Influence of the Masking Material and Geometry on the 4H-SiC RIE Etched Surface State

International audienceThe roughness of etched SiC surfaces must be minimized to obtain surfaces with a smooth aspect, avoiding micromasking artifacts originating from re-deposited particles during the etching process. Four varieties of masks, Al, Ni, Si and C, were deposited on the SiC surface by photolithographic process. The C structures were formed by annealing conversion of patterned thick photoresist. On these surfaces, dry etching was performed with an SF6/O2 plasma produced in a Reactive-Ion-Etching (RIE) reactor. Although a better aspect of the surface is obtained with Ni in comparison with Al mask, micromasking could also occur even with Ni if the mask design was not enough spaced out. With C and Si masks, which produce fluorides species with negative boiling temperature, smooth etched surface was obtained without micromasking, even for tight masks covering up to 90% of the SiC surface

Investigations on Ni-Ti-Al ohmic contacts obtained on p-type 4H-SiC

International audienceTransfer Length Method (TLM) based-structures were fabricated on 0.8 µm-thick epitaxial p-type Silicon Carbide (4H-SiC) layers. TLM mesas were defined by a 2 µm height using an SF 6 /O 2 reactive ion etching. TLM metal patterns were obtained by a lift-off procedure and electron beam deposition of Ni, Ti, Al and Pt. The patterned samples were annealed in Argon ambient at temperature ranging from 700°C up to 1000°C in a RTA furnace with a rapid heating ramp (up to 50°C/s) to complete the ohmic contact with the p-type SiC layer. Specific contact resistances were extracted from current/voltage measurements. To identify and follow the profile evolution of constituting element in the contacts and at the SiC/contact interface, the ohmic contacts were characterized using Secondary Ion Mass Spectrometry and Energy-Dispersive X-Ray spectroscopy before and after annealing. Ohmic contacts are obtained only for the Ni/Ti/Al and Ni/Ti/Al/Ni stacking layers and not for the Ti/Al/Ti/Ni and Ti/Al/Ti/Pt/Ni compositions. The specific contact resistance of Ni/Ti/Al/Ni stacking layers was observed to decrease from 2.7×10-4  .cm 2 at 700°C and 6.3×10-5 .cm 2 at 750°C to a minimal value of 1.5×10-5  .cm 2 at 800°C. Ohmic contacts are obtained with a reproducibility of 80 %

Technologie d'intégration monolithique des JFET latéraux

Le carbure de silicium (SiC) est un semi-conducteur à large bande d énergie interdite, remarquable par ses propriétés physiques situées à mi-chemin entre le silicium et le diamant. Ceci suscite actuellement un fort intérêt industriel pour son utilisation dans la fabrication de composants susceptibles de fonctionner dans des conditions extrêmes : forte puissance et haute température. Les travaux de thèse se sont focalisés sur la levée de verrous technologiques pour réaliser des composants latéraux de type JFET (Junction Field Effect Transistor) et les intégrer monolithiquement dans des substrats SiC-4H. L objectif est de réaliser un bras d onduleur intégré en SiC avec deux étages commande et puissance. Dans un premier temps, nous avons entamé cette thèse par une caractérisation de deux lots de composants JFET latéraux à canaux N et P réalisés dans le cadre de deux projets ANR précédents cette thèse. De cette étude nous avons extrait plusieurs points positifs, comme celui qui concerne la tenue en tension des JFET de puissance et l intégration monolithique des JFET basse tension. Mais, nous avons aussi mis en évidence, la nécessité d optimiser la structure de composants et d améliorer certaines étapes technologiques, principalement, la définition des canaux par implantation ionique, le contact ohmique et la gravure profonde. Des études approfondies pour réaliser le contact ohmique sur SiC type P et des procédés pour réaliser une gravure profonde dans le SiC ont été développés. Ces études ont permis d obtenir une faible résistance de contact comparable à l état de l art mondial, d avoir des calibres en courant plus élevés et par conséquent une meilleure modulation. Pour la gravure, un masque dur à base de silicium et nickel (NiSi), nous a permis de mettre en place un procédé original qui permet des gravures profondes du SiC et réaliser les structures intégrés des JFET. L ensemble de ces améliorations technologiques nous a permis d obtenir des nouveaux lots de composants JFET P et N intégrés sur la même puce, avec des meilleures performances par rapport aux précédentes réalisations, notamment avec une conduction dans les canaux 10 à 100 fois plus importante. Nous avons également obtenu une modulation du courant Ids en fonction de la tension Vgs sur un nombre très important de JFET en augmentant significativement le rendement par rapport aux lots précédents.Silicon carbide (SiC) a semiconductor is as wide band gap, notable for its physical properties located between silicon and diamond. The inherent properties of silicon carbide (SiC) high thermal conductivity, and high breakdown voltage make it a very promising material for high power, high temperature and high-frequency device applications. The thesis focused on the removal of technological barriers to achieve lateral components JFET (Junction Field Effect Transistor) and monolithically integrated in SiC-4H substrates. The objective is to realize an arm of inverter integrated there SIC with two floors command and power. Initially, we started this thesis by a characterization of two lots of components JFET with channels N and P realized during two previous ANR this thesis. In this study, we extracted several positive points, such, the breakdown voltage of the JFET power and monolithic integration of low voltage JFET. But we have also highlighted the need to optimize the structure of components and improve some technological steps, mainly the definition channels by ion implantation, the ohmic contact and deep etching. Extensive to achieve ohmic contact on SiC P type and methods for performing deep etching in SiC studies have been developed. These studies have resulted in a low resistance comparable to the state of the art world contact, having sizes in higher current and therefore a better modulation. For etching, a hard mask to silicon and nickel (NiSi) has enabled us to develop a novel method that allows deep etching of SiC JFETs achieve integrated structures. All these technological improvements allowed us to get new batches of P and N JFET integrated on the same chip components with better performance compared to previous achievements, especially with conduction channels 10 to 100 times important. We also got a modulation current Ids as a function of the voltage Vgs on a large number of JFET significantly increasing the performance compared to previous batches.VILLEURBANNE-DOC'INSA-Bib. elec. (692669901) / SudocSudocFranceF

Technologie d’intégration monolithique des JFET latéraux

Silicon carbide (SiC) a semiconductor is as wide band gap, notable for its physical properties located between silicon and diamond. The inherent properties of silicon carbide (SiC) high thermal conductivity, and high breakdown voltage make it a very promising material for high power, high temperature and high-frequency device applications. The thesis focused on the removal of technological barriers to achieve lateral components JFET (Junction Field Effect Transistor) and monolithically integrated in SiC-4H substrates. The objective is to realize an arm of inverter integrated there SIC with two floors command and power. Initially, we started this thesis by a characterization of two lots of components JFET with channels N and P realized during two previous ANR this thesis. In this study, we extracted several positive points, such, the breakdown voltage of the JFET power and monolithic integration of low voltage JFET. But we have also highlighted the need to optimize the structure of components and improve some technological steps, mainly the definition channels by ion implantation, the ohmic contact and deep etching. Extensive to achieve ohmic contact on SiC P type and methods for performing deep etching in SiC studies have been developed. These studies have resulted in a low resistance comparable to the state of the art world contact, having sizes in higher current and therefore a better modulation. For etching, a hard mask to silicon and nickel (NiSi) has enabled us to develop a novel method that allows deep etching of SiC JFETs achieve integrated structures. All these technological improvements allowed us to get new batches of P and N JFET integrated on the same chip components with better performance compared to previous achievements, especially with conduction channels 10 to 100 times important. We also got a modulation current Ids as a function of the voltage Vgs on a large number of JFET significantly increasing the performance compared to previous batches.Le carbure de silicium (SiC) est un semi-conducteur à large bande d’énergie interdite, remarquable par ses propriétés physiques situées à mi-chemin entre le silicium et le diamant. Ceci suscite actuellement un fort intérêt industriel pour son utilisation dans la fabrication de composants susceptibles de fonctionner dans des conditions extrêmes : forte puissance et haute température. Les travaux de thèse se sont focalisés sur la levée de verrous technologiques pour réaliser des composants latéraux de type JFET (Junction Field Effect Transistor) et les intégrer monolithiquement dans des substrats SiC-4H. L’objectif est de réaliser un bras d’onduleur intégré en SiC avec deux étages commande et puissance. Dans un premier temps, nous avons entamé cette thèse par une caractérisation de deux lots de composants JFET latéraux à canaux N et P réalisés dans le cadre de deux projets ANR précédents cette thèse. De cette étude nous avons extrait plusieurs points positifs, comme celui qui concerne la tenue en tension des JFET de puissance et l’intégration monolithique des JFET basse tension. Mais, nous avons aussi mis en évidence, la nécessité d’optimiser la structure de composants et d’améliorer certaines étapes technologiques, principalement, la définition des canaux par implantation ionique, le contact ohmique et la gravure profonde. Des études approfondies pour réaliser le contact ohmique sur SiC type P et des procédés pour réaliser une gravure profonde dans le SiC ont été développés. Ces études ont permis d’obtenir une faible résistance de contact comparable à l’état de l’art mondial, d’avoir des calibres en courant plus élevés et par conséquent une meilleure modulation. Pour la gravure, un masque dur à base de silicium et nickel (NiSi), nous a permis de mettre en place un procédé original qui permet des gravures profondes du SiC et réaliser les structures intégrés des JFET. L’ensemble de ces améliorations technologiques nous a permis d’obtenir des nouveaux lots de composants JFET P et N intégrés sur la même puce, avec des meilleures performances par rapport aux précédentes réalisations, notamment avec une conduction dans les canaux 10 à 100 fois plus importante. Nous avons également obtenu une modulation du courant Ids en fonction de la tension Vgs sur un nombre très important de JFET en augmentant significativement le rendement par rapport aux lots précédents

Technology of monolithic integration of Side JFET

Le carbure de silicium (SiC) est un semi-conducteur à large bande d’énergie interdite, remarquable par ses propriétés physiques situées à mi-chemin entre le silicium et le diamant. Ceci suscite actuellement un fort intérêt industriel pour son utilisation dans la fabrication de composants susceptibles de fonctionner dans des conditions extrêmes : forte puissance et haute température. Les travaux de thèse se sont focalisés sur la levée de verrous technologiques pour réaliser des composants latéraux de type JFET (Junction Field Effect Transistor) et les intégrer monolithiquement dans des substrats SiC-4H. L’objectif est de réaliser un bras d’onduleur intégré en SiC avec deux étages commande et puissance. Dans un premier temps, nous avons entamé cette thèse par une caractérisation de deux lots de composants JFET latéraux à canaux N et P réalisés dans le cadre de deux projets ANR précédents cette thèse. De cette étude nous avons extrait plusieurs points positifs, comme celui qui concerne la tenue en tension des JFET de puissance et l’intégration monolithique des JFET basse tension. Mais, nous avons aussi mis en évidence, la nécessité d’optimiser la structure de composants et d’améliorer certaines étapes technologiques, principalement, la définition des canaux par implantation ionique, le contact ohmique et la gravure profonde. Des études approfondies pour réaliser le contact ohmique sur SiC type P et des procédés pour réaliser une gravure profonde dans le SiC ont été développés. Ces études ont permis d’obtenir une faible résistance de contact comparable à l’état de l’art mondial, d’avoir des calibres en courant plus élevés et par conséquent une meilleure modulation. Pour la gravure, un masque dur à base de silicium et nickel (NiSi), nous a permis de mettre en place un procédé original qui permet des gravures profondes du SiC et réaliser les structures intégrés des JFET. L’ensemble de ces améliorations technologiques nous a permis d’obtenir des nouveaux lots de composants JFET P et N intégrés sur la même puce, avec des meilleures performances par rapport aux précédentes réalisations, notamment avec une conduction dans les canaux 10 à 100 fois plus importante. Nous avons également obtenu une modulation du courant Ids en fonction de la tension Vgs sur un nombre très important de JFET en augmentant significativement le rendement par rapport aux lots précédents.Silicon carbide (SiC) a semiconductor is as wide band gap, notable for its physical properties located between silicon and diamond. The inherent properties of silicon carbide (SiC) high thermal conductivity, and high breakdown voltage make it a very promising material for high power, high temperature and high-frequency device applications. The thesis focused on the removal of technological barriers to achieve lateral components JFET (Junction Field Effect Transistor) and monolithically integrated in SiC-4H substrates. The objective is to realize an arm of inverter integrated there SIC with two floors command and power. Initially, we started this thesis by a characterization of two lots of components JFET with channels N and P realized during two previous ANR this thesis. In this study, we extracted several positive points, such, the breakdown voltage of the JFET power and monolithic integration of low voltage JFET. But we have also highlighted the need to optimize the structure of components and improve some technological steps, mainly the definition channels by ion implantation, the ohmic contact and deep etching. Extensive to achieve ohmic contact on SiC P type and methods for performing deep etching in SiC studies have been developed. These studies have resulted in a low resistance comparable to the state of the art world contact, having sizes in higher current and therefore a better modulation. For etching, a hard mask to silicon and nickel (NiSi) has enabled us to develop a novel method that allows deep etching of SiC JFETs achieve integrated structures. All these technological improvements allowed us to get new batches of P and N JFET integrated on the same chip components with better performance compared to previous achievements, especially with conduction channels 10 to 100 times important. We also got a modulation current Ids as a function of the voltage Vgs on a large number of JFET significantly increasing the performance compared to previous batches

The channeling effect of Al and N ion implantation in 4H–SiC during JFET integrated device processing

International audienceA strong channeling effect is observed for the ions of Al and N implanted in 4H–SiC due to its crystalline structure. This effect causes difficulties in subsequent accurate estimation of the depth of junctions formed by multiple ion implantation steps. A variety of lateral JFET transistors integrated on the same 4H–SiC wafer have been fabricated. Secondary Ion Mass Spectrometry measurements and Monte-Carlo simulations were performed in order to quantify and control the channeling effect of the implanted ions. A technological process was established enabling to obtain devices working with the presence of the channeling effect

P-Type Doping of 4H-SiC for Integrated Bipolar and Unipolar Devices

International audienceP-type 4H-SiC layers formed by ion implantation need high temperature processes, which generate surface roughness, losing and incomplete activation of dopants. Due to dopant redistribution and channeling effect, it is difficult to predict the depth of the formed junctions. Vapor-Liquid-Solid (VLS) selective epitaxy is an alternative method to obtain locally highly doped p-type layers in the 1020 cm-3 range or more. The depth of this p-type layers or regions is accurately controlled by the initial Reactive-Ion-Etching (RIE) of the SiC. Lateral Junction Field Effect Transistor (JFET) devices are fabricated by integrating p-type layers created by Al ion implantation or VLS growth. The p-type VLS layers improve the access resistances on the electrodes of the fabricated devices

600 V PiN diodes fabricated using on-axis 4H silicon carbide

International audienceThis paper reports the fabrication and electrical characterization of PiN diodes on an on-axis grown epitaxial layer. TCAD simulations have been performed in order to design their architecture. Some of these diodes have a breakdown voltage around 600 V. A comparison is made with similar diodes fabricated on off-cut grown layers. Computer simulations are used to explain lower breakdown voltages than those expected