Плазменная очистка поверхностей полупроводников удаляет естественные оксиды, углеродные загрязнения и оборванные связи в GaN и Ga₂O₃ при низких температурах, улучшая сопротивление омического контакта и надежность устройств без термических повреждений, которые возникают при традиционной обработке.
Почему подготовка поверхности — это узкое место, о котором никто не говорит
GaN и Ga₂O₃ привлекают к себе много внимания по вполне обоснованным причинам. Ширина запрещенной зоны GaN в 3,4 эВ и более широкий диапазон от 4,5 до 5,3 эВ у Ga₂O₃ ставят их на совершенно другой уровень по сравнению с кремнием для применения в мощных и высокочастотных устройствах.
Более высокое напряжение пробоя, более низкое сопротивление в открытом состоянии, лучшая эффективность при повышенных температурах — аргументы в пользу повышения производительности хорошо обоснованы.
Меньше внимания уделяется тому, что происходит на поверхности во время изготовления. Эпитаксиальный рост и обработка устройств оставляют после себя естественные оксиды, остатки углерода и кислородные загрязнения непосредственно на границе раздела, где металл встречается с полупроводником.
Они рассеивают носители заряда, увеличивают контактное сопротивление и повышают высоту барьера Шоттки, что ограничивает возможности устройства независимо от качества основного материала.
Влажная химическая очистка устраняет очевидные загрязнения, но оставляет после себя поверхностные загрязнения и незакрепленные связи. Это приводит к тому, что устройства не соответствуют заявленным характеристикам и изнашиваются быстрее, чем должны.
Что на самом деле делает с поверхностью плазма с частотой 13,56 МГц?
Вакуумная система с радиочастотой 13,56 МГц генерирует плазму, в которой плотность и энергия ионов могут регулироваться независимо друг от друга. Именно эта независимая регулировка имеет решающее значение. Можно настроить энергию таким образом, чтобы разорвать связи между примесями и сместить поверхностные частицы, не проникая при этом достаточно глубоко в кристаллическую решетку, чтобы вызвать повреждения.
На поверхности одновременно происходят два события:
- Химическая реакция: Радикальные частицы напрямую атакуют связи загрязняющих веществ, превращая их в летучие побочные продукты, которые выводятся из камеры.
- Физическое распыление: Ионная бомбардировка очищает то, что не удается обработать химическим методом, в том числе внутренние участки элементов с высоким соотношением сторон, куда влажная очистка не может добраться.
Для очистки GaN используется плазма на основе азота или аргона/водорода, которая удаляет естественные загрязнения оксидом галлия и углеродом при температурах значительно ниже тех, которые требуются для термических методов. GaN плохо переносит высокие температуры, поэтому это имеет большее значение, чем может показаться.
При обработке оксида галлия плазмой низкомощной аргоновой плазмы вводятся контролируемые кислородные вакансии в поверхность Ga₂O₃. Эти вакансии улучшают проводимость электронов и обеспечивают контактное сопротивление вниз.
Вакуумная плазменная система VL-10-A компании Keylink работает на частоте 13,56 МГц с рабочим вакуумом от 10 до 100 Па и поддерживает газы O₂, Ar, H₂, N₂, CF₄ и другие технологические газы. Эта же платформа позволяет получать как GaN, так и Ga₂O₃ без перенастройки оборудования. полный спектр вакуумных плазменных систем Рассматриваются дополнительные конфигурации для различных производственных требований.
Проблема термической обработки этих материалов.
Термический отжиг достаточно эффективен для кремния. Для нитрида галлия (GaN) и оксида галлия (Ga₂O₃) он создает больше проблем, чем решает.
Для термического удаления естественных оксидов с GaN требуются температуры выше 850 °C, превышающие точку, при которой GaN начинает разлагаться. Быстрый термический отжиг создает напряжение, которое размывает границы гетероструктуры, делающие эти устройства пригодными для использования. Примеси диффундируют там, где не должны.
Ga₂O₃ обладает своей чувствительностью. Его стехиометрия, а именно концентрация кислородных вакансий, определяет его электрические свойства. Высокотемпературная обработка не позволяет точно контролировать этот параметр.
Низкотемпературная плазменная обработка позволяет обойти все эти проблемы:
- Профили легирующих примесей остаются на своих первоначальных местах, поскольку тепловой баланс остается низким.
- Границы гетероструктуры остаются неповрежденными, поскольку дифференциальное термическое расширение не приводит к возникновению напряжений в слоях.
- Наноструктуры и элементы с высоким соотношением сторон сохраняются, поскольку этот процесс не требует разрушительного воздействия тепла.
- Соотношение Ga/N в GaN остается в пределах диапазона 1,0 ± 0,04, необходимого для обеспечения чистого омического поведения.
Улучшение омического контакта и активация поверхности пластины
Тщательно очистите поверхность, и качество контакта улучшится. Улучшение омического контакта достигается за счет удаления естественных оксидов и поверхностных состояний, которые заставляют ток туннелировать через изолирующие слои, а не проходить через четко определенный металл-полупроводниковый переход.
Основные результаты подготовки поверхности с помощью плазмы:
- В устройствах на основе Ga₂O₃, обработанных плазмой Ar/Cl₂, удельное контактное сопротивление снижено более чем в два раза по сравнению с необработанными образцами.
- В GaN HEMT, обработанных удаленной плазмой NH₃, выходной ток увеличивается в 20 раз до 301 Тл4Т, при этом наблюдается измеримое улучшение показателей падения тока и утечки затвора.
- Полевые транзисторы на основе Ga₂O₃, изготовленные с предварительной обработкой аргоновой плазмой, достигают высоких эксплуатационных характеристик без последующего отжига после металлизации.
Активация поверхности пластины Также контролируется стехиометрия при металлизации. В производстве HEMT и диодов Шоттки именно эта точность на границе раздела часто отличает устройства, прошедшие электрическую характеризацию, от тех, которые ее не прошли.
Компания Keylink применяет одни и те же принципы активации во всех отраслях. Наши ресурсы по этой теме: Плазменная очистка для улучшения адгезии корпуса смартфона В статье показано, как активация поверхности приводит к измеримым результатам для различных материалов.
Что это означает для долгосрочной надежности составных полупроводниковых материалов?
Добиться соответствия устройства техническим характеристикам на этапе первоначального тестирования — это одно. А сохранить это соответствие на последующих этапах изготовления, при нагрузках на корпус и в течение многих лет эксплуатации — совсем другое.
Поверхности, полученные плазменной обработкой, более гладкие и химически стабильные, чем поверхности, обработанные термическим способом. В процессе последующей обработки на них не образуются дефекты, которые постепенно ухудшают электрические характеристики. Для устройств на основе GaN и Ga₂O₃, используемых в автомобильных инверторах, базовых станциях 5G и промышленных преобразователях энергии, надежность полупроводниковых компонентов в течение длительного времени не является необязательной, а обязательным требованием. Свяжитесь с нами, чтобы обсудить решения на основе вакуумной плазмы для ваших применений в полупроводниковой промышленности.
