Физико-технологические основы формирования канала силового МДП-транзистора на карбиде кремния тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат наук Михайлов Алексей Игоревич

• Михайлов Алексей Игоревич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Михайлов Алексей Игоревич

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ ЭКСТРЕМАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ НА 8Ю

1.1. Карбид кремния - базовый материал экстремальной электроники

1.2. Электронная компонентная база силовой электроники на 81С

1.3. МДП-транзисторы на 4И-81С для силовой электроники

1.3.1. Принцип работы

1.3.2. Структура, базовые технологии и требования

к характеристикам

1.3.3. Физико-технологические проблемы создания

1.3.4. Роль подзатворного диэлектрика

Цель и задачи диссертационной работы

2. ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПОДЗАТВОРНОГО ДИЭЛЕКТРИКА В ТРАНЗИСТОРНЫХ СТРУКТУРАХ НА 4И-8Ю

2.1. Методы исследования электрофизических свойств

подзатворного диэлектрика и границы раздела 4Н-8Ю/8Ю2

2.1.1. МДП-структуры

2.1.2. Латеральные МДП-транзисторы

2.2. Исследование электрофизических свойств

подзатворного диэлектрика и границы раздела 4И-8Ю/8Ю2

2.2.1. Термическое окисление 4Н- Б1С

2.2.2. Термический рост и отжиг SiO2 в атмосфере

2.2.3. Введение азота на границу раздела 4Н-8Ю/8Ю2

2.2.4. Введение фосфора на границу раздела 4Н-81С/8Ю2

2.2.5. Введение мышьяка на границу раздела 4Н-81С/8Ю2

2.2.6. Заглубление канала МДП-транзистора

2.3. Анализ результатов формирования подзатворного диэлектрика

Выводы по главе

3. ФИЗИКО-ТОПОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

СИЛОВЫХ МДП-ТРАНЗИСТОРОВ НА 4И-8Ю

3.1. Расчёт параметров дрейфовой области

3.2. Структура ячеек

3.3. Проектирование МДП-транзистора с заглублённым каналом

Выводы по главе

4. ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ СИЛОВЫХ

МДП-ТРАНЗИСТОРОВ НА 4И-Б1С

4.1. Технологический маршрут изготовления

4.2. Исследование электрических характеристик

4.2.1. Статические характеристики

4.2.2. Динамические характеристики

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СОКРАЩЕНИЯ

ОБОЗНАЧЕНИЯ ОСНОВНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

И ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

A. Обработка экспериментальных ВФХ и О- К-характеристик

Б. Проводимость и ёмкость, обусловленные поверхностными

состояниями

B. Напряжение пробоя подзатворного диэлектрика

и эмиссия Фаулера-Нордгейма

Г. Анализ Вейбулла

Д. Дополнительные вольт-фарадные измерения

Е. Учёт полевой зависимости подвижности носителей заряда

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физико-технологические основы формирования канала силового МДП-транзистора на карбиде кремния»

ВВЕДЕНИЕ

Карбид кремния 4Н-политипа (4И-81С) обладает электрофизическими свойствами, позволяющими создавать на его основе электронную компонентную базу (ЭКБ) силовой, высокотемпературной и радиационно-стойкой электроники нового поколения. ЭКБ силовой электроники на 4И-8Ю обладает рядом преимуществ по сравнению с кремниевой: низкое сопротивление активной области, низкие потери при переключении, высокая плотность коммутируемой мощности, высокая максимальная рабочая температура и высокая рабочая частота. Это позволяет реализовать экстремальные режимы эксплуатации силовых электронных систем, а также снизить их массогабаритные параметры и стоимость за счёт увеличения их рабочей частоты, использования пассивных компонентов меньшего размера и отказа от принудительного охлаждения электронных компонентов. В краткосрочной перспективе силовые МДП-транзисторы на 4Н-8Ю должны заменить МДП-транзисторы, биполярные транзисторы и биполярные транзисторы с изолированным затвором на кремнии в диапазоне напряжений 0,6...4 кВ, поскольку они являются более высокочастотными, управляемыми напряжением приборами с низкими статическими и динамическими потерями. Одной из ключевых проблем при создании быстродействующего силового МДП-транзистора на 4И-81С с низким сопротивлением являются электрические свойства границы раздела 4И-81С/8Ю2 и подзатворного диэлектрика (ПД), ограничивающие подвижность носителей заряда в канале транзистора.

Целью работы являлось комплексное исследование электрофизических свойств подзатворного диэлектрика и границы раздела 4Н-8Ю/8Ю2 для создания силового МДП-транзистора на 4Н^Ю. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Комплексное исследование электрофизических свойств подзатворного диэлектрика и границы раздела 4И-81С/8Ю2.

2. Поиск технологических решений для увеличения подвижности носителей заряда в канале транзистора.

3. Разработка, изготовление и характеризация силовых вертикальных МДП-транзисторов на 4И-Б1С.

Комплекс экспериментальных исследований по управлению электрофизическими свойствами ПД и канала МДП-транзисторов позволил сформулировать следующие научные положения, выносимые на защиту:

1. При формировании канала МДП-транзистора в эпислое ^-типа с уровнем легирования 11016 см-3, введение мышьяка на границу раздела 4И-Б1С/8Ю2 ионной имплантацией с последующим ростом подзатворного диэлектрика в атмосфере К20

Л

при 1250 °С увеличивает подвижность носителей заряда до 180 см /(В-с).

2. При создании силового МДП-транзистора с высоким напряжением пробоя, требующим использования высоколегированной ^-области с концентрацией А1 ~

1 О _-5

110 см , формирование подзатворного диэлектрика окислением двуслойной

системы «Б13К4 (5 нм) / БЮ2 (45 нм)» в атмосфере 02 при 1250 °С увеличивает поЛ

движность носителей заряда в канале транзистора до 13 см /(В-с).

3. Заглубление канала МДП-транзистора формированием двух эпислоёв п- и ^-типов на поверхности высоколегированной ^-области с концентрацией

1 О _-5

А1 ~ 110 см , позволяет получить подвижность носителей заряда в канале тран-

Л

зистора более 20 см /(В-с).

4. Уменьшение плотности поверхностных состояний наблюдается при кон-

1 7 _л

центрации фосфора на границе раздела 4И-81С/8Ю2 более (4..,6)-10 см . Научная новизна:

1. Определены эффективные технологические приёмы увеличения подвижности носителей заряда в канале МДП-транзисторов:

- введение азота и фосфора на границу раздела;

- легирование приповерхностной области канала транзистора мышьяком;

- формирование канала транзистора в низколегированном эпислое;

- применение технологии заглублённого канала;

- формирование ПД методом осаждения.

2. Высокая подвижность носителей заряда в канале МДП-транзистора на 4И-

Л

БЮ (180 см /(В-с)) обеспечена ионной имплантацией мышьяка в 4И-Б1С с последующим ростом ПД в атмосфере К20.

3. Определена концентрация фосфора, при которой происходит уменьшение плотности состояний на границе раздела 4И-81С/8Ю2.

Практическая значимость работы определяется следующими основными результатами, которые могут быть использованы при проектировании и изготовлении силовых вертикальных МДП-транзисторов на 4И-81С:

1. Разработана топология силовых вертикальных МДП-транзисторов на 4И-81С.

2. Разработан и реализован технологический маршрут изготовления силовых вертикальных МДП-транзисторов на 4И-81С.

3. На основании проведённых исследований предложены технологические способы увеличения подвижности носителей заряда в канале МДП-транзистора на 4И-81С и уменьшения его сопротивления во включённом состоянии.

Результаты работы внедрены в ПАО «Светлана» при проведении ОКР «Вольт-И13-Т» (госконтракт № 17411.4432017.11.010 от 16.10.17) и в учебный процесс СПбГЭТУ «ЛЭТИ» по направлению 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника» в рамках дисциплины «Процессы микро- и нанотехнологии». Результаты диссертационной работы использованы при выполнении ряда работ в ИЦ ЦМИД: СЧ ОКР «Аппарат-10-ЛЭТИ» (2015 - 2017 гг.), ОКР «Наноключ-2П» (2016 - 2018 гг.), ОКР «Ресурс-К» (2017 - 2019 гг.).

Личный вклад автора состоит в том, что основные результаты диссертационной работы получены лично им или при его непосредственном участии. В частности, лично автором был проведён комплекс исследований электрофизических свойств подзатворного диэлектрика и границы раздела 4И-8Ю/8Ю2, найдены технологические решения для уменьшения плотности поверхностных состояний и увеличения подвижности носителей заряда в канале транзистора, изготовлены экспериментальные образцы МДП-структур и МДП-транзисторов, проведено комплексное экспериментальное исследование электрических характеристик ПД и границы раздела 4И-8Ю/8Ю2, разработано программное обеспечение для анализа их электрических характеристик. При непосредственном участии автора были

разработаны и изготовлены латеральные и силовые вертикальные МДП-транзисторы на 4H-SiC.

Апробация работы. Основные результаты диссертации апробированы на следующих международных научно-технических конференциях и семинарах:

- International Workshop on Silicon Carbide Hetero-Epitaxy and the Workshop on Advanced Semiconductor Materials and devices for Power Electronics applications (Ницца, Франция, 15 - 17 июня 2013 г.);

- International Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2013 (Миядзаки, Япония, 29 сентября - 4 октября 2013 г.);

- Materials Research Society Spring Meeting 2014 (Сан-Франциско, США, 21 -25 апреля 2014 г.);

- International SiC Power Electronics Applications Workshop 2014 (Стокгольм, Швеция, 25 - 27 мая 2014 г.);

- European Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2014 (Гренобль, Франция, 21 - 25 сентября 2014 г.);

- International Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2015 (Джардини Наксос, Италия, 4 - 9 октября 2015 г.);

- International Workshop on Dielectric Thin Films for Future Electron Devices: Science and Technology 2015 (Токио, Япония, 2 - 4 ноября 2015 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, среди которых 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 9 - в изданиях, индексированных в Scopus и Web of Science, из них 8 - в материалах и трудах международных научно-технических конференций. Получен патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, перечня сокращений, перечня обозначений основных физических величин и технических параметров, списка цитируемой литературы (185 наименований) и 6 приложений. Работа изложена на 182 страницах машинописного текста, включает 131 рисунок и 26 таблиц.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ ЭКСТРЕМАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ НА 81С

1.1. Карбид кремния - базовый материал экстремальной электроники

Экстремальная электроника включает в себя материалы, ЭКБ и аппаратуру, предназначенные для эксплуатации в экстремальных условиях, в том числе:

- в экстремальных электрических режимах;

- при экстремальных рабочих температурах;

- в агрессивных средах;

- при воздействии радиационных и электромагнитных излучений естественного и искусственного происхождения.

В связи с этим в рамках экстремальной электроники выделяют силовую электронику, высокочастотную электронику, высокотемпературную электронику, ра-диационно-стойкую электронику и т. п. В реальных условиях эти области часто перекрываются. Экстремальные условия эксплуатации изделий электроники предъявляют жёсткие требования к свойствам материалов, из которых они изготовлены.

До недавнего времени базовым материалом экстремальной электроники являлся кремний (81), несомненными достоинствами которого являются доступность и технологичность. Однако, начиная с 1970-х гг. стали интенсивно развиваться широкозонные полупроводники [1]. Они превосходят кремний по целому ряду электрофизических свойств и представляют собой наиболее подходящий класс базовых полупроводниковых материалов для экстремальной электроники [2]. Среди широкозонных полупроводников наиболее перспективен карбид кремния (81С).

Карбид кремния - кристаллический алмазоподобный материал [3], обладающий большой шириной запрещённой зоны (ЗЗ), высокой температурной и химической стойкостью, высокой напряжённостью поля лавинного пробоя, высокой скоростью насыщенного дрейфа носителей заряда и высокой теплопроводностью. Уникальные электрофизические свойства 81С позволяют создавать на его основе

силовую [4], импульсную [5], высокотемпературную [6] и радиационно-стойкую [7] электронику нового поколения. Одно из свойств БЮ - политипизм, т. е. способность образовывать множество структурных модификаций (типов), определяющихся последовательностью чередования элементарных слоёв А, В и С, отличающихся друг от друга кристаллической упаковкой в пределах одного слоя [8]. Известно более 250 политипов БЮ, макроскопические свойства которых зависят от взаимного расположения таких слоёв. Наиболее распространены политипы 3С с кубической кристаллической структурой, а также 4Н и 6Н с гексагональной кристаллической структурой (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Основные политипы БЮ

В ходе объёмного роста трудно получить монокристалл 3С-БЮ без включений других политипов вследствие близости энергий их образования, поэтому до сих пор не существует качественных БЮ-подложек этого политипа. Политип 6Н обладает выраженной анизотропией подвижности носителей заряда вдоль кристаллографических осей, что ограничивает его применение в приборах с вертикальным дизайном. Политип 4Н^С, в отличие от политипа 6Н, характеризуется незначительной кристаллографической анизотропией электрических свойств, более высокой подвижностью носителей заряда и потому наиболее востребован в электронике. Подложки 4Н-Б1С диаметром до 6 дюймов (150 мм) выпускают

компании: «CREE» (США), «SiCrystal AG» (Германия), «SICC» (Китай), «Dow Corning» (США), «II-VI Incorporated» (США), «TankeBlue» (Китай) и др. Основные электрофизические параметры 3C-, 4H- и 6Н-политипов SiC, а также параметры Si приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Основные электрофизические параметры полупроводниковых материалов [9-13]

Параметр Обозн. Ед. изм. Si GaN 3C-SiC 6H-SiC 4H-SiC

Отн. диэлектрическая * проницаемость* Ss — 11,8 9,5 9,7 9,8 9,8

Ширина ЗЗ Eg эВ 1,12 3,39 2,36 3,02 3,26

Напряжённость поля лавинного пробоя Ecrit МВ/см 0,4a 3,3 1,5 2,5a 2,7a

Подвижность электронов Цп см2/(В-с) 1400 1000 1000 460 1050

Подвижность дырок Цр см2/(В-с) 600 30 40 90 115

Скорость насыщенного дрейфа электронов Ue 107 см/с 1,0 2,0 2,7 2,0 2,7

Теплопроводность Вт/(см-К) 1,3 1,3 4,5 4,5 4,5

Температура Дебая ©d К 640 600 1200 1200 1300

Температура плавления Tm °С 1412 2500 2500b 2500b 2500b

Параметр решётки ao А 5,43 3,19 4,36 3,08 3,08

Коэффициент теплового расширения aa 10—6 К-1 5,1 5,6 3,8 4,3 4,5

* Далее в тексте используется термин «диэлектрическая проницаемость» а При уровне легирования N = 1-10 см-ь Возгонка

4Н-БЮ имеет гексагональную элементарную ячейку (рисунок 1.2) с полярными и неполярными гранями, поскольку в зависимости от ориентации кристалла на его поверхность выходят или атомы Б1, или атомы С (полярные Бьгрань и С-грань), либо и те, и другие в равном количестве (неполярные а-грань и ш-грань). Это определяет анизотропию некоторых электрофизических свойств 4Н-БЮ, а также зависимость свойств поверхности кристалла от его кристаллографической ориентации.

Ещё одним широкозонным полупроводником, претендующим на роль базового материала экстремальной электроники является GaN политипа 2H [14] (см. таблицу 1.1). Однако отсутствие собственной подложки большого диаметра, а также низкая теплопроводность (рисунок 1.3) существенно сужают области его применения. Формирование эпитаксиального слоя (эпислоя) GaN на инородной подложке (например, 81 или 4H-SiC [15]) приводит к более низкому качеству этого слоя и накладывает ограничения

<0001> Кремниевая грань

<0-100>

<11-20>

Углеродная грань <000-1>

Рисунок 1.2 - Элементарная ячейка

4Н-81С и его кристаллические грани

на температурные режимы работы такой структуры. Это вызвано различием постоянных решётки и коэффициентов теплового расширения материала подложки и GaN (см. таблицу 1.1). Кроме того, применение такой гетерогенной структуры ограничивается приборами с горизонтальным дизайном. Основные области при-

у

Ширина запрещённой

Скорость насыщения у , 107 см/с

др. нас.'

зоны Е, эВ 4 8

Подвижность электронов ц,

см2/(В-с)

Напряжённость поля

лавинного пробоя 4 Е МВ/см

егИ'

4500

Температура Дебая К

81

ОаК 4Н-81С

Теплопроводность X, Вт/(смК)

Рисунок 1.3 - Сравнение основных электрофизических свойств 4Н-81С, 81 и GaN

5

менения GaN - оптоэлектроника [16] pq (это прямозонный полупроводник), вы-

сокочастотная, сверхвысокочастотная

л

(рисунок 1.4) и силовая электроника

i п3 Н 10

о

до 1000 В [17, 18]. На основе гетероперехода GaN/AlGaN создают высокочастотные транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT - High

н 102^ о

л

Н i nlj

о 10 ■

о

к

В

В 100 ^ 10

Клистроны

Электронные лампы

SiC

GaN

SiGe

Si

GaAs

InP

109 1010 10 Частота, Гц

Electron Mobility Transistor), в которых „ .. . тт

J Рисунок 1.4 - Частотно-мощностные диапазо-

используются свойства двумерного ны применения электроники на базе различных

электронного газа [19, 20]. полупроводниковых материалов

Всё вышеперечисленное определяет преимущества 4H-SÍC как базового материала экстремальной электроники. Основными областями применения 4H-SÍC являются силовая (в том числе быстродействующая и импульсная), высокотемпературная и радиационно-стойкая электроника, где этот материал способен превзойти и заменить Si.

Силовая электроника востребована потому, что одной из основных тенденций развития современного общества является увеличение объёма потребления энергоресурсов. Согласно данным международных энергетических агентств [21, 22], потребление электроэнергии в мире за последние 25 лет удвоилось и продолжает расти. Совершенно очевидно, что увеличение эффективности использования электроэнергии позволит сократить потребление невозобновляемых природных ресурсов и уменьшить антропогенное воздействие на биосферу. Одним из способов увеличения эффективности систем энергообеспечения является снижение электрических потерь в силовых приборах при преобразовании и коммутировании электроэнергии. В настоящее время силовая электроника изготавливается преимущественно из доступного Si. Использование 4H-SÍC в качестве базового материала силовой электроники позволит существенно увеличить эффективность коммутирования и преобразования электроэнергии.

11

10

12

Карбидокремниевые компоненты силовой электроники обладают рядом преимуществ по сравнению с кремниевыми: высокое напряжение пробоя, низкое сопротивление активной области, высокая рабочая частота, низкие потери при переключении, высокая максимальная рабочая температура и высокая плотность коммутируемой мощности [23]. Более высокая напряжённость поля лавинного пробоя в 4И-Б1С по сравнению с (рисунок 1.5) [24-26] позволяет увеличить уровень легирования дрейфовой области силового прибора и уменьшить её толщину, а значит существенно уменьшить сопротивление по сравнению с кремниевым аналогом (рисунок 1.6). В конечном ^7 итоге это приводит к многократному

снижению сопротивления прибора и, соответственно, резистивных (статических) потерь в нём.

Низкое сопротивление активной области делает возможным использование более высокочастотных униполярных приборов на 4И-Б1С вместо биполярных приборов на Это позволяет увеличить рабочую частоту силовых устройств, а значит использовать пассивные компоненты с более низкими массогабаритными параметрами. Более низкие статические и динамические потери в приборах на 4И-Б1С (в том числе из-за более низкой концентрации неосновных носителей заряда) в совокупности с высокой теплопроводностью и максимальной рабочей температурой позволяют также отказаться от их принудительного охлаждения. Вы-

о рр

106

•й о

105

1013 1014 1015 10 N, см'

>14

15

ч16

1017 10

18

-3

Рисунок 1.5 - Зависимость напряжённости поля лавинного пробоя от уровня легирования

106

сЗ 105

* 104 103

§ 102

И 1 П1

8 10

| 10°

§ 10

» ю-2

8 1 Г)"3

¿и м

81

4Н-8 1С

1 10 100 Напряжение пробоя, кВ

Рисунок 1.6 - Расчётная зависимость приведённого сопротивления идеальной дрейфовой области униполярного прибора от напряжения пробоя

шеперечисленное определяет превосходство карбидокремниевой силовой

Электрические

электроники над кремниевой и позво- потери ляет снизить массу, объём, электрические потери и стоимость всей силовой системы (рисунок 1.7) [27], которая включает в себя активную и пассивную электронику. Для полной реализации потенциала 4Н-БЮ недостаточно заменить Бькомпоненты карбидокремние-

Масса системы

Занимаемый ДН-БЮ^- объём

Стоимость

Вероятность отказа

Рисунок 1.7 - Преимущество силовой электроники на 4Н-Б1С перед кремниевой на уровне систем

выми, необходимо изначально проектировать силовую систему для использования с компонентами на 4Н-Б1С.

Высокотемпературная электроника широко используется для контроля процессов и управления механизмами в условиях повышенной температуры, где отвод тепла от электронных компонентов невозможен или затруднён [28, 29]. К таким областям относятся бурение нефтегазовых скважин (рабочая температура до 225 °С), прогнозирование извержений вулканов по анализу состава газов, исследование космических объектов [30], некоторые технологические этапы промышленных процессов, тяжёлая техника, ядерная энергетика [31, 32]. Востребованность высокотемпературной электроники определяется также переходом от чисто механических и гидравлических систем к электромеханическим системам для повышения надёжности и снижения затрат на обслуживание. Тесная интеграция электрических и механических систем позволяет упростить производство, испытание и обслуживание комплексных технически сложных устройств, однако требует переноса датчиков и управляющей электроники ближе к источникам тепла. К таким устройствам относятся двигатели внутреннего сгорания и коробки передач в автомобилях (150...200 °С), датчики тормозной (до 500 °С) и выхлопной (до 850 °С) систем, датчики давления в двигателях и турбинах (300 °С и более), интеллектуальные блоки управления авиационными и космическими двигателями.

Высокая температура плавления и большая ширина ЗЗ делают 4И-Б1С подходящим материалом для создания изделий высокотемпературной электроники. Благодаря большой ширине ЗЗ, концентрация собственных носителей заряда в 4И-Б1С при 500 °С такая же, как и в при комнатной температуре (рисунок 1.8), а максимальная рабочая температура 4И-Б1С превышает 900 °С (в зависимости от минимального уров-

10 10 10

20

16

12

108 - 104 100 10-4 10'"

Ь!

4Н'Ь 1'Г

4_П-Ь 1С

1,0

1,5 2,0 2,5 1000/Г, К-1

3,0

ня легирования полупроводниковой структуры). Отметим, что максимальная рабочая температура приборов на БЮ ограничена не электрофизическими свойствами самого кристалла, а температурой плавления (размягчения) материалов корпуса прибора и стабильностью их характеристик, обычно связан-

1 Рисунок 1.8 - Температурная зависимость кон-

ной с межфазными границами в струк-

центрации собственных носителей заряда

туре прибора.

Радиационно-стойкая электроника востребована в космической технике, в атомных реакторах, при контроле отработанного ядерного топлива, при проведении научных исследований с большой радиационной нагрузкой (ускорители заряженных частиц и т. п.). В результате воздействия ионизирующего излучения концентрация неосновных носителей заряда в полупроводнике может возрасти на несколько порядков, что может вызвать достаточно сильные ионизационные токи и привести к перераспределению потенциалов в приборе, перегреву и тепловому пробою обратно смещенных ^-«-переходов. Помимо эффектов ионизации, под воздействием высокоэнергетических частиц в полупроводнике возникают радиационные дефекты, представляющие собой устойчивые нарушения кристаллической структуры, приводящие к изменению и деградации свойств материала [33].

Радиационная стойкость карбида кремния [34-36] обусловлена сильными химическими связями Б1-С (высокой температурой Дебая), высоким значением

пороговой энергии дефектообразования (25...35 эВ) [37, 38], высоким потенциальным барьером генерации электронно-дырочных пар вследствие большой ширины запрещённой зоны, а также более высокими допустимыми уровнями легирования структур на БЮ по сравнению с кремниевыми.

1.2. Электронная компонентная база силовой электроники на 81С

Силовая электроника имеет широкий спектр применений: бытовая техника, индивидуальный и общественный транспорт, системы энергоснабжения, промышленное оборудование. На рисунке 1.9 показаны области, в которых будут более востребованы БЮ, ОаЫ и Б1. В настоящее время происходит постепенное вытеснение Si-приборов силовой электроники в высоковольтной области (от 0,6 кВ) приборами на 4И-Б1С (рисунок 1.10). Некоторые типы приборов находятся в стадии разработки или промышленной реализации, либо уже коммерчески доступны, но их рынки сбыта ещё только формируются, поэтому приведённые диапазоны напряжений носят приблизительный характер. Все силовые приборы можно разделить на два класса: диоды (выпрямители) и транзисторы (переключатели), ко-

Рисунок 1.9 - Основные области применения силовой электроники

Транзисторы

Униполярные Биполярные Униполярные Биполярные

. у ^Ч. У . у . у» \ у __/\ /

8ВБ 1В8 РШ Ы08РЕТ 1БЕТ В1Т ЮВТ Тиристоры

< 1,7 кВ < 3,3 кВ > 3,3 кВ 0,6...4 кВ 1,2 ... 10 кВ > 4 кВ

Рисунок 1.10 - Электронная компонентная база силовой электроники на 4И-81С

торые, в свою очередь, могут быть униполярными или биполярными, либо на основе комбинаций этих типов (в зависимости от режима работы).

Диоды. К униполярным диодам относятся диоды Шоттки (БВЭ), в которых используются выпрямляющие свойства контакта «металл-полупроводник». Этот тип приборов в карбидокремниевом исполнении промышленно выпускается многими компаниями, имеет отличные частотные характеристики и рассчитан на напряжения до 1,7 кВ, что обусловлено высокими токами утечки при большем напряжении и высоким сопротивлением дрейфовой области прибора.

Биполярные диоды в силовой электронике представлены р-/-«-диодами, представляющими трёхслойные структуры с низколегированной областью, заключённой между двумя слоями полупроводника с электронным и дырочным типами проводимости [39, 40]. Такие диоды имеют низкое сопротивление во включённом состоянии за счёт инжекции неосновных носителей заряда и модуляции проводимости дрейфовой области. По этой же причине они являются более низкочастотными, чем диоды Шоттки, и имеют гораздо более высокое напряжение пробоя (более 3,3 кВ). Несколько лет назад японскими специалистами были представлены карбидокремниевые р-/-«-диоды с напряжением пробоя более 20 кВ [41]. Промышленная реализация биполярных приборов была затруднена до недавних пор из-за деградации вольт-амперных характеристик (ВАХ) при эксплуатации прибора вследствие возникновения и распространения дефектов кристаллической структуры Б1С при большой плотности протекающего тока [42].

В настоящее время на рынке доступны высоковольтные p-i-n-диоды производства компании «GeneSiC» (США).

Диодом, соединяющим в себе достоинства обоих упомянутых выше, является интегрированный Шоттки-(р-п)-диод (JBS-диод) [43, 44]. Такая конструкция позволяет уменьшить ток утечки за счёт уменьшения напряжённости поля непосредственно у барьера Шоттки и модулировать проводимость дрейфовой области прибора за счёт инжекции неосновных носителей заряда при прямом смещении р-п-перехода.

Транзисторы. Основным элементом силовой электроники служит полупроводниковый прибор, обладающий характеристикой ключа и способный коммутировать участки электрической цепи, т. е. транзистор. Силовые униполярные транзисторы на 4H-SiC представлены транзистором с изолированным затвором (МДП-транзистор, MOSFET) и транзистором с управляющим р-п-переходом (JFET).

Изготовление нормально закрытого транзистора с управляющим р-п-переходом на SiC является дорогостоящим процессом и требует очень точного контроля параметров канала (геометрия, размеры, концентрация примеси) [4547], а нормально открытый транзистор с управляющим р-п-переходом требует применения каскодной схемы включения с МДП-транзистором на Si, что существенно усложняет схему и накладывает определённые ограничения на её применение. Несмотря на это, транзисторы на 4H-SiC с управляющим р-п-переходом были коммерциализированы раньше МДП-транзисторов (в связи с высоким сопротивлением канала и низкой надёжностью последних) и в настоящее время производятся компаниями «Infineon» (Германия), «USCi» (США), «GeneSiC» (США).

МДП-транзисторы являются нормально закрытыми приборами из-за их структуры и принципа действия (более подробно об этом - в разделе 1.3). Кроме того, они проще и дешевле в изготовлении, чем JFET-транзисторы. Поскольку МДП-транзисторы являются униполярными приборами и управляются приложенным напряжением, а не током, как в случае биполярных транзисторов, то они

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Михайлов Алексей Игоревич, 2018 год

/ /

- - ** _в

0,20 0,15

<

0,10 S

-5 0 5 10 15 20 25

V , В

gs' а

0,05 0,00

15

PQ 10

ÍN

S

0

w 5

fe

1

■ N2O D-N2O AGON

10

15

20 25

V , В

gs'

б

5

0

0

5

Уменьшение подвижности носителей заряда в канале МДП-транзисторов, сформированных на высоколегированной р-области, связано с увеличением напряжённости поперечного электрического поля для более высоколегированной р-области, что приводит к возрастанию влияния кулоновского рассеяния на транспорт электронов в канале транзистора [96], а также к высокой концентрации в приповерхностной области SiC дефектов, связанных с бомбардировкой поверхности полупроводника высокоэнергетическими ионами при формировании высоколегированной р-области. Существенно более низкую подвижность электронов в образце N2O можно объяснить следующим образом: при термическом росте ПД в атмосфере N2O на высоколегированной р-области значение встроенного заряда и плотности состояний на границе раздела выше, чем на низколегированной р-области [158], что и обусловливает существенное снижение подвижности электронов в образце N2O. Для осаждённого ПД (D-N2O, AGON) зависимости встроенного заряда и плотности ПС от концентрации примеси в р-области должны быть менее выражены, поскольку при формировании ПД этими способами окисляется тонкий слой SiC и электрофизические параметры в большей степени определяются условиями осаждения диэлектрика. Поэтому обратный наклон подпороговой ВАХ и концентрация ПС, а также пороговое напряжение, для образца N2O выше, чем для образцов D-N2O и AGON (таблица 2.7).

Таблица 2.7 - Электрофизические параметры латеральных МДП-транзисторов с ПД, изготовленным по технологиям N2O, D-N2O и AGON

Образец dOX5 нм Vth ext, В max^FE, см2/(Вс) Ss, мВ/дек Nit, 1011 см-2

N2O 50 18,6 3 1538 103

D-N2O 42 10,3 11 860 66

AGON 46 14 13 912 64

Стоит обратить внимание, что МДП-транзистор с ПД, изготовленным по технологии AGON, открывается раньше (при Vgs ~ 0 В), чем в случаях технологий D-N2O и N2O. Это видно на ВАХ МДП-транзисторов в полулогарифмическом

масштабе (см. рисунок 2.32, а) и может быть связано с более высоким положительным встроенным зарядом в ПД, а также с более высокой концентрацией N в канале транзистора.

ВАХ и тест на надёжность. ВАХ МДП-ИК-структур и график Вейбулла представлены на рисунке 2.33. Для сравнения добавлены кривые для ПД, сформированного по технологии O2. ВАХ образца D-N2O имеет искажённую форму (см. рисунок 2.33, а). Это связано с низким качеством осаждённого методом PECVD слоя SiO2, что подтверждается отклонением экспериментальных данных от прямой на графике Вейбулла (см. рисунок 2.33, б). ВАХ образцов N2O и AGON имеют схожий характер, но при этом более низкое среднее значение напряжённости поля пробоя по сравнению с ПД, полученным методом O2 (таблица 2.8). Образцы N2O и AGON демонстрируют внутренний тип пробоя, поскольку не имеют ярко выраженных изломов на графике Вейбулла. По всей видимости, высокотемпературный отжиг слоя SiO2, осаждённого методом PECVD, в атмосфере сухого кислорода приводит к его уплотнению и уменьшению количества дефектов структуры.

Таким образом, при введении азота на границу раздела 4H-SiC/SiO2 наблюдается незначительное ухудшение электрической прочности ПД. Снижение напряжённости поля пробоя SiO2, вероятно, связано с присутствием азота в ди-

-4

100 10-1 10-2 10-: 10 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11

- ' 1 I O / 1 t :

-N2 1 ' /

— — D-L42O ■ ■ ■ ■ AGON 1 У

1 /'

O2 1 • /

.1 // /—

/ 1 < / /

/ 1 / //

■Л ¿г . _. -У (У

/ • /

4 6 8 E, МВ/см

10 12

2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5

- 1 □ N2O о D-N2 A AGC

O

N

V O2 о

о й

о д 5

ii

а

E., МВ/см

b' б

2

1

электрике и на границе раздела, а для образца D-N2O ещё и с низким диэлектрическим качеством осаждённого методом PECVD слоя SiO2 по сравнению с термически выращенным слоем SiO2.

Таблица 2.8 - Среднее значение напряжённости поля пробоя МДП-ИК-структур с ПД, изготовленным по технологиям N2O, D-N2O и AGON и O2

образец МВь/>м

N2O 9,7

D-N2O 7,5

AGON 9,2

O2 10,3

2.2.4. Введение фосфора на границу раздела 4H-SiC/SiO2

В разделе рассмотрены три технологии формирования ПД:

• Технология P-O2 (имплантация ионов P с последующим термическим окислением в атмосфере O2 при 1150 °С в течение 9 ч) [159-162];

• Технология POCL (осаждение слоя SiO2 толщиной 5 нм методом ALD с последующим отжигом в атмосфере POCl3 и осаждением слоя SiO2 толщиной 45 нм);

• Технология P-N2O (имплантация ионов P с последующим термическим окислением в атмосфере N2O при 1250 °С в течение 14 ч) [163].

Таким образом, доставка фосфора на границу раздела 4H-SiC/SiO2 осуществлялась двумя различными способами: ионной имплантацией (технологии P-O2 и P-N2O) и в ходе отжига в фосфорсодержащей атмосфере (технология POCL).

Технология P-O2

Для формирования узкого пика распределения ионов P в объёме SiC, ионная имплантация осуществлялась через слой SiO2 толщиной 45 нм, термически выращенный в сухом кислороде при 1150 °С. Моделирование профиля распределения ионов P проводилось в программном пакете «TRIM» с учётом необходимой толщины ПД и типичных значений плотности состояний на границе раздела

4H-SiC/SiO2 [164]. По результатам моделирования были выбраны четыре режима

_Л

ионной имплантации P, отличающиеся энергией (кэВ) и дозой (см ):

- P-O2-1: 20 кэВ и 31012 см-2;

P-O2-2: 20 кэВ и 3-1013 см-2;

P-O2-3: 35 кэВ и 31012 см-2;

- P-O2-4: 35 кэВ и 3-1013 см-2.

Кроме того, для выявления влияния ионов P на электрические свойства МДП-структур аналогичным образом был изготовлен образец-свидетель (P-O2-0) с ПД, полученным таким же способом, как и у остальных образцов, но без имплантации ионов P. После имплантации и удаления жертвенного слоя SiO2 ПД был сформирован методом термического роста в атмосфере O2 при 1150 °С.

Профили распределения концентрации ионов P в SiC после ионной имплантации, полученные моделированием в программе «TRIM», представлены на рисунке 2.34, а (вертикальными линиями отмечена толщина слоя 4H-SiC, перешедшего в SiO2 в ходе последующего окисления). Для получения реальной картины распределения ионов P в образцах, был использован метод ВИМС (рисунок 2.34, б). Наблюдаемые расхождения экспериментальных и расчётных результатов можно объяснить отклонением толщины жертвенного слоя SiO2 (либо его плотности) на реальном образце от использованной в модели.

19

5 10

о

Й 1 Q

6 1018

л 1017

10

й а

Hi п15

х 10

<D

Я

о 10

« |

* ч : > \ ч ( ' Ч Ч

' Ч' V \ ч Ч

V \ i \ \ \ \

\ \ 1 \ \ %

N

19

■ P-O2-1 P-O2-2 P-O2-3 P-O2-4

20 40 60 80 Глубина, нм

5 10

о

Й 1Q

6 1018

л 1017

100 «

§• 1016 й а

Hi п15

х 10

<и я

Х 1 А14

о 10

X. С ч лой, из ри оки расход млении юва нный -P-O2 .-1 '

:/л к * , ч к --P-O2-2 : ■ ■ ■ ■ P-O2-3 : ---P-O2-4 ;

\ч * ^

ч , ^

(V Ч — ■!

ч " s ч * ■ ;

а

20 40 60 Глубина, нм

б

80

100

0

Результаты измерения профиля концентрации ионов Р методом ВИМС на образцах после окисления приведены на рисунке 2.35 (вертикальными линиями отмечена граница раздела 4Н-8Ю/8Ю2). Видно, что четыре полученных образца имеют различную концентрацию ионов Р на границе раздела 4И-8Ю/8Ю2, что и было задумано.

Отметим, что использование при имплантации более высоких энергий ионов и более высоких доз приводит к получению более толстого слоя ПД, что можно объяснить эффектом повреждения поверхности 4Н^С и присутствием ионов Р в окисляемом слое 4И-8Ю. Толщина SiC, перешедшего в 8Ю2 во время окисления, составляет половину толщины 8Ю2, полученного в результате окисления, что можно рассчитать из значений плотностей и молярных масс веществ. Для образцов Р-02-1, 2, 3 и 4 толщина окисленного слоя составляет 63, 67, 68 и 72 нм, в то время как толщина 4И-8Ю, перешедшего в 8Ю2 при окислении, равна 31,5, 33,5, 34 и 36 нм соответственно. Как видно из профилей распределения ионов Р, в ходе окисления ионы Р аккумулируются около границы раздела 4Н-81С/8Ю2, что отмечалось в аналогичных экспериментах с имплантацией ионов N [141]. Однако в отличие от вышеуказанных экспериментов, высокая концентрация ионов Р наблюдается и в объёме выращенного 8Ю2, что можно объяснить более низким значением коэффициента диффузии Р по сравнению с N в SiO2 и химическим взаимодействием между Р и 8Ю2.

Для проверки профиля распределения ионов Р в образце Р-02-4 использовался метод БСУ-профилирования, позволяющий получить профиль концентрации электрически активной примеси. Измерения производились на установке «БСУРго» компании «КапотейсБ». В качестве электролита использовался 0,1 М-раствор бифторида аммония (КИ4ИР2). Перед основными измерениями диоксид

2 10 о

11018 •е

Л ю17

«

£ 10 й а

м 10

<и

а

® 1 п14

о 10

/ БЮ2 4Н -81С

^ , - -1-

■ О" // - ✓ *ч * V . 1 ✓ К t ч *• - ----

г * *

-Р-02-1 ; --Р-02-2 : Р-02-3 : ---Р-02-4 :

0

20 40 60 80 Глубина, нм

Рисунок 2.35 - Профили концентрации Р

в 8Ю2 и 4И-Б1С после окисления

100

кремния, который был на поверхности SiC, стравливался прямо в электрохимической ячейке. Растворение диоксида кремния контролировалось по стабилизации C-V-характеристик. ВФХ измерялись на частоте 92 Гц. Результаты дополнительно проверялись LCR-метром «Agilent E4980A», подключённым напрямую к электрохимической ячейке. Наблюдалось удовлетворительное совпадение концентрационных профилей, полученных различными методами (рисунок 2.36). Непринципи-

Na - Nd, см-3

0,5 0,6

x, мкм

Рисунок 2.36 - Концентрационные профили: 1 - электрически активной примеси (БСУ); 2 - фосфора (ВИМС)

альные различия можно объяснить неполной ионизацией примесных атомов. Стоит отметить, что в ходе роста ПД при 1150 °С активируется существенная часть имплантированных в Б1С ионов Р.

ВФХ и G-V-характеристики. Было обнаружено, что параметры имплантации ионов Р влияют на величину встроенного заряда в диэлектрике и на напряжение плоских зон МДП-структур. Чем выше концентрация Р, тем больше сдвиг напряжения плоских зон в сторону отрицательных напряжений (рисунок 2.37, а),

-5 0

V, в

g а

0

V, В

g

б

10

что может быть обусловлено присутствием положительно заряженных ионов P как на интерфейсе 4H-SiC/SiO2, так и в объёме SiO2. Концентрацию ионов P, находящихся в объёме SiO2, легко вычислить с помощью численного интегрирования кривых, представленных на рисунке 2.37, по глубине - от нуля до границы раздела SiO2/4H-SiC. Такой приём позволяет установить корреляцию между значением встроенного в диэлектрик заряда, рассчитанным из ВФХ, и значением концентрации ионов P в объёме SiO2, приходящемся на единицу площади. Для образцов P-O2-2 и P-O2-4 поверхностная концентрация ионов P составила

12 —2 13 —2

1,3-10 см и 110 см , а значения встроенного заряда оказались равными

1 1 _Л 1 1

810 см и 1110 см соответственно (таблица 2.9). Поскольку увеличение концентрации ионов P в SiO2 не приводит к соответствующему увеличению встроенного заряда, то можно заключить, что ионы P, оставшиеся в объёме SiO2, не являются электрически заряженными и химически взаимодействуют с SiO2, образуя фосфорно-силикатное стекло.

Таблица 2.9 - Электрофизические параметры, полученные из ВФХ и О-К-характеристик МД11-структур с полупроводником и-типа с ПД, изготовленным по технологии Р-02

Образец dox, нм Vfb, В Qeff/q, 1011 см2 dVfb, В Qsot/q, 1011 см2 * At, 1011 см—2эВ—1

P-O2-1 63 —1,9 8 0,14 —0,4 15

P-O2-2 67 —2,0 8 0,14 —0,4 14

P-O2-3 68 —2,4 9 0,15 —0,4 12

P-O2-4 72 —3,2 11 0,14 —0,3 4

P-O2-0 49 —1,2 7 0,14 —0,6 16

*

Для Ec — Et ~ 0,4 эВ.

Гистерезис ВФХ и О-К-характеристик обусловлен захватом электронов медленными ловушками в окисле, расположенными вблизи границы раздела 4И-81С/8Ю2. Состояния данного типа характеризуются достаточно большими временами захвата/выброса носителей заряда и не могут быть перезаряжены под действием переменного измерительного сигнала. Основной причиной их возникновения, по-видимому, является размытие границы раздела 4И-81С/8Ю2 и распределение состояний, связанных с кластерами углерода, в её окрестности, что

и приводит к возможности туннелирования носителей заряда из приповерхностной области SiC на подобные состояния под действием постоянного смещения в режиме аккумуляции.

Спектроскопия адмиттанса. Метод спектроскопии адмиттанса позволил получить распределение плотности состояний интерфейсных ловушек в диапазоне энергий 0,3... 0,7 эВ ниже дна зоны проводимости БЮ. Значительное снижение плотности ловушечных состояний во всём диапазоне энергий на границе раздела 4Н-8Ю/8Ю2 наблюдалось для образца Р-02-4 с концентрацией Р на границе

18 —3

раздела 1,8-10 см . На рисунке 2.38, а приведены распределения плотности состояний для образца-свидетеля и образцов Р-02-3 и Р-02-4. Кривые, соответствующие образцам Р-02-1 и Р-02-2, практически совпадают с кривой для образца-свидетеля и потому на рисунке не представлены. Характерно, что заметное уменьшение плотности состояний происходит при концентрации ионов Р на гра-

лп _

нице раздела более 8-10 см (см. рисунок 2.38, б). Зависимость плотности состояний от концентрации ионов Р на интерфейсе приведена для ловушек, расположенных на 0,4 эВ ниже дна зоны проводимости SiC, что соответствует измерениям при комнатной температуре и частоте измерительного сигнала 10 кГц. Се-

—17 —18 2

чение захвата ловушек составило 10 .10 см .

10

13

РР

еп

2 10 о

12

10

11

10

т

еп

2 10 о

13

12

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Е - Е , эВ

С 11'

10

11

10

16

: Е - Е • С □- - 0,4 эВ : 11 ' .

V ;

10

17

10

18

а

[Р], см-

б

10

19

Вольт-амперные характеристики были сняты при комнатной температуре, за ток пробоя был принят ток плотностью 10 мА/см (рисунок 2.39, а). Включение механизма автоэлектронной эмиссии наступает при меньшем значении напряжённости электрического поля для образцов с имплантированным фосфором по сравнению с образцом-свидетелем. Это, вероятно, вызвано присутствием атомов фосфора в объёме диэлектрика, который создаёт электронные состояния в ЗЗ БЮ2 и делает возможным туннелирование электронов из полупроводника в поликремний через эти состояния при меньших значениях напряжённости электрического поля. В остальном, характер ВАХ от образца к образцу не меняется, при этом среднее значение напряжённости поля пробоя падает с увеличением концентрации ионов Р (таблица 2.10).

10-3 10-4 10-5 с 10-6

?! ю-7 10-8 ^ 10-9

10 10 10

-10

-11

12

1 !

- Р-02-1 /у \

— . — Р-02-4

_ . . _ Р-02-0 у/

// V

л) /

0

2

4 6 Е, МВ/см

а

10

^ ю

РР 10 19 <

сч

10-20

10

10 1,0 1,1 1,2 1,3

1/Е, 107 см/В б

1,4

Рисунок 2.39 - ВАХ МД11-структур при комнатной температуре: а - в координатах /-Е; б - в координатах Фаулера-Нордгейма

Таблица 2.10 - Электрофизические параметры, полученные из ВАХ МД11-структур с полупроводником и-типа с ПД, изготовленным по технологии Р-02

Образец <Еь>, МВ/см фь, эВ

Р-02-1 9,8 2,7

Р-02-2 9,7 2,7

Р-02-3 9,7 2,7

Р-02-4 9,4 2,6

Р-02-0 10,0 2,8

8

Присутствие ионов P в слое SiO2 снизило энергетический барьер между SiC и SiO2 на 0,13 эВ для образца P-O2-4 (с самой высокой концентрацией атомов P) по сравнению с образцом-свидетелем без ионной имплантации (см. рисунок 2.39, б и таблицу 2.10). Это связано с создаваемыми фосфором электронными состояниями, расположенными в ЗЗ SiO2, из-за которых уменьшается эффективная ширина ЗЗ диэлектрика в местах локализации атомов P.

График Вейбулла наглядно демон- 2 стрирует незначительное ухудшение электрической надёжности ПД при имплантации Р по сравнению с образцом-свидетелем, не подвергавшимся имплантации Р (рисунок 2.40). Образец P-O2-0 демонстрирует внутренний тип пробоя, поскольку график Вейбулла линеен, а зависимость для образца P-O2-4 имеет слабо выраженный излом, свидетель-

1

1 0

-1

-2

II -3

-4

-5

- I 1 V P-O2-4 О Р-02-0

1

10

К, МВ/см

Ъ'

Рисунок 2.40 - График Вейбулла для МД11-структур с ПД, изготовленным по технологии P-O2

ствующий о незначительном отклонении экспериментальных данных от распределения Вейбулла. Снижение напряжённости поля пробоя SiO2 связано с присутствием в его объёме ионов P, создающих состояния в ЗЗ SiO2 и способствующих протеканию тока при приложении напряжения.

Технологии P-N2O и POCL

Технология P-N2O имела два варианта: с высокой дозой имплантированных ионов P (P-N2O) и с низкой (P-N2O ). Параметры имплантации ионов P были выбраны в соответствии с моделированием, проведённым в программном пакете «TRIM» с учётом необходимой концентрации ионов P на границе раздела 4H-SiC/SiO2 и толщины ПД. По результатам моделирования были выбраны следующие режимы ионной имплантации P, отличающиеся энергией (кэВ) и дозой

(см-2):

P-N2O: 25 кэВ и 1-1013 см-2;

P-N2O*: 25 кэВ и 2,5-1012 см-2.

Для выявления влияния ионов Р на электрические свойства МДП-структур, был изготовлен образец с ПД, сформированным по технологии N20. Концентрация ионов Р на границе раздела 4Н-8Ю/8Ю2 для образца Р-№0 должна была пре-

18 —3

высить 3-10 см . Ионная имплантация проводилась при комнатной температуре с нулевым наклоном подложки через фоторезистивную маску (ФР-маска). Про-

19

10

о 1018 64

к

ей , „17

CP 10

н

X

<D

X 1016 О

1015

20

40 60 Глубина, нм

80

100

фили распределения концентрации ионов фосфора в SiC после ионной имплантации, полученные моделированием в программе «TRIM», представлены на рисунке 2.41. Вертикальными линиями отмечены толщина слоя 4H-SiC, удалённого в ходе реактивного ионного травления (РИТ), и предполагаемое положение границы раздела 4H-SiC/SiO2 рисун°к 241 - Пр°фили шнцш-грации и°н°в Р

в 4H-SiC после ионной имплантации

после окисления.

После ионной имплантации верхний слой SiC толщиной 12,5 нм удалялся методом РИТ, после чего формировался ПД методом термического окисления в атмосфере N2O при 1250 °С в течении 14 ч. Удаление верхнего слоя SiC методом РИТ проводилось для смещения предполагаемого положения границы раздела 4H-SiC/SiO2 таким образом, чтобы фронт окисления прошёл имплантационный максимум концентрации ионов P. Данная процедура была выполнена также для образца POCL.

Формирование ПД по технологии POCL происходило следующим образом: слой SiO2 толщиной 5 нм осаждался методом ALD с последующим отжигом в атмосфере оксихлорида фосфора (POCl3) при 950 °С в течении 40 мин. Доставка POCl3 в реактор, где он смешивался с O2 и N2, осуществлялась пропусканием N2 через барботер с POCl3 при 20 °С. В ходе такого отжига слой SiO2 насыщается

ЛЛ _-5

фосфором ([Р] ~ 10 см ) и конвертируется в фосфорно-силикатное стекло c химической формулой (P2O5)x(SiO2)1-x. Далее методом ALD осаждался слой SiO2 толщиной 45 нм. Поскольку фосфорно-силикатное стекло является полярным ди-

электриком [165], то использование в качестве ПД двуслойной системы «(P2O5)x(SiO2)1-x (5 нм) / SiO2 (45 нм)» должно снизить нестабильность электрофизических параметров, наблюдаемую в МДП-структурах с фосфорно-силикатным стеклом в качестве ПД [166, 167] и, в то же время, обеспечить высокую концентрацию P на границе раздела 4Н^Ю^Ю2.

МДП-структуры с полупроводником п-типа. ВФХ и О-К-характеристики МДП-структур с полупроводником и-типа с ПД, изготовленным по технологиям P-N2O, N2O и POCL, представлены на рисунке 2.42. ВФХ образца P-N2O смещена в область отрицательных напряжений, что свидетельствует о большом встроенном в SiO2 положительном заряде (таблица 2.11). Встроенный заряд в образце POCL мал, несмотря на то, что концентрация фосфора в приповерхностной области ПД в образце POCL должна быть существенно выше, чем в образце P-N2O. Возможно, большой положительный встроенный заряд для образца P-N2O связан с положительно заряженными ионами Р, присутствующими около границы раздела 4H-SiC/SiO2.

Отметим, что расчётная толщина ПД, сформированного по технологии POCL, должна составлять 50 нм, а фактически полученная равна 59 нм. Столь существенное различие вероятно связано с окислением слоя SiC в ходе отжига слоя SiO2 в атмосфере POCL, содержащей кислород.

О

1,0 0,8

° 0,6

0,4 0,2

0,0

-15

— ■ 1 ■ -Р-ШО ■ ■ ■ ■ N20 ---рось 1 1

/V

/ II у

/ I /

/У

Т = 295 К / = 1 кГц 1 ■

к«""

-10

V, В

б'

а

10

0,02

3 0,01

0,00

10

0

V, В

б

б

10

0

5

5

Таблица 2.11 - Электрофизические параметры, полученные из ВФХ и G-V-характеристик МД11-структур с полупроводником и-типа с ПД, изготовленным по технологиям P-N2O, N2O и POCL

Образец нм Vfb, В Qfix/q, 1011 см-2 dVfb, В Qsot/q, 1011 см-2 * At, 1011 см-2эВ-1

P-N2O 53 -4,6 21 0,23 -0,8 -

N2O 51 -0,3 3 0,09 -0,3 14

POCL 59 0,3 2 0,61 -2,1 0,2

*

Для Ec - Eit ~ 0,4 эВ.

Гистерезис ВФХ dVf0 для образцов с присутствующим на границе раздела и в ПД фосфором (Р-Ы20, Р0СЬ) больше, чем для образца N20 (см. таблицу 2.11). Скорее всего, это обусловлено локальными состояниями, расположенными в верхней половине ЗЗ БЮ2 и возникающими вследствие химического взаимодействия фосфора и БЮ2. Такие состояния располагаются на некотором удалении от границы раздела 4И-Б1С/8Ю2 и могут быть перезаряжены при приложении постоянного напряжения смещения.

Гистерезис ВФХ для образца РОСЬ и, соответственно, концентрация медленных ловушек, существенно выше, чем для образца Р-Ы20 (см. рисунок 2.42, а). При напряжённости поля 2 МВ/см и выше (¥ё5 > 12 В) существенно увеличивается ток через диэлектрик для образца РОСЬ (см. стр. 92), чего не наблюдается для образцов N20 и Р-Ы20, а также при использовании в качестве ПД одного слоя БЮ2, отожжённого в атмосфере Р0С13 [168]. Напряжение смещения при измерении ВФХ варьировалось в диапазоне -20...+20 В, что эквивалентно напряжённости поля -3,4...+3,4 МВ/см для образца Р0СЬ. Это позволяет сделать вывод, что в данном случае помимо состояний в ЗЗ БЮ, локализованных вблизи границы раздела, гистерезис ВФХ для образца Р0СЬ обусловлен также двуслойной структурой ПД и инжекцией носителей заряда в диэлектрик при напряженности поля более 2 МВ/см.

Пик проводимости на О-^-характеристиках для образца Р-Ы20 растянут, поэтому точное определение плотности ПС затруднено, однако можно утверждать, что образец Р0СЬ имеет достаточно низкую плотность ПС (на уровне

1 1 _л _1

0,3...0,8 10 см эВ при Ес - Ец ~ 0,4 эВ). Отметим, что введение на границу раздела Р и N одновременно (Р-№0) приводит к более низкой плотности ПС при Ес - Ец ~ 0,4 эВ, чем просто окисление в атмосфере К20 или имплантация ионов Р с последующим окислением в атмосфере сухого кислорода (Р-02-4, см. таблицу 2.9). Образец Р0СЬ имеет низкую плотность состояний (см. таблицу 2.11) на уровне 2,2-1010 см-2эВ-1, что соответствует результатам других авторов [143, 169].

МДП-ИК-структуры. ВФХ и С-К-характеристики МДП-ИК-структур с ПД, изготовленным по технологиям Р-Ы20, N20 и РОСЬ, а также их электрофизические параметры, представлены на рисунке 2.43 и в таблице 2.12 соответственно. Наблюдается смещение ВФХ образцов с внедрённым на границу раздела фосфором (Р-№0, Р-№0 , Р0СЬ) влево, что обусловлено более высоким эффективным зарядом в диэлектрике и легированием приповерхностной области БЮ фосфором.

Для образца Р-№0 смещение ВФХ и уменьшение пика проводимости на С-К-характеристиках гораздо менее выражены, чем для образца Р-Ш0. Размеры пика проводимости на С-К-характеристиках образцов Р0СЬ и Р-№0 свидетельствуют о низкой плотности состояний, расположенных в верхней половине ЗЗ БЮ, для ПД, сформированного по этим технологиям. Характерной особенностью образцов Р0СЬ и Р-№0 является отсутствие аккумуляционной ветви на ВФХ МДП-ИК-структур, т. е. даже при большом отрицательном напряжении на затворе структуры находятся в режиме обеднения. Это может быть связано с большим

0,3

1,0

0,8 0,6

^ 0,4 0,2 0,0

ч • л 1 : [у ................

К, -Р-№0 --Р-№0* ■ ■ ■ ■ N20 ---РОСЬ 1 ' 1 '

1 ■ 1 ■ !

...................... МЛ! 1 1

■ _и ■ ч /•

0,2

О 3

ез 0,1

0,0

' I -Р-№0 --Р-№0* ■ ■ ■ ■ N20 ---Р0СЬ \ 1 1 Т = 295 К / = 1 кГц ■

1 1

1

Л г' 1 • Л\ ! 1 \ *. Ч ' ,

■. 1 ■ 1 ■

-30