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TechInsights對(duì)于“碳化硅JFET原子探針層析成像”的探討

發(fā)布時(shí)間:2022-12-7 19:21    發(fā)布者:eechina
關(guān)鍵詞: JFET , 碳化硅 , SiC

作者:Stephen Russel (單位:TechInsights的Sr. Process Analyst_Power Devices)
合著作者:Ramya Cuduvally(單位:CCEM和麥克馬斯特大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院)
Brian Langelier(單位:CCEM和麥克馬斯特大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院)

去年,TechInsights通過一系列博客展示了電氣特性的力量,對(duì)于揭示碳化硅器件規(guī)格書遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能提供的碳化硅器件特性。

分析半導(dǎo)體摻雜的技術(shù)多種多樣,例如:
•        掃描式電容顯微鏡(SCM ),我們經(jīng)常將它包含在我們的功耗報(bào)告中,這為我們提供了大面積的相對(duì)摻雜物分析。
•        掃描式電阻測(cè)定(SRP)和二次離子質(zhì)譜(SIMS)可以給出定量分析,但是尺寸有限。寬度小于1μm的摻雜濃度的絕對(duì)值很難辨別。
•        原子探針層析成像(APT)是一種非常適合小面積分析的技術(shù),它允許在原子尺度上進(jìn)行三維成像以及化學(xué)成分分析。它可以給出關(guān)于同時(shí)存在的離子的深度剖面和質(zhì)譜的生動(dòng)剖析。

APT功率

APT的工作原理是將場(chǎng)蒸發(fā)(FE)原理與飛行時(shí)間質(zhì)譜(TOF-MS)相結(jié)合。離子到達(dá)檢測(cè)器的順序和它們的(x,y)坐標(biāo)已知的情況下,可以應(yīng)用簡(jiǎn)單的基于幾何投影的算法來最終實(shí)現(xiàn)樣本的3D重建。APT可能提供介于0.25-1.25nm的高空間分辨率,具體取決于所分析的材料。

同預(yù)測(cè)一樣,APT的靈敏度只受計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)的限制,如果探測(cè)足夠大的體積,靈敏度可以達(dá)到10原子ppm。 因此,APT是一種強(qiáng)大的3D元素繪圖技術(shù),有可能產(chǎn)生接近原子級(jí)的分辨率和接近單個(gè)原子的檢測(cè)效率。

TechInsights的UnitedSiC第四代SiC JFETs庫中已經(jīng)收集了大量分析:而這些分析內(nèi)容可以在我們的訂閱中的SiC電源電路布局報(bào)告、電源要點(diǎn)摘要和工藝流程分析里找到。 該產(chǎn)品還是前一篇博客的主題,也是關(guān)于討論SiC產(chǎn)品電氣特性測(cè)試超過規(guī)格書的參數(shù)范圍的博客系列的一部分。目前,TechInsights和加拿大安大略省麥克馬斯特大學(xué)加拿大電子顯微鏡中心(CCEM)的同事們合作,以開展更深入的分析。

CCEM擁有各種最先進(jìn)的電子和離子顯微鏡,以及CAMECA局部電極原子探針(LEAP)4000X HR(圖1)。這些儀表有助于研究各種材料的納米特性和現(xiàn)象,包括金屬、合金、半導(dǎo)體、陶瓷、礦物甚至生物材料。

特別是對(duì)于半導(dǎo)體器件的分析,除了元素的定量3D映射和各種層/界面的可視化之外,APT數(shù)據(jù)還可以揭示有趣的細(xì)節(jié),例如摻雜劑對(duì)缺陷的分離、納米尺度特征和界面的濃度分布、局部成分等。反過來,這些信息可以提供對(duì)器件性能/故障及其制造工藝的寶貴分析。


圖1:CCEM的CAMECA LEAP 4000X HR

目標(biāo)分析器件–UnitedSiC第四代SiC JFET

UnitedSiC UJ4C075018K4S的額定電壓為750 V,導(dǎo)通電阻(RDS.(ON))為18mΩ。 TechInsights之前的博客描述了這個(gè)設(shè)備的好處(關(guān)于進(jìn)一步的討論,請(qǐng)參閱全文)

與UnitedSiC第三代產(chǎn)品的3.03 mΩ.cm2相比,這些技術(shù)進(jìn)步帶來了更低的1.32 mΩ.cm2的導(dǎo)通電阻(RDS.ON(SP))。這不僅低于UnitedSiC的上一代產(chǎn)品,也低于我們迄今為止觀察到的任何650 V SiC MOSFET。(還要注意,這實(shí)際上是一個(gè)750V的設(shè)備)

圖2的掃描電子顯微鏡(SEM)橫截面圖像中可以看到UJ4C075018K4S的JFET陣列結(jié)構(gòu)。圖3中的SCM圖像顯示了相對(duì)摻雜以及溝槽側(cè)壁底部和沿著溝槽側(cè)壁的p型柵極接觸。我們著重研究這一區(qū)域(特別是在溝槽底部)。


圖2:UnitedSiC UJ4C075018K4S的SEM截面圖


圖3:UnitedSiC UJ4C075018K4S的掃描式電容顯微鏡(SCM)圖像,詳細(xì)顯示了相對(duì)摻雜劑濃度

從過去的經(jīng)驗(yàn)來看,在SiC中的p-type摻雜比例研究一直是具有挑戰(zhàn)性的。鋁(Al)是最佳的候選受體,但是注入Al的4H-SiC在1400℃退火時(shí)電激活率小于10%,需要1600℃退火才能接近100%激活。

與p-type摻雜比例相關(guān)的挑戰(zhàn)和相關(guān)問題,例如來自注入的壽命致命缺陷和來自高溫退火的晶格畸變,這就是我們至今仍未見到商業(yè)上可用的雙極型功率半導(dǎo)體器件(例如SiC中的IGBTs)的重要原因。

UJ4C075018K4S裝置的APT

實(shí)現(xiàn)FE所需的表面電場(chǎng)的幅度可以高達(dá)數(shù)十 V/nm,這在實(shí)驗(yàn)室設(shè)置中幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。為了解決這個(gè)問題,APT樣品基本上被制備成針狀體的形式,其頂點(diǎn)直徑為50-100納米量級(jí),這樣一些kV的應(yīng)用就可以產(chǎn)生所需的表面電場(chǎng)大小。因此,APT樣品制備是一個(gè)重要的過程,需要專用儀器。使用高度聚焦的高能離子束(通常是鎵或氙)實(shí)現(xiàn)關(guān)注區(qū)域(ROI)的目標(biāo)提升和成形,同時(shí)使用掃描電子束使其成像。

使用雙光束蔡司透鏡NVision 40 (Ga光束)銳化的SiC JFET APT樣品的SEM圖像如圖4所示。


圖4:可用于APT分析的Si JFET樣品SEM圖像

當(dāng)前研究的目標(biāo)是量化SiC JFET溝道中的p型摻雜劑,并且顯現(xiàn)其在溝道中的3D分布。兩次成功的APT實(shí)驗(yàn)分別收集了3400萬和3700萬個(gè)離子。確認(rèn)p型摻雜劑是Al。在解決質(zhì)量峰重疊后,可以在合理的誤差范圍內(nèi)對(duì)每個(gè)樣品中的Al含量進(jìn)行定量,并得出1e-19 atoms/cm3的平均值(表1)。同一個(gè)表中還顯示了每次實(shí)驗(yàn)測(cè)定的Si、C和Al含量。

表1:由APT確定的JFET門區(qū)成分


值得注意的是,APT重構(gòu)揭示了Al在柵極區(qū)域內(nèi)的極不均勻分布,這表明它與SiC中的晶體缺陷分離(圖5)。這些缺陷可能是離子注入工藝的結(jié)果,每個(gè)這樣的簇中的Al原子的數(shù)量包含大約1000個(gè)Al原子。正如人們所預(yù)料的,這種設(shè)備通道內(nèi)的局部和隨機(jī)不均勻組合不可取,因?yàn)樗鼈兛赡茉黾釉O(shè)備性能的可變性,并最終降低可靠性。


圖5:(a)基于SEM圖像獲得的分析體積的APT重建,顯示在(b)具有Al > 0.35 的ROI內(nèi)的等濃度表面, %, 突出顯示了JFET柵極區(qū)內(nèi)的富鋁團(tuán)簇。

總結(jié)

這項(xiàng)工作證明,APT可以用于從半導(dǎo)體器件中獲得高度局域化的信息。未來,TechInsights希望擴(kuò)展我們的分析,以研究沿側(cè)壁的摻雜劑分布、SiC/SiO界面的質(zhì)量和Ni硅化物門內(nèi)部的局部成分變化。

References
•        Atom Probe Tomography of Silicon Carbide JFETs (Part One) (TechInsights) 2022.
•        Going Beyond Datasheets; Benchmarking and Testing the Performance of SiC FETs (Part One) ( TechInsights) 2021.
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•        B. Gault, M.P. Moody, J.M. Cairney, S.P. Ringer, Atom Probe Microscopy and Materials Science, in: Springer Science & Business Media, 2012: pp. 299–311.
•        W. Lefebvre-Ulrikson, F. Vurpillot, X. Sauvage, Atom probe tomography - Put Theory Into Practice, Academic Press, 2016.
•        UnitedSiC Introduces New SiC FET Devices Based on Advanced Gen 4 Technology (UnitedSiC Website) 2020.
•        UnitedSiC 750 V 18 mΩ SiC FET Power Floorplan Analysis (PFR-2101-804) TechInsights, 2021.
•        UnitedSiC UJ4C075018K4S 750, 18 mΩ Gen. 4 SiC FET Power Essentials (PEF-2101-801) TechInsights, 2021.
•        UnitedSiC UJ4C075018K4S 750 v 18 mΩ Gen. 4 SiC FET Process Flow Full (PFF-2103-802) TechInsights, 2021.
•        UnitedSiC 4th Generation JFET Technology Demonstrates Record Breaking Performance, Where Next? (TechInsights) 2021.
•        UJ4C075018K4S Datasheet (UnitedSiC Website) 2022.

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