고효율 보호 및 증가된 JTE 선량 허용 범위를 갖춘 4H-SiC 전력 장치용 CFM-JTE의 특성화 및 제작

a가 있는 4H-SiC PiN 정류기의 도식 섹션 CFM-JTE, b ORA-JTE, c 기존의 TZ-JTE

오프 상태에서 저도핑 공핍 영역은 PiN 주 접합의 곡률 효과로 인해 조기에 수축하고 종단 영역에서 중단됩니다. 따라서 적용된 전위 필드 E _p (r )은 주 접합부 주변에 완전히 집중되어 있습니다. Q의 존재 _나 CFM-JTE를 따라 가장 바깥쪽 에피택셜 층으로 공핍을 촉진합니다. 전하 전기장의 세기 E _기 Q의 수량과 관련이 있습니다. _나 . Q 감소 _나 터미널 외부 가장자리를 따라 터미널 영역에서 전계 변조를 효과적으로 달성합니다. 결과적으로 CFM-JTE는 전하 전계 변조의 메커니즘과 효과를 통해 SiC의 낮은 확산 계수의 결점을 효과적으로 극복하여 VLD(가변 도핑) 효과를 형성합니다. 이는 매우 효과적이고 견고하며 성숙한 접합 단자 보호 기술입니다. Si 장치의 경우 [12, 13]. 링 너비(w _r ) 각 그룹의 15μm, 12μm 및 9μm로 감소합니다. 각 링의 공간은 5μm의 동일한 값과 같습니다. JTE1 영역과 JTE2 영역의 길이와 선량은 모두 3:2의 고정 비율입니다. 제안하는 정류기의 세부 파라미터는 Table 1과 같다.

시뮬레이션 및 최적화

소자 구조의 민감도와 도핑 농도로 인한 편차를 줄이기 위해 처리 구성 Athena가 적용됩니다. CFM-JTE의 도핑 농도는 알루미늄 주입 공정 시뮬레이션의 여러 단계를 통해 형성됩니다. 총 도핑 깊이는 거의 1μm에 이릅니다.

그림 2는 CFM-JTE, ORA-JTE 및 기존 TZ-JTE의 차단 용량 및 주입 선량 허용 오차를 보여줍니다. 4개의 종단 구조는 L의 고정 길이 값을 공유합니다. =400μm로 효율성을 비교합니다. JTE1과 JTE2의 길이와 선량은 모두 3:2의 비율로 고정되어 있습니다. 시뮬레이션은 2차원 구조에서 수행되며 항복 판단 기준은 역 누설 전류가 1 × 10 ^–9 에 도달하는 것입니다. A. 검은색 실선은 이론적인 BV를 나타냅니다. 이는 [10, 14]에 따라 14.1kV로 계산되며 회색 점선은 12kV를 나타냅니다. 공정 허용 오차 및 시뮬레이션 편차를 고려하여 10kV 대상에 20%의 설계 마진을 적용합니다. 기존의 TZ-JTE에서 항복 전압은 주입 선량에 매우 민감하며 선량이 0.98~1.14 × 10 ¹³ 사이에서 변할 때만 12kV 이상에 도달합니다. cm ⁻² . JTE 주입 농도에 대한 ORA-JTE의 감도가 완화되고 0.97–1.28 × 10 ¹³ 의 더 넓은 허용 범위 창 cm ⁻² 목표 전압을 12kV 이상으로 유지하기 위해 얻어집니다. CFM-JTE는 0.86–1.30 × 10 ¹³ 범위에서 주입 선량 창의 허용 오차가 가장 넓습니다. cm ⁻² , 이는 기존 TZ-JTE의 약 2.8배, ORA-JTE의 약 1.4배입니다. 따라서 CFM-JTE는 공정 변동에 대해 더 나은 견고성을 보여줍니다.

CFM-JTE, ORA-JTE 및 기존 TZ-JTE가 있는 4H-SiC PiN 정류기의 JTE 선량 창에 대한 항복 용량 비교

그림 3은 차단 상태에서 CFM-JTE, ORA-JTE 및 TZ-JTE의 표면 전계 분포와 강도를 비교한 것입니다. 피크 전계는 주로 주 접합부와 단자 주변부에 집중됩니다. CFM-JTE는 전계 분포를 평평하게 하고 단자를 따라 전계 강도를 촉진하여 궁극적으로 차단 용량을 효율적으로 향상시킵니다.

CFM-JTE, ORA-JTE 및 기존 TZ-JTE의 역 표면 전기장 분포 및 강도

전하 전기장을 변조하는 CFM-JTE의 메커니즘을 이해하기 위해 그림 1a의 AA' 컷라인을 가로지르는 항복 전기장의 분포가 JTE1의 다른 주입량으로 그림 4에 표시됩니다. Q의 존재 _나 , 특히 고도로 도핑된 Q ₁ 주 접합부 옆에 있는 구역은 메사 에칭 코너에서 전기력선의 집중을 크게 완화합니다. 질문 ₅ 구역은 R₅에서 전기장 밀집을 완화하도록 설정됩니다. 그림 1a의 점입니다. 결과는 전하 전계 E의 변조를 통해 전계 분포의 균일성이 효과적으로 개선될 수 있음을 보여줍니다. _기 (r ) 터미널에서. 따라서 차단 전압의 성능과 장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다.

JTE1의 다양한 주입량에 따른 항복 시 표면 전계 분포

터미널 면적의 크기는 칩 활용 효율에 직접적인 영향을 미칩니다. 차단 상태에서 인가된 전위장은 주 접합 주변에 밀집됩니다. 주 접합부 근처의 JTE1 영역은 전하장의 변조 효과를 향상시키기 위해 더 많은 전하를 도입해야 합니다(E _q ). 따라서 L ₁ L보다 길게 설정해야 합니다. ₂ . L의 비율이 ₁ L에게 ₂ 3:2로 고정, 다른 길이의 차단 용량 L 그림 5와 같이 단말에서 비교 분석하였다.

단자 길이가 다른 차단 용량

해당 전기장 분포는 그림 6에 표시됩니다. CFM-JTE의 대규모 영역은 필요한 전하 Q를 증가시키는 데 도움이 됩니다. _나 E의 변조 효과를 최대한 활용 _기 (r ), 더 큰 주입 용량 허용 범위(TW)를 얻기 위해. CFM-JTE 길이 L일 때 300μm, 350μm, 400μm, 450μm로 설정하면 TW 범위가 순차적으로 증가하여 3 × 10 ¹² 에 해당합니다. cm ⁻² , 3.2 × 10 ¹² cm ⁻² , 4.4 × 10 ¹² cm ⁻² 및 4.7 × 10 ¹² cm ⁻² BV가 12kV 이상인 경우 범위 내입니다. 터미널 길이 L을 선택하는 것이 더 적절합니다. 이 작업에서는 단자 크기, JTE 선량 허용 범위, 단자 전기장 변조 및 항복 전압 기능의 절충을 기반으로 400μm의 값이 필요합니다.

다양한 단자 길이에 따른 항복 시 표면 전계 분포

4H-SiC PiN 정류기의 실제 제작에서는 표면 상태의 존재를 고려해야 합니다. 이러한 표면 상태는 깊은 계면 상태에 갇힌 홀, P-SiC의 고정 산화물 전하(P ⁺⁺ 포함)에서 파생됩니다. 층 및 P-JTE 영역)/SiO₂ 인터페이스 및 구현 프로세스 [15,16,17,18]. CFM-JTE 종단의 경우 인터페이스 S에서의 전계 변조 ₁ 그리고 S ₂ 인터페이스 양전하(Q _그것 ), 유효 요금(Q _j ) 및 수직 방향의 인가 전위는 그림 7과 같이 분석됩니다.

S에서의 전기장 변조 ₁ 그리고 S ₂ 인터페이스 양전하(Q _그것 ), 유효 요금(Q _j ) 및 적용된 잠재력

긍정적인 인터페이스 요금(Q _그것 ) 반대 전하장 생성(E _수량 ) 적용된 전위 필드(E _파이 ), 수직 인터페이스 방향의 전계 강도를 완화하는 데 도움이 됩니다. 그림 8은 SiO₂의 전기장 분포를 보여줍니다. /SiC 인터페이스 S ₁ 다른 Q 조건에서 _그것 .

SiO₂의 전기장 분포 다른 Q가 있는 /SiC 인터페이스 _그것

인터페이스 S에서의 전하장 변조 분석 측면에서 ₂ , E _수량 E의 벡터 방향과 반대입니다. _파이 및 E _Qjy . Q의 존재 _그것 S의 전기장을 줄이는 데 도움이 됩니다. 2. 인터페이스 차지(Q _그것 ), 더 큰 이온화 유효 전하 Q _j Q에 의해 생성된 전기장 강도에 대응하기 위해 필요합니다. _그것 . 결과적으로 Q의 양이 _그것 증가하면 동일한 차단 능력을 유지하기 위해 JTE의 최적 주입 선량 농도를 동시에 향상시켜야 합니다. 그림 9와 같이 전체 BV–Dose 곡선은 Q의 증가에 따라 상승하는 방향으로 이동합니다. _그것 .

4H-SiC PiN 정류기에서 계면 전하에 의한 차단 용량에 대한 영향 비교

결과 및 토론

제안된 CFM-JTE 4H-SiC PiN 정류기는 4° 축외(0001)를 갖는 4인치 N형 웨이퍼로 제조되었습니다. 웨이퍼는 4개의 레이어(N ⁺ , N ⁻ , P ⁺ , P ⁺⁺ ) 1 × 10 ¹⁸ 의 농도에 해당 cm ⁻³ , 5 × 10 ¹⁴ cm ⁻³ , 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ 및 5 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ . CFM-JTE 제작의 주요 공정 흐름은 그림 10과 같다. P ⁺⁺ 층은 균일하고 높은 도핑을 얻기 위해 에피택시를 통해 성장되어 SiC와 양극 금속 사이의 옴 접촉 품질을 촉진합니다. 메사 식각 마스크를 통해 ICP-RIE 설비에서 메사 식각 구조를 형성한다. 에칭 가스는 주로 SF₆로 구성됩니다. 그리고 산소. CFM-JTE 구조를 형성하기 위해 최대 500keV의 에너지에서 다중 Al 이온 주입이 구현됩니다. 2단계 Al 이온 주입이 5개의 감소하는 도핑 영역을 형성하기 위해 적용됩니다. JTE1 및 R₂ -R₃ 영역은 제1 주입 마스크를 통해 형성됩니다. JTE2, R₁ -R₂ , R₃ -R₄ , R₄ -R₅ 및 R₅ -R₆ 영역은 제2 주입 마스크를 통한 Al 이온 주입에 의해 동시에 구성된다. 모두 알려진 바와 같이 탄화규소의 이온 활성화율은 고에너지 이온을 주입한 후 높지 않고 심각한 격자 손상을 동반합니다. 위와 같은 바람직하지 않은 상황을 개선하기 위해 산화물 마스크를 통해 500°C의 온도에서 알루미늄 이온 주입을 수행합니다. 고에너지 이온 주입으로 인한 손상을 더욱 개선하고 유효 이온을 증가시켜 도핑 농도의 정확도를 향상시키기 위해 탄소 캡을 사용하여 1800°C의 온도에서 10분 동안 아르곤 주위에서 주입 후 열처리를 수행했습니다. 활성화율. Al/Ti를 사용하여 P형 SiC 저항성 접촉을 형성합니다. RTA 공정은 1000°C 온도의 불활성 가스 질소 환경에서 2분 동안 일관되게 수행되고 검사됩니다. 고품질 패시베이션 층(SiO₂ 층, Si₃ N₄ 필름과 두꺼운 폴리이미드 층)이 증착되어 표면 누출을 방지하고 공기 중 스파크를 방지합니다[5]. CFM-JTE PiN 정류기는 최대 0.1cm ² 의 활성 영역을 커버합니다. . 제조 공정은 추가 마스크나 공정 단계 없이 기존의 2구역 JTE 4H-SiC PiN 정류기와 일치하므로 제조 복잡성과 비용을 줄이는 데 매우 도움이 됩니다.

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CFM-JTE의 프로세스 흐름

제조된 CFM-JTE PiN 정류기의 순방향 특성은 CS-3200 Curve Tracer 장비를 사용하여 웨이퍼에서 테스트됩니다. 제작된 CFM-JTE PiN 정류기는 캐리어 수명 향상 기술 없이도 대용량 순방향 전류 전도를 나타냅니다. 순방향 전류는 그림 11과 같이 순방향 전압 5.2V에 해당하는 100A까지 측정된다. 제안하는 정류기의 차동 온저항은 3.1mΩ cm ² 로 측정된다. 3.6V의 순방향 전압에 해당하는 실온에서. 다양한 온도에서의 순방향 전도 특성은 그림 11의 삽입도에 나와 있습니다. I–V 곡선은 음의 온도 계수 특성을 보여줍니다. 이는 온도가 상승함에 따라 재료의 이동도가 감소하는 반면 SiC 재료의 좁은 밴드 갭은 P-N 접합의 자체 구축 전위를 감소시키고 드리프트 영역의 캐리어 수명이 증가함에 따라 연장되기 때문입니다. 온도가 높아져 전류 밀도가 증가합니다. 측정된 턴온 전압은 10A·cm ⁻² 의 순방향 전류 밀도에서 정의됩니다. . 주변 온도가 25°C에서 150°C로 상승하면 3.14V에서 3.04V로 점차 감소합니다. 순방향 턴온 전압의 최대 이동은 0.1V 값에 해당하는 3% 범위에서 고정되었으며, 이는 Si PiN보다 훨씬 우수한 온도 안정성을 나타냅니다.

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앞으로 I–V CFM-JTE PiN 정류기의 곡선 및 다양한 온도 환경에서의 특성 삽입

CFM-JTE, ORA-JTE 및 기존 TZ-JTE가 있는 4H-SiC PiN 정류기는 4인치 웨이퍼에 제작되며 단자 보호 효과는 그림 12에 나와 있습니다. 역 항복 전압 측정이 실행되고 침지됩니다. 공기 중 아크를 방지하기 위해 Fluorinert 오일에 넣습니다. 1.2 × 10 ¹³ 의 JTE1 용량을 사용한 실험 측정에서 cm ⁻² , ORA-JTE 및 기존 TZ-JTE가 있는 PiN 정류기는 동일한 단자 길이 400μm에서 각각 12.5kV 및 9.6kV의 차단 용량을 얻습니다.

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제작된 4H-SiC PiN 정류기의 고장특성. 아 측정된 BV CFM-JTE, ORA-JTE 및 TZ-JTE. ㄴ 다른 주입량으로 CFM-JTE의 측정된 BV. 실선 표시는 실험값입니다.

CFM-JTE PiN 정류기의 다중 배치 샘플은 10μA의 누설 전류에서 13.5kV의 항복 전압을 반복적으로 얻을 수 있습니다. 실험적 차단 전압은 이론적인 항복 값의 최대 96%에 이르며, 이는 CFM-JTE가 더 높은 단자 보호 효율을 갖는다는 것을 나타냅니다. 4H-SiC PiN 정류기의 100μm 드리프트 레이어에서 130V/μm 이상의 내전압을 달성했습니다. 발리가의 성능 지수(BFOM =BV ² /R _on,sp ) 58.8GW/cm ² 에 도달 실온에서. JTE1 주입량이 다른 CFM-JTE PiN이 제조되었습니다. 항복 전압의 실험 및 시뮬레이션 값은 그림 12b에 나와 있습니다. 실험값은 시뮬레이션 경향에 따른 것이며 CFM-JTE 구조가 JTE 선량 허용 범위를 효과적으로 확장할 수 있음을 확인합니다. 표 2는 최근 보고된 초고압 4H-SiC 정류기의 특성을 비교한 것이다. 본 연구에서 제작된 CFM-JTE 4H-SiC 정류기는 초고전압 차단용량, 초고순전류 전도용량 및 높은 종단효율 측면에서 우수한 성능을 보인다.

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결론

이 작업에서 4H-SiC CFM-JTE PiN 정류기가 성공적으로 설계 및 제작되었습니다. CFM-JTE PiN의 실험 항복 전압은 이론적 차단 값의 96%에 해당하는 13.5kV입니다. CFM-JTE는 ORA-JTE(BV =12.5kV, 보호 효율 최대 88%) 및 기존 TZ-JTE(BV =9.6kV, 보호 효율 최대 68%)에 비해 훨씬 향상된 단자 보호 효율을 나타냅니다. ). CFM-JTE PiN 정류기는 100A @ V의 큰 순방향 전류를 획득합니다. _F =캐리어 수명 향상 기술을 사용하지 않고 5.2V이며 안정적인 순방향 I–V를 나타냅니다. 다양한 온도에서의 특성. CFM-JTE PiN 정류기에 대한 Baliga의 성능 지수는 58.8GW/cm에 도달 ² 실온에서. CFM-JTE에 대한 주입 도즈 창의 허용 오차는 기존 TZ-JTE의 약 2.8배, ORA-JTE의 1.4배인 전하 전계 변조를 기반으로 확대되어 공정 변동에 대해 훨씬 더 나은 견고성을 보여줍니다. 또한, CFM-JTE의 제조공정은 예외적으로 복잡한 공정이나 마스크의 수를 늘리지 않고 기존의 TZ JTE 공정과 일치하므로, CFM-JTE가 만족스러운 단자 효율과 초고전력 애플리케이션에 최적임을 보여줍니다. 공정 공차.

데이터 및 자료의 가용성

모든 데이터는 제한 없이 사용할 수 있습니다.

약어

SiC:

탄화규소

JTE:

접합 종단 확장

CFM:

충전 필드 변조

TZ-JTE:

2존 접합 종단 확장

FLR:

필드 제한 링

MZ-JTE:

다중 영역 접합 종단 확장

CD-JTE:

카운터 도핑된 접합 종단 확장

Ti:

티타늄

알:

알루미늄

E _ㄷ :

에너지 전도대

V _F :

순방향 전압

ORA-JTE:

아웃 링 지원 접합 종단 확장

E _q :

전하 전기장

E _p :

적용된 잠재 필드

질문 _나 :

유효 요금

VLD:

다양한 측면 도핑

w _r :

링 너비

2D:

2차원

BV:

항복 전압

태국:

공차 창

질문 _그것 :

인터페이스 요금

질문 _j :

이온화 유효 전하

RTA:

급속 열처리

R _on,sp :

특정 온저항

BFOM:

발리가의 업적

28nm CMOS 공정에서 ESD 보호를 위한 PMOSFET가 내장된 견고한 래치업 면역 LVTSCR 장치 고급 이중 전기 광학 감지 응용 분야를 위한 전기활성 염료/LDH 나노혈소판 매트릭스 필름의 층별 조립