GaN功率HEMT制造中的缺陷及其表征方法

氮化鎵具有許多內在材料優勢，如寬能隙和高電子遷移率。當用作橫向高電子遷移率晶體管(HEMT)器件時，這些特性可用于獲得功率轉換性能優勢，因為其無反向恢復損失且電容相對較小。隨著這項技術在更廣泛的應用范圍內推廣，詳細理解提高產量和可靠性的根本原因至關重要。本文中，我們總結了在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。

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氮化鎵晶體結構和基礎襯底

氮化鎵襯底的同質外延生長是具有挑戰性的，因為它具有高熔點和高解離壓力。異質外延生長是常用的方法，其中以Si和藍寶石作為首選襯底，因為它們的成本(更大的晶圓尺寸)、廣泛可用性、高電絕緣性(在藍寶石的情況下)，以及能夠使用現有的CMOS工廠并有潛力與CMOS器件集成(在Si的情況下)。熱力學穩定的氮面向的六方晶系結構(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(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技術，在幾個6英寸和8英寸的工廠中進行大量生產。

AlGaN/GaN異質結構的極化效應導致形成了用作導電通道的二維電子氣(2-DEG)，這是HEMT器件運行的基礎。

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氮化鎵缺陷

1.生長過程中的螺旋位錯和其他位錯

GaN與Si之間的顯著晶格失配導致了非常高水平的螺旋位錯(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。已經進行了大量的工作來優化放置在襯底和GaN通道之間的緩沖層。這些現在可以包括超晶格(例如，GaN/AlN)和一系列低溫GaN或AlN中間層的組合。

其他可能出現的位錯包括與單個原子位置相關的間隙點缺陷(例如，這些可以在離子注入過程中產生)，可以在晶體平面之間出現的二維缺陷，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化學氣相沉積(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準化學清洗可以用于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。在緩沖層中的應力管理至關重要。晶圓制造中的其他步驟通常需要優化，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，調整擦洗器中的旋轉速度等。

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通常，氮化鎵缺陷表征分為三類：

非破壞性：如光學和基于X光的測量

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

在整個器件或測試結構上的電學測量。讓我們來看看每種的示例。

光學和X光缺陷檢測和表征

一個用于GaN缺陷檢測的先進檢測工具的例子是KLA Instruments的Candela? 8520。這個工具使用專有光學同時測量來自晶圓表面正常和斜射激光的散射強度，以及表面反射率、地形變化、相移和光致發光(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，并標記反應器條件不當。

與用于PL的激光相反，陰極發光(CL)使用高能電子激發材料，然后分析產生的光子。在Horiba Scientifics的CL工具上，當在GaN的帶邊發射波長(362納米)成像時，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量。在[6]中，作者展示了使用這項技術比較在藍寶石和硅襯底上生長的AlGaN/GaN外延層的一個例子，其中藍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與藍寶石之間更好的晶格和TEC匹配。

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微光顯微鏡和透射電子顯微鏡介紹

微光顯微鏡(EMMI)通常用于半導體產品和設備故障分析，當電氣泄漏是故障特征時尤其如此。當泄漏在空間上局部化時，它可能非常有用。產品在特定泄漏水平下進行電偏置，可以使用紅外檢測來識別故障位置。EMMI的現場大小通常在1微米范圍內，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)成像的創新組合，來識別在高溫反向偏置應力測試(RBSTs)期間形成在GaN HEMT器件中的個別位錯。一個集成的系列p-GaN電阻器被用來與該設備一起限制電流，防止設備遭受災難性損壞。

EMMI最初被用來將RBST期間泄漏增加與2個不同設備寬度上的9個位置相關聯。在EMMI站點附近用聚焦離子束(FIB)創建的孔洞，作為后續TEM分析期間的參考點。

接下來，使用平面STEM將這些站點與AlGaN屏障層的結構退化相關聯。采用了環形亮場(ABF)和高角環形暗場(HAADF)檢測的組合。

ABF將TDs突出為線條，而HAADF識別小裂紋和結構缺陷。然后使用橫截面TEM成像來可視化這些缺陷，并進一步將它們與體積內某個特定位錯相關聯。因此，可以在缺陷地點創建一個三維位錯路徑，如圖3所示。

這種分析組合被用來得出結論，AlGaN/GaN結構中的預存TDs并不總是導致RBST下觀察到導致泄漏的缺陷的原因。在這項工作中，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。