从过去的经验来看,在SiC中的p-type掺杂比例研究一直是具有挑战性的。铝(Al)是最佳的候选受体,但是注入Al的4H-SiC在1400℃退火时电激活率小于10%,需要1600℃退火才能接近100%激活。

去年TechInsights通过一系列博客展示了电气特性的力量,对于揭示碳化硅器件规格书远远不能提供的碳化硅器件特性。

分析半导体掺杂的技术多种多样,例如:

  • 扫描式电容显微镜(SCM ),我们经常将它包含在我们的功耗报告中,这为我们提供了大面积的相对掺杂物分析。
  • 扫描式电阻测定(SRP)和二次离子质谱(SIMS)可以给出定量分析,但是尺寸有限。宽度小于1μm的掺杂浓度的绝对值很难辨别。
  • 原子探针层析成像(APT)是一种非常适合小面积分析的技术,它允许在原子尺度上进行三维成像以及化学成分分析。它可以给出关于同时存在的离子的深度剖面和质谱的生动剖析。

APT功率

APT的工作原理是将场蒸发(FE)原理与飞行时间质谱(TOF-MS)相结合。离子到达检测器的顺序和它们的(x,y)坐标已知的情况下,可以应用简单的基于几何投影的算法来最终实现样本的3D重建。APT可能提供介于0.25-1.25nm高空间分辨率,具体取决于所分析的材料。

同预测一样,APT的灵敏度只受计数统计的限制,如果探测足够大的体积,灵敏度可以达到10原子ppm 因此,APT是一种强大的3D元素绘图技术,有可能产生接近原子级的分辨率和接近单个原子的检测效率。

CCEM拥有各种最先进的电子和离子显微镜,以及CAMECA局部电极原子探针(LEAP)4000X HR(图1)。这些仪表有助于研究各种材料的纳米特性和现象,包括金属、合金、半导体、陶瓷、矿物甚至生物材料。

特别是对于半导体器件的分析,除了元素的定量3D映射和各种层/界面的可视化之外,APT数据还可以揭示有趣的细节,例如掺杂剂对缺陷的分离、纳米尺度特征和界面的浓度分布、局部成分等。反过来,这些信息可以提供对器件性能/故障及其制造工艺的宝贵分析。

1CCEMCAMECA LEAP 4000X HR

目标分析器件–UnitedSiC第四代SiC JFET

UnitedSiC UJ4C075018K4S的额定电压为750 V,导通电阻(RDS.(ON))为18mΩ。 TechInsights之前的博客描述了这个设备的好处(关于进一步的讨论,请参阅全文

与UnitedSiC第三代产品的3.03 mΩ.cm2相比,这些技术进步带来了更低的1.32 mΩ.cm2的导通电阻(RDS.ON(SP))。这不仅低于UnitedSiC的上一代产品,也低于我们迄今为止观察到的任何650 V SiC MOSFET。(还要注意,这实际上是一个750V的设备)

图2的扫描电子显微镜(SEM)横截面图像中可以看到UJ4C075018K4S的JFET阵列结构。图3中的SCM图像显示了相对掺杂以及沟槽侧壁底部和沿着沟槽侧壁的p型栅极接触。我们着重研究这一区域(特别是在沟槽底部)。

2UnitedSiC UJ4C075018K4SSEM截面图

3UnitedSiC UJ4C075018K4S的扫描式电容显微镜(SCM)图像,详细显示了相对掺杂剂浓度

从过去的经验来看,在SiC中的p-type掺杂比例研究一直是具有挑战性的。铝(Al)是最佳的候选受体,但是注入Al的4H-SiC在1400℃退火时电激活率小于10%,需要1600℃退火才能接近100%激活。

与p-type掺杂比例相关的挑战和相关问题,例如来自注入的寿命致命缺陷和来自高温退火的晶格畸变,这就是我们至今仍未见到商业上可用的双极型功率半导体器件(例如SiC中的IGBTs)的重要原因。

UJ4C075018K4S装置的APT

实现FE所需的表面电场的幅度可以高达数十 V/nm,这在实验室设置中几乎不可能实现。为了解决这个问题,APT样品基本上被制备成针状体的形式,其顶点直径为50-100纳米量级,这样一些kV的应用就可以产生所需的表面电场大小。因此,APT样品制备是一个重要的过程,需要专用仪器。使用高度聚焦的高能离子束(通常是镓或氙)实现关注区域(ROI)的目标提升和成形,同时使用扫描电子束使其成像。

使用双光束蔡司透镜NVision 40 (Ga光束)锐化的SiC JFET APT样品的SEM图像如图4所示。

4:可用于APT分析的Si JFET样品SEM图像

当前研究的目标是量化SiC JFET沟道中的p型掺杂剂,并且显现其在沟道中的3D分布。两次成功的APT实验分别收集了3400万和3700万个离子。确认p型掺杂剂是Al。在解决质量峰重叠后,可以在合理的误差范围内对每个样品中的Al含量进行定量,并得出1e-19 atoms/cm3的平均值(表1)。同一个表中还显示了每次实验测定的Si、C和Al含量。

1:由APT确定的JFET门区成分

值得注意的是,APT重构揭示了Al在栅极区域内的极不均匀分布,这表明它与SiC中的晶体缺陷分离(图5)。这些缺陷可能是离子注入工艺的结果,每个这样的簇中的Al原子的数量包含大约1000个Al原子。正如人们所预料的,这种设备通道内的局部和随机不均匀组合不可取,因为它们可能增加设备性能的可变性,并最终降低可靠性。

5(a)基于SEM图像获得的分析体积的APT重建,显示在(b)具有Al > 0.35 ROI内的等浓度表面, %, 突出显示了JFET栅极区内的富铝团簇

References

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  • UJ4C075018K4S Datasheet (UnitedSiC Website) 2022.

Stephen Russell

作者Stephen Russel (单位:TechInsightsSr. Process Analyst_Power Devices)

合著作者Ramya Cuduvally(单位:CCEM和麦克马斯特大学材料科学与工程学院)Brian Langelier(单位:CCEM和麦克马斯特大学材料科学与工程学院)

责编:Amy.wu
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