SIMSを使用したHEMTの精査

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バッファ層からデバイスの最上部まで、新しい形態のSIMSはGaN-on-silicon HEMTの厄介な不純物を発見することができます。

Temel H. BuyuklimanliとCharles W. Mageeによって

化合物半導体製造業界で最も注目を集めているデバイスの1つは、GaNベースのHEMT(別名、GaN FET)です。 高電圧で動作し、マイクロ波周波数で大電力を供給する能力は、基地局や、レーダーを含む様々な防衛用途での展開に魅力的な候補です。

このワイドバンドギャップHEMTの優れた性能は、GaNに関連する特定の材料特性に由来しています。 マイクロ波領域で電力を発生させるためにも使用されてきたGaAsベースの材料と比較して、GaNはより大きいピーク電子速度を有する。 より高い熱安定性。 そしてより大きなバンドギャップ。 これらの特性のすべてが、GaNをHEMTのチャネルにとって非常に適切な材料にしています。 このような構造では、AlGaNと対になって2次元電子ガス(2DEG)が形成されることが多く、これがデバイスの中心部に位置し、その電気的特性を規定します。

GaN HEMTの製造に最適な基板を選択することは容易ではありません。 性能の観点からは、GaNは理想的です。なぜなら、それはエピ層と基礎の間の完全な格子整合を保証するからです。 そのような基板が実用的であれば、その役割は基板からXNUMXDEGを分離することだけであるので、比較的薄いバッファ層を使用することを可能にするであろう。デバイス。 しかし今日、GaN基板は、それらの価格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。 その結果、GaN HEMTは、異種基板上に成長しなければならない。 一般的な選択肢の1つは単結晶SiCです。これは、優れた電気伝導率と熱伝導率を、GaNの格子定数に近い格子定数と組み合わせたものです。その違いは2パーセントです。 しかしながら、GaNほど高価ではないが、SiCは依然として高価である。

図1 Evans Analytical Groupによって開発されたPCOR-SIMS技術は、GaN-on-silicon HEMTの中心と端を比較するために使用できます。 プロファイルはアルミニウムとガリウムの原子分率と層の厚さの正確な値を提供しますが、構造の2DEG領域は表面ではほとんど知覚できません。 しかし、後の図に示すように、その性質はPCOR-SIMSによって明らかにすることができます。

図1 EAG Laboratoriesによって開発されたPCOR-SIMS技術は、GaN-on-silicon HEMTの中心と端を比較するために使用できます。 プロファイルはアルミニウムとガリウムの原子分率と層の厚さの正確な値を提供しますが、構造の2DEG領域は表面ではほとんど知覚できません。 しかし、後の図に示すように、その性質はPCOR-SIMSによって明らかにすることができます。

より安価な代替品はサファイアですが、熱伝導率が低く、高出力デバイスには不利であり、GaNとの格子不整合は13パーセントです。 これらの欠点のために、より一般的な低コストの選択肢はシリコンであり、これは現在非常に注目を集めている。 その大きな強みは、確立された製造ツールとプロセスの大規模な基盤を持っていることです。 しかしながら、それはまた、エピ層内に高密度の欠陥を生じさせる、GaNとの非常に大きな格子不整合を含むその弱点も有する。 活性層内の欠陥密度が高くなりすぎてデバイス性能が許容できないほど高くなるのを防ぐために、厚いAlGaNバッファ層が基板とXNUMXDEG形成層との間に挿入される。

図2 断面透過型電子顕微鏡画像は、表面ピットの発生(上)およびより高い倍率の詳細(下)を明らかにする。

図2 断面透過型電子顕微鏡画像は、表面ピットの発生(上)およびより高い倍率の詳細(下)を明らかにする。

HEMTを精査する

GaN-on-silicon HEMTについて多くのことを明らかにすることができるキャラクタリゼーション技術は、 'Point by point CORrected' SIMS、またはPCOR-SIMSとして知られる二次イオン質量分析法の一種です。

図3 SIMSプロファイルは、炭素プロファイルを測定する前に洗浄の重要性を強制します。

図3 SIMSプロファイルは、炭素プロファイルを測定する前に洗浄の重要性を強制します。

我々はこれをEAG Laboratoriesで開発しました。 通常のSIMSと比較して、それは、層の厚さ、組成およびドーピングプロファイルをより正確に決定することができる。なぜなら、あらゆるデータ点において、合金組成に関して較正が行われるからである。

この記事の残りの部分では、バッファ層から始めて150DEGの周囲の領域まで、2 mmシリコン上で成長させたGaN HEMT、またはGaN FETについて説明します(図1を参照)。 今回の旅行中に、ピットがデバイスプロファイリングに与える影響についてコメントします。 デバイスの性能を妨げる可能性のある不純物を発見する。 そして、デバイスのチャンネルの構成を理解してください。

私たちはAlNでできているバッファ層から旅を始めます。 この材料は、下にあるシリコンと格子整合がよくありませんが、2つの重要な目的を果たします。それは、基板から上記のものを絶縁する絶縁層を提供する。 そしてそれはシード層として作用し、アルミニウム含有量を連続的に減少させながら後続のAlGaN層の成長を助ける。 AlGaN中のアルミニウムの割合を減少させることによって、欠陥密度は、その後のGaN障壁の成長のために許容可能なレベルまで減少する。

図XNUMXに示されるPCOR − SIMSプロファイルによって提供される別の洞察は、GaN障壁層の下半分が炭素でドープされているということである。 これは意図しない意図を補うものです nAlGaNバッファ中の不純物(主にシリコンおよび酸素)によるn型ドーピングは、破壊電界強度の増加をもたらす。 残念なことに、ウェハの端部では、バッファのGaN部分への炭素ドーピングは中央のそれより10倍高い(図1)。 これは、XNUMX mmウェハにわたって変化する電界を減少させるためのバリア層の能力にかなりの影響を与える。

幸いなことに、AlGaNの成長が始まる基板上の垂直距離が大きいほど、ウェーハの中心と端の間の厚さとドーピングレベルの変動ははるかに小さくなります。 炭素が過度に高いと、装置内での漏れにつながるため、炭素、ならびにシリコンおよび酸素のレベルを監視することが重要です。

報告によると、炭素ドーピングは垂直リーク電流を助長するため、2DEGの近くでは大きな問題である。 これは、XNUMXDEGチャネル電子のキャリア密度およびキャリア移動度を低下させ、動的オン抵抗および電流崩壊の増加をもたらすので、非常に望ましくない。 これらすべての変更は、デバイスの性能と信頼性を損なうことです。

2DEG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考慮した報告はわずかしかありません。 おそらくこれは、この表面に近い領域での炭素の測定が、バッファ層の深部から始まり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)。

この地域では、炭素分布を正確に測定することは容易ではありません。 炭素含有種は空気に曝された上面に吸着され、ピット全体がスパッタされるまでSIMSスパッタプロセスによって完全には除去されない。 これは人為的に深い炭素プロファイルをもたらし、それは2DEG領域における実際の炭素分布を完全に不明瞭にする可能性がある。

この問題を回避するために、我々は表面から大部分の炭素を取り除き、それによって炭素プロファイルの深い裾を除去する独自の表面洗浄手順を開発しました(図3参照)。 このおかげで、2DEGのすぐ上のAlGaNバリア層、およびそのすぐ下のAlNスパイクの中の炭素濃度の真の測定が可能です。

鉄およびマグネシウムも緩衝層をドープするために使用することができる。 これらの元素に対して、SIMSは非常に低い検出限界を提供します。 これは図4から明らかであり、GaN障壁のすぐ内側の鉄のプロファイルにピークが見られます。 このピークはウェハの縁部には存在せず、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ことを困難に強調している。

図4 鉄とマグネシウムの不純物は、SIMS測定によってHEMT内で明らかにされている。

図4 鉄とマグネシウムの不純物は、SIMS測定によってHEMT内で明らかにされている。

GaN障壁層中の非金属不純物を制御することも重要である。 デバイスはドーパントなしで機能するように設計されているので、2DEGの直下のGaN中のシリコンのレベルはできるだけ低くなければならない。 SIMSは、10の中間でシリコン検出限界に対応可能です。14 原子/ cm3 厄介な2 x 10を見るのに十分低い範囲15原子/ cm3 GaN HEMTの2DEG直下のシリコンレベル(図5参照)。 図5に示されているように、このプロファイルによって生じるもう1つの懸念は、GaN障壁内の水素レベルです。 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、そのレベルをできるだけ低く抑えることが重要です。 この場合、PCOR − SIMSは、炭素含有量がわずかに上昇しているバリアの炭素ドープ部分におけるより高い水素レベルを明らかにする。 おそらく、これは炭素ドーピングに使用される前駆体から生じる。

図5 PCOR-SIMSによる低検出限界測定は、GaN-on-silicon HEMTのGaN障壁層中の水素とケイ素の存在を明らかにしている。

図5 PCOR-SIMSによる低検出限界測定は、GaN-on-silicon HEMTのGaN障壁層中の水素とケイ素の存在を明らかにしている。

2DEGへ

構造の表面近くには二次元電子ガスがあり、これがトランジスタを流れる電流の原因となる。 この2DEGは、薄いトップドープAlGaN層とアンドープGaN層の間の伝導帯の不連続性から生じます。 これにより、電子を蓄積する三角量子井戸が作成されます。 活性領域は非常に薄く、厚さはちょうど20-30 nmです。 したがって、SIMSによってこれを正確に測定するには細心の注意が必要です。 ただし、PCOR-SIMSを使用すると、最上部のAlGaN層のアルミニウムレベル、および炭素、水素、酸素、シリコンの不純物レベルを特定することができます(図6を参照)。

このAlGaN層は構造の上部にあるため、空気にさらされた表面に常に存在する表面汚染の影響を最小限に抑えるための措置を講じることが重要です。 これを実現するために、独自の表面洗浄手順を使用して、サンプル表面に最初に存在する炭素を除去します。 これにより、サンプルの上部1 nm内で、AlGaN層の2〜1017×3原子/ cm15の炭素ドーピングレベルを決定できます。

この特定の測定により、デバイスエンジニアにとってもう6つの重要な情報であるAlGaNバリア層の厚さも得られます(図2の挿入図を参照)。 ゲートの電位がXNUMXDEGの電子密度を制御し、デバイスのコンダクタンスを制御するのは、この層を通してです。

図6 PCOR-SIMSは、チャネルの厚さ、およびこの領域のさまざまな要素のレベルを明らかにすることができます。

図6 PCOR-SIMSは、チャネルの厚さ、およびこの領域のさまざまな要素のレベルを明らかにすることができます。

図7 SIMSおよび断面透過型電子顕微鏡画像を重ね合わせることによって、任意の導電率変化曲線を含む、HEMTチャネル領域の詳細な分析を作成することが可能である。

図7 SIMSおよび断面透過型電子顕微鏡画像を重ね合わせることによって、任意の導電率変化曲線を含む、HEMTチャネル領域の詳細な分析を作成することが可能である。

この領域を見る別の方法は、同じ領域の断面透過型電子顕微鏡画像上にアルミニウムと炭素のプロファイルを重ね合わせることです(図7参照)。 この方法では、AlNデルタレイヤの位置を確認できます。 その役割は、AlGaNのドナーからのクーロン散乱を軽減することによって、2DEGのキャリア移動度を改善することです。 顕微鏡写真は、AlNデルタ層の実際の厚さが、AlGaN層内の一定レベルを超えるアルミニウムプロファイルの半値全幅によって正確に測定されることを明らかにしている。 しかしながら、表面ピット(図XNUMXに示される)のために、下にあるGaNへのテールがある。 炭素濃度のプロットは、アルミニウムプロファイルによって示される、界面の正確な垂直位置に対するドーピングの位置を明らかにする。 エネルギー分散型X線分光法や電子エネルギー損失分光法を用いても、透過型電子顕微鏡は炭素の検出には使用できないことに注意してください。

図7には、導電率のプロットも示されています。 これは瞬間的な表面電位の影響を受け、これから表面導電率を推測することができます。 XNUMXDEGは、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深さで、GaNのすぐ内側に形成される。 バッファから2DEGまでのHEMTに関する我々の研究は、PCOR-SIMSがGaN HEMT内のマトリックス元素とドーパントの正確な濃度を決定するために持っている途方もない能力を示しています。 この技術は、エピタキシャル層の成長を最適化し、故障解析を助け、したがってGaN HEMT(GaN FET)産業の成長を支援するために使用することができる。

謝辞

著者はEAG LaboratoriesのOzgur Celik、Wei Ou、Andrew Klump、Wei Zhao、Yun Qi、Jeffrey SerfassおよびMike Salmonに感謝します。

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