SIMS를 사용하여 HEMT를 정밀하게 조사

버퍼층에서 소자의 최상부까지, SIMS의 새로운 형태는 GaN-on-silicon HEMT에서 문제가있는 불순물을 밝힐 수있다.

Temel H. Buyuklimanli와 Charles W. Magee 저

화합물 반도체 제조 업계에서 가장 큰 관심을 끄는 장치 중 하나는 GaN 기반 HEMT (GaN FET라고도 함)입니다. 고전압에서 작동하고 극초단파 주파수에서 높은 전력을 제공 할 수있는이 기능은 기지국 및 레이더를 포함한 다양한 방위 애플리케이션에 적합한 매력적인 후보가됩니다.

이 넓은 밴드 갭 HEMT의 인상적인 성능은 GaN과 관련된 특정 물질 특성에 기인합니다. 마이크로 웨이브 영역에서 전력을 생성하는 데에도 사용 된 GaAs 기반의 물질과 비교할 때, GaN은보다 큰 피크 전자 속도를 갖는다. 높은 열 안정성; 더 큰 밴드 갭. 이러한 모든 특성은 GaN을 HEMT 채널에 매우 적합한 재료로 만든다. 이러한 구조에서 종종 AlGaN과 쌍을 이루어 2 차원 전자 가스 (2DEG)를 형성하는데, 이는 장치의 가장 핵심에 놓여 있으며, 전기적 특성을 지시합니다.

GaN HEMT의 제조에 가장 적합한 기판을 선택하는 것은 쉽지 않습니다. 성능면에서 볼 때, GaN은 이상 층과 기초 사이의 완벽한 격자 일치를 보장하기 때문에 이상적입니다. 그러한 기판이 실용적이라면, 기판의 역할을 할 수 있기 때문에 상대적으로 얇은 완충층을 사용할 수있다. 2DEG의 역할은 기판의 활성 영역에서 높은 수준의 결함을 방지 할 필요가 없다. 장치. 그러나 오늘날 GaN 기판은 가격을 상업적으로 실현하기에 충분히 큰 크기로 성장 될 수 없다. 결과적으로, GaN HEMT는 외부 기판상에서 성장되어야한다. 한 가지 공통적 인 선택은 우수한 전기 및 열 전도성과 GaN에 가까운 격자 상수를 결합한 단결정 SiC입니다. 그 차이는 단지 3 퍼센트입니다. 그러나 GaN만큼 비싸지는 않지만 SiC는 여전히 비싸다.

그림 1. Evans Analytical Group에서 개척 한 PCOR-SIMS 기술은 GaN-on-silicon HEMT의 중심과 가장자리를 비교하는 데 사용할 수 있습니다. 프로파일이 알루미늄 및 갈륨 원자 분율 및 층 두께에 대해 정확한 값을 제공하지만 구조의 2DEG 영역은 표면에서 거의 감지 할 수 없음을 유의하십시오. 그러나 후자의 그림에서 볼 수 있듯이 그 성격은 PCOR-SIMS에 의해 밝혀 질 수 있습니다.

그림 1. EAG Laboratories에서 개척 한 PCOR-SIMS 기술을 사용하여 GaN-on-silicon HEMT의 중심과 가장자리를 비교할 수 있습니다. 프로파일이 알루미늄 및 갈륨 원자 분율 및 층 두께에 대해 정확한 값을 제공하지만 구조의 2DEG 영역은 표면에서 거의 감지 할 수 없음을 유의하십시오. 그러나 후자의 그림에서 볼 수 있듯이 그 성격은 PCOR-SIMS에 의해 밝혀 질 수 있습니다.

더 싼 대안은 사파이어이지만 고전력 소자의 경우 불리한 열전 도성을 가지며 GaN과의 격자 부정합은 13 퍼센트입니다. 이러한 단점으로 인해 저렴한 비용의 옵션으로 실리콘이 주목되고 있습니다. 가장 큰 장점은 기존의 제조 도구 및 공정을 기반으로하는 것입니다. 그러나, 그것은 또한 약점을 가지고 있는데, 이는 epilayers에서 높은 밀도의 결함을 일으키는 GaN과의 매우 큰 격자 불일치를 포함한다. 활성층에서의 결함 밀도가 너무 높아서 소자 성능이 허용되지 않는 것을 방지하기 위해, 두꺼운 AlGaN 버퍼층이 기판과 2DEG 형성층 사이에 삽입된다.

그림 2. 단면 투과 전자 현미경 이미지는 표면 피트의 생성 (위)과 세부 묘사의 높은 배율 (아래)을 나타냅니다.

그림 2. 단면 투과 전자 현미경 이미지는 표면 피트의 생성 (위)과 세부 묘사의 높은 배율 (아래)을 나타냅니다.

HEMT의 정밀 조사

GaN-on-silicon HEMT에 대해 많은 것을 밝힐 수있는 특성화 기술은 'Pointby point Corrected'SIMS 또는 PCOR-SIMS로 알려진 2 차 이온 질량 분광법의 변형입니다.

그림 3. SIMS 프로파일은 탄소 프로파일을 측정하기 전에 세척의 중요성을 강조합니다.

그림 3. SIMS 프로파일은 탄소 프로파일을 측정하기 전에 세척의 중요성을 강조합니다.

우리는 이것을 EAG Laboratories에서 개발했습니다. 일반 SIMS와 비교하여 층 두께, 조성 및 도핑 프로파일을보다 정확하게 결정할 수 있습니다. 왜냐하면 모든 데이터 포인트에서 합금 구성과 관련하여 보정이 수행되기 때문입니다.

이 기사의 나머지 부분에서는 150DEG 주변의 영역으로 끝내고 완충층으로 시작하여 2 mm 실리콘으로 성장한 GaN HEMT 또는 GaN FET를 살펴볼 것입니다 (그림 1 참조). 이번 여행에서 우리는 장치 프로파일 링에 대한 피트의 영향에 대해 언급 할 것입니다. 장치 성능을 저해 할 수있는 불순물을 찾아냅니다. 장치의 채널 구성을 이해합니다.

우리는 AlN으로 만들어진 버퍼 층으로 여행을 시작합니다. 이 물질은 밑에있는 실리콘에 격자 정합이 잘되어 있지 않지만 두 가지 중요한 목적을 제공합니다. 즉, 기판 위에 절연 층을 제공하는 절연 층을 제공합니다. AlGaN의 후속 층의 성장을 보조하여 연속적으로 알루미늄 함량을 감소시키는 시드 층으로서 작용한다. AlGaN에서 알루미늄의 비율을 감소시킴으로써, 결함 밀도는 GaN 장벽의 후속 성장을위한 수용 가능한 수준으로 감소된다.

그림 1에서 보여지는 PCOR-SIMS 프로파일에 의해 제공되는 또 다른 통찰력은 GaN 배리어 층의 아래쪽 절반이 탄소로 도핑된다는 것이다. 이것은 비 의도적 n(주로 실리콘 및 산소)에 의한 n 형 불순물의 확산을 억제하고, 파괴 항복 강도의 향상을 도모한다. 불행히도 웨이퍼의 가장자리에서 버퍼의 GaN 부분의 탄소 도핑은 중심보다 10 배 더 높습니다 (그림 1). 이것은 장벽 층이 150 mm 웨이퍼에서 변하는 전계를 감소시키는 능력에 상당한 영향을 미친다.

좋은 소식은 AlGaN의 성장이 시작되는 기판 위의 더 큰 수직 거리에서 웨이퍼의 중심과 에지 사이의 두께 및 도핑 레벨의 변화가 훨씬 작다는 것이다. 탄소가 과도하게 높으면 장치의 누출로 이어질 수 있기 때문에 실리콘과 산소의 수준뿐만 아니라 탄소 수준을 모니터링하는 것이 중요합니다.

보고서에 따르면 탄소 누설은 수직 누설 전류를 촉진하기 때문에 2DEG 부근에서 주요 문제입니다. 이는 캐리어 밀도 및 2DEG 채널 전자의 캐리어 이동성을 열화시켜 동적 온 - 저항 및 전류 붕괴를 증가시키기 때문에 매우 바람직하지 않다. 이러한 모든 변화는 장치 성능과 신뢰성을 저해합니다.

2DEG 및 소자 특성에 대한 탄소 도핑의 유해한 특성에도 불구하고, 활성층 (AlN 스파이크 및 AlGaN 장벽 층)의 잔류 탄소 레벨을 고려한 몇 가지보고 만있다. 이것은 아마도이 가까운 표면 영역의 탄소 측정이 버퍼층의 깊은 곳에서 시작하여 표면에 도달하는 스레딩 전위로 인해 항상 존재하는 표면 피트에 의해 심각하게 방해 받기 때문입니다 (그림 2 참조).

이 지역에서는 탄소 프로파일을 정확하게 측정하는 것이 쉽지 않습니다. 탄소 함유 종은 공기 노출 된 상부 표면 상에 흡착되며, 전체 피트가 스퍼터링 될 때까지 SIMS 스퍼터링 공정에 의해 완전히 제거되지 않는다. 이것은 2DEG 지역의 실제 탄소 분포를 완전히 가릴 수있는 인위적으로 깊은 탄소 프로파일로 이어진다.

이 문제를 회피하기 위해 우리는 표면에서 대다수의 탄소를 제거하는 독점적 인 표면 세척 절차를 개발하여 탄소 프로파일의 깊은 꼬리를 제거했습니다 (그림 3 참조). 덕분에 2DEG 바로 위의 AlGaN 장벽 층과 그 바로 아래의 AlN 스파이크의 탄소 농도에 대한 정확한 측정이 가능합니다.

철 및 마그네슘은 완충층을 도핑하는 데에도 사용할 수 있습니다. 이러한 요소의 경우 SIMS는 매우 낮은 검출 한계를 제공합니다. 이것은 그림 4에서 분명합니다. GaN 장벽 내부의 철 프로파일에 피크를 나타냅니다. 이 피크는 웨이퍼의 가장자리에 없으며 큰 기판에 걸친 균일 한 층 성장을 어렵게합니다.

그림 4. 철 및 마그네슘 불순물은 SIMS 측정에 의해 HEMT에서 노출됩니다.

그림 4. 철 및 마그네슘 불순물은 SIMS 측정에 의해 HEMT에서 노출됩니다.

GaN 장벽 층의 비금속 불순물을 제어하는 ​​것도 중요합니다. 2DEG 바로 아래에있는 GaN 내의 실리콘 레벨은 가능한 한 낮아야 만하는데, 그 이유는 디바이스가 불순물이없는 상태에서 기능하도록 설계 되었기 때문입니다. SIMS는 10 중반에서 실리콘 검출 한계를 나타낼 수 있습니다.14 원자 / cm3 범위, 문제가있는 2 x 10을 (를) 볼 수있을 정도로 낮습니다.15원자 / cm3 실리콘 레벨은 GaN HEMT의 2DEG 바로 아래에있다 (그림 5 참조). 그림 5에 표시된이 프로파일에 의해 제기 된 다른 관심사는 GaN 장벽의 수소 수준입니다. 수소는 장치의 신뢰성에 해로운 영향을 미칠 수 있으므로 가능한 한 낮게 유지하는 것이 중요합니다. 이 경우, PCOR-SIMS는 탄소 함유량이 약간 증가한 장벽의 탄소가 도핑 된 부분에서 높은 수소 수준을 나타냅니다. 아마도 이것은 탄소 도핑에 사용 된 전구체에서 발생합니다.

그림 5. PCOR-SIMS에 의한 낮은 검출 한계 측정은 GaN-on-silicon HEMT의 GaN 장벽 층에서 수소와 실리콘의 존재를 보여줍니다.

그림 5. PCOR-SIMS에 의한 낮은 검출 한계 측정은 GaN-on-silicon HEMT의 GaN 장벽 층에서 수소와 실리콘의 존재를 보여줍니다.

2DEG에

구조의 표면 근처에는 트랜지스터의 전류 흐름을 담당하는 2 차원 전자 가스가있다. 이 2DEG는 얇은 최상부의 도핑 된 AlGaN 층과 도핑되지 않은 GaN 층 사이의 전도 대역 불연속에 기인한다. 이것은 전자를 축적하는 삼각 양자 우물을 만든다. 활성 영역은 20-30 nm의 두께로 매우 얇습니다. 결과적으로 SIMS로이를 정확히 측정하려면 많은주의가 필요합니다. 그러나 PCOR-SIMS를 사용하면 탄소, 수소, 산소 및 실리콘의 불순물 수준뿐만 아니라 상단 AlGaN 층의 알루미늄 수준을 확인할 수 있습니다 (그림 6 참조).

이 AlGaN 층은 구조의 상단에 있기 때문에 공기에 노출 된 표면에 항상 존재하는 표면 오염의 영향을 최소화하기위한 조치를 취하는 것이 중요합니다. 이를 위해 당사는 독자적인 표면 세척 절차를 사용하여 샘플 표면에 처음 존재하는 탄소를 제거합니다. 이를 통해 샘플의 상단 1nm 내에서 2-1017x3atoms / cm15의 AlGaN 층에서 탄소 도핑 수준을 결정할 수 있습니다.

이 특정 측정은 또한 장치 엔지니어에게 또 다른 중요한 정보 인 AlGaN 장벽 층의 두께를 제공합니다 (그림 6의 삽입 참조). 이 층을 통해 게이트의 전위가 2DEG의 전자 밀도를 제어하여 소자의 컨덕턴스를 제어합니다.

그림 6. PCOR-SIMS는 채널의 두께와이 지역의 다양한 요소의 수준을 나타낼 수 있습니다.

그림 6. PCOR-SIMS는 채널의 두께와이 지역의 다양한 요소의 수준을 나타낼 수 있습니다.

Figure7. SIMS 및 단면 투과 전자 현미경 이미지를 중첩함으로써, 임의의 전도도 변화 곡선을 포함하여 HEMT 채널 영역의 상세한 분석을 생성하는 것이 가능하다.

그림 7. SIMS 및 단면 투과 전자 현미경 이미지를 중첩함으로써, 임의의 전도도 변화 곡선을 포함하여 HEMT 채널 영역의 상세한 분석을 생성하는 것이 가능하다.

이 영역을 보는 또 다른 방법은 동일한 영역의 단면 투과 전자 현미경 이미지 (그림 7 참조)에 알루미늄 및 탄소 프로파일을 오버레이하는 것입니다. 이 방법을 사용하면 AlN 델타 레이어의 위치를 ​​볼 수 있습니다. 그 역할은 AlGaN의 기증자로부터 쿨롱 산란을 완화함으로써 2DEG에서 캐리어 이동성을 향상시키는 것입니다. 현미경 사진은 AlN 델타 층의 실제 두께가 AlGaN 층의 일정한 레벨 이상의 알루미늄 프로파일의 전폭 - 반 (full-width-half) 최대치에 의해 정확하게 측정됨을 보여줍니다. 그러나 표면 피트 (그림 3에 표시됨)로 인해 밑에있는 GaN에 꼬리가 있습니다. 탄소 농도의 플롯은 계면의 정확한 수직 위치와 관련하여 도핑 위치를 나타내며, 알루미늄 프로파일에 의해 도시된다. 에너지 분산 형 X 선 분광법 또는 전자 에너지 손실 분광법을 사용하더라도 투과 전자 현미경으로 탄소를 검출 할 수는 없습니다.

그림 7에 표시된 것은 전도도 플롯입니다. 이것은 표면 전도도를 추측 할 수있는 순간 표면 전위의 영향을받습니다. 2DEG는 전도도가 감소한 영역을 통과 한 후에 샘플 전도도가 회복되는 깊이, 즉 구멍이 쌓이는 배리어 층 내부에서 GaN 내부에 형성됩니다. 버퍼에서 2DEG까지 HEMT에 대한 우리의 연구는 GaN HEMT 내의 매트릭스 원소와 도펀트의 정확한 농도를 결정하기 위해 PCOR-SIMS가 가지고있는 엄청난 능력을 보여줍니다. 이 기술은 에피 택셜 층 성장을 최적화하고, 결함 분석을 돕고, 따라서 GaN HEMT (GaN FET) 산업의 성장을 지원하는 데 사용될 수 있습니다.

감사의 글

저자는 EAG Laboratories의 Ozgur Celik, Wei Ou, Andrew Klump, Wei Zhao, Yun Qi, Jeffrey Serfass 및 Mike Salmon에게 감사드립니다.

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