СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ ПОРОГОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ ОТПИРАНИЯ GaN ТРАНЗИСТОРА
METHOD OF INCREASE OF THRESHOLD BARRIER VOLTAGE OF GAN TRANSISTOR

Изобретение относится к технологии силовой электроники, а именно к технологии получения дискретных силовых транзисторов на основе нитрида галлия (GaN), работающих в режиме обогащения.
пор
Транзисторы с высокой подвижностью электронов на основе эпитаксиальных гетероструктур AlGaN/GaN являются перспективной элементной базой для создания устройств силовой электроники следующего поколения. Это обусловлено как высокой подвижностью носителей заряда в канале транзистора, так и высокой электрической прочностью материала, позволяющей достичь высоких напряжений пробоя. Для применения в силовых коммутационных устройствах требуются нормально закрытые GaN транзисторы, работающие в режиме обогащения. Для создания нормально закрытых GaN транзисторов чаще всего используют подзатворную область на основе GaN p-типа, легированного магнием (p-GaN). Однако оптимизация толщины эпитаксиального слоя p-GaN и уровня легирования позволяет добиться порогового напряжения отпирания GaN транзисторов, близкого к U=+1.5 В, что делает их несовместимыми с работой стандартных драйверов управления кремниевыми транзисторами и тем самым ограничивает область их применения. Таким образом, является актуальным и практически значимым поиск способов увеличения порогового напряжения отпирания GaN транзисторов с подзатворной p-GaN областью.
Известен способ изготовления силового GaN транзистора (N.E. Posthuma, S. You, Н. Liang, N. Ronchi, X. Kang, D. Wellekens, Y.N, Saripalli, S. Decoutere. Impact of Mg Out-diffusion and Activation on the p-GaN Gate HEMT Device Performance // Proceedings of the 2016 28th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, June 12-16 2016 Prague, Czech Republic, pp. 95-98), в котором для увеличения порогового напряжения отпирания транзистора используется оптимизация технологического процесса эпитаксиального роста p-GaN слоя, а именно скорость роста, температуры процесса, а также режимов термической активации магния.
пор
Использование оптимальных режимов роста p-GaN слоя толщиной 75 нм позволило увеличить величину напряжения отпирания GaN транзистора с U=+1.5 В до +2.1 В.
Основным недостатком данного метода является низкая производительность технологических процессов роста тонких эпитаксиальных слоев на основе p-GaN.
пор
Известен способ увеличения порогового напряжения отпирания GaN транзистора (Injun Hwang, Jaejoon Oh, Hyuk Soon Choi, Jongseob Kim, Hyoji Choi, Joonyong Kim, Soogine Chong, Jaikwang Shin, U-In Chung. Source-Connected p-GaN Gate HEMTs for Increased Threshold Voltage // IEEE Electron Device Letters, Vol. 34, No. 5, 2013), в котором используется объемное шунтирование p-GaN подзатворной области с областью истока GaN транзистора. Использование данного метода позволило увеличить значение порогового напряжения отпирания GaN транзистора с U=+0.93 до +2.44 В.
Основным недостатком данного метода является увеличение сопротивления GaN транзистора в открытом состоянии, что негативным образом может сказаться на эффективности его работы в составе преобразователя.
Известен способ увеличения порогового напряжения отпирания GaN транзистора (I. Hwang, J. Kim, H.S. Choi, H. Choi, J.W. Lee, K.Y. Kim, J.B. Park, J.C. Lee, J. Ha, J. Oh, J. Shin, and U.I. Chung. p-GaN Gate HEMTs with Tungsten Gate Metal for High Threshold Voltage and Low Gate Current // IEEE Electron device Lett, vol. 34, no. 2, pp. 202-204, 2013), по своей сущности наиболее близкий к предлагаемому техническому решению и выбранный нами за прототип.
пор
зи
Способ заключается в использовании в качестве материала барьера Шоттки к подзатворной области на основе p-GaN металлов с низкой работой выхода электронов, таких как вольфрам. Данный способ позволяет получать силовые гетероструктурные GaN транзисторы с величиной порогового напряжения отпирания порядка U=+3 В, а также большим диапазоном рабочих напряжений на затворе U=+10 В.
Недостатком данного способа является несовместимость технологических процессов магнетронного распыления, а также плазмохимического травления тугоплавких пленок вольфрама с базовыми технологиями изготовления силовых GaN транзисторов как на стандартных кремниевых фабриках, так и на СВЧ фабриках по производству мощных GaN транзисторов и монолитных интегральных схем на их основе.
Основной технической задачей предложенного способа является увеличение порогового напряжения отпирания GaN транзистора при использовании пленок барьерных металлов к p-GaN подзатворной области с высокой работой выхода электронов, таких как Ni, Pd и Ti.
13
16
-2
-1
Основная техническая задача достигается тем, что способ увеличения порогового напряжения отпирания GaN транзистора, включающий создание на поверхности пластины с эпитаксиальной гетероструктурой типа p-GaN/AlGaN/GaN/Si подзатворной p-GaN меза-области, межприборной меза-изоляции, формирование омических контактов к областям стока и истока транзистора, формирование двухслойной резистивной маски литографическими методами, очистку поверхности полупроводника, осаждение тонких пленок затворной металлизации, извлечение пластины из вакуумной камеры установки напыления, удаление резистивной маски, отличается тем, что перед напылением тонких пленок затворной металлизации пластина подвергается обработке в атмосфере атомарного водорода в течение t=10-60 с при температуре T=20-150°C и плотности потока атомов водорода на поверхность пластины, равной j=10-10 ат. см с.
В частном случае в качестве материала подложки для эпитаксиальной гетероструктуры может быть использован карбид кремния и/или сапфир.
В частном случае напыление тонких пленок затворной металлизации может производиться в едином вакуумном цикле с обработкой в атмосфере атомарного водорода.
В частном случае в качестве затворной металлизации могут быть использованы пленки тугоплавких металлов и их соединений (Ta, W, TaN, TiN, WN, WSi), формируемые методами магнетронного распыления.
В частном случае термическая обработка затворной металлизации производится при температуре T=300-600°C в течение t=0.5-30 мин в инертной среде и/или вакууме.
16
-2
-1
На фиг. 1 представлены значения порогового напряжения отпирания GaN транзисторов с подзатворной p-GaN областью, полученных по способу прототипу (1) и предлагаемому способу при использовании обработки в атмосфере атомарного водорода в течение t=20 с (2), 30 с (3), 40 с (4) и 60 с (5) при комнатной температуре и плотности потока атомов j=10 ат. см с.
2
4
13
16
-2
-1
-6
Предлагаемый способ заключается в следующем. На поверхности Si пластины с эпитаксиальной гетероструктрурой типа p-GaN/AlGaN/GaN методом селективного плазмохимического травления формируется подзатворная p-GaN меза-область, а также межприборная меза-изоляция с последующим формированием омических контактов к областям сток и истока транзистора. Далее для формирования барьерного контакта (затвора) к p-GaN области транзистора на поверхности пластины формируется двухслойная резистивная маска. Для очистки поверхности в окнах маски пластина обрабатывается в водном растворе HSO или HCl с последующей ее промывкой в деионизованной воде и сушкой в потоке очищенного азота. Затем пластина загружается в экспериментальную установку, где подвергается обработке в атмосфере атомарного водорода в течение t=10-60 с при температуре Т=20-150°C и плотности потока атомов водорода на поверхность пластины, равной j=10-10 ат. см с. Затем пластина извлекается из экспериментальной установки и загружается в установку напыления тонких пленок в вакууме, где методами электронно-лучевого, магнетронного и/или термического испарения в вакууме при остаточном давлении менее p=5×10 торр производится осаждение пленок на основе палладия толщиной 10-500 нм. Далее производится извлечение пластины из вакуумной камеры с последующим удалением резистивной маски.
В качестве материала подложки для эпитаксиальной гетероструктуры может быть использован карбид кремния и/или сапфир.
Напыление тонких пленок затворной металлизации может производиться в едином вакуумном цикле с обработкой в атмосфере атомарного водорода.
В качестве затворной металлизации могут быть пленки тугоплавких металлов и их соединений (Ta, W, TaN, TiN, WN, WSi), формируемые методами магнетронного распыления.
Термическая обработка затворной металлизации может производиться при температуре T=300-600°C в течение t=0.5-30 мин в инертной среде и/или вакууме.
13
-2
-1
16
-2
-1
Минимальное значение плотности потока атомов водорода на поверхность пластины, равное j=10 ат. см с, определяется тем, что при меньших значениях не достигается технический результат изобретения в связи с конкуренцией между процессами окисления поверхности p-GaN газами, присутствующими в остаточной атмосфере вакуумной камеры, и ее восстановления атомами водорода. Максимальное значение плотности потока атомов водорода на поверхность пластины, равное j=10 ат. см с, определяется предельными техническими возможностями имеющихся сегодня источников атомарного водорода.
Минимальное значение температуры обработки T=20°C определяется минимальной комнатной температурой, характерной для чистых помещений микроэлектронного производства. Максимальное значение температуры обработки T=150°C определяется максимально возможной температурой, при которой наблюдается эффект.
Пример.
Пример демонстрирует технический результат, достигаемый по предлагаемому способу, относительно способа прототипа, а также возможность достижения технического результата в широком временном интервале обработки в атмосфере атомарного водорода.
0.25
0.75
19
-3
-4
15
-2
-1
В экспериментах использовались эпитаксиальные гетероструктуры типа p-GaN/AlGaN/GaN, выращенные методом металлорганической газофазовой эпитаксии на подложках кремния диаметром 100 мм. Гетероструктура включала в себя буферный слой на основе легированного углеродом GaN, толщиной 4 мкм, канальный слой GaN, толщиной 400 нм, спэйсер AlN, толщиной 1 нм, барьерный слой AlGaN, толщиной 20 нм и p-GaN слой, легированный магнием. Толщина p-GaN слоя составляла 50 нм, концентрация атомов магния определялась вторичной ионной масс-спектроскопией и составляла 2×10 см. Подзатворная область на основе р-GaN формировалась селективным плазмохимическим травлением. После формирования межприборной меза-изоляции на пластине производилось формирование омических контактов на основе Ti/Al/Mo/Au. Далее на одну пластину по аналогии со способом-прототипом производилось напыление пленки вольфрама толщиной 200 нм. На вторую пластину в соответствии с предлагаемым способом перед осаждением затворной металлизации на основе пленки палладия толщиной 200 нм осуществлялась обработка в атмосфере атомарного водорода при давлении молекулярного водорода p=10 торр и плотности потока атомов водорода j=10 ат. см с в течение t=10-60 с при температуре Т=22°C. Далее с обеих пластин удалялась резистивная маска, что приводило к формированию рисунка затворов к р-GaN области транзистора.
Из фиг. 1, на которой представлены значения порогового напряжения отпирания GaN транзисторов с подзатворной p-GaN областью, полученных по способу-прототипу (1) и предлагаемому способу при использовании обработки в потоке атомарного водорода в течение t=20 с (2), 30 с (3), 40 с (4) и 60 с (5), видно, что использование предлагаемого способа при малых длительностях обработки t=10 с позволяет на 16.7% увеличить значение порогового напряжения отпирания GaN транзистора. При этом в отличие от способа-прототипа в качестве материала барьера Шоттки к p-GaN области вместо вольфрама может быть использован металл с высокой работой выхода электронов и низкой температурой плавления (например, Ni, Pd, Ti), формируемый методами электронно-лучевого напыления в вакууме, что делает предлагаемый способ привлекательным с промышленной точки зрения.
На фиг. 2 и 3 представлены результаты инфракрасной спектроскопии поверхности p-GaN слоев толщиной 50 нм без обработки и прошедших обработку в потоке атомарного водорода p-GaN слоя в течение t=10 с и t=60 с при комнатной температуре.
Данные фиг. 2 и 3 свидетельствуют о том, что обработка подзатворной p-GaN области в потоке атомарного водорода при комнатной температуре в течение t=10 с приводит к формированию соединений Mg-H на поверхности, а также уменьшению концентрации Mg акцепторов (уровня легирования) в объеме p-GaN. Увеличение времени водородной обработки до t=60 с приводит к стимулированному росту количества связей Mg-H и дальнейшему уменьшению уровня легирования слоя p-GaN.
Для объяснения наблюдаемых эффектов может быть предложен следующий механизм. После кратковременной (t=10 с) обработки подзатворной области на основе p-GaN в потоке атомарного водорода на поверхности полупроводника в результате образования связей Mg-H формируется дипольный слой, индуцированный водородом. Наличие данного дипольного слоя на границе раздела металл/p-GaN приводит к росту порогового напряжения отпирания GaN транзистора посредством увеличения высоты барьера Шоттки.
Дальнейшее увеличение времени обработки в потоке атомарного водорода приводит к его проникновению в слой p-GaN, а также увеличению количества сформированных соединений Mg-H на поверхности. Диффузия атомов водорода вглубь p-GaN слоя приводит к снижению уровня его легирования, что в свою очередь приводит к последующему уменьшению порогового напряжения отпирания транзистора.