Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWSTime-of-Flight-Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS) kann zum Nachweis von Dotierungen an strukturierten Halbleiterbauelementen verwendet werden. Während das für diese Untersuchungen ebenfalls häufig genutzte Verfahren der Dynamic Secondary Ion Mass Spectrometry (DSIMS) eine höhere Nachweisempfindlichkeit bietet, kann mit ToF-SIMS eine deutlich bessere Ortsauflösung erreicht werden. Für die Charakterisierung strukturierter Proben ist deshalb mitunter ToF-SIMS die geeignete Methode.
Ein interessantes Beispiel ist die Untersuchung von Dotierungen in der unmittelbaren Umgebung von Gate-Gräben bei vertikalen bzw. semi-vertikalen Bauelementen auf Basis von Galliumnitrid (GaN). Vertikale GaN-Bauelemente sind vielversprechend für Hochleistungsanwendungen wie Stromversorgungen, Elektrofahrzeuge und erneuerbare Energiesysteme. Daher werden semi-vertikale GaN-on-Si-Trench-MOSFETs als Zwischenschritt auf dem Weg zu vertikalen Transistoren intensiv erforscht. Trench-MOSFETs sind eine spezielle Art von Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), die eine Trench-Struktur (Grabenstruktur) verwenden, um die Leistung und Effizienz zu verbessern. Insbesondere die Magnesium-Konzentration der p-GaN-Schicht (im Bereich des Gate-Grabens) ist von Interesse und beeinflusst die wichtigsten Bauelementparameter.
Hochauflösende 3D-Dotierungsanalyse an GaN-Trench-MOSFETs mit ToF-SIMS möglich
Um bei diesen Transistoren den Einfluss von Prozessen (wie Grabenätzung oder Abscheidung der dielektrischen Schichten) auf lokale Verteilungen der Dotierkonzentration zu untersuchen, ist eine hohe Ortsauflösung notwendig, die sich mit ToF-SIMS erreichen lässt. Die Möglichkeiten der Methode hat ein Team des Fraunhofer IMWS gemeinsam mit Wissenschaftlern vom Interuniversitary Microelectronics Centre (imec) aus Leuven (Belgien) untersucht und die Ergebnisse in der Publikation »Doping investigation of structured GaN devices by highly lateral resolved TOF-SIMS« dargestellt, der in der Fachzeitschrift »Power Electronic Devices and Components« erschienen ist.
Es konnte gezeigt werden, dass die Nachweisempfindlichkeit und die Ortsauflösung der ToF-SIMS-Methode geeignet ist, um die Verteilung der Dotierelemente mit einer Ortsauflösung im Bereich von 100 nm dreidimensional zu erfassen. Da die Messergebnisse durch die Topographie der realen 3D-Struktur der untersuchten Bauelemente beeinflusst werden, wurden rasterelektronenmikroskopische Messungen der realen Gate-Graben-Strukturen verwendet, um die dreidimensionalen ToF-SIMS Daten nachträglich hinsichtlich der Topographie zu korrigieren.
Mithilfe der angewendeten Korrektur konnte gezeigt werden, dass es keine signifikanten Veränderungen der Magnesium- und Silizium-Dotierungen in der Nähe der Gate-Graben-Seitenwände durch Prozessschritte wie Grabenätzung oder Abscheidung der dielektrischen Schicht gibt. Die Ergebnisse zeigen das Potenzial der Analyse-Methode für die Charakterisierung und Prozesskontrolle von GaN-Leistungselektronik.
(24. Juli 2026)