Проблеми технології іонної імплантації в пристроях живлення SiC та GaN

Широкозонні (WBG) напівпровідники, такі якКарбід кремнію(SiC) інітрид галіюОчікується, що (GaN) відіграватиме все більш важливу роль у силових електронних пристроях. Вони пропонують кілька переваг перед традиційними силіконовими (Si) пристроями, зокрема вищу ефективність, щільність потужності та частоту перемикання.Іонна імплантаціяє основним методом досягнення селективного легування в кремнієвих пристроях. Однак існують деякі проблеми при застосуванні його до пристроїв із широкою забороненою зоною. У цій статті ми зосередимося на деяких із цих проблем і підсумуємо їх потенційне застосування в пристроях живлення GaN.

01

Кілька факторів визначають практичне використаннялегуючі матеріалиу виробництві напівпровідникових приладів:

Низька енергія іонізації в зайнятих вузлах решітки. Si має дрібні іонізуючі донори (для легування n-типу) і акцептори (для легування p-типу) елементи. Більш глибокі рівні енергії в забороненій зоні призводять до слабкої іонізації, особливо при кімнатній температурі, що призводить до нижчої провідності для даної дози. Вихідні матеріали, які можна іонізувати та вводити в комерційні іонні імплантатори. Можна використовувати сполуки твердих і газоподібних вихідних матеріалів, і їх практичне використання залежить від стабільності температури, безпеки, ефективності генерації іонів, здатності виробляти унікальні іони для розділення маси та досягнення бажаної глибини імплантації енергії.

Вихідні матеріали, які можна іонізувати та вводити в комерційні іонні імплантатори. Можна використовувати сполуки твердих і газоподібних вихідних матеріалів, і їх практичне використання залежить від стабільності температури, безпеки, ефективності генерації іонів, здатності виробляти унікальні іони для розділення маси та досягнення бажаної глибини імплантації енергії.

Таблиця 1: Загальні види легуючих домішок, що використовуються в силових пристроях SiC і GaN

Швидкість дифузії всередині імплантованого матеріалу. Високі швидкості дифузії за звичайних умов відпалу після імплантації можуть призвести до неконтрольованих з’єднань і дифузії допантів у небажані ділянки пристрою, що призведе до погіршення продуктивності пристрою.

Активація та відновлення пошкоджень. Активація легуючої домішки включає утворення вакансій при високих температурах, що дозволяє імплантованим іонам рухатися з міжвузлових положень у позиції решітки заміщення. Відновлення пошкоджень має вирішальне значення для відновлення аморфізації та кристалічних дефектів, утворених під час процесу імплантації.

У таблиці 1 наведено деякі види легуючих домішок, які зазвичай використовуються, і їх енергію іонізації у виробництві пристроїв з SiC і GaN.

Хоча легування n-типу як у SiC, так і в GaN відносно просте з дрібними легуючими речовинами, ключовою проблемою у створенні легування p-типу за допомогою іонної імплантації є висока енергія іонізації доступних елементів.

02

Деякі ключові імплантації тахарактеристики відпалуGaN включають:

На відміну від SiC, використання гарячої імплантації не має значної переваги порівняно з кімнатною температурою.

Для GaN зазвичай використовувана добавка n-типу Si може бути амбіполярною, проявляючи поведінку n-типу та/або p-типу залежно від місця його зайнятості. Це може залежати від умов росту GaN і призводити до ефектів часткової компенсації.

P-легування GaN є складнішим через високу фонову концентрацію електронів у нелегованому GaN, що вимагає високих рівнів допанту магнію (Mg) p-типу для перетворення матеріалу в p-тип. Однак високі дози призводять до високого рівня дефектів, що призводить до захоплення та компенсації носіїв на більш глибоких енергетичних рівнях, що призводить до поганої активації допанту.

GaN розкладається при температурах вище 840°C під атмосферним тиском, що призводить до втрати азоту та утворення крапель Ga на поверхні. Використовувалися різні форми швидкого термічного відпалу (RTA) і захисні шари, такі як SiO2. Температури відпалу зазвичай нижчі (<1500°C) порівняно з тими, що використовуються для SiC. Було випробувано кілька методів, таких як високий тиск, багатоцикловий RTA, мікрохвильовий і лазерний відпал. Тим не менш, досягнення p+ імплантаційних контактів залишається проблемою.

03

У вертикальних силових пристроях з кремнію та кремнію загальним підходом до кінцевої обробки країв є створення легуючого кільця p-типу за допомогою іонної імплантації.Якщо можна досягти селективного легування, це також сприятиме формуванню вертикальних GaN-пристроїв. Імплантація легуючих іонів магнію (Mg) стикається з кількома проблемами, і деякі з них перелічені нижче.

1. Високий потенціал іонізації (як показано в таблиці 1).

2. Дефекти, що виникають під час процесу імплантації, можуть призвести до утворення постійних кластерів, викликаючи дезактивацію.

3. Для активації потрібні високі температури (>1300°C). Це перевищує температуру розкладання GaN, що вимагає спеціальних методів. Одним із успішних прикладів є використання відпалу надвисокого тиску (UHPA) з тиском N2 при 1 ГПа. Відпал при 1300-1480°C досягає понад 70% активації та демонструє хорошу рухливість поверхневого носія.

4. При таких високих температурах дифузія магнію взаємодіє з точковими дефектами в пошкоджених областях, що може призвести до градієнтних з’єднань. Контроль розподілу магнію в HEMT p-GaN електронного режиму є ключовою проблемою, навіть якщо використовуються процеси зростання MOCVD або MBE.

Рисунок 1: Підвищена напруга пробою pn-переходу через спільну імплантацію Mg/N

Було показано, що спільна імплантація азоту (N) з магнієм покращує активацію легуючих добавок магнію та пригнічує дифузію.Покращена активація пояснюється інгібуванням агломерації вакансій імплантацією азоту, що полегшує рекомбінацію цих вакансій при температурах відпалу вище 1200°C. Крім того, вакансії, утворені імплантацією N, обмежують дифузію Mg, що призводить до більш крутих з’єднань. Ця концепція була використана для виготовлення вертикальних планарних МОП-транзисторів GaN за допомогою процесу повної іонної імплантації. Питомий опір увімкнення (RDSon) пристрою 1200 В досяг вражаючих 0,14 Ом-мм2. Якщо цей процес можна використовувати для великомасштабного виробництва, він може бути економічно ефективним і відповідати загальному технологічному процесу, який використовується у виготовленні планарних вертикальних силових МОП-транзисторів Si та SiC. Як показано на малюнку 1, використання методів спільної імплантації прискорює руйнування pn-переходу.

04

Через вищезазначені проблеми легування p-GaN зазвичай вирощують, а не імплантують у транзистори високої мобільності електронів (HEMT) p-GaN електронного режиму. Одним із застосувань іонної імплантації в HEMT є бічна ізоляція пристрою. Були спроби застосувати різні типи імплантатів, такі як водень (H), N, залізо (Fe), аргон (Ar) і кисень (O). Механізм в основному пов’язаний з утворенням пастки, пов’язаної з пошкодженням. Перевагою цього методу в порівнянні з процесами ізоляції мезатравлення є площинність пристрою. На рисунку 2-1 показано співвідношення між досягнутим опором ізоляційного шару та температурою відпалу після імплантації. Як показано на малюнку, можна досягти опору понад 107 Ом/кв.

Рисунок 2: Зв’язок між опором ізоляційного шару та температурою відпалу після різних імплантацій ізоляції GaN

Хоча було проведено кілька досліджень зі створення n+-омічних контактів у шарах GaN за допомогою імплантації кремнію (Si), практична реалізація може бути складною через високі концентрації домішок і, як наслідок, пошкодження решітки.Одним із мотивів використання кремнієвої імплантації є досягнення контактів із низьким опором за допомогою процесів, сумісних із Si CMOS, або подальших процесів постметалічних сплавів без використання золота (Au).

05

У HEMT імплантація низьких доз фтору (F) використовувалася для підвищення напруги пробою (BV) пристроїв шляхом використання сильної електронегативності F. Утворення негативно зарядженої області на зворотному боці електронного газу 2-DEG пригнічує інжекцію електронів у області високого поля.

Рисунок 3: (a) Прямі характеристики та (b) зворотний IV вертикального GaN SBD, що демонструє покращення після імплантації F

Ще одним цікавим застосуванням іонної імплантації в GaN є використання імплантації F у вертикальних діодах з бар’єром Шотткі (SBD). Тут F-імплантація виконується на поверхні поруч із контактом верхнього анода, щоб створити крайову крайову область високого опору. Як показано на малюнку 3, зворотний струм зменшується на п'ять порядків, а BV збільшується.**