Retificador de Potência 4H‑SiC Aprimorado com JTE de Campo de Carga Modulado: Eficiência e Tolerância de Dose Melhoradas

Resumo

Este artigo apresenta a fabricação de um retificador PiN 4H-SiC de 13,5 kV com área ativa considerável de 0,1 cm². Propõe-se uma extensão de terminação de junção com campo de carga modulado (CFM-JTE) para atender ao requisito de tensão reversa ultra-alta, ampliando a janela de tolerância de dose do JTE em aproximadamente 2,8 vezes em comparação ao JTE convencional de duas zonas. Além disso, o CFM-JTE pode ser implementado através do processo convencional de JTE de duas zonas. A corrente direta medida atinge 100 A @ V_F = 5,2 V sem tecnologia de aumento de tempo de vida dos portadores. A estrutura CFM-JTE alcança 96% da tensão de ruptura teórica da junção de plano paralelo com uma área de terminação relativamente pequena de 400 μm, contribuindo para atingir a figura de mérito de Baliga de 58,8 GW/cm².

Introdução

O carbeto de silício (SiC) tornou-se uma nova opção para melhorar aplicações de potência devido às suas características de operação em tensões mais altas com camadas ativas mais finas, densidade de potência estendida, comutação em frequência mais alta, melhor dissipação de calor, menor tamanho do sistema e menor custo. Nos últimos anos, retificadores e MOSFETs comerciais de SiC foram classificados em 1,2–1,7 kV. No entanto, em campos de aplicação representativos como redes inteligentes, veículos elétricos, fontes de alimentação pulsadas e fontes de estado sólido de ultra-alta tensão, há demanda crescente por capacidade de bloqueio superior a 10 kV e capacidade de corrente direta superior a 1000 A cm⁻².

Atualmente, os principais desafios enfrentados por dispositivos de potência de SiC de 10 kV e níveis superiores concentram-se no desempenho da tecnologia de terminação de junção, simplificação dos processos de fabricação, alta qualidade de camada epitaxial espessa e redução de defeitos de superfície. Para dispositivos de SiC de ultra-alta tensão, o comprimento da estrutura de terminação é geralmente 6–8 vezes a espessura epitaxial, o que reduz tremendamente a taxa de utilização do wafer e aumenta o custo de fabricação. Retificadores PiN 4H-SiC tornaram-se os candidatos mais adequados para aplicações de ultra-alta tensão devido ao efeito de modulação de condutividade. Para a estrutura de anéis de limitação de campo (FLR), um projeto de otimização preciso pode ser obtido através de cálculo analítico, enquanto a fotolitografia atual não consegue realizar o espaçamento e largura precisos dos anéis. A terminação inovadora de anéis de limitação de campo para dispositivo de SiC de 10 kV foi aplicada para obter alta eficiência de proteção reversa, mas sua área de terminação excede 700 μm, resultando em consumo adicional do wafer de SiC. A extensão de terminação de junção (JTE) é outra estrutura de proteção terminal de alta eficiência frequentemente usada, mas sua eficiência é extremamente sensível à dose do JTE. Para níveis de ultra-alta tensão, JTEs de múltiplas zonas (MZ-JTEs) e JTEs contra-dopados (CD-JTEs) são utilizados para modular criticamente o campo elétrico e exigem condições e tempos rigorosos de implantação iônica, o que aumenta a complexidade e o custo de fabricação. Para melhorar a capacidade de condução, pesquisas sobre características de altura de barreira entre diversos metais e SiC foram realizadas. Geralmente, filme de Ti/Al com 50–100 nm de espessura é formado para contato ôhmico do ânodo e filme de Ni para contato ôhmico do cátodo. Além disso, a escala da área ativa do retificador 4H-SiC afetará grandemente as características de corrente direta. Verificou-se que na camada epitaxial tipo N de 4H-SiC, o centro Z_1/2 (E_C—0,65 eV), o nível aceitador da monovacância de carbono, afeta principalmente o tempo de vida dos portadores. A implantação de íons de alumínio levará a uma grande concentração de níveis profundos massivos envolvendo o centro Z_1/2 na periferia da mesa e região de terminação de junção, resultando em diminuição do tempo de vida dos portadores. Portanto, retificadores 4H-SiC com grande área ativa (> 9 mm²) são necessários no projeto e fabricação para que o impacto do tempo de vida reduzido dos portadores na região de periferia da mesa e região de terminação seja relativamente desprezível.

Neste artigo, o retificador PiN 4H-SiC CFM-JTE é fabricado em uma camada epitaxial de 100 μm de 5 × 10¹⁴ cm⁻³ e alcança capacidade de bloqueio considerável de 13,5 kV no estado desligado e corrente direta de 100 A @ V_F = 5,2 V no estado ligado. A resistência diferencial de ligação do retificador PiN CFM-JTE é medida em 3,1 mΩ cm² à temperatura ambiente. O CFM-JTE obtém 96% da tensão de ruptura teórica através do conceito e análise de modulação de campo de carga, que expande favoravelmente a janela de tolerância da dose de implantação e leva a um comprimento de terminação aceitável de 400 μm.

Métodos

Análise da Estrutura do Dispositivo

O projeto, otimização e análise são executados pelo Silvaco-TCAD. A Figura 1 mostra o esquema da estrutura 4H-SiC PiN com terminação, envolvendo: (a) CFM-JTE de campo de carga modulado, (b) JTE assistido por anel externo (ORA-JTE) e (c) JTE convencional de duas zonas (TZ-JTE). No estado de bloqueio, a taxa de ionização por colisão elétron-buraco está intimamente relacionada à intensidade do campo elétrico. Propõe-se um conceito de modulação de campo elétrico de carga E_q(r) para revelar o mecanismo de modulação do CFM-JTE através do método de superposição vetorial do campo elétrico terminal causado pelo campo elétrico de carga E_q(r) na Fig. 1a. O CFM-JTE consiste na região JTE1, região JTE2 e três grupos de anéis. Os múltiplos anéis dividem equivalentemente o terminal em cinco zonas dopadas: R₁-R₂, R₂-R₃, R₃-R₄, R₄-R₅ e R₅-R₆, onde cargas efetivas Q₁, Q₂, Q₃, Q₄ e Q₅ são introduzidas, respectivamente. Baseado na decomposição e superposição de vetores de campo elétrico nas coordenadas x e y, o campo elétrico geral localizado no ponto R_i causado pelo campo de potencial aplicado E_p(r) e pelo campo elétrico de carga E_Qi(r) gerado por cada Q_i pode ser expresso analiticamente nas direções x e y, conforme dado nas Eqs. (1) e (2), respectivamente.

E_Ri,x = E_px + Σ_j=1^i-1 E_Qjx - Σ_j=i⁵ E_Qjx (1)

E_Ri,y = E_py + Σ_j=1^i-1 E_Qjy + Σ_j=i⁵ E_Qjy (2)

No estado desligado, a região de depleção de baixa dopagem contrai-se prematuramente e aborta na região de terminação devido ao efeito de curvatura na junção principal PiN. Assim, o campo de potencial aplicado E_p(r) é plenamente concentrado na periferia da junção principal. A existência de Q_i promove a depleção ao longo do CFM-JTE até a camada epitaxial mais externa. A intensidade do campo elétrico de carga E_Qi está associada à quantidade de Q_i. A diminuição de Q_i ao longo da borda externa do terminal efetivamente alcança a modulação do campo elétrico na região de terminação. Consequentemente, através do mecanismo e efeito de modulação de campo elétrico de carga, o CFM-JTE supera disponivelmente a deficiência do baixo coeficiente de difusão do SiC para formar o efeito de dopagem lateral variada (VLD), que é uma tecnologia de proteção terminal de junção altamente eficaz, robusta e madura para dispositivos de Si. A largura do anel (w_r) de cada grupo é diminuída para 15 μm, 12 μm e 9 μm, respectivamente. O espaçamento de cada anel é igual ao mesmo valor de 5 μm. O comprimento e a dose da região JTE1 e da região JTE2 estão ambos em uma proporção fixa de 3:2. Os parâmetros detalhados do retificador proposto são fornecidos na Tabela 1.

Simulação e Otimização

Para diminuir os desvios causados pela sensibilidade da estrutura do dispositivo e concentrações de dopagem, a configuração de processamento Athena é aplicada. As concentrações de dopagem do CFM-JTE são formadas através de múltiplas etapas de simulação do processo de implantação de alumínio. A profundidade total de dopagem atinge quase 1 μm.

A Figura 2 mostra as capacidades de bloqueio e as tolerâncias à dose de implantação do CFM-JTE, ORA-JTE e TZ-JTE convencional. As quatro estruturas de terminação compartilham um valor de comprimento fixo de L = 400 μm para comparar sua eficiência. Tanto o comprimento quanto a dose de JTE1 e JTE2 são fixados na proporção de 3:2. A simulação é realizada na estrutura 2-D, e o critério de julgamento de ruptura é que a corrente de fuga reversa atinge 1 × 10⁻⁹ A. A linha preta sólida representa a BV teórica calculada como 14,1 kV, e a linha tracejada cinza indica 12 kV. Uma margem de projeto de 20% é aplicada no alvo para 10 kV considerando a tolerância do processo e desvio de simulação. No TZ-JTE convencional, a tensão de ruptura é bastante sensível à dose de implantação e atinge mais de 12 kV apenas quando a dose varia entre 0,98 e 1,14 × 10¹³ cm⁻². A sensibilidade do ORA-JTE à concentração de injeção do JTE é aliviada, obtendo-se uma janela de tolerância mais ampla de 0,97–1,28 × 10¹³ cm⁻² para manter a tensão alvo acima de 12 kV. O CFM-JTE tem a maior tolerância da janela de dose de implantação em um intervalo de 0,86–1,30 × 10¹³ cm⁻², que é aproximadamente 2,8 vezes a do TZ-JTE convencional e 1,4 vezes a do ORA-JTE. Assim, o CFM-JTE mostra melhor robustez para variações de processo.

A Figura 3 mostra a comparação da distribuição e intensidade do campo elétrico de superfície do CFM-JTE, ORA-JTE e TZ-JTE no estado de bloqueio. O campo elétrico de pico está concentrado principalmente na junção principal e na periferia do terminal. O CFM-JTE aplana disponivelmente a distribuição do campo elétrico e promove a intensidade do campo elétrico ao longo do terminal, o que finalmente melhora a capacidade de bloqueio eficientemente.

Para compreender o mecanismo de modulação de campo elétrico de carga do CFM-JTE, as distribuições do campo elétrico de ruptura ao longo da linha de corte AA' na Fig. 1a com diferentes doses de implantação de JTE1 são plotadas na Fig. 4. A existência de Q_i, especialmente a zona Q₁ altamente dopada próxima à junção principal, alivia imensamente a concentração de linhas de campo elétrico no canto de gravação da mesa. A zona Q₅ é definida para aliviar o acúmulo de campo elétrico no ponto R₅ na Fig. 1a. Os resultados demonstram que a uniformidade da distribuição do campo elétrico pode ser efetivamente melhorada através da modulação do campo elétrico de carga E_Qi(r) no terminal. Assim, a capacidade de tensão de bloqueio e a confiabilidade do dispositivo poderiam ser melhoradas.

O tamanho da área de terminação afeta diretamente a eficiência de utilização do chip. No estado de bloqueio, o campo de potencial aplicado agrupa-se ao redor da periferia da junção principal. A região JTE1 próxima à junção principal precisa introduzir mais cargas para melhorar o efeito de modulação do campo de carga (E_q). Assim, L₁ precisa ser definido mais longo que L₂. Quando a proporção de L₁ para L₂ é fixada em 3:2, as capacidades de bloqueio de diferentes comprimentos L no terminal são analisadas comparativamente na Fig. 5.

As distribuições de campo elétrico correspondentes são exibidas na Fig. 6. A área de grande escala do CFM-JTE é propícia para aumentar a carga Q_i necessária e dar pleno efeito à modulação de E_Qi(r), de modo a obter uma janela de tolerância de dose de implantação (TW) maior. Quando o comprimento do CFM-JTE L é definido como 300 μm, 350 μm, 400 μm e 450 μm, o intervalo TW aumenta sequencialmente, correspondendo a 3 × 10¹² cm⁻², 3,2 × 10¹² cm⁻², 4,4 × 10¹² cm⁻² e 4,7 × 10¹² cm⁻² em intervalo na condição de que a BV seja superior a 12 kV. É mais apropriado selecionar um comprimento de terminação L de 400 μm neste trabalho com base no equilíbrio entre tamanho do terminal, janela de tolerância de dose do JTE, modulação de campo elétrico do terminal e capacidade de tensão de ruptura.

A existência de estados de superfície deve ser considerada na fabricação real do retificador 4H-SiC PiN. Esses estados de superfície derivam de buracos aprisionados em estados de interface profundos, cargas fixas de óxido de P-SiC (incluindo camada P⁺⁺ e região P-JTE)/interface SiO₂ e o processo de implementação. Para a terminação CFM-JTE, a modulação do campo elétrico nas interfaces S₁ e S₂ por cargas positivas de interface (Q_it), cargas efetivas (Q_j) e potencial aplicado na direção vertical é analisada na Fig. 7.

Cargas positivas de interface (Q_it) geram um campo de carga oposto (E_Qity) comparado com o campo de potencial aplicado (E_py), ajudando a mitigar a intensidade do campo elétrico na direção da interface vertical. A Figura 8 exibe as distribuições de campo elétrico na interface SiO₂/SiC S₁ sob condições de diferentes Q_it.

Em termos da análise de modulação de campo de carga na interface S₂, E_Qity é oposto à direção do vetor de E_py e E_Qjy. A existência de Q_it ajuda a reduzir o campo elétrico em S₂. Considerando a existência da carga de interface (Q_it), uma carga efetiva de ionização Q_j maior é necessária para contrabalançar a intensidade do campo elétrico gerada pelo Q_it. Consequentemente, quando a quantidade de Q_it aumenta, a concentração de dose de implantação ótima do JTE deve ser simultaneamente aumentada para manter a mesma capacidade de bloqueio. Como mostrado na Fig. 9, a curva geral BV-Dose desloca-se na direção de aumento com o aumento de Q_it.

Resultados e Discussão

O retificador PiN 4H-SiC CFM-JTE proposto foi fabricado em um wafer tipo N de 4 polegadas com 4° off-axis (0001). O wafer é crescido através de epitaxia com quatro camadas (N⁺, N⁻, P⁺, P⁺⁺) correspondentes às concentrações de 1 × 10¹⁸ cm⁻³, 5 × 10¹⁴ cm⁻³, 1 × 10¹⁸ cm⁻³ e 5 × 10¹⁹ cm⁻³. O fluxo de processo principal da fabricação do CFM-JTE é exibido na Fig. 10. A camada P⁺⁺ é crescida através de epitaxia para obter dopagem uniforme e alta para promover a qualidade do contato ôhmico entre SiC e metal do ânodo. A estrutura de gravação de mesa é formada na instalação ICP-RIE através da máscara de gravação de mesa. O gás de gravação é composto principalmente de SF₆ e oxigênio. Múltiplas implantações de íons de Al são implementadas com energia máxima de 500 keV para formar a estrutura CFM-JTE. Uma implantação de íons de Al em duas etapas é aplicada para formar as cinco zonas dopadas decrescentes. JTE1 e zonas R₂-R₃ são formadas através da primeira máscara de implantação. JTE2, R₁-R₂, R₃-R₄, R₄-R₅ e R₅-R₆ são configuradas simultaneamente pela implantação de íons de Al através da segunda máscara de implantação. Como é sabido, a taxa de ativação iônica no carbeto de silício não é alta após implantação com íons de alta energia, acompanhada por danos severos na rede. Para melhorar a situação indesejável acima, as implantações de íons de alumínio são realizadas a uma temperatura de 500 °C através de uma máscara de óxido. O recozimento pós-implantação foi conduzido em ambiente de argônio a uma temperatura de 1800 °C por 10 min com uma tampa de carbono para renovar ainda mais o dano causado pela implantação de íons de alta energia e melhorar a precisão da concentração de dopagem aumentando a taxa de ativação iônica efetiva. O contato ôhmico de SiC tipo P é formado usando Al/Ti. O processo RTA é consistentemente realizado e inspecionado por dois minutos em ambiente de gás inerte nitrogênio a uma temperatura de 1000 °C. Camadas de passivação de alta qualidade (camada de SiO₂, filme de Si₃N₄ e camada espessa de poliamida) são depositadas para evitar vazamento de superfície e evitar faíscas no ar. O retificador PiN CFM-JTE cobre uma área ativa de até 0,1 cm². O processo de fabricação é consistente com o retificador PiN 4H-SiC JTE convencional de duas zonas, sem máscaras ou etapas de processo extras, o que é extremamente propício para reduzir a complexidade e o custo de fabricação.

As características diretas do retificador PiN CFM-JTE fabricado são testadas no wafer usando o instrumento CS-3200 Curve Tracer. O retificador PiN CFM-JTE fabricado exibe grande capacidade de condução de corrente direta sem tecnologia de aumento de tempo de vida dos portadores. A corrente direta é medida até 100 A correspondendo a uma tensão direta de 5,2 V, como mostrado na Fig. 11. A resistência diferencial de ligação do retificador proposto é medida como 3,1 mΩ cm² à temperatura ambiente, correspondendo à tensão direta de 3,6 V. As características de condução direta em diferentes temperaturas também são ilustradas no destaque da Fig. 11. A curva I-V mostra peculiaridade de coeficiente de temperatura negativo. Isso ocorre porque, à medida que a temperatura sobe, a mobilidade do material diminui, enquanto a banda proibida mais estreita do material SiC reduz o potencial auto-construído da junção P-N, e o tempo de vida dos portadores da região de deriva estende-se com o aumento da temperatura, levando a um aumento na densidade de corrente. A tensão de ligação medida é definida em uma densidade de corrente direta de 10 A·cm⁻². Ela diminui gradualmente de 3,14 para 3,04 V quando a temperatura ambiente sobe de 25 a 150 °C. O deslocamento máximo da tensão de ligação direta ficou restrito a uma faixa de 3%, correspondendo a um valor de 0,1 V, o que exibe estabilidade de temperatura muito melhor que o PiN de Si.

Os retificadores 4H-SiC PiN com CFM-JTE, ORA-JTE e TZ-JTE convencional são fabricados no wafer de 4 polegadas, e seus efeitos de proteção terminal são mostrados na Fig. 12. Medições de tensão de ruptura reversa são executadas e imersas em óleo Fluorinert para evitar arco no ar. Em medições experimentais com dose de JTE1 de 1,2 × 10¹³ cm⁻², os retificadores PiN com ORA-JTE e TZ-JTE convencional obtêm capacidades de bloqueio de 12,5 kV e 9,6 kV, respectivamente, com o mesmo comprimento de terminação de 400 μm.

Amostras de múltiplos lotes de retificadores PiN CFM-JTE poderiam obter repetidamente a tensão de ruptura de 13,5 kV na corrente de fuga de 10 μA. A tensão de bloqueio experimental atinge até 96% do valor teórico de ruptura, o que indica que o CFM-JTE tem uma eficiência de proteção terminal mais alta. Uma tensão de suportes de mais de 130 V/μm foi alcançada na camada de deriva de 100 μm do retificador 4H-SiC PiN. A figura de mérito de Baliga (BFOM = BV²/R_on,sp) atinge 58,8 GW/cm² à temperatura ambiente. Os PiNs CFM-JTE com diferentes doses de implantação de JTE1 foram fabricados. Os valores experimentais e simulados da tensão de ruptura são representados na Fig. 12b. Os valores experimentais estão de acordo com a tendência de simulação e confirmam que a estrutura CFM-JTE pode expandir a janela de tolerância de dose do JTE efetivamente. A Tabela 2 compara as características dos retificadores 4H-SiC de ultra-alta tensão relatados recentemente. O retificador 4H-SiC CFM-JTE fabricado neste trabalho mostra excelente desempenho nos aspectos de capacidade de bloqueio de ultra-alta tensão, capacidade de condução de corrente direta ultra-alta e alta eficiência de terminação.

Conclusões

Neste trabalho, o retificador PiN 4H-SiC CFM-JTE foi projetado e fabricado com sucesso. A tensão de ruptura experimental do PiN CFM-JTE é 13,5 kV correspondendo a 96% do valor de bloqueio teórico. O CFM-JTE exibe uma eficiência de proteção terminal muito melhorada em comparação com o ORA-JTE (BV = 12,5 kV, com eficiência de proteção até 88%) e o TZ-JTE convencional (BV = 9,6 kV, com eficiência de proteção até 68%). O retificador PiN CFM-JTE adquire uma grande corrente direta de 100 A @ V_F = 5,2 V sem usar tecnologia de aumento de tempo de vida dos portadores e exibe características I-V diretas estáveis em várias temperaturas. A figura de mérito de Baliga para o retificador PiN CFM-JTE atinge 58,8 GW/cm² à temperatura ambiente. A tolerância da janela de dose de implantação para CFM-JTE é ampliada baseada na modulação de campo elétrico de carga, que é aproximadamente 2,8 vezes a do TZ-JTE convencional e 1,4 vezes a do ORA-JTE, mostrando muito melhor robustez à variação de processo. Além disso, o processo de fabricação para CFM-JTE é consistente com o processo JTE TZ convencional sem aumentar o número de processos ou máscaras excepcionalmente complexos, o que demonstra que o CFM-JTE é ideal para aplicações de ultra-alta potência com eficiência terminal satisfatória e tolerância de processo.