G의 PCOR-SIMS 분석a실리콘 기판에서 성장한 N HEMT 에피 택셜 레이어

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AlGaN / GaN 헤테로 구조 전계 효과 트랜지스터 (HFET) 강렬한 연구 대상이었으며 현재 마이크로파 주파수에서 고전압, 고전력 작동에 사용하기 위해 생산에 들어갔다. GaAs 기반 물질로 제조 된 유사한 장치와 비교하여, GaN 큰 피크 전자 속도, 높은 열 안정성 및 큰 밴드 갭을 가지며, 이들은 모두 마이크로파 전력 장치에서 채널 재료로서 매우 적합하다. AlGaN / GaN 기반 HFET의 성능에 더 기여하는 것은 시트 캐리어 농도가 2 인 2 차원 전자 가스 (10DEG)를 형성하는 능력이다13/센티미터2. 이러한 장치는 일반적으로 고 전자 이동 트랜지스터 (HEMT)라고합니다.

그러나 가공 영역은 2DEG 층이 성장하는 기판이다. GaN 기판에서의 성장은 성장되는 층과 격자 사이의 정확한 매칭 때문에 이상적이다. 이것은 기판으로부터 2DEG를 분리하기 위해 성장 된 임의의 GaN 버퍼층이 디바이스의 활성 영역에서 결함을 피하기 위해 매우 두꺼울 필요는 없다는 것을 의미한다. 불행하게도, GaN 기판은 현재 비용면에서 상업적으로 실행 가능하도록 충분히 큰 크기로 성장 될 수 없다. 따라서 대체 기질을 사용해야합니다. 단결정 SiC는 전기적 및 열 전도성 때문에 주로 사용되고 있지만 주로 GaN (3 %)과 매우 유사하게 매칭되어 있기 때문에 SiC가 사용됩니다. 그러나, 그것도 상당히 비쌉니다. 사파이어 기판은 가격이 저렴하지만 열 전도성이 좋지 (고전력 소자의 경우 단점) GaN 격자 부정합이 더 높습니다 (13 %). 따라서 실리콘은 이미 확립 된 제조 툴 및 공정 기반으로 인해 잠재적 인 기판으로 주목 받고 있습니다. 그러나, Si는 그 위에 성장 된 GaN에서 많은 결함의 성장을 촉진시키는 GaN과 매우 불일치한다. 이것은 디바이스의이 영역에서 결함 밀도를 감소시키기 위해 Si 기판과 2DEG 형성층 사이에서 성장되는 AlGaN의 두꺼운 버퍼층을 필요로한다. 이에 대한 예가 그림 1 및 2에 나와 있습니다.

igure 1 PCOR-SIMSSM으로 측정 한 HEMT 에피의 중심 비교 및 ​​에지 비교.

그림 1 PCOR-SIMS로 측정 한 HEMT 에피의 중심 및 에지 비교SM.

그림 1는 Point-by-Point Corrected SIMS (PCOR-SIMSSM) 심도있는 프로필 150mm 직경 Si 웨이퍼상에서 성장한 완전한 GaN HEMT 구조. (구조체의 2DEG 영역은 표면에서 거의 감지 할 수 없지만 나중에 설명하겠다.)이 예에서 버퍼층은 AlN 층으로 시작한다. 이 물질은 밑에있는 Si와 격자 정합이 잘 이루어지지 않았지만 기판 위에 절연 층을 격리시키는 절연 층을 제공합니다. 또한, AlN은 연속적으로 낮은 Al 레벨을 갖는 연속적인 AlGaN 층을 성장시키는 시드 층으로서 작용한다. 감소하는 Al 함량은 GaN 장벽 층이 성장할 때까지 결함 밀도를 수용 가능한 수준으로 낮추고, 왼쪽 아래 TEM 그림 2에서 샘플의 현미경 사진. PCOR-SIMSSM 분석은 다양한 Al 및 Ga 원자 분율과 층 두께를 정확하게 측정합니다.

그림 1은 또한 GaN 배리어 층의 아래쪽 절반이 탄소로 도핑되었음을 보여줍니다. 이 탄소 도핑은 AlGaN 버퍼 내의 불순물 (주로 그림에서와 같이 Si 및 O)에 의한 의도하지 않은 n 형 도핑을 보상하고 파괴 전계 강도를 증가시킵니다. 그러나이 그림은 웨이퍼의 가장자리에서 버퍼의 GaN 부분의 탄소 도핑이 중심보다 10 배 더 높다는 것을 보여줍니다. 이것은 150mm 웨이퍼의 여러 위치에서 장벽 층의 전기장 감소 특성에 상당한 영향을 미칩니다. 그러나, 완충층의 탄소 함유량 및 층 두께는 웨이퍼의 중심과 에지 사이에서 더 유사하다는 것을 알 수있다. 장벽 층의 탄소 수준 (Si 및 O 수준뿐만 아니라)은 너무 높으면 장치의 누출로 이어질 수 있으므로 중요합니다.

2DEG 부근에서, 탄소 도핑은 수직 누설 전류를 촉진시키고, 2DEG 채널 전자의 캐리어 밀도 및 캐리어 이동성의 저하를 유발하고, 동적 온 - 저항 및 전류 붕괴를 증가시키는 것으로보고되었으며, 이들 모두는 해로운 영향을 미친다 장치 성능 및 신뢰성 2DEG 및 소자 특성에 대한 탄소 도핑의 유해한 특성에도 불구하고, 활성층 (AlN 스파이크 및 AlGaN 장벽 층)의 잔류 탄소 레벨을 다루는보고는 거의 없다. 이것은 아마도 표면 근처에있는 탄소를 측정하는 것이 버퍼층 깊숙한 곳에서 발생하는 스레딩 전위 (표면에 도달 함)로 인해 항상 존재하는 표면 피트에 의해 심각하게 방해 받기 때문입니다 (그림 2 참조).

PCOR-SIMS - 그림 2 표면 피트 생성 (위)과 세부 묘사의 높은 배율 (아래)의 단면 TEM 이미지입니다.

그림 2 표면 구덩이 생성 (위)과 세부 묘사의 높은 배율 (아래)의 단면 TEM 이미지입니다.

탄소는 공기가 노출 된 상부 표면에 흡착되어 완전히 제거되지 않습니다. SIMS 분석 서비스 스퍼터링 공정을 통해 전체 피트가 스퍼터링 될 때까지. 이 인위적으로 깊은 탄소 프로파일은 2DEG 지역의 실제적이고 중요한 탄소 분포를 완전히 가릴 수 있습니다.

이 문제를 회피하기 위해 우리는 독점적 인 표면 표면에서 탄소의 대부분을 제거하여 탄소 프로파일 (그림 3)의 깊은 꼬리를 제거하는 세척 절차. 이것은 2DEG 바로 아래의 AlN 스파이크뿐만 아니라 2DEG 바로 위의 AlGaN 장벽 층에서 실제 탄소 농도를 측정 할 수있게 해줍니다.

PCOR-SIMS -받은 3DEG 영역의 C (빨간색) 및 청소 후 (파란색)의 그림 2 SIMS 프로파일.

그림 3 수신 된 2DEG 영역의 C에 대한 SIMS 프로파일 (빨간색)과 청소 후 (파란색).

버퍼층은 또한 Fe 및 Mg로 도핑 될 수있다. 이는 또한 매우 낮은 검출 한계 (그림 4)로 SIMS로 측정 할 수 있습니다. GaN 장벽 층 내부의 Fe 프로파일의 피크에 주목하십시오. 이 첨단은 웨이퍼 가장자리에 존재하지 않으므로 대형 기판 전반에 걸친 균일 한 층 성장을 어렵게합니다.

PCOR-SIMS - HEMT epi에서의 4 Fe 및 Mg 불순물 SIMS 측정.

그림 4 HEMT epi에서의 Fe 및 Mg 불순물 SIMS 측정.

GaN 장벽 층에서 비금속 불순물 수준을 제어하는 ​​것도 중요합니다. 예를 들어, Si 레벨은 2DEG 바로 아래의 GaN에서 가능한 한 낮아야한다. 왜냐하면 도펀트가 없을 때 소자가 기능하기 때문이다. 그림 5에서 볼 수 있듯이, 10 중반부에서 Si 검출 한계를 얻을 수 있습니다14원자 / cm3범위; 2 × 10을 볼 수있을 정도로 낮음15원자 / cm3 Si 레벨은 2DEG 바로 아래에 있습니다.

그림 5는 또한 GaN 장벽 층의 H 불순물 수준을 보여줍니다. 수소는 장치의 신뢰성에 해로운 영향을 미칠 수 있으므로 H 레벨을 가능한 한 낮게 유지하려고 시도합니다. 그러나,이 예에서, 배리어 층의 탄소가 도핑 된 부분의 H 레벨은 가볍게 상승한 것을 알 수있다. 이것은 아마도 탄소 도핑에 사용되는 원료 가스에서 발생합니다.

PCOR-SIMS - 그림 5 HEMT epi의 GaN 장벽 층에서 H와 Si의 낮은 검출 한계 측정.

그림 5 HEMT epi의 GaN 장벽 층에서 H와 Si의 낮은 검출 한계 측정.

구조 표면 근처의 영역은 장치의 전류 흐름을 담당하는 2DEG가 형성되는 곳입니다. 얇은 도핑 된 AlGaN 층과 도핑되지 않은 GaN 층 사이의 전도 대역 불연속으로 인해 2DEG가 형성된다. 이것은 전자가 축적되는 삼각 양자 우물을 만든다. 이 활성 영역은 매우 얇으며 (20-30nm) SIMS로 정확하게 측정 할 수 있습니다. 그림 6은 HEMT의 2DEG 형성 영역의 C, H, O 및 Si 불순물과 함께 AlGaN 상단 레이어를 찾는 Al을 보여주는 PCOR-SIMS 프로파일을 보여줍니다.

PCOR-SIMS - 그림 6 HEMT 장치의 채널 영역 높은 깊이 해상도 PCOR-SIMS 프로파일 링.

그림 6 채널 영역 높은 깊이 해상도 HEMT 장치의 PCOR-SIMS 프로파일 링.

이 층은 구조물의 상부에 있기 때문에 표면의 영향을 최소화하기위한 조치를 취하는 것이 중요합니다 오염 공기에 노출 된 표면에 항상 존재합니다. 그림 6에서, 샘플 표면에 처음 존재하는 탄소는 당사의 독자적인 표면 세척 절차를 사용하여 제거되어 AlGaN 층에서 1-2x10 수준으로 탄소 도핑 수준을 측정 할 수 있습니다.17원자 / cm3 샘플의 15nm 내.

그림 6은 또한 디바이스 엔지니어에게 또 다른 중요한 정보 인 AlGaN 장벽 층의 두께를 제공합니다. 이것은 게이트의 전위가 2DEG의 전자 밀도를 제어하고 그에 따라 소자의 컨덕턴스를 제어해야하는 층입니다. 이것은 그림 6의 선형 플롯 삽입 그림에서 볼 수 있습니다.

그림 7은 그림 6의 선택된 프로파일이 로그 영역이 아닌 선형 스케일로 플롯되어 동일한 영역의 단면 TEM 현미경 사진에 중첩되어 있음을 보여줍니다. Al 프로파일은 AlGaN의 도너로부터 쿨롱 산란을 완화시킴으로써 2DEG에서 캐리어 이동성을 향상시키기 위해 구조에 포함 된 AlN 델타 레이어의 위치를 ​​나타낸다. 우리는 TEM 현미경 사진에서 AlN 델타 층의 실제 너비가 AlGaN 층의 일정한 레벨보다 높은 Al 프로파일의 반 너비 반 (FWHM)에 의해 정확하게 측정된다는 것을 알 수있다. GaN은 그림 3에 표시된 표면 구덩이 때문입니다.

PCOR-SIMS- 그림 7 임의 전도도 변화 곡선을 갖는 HEMT 채널 영역의 상세한 분석을 보여주는 SIMS 및 단면 TEM의 오버레이.

그림 7 임의의 전도도 변화 곡선을 갖는 HEMT 채널 영역의 상세한 분석을 보여주는 SIMS 및 단면 TEM의 오버레이.

탄소 프로파일은 인터페이스의 정확한 위치 (Al 프로파일로 표시)와 관련하여 도핑 위치를 나타내도록 플롯됩니다. TEM은 EDX (energy dispersive X-ray spectrometry) 또는 EELS (electron energy loss spectroscopy)를 사용하여 탄소를 검출하는 데 사용할 수 없습니다.

또한 표면 전도도를 유추 할 수있는 순간 표면 전위의 영향을받는 프로파일 (적색)을 보여줍니다. 2DEG는 GaN 내부에 형성되며, 구멍이 쌓이는 장벽 층 안의 전도도가 감소한 영역을 통과 한 후 샘플 전도도가 회복되는 정확한 깊이임을 플롯에서 확인할 수 있습니다.

결론적으로, 우리는 GaN HEMT의 매트릭스 원소 및 도펀트의 정확한 농도를 결정하는 데 Point-by-Point Corrected SIMS (PCOR-SIMS)를 사용할 수있는 방법과 이러한 결과가 에피 택셜 층의 성장과 실패를 최적화하는 데 어떻게 사용될 수 있는지를 보여 주었다 분석. 질문이 있으시면 GaN HEMT 분석 요구 사항을 EAG에 언제든지 문의하십시오.

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