CC BY
36
УДК 621.382.2
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУР ДИОДОВ ШОТТКИ НА НИТРИДЕ ГАЛЛИЯ
А.В.Желаннов, Б.И.Селезнев*, Д.Г.Федоров
TECHNOLOGICAL PECULIARITIES FOR FORMING THE STRUCTURES OF SCHOTTKY DIODES ON GaN
A.V.Zhelannov, B.I.Seleznev*, D.G.Fedorov
ОАО «ОКБ-Планета», Великий Новгород, ZhelannovAV@okbplaneta.ru *Институт электронных и информационных систем НовГУ
Рассмотрены технологические особенности формирования диодных структур на основе GaN. Проведено исследование ионно-легированных слоев GaN методами Холла, атомно-силовой микроскопии, вторичной ионной масс-спектрометрии, определены условия формирования ионно-легированных слоев GaN с высокой степенью активации Si+. Приведен краткий технологический цикл изготовления диодных структур с описанием основных операций.
Ключевые слова: нитрид галлия, диод Шоттки, реактивно-ионное травление, ионная имплантация, омический контакт, быстрый термический отжиг
Technological features of the formation of diode structures based on GaN are considered. The investigation of ion-doped GaN layers by AFM, SIMS, and Hall methods was carried out, and conditions for the formation of ion-doped GaN layers with a high degree of Si+ activation were determined. A brief technological cycle for fabricating diode structures with a description of the basic operations is given.
Keywords: gallium nitride, Schottky diode, reactive ion etching, ion implantation, ohmic contact, rapid thermal annealing
Введение
Поиски широкозонных полупроводников, которые могли бы заменить кремний для создания различных типовых силовых приборов, проводились достаточно давно [1]. Достигнутый в последние годы успех в технологии GaN и твердых растворов на его основе позволяет по-новому взглянуть на эту проблему. Хотя GaN уступает SiC в теплопроводности и кристаллическом качестве эпитаксиальных слоев, рост GaN происходит при меньших температурах, с использованием более дешевых материалов и на различных подложках. Таким образом, диоды Шоттки на основе GaN могут конкурировать с аналогичными приборами на основе SiC в диапазоне напряжений до 1000 В [2].
Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение
В качестве исходного материала для разработки технологического процесса создания структур диодов Шоттки были выбраны образцы GaN, выращенные методом МОСУЭ (химическое осаждение из газовой фазы с использованием металлорганических соединений) на сапфировой подложке диаметром 2
дюйма. Толщина высокоомного активного слоя GaN составляет 2,5 мкм, буферного слоя — 1,5 мкм. Объемная концентрация носителей заряда в исходных образцах, по данным холловских измерений, составила 11017 см-3.
Для формирования диодных структур на основе GaN необходимо выполнить ряд технологических операций. Определяющими операциями, вносящими основной вклад в параметры диодных структур, являются создание надежной межприборной изоляции и формирование качественных контактов металл— полупроводник.
Межприборная изоляция в виде меза-структуры выполняется путем травления эпитакси-альных слоев до подложки (рис.1). Энергия связи для GaN составляет 8,92 эВ/атом, поэтому условия травления для этого материала значительно отличаются от кремния, арсенида галлия и фосфида индия, полупроводников с хорошо изученными процессами травления. Вследствие ограниченных возможностей жидкостного травления нитридных полупроводников основные усилия технологов были направлены на разработку методов «сухого» травления. Основным методом, применяемым для «сухого» травления GaN, является реактивно-ионное травление.
Рис.1. Формирование межприборной изоляции 24
Меза-структура формируется путем реактивно-ионного травления на установке, оснащенной источником индуктивно-связанной плазмы в хлорсодер-жащей среде на основе газовой смеси 02/Б03/Аг. В качестве защитного покрытия используется комбинированная маска, состоящая из никеля толщиной 0,2 мкм с подслоем двуокиси кремния толщиной 0,3 мкм. Использование подслоя необходимо для более эффективного удаления защитного покрытия за счет растворения SiO2 в буферном травителе (NH4F + Н) Скорость травления нитрида галлия составляет порядка 0,8 мкм/мин [3].
Следующим этапом формирования приборной структуры является формирование омических контактов к нитриду галлия. Контакты формируются методом взрывной фотолитографии с использованием двухслойной системы фоторезистов, обеспечивающей отрицательный наклон профиля стенки для улучшения «взрыва» и удаления металла. Достигается это с помощью обращения скрытого позитивного изображения. На рис.2 показаны основные стадии формирования контактов.
Растворимый участок
Фоторезист 51813
1,ОЯ фоторезист
1_<Ж фоторезист
Рис.2. Этапы формирования резистивной маски под «взрывную» фотолитографию
Формирование омических контактов непосредственно к высокоомному слою нитрида галлия является задачей сложной и не позволяет получить низкое значение контактного сопротивления [4].
Для улучшения характеристик омических контактов необходимо увеличение концентрации носителей в подконтактном слое. Одним из вариантов является применение ионной имплантации кремния в эпитаксиальный слой GaN. При легировании кремнием создаются дополнительные вакансии азота, которые являются донорами, служащие источником электронов для уменьшения сопротивления высоко-омного приповерхностного активного слоя. Метод ионной имплантации позволяет проводить селективное легирование полупроводника в областях под омическими контактами.
Создание подконтактных п+- слоев проводится имплантацией ионов в нитрид галлия через фо-торезистивную маску. Для предотвращения эффекта каналирования образцы GaN располагаются под углом 7° к нормали падающего луча. После легирования структуры подвергаются высокотемпературному фотонному отжигу в среде азота с применением защитного покрытия из диоксида кремния ^Ю2).
Выбор в качестве защитных покрытий при отжиге ионно-легированных слоев GaN низкотемпературной пленки SiO2 обусловлен высокой воспроизводимостью ее получения, широким использованием при создании различных микроэлектронных приборов, в том числе диодных структур на нитриде галлия. Кроме того, при использовании фотонного отжига появляется возможность управления структурой пленок SiO2, в том числе устранением дефицита по кислороду. После фотонного отжига в спектрах ИК-пропускания исчезает полоса пропускания в области 883 см1, обусловленная наличием Si2O3. Выбор диоксида кремния в качестве защитного покрытия при отжиге обусловлен, по данным атомно-силовой микроскопии, его более высокой термической стойкостью по сравнению с нитридом кремния.
Имплантация ионов Si+ в GaN проводится с дозой 1015 см-2 и энергией внедряемых ионов — 50 кэВ. Отжиг проводился в течении 1 минуты в диапазоне температур от 1100 до 1300°С в среде азота. В качестве защитных покрытий при отжиге использовались пленки SiO2 толщиной 0,4 мкм. По данным вторичной ионной масс-спектрометрии получены профили с максимумом концентрации кремния около 1020 см-3 на глубине 0,1 мкм при дозе имплантации 1015 см-2, энергии 50 кэВ и температуре отжига 1150°С.
Для измерения электрофизических параметров ионно-легированных слоев GaN использовалась установка измерения эффекта Холла HMS-5000/0/55 Т с магнитостатическим магнитом. Измеряемые образцы имеют размеры примерно 10*10 мм. Для измерения параметров образцы помещались на измерительный столик установки. Далее зонды установки устанавливаются на четырех точечных контактах, сформированных на углах образца. Точечные контакты формируются вплавлением сплава при температуре 400°С.
Качество поверхности структур нитрид галлия — диэлектрик, подвергнутых фотонному отжигу, оценивалось методом атомно-силовой микроскопии. На поверхности образцов, отожженных при температуре 1100°С, дефектов не наблюдается, но и степень активации оказывается невысокой. На образцах, отожжённых при температуре 1200°С, по данным атом-но-силовой микроскопии, наблюдается появление сравнительно небольшого количества куполообразных дефектов в виде выступов высотой до 30 нм и диаметром от 20 до 50 нм. Такого рода дефекты могут быть связаны со скоплениями галлия после испарения атомов азота в процессе отжига.
При отжиге с защитным покрытием SiO2 наблюдается высокая степень активации примеси: от 46 до 80% при температуре отжига 1200°С и ~ 100 % при температуре отжига 1250°С. При температурах отжига больше 1300°С происходит разрушение диэлектрических покрытий. При этом по данным атом-но-силовой микроскопии на поверхности наблюдаются скопления галлия. Вследствие процессов дефекто-образования на поверхности GaN при температуре отжига 1300°С оказывается невозможным сформировать качественные омические контакты для проведения измерений электрофизических параметров полупроводника [5].
Рис.3. Технология формирования омических контактов с ионной имплантацией
После определения условий формирования ионно-легированных слоев GaN с высокой степенью активации внедренной примеси на n+- GaN областях формируются омические контакты (О.К.). Для этого использовалась система металлизации Ti/Al/Ni/Au [4]. Формирование системы металлизации производилось методом электронно-лучевого напыления в вакууме. После формирования контактов на установке As-One осуществлялся быстрый термический отжиг в атмосфере азота (рис.3).
Для формирования контакта Шоттки к нитриду галлия используются металлы с работой выхода больше, чем у GaN (4,1 эВ). Самой распространенной системой металлизации для формирования барьерных контактов к GaN является система Ni/Au. Работа выхода Ni составляет 5,15 эВ, он имеет высокую адгезию к GaN. Эта система металлизации обеспечивает высокие пробивные напряжения и малые токи утечки диодов Шоттки на GaN. Контакт Шоттки формируется методом вакуумного испарения металлов электронным лучом.
Заключительной операцией является пассивация поверхности, используемая для уменьшения влияния поверхностных состояний на параметры приборов. Кроме того, пассивация используется для защиты поверхности от механических и химических воздействий, возникающих в процессе сборки приборов.
тия не создают дополнительные поверхностные состояния и не ухудшают характеристики приборов. По данным ИК-спектроскопии, приемлемое качество пассивирующих диэлектрических покрытий обеспечивает метод плазмохимического осаждения из газовой фазы (РЕСУЭ) (рис.4).
Заключение
В работе проведен анализ основных технологических операций изготовления диодных структур Шоттки на основе нитрида галлия. Рассмотрены основные технологические особенности операций травления материала, ионной имплантации, формирования контактных систем и пассивации: обоснованы выбор метода «сухого» травления, выбор защитного покрытия при отжиге имплантированных слоев нитрида галлия и температуры отжига, предложена технология формирования металлизации, осуществлен выбор защитного пассивирующего диэлектрического покрытия. Разработка и внедрение таких операций позволяют создать технологический цикл изготовления приборных структур на основе нитрида галлия с приемлемыми выходными характеристиками.
Публикация подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках проектной части государственного задания, проект №3.3572.2017/ПЧ.
Рис.4. Схематическое изображение приборной структуры
Поскольку у GaN нет естественного окисла, для пассивации использовались диэлектрические пленки Si3N4. Качественные диэлектрические покры-
1. Properties of Advanced Semiconductor Materials: GaN, AlN, InN, BN, SiC, SiGe / Ed. by M.E.Levinshtein, S.L.Rumyant-sev and M.S.Shur. John Wiley & Sons Inc., 2001. 216 p.
2. Boles T., Varmazis C., Carlson D. et al. High voltage GaN-on-silicon Schottky diodes // Proc. CS MANTECH Conf. New Orleans, Lousiana, 2013. P.297.
3. Желаннов А.В., Федоров Д.Г., Селезнев Б.И. Разработка технологии травления нитрида галлия в хлорсодержащей среде // Мат. 7-й науч.-практ. конф. по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники «Мокеров-ские чтения». Москва, 25 мая 2016 г. С.57-58.
4. Желаннов А.В., Удальцов В.Е,. Падорин А.В. Исследование контактной системы Ti/Al/Ni/Au для диодных структур на основе нитрида галлия // Вестник НовГУ. Сер.: Техн. науки. 2010. №60. С.65-69.
5. Селезнев Б.И., Москалев Г.Я., Федоров Д.Г. Фотонный отжиг имплантированных кремнием слоев нитрида галлия // Физика и техника полупроводников. 2016. Т.50. Вып.6. С.848-853.
References
1. Levinshtein M.E., Rumyantsev S.L., Shur M.S., eds. Properties of Advanced Semiconductor Materials: GaN, AlN, InN, BN, SiC, SiGe. New York, John Wiley & Sons Inc., 2001. 216 p.
2. Boles T., Varmazis C., Carlson D., Xia L., Jin D., Palacios T., Turner G.W., Molnar R.J. High voltage GaN-on-silicon Schottky diodes. Proc. CS MANTECH Conf. New Orleans, 2013, p. 297(-300).
3. Zhelannov A.V., Fedorov D.G., Seleznev B.I. Razrabotka tekhnologii travleniia nitrida galliia v khlorsoderzhashchei srede [Development of technology etching of gallium nitride in chlorine-containing environment]. Materialy 7-i nauchno-prakticheskoi konferentsii po fizike i tekhnologii
nanogeterostrukturnoi SVCh-elektroniki «Mokerovskie chteniia» [Proc. 7th Sci. and Pract. Conf. on Physics and Technology of Nanoheterostructered Microwave Electronics "Mokerovskie chteniia"]. Moscow, 2016, pp. 57-58.
4. Zhelannov A.V., Udal'tsov V.E., Padorin A.V. Issledovanie kontaktnoi sistemy Ti/Al/Ni/Au dlia diodnykh struktur na osnove nitrida galliia [Research of the contact system Ti/Al/Ni/Au for diode configurations based on gallium nitride]. Vestnik NovGU. Ser. Tekhnicheskie nauki - Vestnik NovSU. Issue: Engineering Sciences, 2010, no. 60, pp.65-69.
5. Seleznev B.I., Moskalev G.Ia., Fedorov D.G. Fotonnyi otzhig implantirovannykh kremniem sloev nitrida galliia [On the photon annealing of silicon-implanted gallium-nitride layers]. Fizika i tekhnika poluprovodnikov - Semiconductors, 2016, vol. 50, no. 6, pp. 832-838.
