafer a uma profundidade de 0–0,2 µm e 0,2–0,5 µm da superfície, seguido de recozimento a 1600°C para formar uma capa de carbono para formar uma camada. -tipo. Posteriormente, um contato de Ni no verso foi depositado no lado do substrato, enquanto um contato frontal de Ti / Al em forma de pente de 2,0 mm x 2,0 mm formado por fotolitografia e um processo de descascamento foi depositado no lado da camada epitaxial. Finalmente, o recozimento de contato é realizado a uma temperatura de 700°C. Após cortar o wafer em chips, realizamos a caracterização e aplicação das tensões.
As características I – V dos diodos PiN fabricados foram observadas usando um analisador de parâmetros semicondutores HP4155B. Como estresse elétrico, uma corrente pulsada de 10 milissegundos de 212,5 A/cm2 foi introduzida durante 2 horas a uma frequência de 10 pulsos/seg. Quando escolhemos uma densidade de corrente ou frequência mais baixa, não observamos expansão de 1SSF mesmo em um diodo PiN sem injeção de prótons. Durante a tensão elétrica aplicada, a temperatura do diodo PiN fica em torno de 70°C sem aquecimento intencional, conforme mostrado na Figura S8. Imagens eletroluminescentes foram obtidas antes e depois do estresse elétrico com densidade de corrente de 25 A/cm2. Topografia de raios X de incidência de reflexão síncrotron usando um feixe de raios X monocromático (λ = 0,15 nm) no Centro de Radiação Síncrotron de Aichi, o vetor ag em BL8S2 é -1-128 ou 11-28 (ver ref. 44 para detalhes) . ).
A frequência de tensão a uma densidade de corrente direta de 2,5 A/cm2 é extraída com um intervalo de 0,5 V na fig. 2 de acordo com o CVC de cada estado do diodo PiN. A partir do valor médio da tensão Vave e do desvio padrão σ da tensão, traçamos uma curva de distribuição normal na forma de uma linha pontilhada na Figura 2 usando a seguinte equação:
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