Методы осаждения и травления на атомном уровне ALD/ALE улучшают качество изготовления транзисторов с высокой подвижностью электронов на основе GaN, надежность и диэлектрические свойства затвора.
Атомно-слоевое напыление и травление (технологии ALD/ALE) обеспечивают контроль точности на уровне ангстрема с высокой однородностью как плоских, так и узорчатых пластин. Для этих процессов теперь доступны инструменты для крупносерийного производства. Ожидается более широкое использование технологий ALD/ALE при изготовлении устройств из нитрида галлия (GaN), поскольку более низкая стоимость владения и улучшенные технологические возможности обеспечивают производителям устройств на основе GaN ключевые преимущества.
Технологии ALD и ALE в производстве полупроводниковых приборов
ALD
Технология ALD была впервые разработана в 1960-х годах и первоначально использовалась в дисплеях. В 1980-х и 1990-х годах она впервые нашла применение в производстве полупроводниковых приборов, где она давала преимущества при нанесении в канавках с высоким соотношением сторон по сравнению с обычным химическим осаждением из газовой фазы (CVD). Современное производство КМОП-матриц, для которого требовались тонкие, высококалорийные и другие диэлектрики, а также металлы в трехмерных устройствах, привело к использованию ALD в крупносерийном производстве. ALD – это технология самоограничивающегося осаждения, основанная на 4-ступенчатом процессе. Давайте рассмотрим технологию ALD с нитридом кремния (SiN):
- На подложку обычно наносят пары исходного материала, содержащего кремний (Si) (например, гексахлордисилан), который адсорбируется в условиях, обеспечивающих самоограничение реакции.
- Этот исходный материал удаляют.
- Вводится газообразный реагент, содержащий азот (N), такой как аммиак (NH3), который образует радикалы с помощью плазмы для взаимодействия с адсорбированным Si с образованием монослоя SiN.
- Камеру снова продувают, чтобы удалить избыток побочных продуктов реакции и подготовиться к повторению этих 4 этапов.
Использование плазмы на этапе 3 позволяет получить усовершенствованную версию ALD (PEALD). По сравнению с термическим ALD, PEALD позволяет использовать более широкий выбор исходных материалов при сохранении низких температур осаждения (< 300°C). Плазменная обработка поверхности на месте позволяет очистить и модифицировать границы раздела материалов для уменьшения дефектов. Плазма, используемая при нанесении, должна быть малоповреждающей, т.е. не вносить нежелательных изменений в состав пленок из-за образующихся в плазме частиц. Удаленная плазма, при которой подложка размещается вне основной зоны генерации плазмы, снижает энергию ионов и фотонов вблизи поверхности пластины, обеспечивая нанесение с минимальными повреждениями.
ALE
Технология ALE была впервые разработана в 1980-х годах и получила название «цифровое травление». Она обеспечивает циклический, самоограничивающийся метод удаления материалов по одному атомарному слою за раз. Аналогичным образом применяется 4-ступенчатый процесс, используемый в ALD, на этапе 1 вводится химически активный газ, такой как хлор, который адсорбируется на поверхности, подлежащей травлению, а на этапе 3 используется газ-источник ионов, такой как аргон, который позволяет удалить адсорбированный слой.
Как и в случае с ALD, в крупносерийном производстве используются передовые наноразмерные КМОП-технологии, такие как FinFETs. Риск чрезмерного травления снижается благодаря самоограничивающейся природе ALE. Это может быть принципиально важно, поскольку критически важные элементы устройств уменьшаются в размерах и требуется точное регулирование как вертикальных, так и поперечных размеров. Как и ALD, ALE может быть термическим или плазменным.
Термическую технологию ALE можно использовать для изотропного травления, в то время как плазменная технология ALE предлагает большее разнообразие исходных материалов. ALE позволяет получить более гладкие поверхности, чем при традиционном травлении с индуктивно связанной плазмой (ICP), и, следовательно, улучшает характеристики устройства, такие как равномерность порогового напряжения (Vth) и более высокие пробивные напряжения (BV).
Технологии ALD/ALE в производстве устройств на основе GaN
В последние несколько лет GaN-транзисторы с высокой подвижностью электронов пользуются большим коммерческим успехом, особенно в области преобразования напряжения < 700 В, малой и средней мощности. Транзисторы с затвором p-GaN в режиме усиления (e-mode) получили наибольшее коммерческое распространение. Транзистор с высокой подвижностью электронов на структуре металл-диэлектрик-полупроводник с металлическим изолятором обладает преимуществами в снижении утечки на затворе и более высоком колебании напряжения на затворе.
Компания IMEC успешно продемонстрировала микросхемы GaN-на-кремнии для использования в передовых радиочастотных приложениях. Несмотря на то, что транзисторы с высокой подвижностью электронов на структуре металл-диэлектрик-полупроводник по своей сути являются устройствами, работающими в режиме d или в обычном режиме, встраивание защитного слоя AlGaN под затвор может привести к положительному результату Vth, что делает устройство гораздо более удобным для использования на системном уровне. На рис. 1 показаны основные поперечные сечения устройств с затвором p-GaN и транзисторов с высокой подвижностью электронов на структуре металл-диэлектрик-полупроводник в режиме e-mode.
Oxford Instruments – британский производитель передовых инструментов и систем, специализирующийся на визуализации, анализе, нанесении и травлении полупроводниковых материалов. Их инструменты на основе ALD и ALE особенно хорошо подходят для GaN-силовых устройств и RF транзисторов с высокой подвижностью электронов. Давайте рассмотрим некоторые ключевые проблемы процесса на основе GaN и обобщим преимущества технологий ALD и ALE, которые позволяют их решить.
Технология ALD в производстве GaN-устройств
Рассмотрим конструкцию затвора p-GaN, показанную на рис. 1. Слой SiN или AlN обычно используется для пассивации структуры затвора и служит для отделения затвора от металлической пластины над ним, которая обеспечивает управление электрическим полем (на этом рис. не показана).
Было показано, что качество этого SiN имеет решающее значение для надежности данного транзистора с высокой подвижностью электронов. Удерживание заряда в глубоких состояниях в SiN приводит к усилению электрического поля между металлом затвора и индукционной пластиной, особенно при высоких напряжениях между затвором и источником (VGS), что в конечном итоге приводит к разрыву этого слоя SiN и короткому замыканию между затвором и источником.
Снижение динамического сопротивления при включенном состоянии (RDSON) является основным механизмом снижения тока, наблюдаемого в GaN-транзисторах. Это вызвано сильными полями, генерируемыми в выключенном состоянии устройства, которые приводят к захвату электронов на границе раздела SiN/AlGaN. Жесткое переключение также может привести к образованию горячих электронов, которые задерживаются в этих поверхностных и диэлектрических состояниях, увеличивая суммарный отрицательный заряд. Этот заряд действует как виртуальный затвор, истощая канал двумерного электронного газа (2DEG). Оба эффекта подчеркивают важность создания высококачественных слоев SiN с низкой плотностью захвата над активными слоями транзисторов с высокой подвижностью электронов. Технология PEALD позволяет наносить высококачественные пленки SiN при низких температурах, совместимых с технологическим процессом производства GaN.
Плазменная обработка, выполняемая перед нанесением, позволяет удалить самородный оксид и загрязняющие вещества, не повреждая лежащий под ним кристалл. Это обеспечивает безупречную поверхность для пассивации и превосходную конформность. Значительно более низкая скорость мокрого травления по сравнению с другими нанесенными пленками обеспечивает целостность пленки на последующих этапах обработки и упаковки. В целом, плазменная обработка перед нанесением оксида на затворе может положительно сказаться на качестве затворного оксида.
Технология Atomfab PEALD от Oxford Instruments с предварительной плазменной обработкой NH3 была использована для демонстрации улучшенного гистерезиса CV в стеке GaN/Al2O3, что указывает на уменьшение количества ловушек на границе раздела фаз.
В транзисторах с высокой подвижностью электронов на структуре металл-диэлектрик-полупроводник оксид алюминия (Al2O3) может быть типичным диэлектриком затвора. Технология ALD обеспечивает точное, конформное покрытие без точечных отверстий, нанесенное при оптимальной температуре, что предотвращает термическое повреждение или образование конденсатоотводчиков на поверхности GaN. Утечка затвора в этих транзисторах с использованием ALD-затвора может быть на порядки ниже, чем у их аналогов из p-GaN-затвора Шоттки.
Технология ALE имеет множество потенциальных применений в производстве GaN-устройств. Было продемонстрировано, что технология ALE при температуре 250°C обладает превосходной селективностью травления. Например, при травлении диэлектрика с высоким содержанием диоксида гафния (HfO2) с высоким коэффициентом теплопроводности была отмечена селективность более 1000 по сравнению с диоксидом кремния (SiO2) и SiN.
Плазменная обработка ALE продемонстрировала превосходную однородность по глубине при минимальном повреждении, поскольку используемая энергия ионов составляет всего порядка нескольких десятков электрон-вольт (эВ), что ниже порога распыления материала, подлежащего травлению. В эксперименте GaN-транзисторами компания Oxford Instruments продемонстрировала точное травление барьерного слоя AlGaN на своей системе PlasmaPRO 100 ALE. Сотрудничество с компанией LayTec позволило разработать новый запатентованный метод определения конечной точки отражения УФ-излучения, который позволяет точно регулировать глубину на +/- 0,5 нм для GaN и AlGaN. Это было полностью интегрировано в инструмент ALE, как в аппаратном, так и в программном обеспечении.
На рис. 2 показаны превосходные возможности этой платформы для травления в конечной точке: толщина AlGaN на 3 образцах соответствует заданной толщине 5 нм +/-0,5 нм.
Был продемонстрирован GaN-тест в электронном режиме с травлением углубления на барьере AlGaN под затвором для достижения остаточной толщины 4 ±0,5 нм. При использовании 17-нм диэлектрика Al2O3, нанесенного по технологии ALD, в этом устройстве было достигнуто значение Vth, равное +0,7 В. Кривая передачи этого устройства показана на рис. 3. В этом устройстве, которое имело напряжение 1190 В, был достигнут превосходный удельный RDSON, равный 0,12 Ом/см2.
В эксперименте было показано, что использование тонкого слоя диэлектрика ALD-SiN или AlN-затвора поверх барьера AlGaN усиливает положительный заряд на верхней поверхности AlGaN и, следовательно, защищает влияние поверхностных состояний AlGaN от 2DEG. В настоящее время разрабатывается несколько других применений технологии ALD в усовершенствованных GaN-решетках. К ним относятся использование диэлектриков с высоким коэффициентом теплопроводности, легирование оксида затвора фтором (F) для контроля Vth и создание смешанных оксидов, которые могут обеспечить улучшенное согласование кристаллической решетки с GaN.
Способность инструментов на основе технологий ALD и ALE работать с пластинами диаметром 200 мм делает их конкурентоспособными по стоимости владения по сравнению с обычными CVD-инструментами. Недавнее объявление о сотрудничестве между ROHM и Oxford Instruments в целях поддержки разработки ROHM собственного производства 200-мм GaN-силовых устройств стало наглядным примером растущей роли технологий ALD и ALE в разработке силовых систем на основе GaN. Сюда входит технология ALE от Oxford Instruments и технология Etchpoint.
