Az ionimplantációs technológia kihívásai a SiC és GaN tápeszközökben

Széles sávszélességű (WBG) félvezetők, mint plSzilícium-karbid(SiC) ésgallium-nitrid(GaN) várhatóan egyre fontosabb szerepet fog játszani a teljesítményelektronikai eszközökben. Számos előnnyel rendelkeznek a hagyományos szilícium (Si) eszközökhöz képest, beleértve a nagyobb hatékonyságot, teljesítménysűrűséget és kapcsolási frekvenciát.Ion beültetésaz elsődleges módszer a szelektív dopping elérésére Si eszközökben. Van azonban néhány kihívás, ha széles sávszélességű eszközökön alkalmazza. Ebben a cikkben ezek közül a kihívások közül néhányra összpontosítunk, és összefoglaljuk a potenciális alkalmazásukat a GaN tápegységekben.

01

A gyakorlati felhasználást több tényező határozza megdópoló anyagoka félvezető eszközök gyártásában:

Alacsony ionizációs energia az elfoglalt rácshelyeken. A Si-ben ionizálható sekély donorok (n-típusú adalékoláshoz) és akceptorok (p-típusú adalékoláshoz) vannak. A sávszélességen belüli mélyebb energiaszintek gyenge ionizációt eredményeznek, különösen szobahőmérsékleten, ami adott dózisnál alacsonyabb vezetőképességet eredményez. Ionizálható és injektálható forrásanyagok a kereskedelemben kapható ionimplantátorokban. Felhasználhatók szilárd és gázforrású vegyületek, gyakorlati felhasználásuk a hőmérséklet-stabilitástól, a biztonságtól, az iontermelés hatékonyságától, a tömegleválasztáshoz egyedi ionok előállításának képességétől és a kívánt energiabeültetési mélység elérésétől függ.

Ionizálható és injektálható forrásanyagok kereskedelmi ionimplantátorokban. Felhasználhatók szilárd és gázforrású vegyületek, gyakorlati felhasználásuk a hőmérséklet-stabilitástól, a biztonságtól, az iontermelés hatékonyságától, a tömegleválasztáshoz egyedi ionok előállításának képességétől és a kívánt energiabeültetési mélység elérésétől függ.

1. táblázat: A SiC és GaN tápegységekben használt gyakori adalékanyagok

Diffúziós sebesség a beültetett anyagon belül. A nagy diffúziós sebesség normál beültetés utáni lágyítási körülmények között ellenőrizetlen csomópontokhoz és adalékanyag diffúziójához vezethet az eszköz nem kívánt területein, ami az eszköz teljesítményének romlását eredményezi.

Aktiválás és sérülés helyreállítása. Az adalékanyag aktiválása magában foglalja az üresedéseket magas hőmérsékleten, lehetővé téve a beültetett ionok intersticiális pozícióiból a helyettesítő rácshelyzetekbe való mozgását. A sérülések helyreállítása kulcsfontosságú a beültetési folyamat során keletkezett amorfizációs és kristályhibák kijavításához.

Az 1. táblázat felsorol néhány gyakran használt adalékanyagot és azok ionizációs energiáit a SiC és GaN készülékgyártásban.

Míg az n-típusú adalékolás mind a SiC-ben, mind a GaN-ban viszonylag egyszerű a sekély adalékanyagokkal, a p-típusú adalékolás ionimplantációval történő létrehozásának fő kihívása a rendelkezésre álló elemek magas ionizációs energiája.

02

Néhány kulcsbeültetés ésizzítási jellemzőkA GaN a következőket tartalmazza:

A SiC-vel ellentétben a melegbeültetésnek nincs jelentős előnye a szobahőmérséklethez képest.

A GaN esetében az általánosan használt n-típusú Si adalékanyag lehet ambipoláris, és n-típusú és/vagy p-típusú viselkedést mutat a foglalkozási helyétől függően. Ez a GaN növekedési körülményeitől függhet, és részleges kompenzációs hatásokhoz vezethet.

A GaN P-adalékolása nagyobb kihívást jelent az adalékolatlan GaN magas háttérelektronkoncentrációja miattnagy mennyiségű magnézium (Mg) p-típusú adalékanyagot igényel az anyag p-típusúvá alakításához. A nagy dózisok azonban magas szintű hibákat eredményeznek, ami a hordozó befogásához és mélyebb energiaszinteken történő kompenzációjához vezet, ami az adalékanyag gyenge aktiválódását eredményezi.

A GaN 840°C-nál magasabb hőmérsékleten, légköri nyomáson bomlik le, ami nitrogénveszteséghez és Ga-cseppek képződéséhez vezet a felszínen. A gyors hőkezelés (RTA) és védőrétegek, például SiO2 különféle formáit alkalmazták. Az izzítási hőmérsékletek jellemzően alacsonyabbak (<1500°C) a SiC-hoz képest. Számos módszert, például nagynyomású, többciklusú RTA-t, mikrohullámú és lézeres lágyítást próbáltak ki. Mindazonáltal a p+ beültetési kontaktusok elérése továbbra is kihívást jelent.

03

A függőleges Si és SiC teljesítményeszközökben az éllezárás általános megközelítése a p-típusú adalékgyűrű létrehozása ionimplantációval.Ha sikerül elérni a szelektív adalékolást, az a függőleges GaN eszközök kialakítását is megkönnyítené. A magnézium (Mg) dópoló ionok beültetése számos kihívással néz szembe, ezek közül néhányat az alábbiakban sorolunk fel.

1. Nagy ionizációs potenciál (az 1. táblázat szerint).

2. A beültetési folyamat során keletkező hibák állandó fürtök kialakulásához vezethetnek, ami deaktivációt okozhat.

3. Az aktiváláshoz magas hőmérséklet (>1300°C) szükséges. Ez meghaladja a GaN bomlási hőmérsékletét, ezért speciális módszerekre van szükség. Az egyik sikeres példa az ultramagas nyomású lágyítás (UHPA) alkalmazása 1 GPa nyomású N2 nyomással. Az 1300-1480°C-on végzett izzítás több mint 70%-os aktiválást ér el, és jó felületi hordozómobilitást mutat.

4. Ezeken a magas hőmérsékleteken a magnéziumdiffúzió kölcsönhatásba lép a sérült területek ponthibáival, ami fokozatos csomópontokat eredményezhet. A Mg eloszlásának szabályozása a p-GaN e-módú HEMT-ekben kulcsfontosságú kihívás, még MOCVD vagy MBE növekedési folyamatok alkalmazása esetén is.

1. ábra: Megnövekedett pn átmenet áttörési feszültség Mg/N együttes beültetés révén

Kimutatták, hogy a nitrogén (N) és Mg együttes beültetése javítja a Mg adalékanyagok aktiválódását és elnyomja a diffúziót.A jobb aktiválás a nitrogén-implantáció által okozott üresedés-agglomeráció gátlásának tulajdonítható, ami megkönnyíti ezen üresedések rekombinációját 1200 °C feletti hőkezelési hőmérsékleten. Ezenkívül a N beültetés által generált üresedés korlátozza a Mg diffúzióját, ami meredekebb csomópontokat eredményez. Ezt a koncepciót függőleges síkbeli GaN MOSFET-ek gyártására használták teljes ionimplantációs folyamaton keresztül. Az 1200 V-os készülék fajlagos bekapcsolási ellenállása (RDSon) lenyűgöző 0,14 Ohm-mm2-t ért el. Ha ezt az eljárást nagyüzemi gyártáshoz lehet használni, akkor költséghatékony lehet, és követheti a Si és SiC síkbeli függőleges teljesítményű MOSFET gyártásban használt közös folyamatfolyamatot. Amint az 1. ábrán látható, a koimplantációs módszerek alkalmazása felgyorsítja a pn átmenet lebomlását.

04

A fent említett problémák miatt a p-GaN adalékolást általában termesztik, nem pedig p-GaN e-módú nagy elektronmobilitású tranzisztorokba (HEMT) ültetik be. Az ionimplantáció egyik alkalmazása HEMT-ben az eszköz oldalirányú leválasztása. Különféle implantátumfajtákat, például hidrogént (H), N-t, vasat (Fe), argont (Ar) és oxigént (O) próbáltak ki. A mechanizmus főként a károsodással összefüggő csapdaképzéssel kapcsolatos. Ennek a módszernek az előnye a mesa etch izolációs eljárásokkal szemben az eszköz lapossága. A 2-1. ábra az elért szigetelőréteg-ellenállás és a beültetés utáni hőkezelési hőmérséklet közötti összefüggést mutatja be. Az ábrán látható módon 107 Ohm/nm feletti ellenállás érhető el.

2. ábra: Az izolációs réteg ellenállása és a lágyítási hőmérséklet kapcsolata különböző GaN izolációs beültetések után

Bár számos tanulmányt végeztek n+ ohmos érintkezők létrehozásával GaN rétegekben szilícium (Si) beültetés segítségével, a gyakorlati megvalósítás kihívást jelenthet a magas szennyeződéskoncentráció és az ebből eredő rácskárosodás miatt.Az Si-beültetés alkalmazásának egyik motivációja az alacsony ellenállású érintkezések elérése Si CMOS-kompatibilis eljárásokkal vagy az azt követő fémötvözet utókezelési eljárásokkal, arany (Au) használata nélkül.

05

A HEMT-ekben alacsony dózisú fluor (F) beültetést alkalmaztak az eszközök áttörési feszültségének (BV) növelésére az F erős elektronegativitásának kihasználásával. A negatív töltésű régió kialakulása a 2°-os elektrongáz hátoldalán elnyomja az elektronok befecskendezését a nagy térerősségű régiókba.

3. ábra: (a) A függőleges GaN SBD elülső jellemzői és (b) fordított IV, amelyek javulást mutatnak az F beültetés után

Az ionimplantáció másik érdekes alkalmazása GaN-ben az F beültetés alkalmazása függőleges Schottky Barrier Diodákban (SBD). Itt az F beültetést a felső anódérintkező melletti felületen hajtják végre, hogy nagy ellenállású élzáró régiót hozzanak létre. A 3. ábrán látható módon a fordított áram öt nagyságrenddel csökken, míg a BV megnő.**