基于原位等離子體氮化及低壓化學氣相沉積-Si3N4柵介質的高性能AlGaN/GaN MIS-HEMTs器件的研究?

李淑萍 張志利 付凱 于國浩 蔡勇 張寶順?

1)(蘇州工業園區服務外包職業學院納米科技學院,蘇州 215123)

2)(中國科學院大學,蘇州納米技術與納米仿生研究所,蘇州 215123)

基于原位等離子體氮化及低壓化學氣相沉積-Si3N4柵介質的高性能AlGaN/GaN MIS-HEMTs器件的研究?

李淑萍1)#張志利2)#付凱2)于國浩2)蔡勇2)張寶順2)?

1)(蘇州工業園區服務外包職業學院納米科技學院,蘇州 215123)

2)(中國科學院大學,蘇州納米技術與納米仿生研究所,蘇州 215123)

通過對低壓化學氣相沉積(LPCVD)系統進行改造,實現在沉積Si3N4薄膜前的原位等離子體氮化處理,氮等離子體可以有效地降低器件界面處的氧含量和懸掛鍵,從而獲得了較低的LPCVD-Si3N4/GaN界面態,通過這種技術制作的MIS-HEMTs器件,在掃描柵壓范圍VG-sweep=(?30 V,+24 V)時,閾值回滯為186 mV,據我們所知為目前高掃描柵壓VG+(＞20 V)下的最好結果.動態測試表明,在400 V關態應力下,器件的導通電阻僅僅上升1.36倍(關態到開態的時間間隔為100μs).

氮化鎵高電子遷移率晶體管,低壓化學氣相沉積,原位氮化

1 引 言

以GaN為代表的第三代半導體具有較寬的禁帶寬度、高的擊穿電場、化學穩定性強、電子遷移率高和極強的抗輻射能力等特點,在電力電子器件方面顯示出良好的應用前景［1,2］.與傳統的Schottky-gate高電子遷移率晶體管(HEMT)相比,MIS-HEMTs器件具有更加突出的優勢,因為柵介質的引入不僅可以降低器件的柵漏電,而且可以增加柵擺幅,提高器件的柵驅動能力［3］.然而,柵介質的引入會產生新的介質/(Al)GaN界面態,從而帶來新的挑戰,如:閾值回滯、電流崩塌和器件的可靠性等問題［4,5］.目前,通過一些技術手段可以使這些問題得到一定程度的緩解,如:柵介質優化［6］、表面化學處理［7］、原位等離子體氮化［8］等,并且通過這些手段獲得了在低掃描柵壓下(VG+＜10 V)的低閾值回滯.但是,到目前為止,尚未見在高掃描柵壓下(VG+＞20 V)的低閾值回滯的報道.

另一方面,低壓化學氣相沉積(LPCVD)的氮化硅具有較高的薄膜質量、高的熱穩定性及無等離子體誘導損傷等特點.在用作HMET器件的柵介質和鈍化層方面具有較大的潛力和優勢［2,9,10］.

在這個工作中,我們通過對LPCVD系統進行改造,實現在沉積Si3N4薄膜前的原位等離子體氮化處理,降低了LPCVD-Si3N4/GaN的界面態密度,通過這種技術制作的MIS-HEMTs器件,在掃描柵壓范圍為VG-sweep=(?30 V,+24 V)時,閾值回滯為186 mV,擊穿電壓為881 V(襯底接地).動態測試表明,在400 V關態應力下,器件的導通電阻僅僅上升1.36倍(關態到開態的時間間隔為100μs).

2 器件的結構與制備

2.1 N2等離子體氮化提升界面態的物理機理

在之前的報道中指出,由于GaN暴露在空氣中,表面會吸附氧原子或者形成一層非常薄的氧化層,這種表面的自然氧化物(GaOx)會增加介質與(Al)GaN的界面態密度［3］,如圖1所示,在界面處存在氧雜質和氮空位兩種主要的缺陷態.高的界面態密度會對器件的性能產生嚴重影響,如:器件的電流崩塌效應、柵回滯效應和器件的可靠性等問題.

原位的等離子體處理可以降低表面的自然氧化物含量,從而提高界面質量.通過N2等離子體在合適的功率下對AlGaN/GaN HEMT器件表面進行處理,這種處理主要有兩個作用:一是N2等離子體可以對(Al)GaN表面的N空位進行填充,減少表面的懸掛鍵;另外,在等離子體中的離子都具有一定的能量,這種能量可以對材料表面產生轟擊的作用,所以,另一個作用是通過離子轟擊,去除表面的氧原子,從而提高介質與(Al)GaN的界面質量［11］.

圖1 (網刊彩色)(Al)GaN與介質層界面的缺陷結構示意圖Fig.1.(color online)The schematic diagram of(Al)GaN and dielectric layer interface defect structure.

2.2 器件制作

圖2(a)展示了AlGaN/GaN MIS-HEMT器件的基本結構,AlGaN/GaN異質結材料通過金屬氧化物化學氣相沉積MOCVD的方式生長在Si(111)襯底上,結構從襯底到表面依次為4.1μm厚的GaN緩沖層、100 nm厚的GaN溝道層、1 nm AlN空間層、25 nm本征Al0.26Ga0.74N勢壘層和2 nm厚的GaN蓋帽層.通過霍爾測試表明,外延結構室溫下電子遷移率為 1843 cm2·V?1·s?1,二維電子氣濃度為1×1013cm?2.

對于器件的制作,首先在LPCVD系統中對樣品采用原位等離子體處理,等離子處理的基本結構在圖2(b)中給出.處理過程中維持爐管內的壓強為300 mtorr,溫度為400°C,等離子體功率為50 W處理3 min,然后將溫度從400°C上升到780°C,進行LPCVD-Si3N4的沉積,氨氣(NH3)和二氯二氫硅SiH2Cl2的流量分別為280 sccm和70 sccm,沉積速率大約為3.5 nm/min.沉積LPCVD-Si3N4之后光刻出源漏電極圖形,然后使用SF6等離子體將源漏電極下端的Si3N4去除,接下來通過電子束蒸發沉積Ti/Al/Ni/Au(20 nm/130 nm/50 nm/150 nm)四層金屬,剝離后在890°C退火30 s形成歐姆接觸.

圖2 (網刊彩色)(a)AlGaN/GaN MIS-HEMTs器件的基本結構示意圖;(b)改造的LPCVD系統示意圖Fig.2.(color online)(a)Schematic of AlGaN/GaN MIS-HEMTs device;(b)a reformed LPCVD system.

TLM測試接觸電阻為1.6 ?·mm.使用F離子進行器件隔離.沉積Ni/Au(50 nm/150 nm)剝離后形成柵電極.為了提高器件的動態特性,我們制作了場板結構,場板下介質層為300 nm厚的等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)SiNx,生長溫度為350°C,場板向漏端和源端延展出的尺寸都為2μm,柵長和柵寬分別為4μm和100μm,柵到漏的距離為17μm,柵到源的距離為6μm.

3 實驗結果與分析

3.1 X射線光電子能譜分析(XPS)表征界面質量

為了測試界面處元素含量,進行了XPS測試,XPS是用X射線去輻射樣品,使原子或分子的內層電子或價電子受激發射出來.被光子激發出來的電子稱為光電子,可以測量光電子的能量.以光電子的動能為橫坐標、相對強度(脈沖/s)為縱坐標可做出光電子能譜圖,從而獲得待測物組成.所以,使用XPS技術可以有效獲得界面處每種元素的含量,為分析N2等離子體表面處理技術提供理論支持.

通過測試能譜分析界面處的元素種類、元素含量和每一種元素的成鍵信息,如圖3所示,對于經過N2等離子體處理和未經N2等離子體處理的兩個樣品,最明顯的兩個峰出現在Ga-N和Si-N的位置.為了獲得其他成鍵情況,需要對測試的實驗結果進行分峰擬合,發現在Ga-N峰附近存在Ga-O峰,在Si-N峰附近也存在明顯的Si-O峰.通過對每種成鍵峰的積分得出結論:在經過N2等離子體處理后,界面處Ga-O峰降低了30%,Si-O峰降低了43%,說明N2等離子體處理的確可以降低GaN表面的自然氧化物,從而提高界面態的質量［12,13］.

3.2 器件性能

圖3 (網刊彩色)XPS分峰擬合曲線,Ga-O峰降低了30%,Si-O峰降低了43%Fig.3.(color online)The fi tting curves of XPS peak,Ga-O peak and Si-O peak has decreased by 30%and 43%,respectively.

圖4 (網刊彩色)(a)經過原位等離子體處理的AlGaN/GaN MIS-HEMT器件典型的轉移曲線;(b)在對數坐標系中不同正向掃描柵壓下器件的轉移曲線Fig.4.(color online)(a)Transfer curves of the AlGaN/GaN MIS-HEMT with in-situ pre-deposition plasma nitridation;(b)transfer curves of the device with di ff erent positive end of gate sweep voltages in log-scale.

圖4(a)展示了LPCVD-Si3N4/GaN/AlGaN/GaN MIS-HEMTs器件典型的轉移曲線,采用N2等離子體處理器件的最大飽和電流IDS-max和最大跨導Gm-max分別為513 mA/mm和64 mS/mm,基本與未經過等離子體處理的器件相同［10］.器件的閾值電壓為?23.6 V(閾值電壓定義為漏電流為10μA/mm),一個更負的閾值電壓可能是由于正的界面固定電荷或新的施主態產生,這個現象在文獻［14］中也報道過.對于器件回滯?Vth的評估,柵壓從?30 V掃描到24 V然后再回掃回來,器件的閾值回滯?Vth大約為186 mV(VG-sweep=(?30 V,+24 V)).據我們所知,這是目前在較大正向掃描柵壓(VG+＞20 V)下獲得的最好的結果［5,15,16］.圖4(b)展示了在對數坐標系下不同正向掃描柵壓的轉移曲線,在不同正向柵壓下,器件依然保持一個較小的閾值回滯,說明使用原位N2等離子處理可以有效提高器件的閾值穩定性.

圖5 原位N2等離子體處理的MIS-HEMT器件在不同正向掃描柵壓下的閾值回滯Fig.5.Summary of Vthof the samples with in-situ plasma nitridation versus positive end of gate sweep voltages VG+.

圖5總結了器件在不同正向掃描柵壓VG+下閾值回滯Vth的變化. 有兩個明顯特別的地方需要注意:一個是閾值回滯方向與之前文獻報道中的回滯方向不同［17?20］,閾值回滯是一個負值;另一個不同是對于經過等離子體處理過的器件,閾值回滯Vth隨著正向掃描柵壓VG+的增加而減小,而對于一般MIS-HEMT器件［17,20］,由于界面處類受主界面態的影響,更正的掃描柵壓導致更多的電子被俘獲,從而閾值在回掃的過程中正向移動.對于經過等離子體處理的器件,閾值電壓有一個輕微的負向移動,這主要是由于在負向柵壓時,GaN中的缺陷俘獲電子,在回掃過程中閾值負向移動［21］,類似于上面的分析,越高的正向掃描柵壓VG+導致閾值電壓正向移動,但是由于界面質量的提高,正向移動的幅度要遠小于未經過等離子處理的器件.綜上所述,經過等離子體處理的器件閾值回滯是由于界面態密度的降低導致界面態俘獲電荷數量下降,在一個較負的柵壓下,GaN緩沖層中的缺陷作用相對明顯,最終決定了器件閾值回滯的大小和方向.

AlGaN/GaN MIS-HEMT器件的輸出特性如圖6(a)所示,柵壓掃描范圍和漏壓掃描范圍分別為0 V到10 V和?24 V到?8 V.器件的開態電阻RON為10.3 ?·mm@VGS=?8 V.最大飽和電流達到513 mA/mm.圖6(b)展示了器件的擊穿特性,在測試過程中,柵壓保持在?24 V,襯底接地.在漏端電壓小于400 V時,器件的漏電增加緩慢,當電壓繼續增加后,漏電明顯增加,可能對應的是器件的緩沖層漏電,當電壓達到881 V時,器件擊穿.

圖6 (網刊彩色)(a)AlGaN/GaN MIS-HEMT器件的轉移特性曲線;(b)器件的擊穿特性曲線,擊穿電壓測試中襯底接地Fig.6.(color online)(a)Output curves of AlGaN/GaN MIS-HEMT device;(b)OFF-state breakdown characteristics with the substrate grounded.

圖7 (a)器件動態測試設置示意圖;(b)歸一化的動態電阻與漏端施加應力的關系Fig.7.(a)On-wafer transient switching characteristics of the MIS-HEMTs;(b)normalized dynamic Ronwith various values of o ff-state VDS.

最后,器件的電流崩塌效應通過Agilent的動態測試系統進行評估,開態設置為VGS=0 V和VDS=0.5 V,器件的關態時間為10 ms,開關間隔為100μs.圖7(a)展示了動態測試的具體過程,首先對器件施加一個關態應力,利用柵壓使器件處于關閉狀態,漏端施加一個高壓,電壓范圍從50 V到400 V.然后迅速將器件開啟,開啟后測量源漏之間的電阻,開啟時間最短為100μs.如圖7(b)所示,經過N2等離子體處理的器件的電流崩塌得到明顯抑制,在400 V關態應力條件下,動態電阻僅僅上升了36%.

4 結 論

通過設備改造,在LPCVD系統里引入原位的等離子體處理裝置,并且通過XPS測試對處理后的界面進行了測試分析,在經過N2等離子體處理后,界面處Ga-O峰降低了30%,Si-O峰降低了43%,說明N2等離子體處理的確可以降低GaN表面的自然氧化物,從而提高界面態的質量.并且基于原位N2等離子體處理技術,制作出了高性能的GaN MIS-HEMT器件,如閾值回滯?Vth大約為186 mV(VG-sweep=(?30 V,+24 V))、擊穿電壓BV=881 V和400 V關態應力條件下動態電阻僅僅上升了36%,這些關鍵工藝的研究為制作增強型MIS-HEMT器件打下了堅實的基礎.

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High-performance AlGaN/GaN MIS-HEMT device based onin situplasma nitriding and low power chemical vapor deposition Si3N4gate dielectrics?

Li Shu-Ping1)#Zhang Zhi-Li2)#Fu Kai2)Yu Guo-Hao2)Cai Yong2)Zhang Bao-Shun2)?
1)(Suzhou Industrial Park Institute of Services Outsourcing,Suzhou 215123,China)
2)(Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics,Chinese Academy of Sciences,Suzhou 215123,China)

Gallium nitride(GaN)-based high electron mobility transistor(HEMT)power devices have demonstrated great potential applications due to high current density,high switching speed,and low ON-resistance in comparison to the established silicon(Si)-based semiconductor devices.These superior characteristics make GaN HEMT a promising candidate for next-generation power converters.Many of the early GaN HEMTs are devices with Schottky gate,which su ff er a high gate leakage and a small gate swing.By inserting an insulator under gate metal,the MIS-HEMT is highly preferred over the Schottky-gate HEMT for high-voltage power switche,owing to the suppressed gate leakage and enlarged gate swing.However,the insertion of the gate dielectric creates an additional dielectric/(Al)GaN interface that presents some great challenges to AlGaN/GaN MIS-HEMT,such as the threshold voltage(Vth)hysteresis,current collapse and the reliability of the devices.It has been reported that the poor-quality native oxide(GaOx)is detrimental to the dielectric/(Al)GaN interface quality that accounted for theVthinstability issue in the GaN based device.Meanwhile,it has been proved that in-situ plasma pretreatment is capable of removing the surface native oxide.On the other hand,low power chemical vapor deposition(LPCVD)-Si3N4with free of plasma-induced damage,high fi lm quality,and high thermal stability,shows great potential applications and advantages as a choice for the GaN MIS-HEMTs gate dielectric and the passivation layer.

In this work,an in-situ pre-deposition plasma nitridation process is adopted to remove the native oxide and reduce surface dangling bonds prior to LPCVD-Si3N4deposition.The LPCVD-Si3N4/GaN/AlGaN/GaN MIS-HEMT with a high-quality LPCVD-Si3N4/GaN interface is demonstrated.The fabricated MIS-HEMT exhibits a very-lowVthhysteresis of 186 mV atVG-sweep=(?30 V,+24 V),a high breakdown voltage of 881 V,with the substrate grounded.The hysteresis of our device at a higher positive end of gate sweep voltage(VG+＞20 V)is the best to our knowledge.Switched o ffafter an o ff-stateVDSstress of 400 V,the device has a dynamic on-resistanceRononly 36%larger than the staticRon.

GaN-based high electron mobility transistor,low pressure chemical vapor deposition,in-situpre-deposition plasma nitridation

24 April 2017;revised manuscript

10 July 2017)

(2017年4月24日收到;2017年7月10日收到修改稿)

10.7498/aps.66.197301

?江蘇省重點研發計劃(批準號:BE2013002-2)、國家重點研發計劃(批準號:2016YFC0801203)、江蘇省重點研究與發展計劃(批準號:BE2016084)、國家自然科學基金青年科學基金(批準號:11404372)和國家重點研發計劃重大科學儀器設備開發專項(批準號:2013YQ470767)資助的課題.

#共同第一作者.

?通信作者.E-mail:Bszhang2006@sinano.ac.cn

?2017中國物理學會Chinese Physical Society

PACS:73.40.Kp,73.40.Vz

10.7498/aps.66.197301

*Project supported by the Key Technologies Support Program of Jiangsu Province,China(Grant No.BE2013002-2),The National Key Research and Development Program of China(Grant No.2016YFC0801203),the Key Research and Development Program of Jiangsu Province,China(Grant No.BE2016084),the National Natural Science Foundation of China(Grant No.11404372),and the National Key Scienti fi c Instrument and Equipment Development Projects of China(Grant No.2013YQ470767).

#These authors contributed equally.

?Corresponding author.E-mail:Bszhang2006@sinano.ac.cn