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超结碳化硅器件
2022/8/1 7:52:04 材料来源：化合物半导体
凭借巧妙的电荷平衡结构，碳化硅功率器件正超越其极限。作者：ONSEMI JAN CHOCHOL和ROMAN MALOUSEK
整个电力电子行业都在进行碳化硅活动。毫无疑问，SiC器件的介电击穿场强是硅的十倍，电子饱和速度是现任器件的两倍，带隙的三倍，热导率是硅的三倍。所有高功率应用都受益于这些特性，如图1所示，因此供应商、晶圆厂和OEM正在接受碳化硅的快速采用也就不足为奇了。所有人都在努力超越竞争对手。
图1：不同电力电子技术的应用领域
由于所有这些疯狂的活动，该行业出现了一些混乱，为各种发展创造了机会。这促使我们的onsemi团队探索各种概念。在碳化硅行业日趋成熟的背景下，我们能够重新探讨一些仅在几年前还不可行、成本过高或当时可用的工具集显然不可能实现的主题。
其中一个概念是超结。无论设计如何，任何由碳化硅制成的器件都将受益于其独特的性能。它们包括一个大的击穿场，它可以剃掉几十微米的外延厚度，与硅相比，在给定的额定电压下，大大降低了导通电阻。但有了我们所探索的超结结构，我们可以更进一步。通常，这种结构由交替区域组成，这些区域高度掺杂，间距紧密，掺杂相等和相反，这是一种确保电荷平衡的架构。有了这样的结构，高掺杂会产生更好的传导，从而降低电阻。但这并不是我们在反向偏压下操作的唯一好处，超结完全耗尽，电场以近似矩形均匀分布。由于这一点，与经典的单极漂移区（其中电场必须是梯形的）（见图2）相比，我们在相同的漂移厚度下实现了更高的击穿场。
图2：具有单极漂移区（左）和超结JBS二极管（右）的JBS二极管示意图
真正的问题是，我们如何构建这样一个结构？我们需要有明确的支柱，其可控浓度达到表面以下几微米。由于每微米的超结深度可以阻挡约200 V（我们将继续展示），因此1200 V的器件需要超过6μm的受控超结柱。
形成柱的一种选择是离子扩散。然而，那些在碳化硅社区工作的人并不太关心这项技术，因为根本没有办法在碳化硅中扩散离子。这导致一些团体和公司尝试了其他方法，例如CVD填充沟道。
重提离子注入
但在我们的初步研究中，由于方法的简单性和工具的可用性，我们决定重新审视离子注入。我们研究了两种不同的技术。其中之一涉及使用非常高能量的离子注入。粗略地说，这是一种粗暴手段；由于其高动能，我们将离子深注入碳化硅。更高的能量意味着更深的渗透。然后，使用多个注入离子，我们可以将浓度分布链在一起，以创建一个看似均匀的分布。这种方法需要注意的是，我们必须保护另一根柱不被注入。因此，一个注入物可以是覆盖物，而另一个必须被遮盖，剂量是另一个的两倍。成功并不容易，因为只有如此厚的光刻胶才能阻止注入。
图3：4H-SiC晶格的JMOL模拟。蓝色箭头表示晶体的c轴方向。（a）通过通道方向查看；（b）侧视图；（c）倾斜晶格；（d）倾斜晶格侧视图。
由于这一局限性，我们还探索了沟道注入。用于电力应用的4H多晶碳化硅的一个关键特征是，它允许离子沿着优先角度注入，离子“穿透”晶格，离子-晶格碰撞的数量急剧下降。这一原理如图3所示，导致浓度分布比随注入方向下通�？赡艿呐ǘ确植家畹枚�、平坦得多。例如，一个900 keV的非沟道铝注入的深度可达0.7μm，而利用该能量的沟道将深度扩展到3μm。
通过这种方法，我们将包层高能氮注入技术相结合，制备出了柱状物，而不需要掩模沟道铝注入的掩模。通过二次离子质谱获得的剖面图可以看出该方案的成功（见图4）。
图4：超结实验中注入剖面的SIMS数据
沟道方向沿晶体的0001方向——也是晶体生长的方向。由于大多数商用碳化硅晶体是在4 °角度，这是我们使用的通道角度。为了产生定义良好的柱，注入工具在晶圆和批次之间保持最佳角度至关重要。我们非常感谢Nissin Ion Equipment的支持，在我们的试点研究中，他们帮助了我们。
无论我们采用沟道还是高能注入，都需要外延再生长步骤才能达到所需的厚度。在重新启动每个新柱层的外延工艺时，我们仔细调整了条件，以尽量减少注入材料（回蚀）的任何潜在损失，并确保整个外延结构的浓度恒定。我们面临的另一个挑战是在每次外延再生长后调整掩模的对齐标记，并更新标记以确保后续层的精确位置。对于超高能注入形成的结构，我们进行了三个外延层生长步骤，每个步骤涉及1.2μm厚的沉积层；对于沟道运行，我们只使用了两个生长点，每个2.45μm厚。我们用这两种结构制作了结势垒肖特基二极管。这涉及到使用平行条纹作为柱的掩模。由于这些条纹平行于晶圆平面，我们在进行沟道注入时避免了掩模阴影。
评估不同片芯
为了全面评估我们的器件性能，我们制作了小（0.0012 cm-2）和大（0.018 cm-2）管芯。小管芯使我们能够研究多种设计，而大管芯具有更类似于生产线器件的特性。对于超结器件，必须确保适当的电荷平衡。这意味着两个柱的掺杂浓度相同。在任何工艺中，都有一些将导致浓度扩散的因素在起作用。但可以通过改变条纹宽度来解决这一问题，因为这提供了一种补偿和调整设计的机制——较宽、较低掺杂的柱将与较窄、较高掺杂的柱表现相同。我们在p型柱的顶部注入了浅、高剂量的铝，以确保良好的欧姆接触。
与我们器件的连接采用标准碳化硅工艺，在正面增加了钛/锡肖特基/欧姆接触。我们转而对阴极接触进行背面研磨和金属沉积。我们的器件具有端接功能，用于扩展电场并在有源区均匀分布雪崩电流。我们验证了这是通过电致发光实现的，电致发光显示了有源结构中的均匀击穿（见图5）。
图5：左：器件设计示意图。右：雪崩击穿中器件的电致发光
在深入研究我们的超结研究结果之前，值得考虑我们对预期行为的假设。关键特性是二极管的击穿电压及其导通电阻。理想的情况是在柱浓度中有完美的1:1比率，因为这确保了在给定的超结厚度下可实现的最大击穿电压。同时，导通电阻与发生传导的n型浓度成线性比例（行为如图6所示）。
图6：超结器件的预测行为
我们研究的实际结果（如图7所示）证实了我们的假设。我们为每个注入方案使用了三个晶圆，每个晶圆的剂量略有不同（±10%），并在器件设计中改变了柱比。我们的击穿结果遵循抛物线形状，绝对位置由超结的厚度决定。请注意，在晶圆上的分布，靠近平面的较厚外延结构提供了较高的击穿电压（优化均匀的晶圆分布不是研究的一部分）。正如预期的那样，导通电阻随着p型柱的宽度和外延厚度的增加而增加。我们讨论了晶圆之间导通电阻的变化与衬底电阻的变化。
图7：来自超结器件表征的电气数据
为了比较超高能注入和沟道实现的结果，我们按厚度对击穿值进行了归一化。在忽略外延厚度扩展后，两种方法都产生了约210V/μm的击穿。这是一个至关重要的发现，意味着两种方法在电气性能和工艺稳定性方面是相同的。不同之处在于所需的工具集和所需的外延步骤数量。
有了手头的数据，我们可以将我们的器件与具有经典架构的器件进行比较，包括具有单极漂移区的变体。我们的评估包括这种器件的一维理论极限图，可以比较导通电阻和击穿电压（见图8）。我们看到，通过我们的测试器件，在更大的芯片上进行的测量表明，我们正处于1000 V/0.7 mΩ cm-2的临界点。通常，在3 kV-5 kV区域，使用超结器件的最佳点高于此范围。
图8：单极和超结器件击穿电压和导通电阻的折衷曲线与实验数据
然而，这只是等式的一个方面。碳化硅器件也因其高温性能而备受追捧，几乎在其所有应用中都发挥着重要作用。在这里，超结将“超级”放入器件。漂移区是阻挡场扩散的区域，是器件的最低掺杂部分。正是在这里，对器件电阻有很大的贡献，但超结的引入使该区域更薄和高度掺杂，正如我们所看到的，在1000 V阻断电压后，这种变化得到了回报。
由于该区域的高掺杂，器件受温度引起的电阻增加的影响较小。结果是，即使在更高的温度下，该器件仍保持其低电阻。与此同时，故障基本上没有受到影响。事实上，由于声子散射增加，需要更多的能量来推动电子雪崩。因此，正如我们所展示的，用超结取代漂移区会带来回报，将普通器件转变为在高要求应用中表现出色的器件。
如果不扩大整个碳化硅生态系统，碳化硅器件的采用及其相关发展，包括本研究中报告的进展是不可能的。无论是制作衬底，都涉及晶圆、研磨、抛光；或外延生长或其他前端或后端过程；每一步都是一项要求很高的操作，需要利用来之不易的专业知识和专业工具。
SiC最初是onsemi通过收购飞兆半导体（Fairchild）获得的，从那时起，器件技术一直是由以下各方密切合作开发的：瑞典Kista的设计中心；韩国布川的设备和工艺集成团队；以及缅因州南波特兰的工程团队负责开发SiC外延技术。
我们目前的职责包括支持韩国布川和捷克Rožnov pod Radhoštěm关键晶圆厂的碳化硅开发和生产。Rožnov是一个坐落在贝斯基德山脉的小镇，材料开发受到了广泛关注，并获得了该地区最具创新性公司奖。
随着最近收购碳化硅衬底制造商GT Advanced Technologies，我们公司提高了垂直整合水平，巩固了碳化硅器件组合。这些举措巩固了我们在电力电子行业中的重要地位，并磨砺了碳化硅技术的前沿。
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