氮化鎵具有許多內(nèi)在材料優(yōu)勢，如寬能隙和高電子遷移率。當(dāng)用作橫向高電子遷移率晶體管(HEMT)器件時(shí)，這些特性可用于獲得功率轉(zhuǎn)換性能優(yōu)勢，因?yàn)槠錈o反向恢復(fù)損失且電容相對較小。隨著這項(xiàng)技術(shù)在更廣泛的應(yīng)用范圍內(nèi)推廣，詳細(xì)理解提高產(chǎn)量和可靠性的根本原因至關(guān)重要。本文中，我們總結(jié)了在GaN晶圓加工過程中常見的一些缺陷，以及用于檢測這些缺陷的表征技術(shù)。

01

氮化鎵晶體結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)襯底

氮化鎵襯底的同質(zhì)外延生長是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)樗哂懈呷埸c(diǎn)和高解離壓力。異質(zhì)外延生長是常用的方法，其中以Si和藍(lán)寶石作為首選襯底，因?yàn)樗鼈兊某杀?更大的晶圓尺寸)、廣泛可用性、高電絕緣性(在藍(lán)寶石的情況下)，以及能夠使用現(xiàn)有的CMOS工廠并有潛力與CMOS器件集成(在Si的情況下)。熱力學(xué)穩(wěn)定的氮面向的六方晶系結(jié)構(gòu)(圖1)通常在這些襯底上生長。

盡管碳化硅(SiC)與GaN有更好的晶格匹配和熱膨脹系數(shù)(TEC)匹配，但這些襯底的成本更高，限制了其在RF和其他小眾應(yīng)用中的使用。表1列出了GaN和常用襯底的一些晶格特性。如今，GaN-on-Si是用于制造基于GaN的功率電子器件的主導(dǎo)技術(shù)，在幾個(gè)6英寸和8英寸的工廠中進(jìn)行大量生產(chǎn)。

AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的極化效應(yīng)導(dǎo)致形成了用作導(dǎo)電通道的二維電子氣(2-DEG)，這是HEMT器件運(yùn)行的基礎(chǔ)。

02

氮化鎵缺陷

1.生長過程中的螺旋位錯(cuò)和其他位錯(cuò)

GaN與Si之間的顯著晶格失配導(dǎo)致了非常高水平的螺旋位錯(cuò)(TDs)，大約為1×10^10 cm^2。這些缺陷起源于襯底，并向外延層傳播，可以歸類為一維或線缺陷。已經(jīng)進(jìn)行了大量的工作來優(yōu)化放置在襯底和GaN通道之間的緩沖層。這些現(xiàn)在可以包括超晶格(例如，GaN/AlN)和一系列低溫GaN或AlN中間層的組合。

其他可能出現(xiàn)的位錯(cuò)包括與單個(gè)原子位置相關(guān)的間隙點(diǎn)缺陷(例如，這些可以在離子注入過程中產(chǎn)生)，可以在晶體平面之間出現(xiàn)的二維缺陷，如堆垛故障，以及如納米管這樣的三維體積缺陷。

2.粒子

粒子可以在制造過程中的許多步驟中沉積在晶圓的前表面或后表面。其中一些可能是金屬的，如用來沉積緩沖層和外延層的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)室。晶圓處理也可能是這些問題的主要原因。在Si晶圓加工中使用的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)清洗可以用于GaN，以減少這些問題。

3.晶圓彎曲和破裂

GaN和Si之間的大晶格和TEC失配可能導(dǎo)致外延層裂紋、晶圓翹曲或破裂，特別是對于那些需要更厚膜層的更高電壓器件。在緩沖層中的應(yīng)力管理至關(guān)重要。晶圓制造中的其他步驟通常需要優(yōu)化，例如工具中的晶圓夾緊力，退火過程中的溫度上升和下降速率，調(diào)整擦洗器中的旋轉(zhuǎn)速度等。

03

通常，氮化鎵缺陷表征分為三類：

非破壞性：如光學(xué)和基于X光的測量

破壞性：如原子力顯微鏡(AFM)、二次離子質(zhì)譜(SIMS)、透射電子顯微鏡(TEM)

在整個(gè)器件或測試結(jié)構(gòu)上的電學(xué)測量。讓我們來看看每種的示例。

光學(xué)和X光缺陷檢測和表征

一個(gè)用于GaN缺陷檢測的先進(jìn)檢測工具的例子是KLA Instruments的Candela? 8520。這個(gè)工具使用專有光學(xué)同時(shí)測量來自晶圓表面正常和斜射激光的散射強(qiáng)度，以及表面反射率、地形變化、相移和光致發(fā)光(PL)。使用多通道檢測的自動全晶圓檢查可以檢測和分類廣泛的缺陷，如圖2所示。

例如，Candela? 平臺可以幫助檢測在MOCVD生長過程中形成的小山丘和微坑，并標(biāo)記反應(yīng)器條件不當(dāng)。

與用于PL的激光相反，陰極發(fā)光(CL)使用高能電子激發(fā)材料，然后分析產(chǎn)生的光子。在Horiba Scientifics的CL工具上，當(dāng)在GaN的帶邊發(fā)射波長(362納米)成像時(shí)，可以檢測到GaN外延TD缺陷。

高分辨率X光衍射(HR-XRD)搖擺曲線也常用于表征外延生長中的晶體質(zhì)量。在[6]中，作者展示了使用這項(xiàng)技術(shù)比較在藍(lán)寶石和硅襯底上生長的AlGaN/GaN外延層的一個(gè)例子，其中藍(lán)寶石襯底顯示出在檢測到的波形中更緊密的峰值。這可以歸因于GaN與藍(lán)寶石之間更好的晶格和TEC匹配。

04

微光顯微鏡和透射電子顯微鏡介紹

微光顯微鏡(EMMI)通常用于半導(dǎo)體產(chǎn)品和設(shè)備故障分析，當(dāng)電氣泄漏是故障特征時(shí)尤其如此。當(dāng)泄漏在空間上局部化時(shí)，它可能非常有用。產(chǎn)品在特定泄漏水平下進(jìn)行電偏置，可以使用紅外檢測來識別故障位置。EMMI的現(xiàn)場大小通常在1微米范圍內(nèi)，一般來說太大，無法精確定位晶體缺陷。

作者們用EMMI與掃描電子顯微鏡(SEM)和掃描透射電子顯微鏡(STEM)成像的創(chuàng)新組合，來識別在高溫反向偏置應(yīng)力測試(RBSTs)期間形成在GaN HEMT器件中的個(gè)別位錯(cuò)。一個(gè)集成的系列p-GaN電阻器被用來與該設(shè)備一起限制電流，防止設(shè)備遭受災(zāi)難性損壞。

EMMI最初被用來將RBST期間泄漏增加與2個(gè)不同設(shè)備寬度上的9個(gè)位置相關(guān)聯(lián)。在EMMI站點(diǎn)附近用聚焦離子束(FIB)創(chuàng)建的孔洞，作為后續(xù)TEM分析期間的參考點(diǎn)。

接下來，使用平面STEM將這些站點(diǎn)與AlGaN屏障層的結(jié)構(gòu)退化相關(guān)聯(lián)。采用了環(huán)形亮場(ABF)和高角環(huán)形暗場(HAADF)檢測的組合。

ABF將TDs突出為線條，而HAADF識別小裂紋和結(jié)構(gòu)缺陷。然后使用橫截面TEM成像來可視化這些缺陷，并進(jìn)一步將它們與體積內(nèi)某個(gè)特定位錯(cuò)相關(guān)聯(lián)。因此，可以在缺陷地點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)三維位錯(cuò)路徑，如圖3所示。

這種分析組合被用來得出結(jié)論，AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)中的預(yù)存TDs并不總是導(dǎo)致RBST下觀察到導(dǎo)致泄漏的缺陷的原因。在這項(xiàng)工作中，場板未用于降低柵附近的電場，可能是p-GaN/AlGaN界面處的高場是RBST泄漏的原因。