Способ изготовления межприборной изоляции мощных нитридгаллиевых транзисторов

Авторы патента:

Земляков Валерий Евгеньевич (RU)

Егоркин Владимир Ильич (RU)

Беспалов Владимир Александрович (RU)

Зайцев Алексей Александрович (RU)

Журавлёв Максим Николаевич (RU)

Якимова Лариса Валентиновна (RU)

H01L21/762 - диэлектрических областей

Владельцы патента RU 2761051:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" (RU)

Настоящее изобретение относится к технологии изготовления мощных интегральных схем. 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. 4 ил.

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.

В известном патенте приведены примеры изготовления межприборной изоляции на нитридной гетероструктуре AlGaN/GaN с помощью создания мезаструктур с использованием плазмохимического травления в смеси N₂O и SiH₄ [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.

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 - CF₄ или CHF₃. Основной недостаток этого способа - плохая управляемость глубиной проникновения ионов, повреждение и загрязнение поверхности и, как следствие, возникновение дополнительных каналов утечек.

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 - 6×10¹² см^-2; 2) энергия - 160 кэВ, доза -1,8 × 10¹³ см^-2; 3) энергия - 400 кэВ, доза - 2,5 × 10¹³ см^-2. Моделирование распределения

ионов азота методом Монте-Карло показывает концентрацию вакансий более 10²⁰ см^-3 на глубине около 0,6 микрона от поверхности. После ионной имплантации изолирующая область покрывается пленкой пассивирующего диэлектрика Si₃N₄. 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).

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⋅10¹⁷ см^-3. 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.

Ионная имплантация азота проводилась с дозами в диапазоне от 100 мкКл/см² до 1000 мкКл/см² с проведением промежуточных измерений через каждые 100 мкКл/см².

Начиная с дозы 600 мкКл/см² 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.

На фиг. 1 показано распределение относительной концентрации ионов азота по глубине проникновения в приборную структуру. Видно, что при применении дополнительного пассивирующего слоя Si₃N₄ максимум распределения располагается на границе AlGaN/GaN при энергиях ионов 75-85 кэВ. При этом концентрация дефектов на указанной границе раздела достигала значений более 10²⁰ см^-3 при дозах облучения более 500 мкКл/см². 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

Способ изготовления межприборной изоляции мощных нитридгаллиевых транзисторов, включающий формирование изолирующих областей по границам транзистора с помощью имплантации ионов азота через окна в слое толстого фоторезиста, отличающийся тем, что буферный слой нитрида галлия легируется углеродом, перед ионной имплантацией на поверхность приборной структуры наносится пассивирующая пленка нитрида кремния, легирование азотом проводится в один этап через слой нитрида кремния.

Изобретения могут быть использованы в электронных устройствах на подложке, например в транзисторах, интегральных схемах и т.д. Ребра электронного устройства могут быть сформированы путем эпитаксиального выращивания первого слоя материала поверх поверхности подложки на дне щели, сформированной между боковыми стенками областей узкощелевой изоляции (STI).

Способ изготовления полупроводниковой структуры // 2733941

Изобретение относится к области технологии изготовления полупроводниковой структуры, в частности к технологии изготовления эпитаксиальной пленки кремния с низкой дефектностью. Предложенный способ изготовления полупроводниковых структур путем формирования пленки кремния на кремниевой подложке со скоростью роста 20 нм/мин, при температуре 750°С, давлении 1,33⋅10-5 Па, при скорости подачи силана 14,3 см3/мин с последующей термообработкой при температуре 1100°С в течение 15 с в среде аргона позволяет повысить процент выхода годных структур и улучшит их надежность.

Способ изготовления полупроводникового прибора // 2719622

Изобретение относится к области технологии производства полупроводниковых приборов, в частности к технологии изготовления затворного оксида полевого транзистора с пониженными токами утечки. Сущность: на пластинах кремния n-типа проводимости с удельным сопротивлением 4,5 Ом⋅см выращивался слой термического слоя оксида 22 нм окислением в сухом кислороде при 1000°С.

Способ создания структуры - кремний на изоляторе // 2704199

Изобретение относится к области приборостроения и может применяться при изготовлении кремниевых чувствительных элементов микромеханических датчиков, таких как датчики давления, акселерометры, датчики угловой скорости. Целью изобретения является улучшение метрологических характеристик микромеханических датчиков, а именно снижение погрешности измерения за счет снижения термомеханических напряжений, возникающих в зонах соединяемых деталей.

Способ изготовления подложки "кремний на изоляторе" и подложка "кремний на изоляторе" // 2639612

Способ изготовления КНИ-подложки и КНИ-подложка, где способ включает формирование структурированного слоя остановки травителя в слое оксида первой кремниевой подложки, сращивание поверхности, имеющей структурированный слой остановки травителя первой кремниевой подложки, с поверхностью второй кремниевой подложки и удаление части первой кремниевой подложки для формирования структурированной КНИ подложки.

Структура полупроводник-на-изоляторе и способ ее изготовления // 2633437

Изобретение относится к твердотельной электронике. Структура полупроводник-на-изоляторе содержит изолятор, расположенный на нем поверхностный слой полупроводника и сформированный в изоляторе имплантацией ионов легкого газа и последующего высокотемпературного отжига дефектный термостабильный слой с высокой рекомбинационной способностью носителей заряда, возникающих при облучении внешним ионизирующим излучением.

Способ изготовления структуры // 2607336

Использование: для создания высокочастотных структур. Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления структуры, содержащей в определенном порядке опорную подложку, диэлектрический слой, активный слой, выполненный в полупроводниковом материале, так называемый разделительный слой из поликристаллического кремния, помещенный между опорной подложкой и диэлектрическим слоем, причем способ включает следующие этапы: этап обеспечения донорной подложки, выполненной в указанном полупроводниковом материале; этап формирования области охрупчивания в донорной подложке таким образом, чтобы разграничить первую часть и вторую часть донорной подложки на каждой стороне области охрупчивания, при этом первая часть предназначена для формирования активного слоя; этап обеспечения опорной подложки, имеющей удельное сопротивление больше, чем заранее определенное значение; этап формирования разделительного слоя на опорной подложке; этап формирования диэлектрического слоя на первой части донорной подложки и/или на разделительном слое; этап сборки донорной подложки и опорной подложки через промежуточное звено из указанных диэлектрического слоя и разделительного слоя; этап растрескивания донорной подложки по области охрупчивания таким образом, чтобы получить указанную структуру; этап подвергания структуры упрочняющему отжигу по меньшей мере в течение 10 минут после этапа растрескивания; причем указанный способ выполняют таким образом, что поликристаллический кремний разделительного слоя имеет полностью случайную ориентацию зерен по меньшей мере по части толщины разделительного слоя, обращенного к опорной подложке, и так, что упрочняющий отжиг выполняют при температуре строго выше чем 950°С и ниже чем 1200°С.

Конструкция диэлектрического слоя для мдп cтруктур, обладающих эффектом переключения проводимости // 2563553

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники, а именно к конструкции диэлектрического слоя МДП структур, обладающих эффектом переключения проводимости. Особенность предлагаемой конструкции состоит в том, что внутри основной диэлектрической пленки - широкозонного полупроводника из оксида и/или нитрида кремния или их сплавов с углеродом или германием, со встроенными наноразмерными кластерами кремния - сформированы 1-5 слоев материала на базе кремния толщиной 1-5 нм, отличающихся от материала основного слоя химическим составом и меньшей шириной запрещенной зоны.

Способ изготовления структуры кремний-на-сапфире // 2538352

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано для изготовления приборных структур. В подложку из кремния проводят имплантацию ионов с формированием слоя, предназначенного для переноса.

Способ изготовления диэлектрического слоя мдп структур, обладающих эффектом переключения проводимости // 2529442

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники. Способ изготовления диэлектрического слоя МДП структур, обладающих эффектом переключения, заключается в нанесении нанокомпозитной пленки оксинитрида кремния с включенными кластерами кремния.