GのPCOR-SIMS分析aシリコン基板上に成長させたN HEMTエピタキシャル層

白書

AlGaN / GaNヘテロ構造電界効果トランジスタ(HFET) これまで、熱心な研究の対象となっており、マイクロ波周波数での高電圧、高出力動作での使用のために生産が開始されています。 GaAsベースの材料から作られた同様のデバイスと比較して、 GaN より大きなピーク電子速度、より高い熱安定性、およびより大きなバンドギャップを有し、これらはすべてマイクロ波電力装置におけるチャネル材料として非常に適している。 AlGaN / GaNベースのHFETの性能にさらに貢献するのは、シートキャリア濃度が2の2次元電子ガス(10DEG)を形成する能力です。13/cm2。 これらのデバイスは、より一般的には高電子移動度トランジスタ(HEMT)と呼ばれている。

しかしながら、処理上の関心のある領域は、その上にXNUMXDEG層が成長する基板である。 GaN基板上での成長は、それと成長する層との間の正確な格子整合のために理想的であろう。 これは、基板からXNUMXDEGを分離するために成長したGaNバッファ層が、デバイスの活性領域における欠陥を回避するためにそれほど厚くなくてもよいことを意味する。 残念ながら、現在のところ、GaN基板は、コストの観点からそれらを商業的に実行可能にするのに十分な大きさに成長させることができない。 したがって、代替の基板を使用する必要があります。 単結晶SiCは、その電気的および熱伝導特性のために使用されているが、主にGaN(XNUMX%)と非常に密接に格子整合しているためである。 しかし、それもまた、かなり費用がかかります。 サファイア基板はより安価であるが、より低い熱伝導率(高出力装置にとって不利)を有し、さらにGaNとのより高い格子不整合(XNUMX%)を有する。 それ故、シリコンは、その確立された製造ツールおよびプロセスの大きな基盤のために、潜在的な基板として今注目されている。 しかしながら、SiはGaNと非常に不整合であり、その上に成長したGaN中の多くの欠陥の成長を促進する。 これは、デバイスのこの領域における欠陥密度を低減するために、Si基板とXNUMXDEG形成層との間にAlGaNの厚いバッファ層を成長させることを必要とする。 この例は、図2と2に示されています。

PCOR-SIMSSMによって測定されたHEMTエピの1中心とエッジの比較。

図1 PCOR-SIMSで測定したHEMTエピの中心と端の比較SM.

図1は、ポイントバイポイント補正SIMS(PCOR-SIMS)を示していますSM) 深さプロファイル 直径150mmのSiウエハ上に成長させた完全なGaN HEMT構造の作製 (構造の2DEG領域は表面ではほとんど認識できませんが、後で説明します。)この例では、バッファ層はAlN層で始まります。 この材料は、下のSiと格子整合性がよくないが、上の層を基板から分離するための絶縁層を提供する。 AlNはまた、その上に連続的に低いAlレベルを有する連続したAlGaN層を成長させるためのシード層としても作用する。 左下に示すように、Al含有量が減少すると、GaN障壁層が成長するまでに欠陥密度が許容レベルまで低下する。 TEM 図2のサンプルの顕微鏡写真。 PCOR-SIMSに注意してください。SM 分析は様々なAlとGaの原子分率と層の厚さを正確に測定します。

図1は、GaN障壁層の下半分が炭素でドープされていることも示しています。 この炭素ドーピングは、AlGaNバッファ中の不純物(図に示すように主にSiおよびO)による意図しないn型ドーピングを補償し、ブレークダウン電界強度を増大させる。 しかしながら、この図は、ウエハの端部におけるバッファのGaN部分における炭素ドーピングが中心部におけるよりも10倍高いことを示している。 これは、XNUMXmmウェハを横切る異なる位置でのバリア層の電界低減特性にかなりの影響を及ぼす。 しかしながら、バッファ層の炭素含有量および層厚は、ウェハの中心部と端部との間でより類似していることが分かる。 過度に高いレベルは装置内での漏れにつながるので、バリア層中の炭素レベル(ならびにSiおよびOレベル)は重要である。

2DEGの近傍では、炭素ドーピングは垂直リーク電流を促進し、2DEGチャネル電子のキャリア密度とキャリア移動度の両方を低下させ、動的オン抵抗と電流崩壊を増加させると報告されている。装置性能および信頼性のため。 XNUMXDEGへの炭素ドーピングの有害な特性およびデバイス特性にもかかわらず、活性層(AlNスパイクおよびAlGaNバリア層)中の残留炭素レベルを扱った報告はほとんどない。 これはおそらく、この表面に近い領域で炭素を測定することが、バッファ層の深部で発生する(表面に達する)貫通転位のために常に存在する表面ピットによって著しく妨げられているためである(図2参照)。

PCOR-SIMS  - 図2表面ピットの生成のTEM断面写真(上)と詳細の拡大図(下)。

図2 表面ピットの発生の断面TEM画像(上)と細部のより高い倍率(下)。

炭素は空気にさらされた上面に吸着されるようになり、完全に除去されることはありません。 SIMS ピット全体がスパッタリングされるまでスパッタリングプロセス。 この人為的に深い炭素プロファイルは、2DEG領域の実際の重要な炭素分布を完全に不明瞭にする可能性があります。

この問題を回避するために、私たちは独自のものを開発しました。 表面 表面から大部分の炭素を除去するための洗浄手順で、炭素プロファイルの奥行きを取り除きます(図3)。 これにより、2DEG直上のAlGaNバリア層と2DEG直下のAlNスパイクにおける真の炭素濃度を測定することができます。

PCOR-SIMS  -  3DEG領域のCの入庫時(赤)および洗浄後(青)の図2 SIMSプロファイル。

図3 2DEG領域のCのSIMSプロファイルは、受け取った状態(赤)およびクリーニング後(青)です。

緩衝層は、FeおよびMgでドープすることもできる。 これらは、非常に低い検出限界でSIMSによって測定することもできます(図4)。 GaN障壁層のすぐ内側のFeプロファイルのピークに注目してください。 このピークはウェハの縁部には存在しないので、大きな基板にわたって均一な層を成長させることにおいて別の困難を指摘している。

PCOR-SIMS  - 図4 HEMTエピにおけるFeおよびMg不純物のSIMS測定。

図4 HEMTエピにおけるFeおよびMg不純物のSIMS測定

GaN障壁層中の非金属不純物レベルを制御することも重要である。 例えば、デバイスがドーパントの不在下で機能するので、SiレベルはXNUMXDEGの直下のGaNにおいて可能な限り低くなければならない。 図2に示すように、5の中間でSi検出限界を得ることができます。14原子/ cm3範囲; 2×10を見るのに十分低い15原子/ cm3 2DEG直下のSiレベル。

図XNUMXはまた、GaN障壁層中のH不純物のレベルも示す。 水素はデバイスの信頼性に悪影響を及ぼす可能性があるため、Hレベルをできるだけ低く抑えることを試みます。 しかし、この例では、バリア層の炭素ドープ部分のHレベルがわずかに上昇していることがわかります。 これは、炭素ドープに用いた原料ガスに起因すると考えられる。

PCOR-SIMS  - 図5 HEMTエピのGaN障壁層中のHとSiの検出下限測定。

図5 HEMTエピのGaN障壁層中のHとSiの検出下限測定

構造の表面近くの領域は、デバイス内の電流の流れを担う2DEGが形成される場所です。 ここで、2DEGは、薄いトップドープAlGaN層とアンドープのGaN層の間の伝導帯の不連続性のために形成されます。 これにより、電子が蓄積する三角量子井戸が形成されます。 この活性領域は非常に薄く(20-30nm)、細心の注意を払ってのみSIMSで正確に測定することができます。 図XNUMXは、HEMTのXNUMXDEG形成領域のC、H、OおよびSi不純物と共にAlGaN最上層の位置を特定するAlを示すPCOR − SIMSプロファイルを示す。

PCOR-SIMS  - 図6 HEMTデバイスのチャネル領域高解像度PCOR-SIMSプロファイリング。

図6 HEMTデバイスのチャネル領域高深度分解能PCOR ‐ SIMSプロファイリング

この層は構造の上にあるので、表面の影響を最小限に抑えるための対策を講じることが重要です。 汚染 それはこれらの空気にさらされた表面に常に存在します。 図6では、サンプル表面に最初に存在していた炭素が、独自の表面洗浄手順を使用して除去されました。これにより、AlGaN層の炭素ドーピングレベルを1〜2×10のレベルで測定できました。17原子/ cm3 サンプルの上部15nm以内。

図6は、デバイスエンジニアにもう1つの重要な情報、つまりAlGaNバリア層の厚さも与えます。 これは、ゲートの電位が2DEG内の電子密度、したがってデバイスのコンダクタンスを制御するために作用しなければならない層です。 これは図6の直線プロット挿入図に見ることができます。

図XNUMXは、同じ領域の断面TEM顕微鏡写真の上に重ね合わせた、対数表示の代わりに線形目盛でプロットされた図XNUMXの選択されたプロファイルを示す。 Alプロファイルは、AlGaN中のドナーからのクーロン散乱を軽減することによってXNUMXDEG中のキャリア移動度を改善するために構造に含まれるAlNデルタ層の位置を示す。 TEM顕微鏡写真では、AlNデルタ層の実際の幅は、AlGaN層内の一定レベルを超えるAlプロファイルの半値全幅(FWHM)によって正確に測定されていることが分かるが、プロファイルは下に向かって延びている。図XNUMXに示される表面ピットのためのGaN。

PCOR-SIMS-図7任意の導電率変化曲線を用いたHEMTチャネル領域の詳細分析を示すSIMSと断面TEMの重ね合わせ。

図7 SIMSと断面TEMを重ね合わせて、HEMTチャネル領域の詳細な解析を任意の導電率変化曲線で示します。

炭素プロファイルは、界面の正確な位置(Alプロファイルによって示される)に対するドーピングの位置を示すためにプロットされている。 TEMは、EDX(エネルギー分散型X線分光法)またはEELS(電子エネルギー損失分光法)を用いてさえも、炭素を検出するために使用することはできない。

さらに、瞬間的な表面電位の影響を受けるプロファイル(赤)を表示し、そこから表面伝導率を推測できます。 2DEGはGaNのすぐ内側に形成されています。これは、プロファイルが正孔が蓄積する障壁層のすぐ内側の導電率が低下したゾーンを通過した後にサンプルの導電率が回復する正確な深さです。

結論として、我々はどのようにポイントバイポイント補正SIMS(PCOR − SIMS)を用いてGaN HEMT中のマトリックス元素およびドーパントの正確な濃度を決定することができ、そしてこれらの結果がどのようにエピタキシャル層成長の最適化および失敗において有用であり得るかを示した。分析。 ご質問がある場合は、EAGにお気軽にGaN HEMTの分析ニーズについてお問い合わせください。

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