通過(guò)定量陰極射線熒光技術(shù)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，詳查氮化鎵 HEMT 的穿透位錯(cuò)，組分和摻雜，有助于氮化鎵 HEMT 的開(kāi)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(duì)硅的表征技術(shù)無(wú)法為化合物半導(dǎo)體提供準(zhǔn)確信息，對(duì)于氮化鎵來(lái)說(shuō)尤其明顯。為了保持有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格，氮化鎵晶體管和 LED 生長(zhǎng)在異質(zhì)襯底上，因此外延層的缺陷密度非常高，但這從來(lái)不會(huì)發(fā)生在硅基器件上。

一種被稱(chēng)為定量陰極熒光光譜法的無(wú)損技術(shù)，可以幫助闡明各類(lèi)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(duì)是這一領(lǐng)域的開(kāi)拓者，已經(jīng)推出了支持這種計(jì)量方式的工具。

之前，我們的團(tuán)隊(duì)發(fā)表過(guò)有關(guān)定量陰極射線熒光技術(shù)協(xié)助太陽(yáng)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(duì)于硅上氮化鎵 HEMT器件，該技術(shù)是如何監(jiān)測(cè)其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量（如果您不熟悉該器件，請(qǐng)查看“氮化鎵 HEMT 的基礎(chǔ)知識(shí)”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(diǎn)之間。

對(duì)于采用這種設(shè)計(jì)的器件，性能會(huì)受到以下因素的極大影響：

? 位錯(cuò)密度 ：位錯(cuò)最終與泄漏電流有關(guān) ^[2]

? p 型氮化鎵中的鎂濃度 ：這會(huì)影響柵極下方氮化鎵的費(fèi)米能級(jí)，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(jì)，通常用于功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用。整個(gè)樣品中均存在穿透位錯(cuò)。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(huì)產(chǎn)生最大的影響。

 對(duì)于這類(lèi)晶體管，定量陰極射線熒光技術(shù)幫助工程師通過(guò)關(guān)注以下三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)來(lái)優(yōu)化生產(chǎn)線的成品率：穿透位錯(cuò)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(shí)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(gè)步驟采用來(lái)自測(cè)量工具的快速無(wú)損反饋。對(duì)于試生產(chǎn)線，以及專(zhuān)用研發(fā)設(shè)施和大容量晶圓廠中的生產(chǎn)線來(lái)說(shuō)，都是如此。對(duì)于從事研發(fā)的生產(chǎn)線來(lái)說(shuō)，更快的反饋速度帶來(lái)更快的開(kāi)發(fā)速度和開(kāi)發(fā)效率，同時(shí)降低成本。在大批量生產(chǎn)的晶圓廠中，更快的無(wú)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(duì)于給定的工藝步驟，有效在制品為零。在工序間隔的停機(jī)時(shí)間中，在后續(xù)過(guò)程之間有來(lái)自計(jì)量工具的反饋，例如在清潔 Epi 反應(yīng)器時(shí)就會(huì)發(fā)生這種情況。

使用在外延片生長(zhǎng)之后的 S?ntis 平臺(tái)，可針對(duì)各類(lèi)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(guò)破壞性而且耗時(shí)的方法來(lái)獲得。有了這種新型高分辨率的外延晶片檢測(cè)平臺(tái)，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(duì)關(guān)鍵性能指標(biāo)的即時(shí)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(zhǎng)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(tái)對(duì)氮化鎵 HEMT 進(jìn)行研究的成果，包括為功率 HEMT 開(kāi)發(fā)的專(zhuān)有測(cè)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(cuò)

氮化鎵 HEMT 性能降低的原因是穿透位錯(cuò)。如果它們與二維費(fèi)米氣體形成的通道相交，或?qū)⒁r底連接到柵極觸點(diǎn)，則可能會(huì)導(dǎo)致器件泄漏電流 ^[2]，并可能損害器件的長(zhǎng)期耐用性。氮化鎵HEMT 的開(kāi)發(fā)人員設(shè)計(jì)出幾種解決方案，以減少通過(guò)這些通道的泄漏電流。但是，相關(guān)工作人員仍需對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行全面了解，他們并不完全了解位錯(cuò)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(cuò)對(duì)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(cuò)位，有助于我們更加了解此問(wèn)題及控制過(guò)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(jì)算穿透位錯(cuò)是微不足道的。但事實(shí)并非如此：陰極熒光要比最初看起來(lái)要復(fù)雜得多，以確保穿透位錯(cuò)密度符合過(guò)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(jiǎn)單的穿透位錯(cuò)計(jì)數(shù)和許多新指標(biāo)來(lái)確定其密度。包括穿透錯(cuò)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(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的強(qiáng)大工具。

機(jī)器視覺(jué)是一種可能有助于定量陰極熒光的技術(shù)。近年來(lái)，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(jī)器視覺(jué)應(yīng)用于小而密集的特征時(shí)會(huì)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(cuò)簇。在這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，平均每平方微米大約有十個(gè)穿透位錯(cuò)，傳統(tǒng)的特征檢測(cè)算法可能會(huì)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(wèn)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(shí)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(píng)估為 ±1.05％（見(jiàn)圖 1）。此外，與基準(zhǔn)特征檢測(cè)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(shí)別出具有穿透位錯(cuò)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(cuò)密度的直方圖。

將通過(guò)定量陰極熒光得到的穿透位錯(cuò)成像用于過(guò)程控制，其功能不僅限于對(duì)單個(gè)圖像的缺陷進(jìn)行精確計(jì)數(shù)。為了使檢測(cè)精度最大化，工程師應(yīng)該記錄較少的高分辨率圖像，每個(gè)圖像具有較少的特征。但這可能無(wú)法同時(shí)保證準(zhǔn)確性和采樣誤差的。這對(duì)于使定量陰極熒光在過(guò)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(cuò)密度時(shí)，更少的特征被展示 - 并且圖像更容易受到隨機(jī)統(tǒng)計(jì)波動(dòng)的影響。盡管單個(gè)圖像可以對(duì)穿透位錯(cuò)提供更精確檢測(cè)，但在某些情況下，采樣誤差會(huì)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(gè)10×10μm²圖像中考慮恒定圖像區(qū)域（FOV）時(shí)，變化的穿透位錯(cuò)密度的不確定性（表示為期望值的百分比）。（b ）對(duì)于恒定的穿透位錯(cuò)密度為1×10⁹  cm^-2的不確定性（表示為期望值的百分比），針對(duì)具有變化的FOV的單個(gè)圖像進(jìn)行評(píng)估。

例如，視野較小的單個(gè)圖像。由于隨機(jī)的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)，可能導(dǎo)致很大范圍的可能值，較低的穿透位錯(cuò)密度會(huì)加劇這種影響。在極端情況下，當(dāng)對(duì)缺陷密度為 1×10⁹cm^-2 的樣品成像時(shí) - 相當(dāng)于每平方微米平均有 10 個(gè)缺陷 - 在單個(gè) 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(lái)。盡管這種方案可以最小化采樣誤差，但無(wú)法以高精度處理無(wú)限大視場(chǎng)的圖像。為了實(shí)現(xiàn)采樣率，保證過(guò)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(dòng)化功能和可重復(fù)的檢測(cè)算法。我們將以下功能結(jié)合在一起：S?ntis300 平臺(tái)的自動(dòng)化，并適當(dāng)考慮了采樣誤差和可重復(fù)性 ；通過(guò)創(chuàng)新的方法，采用專(zhuān)有的圖像重建方法來(lái)檢測(cè)特征。 

外延層成分

無(wú)論是常開(kāi)還是常關(guān)，每個(gè) 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(guò)仔細(xì)控制鋁鎵氮層的生長(zhǎng)，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(zhǎng)從未完美。由于外延反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，襯底的彎曲以及生長(zhǎng)過(guò)程的動(dòng)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(jí)依賴(lài)性（見(jiàn)圖 3）。它們?cè)陉P(guān)鍵層上產(chǎn)生的變化 – 對(duì)于 HEMT 來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵層是鋁鎵氮層，在 LED 中是有源區(qū) - 會(huì)降低晶圓級(jí)的均勻性和器件良率。盡管無(wú)法對(duì)關(guān)鍵外延層進(jìn)行計(jì)量和監(jiān)控，但它們?cè)谧畲蟪潭鹊靥岣呔鶆蛞恢滦院蜕a(chǎn)良率方面起著至關(guān)重要的作用。

圖3.S?ntis300平臺(tái)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(cè)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(shí)，其相對(duì)于相鄰氮化鎵層的能量狀態(tài)在光激發(fā)下會(huì)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(guò)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(gè)因素，無(wú)法測(cè)量掩埋的鋁鎵氮層的光致發(fā)光。

想要克服這問(wèn)題，要么在沉積鋁鎵氮層之后中斷生長(zhǎng)，要么通過(guò)蝕刻其上方的材料來(lái)暴露鋁鎵氮層。兩種選擇都是破壞性過(guò)程，因此都不是理想方案。無(wú)論是蝕刻晶片還是中斷生長(zhǎng)，用于光致發(fā)光測(cè)量的材料都不能加工成器件。由于測(cè)量是在陪片上執(zhí)行的，因此這個(gè)方法的另一個(gè)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(guò)使用嵌套量具對(duì)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(jiàn)圖 4）。100 多次的重復(fù)測(cè)量，歸一化標(biāo)準(zhǔn)偏差低于 ±0.25％，說(shuō)明這項(xiàng)研究有很強(qiáng)的測(cè)量可重復(fù)性。當(dāng)假設(shè)規(guī)格極限為 14％（目標(biāo)為 ±7％）時(shí)，記錄的每個(gè)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(huì)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(lái)開(kāi)發(fā)實(shí)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?cè)诹私怄V摻雜方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，其自補(bǔ)償機(jī)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(gè)復(fù)雜性問(wèn)題。這些問(wèn)題包括源于鎂受體和穿透位錯(cuò)之間的相互作用導(dǎo)致的增強(qiáng)的泄漏路徑 ^[6]。

測(cè)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(cè)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(cè)量都具有破壞性，前者有時(shí)甚至需要將樣品送到專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試。

但是，由于我們通過(guò)定量陰極熒光法測(cè)定鎂參雜量的專(zhuān)有技術(shù)，原地和異地 SIMS 測(cè)量不再需要漫長(zhǎng)的等待時(shí)間。我們的方法基于詳細(xì)的光譜分析，對(duì)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(zhuān)業(yè)知識(shí)有深入的了解。

為了證明定量陰極熒光光譜法測(cè)定鎂摻雜量的可靠性，我們將測(cè)定結(jié)果與 SIMS 提供的結(jié)果進(jìn)行了比較。在對(duì)多個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)量后，SIMS和定量陰極熒光測(cè)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(jiàn)圖 5）。這項(xiàng)研究證實(shí)了定量陰極熒光測(cè)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(shí)，在 100 次重復(fù)測(cè)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(diǎn)

 我們方法的優(yōu)點(diǎn)之一是測(cè)量過(guò)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(cè)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(cè)定技術(shù)中的佼佼者。第二個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是該技術(shù)測(cè)量過(guò)程相對(duì)較快，可以從每個(gè)晶片的數(shù)十個(gè)位置進(jìn)行采集，因此可以測(cè)試片內(nèi)均勻性。第三個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是該方法具有多功能性，可測(cè)量穿透位錯(cuò)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(cè)樣品耗費(fèi)時(shí)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(jìng)爭(zhēng)力。（表 1 羅列了使用該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)概述了其他技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)）。

表1 Attolight解決方案分析氮化鎵HEMT外延片的優(yōu)勢(shì)。

由于 S?ntis300 平臺(tái)的諸多優(yōu)點(diǎn)，使它非常適合于研發(fā)實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)工廠中的過(guò)程控制與無(wú)損反饋?？紤]到該技術(shù)可提供其他技術(shù)無(wú)法提供的深入分析，以及對(duì)現(xiàn)有指標(biāo)的更快的測(cè)定，該技術(shù)將推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室提高效率、縮短開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)也可助力現(xiàn)有商業(yè)化產(chǎn)品提升產(chǎn)能。