Krytyczne parametry konstrukcyjno-technologiczne i ich wpływ na parametry elektryczne tranzystorów mocy MOSFET SiC

Transkrypt

1 Krytyczne parametry konstrukcyjno-technologiczne i ich wpływ na parametry elektryczne tranzystorów mocy MOSFET SiC Mariusz Sochacki 1, Norbert Kwietniewski 1, Andrzej Taube 1,2, Krystian Król 1, Jan Szmidt 1 1 Politechnika Warszawska, Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki 2 Instytut Technologii Elektronowej

2 Wprowadzenie Czynniki konstrukcyjno-technologiczne Dokładność fotolitografii Głębokość i profil domieszkowania złączy p-n Parametry interfejsu dielektryk/półprzewodnik Właściwości dielektryka bramkowego Parametry elektryczne tranzystora MOS Napięcie przebicia Napięcie progowe Prąd nasycenia tranzystora Prąd w stanie wyłączenia

3 Model analizowanego

4 Wytwarzanie dielektryka i jego wpływ na parametry przyrządów Rezystancja szeregowa szczególnie istotna dla przyrządów mocy! Gdzie kryje się proces wytwarzania dielektryka? Duże V t powoduje konieczność stosowania wysokich napięć sterujących bramką i potencjalnie układów buforowych Problemy z powtarzalnością napięcia progowego i jego stałością w czasie i w funkcji parametrów pracy tranzystora Mała ruchliwość ma bezpośredni wpływ na rezystancję szeregową tranzystora

5 Wytwarzanie dielektryka i jego wpływ na parametry przyrządów Prąd w stanie nasycenia szczególnie istotny dla przyrządów mocy! Gdzie kryje się proces wytwarzania dielektryka? Duże V t powoduje konieczność stosowania wysokich napięć sterujących bramką i potencjalnie układów buforowych Problemy z powtarzalnością napięcie i jego stałością w czasie i w funkcji parametrów pracy tranzystora Mała ruchliwość ma bezpośredni wpływ na rezystancję szeregową tranzystora, Mała ruchliwość to również małe prądy w stanie nasycenia

6 R on,sp (m cm 2 ) Prąd w stanie nasycenia 100 L ch =3 m L ch =1 m V BR (kv)

7 Napięcie progowe Uwzględnia tylko efekty polowe Uwzględnia wpływ jakości interfejsu dielektryk/półprzewodnik poprzez ładunek efektywny Q eff Ładunek efektywny reprezentuje zbiorczy wpływ wszystkich mechanizmów oddziaływania elektrycznego od ładunków znajdujących się w układzie MOS, ale

8 Napięcie progowe Uwzględnia tylko efekty polowe Uwzględnia wpływ jakości interfejsu dielektryk/półprzewodnik poprzez ładunek efektywny Q eff Ładunek efektywny reprezentuje zbiorczy wpływ wszystkich mechanizmów oddziaływania elektrycznego od ładunków znajdujących się w układzie MOS, ale Ładunek efektywny nie odzwierciedla złożoności zjawisk fizycznych. Nie reprezentuje żadnego fizycznego oddziaływania. W technologii krzemowej często podaje się go jako wskaźnik jakości dielektryka. Takie podejście zakłada minimalny wpływ pułapek powierzchniowych. Nie jest to prawdą w przypadku SiC.

9 Napięcie progowe Przypadek współczesnej technologii krzemowej: Q it <<Q f Q eff f(u G, t) - wysoka powtarzalność napięcia progowego zarówno produkcyjna jak i w funkcji napięcia U GS Q f =const. Q f f(t) - brak długookresowej zmiany napięcia progowego Q eff const.

10 Napięcie progowe Przypadek współczesnej technologii SiC: Q it Q f Q eff =f(u G, t) - przyczyną jest duża gęstość stanów powierzchniowych - zmiana napięcia progowego pod wpływem warunków zasilania i historii przyrządu. Q f const. Q f =f(t) - przyczyną jest duża gęstość stanów powierzchniowych o długich stałych czasowych w tym pułapki typu NIT Q eff nie jest dobrym parametrem opisującym strukturę SiC MOS

11 V TH (V) I DS (ma) Napięcie progowe Określenie optymalnej dozy implantacji retrograde Jony Al o energii 500keV Doza implantacji [cm -2 ] Energia 500keV 1x x x x x Najmniejsze V TH =0.13V dla dozy 1x x x x V GS (V) Doza Implantacji (cm -2 )

12 V TH (V) I DS (ma) I DS V GS =20V Napięcie progowe Określenie optymalnej energii implantacji retrograde Jony Al - doza 2.5x10 13 cm -2, energia od 300 do 500keV Doza Implantacji [cm -2 ] 2.5x10 13 Energia [kev] mA V DS =10V ma Energia(keV) V GS (V) Energia(keV)

13 Drain Current (A) Prąd w stanie wyłączenia Określenie optymalnej dozy implantacji retrograde Jony Al o energii 500keV V br =1300V Implantation Dose [cm -2 ] 1x x x x x10 13 Energy 500 kev Optymalna? wartość dozy implantacji 2.5x Drain Voltage(V)

14 Drain Current (A) Prąd w stanie wyłączenia Implantation dose [cm -2 ] 2.5x10 13 Energy [kev] Optymalne parametry implantacji wartość dozy implantacji 2.5x10 13 wartość energii implantacji 300keV V BR =1.3kV Drain Voltage(V)

15 Prąd w stanie wyłączenia / napięcie progowe

16 Ruchliwość przypadek idealny E SiO Si - F E Idealny interfejs Dużo nośników Rozpraszanie fononowe F E siła przyciągania pola zewnętrznego μ eff ruchliwość w obszarze kanału μ b ruchliwość w głębi podłoża μ ph zmiana ruchliwości wywołana rozpraszaniem fononowym Wg semi-empirycznego modelu Darwischa M.N. Darwish, J.L. Lentz, M.R. Pinto, P.M. Zeitzoff, T.J. Krutsick, and H.H. Vuong, IEEE Trans.Electr. Dev., vol. 44, no. 9, pages , 1997

17 Ruchliwość przypadek rzeczywisty E SiO 2 - Si F E F scr μ eff ruchliwość o obszarze kanału μ b ruchliwość głębi podłoża μ ph zmiana ruchliwości wywołana rozpraszaniem akustycznym μ r zmiana ruchliwości wywołana rozpraszaniem na ładunku zgromadzonym w nieidealnym interfejsie Wg semi-empirycznego modelu Darwischa M.N. Darwish, J.L. Lentz, M.R. Pinto, P.M. Zeitzoff, T.J. Krutsick, and H.H. Vuong, IEEE Trans.Electr. Dev., vol. 44, no. 9, pages , 1997 Idealna jakość interfejsu Dużo nośników Rozpraszanie fononowe F E siła przyciągania pola zewnętrznego F scr siła odpychania pola od ładunku zgormadzonego w nieidealnym interfejsie

18 E SiO SiC Ruchliwość przypadek SiC F scc F E - F scr Rzeczywistość Dużo nośników Rozpraszanie fononowe F E siła przyciągania pola zewnętrznego F scc siła odpychania pola od ładunku zgormadzonego w pułapkach μ eff ruchliwość o obszarze kanału μ b ruchliwość głębi podłoża μ ph zmiana ruchliwości wywołana rozpraszaniem akustycznym μ coul zmiana ruchliwości wywołana rozpraszaniem kulombowskim od ładunku zgromadzonego w stanach pułapkowych Wg semi-empirycznego modelu Darwischa M.N. Darwish, J.L. Lentz, M.R. Pinto, P.M. Zeitzoff, T.J. Krutsick, and H.H. Vuong, IEEE Trans.Electr. Dev., vol. 44, no. 9, pages ,

19 D it [cm -2 ev -1 ] Pułapki 1E+13 1E+12 Struktura pułapek w politypie 4H-SiC Obszar szczególnie istotny dla przyrządów elektronowych. 1E ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 E-Ev [ev] Największa gęstość stanów pułapkowych!

20 Pułapki - azot

21 Dit [cm-1ev-1] Pułapki - fosfor Powierzchniowa gęstość stanów pułapkowych 1,E+13 1,E+12 1,E+11 Wpływ różnych parametrów technologii wygrzewania wysokotemperaturowego w związkach fosforu. 1,E+10 2,6 2,8 3 3,2 Et-EV [ev]

22 Wnioski Uzyskanie dielektryka bramkowego o zadowalających parametrach wymaga stosowania dodatkowych zabiegów najlepsze parametry uzyskano podczas procesu wygrzewania niskotemperaturowego w POCl 3. Parametry interfejsu dielektryk/półprzewodnik determinują wartość napięcia progowego oraz prądu wyjściowego tranzystora MOS. Precyzyjny dobór energii implantacji oraz dozy jonów glinu w procesie formowania wyspy decyduje o napięciu przebicia oraz prądzie wyjściowym tranzystora MOS. Wygrzewanie poimplantacyjne jest jednym z kluczowych procesów technologicznych (chropowatość powierzchni, redyfuzja domieszki, odbudowa struktury krystalicznej, aktywacja domieszki)

23 Wnioski Podstawowym parametrem decydującym o napięciu przebicia tranzystora MOS jest rozkład domieszki w obszarze JTE Bardzo silna zależność rezystancji kanału od parametru L CH (długość kanału) krytyczny proces fotolitografii definiujący odległości pomiędzy wyspą typu p i obszarem źródła

24 Publikacje K. Król, M. Sochacki, J. Szmidt Ryszard Kisiel, Marek Guziewicz, Krystyna Golaszewska, Mariusz Sochacki Małgorzata Kalisz, Krystian Król, Mariusz Sochacki, Jan Szmidt A. Taube, M. Sochacki, J. Szmidt A. Taube, K. Korwin-Mikke, T. Gutt, T. Małachowski, I. Pasternak, M. Wzorek, A. Łuszcz, M. Płuska, W. Rzodkiewicz, A. Piotrowska, S. Gierałtowska, M. Sochacki, R. Mroczyński, E. Dynowska, J. Szmidt Modelowanie kinetyki utleniania termicznego węglika krzemu Mechanisms of Carriers Transport in Ni/n-SiC, Ti/n-SiC Ohmic Contacts The influence of oxygen ambient annealing conditions on the quality of Al/SiO2/n-type 4H- SiC MOS structure Konstrukcja i modelowanie tranzystorów wertykalnych DIMOSFET w węgliku krzemu Wytwarzanie i charakteryzacja cienkich warstw tlenku hafnu dla zastosowań w technologii MOSFET w węgliku krzemu Elektronika 04/2010, Materials Science Poland Microtechnology and Thermal Problems in Electronics, MICROTHERM 2011 Elektronika 09/2011, Elektronika 09/2011,

25 M. Kalisz, K. Król, M. Sochacki, J. Szmidt K. Król, M. Kalisz, M. Sochacki, J. Szmidt A. Taube, M. Sochacki, J. Szmidt A. Taube, M. Sochacki, J. Szmidt K. Król, M. Kalisz, M. Sochacki, J. Szmidt A. Domanowska, M. Miczek, R. Ucka, M. Matys, B. Adamowicz, J. Żywicki, A. Taube, K. Korwin-Mikke, S. Gierałtowska, M. Sochacki K. Król, M. Kalisz, M. Sochacki, J. Szmidt K. Król, M. Kalisz, M. Sochacki, J. Szmidt Publikacje Wpływ procesu wygrzewania wysokotemperaturowego na parametry elektryczne struktury MOS Al/SiO2/n-4H-SiC (0001) Wpływ wygrzewania na jakość warstw SiO2 wytwarzanych na podłożach 4H-SiC metodą utleniania termicznego Symulacje i modelowanie tranzystorów HEMT AlGaN/GaN: wpływ przewodności cieplnej podłoża Symulacje i modelowanie zaawansowanych struktur tranzystorów HEMT AlGaN/GaN Wpływ procesów wygrzewania w atmosferze O2 i N20 na właściwości warstwy przejściowej dielektryk/półprzewodnik w kondensatorach MOS Al/SiO2/4H-SiC Surface photovoltage and Auger electron spectromicroscopy studies of HfO2/SiO2/4H-SiC and HfO2/Al2O3/4H-SiC structures The influence of oxygen ambient annealing conditions on the quality of Al/SiO2/n-type 4H- SiC MOS structure The influence of post-oxidation annealing process in O2 and N2O on the quality of Al./SiO2/n-type 4H-SiC MOS interface Elektronika 09/2011, Elektronika 07/2011, Elektronika 09/2012, Elektronika 09/2012, Elektronika 09/2012, Applied Surface Science, vol. 258, 2012, Materials Science and Engineering B, vol. 177, 2012, Materials Science Forum, vol , 2013,