Die Plasmareinigung von Halbleiteroberflächen entfernt native Oxide, Kohlenstoffverunreinigungen und freie Bindungen von GaN und Ga₂O₃ bei niedrigen Temperaturen und verbessert so den ohmschen Kontaktwiderstand und die Zuverlässigkeit der Bauelemente, ohne die thermischen Schäden, die bei herkömmlichen Verfahren auftreten.
Warum die Oberflächenvorbereitung der Flaschenhals ist, über den niemand spricht
GaN und Ga₂O₃ erregen aus gutem Grund viel Aufmerksamkeit. Die Bandlücke von 3,4 eV bei GaN und der deutlich größere Bereich von 4,5 bis 5,3 eV bei Ga₂O₃ heben sie in puncto Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen deutlich von Silizium ab.
Höhere Durchbruchspannungen, niedrigerer Einschaltwiderstand, bessere Effizienz bei erhöhten Temperaturen – die Leistungsfähigkeit ist bestens belegt.
Weniger Beachtung findet, was während der Fertigung an der Oberfläche geschieht. Epitaxiales Wachstum und die Geräteverarbeitung hinterlassen native Oxide, Kohlenstoffrückstände und Sauerstoffverunreinigungen direkt an der Grenzfläche zwischen Metall und Halbleiter.
Sie streuen Ladungsträger, erhöhen den Kontaktwiderstand und treiben die Schottky-Barrierehöhe in eine Weise nach oben, die das Bauelement einschränkt, egal wie gut das Basismaterial ist.
Die nasschemische Reinigung beseitigt zwar die offensichtlichen Verunreinigungen, hinterlässt aber Oberflächenrückstände und ungelöste Bindungen. Diese äußern sich in Bauteilen, die nicht die erwartete Leistung erbringen und schneller verschleißen als vorgesehen.
Was RF-Plasma mit 13,56 MHz tatsächlich auf die Oberfläche auswirkt
Ein Hochfrequenz-Vakuumsystem mit 13,56 MHz erzeugt Plasma, dessen Ionendichte und Ionenenergie unabhängig voneinander eingestellt werden können. Diese unabhängige Steuerung ist entscheidend. Man kann genügend Energie zuführen, um Verunreinigungen aufzubrechen und Oberflächenpartikel zu verdrängen, ohne tief genug in das Kristallgitter einzudringen, um Schäden zu verursachen.
An der Oberfläche geschehen zwei Dinge gleichzeitig:
- Chemische Reaktion: Radikale Spezies greifen die Bindungen der Verunreinigungen direkt an und wandeln sie in flüchtige Nebenprodukte um, die aus der Kammer entfernt werden.
- Physikalisches Sputtern: Durch Ionenbeschuss werden Verunreinigungen beseitigt, die bei der chemischen Reinigung nicht sichtbar sind, auch im Inneren von Strukturen mit hohem Aspektverhältnis, die bei der Nassreinigung nicht erreichbar sind.
Zur Reinigung von GaN werden natürliches Galliumoxid und Kohlenstoffverunreinigungen mittels Stickstoff- oder Ar/H₂-Plasma bei Temperaturen weit unterhalb derer thermischer Verfahren entfernt. Da GaN hohe Temperaturen schlecht verträgt, ist dies von größerer Bedeutung, als es zunächst scheinen mag.
Bei der Galliumoxid-Plasmabehandlung werden mittels Argonplasma niedriger Leistung gezielt Sauerstoffleerstellen in die Ga₂O₃-Oberfläche eingebracht. Diese Leerstellen verbessern die Elektronenleitfähigkeit und führen zu … Kontaktwiderstand runter.
Das Vakuumplasmasystem VL-10-A von Keylink arbeitet mit einer HF-Frequenz von 13,56 MHz und einem Arbeitsvakuum zwischen 10 und 100 Pa. Es unterstützt O₂, Ar, H₂, N₂, CF₄ und weitere Prozessgase. Dieselbe Plattform ermöglicht die Herstellung von GaN und Ga₂O₃ ohne Hardware-Umkonfiguration. komplettes Sortiment an Vakuum-Plasmasystemen Umfasst zusätzliche Konfigurationen für unterschiedliche Produktionsanforderungen.
Das Problem bei der Wärmebehandlung dieser Materialien
Thermisches Tempern funktioniert für Silizium gut. Bei GaN und Ga₂O₃ verursacht es mehr Probleme, als es löst.
Die thermische Entfernung der nativen Oxide von GaN erfordert Temperaturen über 850 °C, also jenseits des Punktes, an dem GaN zu zerfallen beginnt. Schnelles thermisches Ausheilen erzeugt Spannungen, die die Grenzflächen der Heterostruktur beeinträchtigen und somit deren Funktionsfähigkeit beeinträchtigen. Dotierstoffe diffundieren ungewollt.
Ga₂O₃ weist eine gewisse Empfindlichkeit auf. Seine Stöchiometrie, insbesondere die Konzentration von Sauerstoffleerstellen, bestimmt sein elektrisches Verhalten. Hochtemperaturprozesse ermöglichen keine präzise Kontrolle darüber.
Die Niedertemperatur-Plasmabehandlung umgeht all dies:
- Die Dotierstoffprofile bleiben an ihrem Bestimmungsort, da das thermische Budget niedrig bleibt.
- Die Grenzflächen der Heterostrukturen bleiben intakt, ohne dass es zu einer unterschiedlichen Wärmeausdehnung kommt, die Spannungen in den Schichten verursacht.
- Nanostrukturen und Merkmale mit hohem Aspektverhältnis bleiben erhalten, weil für den Prozess keine schädliche Hitze benötigt wird.
- Das Ga/N-Verhältnis auf GaN bleibt innerhalb des Bereichs von 1,0 ± 0,04, der für ein sauberes ohmsches Verhalten erforderlich ist.
Verbesserung des ohmschen Kontakts und Aktivierung der Waferoberfläche
Eine gründliche Oberflächenreinigung ist die Voraussetzung für eine optimale Kontaktleistung. Die Verbesserung des ohmschen Kontakts wird durch die Entfernung der nativen Oxide und Oberflächenzustände erreicht, die den Stromfluss durch isolierende Schichten anstatt durch einen definierten Metall-Halbleiter-Übergang erzwingen.
Wichtigste Ergebnisse der Plasma-Oberflächenpräparation:
- Bei mit Ar/Cl₂-Plasma behandelten Ga₂O₃-Bauelementen ist der Kontaktwiderstand im Vergleich zu unbehandelten Proben um mehr als den Faktor zwei reduziert.
- Bei mit entferntem NH₃-Plasma behandelten GaN-HEMTs steigt der Ausgangsstrom um 20 bis 30%, wobei eine messbare Verbesserung des Stromabfalls und des Gate-Leckstroms erzielt wird.
- Mit Ar-Plasma-Vorbehandlung hergestellte Ga₂O₃-FETs erreichen ohne Nachmetallisierungsglühen hohe Leistungsspezifikationen.
Wafer-Oberflächenaktivierung Sie steuert auch die Stöchiometrie bei der Metallisierung. Bei der Herstellung von HEMTs und Schottky-Barrieredioden ist diese Präzision an der Grenzfläche oft der entscheidende Faktor, der Bauelemente, die die elektrische Charakterisierung bestehen, von solchen unterscheidet, die sie nicht bestehen.
Keylink wendet branchenübergreifend dieselben Aktivierungsprinzipien an. Unsere Ressource dazu Plasmareinigung zur Verbesserung der Haftung von Smartphone-Gehäusen zeigt, wie sich die Oberflächenaktivierung in messbaren Ergebnissen bei verschiedenen Materialien niederschlägt.
Was dies für die Langzeitzuverlässigkeit von Verbindungshalbleitern bedeutet
Ein Gerät im ersten Test spezifikationsgemäß zu fertigen, ist eine Sache. Diese Spezifikation auch in den nachfolgenden Fertigungsschritten, unter Belastung durch die Verpackung und im jahrelangen Betrieb beizubehalten, ist eine ganz andere.
Plasmabehandelte Oberflächen sind glatter und chemisch stabiler als thermisch behandelte. Sie entwickeln während der Weiterverarbeitung keine Defektzustände, die die elektrische Leistung allmählich beeinträchtigen. Für GaN- und Ga₂O₃-Bauelemente, die in Kfz-Wechselrichtern, 5G-Basisstationen und industriellen Leistungswandlern eingesetzt werden, ist die langfristige Zuverlässigkeit der Verbindungshalbleiter unerlässlich. Sie ist eine Qualifikationsvoraussetzung. Kontaktieren Sie uns, um Vakuumplasma-Lösungen für Ihre Verbindungshalbleiteranwendung zu besprechen.
