Automatisierte Analyse von Dünnschichtstrukturen erleichtern
Fortschrittliche Analyse von GaN-on-Si High-Electron-Mobility-Transistoren (HEMTs)
Die GaN-on-Si-Technologie hat sich aus umfangreichen Forschungsaktivitäten entwickelt und geht nun bei einer breiten Palette von Anbietern in die weltweite Großserienproduktion über. Automatisierte Halbleiter-Metrologie-Lösungen zur Steuerung und Optimierung der Produktion dieser Art von Epitaxiewafer sind heute stark gefragt.
Galliumnitrid (GaN) und verwandte III/V-Verbindungshalbleiter werden heute in großem Umfang bei der Herstellung von RF-Modulen, Leistungswandlungsbauelementen und Leuchtdioden mit hoher Helligkeit (LEDs) eingesetzt. GaN-basierte High-Electron-Mobility-Transistoren (HEMT) sind in vielen Anwendungen die vielversprechendste Technologie für leistungsstarke, hocheffiziente Bauelemente. Dabei wird GaN epitaktisch auf verschiedensten Substraten aufgewachsen; zum Beispiel GaN-on-Si, das aus dünnen, mehrschichtigen GaN-basierten Stapeln auf Silizium-(Si)-Substraten besteht, die relativ kostengünstig sind und in Durchmessern bis zu 300 mm verfügbar sind.
Eine Anwendung von GaN-on-Si liegt in Leistungsbauelementen wie Batterieladegeräten, Smartphones, Computern, Servern, Automotive-Anwendungen, Beleuchtungssystemen und Photovoltaik. Solche auf GaN basierenden Bauelemente sind gerade erst auf den Markt gekommen und spielen eine Schlüsselrolle im aufkommenden Markt der Leistungswandlung.
Die Produktion von GaN-on-Si basiert auf dem epitaktischen Wachstum mehrschichtiger GaN-Heterostrukturen auf Si-Substraten mittels Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD). Diese Bauelemente enthalten epitaktische Schichtstrukturen zunehmender Komplexität.
Die Qualität der AlGaN-Barriere und der darunterliegenden GaN-Schicht, die das 2DEG bildet, ist entscheidend für Leistung und Zuverlässigkeit des Bauelements. Diese hängen von der Qualität der dicken GaN-Schicht ab, die auf der Pufferschichtstruktur gewachsen wird. Eine gründliche Analyse der einzelnen Schichten dieser mehrschichtigen Strukturen ist für bestehende Charakterisierungsmethoden eine Herausforderung.
AMASS mit umfassender Funktionalität kann verwendet werden, um die Gleichmäßigkeit aller Parameter auf einem Wafer zu bestimmen. Dies ist entscheidend für die Optimierung der Produktion von Epitaxiewafern.
Lars Grieger – Business Development Manager Semiconductor Metrology bei Malvern Panalytical
Röntgen-Metrologie
Die hochauflösende Röntgenbeugung ist ein etabliertes und leistungsfähiges Werkzeug zur zerstörungsfreien Charakterisierung heteroepitaktischer Strukturen. Sie wird routinemäßig sowohl in der Materialforschung als auch in der Qualitätskontrolle in der Produktion eingesetzt. Röntgenbeugungsmuster liefern Informationen über Zusammensetzung und Homogenität, Schichtdicke, Spannungsrelaxation, Kristallperfektion und vieles mehr.
Karten um reziproke Gitterpunkte (RSM) können zusätzliche Informationen liefern, die über einzelne Linienscans wie hochauflösende Rocking Curves hinausgehen. RSMs werden typischerweise verwendet, um die Interpretation von Peakverschiebung, Peakverbreiterung und Peaküberlagerung zu unterstützen. Sie wurden jedoch bislang nicht häufig eingesetzt, da ihre Aufnahme und Analyse als zu zeitaufwendig gilt.
Jüngste Fortschritte in der Technologie von Flächendetektoren für Röntgenstrahlung in Kombination mit intelligenten Positionierungsalgorithmen und Datenverarbeitung ermöglichen es nun jedoch, RSMs in kürzeren Zeiträumen als Rocking Curves aufzuzeichnen. Diese Hochgeschwindigkeitsmessungen finden Anwendung bei der Charakterisierung aller Arten kristalliner Hochleistungsmaterialien. Im folgenden Beispiel ist zu sehen, wie RSMs zur Charakterisierung von GaN-on-Si-HEMTs eingesetzt werden können.
Analyse von HEMT-Strukturen
Die Bestimmung der Zusammensetzung und Dicke der Barriereschicht eines GaN-basierten HEMT ist ein zweistufiger Prozess: Die Auswertung des RSM um die (-1 -1 4)-GaN-Reflexion liefert die Zusammensetzung und Relaxationswerte der Pufferschichten sowie der AlGaN-Barriere. Unsere kürzlich eingeführte AMASS (Advanced Materials Analysis and Simulation Software) sucht und markiert automatisch Peakpositionen und bestimmt den Al-Anteil sowie die Relaxation der Barriereschicht. Gleiches gilt für die Peaks der Pufferschicht.
Während das RSM keine Informationen über die Dicke der dünnen obersten Schichten liefern kann, ist diese Information durch die Vollmusteranpassung der Rocking Curves der symmetrischen (00l)-Reflexionen zugänglich. Aufgrund der starken Überlappung mit den Peakpositionen der Pufferschicht kann die dünne Barriereschicht nicht aufgelöst werden, ihre Dicke-Interferenzstreifen sind jedoch vorhanden. Die Fit-Option von AMASS hält die zuvor bestimmten Werte für Zusammensetzung und Relaxation fix, während die Dickenwerte eines entsprechenden Probenmodells angepasst werden. Der beschriebene zweistufige Workflow kann in AMASS vollständig automatisiert werden.
AMASS ist unser Werkzeugkasten für die Dünnschichtanalyse. Er deckt die Funktionalität unserer früheren Software Epitaxy und X’Pert Reflectivity ab und erweitert sie. Zusätzlich bietet er umfassende Funktionen zum Anzeigen, Analysieren, Simulieren und Anpassen von Röntgendaten aus dünnen geschichteten Strukturen“, sagt Lars Grieger, Business Development Manager Semiconductor Metrology bei Malvern Panalytical. „Ergebnisse mehrerer Datensätze, die an unterschiedlichen X-, Y-Waferpositionen erfasst wurden, können verwendet werden, um die Gleichmäßigkeit aller Parameter auf einem Wafer zu bestimmen. AMASS übernimmt die erforderlichen Schritte und kann ferngesteuert über die Kommandozeile oder aus jeder Umgebung einer höheren Programmiersprache heraus gesteuert werden. Dies ermöglicht ein völlig neues Integrationsniveau in bestehende Labor-Datenströme.
Kostenlose XRD-Softwarelizenzen für die Wissenschaft
Warum nicht einmal prüfen, was diese Software für Ihre Analyseprobleme mit geschichteten Strukturen bietet! Weitere Informationen zu den Anwendungen von AMASS finden Sie auf der Website von Malvern Panalytical. Und es gibt noch mehr! Um Forschern und Studierenden zu helfen, ihre Studien fortzusetzen, bieten wir eine persönliche Kopie der XRD-Analysesoftware AMASS oder HighSore Plus kostenlos an. Die Online-Bewerbung ist schnell und einfach. Mehr erfahren: www.malvernpanalytical.com/freelicense
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Glossar
GaN Galliumnitrid
AlGaN Aluminium-Galliumnitrid
GaN-on-Si Galliumnitrid auf Silizium
2DEG „zweidimensionales Elektronengas“
HEMT High-Electron-Mobility-Transistoren
RSM reziproke Raumkarte
Weiterführende Literatur
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