Характеристики и изготовление CFM-JTE для силового устройства 4H-SiC с высокоэффективной защитой и увеличенным окном допустимости дозы JTE

Введение

Карбид кремния стал новым вариантом для улучшения силовых приложений из-за его характеристик более высокого напряжения, работающего на более тонких активных слоях, увеличенной плотности мощности, более высокочастотного переключения, лучшего рассеивания тепла, меньшего размера системы и более низкой стоимости системы [1, 2]. В последние несколько лет коммерческие SiC выпрямители и полевые МОП-транзисторы были рассчитаны на 1,2–1,7 кВ. Однако в типичных областях применения, таких как интеллектуальные сети, электромобили, импульсные источники питания и твердотельные источники питания сверхвысокого напряжения, возрастает потребность в блокирующей способности более 10 кВ и способности прямого тока более 1000 А · см ⁻² .

До сих пор основные проблемы, с которыми сталкивались силовые электронные устройства на основе SiC 10 кВ и более высокого уровня, были связаны с производительностью технологии заделки переходов, упрощением процессов изготовления, высоким качеством толстого эпитаксиального слоя и уменьшением поверхностных дефектов. Для сверхвысоковольтных SiC-устройств длина оконечной структуры в основном в 6–8 раз превышает эпитаксиальную толщину [3], что значительно снижает коэффициент использования пластины и, таким образом, увеличивает стоимость изготовления. Выпрямители 4H-SiC PiN стали наиболее подходящими кандидатами для приложений сверхвысокого напряжения из-за эффекта модуляции проводимости. Для структуры с ограничивающим поле кольцом (FLR) точная оптимизация конструкции может быть получена с помощью аналитических расчетов [4], в то время как текущая фотолитография не может обеспечить точное пространство и ширину колец. Новый кольцевой зажим с ограничением поля для SiC-устройства на 10 кВ был применен для обеспечения высокой эффективности защиты от обратного тока [5, 6], но его площадь вывода превышает 700 мкм, что приводит к дополнительному потреблению SiC-пластины. Junction termination extension (JTE) - еще одна часто используемая высокоэффективная структура защиты терминала, но ее эффективность чрезвычайно чувствительна к дозе JTE. Для сверхвысоких уровней напряжения MZ-JTE и CD-JTE [7] используются для критической модуляции электрического поля и требуют строгих условий и времени ионной имплантации, что, в свою очередь, увеличивает сложность производства и стоимость. Для улучшения проводимости проводились исследования характеристик высоты барьера между различными металлами и SiC [8, 9]. Обычно для омического контакта анода формируется пленка Ti / Al толщиной 50–100 нм, а для омического контакта катода - пленка Ni. Кроме того, масштаб активной области выпрямителя 4H-SiC сильно повлияет на характеристики прямого тока. Обнаружено, что в эпитаксиальном слое 4H-SiC N-типа Z _1/2 центр ( E _C –0,65 эВ) акцепторный уровень моновакансии углерода в основном влияет на время жизни носителей [10]. Имплантация ионов алюминия приведет к большой концентрации массивных глубоких уровней с участием Z _1/2 центр на периферии мезы и в области прекращения перехода [11], что приводит к уменьшению времени жизни носителей. Поэтому выпрямители из 4H-SiC с большой активной площадью (> 9 мм ² ) требуются при проектировании и производстве, так как влияние уменьшенного срока службы носителей в периферийной области мезы и области завершения является относительно незначительным.

В этой статье выпрямитель 4H-SiC CFM-JTE PiN изготовлен на эпитаксиальном слое размером 100 мкм размером 5 × 10 ¹⁴ см ⁻³ и обеспечивает значительную блокирующую способность 13,5 кВ в выключенном состоянии и прямой ток 100 А при В _F =5,2 В во включенном состоянии. Дифференциальное сопротивление в открытом состоянии выпрямителя PiN CFM-JTE составляет 3,1 мОм см ² . при комнатной температуре. CFM-JTE получает 96% теоретического напряжения пробоя благодаря концепции и анализу модуляции поля заряда, что благоприятно расширяет окно допуска дозы имплантации и приводит к приемлемой длине окончания в 400 мкм.

Методы

Анализ структуры устройства

Дизайн, оптимизация и анализ выполняются Silvaco-TCAD. На рисунке 1 показана схема структуры 4H-SiC PiN с терминированием, включающая:(a) модулированный зарядовым полем (CFM-JTE), (b) JTE с внешним кольцом (ORA-JTE) и (c) двухзонный JTE (TZ-JTE). В состоянии блокировки скорость ионизации электрон-дырочными столкновениями тесно связана с напряженностью электрического поля. Концепция модуляции электрического поля заряда E _q ( г ) предлагается выявить механизм модуляции CFM-JTE посредством метода векторной суперпозиции оконечного электрического поля, вызванного электрическим полем заряда E _q ( г ) на рис. 1а. CFM-JTE состоит из области JTE1, области JTE2 и трех групп колец. Несколько колец эквивалентно делят терминал на пять легированных зон:R ₁ -R ₂ , R ₂ -R ₃ , R ₃ -R ₄ , R ₄ -R ₅ и R ₅ -R ₆ , где эффективные заряды Q ₁ , Q ₂ , Q ₃ , Q ₄ и Q ₅ вводятся соответственно. На основе разложения и суперпозиции векторов электрического поля в x и y координаты, общее электрическое поле, расположенное в R _я точка, вызванная приложенным потенциальным полем E _p ( г ) и электрического поля заряда E _Ци ( г ) генерируется каждым Q _я можно аналитически выразить в x и y направления, как указано в уравнениях. (1) и (2) соответственно.

Схема в разрезе выпрямителя 4H-SiC PiN с a CFM-JTE, b ORA-JTE, c обычный TZ-JTE

В выключенном состоянии низколегированная обедненная область преждевременно сжимается и прерывается в области завершения из-за эффекта кривизны в основном переходе PiN. Таким образом, приложенное потенциальное поле E _p ( г ) произвольно сконцентрирована на периферии главного сочленения. Существование Q _я способствует истощению CFM-JTE до самого внешнего эпитаксиального слоя. Напряженность электрического поля заряда E _Ци связано с количеством Q _я . Уменьшение Q _я вдоль внешнего края вывода эффективно обеспечивает модуляцию электрического поля в области вывода. Следовательно, благодаря механизму и эффекту модуляции электрического поля заряда, CFM-JTE успешно преодолевает недостаток низкого коэффициента диффузии SiC для формирования эффекта переменного бокового легирования (VLD), который является высокоэффективной, надежной и зрелой технологией защиты выводов перехода. для Si-устройств [12, 13]. Ширина кольца ( w _r ) каждой группы уменьшается до 15 мкм, 12 мкм и 9 мкм соответственно. Пространство каждого кольца равно той же величине 5 мкм. Длина и доза области JTE1 и области JTE2 находятся в фиксированном соотношении 3:2. Подробные параметры предлагаемого выпрямителя приведены в таблице 1.

Моделирование и оптимизация

Чтобы уменьшить отклонения, вызванные чувствительностью конструкции устройства и концентрациями легирования, применяется конфигурация обработки Athena. Концентрации легирования CFM-JTE формируются посредством нескольких этапов моделирования процесса имплантации алюминия. Общая глубина легирования достигает почти 1 мкм.

На рис. 2 показаны блокирующие способности и допустимые отклонения от дозы имплантации CFM-JTE, ORA-JTE и обычного TZ-JTE. Четыре структуры завершения имеют значение фиксированной длины L . =400 мкм, чтобы сравнить их эффективность. И длина, и доза JTE1 и JTE2 фиксированы в соотношении 3:2. Моделирование выполняется на двумерной структуре, и критерием оценки неисправности является то, что обратный ток утечки достигает 1 × 10 ^–9 A. Сплошная черная линия представляет теоретический BV который рассчитывается как 14,1 кВ согласно [10, 14], а серая пунктирная линия указывает на 12 кВ. Расчетный запас в 20% применяется к цели для 10 кВ с учетом допуска процесса и отклонения моделирования. В обычном TZ-JTE напряжение пробоя весьма чувствительно к дозе имплантации и достигает более 12 кВ только тогда, когда доза изменяется от 0,98 до 1,14 × 10 ¹³ см ⁻² . Чувствительность ORA-JTE к концентрации инъекции JTE снижена, и более широкое окно допуска 0,97–1,28 × 10 ¹³ см ⁻² получается для поддержания целевого напряжения выше 12 кВ. CFM-JTE имеет самый широкий допуск окна дозы имплантации в диапазоне 0,86–1,30 × 10 ¹³ см ⁻² , что примерно в 2,8 раза больше, чем у обычного TZ-JTE и в 1,4 раза больше, чем у ORA-JTE. Таким образом, CFM-JTE демонстрирует лучшую устойчивость к изменениям процесса.

Сравнение пробивной мощности с окном дозы JTE для выпрямителя 4H-SiC PiN с CFM-JTE, ORA-JTE и обычным TZ-JTE

На рисунке 3 показано сравнение распределения поверхностного электрического поля и напряженности CFM-JTE, ORA-JTE и TZ-JTE в состоянии блокировки. Пиковое электрическое поле в основном сосредоточено в главном переходе и на периферии терминала. CFM-JTE сглаживает распределение электрического поля и увеличивает напряженность электрического поля вдоль терминала, что в конечном итоге эффективно увеличивает блокирующую способность.

Обратное распределение поверхностного электрического поля и напряженность в CFM-JTE, ORA-JTE и обычном TZ-JTE

Для понимания механизма модулирующего электрического поля заряда CFM-JTE распределения электрического поля пробоя по линии разреза AA 'на рис. 1а с разными дозами имплантации JTE1 показаны на рис. 4. Существование Q _я , особенно сильно легированный Q ₁ зона рядом с основным переходом значительно снижает концентрацию силовых линий электрического поля в углу травления мезы. Q ₅ зона установлена ​​для уменьшения скопления электрического поля на R ₅ точка на рис. 1а. Результаты показывают, что однородность распределения электрического поля может быть эффективно улучшена за счет модуляции электрического поля заряда E _Ци ( г ) в терминале. Таким образом, возможность блокировки напряжения и надежность устройства могут быть улучшены.

Распределение поверхностного электрического поля при пробое, соответствующее различным дозам имплантации JTE1

Размер клеммной площадки напрямую влияет на эффективность использования микросхемы. В состоянии блокировки приложенное потенциальное поле сгруппировано вокруг периферии основного перехода. В области JTE1 рядом с главным переходом необходимо ввести больше зарядов, чтобы усилить эффект модуляции поля зарядов ( E _q ). Таким образом, L ₁ необходимо установить длиннее L ₂ . Когда соотношение L ₁ в L ₂ фиксируется в соотношении 3:2, блокирующая способность разной длины L на терминале сравнительно проанализированы на рис. 5.

Блокирующая способность при разной длине клемм

Соответствующие распределения электрического поля показаны на рис. 6. Крупномасштабная область CFM-JTE способствует увеличению требуемого заряда Q _я и полностью раскрыть эффект модуляции E _Ци ( г ), чтобы получить большее окно допустимой дозы имплантации (TW). Когда длина CFM-JTE L установлен как 300 мкм, 350 мкм, 400 мкм и 450 мкм, диапазон TW увеличивается последовательно, что соответствует 3 × 10 ¹² см ⁻² , 3,2 × 10 ¹² см ⁻² , 4,4 × 10 ¹² см ⁻² и 4,7 × 10 ¹² см ⁻² в диапазоне при условии, что BV более 12 кВ. Более целесообразно выбрать длину клеммы L 400 мкм в этой работе на основе компромисса размера терминала, окна допуска дозы JTE, модуляции электрического поля терминала и способности пробивного напряжения.

Распределение поверхностного электрического поля в пробое, соответствующее разной длине выводов

Существование поверхностных состояний следует учитывать при реальном изготовлении выпрямителя 4H-SiC PiN. Эти поверхностные состояния происходят из дырок, захваченных в глубоких интерфейсных состояниях, фиксированных оксидных зарядах P-SiC (включая P ⁺⁺ слой и область P-JTE) / SiO ₂ интерфейс и процесс реализации [15,16,17,18]. Для завершения CFM-JTE модуляция электрического поля на интерфейсе S ₁ и S ₂ положительными зарядами интерфейса ( Q _это ), эффективные заряды ( Q _j ) и приложенный потенциал в направлении вертикали анализируется на рис. 7.

Модуляция электрического поля на S ₁ и S ₂ положительными зарядами интерфейса ( Q _это ), эффективные заряды ( Q _j ) и приложенный потенциал

Положительные интерфейсные заряды ( Q _это ) создают поле противоположного заряда ( E _Qity ) по сравнению с приложенным потенциальным полем ( E _py ), помогая уменьшить напряженность электрического поля в направлении вертикальной границы раздела. На рисунке 8 показано распределение электрического поля в SiO ₂ . / SiC интерфейс S ₁ в условиях разных Q _это .

Распределение электрического поля в SiO ₂ / SiC интерфейс с другим Q _это

С точки зрения анализа модуляции поля заряда на интерфейсе S ₂ , E _Qity противоположно направлению вектора E _py и E _Qjy . Существование Q _это помогает уменьшить электрическое поле на S 2. Учитывая наличие интерфейсного заряда ( Q _это ), больший эффективный заряд ионизации Q _j требуется для противодействия напряженности электрического поля, создаваемого Q _это . Следовательно, когда количество Q _это увеличивается, оптимальная концентрация дозы JTE при имплантации должна быть одновременно увеличена для сохранения такой же блокирующей способности. Как показано на рис. 9, общая BV – Dose кривая смещается в сторону повышения с увеличением Q _это .

Сравнение влияния интерфейсных зарядов на блокирующую способность в выпрямителе 4H-SiC PiN

Результаты и обсуждение

Предлагаемый выпрямитель CFM-JTE 4H-SiC PiN был изготовлен на 4-дюймовой пластине N-типа с отклонением от оси 4 ° (0001). Пластина выращена методом эпитаксии с четырьмя слоями (N ⁺ , N ^- , P ⁺ , P ⁺⁺ ), что соответствует концентрации 1 × 10 ¹⁸ см ⁻³ , 5 × 10 ¹⁴ см ⁻³ , 1 × 10 ¹⁸ см ⁻³ и 5 × 10 ¹⁹ см ⁻³ . Основной процесс изготовления CFM-JTE показан на рис. 10. P ⁺⁺ Этот слой выращивают путем эпитаксии для получения однородного и высоколегированного материала, что способствует качеству омического контакта между SiC и анодным металлом. Структура меза-травления формируется в установке ICP-RIE через маску для меза-травления. Травильный газ состоит в основном из SF ₆ . и кислород. Множественные имплантации ионов Al осуществляются при максимальной энергии 500 кэВ для формирования структуры CFM-JTE. Применяется двухэтапная имплантация ионов алюминия для формирования пяти уменьшающихся легированных зон. JTE1 и R ₂ -R ₃ зоны формируются через первую маску имплантации. JTE2, R ₁ -R ₂ , R ₃ -R ₄ , R ₄ -R ₅ и R ₅ -R ₆ области конфигурируются одновременно посредством имплантации ионов Al через вторую маску имплантации. Как всем известно, скорость активации ионов в карбиде кремния невысока после имплантации высокоэнергетических ионов, что сопровождается серьезным повреждением решетки. Чтобы улучшить вышеуказанную нежелательную ситуацию, имплантации ионов алюминия выполняются при температуре 500 ° C через оксидную маску. Постимплантационный отжиг проводился в среде аргона при температуре 1800 ° C в течение 10 минут с углеродным колпачком для дальнейшего восстановления повреждений, вызванных имплантацией высокоэнергетических ионов, и повышения точности концентрации легирования за счет увеличения эффективного иона. скорость активации. Омический контакт SiC P-типа сформирован с использованием Al / Ti. Процесс RTA постоянно проводится и проверяется в течение двух минут в среде инертного газа азота при температуре 1000 ° C. Высококачественные пассивирующие слои (SiO ₂ слой, Si ₃ N ₄ пленка и толстый слой полиимида) наносятся для предотвращения поверхностной утечки и искрения на воздухе [5]. Выпрямитель CFM-JTE PiN покрывает активную площадь до 0,1 см ² . Процесс изготовления соответствует традиционному двухзонному выпрямителю JTE 4H-SiC PiN, без каких-либо дополнительных масок или этапов процесса, что чрезвычайно способствует снижению сложности производства и стоимости.

Технологический процесс CFM-JTE

Прямые характеристики изготовленного выпрямителя CFM-JTE PiN проверены на пластине с помощью прибора CS-3200 Curve Tracer. Изготовленный выпрямитель PiN CFM-JTE демонстрирует большую пропускную способность прямого тока без технологии увеличения срока службы носителей. Прямой ток измеряется до 100 А, что соответствует прямому напряжению 5,2 В, как показано на рис. 11. Дифференциальное сопротивление в открытом состоянии предлагаемого выпрямителя измеряется как 3,1 мОм см ² при комнатной температуре, соответствующем прямому напряжению 3,6 В. Характеристики прямой проводимости при различных температурах также показаны на вставке к рис. 11. I – V Кривая показывает особенность отрицательного температурного коэффициента. Это связано с тем, что с повышением температуры подвижность материала уменьшается, в то время как более узкая запрещенная зона материала SiC снижает собственный потенциал P – N-перехода, а время жизни носителей заряда дрейфовой области увеличивается с увеличением температура, что приводит к увеличению плотности тока. Измеренное напряжение включения определено при плотности прямого тока 10 А · см ⁻² . . Оно постепенно снижается с 3,14 до 3,04 В при повышении температуры окружающей среды с 25 до 150 ° C. Максимальный сдвиг прямого напряжения включения застрял в диапазоне 3%, что соответствует значению 0,1 В, которое демонстрирует гораздо лучшую температурную стабильность, чем Si PiN.

Нападающий I – V кривая выпрямителя CFM-JTE PiN и характеристики при различных температурах на вставке

Выпрямители 4H-SiC PiN с CFM-JTE, ORA-JTE, а также обычные TZ-JTE изготавливаются на 4-дюймовой пластине, и их эффекты защиты выводов показаны на рис. 12. Измерения напряжения обратного пробоя выполняются и погружаются. в масле Fluorinert, чтобы избежать искрения в воздухе. В экспериментальных измерениях с дозой JTE1 1,2 × 10 ¹³ см ⁻² выпрямители PiN с ORA-JTE и обычным TZ-JTE имеют блокирующую способность 12,5 кВ и 9,6 кВ соответственно при одинаковой длине клемм 400 мкм.

Пробивные характеристики изготовленного выпрямителя 4H-SiC PiN. а Измерено BV из CFM-JTE, ORA-JTE и TZ-JTE. б Измеренный BV CFM-JTE с различной дозой имплантации. Сплошные отметки - экспериментальные значения

Многосерийные образцы выпрямителей PiN CFM-JTE смогли многократно получить напряжение пробоя 13,5 кВ при токе утечки 10 мкА. Экспериментальное напряжение блокировки достигает 96% от теоретического значения пробоя, что указывает на то, что CFM-JTE имеет более высокую эффективность защиты выводов. Выдерживаемое напряжение более 130 В / мкм было достигнуто в дрейфовом слое 100 мкм выпрямителя 4H-SiC PiN. Достоинства балиги (BFOM =BV ² / R _{on, sp} ) достигает 58,8 ГВт / см ² при комнатной температуре. Изготовлены PiN CFM-JTE с разными дозами имплантации JTE1. Экспериментальные и смоделированные значения напряжения пробоя показаны на рис. 12б. Экспериментальные значения соответствуют тенденции моделирования и подтверждают, что структура CFM-JTE может эффективно расширять окно допустимости дозы JTE. В таблице 2 сравниваются характеристики недавно опубликованных сверхвысоковольтных выпрямителей 4H-SiC. Выпрямитель CFM-JTE 4H-SiC, изготовленный в этой работе, демонстрирует отличные характеристики с точки зрения блокирующей способности сверхвысокого напряжения, сверхвысокой пропускной способности прямого тока и высокой эффективности согласования.

Выводы

В этой работе выпрямитель 4H-SiC CFM-JTE PiN был разработан и успешно изготовлен. Экспериментальное напряжение пробоя CFM-JTE PiN составляет 13,5 кВ, что соответствует 96% от теоретического значения блокировки. CFM-JTE демонстрирует значительно улучшенную эффективность защиты терминалов по сравнению с ORA-JTE (BV =12,5 кВ, с эффективностью защиты до 88%) и обычным TZ-JTE (BV =9,6 кВ, с эффективностью защиты до 68%). ). Выпрямитель CFM-JTE PiN получает большой прямой ток 100 A @ V _F =5,2 В без использования технологии увеличения срока службы носителей и демонстрирует стабильный прямой сигнал I – V характеристики при различных температурах. Эффективность выпрямителя CFM-JTE PiN для Baliga достигает 58,8 ГВт / см ² . при комнатной температуре. Допуск окна дозы имплантации для CFM-JTE увеличивается на основе модуляции электрического поля заряда, что примерно в 2,8 раза больше, чем у обычного TZ-JTE, и в 1,4 раза больше, чем у ORA-JTE, демонстрируя гораздо лучшую устойчивость к изменениям процесса. Кроме того, процесс производства CFM-JTE соответствует традиционному процессу TZ JTE без увеличения количества исключительно сложных процессов или масок, что демонстрирует, что CFM-JTE оптимален для сверхмощных приложений с удовлетворительной эффективностью терминала и допуск процесса.

Доступность данных и материалов

Все данные доступны без ограничений.

Сокращения

SiC:

Карбид кремния

JTE:

Удлинитель оконечной нагрузки соединения

CFM:

Модулированное поле заряда

TZ-JTE:

Удлинитель с двухзонной оконечной нагрузкой

FLR:

Кольцо ограничения поля

MZ-JTE:

Удлинитель оконечной нагрузки с несколькими зонами

CD-JTE:

Удлинитель прекращения соединения с противодействием

Ti:

Титан

Al:

Алюминий

E _c :

Зона проводимости

V _F :

Прямое напряжение

ORA-JTE:

Удлинение оконечной нагрузки с использованием внешнего кольца

E _q :

Электрическое поле заряда

E _p :

Прикладное потенциальное поле

Q _я :

Эффективный заряд

VLD:

Разнообразное латеральное допирование

w _r :

Ширина кольца

2D:

Двумерный

BV:

Напряжение пробоя

TW:

Окно допуска

Q _это :

Плата за интерфейс

Q _j :

Эффективный заряд ионизации

RTA:

Быстрый термический отжиг

R _{on, sp} :

Удельное сопротивление при включении

BFOM:

Достоинства Балиги