Seminarium ITME V 2010 - Z. Lisik - National Polish Silicon Carbide
Transkrypt
Seminarium ITME V 2010 - Z. Lisik - National Polish Silicon Carbide
Harmonogramu na lata 2009-2010 Opracowanie technologii wytworzenia diody p-i-n w podłożu z SiC Projekt Badawczy Zamawiany MEiN 6/2/2006 „Nowe technologie na bazie węglika krzemu i ich zastosowania w elektronice wielkich częstotliwości, dużych mocy i wysokich temperatur” Andrzej Kubiak Artur Kalinowski Łukasz Ruta Zbigniew Lisik Janusz Woźny 1. Opracowanie przewodnika dla realizacji testowych struktur diodowych 2. Dobór i przygotowanie podłoży oraz masek do realizacji struktur próbnych diod p-i-n 3. Przeprowadzenie procesów domieszkowania przewidzianych w przewodnikach dla wybranych rozwiązań diod p-i-n 4. Badania metod wytwarzania kontaktów omowych do obszarów SiC typu n i p z wykorzystaniem procesów wysokotemperaturowych 5. Przeprowadzenie procesów pasywacyjnych oraz terminacji złącz w testowych strukturach diodowych 6. Wykonanie kontaktów metalicznych w testowych strukturach diodowych 7. Charakteryzacja parametrów elektrycznych wykonanych struktur diodowych Seminarium sprawozdawczo - odbiorcze III etapu realizacji Projektu Badawczego Zamawianego 21.05.2010 Zadania realizowane w projekcie Przygotowanie przewodnika technologicznego 1. Opracowanie metod prowadzenia procesów wysokotemperaturowych w węgliku krzemu (T> 1800°C) - adaptacja pieca wysokotemperaturowego - określenie warunków bezpiecznego wygrzewania SiC 2. Opracowanie technologii wytwarzania diod p-i-n w podłożu SiC - termiczna dyfuzja domieszek - implantacja jonowa i procesy wygrzewania poimplantacyjnego 3. Struktury próbne p-i-n SiC - symulacje numeryczne struktur wytworzonych metodą dyfuzji i implantacji jonowej - opracowanie założeń konstrukcyjnych - wykonanie i charakteryzacja struktur • Podstawą do opracowanie założeń konstrukcyjnych diody p-i-n SiC była wiedza realizatorów dotycząca realizacji krzemowych diod prostowniczych, wykonywanych obecnie m.in. we współpracy z zakładami Lamina S.I. Założono zamknięcie wykonanych struktur w obudowie śrubowej D04 (inny symbol CE11), stosowanej w Laminie w procesie produkcji krzemowych diod BYP680. Wykorzystane zostały wyniki symulacji numerycznych diod p-i-n z SiC Uwzględniono ograniczenia wynikające z wymogów technologii SiC oraz posiadanej bazy sprzętowej. • • • Struktura diody DW-F Realizowane struktury diod p-i-n • Diody p-i-n z SiC • diody wertykalne (DW) diody planarne (DP) a) z fazowaniem krawędzi (DW-F) z pierścieniem terminacyjnym (DW-P) domieszkowane: - implantacyjnie (Al) - dyfuzyjnie (B) domieszkowane: - implantacyjnie (Al) Podstawowym przyrządem realizowanym w ramach projektu była wertykalna dioda p-i-n o kształcie kołowym przyjęto dwa rozwiązania zabezpieczenia złącza wysokonapięciowego: a) poprzez fazowanie krawędzi (DW-F) b) poprzez wykonanie pierścienia ochronnego (DW-P) b) domieszkowane: - implantacyjnie (Al oraz N) Dodatkowo realizowane były diody o konstrukcji planarnej symetrycznej (DP-P) oraz asymetrycznej (DP-O). 1 Struktura diody wertykalnej z fazką (DW-F) Struktura diody wertykalnej z pierścieniem (DW-P) fazowanie krawędzi + pasywacja lakierem metal metal I Struktura diody planarnej symetrycznej (DP-P) Struktura diody planarnej symetrycznej (DP-P) metal I metal I metal II metal II Procesy fotolitografii Wykorzystywane podłoża - wykonywania znaczników na powierzchni SiC - definiowania obszarów implantowanych typu p dla diod wertykalnych oraz p i n dla diod planarnych - wykonywania kontaktów anody dla diod wertykalnych oraz anody i katody dla diod planarnych dioda wertykalna dioda planarna Podłoże: typ domieszka koncentracja domieszki grubość n, 4H-SiC azot 1E18 cm-3 340 µm Warstwa epitaksjalna: obszary wykorzystywane podczas realizacji diody DW-P typ domieszka koncentracja domieszki grubość n, 4H-SiC azot 1E16 cm-3 10 µm n, 4H-SiC azot 3E15 cm-3 5 µm projekt wykonawczy maski oraz jej wygląd 2 Profile domieszkowania Etapy realizacji implantacyjnej struktury DW-F 1 Czyszczenie trzyetapowa procedura RCA 2 Wytworzenie tlenku buforowego utlenianie termiczne 1200oC, 60min, grubość tlenku ok. 35nm 3 Parowanie warstwy chromu warstwa chromu o grubości 100nm 4 Fotolitografia I (wykonanie znaczników) selektywne trawienie chromu Trawienie RIE powierzchni SiC plazma SF6 – wykonanie znaczników o głębokości ok. 700nm Czyszczenie usunięcie chromu, trzyetapowa procedura RCA Implantacja aluminium Implantacja azotu Wytworzenie tlenku buforowego 8 Parowanie warstwy aluminium 60min, grubość tlenku ok. 35nm 9 Fotolitografia II (obszar implantacji) selektywne trawienie aluminium 10 Implantacja jonów implantacja jonów aluminium + wygrzewanie poimplantacyjne warstwa aluminium o grubości 850nm Czyszczenie usunięcie aluminium, trzyetapowa procedura RCA 12 Naparowanie metalizacji wykonanie kontaktu anody (1µm Al) oraz katody (300nm Ni) 13 Fotolitografia III i trawienie metalizacji selektywne trawienie Al 14 Wygrzewanie Wtapianie metalizacji - wykonanie kontaktów omowych 15 Cięcie struktur, wykonanie fazki i jej pasywacja lakierem 16 Montaż w obudowie + N2 and N 3 Koncentracja [cm-3] 7 11 utlenianie termiczne 1200oC, Koncentracja [cm-3][N/cm ] atom concentrations + 6 ⇒ SiC 20 10 + 250 keV 1.21x10 14 210 keV 6.08x10 14 170 keV 7.28x10 14 140 keV 4.16x10 14 120 keV 3.31x10 14 90 keV 4.65x10 14 140 keV (2.09x10 )/2 + 100 keV (2.98x10 )/2 N + N + N + N + N + N + N2 19 10 18 10 N 2 + N 0 Głębokość [nm] 2 100 15 14 14 70 keV (2.35x10 )/2 200 300 400 500 600 Drepth [nm] Głębokość [nm] lutowanie + bonding Charakterystyka I-V diody DW-P Profile domieszkowania Ko n cen tracja [cm-3] Termiczna dyfuzja boru 1,00E+19 1,00E+18 parametry dyfuzji boru: - 1800oC - 20 minut 1,00E+17 0 100 200 300 400 500 600 Głębokość [nm] Charakterystyka I-V diody DW-P Charakterystyka I-V diody DW-F 1200,00 pomiar ciągły pomiar impulsowy 1000,00 I [mA] 800,00 600,00 400,00 200,00 0,00 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 U [V] 3 Przebiegi czasowe diody DW-F Przebiegi czasowe diody DW-P Textronic 1002B Textronic 1002B Charakterystyka I-V diody dyfuzyjnej DW-F 2,5 Podsumowanie • Zrealizowane zostały wszystkie zadania ujęte w harmonogramie projektu PBZ SiC • Opracowano przewodnik dla realizacji testowych struktur diodowych uwzględniający specyfikę procesów pasywacji i terminacji złącza, wykonywania kontaktów omowych, lutowania oraz bondingu struktur z SiC • Wykonano demonstratory diod p-i-n w technologii implantacyjnej oraz dyfuzyjnej • Wykonane struktury diodowe charakteryzują się napięciem przewodzenia rzędu 3 V przy prądzie przewodzenia rzędu 10-20A oraz napięciami blokowania rzędu kilkuset woltów. 2 I [A] 1,5 1 0,5 0 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 -0,5 U [V] struktury nie wycięte z podłoża, widoczna podwyższona rezystancja szeregowa, Zestawienie publikacji 2007-2008: 1. Z.Lisik, A.Kubiak "Opracowanie technologii wytworzenia diody p-i-n w podłożu z SiC", VI Krajowa Konferencja Elektroniki, KKE 2007, Darłówko Wschodnie, ISBN 978-83-918622-5-4 11-13 czerwca 2007, 2007, str. 539 2. Z.Lisik, A.Kubiak, J.Kubiak „Procesy wygrzewania wysokotemperaturowego SiC", VI Krajowa Konferencja Elektroniki, KKE 2007, Darłówko Wschodnie, ISBN 978-83-918622-5-4 11-13 czerwca 2007, 2007, str. 567 3. Z.Lisik "Opracowanie metod projektowania oraz wytwarzania struktur i przyrządów w podłożu z węglika krzemu", VI Krajowa Konferencja Elektroniki, KKE 2007, Darłówko Wschodnie, ISBN 978-83-918622-5-4 11-13 czerwca 2007, 2007, str. 569-570 4. J.Szmidt, A.Konczakowska, M.Tłaczała, Z.Lisik, Z.Łuczy_ski, A.Olszyna "Nowe technologie na bazie w_glika krzemu i ich zastosowania w elektronice wielkich częstotliwości, dużych mocy i wysokich temperatur", VI Krajowa Konferencja Elektroniki, KKE 2007, Darłówko Wschodnie, ISBN 978-83-918622-5-4 11-13 czerwca 2007, 2007, str. 67 5. Z.Lisik, M.Bakowski, M.Sochacki, P.Śniecikowski, J.Szmidt, A.Jakubowski "Silicon carbide microelectronics - technology and design challenges", IX Konferencja Naukowa Technologia Elektronowa ELTE 2007, Kraków, Book of Abstracts, Invited Lectures; 4-7 września 2007, 2007, str. 43 6. J.Woźny, G.Donnarumma, Z.Lisik "Monte Carlo modelling of the hall efect in 4H-SiC", IX Konferencja Naukowa Technologia Elektronowa ELTE 2007, Kraków, Book of Abstracts, Posters; 4-7 września 2007, 7. A. Kubiak, E. Raj, P. Perek, „Termiczny model procesów procesów piecu wysokotemperaturowym”, KKE’08, Darłówko 24.VI.08, ss.278-280 8. Z. Lisik, A. Kubiak, Opracowanie technologii wytwarzania diody p-i-n w podłożu SiC, KKE’08, Darłówko 2-4.VI.08, ss.210217 9. G. Donnarumma, J. Woźny, Z. Lisik, „Monte Carlo Simulation of Bulk Semiconductors for Accurate Calculation of Drift Velocity as a Parametr for Drift-Diffusion, Hydrodynamic Models, EXMATEC’08, Łódź 1-4.VI.08, ss.75-76 10.A. Kubiak, A. Kalinowski, “Doping by High-Temperature Diffusion Processes in SiC”, EXMATEC’08, Łódź 1-4.VI.08, ss.63 11.A. Kubiak, Z. Lisik, J. Szmidt, M. Sochacki, “National Polish Silicon Carbide Project”, EXMATEC’08, Łódź 1-4.VI.08, ss.5152 12.M. Sochacki, A. Kubiak, Z. Lisik, J. Szmidt, “Power Devices In Polish National Silicon Carbide Project”, IEEE PEMC, Poznań 1-3.IX.08, ss.2483-2487. Zestawienie publikacji 2009-2010: 1. A. Kubiak, M. Sochacki, Z. Lisik, J. Szmidt, A. Konczakowska, R. Barlik, Power Devices in Polish National Silicon Carbide Program, Materials Science and Engineering B, 2009 vol. 165, p18-22 2. Perek P., Raj E., Kubiak A.: Importance of Convective Transport Mechanism in Modeling of HighTemperature Reactor, p. 313-318, 8th International Conference Microtechnology and Thermal Problems in Electronics MICROTHERM 2009. Politechnika Łódzka, 28.06.-01-07.2009. Łódź: 2009 3. A. Kubiak, Z. Lisik, Opracowanie technologii wytworzenia diody p-i-n w podłożu z SiC, VIII KKE Darłówko 2009 4. A. Kubiak, J. Rogowski, Boron and aluminum diffusion into 4H-SiC substrates, Łódź, Microtherm 2009 s.336-343, artykuł przyjęty do publikacji w roku 2010 w Materials Science and Engineering B 5. A. Kubiak, A. Kalinowski, Z. Lisik, Ł. Ruta, J. Woźny, Technology of SiC P-i-N diode fabrication, EXMATEC 2010, 19-21.05.2010, Darmstadt/Seeheim, Niemcy Zgłoszenia na zbliżające się konferencje: • KKE (Darłówko Wsch, V.2010) • 5th Wide Bandgap Materials (Zakopane, V-VI2010) • ELTE (Wrocław IX.2010) 4