Проблемы технологии ионной имплантации в силовых устройствах на основе SiC и GaN

Полупроводники с широкой запрещенной зоной (WBG), такие какКарбид кремния(SiC) иНитрид галлия(GaN), как ожидается, будет играть все более важную роль в силовых электронных устройствах. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными кремниевыми (Si) устройствами, включая более высокую эффективность, плотность мощности и частоту переключения.Ионная имплантацияявляется основным методом достижения селективного легирования кремниевых устройств. Однако при его применении к устройствам с широкой запрещенной зоной возникают некоторые проблемы. В этой статье мы сосредоточимся на некоторых из этих проблем и суммируем их потенциальное применение в силовых устройствах на основе GaN.

01

Несколько факторов определяют практическое использованиелегирующие материалыв производстве полупроводниковых приборов:

Низкая энергия ионизации в занятых узлах решетки. Si имеет ионизируемые мелкие донорные (для легирования n-типа) и акцепторные (для легирования p-типа) элементы. Более глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне приводят к плохой ионизации, особенно при комнатной температуре, что приводит к более низкой проводимости для данной дозы. Исходные материалы ионизируются и инъецируются в коммерческих ионных имплантаторах. Могут использоваться соединения твердых и газовых исходных материалов, и их практическое использование зависит от температурной стабильности, безопасности, эффективности генерации ионов, способности производить уникальные ионы для массового разделения и достижения желаемой энергетической глубины имплантации.

Исходные материалы ионизируются и инъецируются в коммерческих ионных имплантаторах. Могут использоваться соединения твердых и газообразных исходных материалов, и их практическое использование зависит от температурной стабильности, безопасности, эффективности генерации ионов, способности производить уникальные ионы для массового разделения и достижения желаемой энергетической глубины имплантации.

Таблица 1. Распространенные виды легирующих добавок, используемые в силовых устройствах на основе SiC и GaN.

Скорость диффузии внутри имплантируемого материала. Высокие скорости диффузии при нормальных условиях отжига после имплантации могут привести к неконтролируемым соединениям и диффузии легирующей примеси в нежелательные области устройства, что приводит к ухудшению характеристик устройства.

Активация и восстановление повреждений. Активация легирующей примеси включает в себя генерацию вакансий при высоких температурах, что позволяет имплантированным ионам перемещаться из межузельных положений в позиции замещения в решетке. Восстановление повреждений имеет решающее значение для устранения аморфизации и дефектов кристаллов, возникших в процессе имплантации.

В таблице 1 перечислены некоторые часто используемые виды легирующих примесей и их энергии ионизации при производстве устройств на основе SiC и GaN.

Хотя легирование n-типа как в SiC, так и в GaN относительно просто при использовании мелких легирующих добавок, ключевой проблемой при создании легирования p-типа посредством ионной имплантации является высокая энергия ионизации доступных элементов.

02

Некоторые ключевые имплантации ихарактеристики отжигаGaN включают в себя:

В отличие от SiC, использование горячей имплантации не имеет существенного преимущества по сравнению с комнатной температурой.

Для GaN обычно используемая легирующая добавка Si n-типа может быть амбиполярной, демонстрируя поведение n-типа и/или p-типа в зависимости от его места заполнения. Это может зависеть от условий роста GaN и приводить к эффектам частичной компенсации.

Легирование GaN фосфором является более сложной задачей из-за высокой фоновой концентрации электронов в нелегированном GaN., требующий высоких уровней легирующей примеси магния (Mg) p-типа для преобразования материала в p-тип. Однако высокие дозы приводят к высокому уровню дефектов, что приводит к захвату носителей и компенсации на более глубоких энергетических уровнях, что приводит к плохой активации легирующей примеси.

GaN разлагается при температуре выше 840°C при атмосферном давлении, что приводит к потере N и образованию капель Ga на поверхности. Использовались различные формы быстрого термического отжига (RTA) и защитные слои, такие как SiO2. Температуры отжига обычно ниже (<1500°C) по сравнению с температурами, используемыми для SiC. Были опробованы несколько методов, таких как многоцикловый RTA под высоким давлением, микроволновый и лазерный отжиг. Тем не менее, достижение p+ имплантационных контактов остается сложной задачей.

03

В вертикальных силовых устройствах на основе Si и SiC обычным подходом к оконцеванию краев является создание легирующего кольца p-типа посредством ионной имплантации.Если удастся добиться селективного легирования, это также облегчит создание вертикальных устройств на основе GaN. Имплантация легирующих ионов магния (Mg) сталкивается с рядом проблем, некоторые из них перечислены ниже.

1. Высокий потенциал ионизации (как показано в таблице 1).

2. Дефекты, возникшие в процессе имплантации, могут привести к образованию постоянных кластеров, вызывающих дезактивацию.

3. Для активации необходимы высокие температуры (>1300°С). Это превышает температуру разложения GaN, что требует специальных методов. Одним из успешных примеров является использование отжига сверхвысокого давления (СВПА) с давлением N2 1 ГПа. Отжиг при 1300-1480°C обеспечивает более 70% активации и демонстрирует хорошую поверхностную подвижность носителей.

4. При таких высоких температурах диффузия магния взаимодействует с точечными дефектами в поврежденных областях, что может привести к образованию градиентных переходов. Контроль распределения Mg в HEMT p-GaN e-режиме является ключевой задачей, даже при использовании процессов роста MOCVD или MBE.

Рисунок 1. Увеличение напряжения пробоя pn-перехода за счет совместной имплантации Mg/N.

Было показано, что совместная имплантация азота (N) с Mg улучшает активацию легирующих добавок Mg и подавляет диффузию.Улучшенная активация объясняется ингибированием агломерации вакансий имплантацией N, что облегчает рекомбинацию этих вакансий при температурах отжига выше 1200°C. Кроме того, вакансии, образующиеся при имплантации N, ограничивают диффузию Mg, что приводит к более крутым переходам. Эта концепция была использована для производства вертикальных планарных GaN-МОП-транзисторов посредством процесса полной ионной имплантации. Удельное сопротивление включения (RDSon) устройства на 1200 В достигло впечатляющих 0,14 Ом-мм2. Если этот процесс можно использовать для крупномасштабного производства, он может быть экономически эффективным и следовать общей технологической схеме, используемой при изготовлении планарных вертикальных силовых МОП-транзисторов Si и SiC. Как показано на рисунке 1, использование методов совместной имплантации ускоряет разрушение pn-перехода.

04

Из-за вышеупомянутых проблем легирование p-GaN обычно выращивается, а не имплантируется в транзисторы p-GaN с высокой подвижностью электронов (HEMT) электронного режима. Одним из применений ионной имплантации в HEMT является боковая изоляция устройства. Были предприняты попытки использовать различные виды имплантатов, такие как водород (H), N, железо (Fe), аргон (Ar) и кислород (O). Механизм связан главным образом с образованием ловушек, связанных с повреждением. Преимуществом этого метода по сравнению с процессами изоляции мезатравлением является плоскостность устройства. На рисунке 2-1 показана зависимость между достигнутым сопротивлением изолирующего слоя и температурой отжига после имплантации. Как показано на рисунке, можно достичь сопротивления более 107 Ом/кв.

Рисунок 2: Зависимость между сопротивлением изолирующего слоя и температурой отжига после различных имплантаций изоляции GaN.

Хотя было проведено несколько исследований по созданию n+-омических контактов в слоях GaN с использованием имплантации кремния (Si), практическая реализация может быть затруднена из-за высоких концентраций примесей и, как следствие, повреждения решетки.Одной из причин использования имплантации Si является достижение контактов с низким сопротивлением посредством процессов, совместимых с Si CMOS, или последующих процессов постметаллического сплава без использования золота (Au).

05

В HEMT имплантация низких доз фтора (F) использовалась для увеличения напряжения пробоя (BV) устройств за счет использования сильной электроотрицательности F. Образование отрицательно заряженной области на обратной стороне электронного газа 2-ДЭГ подавляет инжекцию электронов в области сильного поля.

Рисунок 3: (а) Прямые характеристики и (б) обратная IV вертикального GaN SBD, демонстрирующие улучшение после имплантации F.

Еще одним интересным применением ионной имплантации в GaN является использование имплантации F в вертикальных диодах с барьером Шоттки (SBD). Здесь имплантация F выполняется на поверхность рядом с верхним анодным контактом для создания высокоомной краевой области. Как показано на рисунке 3, обратный ток уменьшается на пять порядков, а BV увеличивается.**