通過定量陰極射線熒光技術(shù)進(jìn)行無損檢測，詳查氮化鎵 HEMT 的穿透位錯，組分和摻雜，有助于氮化鎵 HEMT 的開發(fā)和生產(chǎn)。

MATTHEWDAVIES 和 CHRISTIAN MONACHON ，ATTOLIGHT

      化合物半導(dǎo)體具有硅的很多特性，但也有一些顯著差異，這導(dǎo)致一些針對硅的表征技術(shù)無法為化合物半導(dǎo)體提供準(zhǔn)確信息，對于氮化鎵來說尤其明顯。為了保持有競爭力的價格，氮化鎵晶體管和 LED 生長在異質(zhì)襯底上，因此外延層的缺陷密度非常高，但這從來不會發(fā)生在硅基器件上。

      一種被稱為定量陰極熒光光譜法的無損技術(shù)，可以幫助闡明各類化合物半導(dǎo)體器件的特性，其中包括由氮化鎵制成的器件。位于瑞士洛桑的Attoligh 團(tuán)隊是這一領(lǐng)域的開拓者，已經(jīng)推出了支持這種計量方式的工具。

      之前，我們的團(tuán)隊發(fā)表過有關(guān)定量陰極射線熒光技術(shù)協(xié)助太陽能電池，照明和顯示技術(shù)領(lǐng)域的制造商的文章（具體可參考《化合物發(fā)光技術(shù)的陰極射線管發(fā)光》，2018 年 7 月版的《化合物半導(dǎo)體》）。本文將探討，對于硅上氮化鎵 HEMT器件，該技術(shù)是如何監(jiān)測其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量（如果您不熟悉該器件，請查看“氮化鎵 HEMT 的基礎(chǔ)知識”部分）。

GaNHEMT 的基礎(chǔ)

結(jié)型常關(guān) HEMT^[1] 的核心是在寬帶隙 Al_xGa_1-xN（x 通常為 10 ％至20％）和常規(guī)氮化鎵之間的界面上形成的二維電子氣（2DEG）。為了確保常關(guān)操作，p 型摻雜的氮化鎵層被插入在鋁鎵氮層和柵極觸點之間。

對于采用這種設(shè)計的器件，性能會受到以下因素的極大影響：

? 位錯密度 ：位錯最終與泄漏電流有關(guān) ^[2]

? p 型氮化鎵中的鎂濃度 ：這會影響柵極下方氮化鎵的費米能級，并最終影響器件的阻斷能力

? 鋁鎵氮中的鋁濃度 ：這直接影響 2DEG 濃度 ^[3]

      這是結(jié)型常關(guān) HEMT 的一般設(shè)計，通常用于功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用。整個樣品中均存在穿透位錯。該草圖僅表明了它們的存在和方向，尤其是在結(jié)下方，在這里它們可能會產(chǎn)生最大的影響。

      對于這類晶體管，定量陰極射線熒光技術(shù)幫助工程師通過關(guān)注以下三個關(guān)鍵指標(biāo)來優(yōu)化生產(chǎn)線的成品率：穿透位錯密度、溝道上方鋁鎵氮層的鋁含量和 p 型氮化鎵柵極的鎂摻雜量，這是實現(xiàn)常關(guān)型 HEMT 的關(guān)鍵。

      為了確保最優(yōu)流程管理，工程師需要在流程中的每個步驟采用來自測量工具的快速無損反饋。對于試生產(chǎn)線，以及專用研發(fā)設(shè)施和大容量晶圓廠中的生產(chǎn)線來說，都是如此。對于從事研發(fā)的生產(chǎn)線來說，更快的反饋速度帶來更快的開發(fā)速度和開發(fā)效率，同時降低成本。在大批量生產(chǎn)的晶圓廠中，更快的無損反饋減少了在制品，在理想情況下有助于快速的工藝控制，對于給定的工藝步驟，有效在制品為零。在工序間隔的停機時間中，在后續(xù)過程之間有來自計量工具的反饋，例如在清潔 Epi 反應(yīng)器時就會發(fā)生這種情況。

       使用在外延片生長之后的 S?ntis 平臺，可針對各類指標(biāo)提供快速，可靠，非破壞性的反饋，在此之前，這些反饋只能通過破壞性而且耗時的方法來獲得。有了這種新型高分辨率的外延晶片檢測平臺，晶圓廠的負(fù)責(zé)人和工程師可以很好地做出關(guān)鍵性決策，包括對關(guān)鍵性能指標(biāo)的即時反饋，確定某些晶圓是否應(yīng)進(jìn)行前端處理以及是否需要調(diào)整生長配方。

      在后面的段落，我們將介紹使用 S?ntis300 全晶片定量陰極熒光平臺對氮化鎵 HEMT 進(jìn)行研究的成果，包括為功率 HEMT 開發(fā)的專有測量和分析方法，代表了在氮化鎵制造中用于外延工藝控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

確定位錯

      氮化鎵 HEMT 性能降低的原因是穿透位錯。如果它們與二維費米氣體形成的通道相交，或?qū)⒁r底連接到柵極觸點，則可能會導(dǎo)致器件泄漏電流 ^[2]，并可能損害器件的長期耐用性。氮化鎵HEMT 的開發(fā)人員設(shè)計出幾種解決方案，以減少通過這些通道的泄漏電流。但是，相關(guān)工作人員仍需對此問題進(jìn)行全面了解，他們并不完全了解位錯電流泄漏的原因或有效控制泄漏的方法，而且并不知曉影響位錯對器件性能和耐用性的影響。因此，有必要分析外延層中的穿透錯位，有助于我們更加了解此問題及控制過程，從而獲得更好的器件。

      陰極熒光已經(jīng)存在了幾十年，因此人們通常認(rèn)為使用這種技術(shù)計算穿透位錯是微不足道的。但事實并非如此：陰極熒光要比最初看起來要復(fù)雜得多，以確保穿透位錯密度符合過程控制度量標(biāo)準(zhǔn)。

     但是，定量陰極熒光非常有洞察力的，結(jié)合了簡單的穿透位錯計數(shù)和許多新指標(biāo)來確定其密度。包括穿透錯位的局部空間分布、伯格斯矢量和大小，以及區(qū)分這種缺陷和其他結(jié)構(gòu)缺陷（例如 V 形凹坑）的能力。定量陰極熒光光譜法具有廣泛功能，更是用于氮化鎵 HEMT 開發(fā)和生產(chǎn)的強大工具。

      機器視覺是一種可能有助于定量陰極熒光的技術(shù)。近年來，該技術(shù)得到了改善，因此廣泛應(yīng)用在各行業(yè)中。但是，將機器視覺應(yīng)用于小而密集的特征時會遇到一些麻煩，例如在硅基氮化鎵HEMT 外延層中發(fā)現(xiàn)的穿透位錯簇。在這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，平均每平方微米大約有十個穿透位錯，傳統(tǒng)的特征檢測算法可能會降低精度。

       我們采用一種創(chuàng)新的圖像重建方法解決了這一問題，該方法利用了蒙特卡洛和數(shù)值模擬的結(jié)果以及特定材料知識和假設(shè)。在研究了不同圖像上的數(shù)百次迭代之后，我們確定了重建的可再現(xiàn)性，以 3σ 的方式評估為 ±1.05％（見圖 1）。此外，與基準(zhǔn)特征檢測解決方案相比，我們的技術(shù)可解決多達(dá) 40％的缺陷。

圖1.（a）帶有突出顯示的Attolight圖像重建解決方案識別出具有穿透位錯的陰極發(fā)光圖像。（b ）基于圖像重構(gòu)算法的數(shù)百次迭代后的歸一化穿透位錯密度的直方圖。

       將通過定量陰極熒光得到的穿透位錯成像用于過程控制，其功能不僅限于對單個圖像的缺陷進(jìn)行精確計數(shù)。為了使檢測精度最大化，工程師應(yīng)該記錄較少的高分辨率圖像，每個圖像具有較少的特征。但這可能無法同時保證準(zhǔn)確性和采樣誤差的。這對于使定量陰極熒光在過程控制中發(fā)揮重要作用至關(guān)重要。

如圖 2 所示，當(dāng)使用較小的圖像確定穿透位錯密度時，更少的特征被展示 - 并且圖像更容易受到隨機統(tǒng)計波動的影響。盡管單個圖像可以對穿透位錯提供更精確檢測，但在某些情況下，采樣誤差會覆蓋此增益，從而導(dǎo)致結(jié)果的準(zhǔn)確性較低。

圖 2 . （ a ） 當(dāng) 在 單 個10×10μm²圖像中考慮恒定圖像區(qū)域（FOV）時，變化的穿透位錯密度的不確定性（表示為期望值的百分比）。（b ）對于恒定的穿透位錯密度為1×10⁹  cm^-2的不確定性（表示為期望值的百分比），針對具有變化的FOV的單個圖像進(jìn)行評估。

       例如，視野較小的單個圖像。由于隨機的統(tǒng)計波動，可能導(dǎo)致很大范圍的可能值，較低的穿透位錯密度會加劇這種影響。在極端情況下，當(dāng)對缺陷密度為 1×10⁹cm^-2 的樣品成像時 - 相當(dāng)于每平方微米平均有 10 個缺陷 - 在單個 2×2μm² 的視野中發(fā)現(xiàn)缺陷的可能性很小但不等于零（圖 1（b）所示）。

      解決方案是將高采樣率與優(yōu)化的視野結(jié)合起來。盡管這種方案可以最小化采樣誤差，但無法以高精度處理無限大視場的圖像。為了實現(xiàn)采樣率，保證過程控制度量工具有足夠的可重復(fù)性和可再現(xiàn)性，需要具有出色可靠的自動化功能和可重復(fù)的檢測算法。我們將以下功能結(jié)合在一起：S?ntis300 平臺的自動化，并適當(dāng)考慮了采樣誤差和可重復(fù)性 ；通過創(chuàng)新的方法，采用專有的圖像重建方法來檢測特征。 

外延層成分

       無論是常開還是常關(guān)，每個 HEMT 的核心都位于鋁鎵氮層，該層與二維電子氣通道的形成密不可分。通過仔細(xì)控制鋁鎵氮層的生長，工程師可以設(shè)置電子氣濃度并最終確定關(guān)鍵特性，例如閾值電壓和導(dǎo)通狀態(tài)串聯(lián)電阻。

       氮化鎵 HEMT 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長從未完美。由于外延反應(yīng)器的設(shè)計，襯底的彎曲以及生長過程的動力學(xué)，出現(xiàn)了與外延層的成分和厚度相關(guān)的徑向晶圓級依賴性（見圖 3）。它們在關(guān)鍵層上產(chǎn)生的變化 – 對于 HEMT 來說，關(guān)鍵層是鋁鎵氮層，在 LED 中是有源區(qū) - 會降低晶圓級的均勻性和器件良率。盡管無法對關(guān)鍵外延層進(jìn)行計量和監(jiān)控，但它們在最大程度地提高均勻一致性和生產(chǎn)良率方面起著至關(guān)重要的作用。

圖3.S?ntis300平臺能夠生成氮化鎵HEMT結(jié)構(gòu)中埋入式鋁鎵氮層的鋁成分的晶圓圖（模擬數(shù)據(jù)）。

      一種被非常廣泛采用的可以快速確定外延層組分的方法是測量光致發(fā)光的峰值。但是，這并不適用于所有外延結(jié)構(gòu)，包括被氮化鎵包層包圍的鋁鎵氮層埋層。當(dāng)埋入鋁鎵氮層時，其相對于相鄰氮化鎵層的能量狀態(tài)在光激發(fā)下會導(dǎo)致極低的發(fā)射速率。更為復(fù)雜的是，鋁鎵氮層的激發(fā)過程效率低下，尤其是在其上方的層吸收最多（即使不是全部）入射激光的情況下。由于這兩個因素，無法測量掩埋的鋁鎵氮層的光致發(fā)光。

      想要克服這問題，要么在沉積鋁鎵氮層之后中斷生長，要么通過蝕刻其上方的材料來暴露鋁鎵氮層。兩種選擇都是破壞性過程，因此都不是理想方案。無論是蝕刻晶片還是中斷生長，用于光致發(fā)光測量的材料都不能加工成器件。由于測量是在陪片上執(zhí)行的，因此這個方法的另一個限制是涉及間接反饋。

       我們的方法提供了一種更好的替代方案，即調(diào)整電子束的穿透深度，精確有效地激發(fā)掩埋的鋁鎵氮層。通過使用嵌套量具對比研究，具有和不具有頂部 p 型氮化鎵層的等效晶片，證明了我們技術(shù)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性（參見圖 4）。100 多次的重復(fù)測量，歸一化標(biāo)準(zhǔn)偏差低于 ±0.25％，說明這項研究有很強的測量可重復(fù)性。當(dāng)假設(shè)規(guī)格極限為 14％（目標(biāo)為 ±7％）時，記錄的每個樣本的量具方差低于 10％。

圖4.嵌套量具可重復(fù)性和可靠性研究的代表性結(jié)果，用于確定以下條件的鋁鎵氮層中的鋁成分：（a ）完整的常關(guān)氮化鎵HEMT結(jié)構(gòu)（埋層）；（b）去除了p型GaN蓋層的等效HEMT結(jié)構(gòu)（表層）。

摻雜控制

      在常關(guān)氮化鎵 HEMT 中，鎂摻雜會影響多種元器件特性，包括魯棒性，截止態(tài)泄漏和閾值電壓。研究氮化鎵的先驅(qū)者投入了很多精力來開發(fā)實現(xiàn)鎂摻雜的工藝，并在 1990 年代取得了成功，使氮化鎵可以取代 ZnSe 并成為制造藍(lán)色和綠色LED 和激光器的最佳材料。在隨后的幾十年中，從事氮化鎵技術(shù)的人們在了解鎂摻雜方面取得了長足的進(jìn)步，其自補償機制已被研究群體探究和討論^[5]。

       盡管取得了這些進(jìn)步，但氮化鎵 HEMT 中的鎂摻雜特性仍然是一個復(fù)雜性問題。這些問題包括源于鎂受體和穿透位錯之間的相互作用導(dǎo)致的增強的泄漏路徑 ^[6]。

      測量氮化鎵中鎂摻雜的傳統(tǒng)技術(shù)是二次離子質(zhì)譜（SIMS）。與霍爾效應(yīng)測量一起使用，它使工程師能夠發(fā)現(xiàn)所結(jié)合的鎂與電活性鎂的比率。不幸的是，SIMS 和霍爾效應(yīng)測量都具有破壞性，前者有時甚至需要將樣品送到專業(yè)實驗室進(jìn)行測試。

但是，由于我們通過定量陰極熒光法測定鎂參雜量的專有技術(shù)，原地和異地 SIMS 測量不再需要漫長的等待時間。我們的方法基于詳細(xì)的光譜分析，對電子物質(zhì)相互作用和陰極熒光技術(shù)以及材料特定的專業(yè)知識有深入的了解。

      為了證明定量陰極熒光光譜法測定鎂摻雜量的可靠性，我們將測定結(jié)果與 SIMS 提供的結(jié)果進(jìn)行了比較。在對多個樣品進(jìn)行測量后，SIMS和定量陰極熒光測定的鎂參雜量的均方根誤差為3.8％。為了確定技術(shù)的可重復(fù)性，我們進(jìn)行了嵌套量具的可重復(fù)性和可靠性研究（見圖 5）。這項研究證實了定量陰極熒光測定法良好的可重復(fù)性，當(dāng)假設(shè) 60％的規(guī)格極限（目標(biāo) ±30％）和量具偏差低于 10％時，在 100 次重復(fù)測量中標(biāo)準(zhǔn)方差低于 ±1％。 

圖5.嵌套量具可重復(fù)性和可靠性研究的代表性結(jié)果，用于確定完全常關(guān)氮化鎵HEM 結(jié)構(gòu)的p 型氮化鎵層中的鎂濃度。

三大優(yōu)點

       我們方法的優(yōu)點之一是測量過程不破壞材料。因此本技術(shù)可以避免晶片的定期破壞性的性能測試 - 考慮到其他所有替代技術(shù)都具有材料破壞性，本技術(shù)將成為氮化鎵 HEMT 中鎂參雜量測定技術(shù)中的佼佼者。第二個突出的優(yōu)點是該技術(shù)測量過程相對較快，可以從每個晶片的數(shù)十個位置進(jìn)行采集，因此可以測試片內(nèi)均勻性。第三個突出優(yōu)點是該方法具有多功能性，可測量穿透位錯密度，鋁鎵氮成分和鎂摻雜量等。盡管該技術(shù)由于需要在真空下更換晶圓，使得更換待測樣品耗費時間，但此技術(shù)為晶圓廠節(jié)省的空間與降低的反饋周期復(fù)雜性依然使其充滿競爭力。（表 1 羅列了使用該技術(shù)的優(yōu)勢，同時概述了其他技術(shù)的優(yōu)缺點）。

表1 Attolight解決方案分析氮化鎵HEMT外延片的優(yōu)勢。

       由于 S?ntis300 平臺的諸多優(yōu)點，使它非常適合于研發(fā)實驗室和生產(chǎn)工廠中的過程控制與無損反饋?？紤]到該技術(shù)可提供其他技術(shù)無法提供的深入分析，以及對現(xiàn)有指標(biāo)的更快的測定，該技術(shù)將推動實驗室提高效率、縮短開發(fā)周期，同時也可助力現(xiàn)有商業(yè)化產(chǎn)品提升產(chǎn)能。