Redresseur de puissance 4H-SiC amélioré par JTE à champ de charge modulé : efficacité et tolérance de dose accrues

Résumé

Cet article présente la fabrication d'un redresseur PiN 4H-SiC de 13,5 kV doté d'une surface active considérable de 0,1 cm². Une extension de terminaison de jonction à champ de charge modulé (CFM-JTE) est proposée pour répondre aux exigences de tension inverse ultra-élevée, ce qui élargit la fenêtre de tolérance de dose du JTE, la rendant environ 2,8 fois supérieure à celle du JTE conventionnel à deux zones. De plus, la structure CFM-JTE peut être réalisée par le procédé conventionnel de JTE à deux zones. Le courant direct mesuré atteint 100 A @ V_F = 5,2 V sans technologie d'amélioration de la durée de vie des porteurs. La structure CFM-JTE atteint 96 % de la tension de claquage théorique de la jonction plan-parallèle avec une zone terminale relativement petite de 400 μm, ce qui permet d'atteindre un coefficient de mérite de Baliga de 58,8 GW/cm².

Introduction

Le carbure de silicium est devenu une nouvelle option pour améliorer les applications de puissance grâce à ses caractéristiques : tension de fonctionnement plus élevée avec des couches actives plus fines, densité de puissance étendue, commutation à fréquence plus élevée, meilleure dissipation thermique, taille de système réduite et coût système inférieur [1, 2]. Ces dernières années, les redresseurs et MOSFETs SiC commerciaux ont été classés à 1,2–1,7 kV. Cependant, dans des domaines d'application représentatifs tels que les réseaux intelligents, les véhicules électriques, les alimentations à impulsions et les alimentations statiques ultra-haute tension, la demande croissante porte sur une capacité de blocage supérieure à 10 kV et une capacité de courant direct supérieure à 1000 A cm⁻².

Jusqu'à présent, les principaux défis pour les dispositifs de puissance SiC de 10 kV et plus concernent la performance de la technologie de terminaison de jonction, la simplification des processus de fabrication, la qualité élevée de la couche épitaxiale épaisse et la réduction des défauts de surface. Pour les dispositifs SiC ultra-haute tension, la longueur de la structure terminale est généralement 6 à 8 fois l'épaisseur épitaxiale [3], ce qui réduit considérablement le taux d'utilisation du wafer et augmente le coût de fabrication. Les redresseurs PiN 4H-SiC sont devenus les candidats les plus adaptés pour les applications ultra-haute tension grâce à l'effet de modulation de conductivité. Pour la structure à anneaux de limitation de champ (FLR), une conception d'optimisation précise peut être obtenue par calcul analytique [4], mais la photolithographie actuelle ne peut pas réaliser l'espacement et la largeur précis des anneaux. Une terminaison innovante à anneaux de limitation de champ pour dispositif SiC 10 kV a été appliquée avec une haute efficacité de protection inverse [5, 6], mais sa zone terminale dépasse 700 μm, entraînant une consommation supplémentaire de wafer SiC. L'extension de terminaison de jonction (JTE) est une autre structure de protection terminale à haut rendement, mais son efficacité est extrêmement sensible à la dose du JTE. Pour les niveaux ultra-haute tension, les MZ-JTE et CD-JTE [7] sont utilisés pour moduler crítiquement le champ électrique et nécessitent des conditions et des temps d'implantation ionique stricts, ce qui augmente la complexité et le coût de fabrication. Afin d'améliorer la capacité de conduction, des recherches sur les caractéristiques de la hauteur de barrière entre divers métaux et le SiC ont été menées [8, 9]. Habituellement, un film Ti/Al de 50–100 nm est formé pour le contact ohmique anode et un film Ni pour le contact ohmique cathode. Par ailleurs, l'échelle de la zone active du redresseur 4H-SiC affecte grandement les caractéristiques de courant direct. On a constaté que dans la couche épitaxiale 4H-SiC de type N, le centre Z_1/2 (E_C—0,65 eV), niveau accepteur de la monovacance de carbone, affecte principalement la durée de vie des porteurs [10]. L'implantation d'ions aluminium entraîne une grande concentration de niveaux profonds massifs impliquant le centre Z_1/2 en périphérie de la mesa et dans la région de terminaison de jonction [11], ce qui réduit la durée de vie des porteurs. Par conséquent, des redresseurs 4H-SiC avec une grande zone active (> 9 mm²) sont requis en conception et fabrication pour que l'impact de la durée de vie réduite des porteurs dans la région périphérique de la mesa et de terminaison soit relativement négligeable.

Dans cet article, le redresseur PiN 4H-SiC CFM-JTE est fabriqué sur une couche épitaxiale de 100 μm dopée à 5 × 10¹⁴ cm⁻³ et atteint une capacité de blocage considérable de 13,5 kV en état bloqué et un courant direct de 100 A @ V_F = 5,2 V en état passant. La résistance différentielle à l'état passant du redresseur PiN CFM-JTE est mesurée à 3,1 mΩ cm² à température ambiante. Le CFM-JTE obtient 96 % de la tension de claquage théorique grâce au concept et à l'analyse de la modulation de champ de charge, ce qui élargit favorablement la fenêtre de tolérance de la dose d'implantation et conduit à une longueur de terminaison acceptable de 400 μm.

Méthodes

Analyse de la structure du dispositif

La conception, l'optimisation et l'analyse sont réalisées par Silvaco-TCAD. La figure 1 montre le schéma de la structure 4H-SiC PiN avec terminaison, impliquant : (a) CFM-JTE à champ de charge modulé, (b) JTE assisté par anneau externe (ORA-JTE), et (c) JTE conventionnel à deux zones (TZ-JTE). En état bloqué, le taux d'ionisation par collision électron-trous est étroitement lié à la force du champ électrique. Un concept de modulation de champ électrique de charge E_q(r) est proposé pour révéler le mécanisme de modulation du CFM-JTE par la méthode de superposition vectorielle du champ électrique terminal causé par le champ électrique de charge E_q(r) en Fig. 1a. Le CFM-JTE se compose de la région JTE1, de la région JTE2 et de trois groupes d'anneaux. Les anneaux multiples divisent équivalentement la terminaison en cinq zones dopées : R₁-R₂, R₂-R₃, R₃-R₄, R₄-R₅ et R₅-R₆, où des charges effectives Q₁, Q₂, Q₃, Q₄ et Q₅ sont introduites respectivement. Basée sur la décomposition et la superposition des vecteurs de champ électrique aux coordonnées x et y, l'expression analytique du champ électrique global situé au point R_i causé par le champ de potentiel appliqué E_p(r) et le champ électrique de charge E_Qi(r) généré par chaque Q_i peut être exprimée dans les directions x et y, comme donné dans les équations (1) et (2) respectivement.

En état bloqué, la région de déplétion faiblement dopée se contracte prématurément et s'arrête au niveau de la région de terminaison en raison de l'effet de courbure dans la jonction principale PiN. Ainsi, le champ de potentiel appliqué E_p(r) est pleinement concentré à la périphérie de la jonction principale. L'existence de Q_i favorise l'extension de la déplétion le long du CFM-JTE jusqu'à la couche épitaxiale la plus externe. La force du champ électrique de charge E_Qi est associée à la quantité de Q_i. La diminution de Q_i le long du bord externe du terminal réalise efficacement la modulation du champ électrique dans la région terminale. Par conséquent, grâce au mécanisme et à l'effet de modulation du champ électrique de charge, le CFM-JTE surmonte efficacement la déficience du faible coefficient de diffusion du SiC pour former l'effet de dopage latéral variable (VLD), qui est une technologie de protection terminale de jonction hautement efficace, robuste et mature pour les dispositifs Si [12, 13]. La largeur d'anneau (w_r) de chaque groupe est réduite à 15 μm, 12 μm et 9 μm respectivement. L'espacement de chaque anneau est égal à la même valeur de 5 μm. La longueur et la dose de la région JTE1 et de la région JTE2 sont toutes deux à un rapport fixe de 3:2. Les paramètres détaillés du redresseur proposé sont donnés dans le Tableau 1.

Simulation et optimisation

Afin de réduire les écarts causés par la sensibilité de la structure du dispositif et des concentrations de dopage, la configuration de traitement Athena est appliquée. Les concentrations de dopage du CFM-JTE sont formées par plusieurs étapes de simulation de processus d'implantation d'aluminium. La profondeur totale de dopage atteint près de 1 μm.

La figure 2 montre les capacités de blocage et les tolérances à la dose d'implantation du CFM-JTE, de l'ORA-JTE et du TZ-JTE conventionnel. Les quatre structures de terminaison partagent une valeur de longueur fixe de L = 400 μm pour comparer leur efficacité. La longueur et la dose de JTE1 et JTE2 sont fixées au rapport de 3:2. La simulation est effectuée sur la structure 2D, et le critère de jugement de claquage est que le courant de fuite inverse atteint 1 × 10^–9 A. La ligne noire continue représente la BV théorique calculée à 14,1 kV selon [10, 14], et la ligne grise en pointillés indique 12 kV. Une marge de conception de 20 % est appliquée dans l'objectif pour 10 kV en tenant compte de la tolérance du processus et de l'écart de simulation. Dans le TZ-JTE conventionnel, la tension de claquage est très sensible à la dose d'implantation et dépasse 12 kV seulement lorsque la dose varie entre 0,98 et 1,14 × 10¹³ cm⁻². La sensibilité de l'ORA-JTE à la concentration d'injection JTE est atténuée, et une fenêtre de tolérance plus large de 0,97–1,28 × 10¹³ cm⁻² est obtenue pour maintenir la tension cible au-dessus de 12 kV. Le CFM-JTE possède la plus large fenêtre de tolérance de dose d'implantation dans une plage de 0,86–1,30 × 10¹³ cm⁻², soit environ 2,8 fois celle du TZ-JTE conventionnel et 1,4 fois celle de l'ORA-JTE. Ainsi, le CFM-JTE montre une meilleure robustesse face aux variations de processus.

La figure 3 montre la comparaison de la distribution et de l'intensité du champ électrique de surface du CFM-JTE, de l'ORA-JTE et du TZ-JTE en état bloqué. Le champ électrique de pointe est principalement concentré dans la jonction principale et la périphérie du terminal. Le CFM-JTE aplatit efficacement la distribution du champ électrique et favorise la force du champ électrique le long du terminal, ce qui améliore efficacement la capacité de blocage.

Afin de comprendre le mécanisme de modulation du champ électrique de charge par le CFM-JTE, les distributions du champ électrique de claquage le long de la ligne de coupe AA' en Fig. 1a avec différentes doses d'implantation de JTE1 sont tracées en Fig. 4. L'existence de Q_i, en particulier la zone Q₁ hautement dopée à côté de la jonction principale, atténue immensément la concentration des lignes de champ électrique au coin de gravure de la mesa. La zone Q₅ est définie pour atténuer l'amassement du champ électrique au point R₅ en Fig. 1a. Les résultats démontrent que l'uniformité de la distribution du champ électrique peut être efficacement améliorée par la modulation du champ électrique de charge E_Qi(r) dans le terminal. Ainsi, la capacité de tension de blocage et la fiabilité du dispositif pourraient être améliorées.

La taille de la zone terminale affecte directement l'efficacité de l'utilisation de la puce. En état bloqué, le champ de potentiel appliqué est groupé autour de la périphérie de la jonction principale. La région JTE1 près de la jonction principale doit introduire plus de charges pour renforcer l'effet de modulation du champ de charge (E_q). Ainsi, L₁ doit être défini plus long que L₂. Lorsque le rapport de L₁ à L₂ est fixé à 3:2, les capacités de blocage de différentes longueurs L sur le terminal sont analysées comparativement en Fig. 5.

Les distributions correspondantes du champ électrique sont affichées en Fig. 6. La zone à grande échelle du CFM-JTE favorise l'augmentation de la charge requise Q_i et donne pleinement jeu à l'effet de modulation de E_Qi(r), afin d'obtenir une fenêtre de tolérance de dose d'implantation (TW) plus grande. Lorsque la longueur L du CFM-JTE est fixée à 300 μm, 350 μm, 400 μm et 450 μm, la plage TW augmente séquentiellement, correspondant à 3 × 10¹² cm⁻², 3,2 × 10¹² cm⁻², 4,4 × 10¹² cm⁻² et 4,7 × 10¹² cm⁻² en plage à condition que la BV soit supérieure à 12 kV. Il est plus approprié de sélectionner une longueur terminale L de 400 μm dans ce travail sur la base du compromis entre la taille du terminal, la fenêtre de tolérance de dose JTE, la modulation du champ électrique terminal et la capacité de tension de claquage.

L'existence d'états de surface doit être considérée dans la fabrication réelle du redresseur PiN 4H-SiC. Ces états de surface proviennent de trous piégés dans des états d'interface profonds, de charges fixes d'oxyde de P-SiC (incluant la couche P⁺⁺ et la région P-JTE)/interface SiO₂ et du processus de mise en œuvre [15,16,17,18]. Pour la terminaison CFM-JTE, la modulation du champ électrique aux interfaces S₁ et S₂ par les charges d'interface positives (Q_it), les charges effectives (Q_j) et le potentiel appliqué dans la direction verticale est analysée en Fig. 7.

Les charges d'interface positives (Q_it) génèrent un champ de charge opposé (E_Qity) par rapport au champ de potentiel appliqué (E_py), aidant à atténuer la force du champ électrique dans la direction de l'interface verticale. La figure 8 présente les distributions du champ électrique dans l'interface SiO₂/SiC S₁ sous des conditions de différents Q_it.

En termes d'analyse de modulation de champ de charge à l'interface S₂, E_Qity est opposé à la direction vectorielle de E_py et E_Qjy. L'existence de Q_it aide à réduire le champ électrique en S₂. Considérant l'existence de la charge d'interface (Q_it), une charge effective d'ionisation Q_j plus grande est requise pour contrebalancer l'intensité du champ électrique générée par Q_it. Par conséquent, lorsque la quantité de Q_it augmente, la concentration optimale de dose d'implantation JTE doit être simultanément augmentée pour maintenir la même capacité de blocage. Comme montré en Fig. 9, la courbe globale BV-Dose se déplace dans le sens de la hausse avec l'augmentation de Q_it.

Résultats et discussion

Le redresseur PiN 4H-SiC CFM-JTE proposé a été fabriqué sur un wafer N-type de 4 pouces avec 4° hors axe (0001). Le wafer est cultivé par épitaxie avec quatre couches (N⁺, N⁻, P⁺, P⁺⁺) correspondant aux concentrations de 1 × 10¹⁸ cm⁻³, 5 × 10¹⁴ cm⁻³, 1 × 10¹⁸ cm⁻³ et 5 × 10¹⁹ cm⁻³. Le flux de processus principal de la fabrication du CFM-JTE est affiché en Fig. 10. La couche P⁺⁺ est cultivée par épitaxie pour obtenir un dopage uniforme et élevé afin de favoriser la qualité du contact ohmique entre le SiC et le métal d'anode. La structure de gravure de mesa est formée dans l'installation ICP-RIE à travers le masque de gravure de mesa. Le gaz de gravure est principalement composé de SF₆ et d'oxygène. De multiples implantations d'ions Al sont mises en œuvre à une énergie maximale de 500 keV pour former la structure CFM-JTE. Une implantation d'ions Al en deux étapes est appliquée pour former les cinq zones dopées décroissantes. JTE1 et les zones R₂-R₃ sont formées par le premier masque d'implantation. JTE2, R₁-R₂, R₃-R₄, R₄-R₅ et R₅-R₆ sont configurés simultanément par l'implantation d'ions Al à travers le second masque d'implantation. Comme on le sait, le taux d'activation ionique dans le carbure de silicium n'est pas élevé après implantation d'ions à haute énergie, accompagné de dommages de réseau sévères. Afin d'améliorer cette situation indésirable, les implantations d'ions aluminium sont effectuées à une température de 500 °C à travers un masque d'oxyde. Un recuit post-implantation a été effectué dans une atmosphère d'argon à une température de 1800 °C pendant 10 min avec un capuchon de carbone afin de réparer davantage les dommages causés par l'implantation d'ions à haute énergie et d'améliorer la précision de la concentration de dopage en augmentant le taux d'activation ionique effectif. Le contact ohmique de type P-SiC est formé en utilisant Al/Ti. Le processus RTA est systématiquement réalisé et inspecté pendant deux minutes dans un environnement de gaz inerte azote à une température de 1000 °C. Des couches de passivation de haute qualité (couche SiO₂, film Si₃N₄ et couche épaisse de polyimide) sont déposées pour prévenir les fuites de surface et éviter les étincelles dans l'air [5]. Le redresseur PiN CFM-JTE couvre une zone active allant jusqu'à 0,1 cm². Le processus de fabrication est cohérent avec le redresseur PiN 4H-SiC JTE conventionnel à deux zones, sans masques supplémentaires ni étapes de processus, ce qui est extrêmement favorable pour réduire la complexité et le coût de fabrication.

Les caractéristiques directes du redresseur PiN CFM-JTE fabriqué sont testées sur wafer à l'aide de l'instrument CS-3200 Curve Tracer. Le redresseur PiN CFM-JTE fabriqué présente une grande capacité de conduction de courant direct sans technologie d'amélioration de la durée de vie des porteurs. Le courant direct est mesuré jusqu'à 100 A correspondant à une tension directe de 5,2 V, comme montré en Fig. 11. La résistance différentielle à l'état passant du redresseur proposé est mesurée à 3,1 mΩ cm² à température ambiante, correspondant à une tension directe de 3,6 V. Les caractéristiques de conduction directe à différentes températures sont également illustrées dans l'encart de la Fig. 11. La courbe I-V montre une particularité de coefficient de température négatif. Cela est dû au fait qu'à mesure que la température augmente, la mobilité du matériau diminue, tandis que la bande interdite plus étroite du matériau SiC réduit le potentiel auto-construit de la jonction P-N, et la durée de vie des porteurs de la région de dérive s'allonge avec l'augmentation de la température, entraînant ainsi une augmentation de la densité de courant. La tension de mise en conduction mesurée est définie à une densité de courant direct de 10 A·cm⁻². Elle diminue progressivement de 3,14 à 3,04 V lorsque la température ambiante passe de 25 à 150 °C. Le décalage maximal de la tension de mise en conduction directe est resté dans une plage de 3 %, correspondant à une valeur de 0,1 V, ce qui présente une bien meilleure stabilité thermique que le PiN Si.

Les redresseurs PiN 4H-SiC avec CFM-JTE, ORA-JTE ainsi que TZ-JTE conventionnel sont fabriqués sur le wafer de 4 pouces, et leurs effets de protection terminale sont montrés en Fig. 12. Les mesures de tension de claquage inverse sont exécutées et immergées dans de l'huile Fluorinert pour éviter l'amorçage dans l'air. Dans les mesures expérimentales avec une dose JTE1 de 1,2 × 10¹³ cm⁻², les redresseurs PiN avec ORA-JTE et TZ-JTE conventionnel obtiennent des capacités de blocage de 12,5 kV et 9,6 kV respectivement, avec la même longueur terminale de 400 μm.

Des échantillons multi-lots de redresseurs PiN CFM-JTE ont pu obtenir répétitivement une tension de claquage de 13,5 kV au courant de fuite de 10 μA. La tension de blocage expérimentale atteint jusqu'à 96 % de la valeur de claquage théorique, ce qui indique que le CFM-JTE a une efficacité de protection terminale plus élevée. Une tension de tenue de plus de 130 V/μm a été atteinte dans la couche de dérive de 100 μm du redresseur PiN 4H-SiC. Le coefficient de mérite de Baliga (BFOM = BV²/R_on,sp) atteint 58,8 GW/cm² à température ambiante. Les PiN CFM-JTE avec différentes doses d'implantation JTE1 ont été fabriqués. Les valeurs expérimentales et simulées de la tension de claquage sont représentées en Fig. 12b. Les valeurs expérimentales sont en accord avec la tendance de la simulation et confirment que la structure CFM-JTE peut élargir efficacement la fenêtre de tolérance de dose JTE. Le Tableau 2 compare les caractéristiques des redresseurs 4H-SiC ultra-haute tension récemment rapportés. Le redresseur 4H-SiC CFM-JTE fabriqué dans ce travail montre d'excellentes performances en termes de capacité de blocage ultra-haute tension, de capacité de conduction de courant direct ultra-élevée et d'efficacité de terminaison élevée.

Conclusions

Dans ce travail, le redresseur PiN 4H-SiC CFM-JTE a été conçu et fabriqué avec succès. La tension de claquage expérimentale du PiN CFM-JTE est de 13,5 kV correspondant à 96 % de la valeur de blocage théorique. Le CFM-JTE présente une efficacité de protection terminale bien améliorée par rapport à l'ORA-JTE (BV = 12,5 kV, efficacité de protection jusqu'à 88 %) et au TZ-JTE conventionnel (BV = 9,6 kV, efficacité de protection jusqu'à 68 %). Le redresseur PiN CFM-JTE acquiert un grand courant direct de 100 A @ V_F = 5,2 V sans utiliser de technologie d'amélioration de la durée de vie des porteurs et présente des caractéristiques I-V directes stables à diverses températures. Le coefficient de mérite de Baliga pour le redresseur PiN CFM-JTE atteint 58,8 GW/cm² à température ambiante. La tolérance de la fenêtre de dose d'implantation pour le CFM-JTE est élargie sur la base de la modulation du champ électrique de charge, soit environ 2,8 fois celle du TZ-JTE conventionnel et 1,4 fois celle de l'ORA-JTE, montrant une bien meilleure robustesse face aux variations de processus. De plus, le processus de fabrication pour le CFM-JTE est cohérent avec le processus JTE TZ conventionnel sans augmenter le nombre de processus ou de masques exceptionnellement complexes, ce qui démontre que le CFM-JTE est optimal pour les applications de puissance ultra-élevée avec une efficacité terminale satisfaisante et une tolérance de processus.

Disponibilité des données et matériaux

Toutes les données sont disponibles sans restrictions.

Abréviations

SiC :

Carbure de silicium

JTE :

Extension de terminaison de jonction

CFM :

Champ de charge modulé

TZ-JTE :

Extension de terminaison de jonction à deux zones

FLR :

Anneaux de limitation de champ

MZ-JTE :

Extension de terminaison de jonction multi-zones

CD-JTE :

Extension de terminaison de jonction à contre-dopage

Ti :

Titane

Al :

Aluminium

E_c :

Bande de conduction

V_F :

Tension directe

ORA-JTE :

JTE assisté par anneau externe

E_q :

Champ électrique de charge

E_p :

Champ de potentiel appliqué

Q_i :

Charge effective

VLD :

Dopage latéral variable

w_r :

Largeur d'anneau

2D :

Deux dimensions

BV :

Tension de claquage

TW :

Fenêtre de tolérance

Q_it :

Charge d'interface

Q_j :

Charge effective d'ionisation

RTA :

Recuit thermique rapide

R_on,sp :

Résistance spécifique à l'état passant

BFOM :

Coefficient de mérite de Baliga