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