СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕЖПРИБОРНОЙ ИЗОЛЯЦИИ МОЩНЫХ НИТРИДГАЛЛИЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
METHOD FOR MANUFACTURING INTER-INSTRUMENT INSULATION OF HIGH-POWER GALLIUM NITRIDE TRANSISTORS

Настоящее изобретение относится к технологии изготовления мощных интегральных схем.
Нитридные НЕМТ-транзисторы - наиболее перспективная элементная база для изготовления мощных и высокочастотных интегральных схем. Приборные GaN/AlGaN гетероструктуры эпитаксиально выращиваются на различных подложках в т.ч. на кремниевых пластинах большого диаметра. Один из важных этапов изготовления компактных силовых схем на одной пластине или кристалле - изоляция отдельных транзисторов друг от друга. Качество межприборной изоляции определяет токи утечки, пробивные и рабочие напряжения.
2
4
В известном патенте приведены примеры изготовления межприборной изоляции на нитридной гетероструктуре AlGaN/GaN с помощью создания мезаструктур с использованием плазмохимического травления в смеси NO и SiH [1]. Также возможно применение реактивного ионного травления в хлорсодержащей индуктивно связанной плазме (ICP-RIE). При травлении удаляется область двумерного электронного газа вокруг транзистора. Однако при травлении, из-за ионной бомбардировки поверхности, образуются вакансии азота, обладающие свойством донорной примеси. Это приводит к высокому поверхностному току утечки. Большой ток утечки вызывает потерю мощности в закрытом состоянии, дополнительные шумы и проблемы с надежностью.
В известном патенте описана технология изготовления межприборной изоляции нитридных приборов с помощью предварительного легирования и последующего селективного травления легированных областей [2]. Селективное травление проще плазменного и позволяет получить гладкую поверхность материала с небольшими повреждениями кристаллической структуры. Для дополнительного уменьшения токов утечки по поверхности изолирующей мезаструктуры можно использовать пассивацию поверхности диэлектриком. Недостаток подобного подхода при изготовлении транзисторов - непланарность получаемой структуры, что затрудняет проведение дальнейших технологических операций.
4
3
Альтернативный способ изготовления межприборной изоляции - ионная имплантация. Высокое сопротивление изолирующей области обеспечивается за счет глубоких уровней ловушек или центров рекомбинации. Такой подход позволяет сохранить плоскую морфологию прибора. В известном патенте обсуждается создание межприборной изоляции с помощью внедрения ионов бора в нитрид галлия [3]. Технологический маршрут включает следующие операции: поверхность пластины GaN покрывается толстым слоем фоторезиста (толщина больше 3 мкм) с помощью центрифугирования; слой фоторезиста над изолирующими областями удаляется; ионы фтора вводятся в GaN через окна в фоторезисте. Источник фтора - CF или CHF. Основной недостаток этого способа - плохая управляемость глубиной проникновения ионов, повреждение и загрязнение поверхности и, как следствие, возникновение дополнительных каналов утечек.
12
-2
13
-2
13
-2
В наиболее близком по технической сути патенте, принятом нами за прототип, межприборная изоляция изготавливается с помощью имплантации ионов азота [4]. В качестве маски используется слой фоторезиста. Легирование проводится в три этапа при различных энергиях: 1) энергия - 30 кэВ, доза - 6×10 см; 2) энергия - 160 кэВ, доза -1,8 × 10 см; 3) энергия - 400 кэВ, доза - 2,5 × 10 см. Моделирование распределения
20
-3
3
4
ионов азота методом Монте-Карло показывает концентрацию вакансий более 10 см на глубине около 0,6 микрона от поверхности. После ионной имплантации изолирующая область покрывается пленкой пассивирующего диэлектрика SiN. Измеренное разрушающее напряжение пробоя составляло 60-70 В на микрон расстояния затвор-сток. Это дает пробивное напряжение около 200 В для геометрии транзистора, описанной в патенте. Средняя плотность тока утечки стока, измеренная для транзистора с затвором 2 × 200 микрон, составила около 0,3 мА/мм при напряжении сток-исток 150 В и напряжении затвор-исток -8 В. Основной недостаток этого способа - многостадийный технологический процесс, недостаточно высокие пробивные напряжения и большие токи утечки.
Задача настоящего изобретения - уменьшение токов утечки нитридгаллиевых НЕМТ транзисторов и интегральных схем на их основе до единиц наноампер при напряжениях до 600 В.
Предлагаемый способ заключается в следующем: расположенный на подложке буферный слой GaN легируется углеродом; по границам транзистора формируются изолирующие области с помощью имплантации ионов азота; перед проведением операции ионной имплантации наносится пассивирующий слой нитрида кремния.
Для тестирования межприборной изоляции применялись AlGaN/GaN гетероструктуры на кремниевой подложке, с легированным и нелегированным буферными слоями GaN. Толщина слоя AlGaN - 25 нм, мольная доля А1 - 25%. Были изготовлены тестовые элементы из расположенных на расстоянии пять микрон пальцев омических контактов Ti/Al/Ni/Au. Четные и нечетные пальцы соединяются с общими контактными площадками. В пространство между отдельными пальцами проводилась имплантация ионов азота с помощью установки ионного легирования IBS IMC200. На одной пластине с тестовыми элементами формировались транзисторы с длиной затвора 0.7 мкм и шириной 100 мкм. На транзисторах контролировали удельный ток и пробивное напряжение в режиме отсечки (напряжение на стоке транзистора при напряжении на затворе транзистора, при котором ток стока минимален).
17
-3
В нелегированном буферном слое GaN возникает электронная проводимость за счет фоновых примесей кислорода, а также вакансий азота, действующих как мелкие доноры. Эти факторы сложно контролировать в процессе роста. Использование легированных углеродом буферных слоев позволяет подавить фоновую проводимость и обеспечить высокие значения напряжения пробоя. Объемная концентрация углерода была выбрана на уровне 5⋅10 см. Верхняя часть буферного слоя не легируется, чтобы не уменьшать подвижность носителей в канале транзистора.
Азот был выбран в качестве имплантируемой примеси для создания изолирующих областей из-за своей безопасности и технологичности для получения потока ионов. Легирование азотом проводится в один этап через слой нитрида кремния. Пассивирующий диэлектрик защищает поверхность нитрида галлия от повреждения и образования поверхностных каналов утечек через дефекты. В качестве маски при ионной имплантации применялся фоторезист толщиной более 3 мкм.
Для подбора оптимальной энергии при проведении операции ионного легирования было проведено численное моделирование распределения ионов азота в нитриде галлия с использованием алгоритма TRIM (SRIM). Наилучшее качество изоляции наблюдается при расположении максимума распределения в области двумерного электронного газа на гетерогранице AlGaN/GaN. Такое положение максимума достигается при энергии ионов в диапазоне 75-85 кэВ. В стандартной технологии, где имплантация производится без применения слоя нитрида кремния, максимум распределения радиационных дефектов расположен гораздо глубже гетерограницы AlGaN/GaN, что затрудняет подавление проводимости и требует проведения нескольких операций ионного легирования.
2
2
2
Ионная имплантация азота проводилась с дозами в диапазоне от 100 мкКл/см до 1000 мкКл/см с проведением промежуточных измерений через каждые 100 мкКл/см.
2
Начиная с дозы 600 мкКл/см токи утечки уменьшились до уровня менее одного наноампера. Пробивное напряжение структуры также стабилизировалось.
Таким образом, применение предлагаемого способа изготовления межприборной изоляции нитридгаллиевых транзисторов в сравнении с патентом-прототипом позволило уменьшить величину токов утечки в 300 раз с 0,3 мА/мм до 1 нА/мм, увеличить пробивное напряжение в 3 раза с 200 В до 600 В.
3
4
20
-3
2
На фиг. 1 показано распределение относительной концентрации ионов азота по глубине проникновения в приборную структуру. Видно, что при применении дополнительного пассивирующего слоя SiN максимум распределения располагается на границе AlGaN/GaN при энергиях ионов 75-85 кэВ. При этом концентрация дефектов на указанной границе раздела достигала значений более 10 см при дозах облучения более 500 мкКл/см. Это позволяет нейтрализовать имеющееся на AlGaN/GaN границе сопоставимое по величине количество электронов.
На фиг. 2 показана топология тестового элемента для измерения токов утечки. Расстояние между омическими контактами 5 мкм
На фиг. 3. представлены измеренные токи утечки в тестовом элементе: 1-межприборная изоляция с помощью травления и пассивации мезы, 2 - межприборная изоляция с помощью имплантации ионов азота, буферный слой не легируется, 3 -межприборная изоляция, изготовленноая по предлагаемому способу.
На фиг. 4. показаны вольтамперные характеристики тестовых полевых транзисторов в режиме отсечки: 1- межприборная изоляция с помощью травления и пассивации мезы (напряжение на затворе - 3 В), 2 - межприборная изоляция с помощью имплантации ионов азота, буферный слой не легируется (напряжение на затворе - 4 В), 3 - межприборная изоляция, изготовленноая по предлагаемому способу (напряжение на затворе -5 В).
Источники информации
1. Патент РФ №2610346
2. Патент США №8748204
3. Патент КНР №106024695
4. Патент США №20050145851 - прототип