Utilisation de SIMS pour scruter les HEMT

ARTICLE

De la couche tampon au sommet de l'appareil, une nouvelle forme de SIMS peut révéler des impuretés gênantes dans les HEMT au GaN sur silicium

Par Temel H. Buyuklimanli et Charles W. Magee

L'un des dispositifs qui suscite le plus d'intérêt dans l'industrie de la fabrication de semi-conducteurs composés est le HEMT à base de GaN (également connu sous le nom de GaN FET). Sa capacité à fonctionner à des tensions élevées et à fournir des puissances élevées aux fréquences micro-ondes en fait un candidat attrayant pour un déploiement dans les stations de base et dans toute une gamme d'applications de défense, y compris les radars.

Les performances impressionnantes de ce HEMT large bande interdite proviennent des propriétés spécifiques du matériau associées au GaN. Comparé aux matériaux à base de GaAs, qui ont également été utilisés pour générer de l'énergie dans la région des micro-ondes, le GaN a une vitesse de pointe des électrons plus grande; une plus grande stabilité thermique; et une bande interdite plus grande. Tous ces traits font du GaN un matériau très approprié pour le canal d’un HEMT. Dans de telles structures, il est souvent associé à AlGaN pour former un gaz électronique à deux dimensions (2DEG), situé au cœur même du dispositif, qui en dicte les caractéristiques électriques.

La sélection du meilleur substrat pour la fabrication de HEMT au GaN est loin d'être facile. Du point de vue de la performance, le GaN est idéal car il garantit une correspondance parfaite entre les épilayers et la fondation. Si un tel substrat était pratique, il permettrait l'utilisation d'une couche tampon relativement mince, car son rôle serait uniquement d'isoler le 2DEG du substrat - il ne serait pas nécessaire d'empêcher des niveaux élevés de défauts dans la région active du dispositif. Mais aujourd'hui, les substrats de GaN ne peuvent pas être cultivés dans des tailles suffisamment grandes pour que leur prix soit rentable. Par conséquent, les HEMT GaN doivent être cultivés sur des substrats étrangers. Le monocristal de silicium, qui associe une bonne conductivité électrique et thermique à une constante de réseau proche de celle du GaN, constitue un choix courant. La différence est de 3%. Cependant, bien que pas aussi cher que le GaN, le SiC est toujours cher.

Figure 1. Evans Analytical Group, pionnier de la technique PCOR-SIMS, peut être utilisé pour comparer le centre et le bord d'un HEMT GaN sur silicium. Notez que, bien que le profil donne des valeurs précises pour les fractions atomiques d’aluminium et de gallium et l’épaisseur des couches, la région 2DEG de la structure est presque imperceptible à la surface. Cependant, comme le montrent ces derniers chiffres, sa nature peut être révélée par PCOR-SIMS.

Figure 1. La technique PCOR-SIMS mise au point par EAG Laboratories peut être utilisée pour comparer le centre et le bord d'un HEMT GaN sur silicium. Notez que, bien que le profil donne des valeurs précises pour les fractions atomiques d’aluminium et de gallium et l’épaisseur des couches, la région 2DEG de la structure est presque imperceptible à la surface. Cependant, comme le montrent ces derniers chiffres, sa nature peut être révélée par PCOR-SIMS.

Le saphir est une alternative moins chère, mais sa conductivité thermique est médiocre - un inconvénient pour les appareils de forte puissance - et son déséquilibre de réseau avec GaN est de 13 pour cent. En raison de ces inconvénients, le silicium est une option plus populaire à faible coût qui suscite actuellement beaucoup d’attention. Sa grande force réside dans le fait qu’il dispose d’une large base d’outils et de processus de fabrication bien établis. Cependant, il a aussi ses faiblesses, notamment un très grand désaccord entre le réseau et le GaN, ce qui donne lieu à une densité élevée de défauts dans les épilayers. Pour éviter que la densité de défauts dans les couches actives ne soit si élevée que les performances du dispositif soient inacceptables, des couches tampons épaisses en AlGaN sont insérées entre le substrat et les couches formant 2DEG.

Figure 2. Les images de microscopie électronique à transmission en coupe transversale révèlent la génération de piqûres de surface (ci-dessus) et le grossissement plus élevé des détails (ci-dessous).

Figure 2. Les images de microscopie électronique à transmission en coupe transversale révèlent la génération de piqûres de surface (ci-dessus) et le grossissement plus élevé des détails (ci-dessous).

Scruter le HEMT

Une technique de caractérisation pouvant révéler beaucoup d'informations sur les HEMT GaN sur silicium est une variante de la spectrométrie de masse à ions secondaires appelée SIMS «Pointbypoint CORrected», ou PCOR-SIMS.

Figure 3. Les profils SIMS soulignent l’importance du nettoyage avant de mesurer un profil de carbone.

Figure 3. Les profils SIMS soulignent l’importance du nettoyage avant de mesurer un profil de carbone.

Nous l'avons développé chez EAG Laboratories. Par rapport au SIMS classique, il peut déterminer l'épaisseur de la couche, la composition et le profil de dopage avec plus de précision, car à chaque point de données, un étalonnage est effectué en fonction de la composition de l'alliage.

Dans la suite de cet article, nous ferons un voyage à travers un GaN HEMT, ou GaN FET, cultivé sur du silicium 150 mm, en commençant par la couche tampon et en terminant par la région autour du 2DEG (voir la figure 1). Au cours de ce voyage, nous commenterons l’influence des fosses sur le profilage des appareils; découvrir les impuretés pouvant nuire aux performances de l'appareil; et comprendre la composition du canal de l'appareil.

Nous commençons notre périple par la couche tampon en AlN. Ce matériau n’est pas bien adapté au silicium sous-jacent sur le réseau, mais il remplit deux fonctions importantes: il fournit une couche isolante qui isole ceux du dessus du substrat; et il agit comme une couche de germe, en aidant la croissance des couches ultérieures d'AlGaN avec une teneur en aluminium diminuant progressivement. En diminuant la proportion d'aluminium dans AlGaN, la densité de défauts est réduite à des niveaux acceptables pour la croissance ultérieure de la barrière de GaN.

Le profil PCOR-SIMS, illustré à la figure 1, offre un autre avantage: la moitié inférieure de la couche barrière en GaN est dopée au carbone. Cela compense les effets non intentionnels ntype de dopage par des impuretés (principalement du silicium et de l’oxygène) dans le tampon AlGaN et conduit à une augmentation de l’intensité du champ de claquage. Malheureusement, au bord de la plaquette, le dopage carbone dans la partie GaN du tampon est dix fois plus élevé qu’au centre (figure 1). Ceci a des implications considérables sur la capacité de la couche barrière à réduire le champ électrique, qui varie à travers la tranche 150 mm.

La bonne nouvelle est qu’à une plus grande distance verticale au-dessus du substrat, où débute la croissance d’AlGaN, les variations d’épaisseur et de niveau de dopage entre le centre et le bord de la tranche sont beaucoup plus faibles. Il est important de surveiller le niveau de carbone, ainsi que celui du silicium et de l'oxygène, car si le carbone est excessivement élevé, cela entraînera des fuites dans le dispositif.

Selon certaines informations, le dopage au carbone est un problème majeur dans le voisinage du 2DEG, car il favorise un courant de fuite vertical. Ceci est hautement indésirable, car il dégrade la densité de la porteuse et la mobilité de la porteuse des électrons du canal 2DEG, entraînant une augmentation de la résistance dynamique et de l’effondrement du courant. Toutes ces modifications nuisent aux performances et à la fiabilité des appareils.

Malgré le caractère néfaste du dopage au carbone sur le 2DEG et les propriétés du dispositif, seuls quelques rapports prennent en compte le niveau de carbone résiduel dans les couches actives (le pic AlN et la couche barrière AlGaN). Cela est peut-être dû au fait que les mesures du carbone dans cette région proche de la surface sont sérieusement gênées par les piqûres de surface, toujours présentes, en raison de dislocations de filetage qui proviennent de la profondeur de la couche tampon et atteignent la surface (voir Figure 2).

Dans cette région, il n’est pas facile de mesurer avec précision le profil du carbone. Les espèces contenant du carbone sont adsorbées sur la surface supérieure exposée à l'air et ne sont pas entièrement éliminées par le procédé de pulvérisation SIMS jusqu'à ce que toute la fosse soit pulvérisée. Cela conduit à un profil de carbone artificiellement profond, ce qui peut totalement masquer la répartition réelle du carbone dans la région 2DEG.

Pour contourner ce problème, nous avons développé une procédure de nettoyage de surface brevetée qui élimine la grande majorité du carbone de la surface, éliminant ainsi la queue profonde du profil de carbone (voir la figure 3). Grâce à cela, de vraies mesures sont possibles pour la concentration de carbone dans la couche barrière d'AlGaN juste au-dessus de 2DEG, ainsi que dans la pointe d'AlN juste en dessous.

Le fer et le magnésium peuvent également être utilisés pour doper la couche tampon. SIMS fournit pour ces éléments des limites de détection très basses. Ceci est évident sur la figure 4, qui montre un pic dans le profil de fer juste à l'intérieur de la barrière de GaN. Ce pic est absent au bord de la tranche, soulignant difficilement un autre problème lors de la croissance de couches uniformes sur de grands substrats.

Figure 4. Les impuretés de fer et de magnésium sont découvertes dans les HEMT par des mesures SIMS.

Figure 4. Les impuretés de fer et de magnésium sont découvertes dans les HEMT par des mesures SIMS.

Il est également important de contrôler les impuretés non métalliques dans la couche barrière au GaN. Le niveau de silicium dans le GaN directement sous le 2DEG doit être aussi bas que possible, car le dispositif est conçu pour fonctionner en l'absence de dopants. SIMS peut être capable de limites de détection de silicium dans le milieu 1014 atome / cm3 gamme, qui est assez bas pour voir le 2 x 10 gênant15atome / cm3 niveau de silicium juste en dessous du 2DEG dans un HEMT en GaN (voir la figure 5). Un autre problème soulevé par ce profil, illustré à la figure 5, concerne le niveau d'hydrogène dans la barrière de GaN. L'hydrogène peut avoir des effets néfastes sur la fiabilité de l'appareil. Il est donc essentiel de maintenir ses niveaux aussi bas que possible. Dans ce cas, PCOR-SIMS révèle un niveau d'hydrogène plus élevé dans la partie de la barrière dopée au carbone, dont la teneur en carbone est légèrement élevée. Cela provient vraisemblablement du précurseur utilisé pour le dopage au carbone.

Figure 5. Les mesures de faible limite de détection effectuées par PCOR-SIMS révèlent la présence d'hydrogène et de silicium dans la couche barrière au GaN d'un HEM à base de GaN sur silicium.

Figure 5. Les mesures de faible limite de détection effectuées par PCOR-SIMS révèlent la présence d'hydrogène et de silicium dans la couche barrière au GaN d'un HEM à base de GaN sur silicium.

Pour le 2DEG

Près de la surface de la structure se trouve le gaz d'électrons à deux dimensions, responsable de la circulation du courant dans le transistor. Ce 2DEG résulte d’une discontinuité dans la bande de conduction entre une couche mince d’AlGaN dopée au sommet et une couche de GaN non dopée. Cela crée un puits quantique triangulaire qui accumule des électrons. La région active est extrêmement mince, avec une épaisseur de seulement 20-30 nm. Par conséquent, la mesure précise avec SIMS nécessite beaucoup de soin. Cependant, avec PCOR-SIMS, il est possible d'identifier le niveau d'aluminium dans la couche supérieure d'AlGaN, ainsi que les niveaux d'impureté de carbone, d'hydrogène, d'oxygène et de silicium (voir Figure 6).

Puisque cette couche d'AlGaN est sur le dessus de la structure, il est important de prendre des mesures pour minimiser les effets de la contamination de surface, qui est toujours présente sur les surfaces exposées à l'air. Pour ce faire, nous utilisons notre procédure exclusive de nettoyage de surface pour éliminer le carbone initialement présent sur la surface de l'échantillon. Cela permet une détermination du niveau de dopage au carbone dans la couche d'AlGaN de 1 à 2 x 1017 atomes / cm3, dans les 15 nm supérieurs de l'échantillon.

Cette mesure particulière fournit également une autre information importante pour l'ingénieur de l'appareil - l'épaisseur de la couche barrière AlGaN (voir l'encart de la figure 6). C'est à travers cette couche que le potentiel sur la grille agit pour contrôler la densité électronique dans le 2DEG, et donc la conductance du dispositif.

Figure 6. PCOR-SIMS peut révéler l'épaisseur du canal et les niveaux des différents éléments de cette région.

Figure 6. PCOR-SIMS peut révéler l'épaisseur du canal et les niveaux des différents éléments de cette région.

Figure7. En superposant des images de microscopie électronique à transmission SIMS et en coupe transversale, il est possible de produire une analyse détaillée de la région de canal HEMT, y compris une courbe de changement de conductivité arbitraire.

Figure 7. En superposant des images de microscopie électronique à transmission SIMS et en coupe transversale, il est possible de produire une analyse détaillée de la région de canal HEMT, y compris une courbe de changement de conductivité arbitraire.

Une autre façon de regarder cette région consiste à superposer les profils d'aluminium et de carbone sur une image en microscopie électronique à transmission en coupe transversale de la même région (voir la figure 7). Avec cette approche, il est possible de voir l'emplacement de la couche delta AlN. Son rôle est d'améliorer la mobilité des porteurs dans le 2DEG, en atténuant la dispersion de coulomb chez les donneurs dans l'AlGaN. La micrographie révèle que l'épaisseur réelle de la couche delta en AlN est correctement mesurée par la largeur maximale totale du profilé en aluminium au-dessus du niveau constant dans la couche en AlGaN. Cependant, il y a une queue dans le GaN sous-jacent, en raison de piqûres superficielles (voir la figure 3). Un graphique de la concentration en carbone révèle l'emplacement du dopage par rapport à l'emplacement vertical exact de l'interface, indiqué par le profil en aluminium. Notez que la microscopie électronique à transmission ne peut pas être utilisée pour détecter le carbone, même avec la spectrométrie à rayons X à dispersion d'énergie ou la spectroscopie de perte d'énergie électronique.

La figure 7 montre également un graphique de la conductivité. Ceci est influencé par le potentiel de surface instantané, à partir duquel on peut déduire la conductivité de surface. Le 2DEG est formé juste à l'intérieur du GaN, à la profondeur à laquelle la conductivité de l'échantillon se rétablit après avoir traversé une zone de conductivité diminuée, juste à l'intérieur de la couche barrière où les trous s'accumulent. Notre étude du HEMT, du tampon au 2DEG, montre l'énorme capacité de PCOR-SIMS de déterminer des concentrations précises d'éléments de matrice et de dopants dans les HEMT au GaN. Cette technique peut être utilisée pour optimiser la croissance de la couche épitaxiale, analyser les défaillances de l’aide et ainsi soutenir la croissance de l’industrie du GaN HEMT (GaN FET).

Remerciements

Les auteurs souhaitent remercier Ozgur Celik, Wei Ou, Andrew Klump, Wei Zhao, Yun Qi, Jeffrey Serfass et Mike Salmon des Laboratoires EAG.

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