SiC 및 GaN 전력 장치의 이온 주입 기술의 과제

다음과 같은 와이드 밴드갭(WBG) 반도체실리콘 카바이드(SiC) 및질화갈륨(GaN)은 전력 전자 장치에서 점점 더 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다. 이 장치는 더 높은 효율, 전력 밀도, 스위칭 주파수를 포함하여 기존 실리콘(Si) 장치에 비해 여러 가지 장점을 제공합니다.이온 주입Si 장치에서 선택적 도핑을 달성하기 위한 주요 방법입니다. 그러나 이를 와이드 밴드갭 장치에 적용하는 데에는 몇 가지 과제가 있습니다. 이 기사에서는 이러한 과제 중 일부에 초점을 맞추고 GaN 전력 장치에서의 잠재적인 응용 분야를 요약합니다.

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몇 가지 요소가 실제 사용을 결정합니다.도펀트 재료반도체 장치 제조 분야:

점유된 격자 부위의 이온화 에너지가 낮습니다. Si에는 이온화 가능한 얕은 공여체(n형 도핑용)와 수용체(p형 도핑용) 요소가 있습니다. 밴드갭 내의 에너지 수준이 깊을수록 특히 실온에서 이온화가 잘 되지 않아 주어진 용량에 대한 전도도가 낮아지게 됩니다. 소스 물질은 상용 이온 주입기에서 이온화 및 주입이 가능합니다. 고체 및 가스 소스 물질 화합물을 사용할 수 있으며 실제 사용은 온도 안정성, 안전성, 이온 생성 효율, 질량 분리를 위한 고유 이온 생성 능력, 원하는 에너지 주입 깊이 달성에 따라 달라집니다.

상업용 이온 주입기에서 이온화 및 주입 가능한 원료 물질입니다. 고체 및 가스 소스 물질 화합물을 사용할 수 있으며 실제 사용은 온도 안정성, 안전성, 이온 생성 효율, 질량 분리를 위한 고유 이온 생성 능력, 원하는 에너지 주입 깊이 달성에 따라 달라집니다.

표 1: SiC 및 GaN 전력 장치에 사용되는 일반적인 도펀트 종

이식된 재료 내 확산 속도. 일반적인 주입 후 어닐링 조건에서 확산 속도가 높으면 접합이 제어되지 않고 장치의 원하지 않는 영역으로 도펀트가 확산되어 장치 성능이 저하될 수 있습니다.

활성화 및 손상 복구. 도펀트 활성화는 고온에서 공극을 생성하여 주입된 이온이 격자간 위치에서 치환 격자 위치로 이동할 수 있도록 하는 것과 관련됩니다. 손상 복구는 주입 과정에서 생성된 비정질화 및 결정 결함을 복구하는 데 중요합니다.

표 1에는 SiC 및 GaN 장치 제조에서 일반적으로 사용되는 일부 도펀트 종과 이온화 에너지가 나열되어 있습니다.

SiC와 GaN 모두에서 n형 도핑은 얕은 도펀트를 사용하여 상대적으로 간단하지만, 이온 주입을 통해 p형 도핑을 생성하는 데 있어 주요 과제는 사용 가능한 원소의 높은 이온화 에너지입니다.

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일부 핵심 이식 및어닐링 특성GaN에는 다음이 포함됩니다.

SiC와 달리 상온에 비해 열간 주입을 사용하면 큰 이점이 없습니다.

GaN의 경우 일반적으로 사용되는 n형 도펀트 Si는 양극성일 수 있으며 점유 위치에 따라 n형 및/또는 p형 동작을 나타냅니다. 이는 GaN 성장 조건에 따라 달라질 수 있으며 부분적인 보상 효과로 이어질 수 있습니다.

GaN의 P-도핑은 도핑되지 않은 GaN의 높은 배경 전자 농도로 인해 더욱 까다롭습니다., 재료를 p형으로 변환하려면 높은 수준의 마그네슘(Mg) p형 도펀트가 필요합니다. 그러나 높은 선량은 높은 수준의 결함을 초래하여 더 깊은 에너지 수준에서 캐리어 포착 및 보상으로 이어져 도펀트 활성화가 불량해집니다.

GaN은 대기압 하에서 840°C 이상의 온도에서 분해되어 N이 손실되고 표면에 Ga 방울이 형성됩니다. 다양한 형태의 급속 열 어닐링(RTA)과 SiO2와 같은 보호층이 사용되었습니다. 어닐링 온도는 일반적으로 SiC에 사용되는 온도에 비해 낮습니다(<1500°C). 고압, 다중 사이클 RTA, 마이크로파, 레이저 어닐링과 같은 여러 가지 방법이 시도되었습니다. 그럼에도 불구하고, p+ 주입 접촉을 달성하는 것은 여전히 ​​어려운 과제로 남아 있습니다.

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수직형 Si 및 SiC 전력 장치에서 에지 종단을 위한 일반적인 접근 방식은 이온 주입을 통해 p형 도핑 링을 생성하는 것입니다.선택적 도핑이 달성될 수 있다면 수직 GaN 장치의 형성도 촉진될 것입니다. 마그네슘(Mg) 도펀트 이온 주입은 몇 가지 과제에 직면해 있으며 그 중 일부는 아래에 나열되어 있습니다.

1. 높은 이온화 잠재력(표 1 참조).

2. 이식 과정에서 발생하는 결함으로 인해 영구적인 클러스터가 형성되어 비활성화될 수 있습니다.

3. 활성화하려면 고온(>1300°C)이 필요합니다. 이는 GaN의 분해 온도를 초과하므로 특별한 방법이 필요합니다. 한 가지 성공적인 예는 1GPa에서 N2 압력을 사용하는 초고압 어닐링(UHPA)을 사용하는 것입니다. 1300~1480°C에서의 어닐링은 70% 이상의 활성화를 달성하고 우수한 표면 캐리어 이동성을 나타냅니다.

4. 이러한 고온에서 마그네슘 확산은 손상된 영역의 점 결함과 상호 작용하여 등급 접합이 발생할 수 있습니다. p-GaN e-모드 HEMT에서 Mg 분포를 제어하는 ​​것은 MOCVD 또는 MBE 성장 공정을 사용하는 경우에도 중요한 과제입니다.

그림 1: Mg/N 동시 주입을 통해 증가된 pn 접합 항복 전압

Mg와 함께 질소(N)를 동시 주입하면 Mg 도펀트의 활성화가 향상되고 확산이 억제되는 것으로 나타났습니다.개선된 활성화는 N 주입에 의한 공극 응집의 억제에 기인하며, 이는 1200°C 이상의 어닐링 온도에서 이러한 공극의 재결합을 촉진합니다. 추가적으로, N 주입에 의해 생성된 공극은 Mg의 확산을 제한하여 더 가파른 접합을 초래합니다. 이 개념은 전체 이온 주입 공정을 통해 수직 평면 GaN MOSFET을 제조하는 데 사용되었습니다. 1200V 장치의 비온 저항(RDSon)은 인상적인 0.14 Ohms-mm2에 도달했습니다. 이 프로세스를 대규모 제조에 활용할 수 있다면 비용 효율적일 수 있으며 Si 및 SiC 평면 수직 전력 MOSFET 제조에 사용되는 일반적인 프로세스 흐름을 따를 수 있습니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 동시 주입 방법을 사용하면 pn 접합 파괴가 가속화됩니다.

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앞서 언급한 문제로 인해 p-GaN 도핑은 일반적으로 p-GaN e-모드 HEMT(고전자 이동도 트랜지스터)에 주입되기보다는 성장됩니다. HEMT에 이온 주입을 적용하는 방법 중 하나는 측면 장치 분리입니다. 수소(H), N, 철(Fe), 아르곤(Ar), 산소(O) 등 다양한 주입종들이 시도되어 왔다. 메커니즘은 주로 손상과 관련된 트랩 형성과 관련이 있습니다. 메사 식각 분리 공정과 비교하여 이 방법의 장점은 장치 평탄도입니다. 그림 2-1은 달성된 절연층 저항과 주입 후 어닐링 온도 사이의 관계를 설명합니다. 그림에 표시된 것처럼 107 Ohms/sq 이상의 저항을 달성할 수 있습니다.

그림 2: 다양한 GaN 절연 주입 후 절연층 저항과 어닐링 온도 간의 관계

실리콘(Si) 주입을 사용하여 GaN 층에 n+ 저항 접점을 생성하는 방법에 대한 여러 연구가 수행되었지만 높은 불순물 농도와 그에 따른 격자 손상으로 인해 실제 구현이 어려울 수 있습니다.Si 주입을 사용하는 한 가지 동기는 금(Au)을 사용하지 않고 Si CMOS 호환 프로세스 또는 후속 금속 후 합금 프로세스를 통해 저저항 접점을 달성하는 것입니다.

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HEMT에서는 F의 강한 전기음성도를 활용하여 장치의 항복 전압(BV)을 높이기 위해 저용량 불소(F) 주입이 사용되었습니다. 2-DEG 전자 가스의 뒷면에 음으로 하전된 영역이 형성되어 고전계 영역으로 전자가 주입되는 것을 억제합니다.

그림 3: F 주입 후 개선을 보여주는 수직 GaN SBD의 (a) 순방향 특성 및 (b) 역방향 IV

GaN에서 이온 주입의 또 다른 흥미로운 적용은 수직 쇼트키 배리어 다이오드(SBD)에서 F 주입을 사용하는 것입니다. 여기서는 상단 애노드 콘택 옆 표면에 F 주입을 수행하여 고저항 에지 종단 영역을 생성합니다. 그림 3에 표시된 것처럼 역전류는 5배 감소하는 반면 BV는 증가합니다.**