铝镓氮势垒层厚度测量结构及测量方法与流程

1.本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种铝镓氮势垒层厚度测量结构及测量方法。


背景技术：

2.铝镓氮/氮化镓(algan/gan)异质结界面处由于材料极化作用会形成高浓度的二维电子气(two-dimensional electron gas，2deg)，并且具有载流子饱和迁移率高的特性，可以说algan/gan异质结结构是制备氮化镓基高电子迁移率晶体管(hmet)的基石。
3.在外延生长中，二维电子气的浓度直接取决于algan势垒层的厚度及al组分含量，algan的厚度及al组分含量最终会影响器件的电流特性。采用一些手段可以测量algan势垒层的厚度或al组分含量，如：扫描电子显微镜(sem)、聚焦离子束技术(fib)、x射线衍射仪(xrd)等，这些方法设计设备昂贵，且难以在实际流片生产过程中测量algan势垒层的厚度或al组分含量。
4.现有技术中，可采用电压-电容(c-v)特性测量并计算algan势垒层的厚度，具体地，是在algan/gan异质结上蒸镀金属形成肖特基接触，继而形成metal-algan-2deg的平行板电容器结构，该结构中metal和2deg为上下极板，algan势垒层充当介质层，利用lcr测试仪可测得该结构电容值，再根据平行板电容器电容公式：c＝ε0εs/d，可计算algan势垒层厚度，公式中c为测得的电容值，ε0为真空介电常数，ε为algan势垒层相对介电常数，s为电容极板面积，即肖特基接触面积，d为algan势垒层厚度。上述公式中电容值c为实际测量得到，真空介电常数ε0＝8.854187817e-12f/m，极板面积s为工艺设计值，algan势垒层介电常数ε可根据经验公式ε＝9.5-0.5x得到，x为algan势垒层中al组分占比，所以利用该方法测量algan势垒层厚度的前提是需要知道algan中al组分占比，然而实际情况却是，algan势垒层厚度都不知道的情况下，其al组分占比也往往未知。此外，若algan势垒层质量较低存在较大漏电，或肖特基接触差，由上述方法测量计算得到的结果误差也会较大。
5.因此，针对上述技术问题，有必要提供一种铝镓氮势垒层厚度测量结构及测量方法。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种铝镓氮势垒层厚度测量结构及测量方法。
7.为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
8.一种铝镓氮势垒层厚度测量结构，所述测量结构包括：
9.衬底；
10.位于衬底上的异质结，异质结包括氮化镓沟道层和铝镓氮势垒层，所述氮化镓沟道层与铝镓氮势垒层的界面处形成有二维电子气；
11.位于异质结上的第一金属层，所述第一金属层与二维电子气电气连接；
12.位于第一金属层及异质结上的钝化层；
13.位于钝化层上的第二金属层，所述第二金属层包括全部或部分位于第一金属层上方区域内的第一金属极板及全部或部分位于二维电子气上方区域内的第二金属极板；
14.所述测量结构包括第一平行板电容器和第二平行板电容器，第一平行板电容器的上极板为第一金属极板，下极板为第一金属层，介质层为钝化层，第二平行板电容器的上极板为第二金属极板，下极板为二维电子气，介质层为铝镓氮势垒层与钝化层。
15.一实施例中，所述钝化层包括第一钝化层，第一钝化层的厚度为50nm～500nm，优选地，第一钝化层为氮化硅层、氧化硅层、氧化铝层中一种或多种的组合。
16.一实施例中，所述钝化层还包括第二钝化层，第二钝化层的厚度为100nm～1μm，优选地，第二钝化层为氮化硅层、氧化硅层、聚酰亚胺层中一种或多种的组合。
17.一实施例中，所述氮化镓沟道层的厚度为50nm～2μm；和/或，所述铝镓氮势垒层的厚度为10nm～50nm；和/或，所述铝镓氮势垒层为al
x
ga
1-x
n势垒层，x＝0.1～0.3；和/或，所述钝化层的厚度大于铝镓氮势垒层的厚度，优选地，所述钝化层的厚度大于或等于铝镓氮势垒层的厚度的4倍。
18.一实施例中，所述测量结构上形成有金属测试块，所述金属测试块位于第二金属层旁侧，且贯穿全部钝化层与第一金属层电气连接。
19.一实施例中，所述第一金属极板的面积与第二金属极板的面积相等；和/或，所述第一金属极板的面积与第二金属极板的面积大于或等于1e4μm2。
20.一实施例中，所述第一金属层位于铝镓氮势垒层表面上或至少部分位于铝镓氮势垒层内部；和/或，
21.所述衬底为硅、蓝宝石、碳化硅中的一种或多种的组合；和/或，
22.所述测量结构包括位于沟道层和衬底之间的缓冲层；和/或，
23.所述异质结中在第二金属极板正下方以外区域形成有隔离区；和/或，
24.所述氮化镓沟道层和铝镓氮势垒层之间形成有隔离层；和/或，
25.所述铝镓氮势垒层上形成有帽层；和/或，
26.所述第一金属层为欧姆金属，材质为金属和/或金属化合物，金属包括金、铂、镍、钛、铝、钯、钽、钨、钼中的一种或多种，金属化合物包括氮化钛、氮化钽中的一种或多种；和/或，
27.所述第二金属层为栅金属、场板金属或通孔连接金属，材质为金属和/或金属化合物，金属包括金、铂、镍、钛、钯、钽、钨中的一种或多种，金属化合物包括氮化钛、氮化钽中的一种或多种。
28.本发明另一实施例提供的技术方案如下：
29.一种铝镓氮势垒层厚度测量方法，应用于上述的测量结构，所述测量方法包括：
30.s1、获取第一平行板电容器的第一电容值c1及第二平行板电容器的第二电容值c2；
31.s2、根据c1＝ε
r1
s1/d1，得到第一平行板电容器中介质层的介质介电常数ε
r1
，s1为位于第一金属层上方区域内的第一金属极板的面积，d1为钝化层的厚度；
32.s3、根据c2＝ε
r2
s2/d2，得到铝镓氮势垒层与钝化层的总厚度d2，第二平行板电容器的介质介电常数ε
r2
取值为第一平行板电容器的介质介电常数ε
r1
，s2为位于二维电子气上方区域内的第二金属极板的面积；
33.s4、根据d
algan
＝d
2-d1，得到铝镓氮势垒层的厚度d
algan
。
34.一实施例中，所述测量方法还包括：
35.于不同厚度和/或不同层数钝化层的测量结构中分别测量铝镓氮势垒层的厚度d
algan
。
36.一实施例中，所述第一电容值c1和/或第二电容值c2通过探针台和lcr测试仪测量而得。
37.本发明具有以下有益效果：
38.本发明的测量结构可形成不包含铝镓氮势垒层的第一平行板电容器和包含铝镓氮势垒层的第二平行板电容器，基于电压-电容特性测试及平行板电容器电容公式可以最终获得铝镓氮势垒层的厚度；
39.测量仪器仅需探针台及lcr测试仪，测量方法简单易操作，且测量过程无需铝镓氮势垒层中的al组分含量，测量结构可兼容绝大多数gan hmet工艺流程，利用测量结构及测量方法所得到的铝镓氮势垒层厚度具有很高的准确性与一致性。
附图说明
40.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
41.图1为本发明中测量结构的结构示意图；
42.图2为本发明实施例1中测量结构的具体结构示意图；
43.图3为本发明实施例1中测量结构的平面结构示意图；
44.图4为本发明实施例2中测量结构的具体结构示意图；
45.图5为本发明实施例2中测量结构的平面结构示意图；
46.图6为本发明中铝镓氮势垒层厚度测量方法的流程图。
具体实施方式
47.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
48.本发明公开了一种铝镓氮势垒层厚度测量结构，包括：
49.衬底；
50.位于衬底上的异质结，异质结包括氮化镓沟道层和铝镓氮势垒层，氮化镓沟道层与铝镓氮势垒层的界面处形成有二维电子气；
51.位于异质结上的第一金属层，第一金属层与二维电子气电气连接；
52.位于第一金属层及异质结上的钝化层；
53.位于钝化层上的第二金属层，第二金属层包括全部或部分位于第一金属层上方区域内的第一金属极板及全部或部分位于二维电子气上方区域内的第二金属极板；
54.测量结构包括第一平行板电容器和第二平行板电容器，第一平行板电容器的上极板为第一金属极板，下极板为第一金属层，介质层为钝化层，第二平行板电容器的上极板为第二金属极板，下极板为二维电子气，介质层为铝镓氮势垒层与钝化层。
55.参图6所示，本发明还公开了一种铝镓氮势垒层厚度测量方法，应用于上述的测量结构，该测量方法包括：
56.s1、获取第一平行板电容器的第一电容值c1及第二平行板电容器的第二电容值c2；
57.s2、根据c1＝ε
r1
s1/d1，得到第一平行板电容器中介质层的介质介电常数ε
r1
，s1为位于第一金属层上方区域内的第一金属极板的面积，d1为钝化层的厚度；
58.s3、根据c2＝ε
r2
s2/d2，得到铝镓氮势垒层与钝化层的总厚度d2，第二平行板电容器的介质介电常数ε
r2
取值为第一平行板电容器的介质介电常数ε
r1
，s2为位于二维电子气上方区域内的第二金属极板的面积；
59.s4、根据d
algan
＝d
2-d1，得到铝镓氮势垒层的厚度d
algan
。
60.以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
61.实施例1：
62.参图1所示，本实施例中的铝镓氮势垒层厚度测量结构包括
63.衬底10，衬底为硅(si)、蓝宝石(al2o3)、碳化硅(sic)等；
64.位于衬底上的异质结，异质结包括氮化镓沟道层30和铝镓氮势垒层40，氮化镓沟道层30与铝镓氮势垒层40的界面处形成有二维电子气(two-dimensional electron gas，2deg)，氮化镓沟道层的厚度为50nm～2μm，铝镓氮势垒层为al
x
ga
1-x
n(x＝0.1～0.3)势垒层，厚度为10nm～50nm。
65.本实施例中的测量结构还包括位于衬底和异质结之间的缓冲层20，缓冲层主要为氮化物，包氮化镓、氮化铝、铝镓氮等。
66.进一步地，氮化镓沟道层和铝镓氮势垒层之间形成有隔离层，如氮化铝隔离层(aln spacer)；铝镓氮势垒层上形成有帽层，如氮化镓帽层(gan cap)；铝镓氮势垒层上还可形成p型氮化镓(p-gan)等外延层。
67.结合图2所示，本实施例的测量结构还包括第一金属层50、第一钝化层61、第二金属层及金属测试块80等结构。
68.第一金属层50位于异质结上，且第一金属层50与二维电子气电气连接。
69.第一金属层通常为欧姆金属，材质可以包括金(au)、铂(pt)、镍(ni)、钛(ti)、铝(al)、钯(pd)、钽(ta)、钨(w)、钼(mo)等，也可以包括氮化钛(tin)、氮化钽(tan)等金属化合物。金属形成方式可以为蒸发或溅射，形成后可以采用剥离的方式去除光刻胶及多余金属，也可以采用金属刻蚀的方式去除源漏以外区域的金属。
70.第一金属层可以位于铝镓氮势垒层表面，也可以部分位于铝镓氮势垒层内部，具体取决于实际工艺中形成欧姆接触前是否进行欧姆刻蚀工艺处理。
71.第一钝化层61位于第一金属层及异质结上。第一钝化层为氮化硅层、氧化硅层、氧化铝层等绝缘介质中的一种，也可以是多种绝缘介质组成的复合介质。
72.值得注意的是，第一钝化层的厚度应尽可能大于铝镓氮势垒层的厚度，本实施例中第一钝化层的厚度为50nm～500nm。
73.第二金属层位于第一钝化层61上，第二金属层包括全部或部分位于第一金属层上
方区域内的第一金属极板71及全部或部分位于二维电子气上方区域内的第二金属极板72。
74.优选地，本实施例中第一金属极板71全部位于第一金属层上方区域内，第二金属极板72全部位于二维电子气上方区域内，且第一金属极板71的面积与第二金属极板72的面积相等。
75.在其他实施例中第一金属极板71可以部分位于第一金属层上方区域内，第二金属极板72可以部分位于二维电子气上方区域内。
76.第二金属层可以为栅金属、场板金属或者通孔连接金属等，具体取决于实际工艺流程，材质可以包括金(au)、铂(pt)、镍(ni)、钛(ti)、钯(pd)、钽(ta)、钨(w)等，也可以包括氮化钛(tin)、氮化钽(tan)等金属化合物。金属形成方式可以为蒸发或溅射，形成后可以采用剥离的方式去除光刻胶及多余金属，也可以采用金属刻蚀的方式去除多余的金属。
77.金属测试块80位于第二金属层旁侧，且贯穿全部第一钝化层61与第一金属层50电气连接。本实施例中的金属测试块80的材质与第二金属层相同，首先对第一钝化层进行刻蚀至第一金属层，再通过蒸发或溅射的方式与第二金属层同步形成。
78.至此，测量结构可形成第一平行板电容器(不包含铝镓氮势垒层)和第二平行板电容器(包含铝镓氮势垒层)，具体地：
79.第一平行板电容器的上极板为第一金属极板71，下极板为第一金属层50，介质层为第一钝化层61；
80.第二平行板电容器的上极板为第二金属极板72，下极板为二维电子气(2deg)，介质层为铝镓氮势垒层40与第一钝化层61。
81.由于本实施例中第一金属极板71全部位于第一金属层上方区域内，第二金属极板72全部位于二维电子气上方区域内，故第一平行板电容器的极板面积为第一金属极板71的面积，第二平行板电容器的极板面积为第二金属极板72的面积。
82.在其他实施例中，当第一金属极板71与第一金属层50部分重叠时，第一平行板电容器的极板面积为两者重叠的面积，当第二金属极板72与二维电子气(2deg)部分重叠时，第二平行板电容器的极板面积为两者重叠的面积。
83.进一步地，异质结中在第二金属极板正下方以外区域形成有隔离区90。具体地，工艺制备过程中，可对第一平行板电容器区域进行隔离处理，隔离可以采用离子注入工艺注入强负电性元素o或f等，也可以采用刻蚀工艺，刻蚀气体可以为bcl3、cl2等。第二平行板电容器因利用二维电子气充当下极板，需要保留二维电子气，故该区域不可进行隔离处理。
84.参图3所示为测量结构的俯视结构示意图，左边区域为第一平行板电容器的上极板，右边区域为第二平行板电容器的上极板，两个电容器的下极板均通过中间的金属测试块电气连接。
85.第一金属极板71及第二金属极板72的图形可以矩形、圆形或其它不规则图形，所设图形应方便计算极板面积，第一金属极板71及第二金属极板72的面积应尽可能大于1e4μm2，面积太小电容则会过小，会影响实际测量与计算。
86.基于上述测量结构，铝镓氮势垒层厚度测量方法基于电压-电容(c-v)特性测试及平行板电容器电容公式测量而得，具体包括以下步骤：
87.s1、获取第一平行板电容器的第一电容值c1及第二平行板电容器的第二电容值c2。
88.其中，第一电容值c1和第二电容值c2通过探针台和lcr测试仪测量而得。
89.s2、根据c1＝ε
r1
s1/d1，得到第一平行板电容器中介质层的介质介电常数ε
r1
，s1为位于第一金属层上方区域内的第一金属极板的面积，d1为第一钝化层的厚度。
90.s3、根据c2＝ε
r2
s2/d2，得到铝镓氮势垒层与第一钝化层的总厚度d2，第二平行板电容器的介质介电常数ε
r2
取值为第一平行板电容器的介质介电常数ε
r1
，s2为位于二维电子气上方区域内的第二金属极板的面积。
91.由于第一钝化层的厚度尽可能大于铝镓氮势垒层的厚度，优选地，第一钝化层的厚度大于或等于铝镓氮势垒层的厚度的4倍，铝镓氮势垒层的介电常数对电容影响较小，故ε
r2
≈ε
r1
。
92.s4、根据d
algan
＝d
2-d1，得到铝镓氮势垒层的厚度d
algan
。
93.于一具体实施例中，测得第一电容值c1和第二电容值c2分别为3.6pf和3.48pf，另，第一金属极板的面积s1与第二金属极板的面积s2均为4000μm2，第一钝化层的厚度d1为0.5μm。
94.根据c1＝ε
r1
s1/d1，可以得到第一平行板电容器中介质层的介质介电常数ε
r1
＝104.4f/m，则第二平行板电容器的介质介电常数ε
r2
≈ε
r1
＝104.4f/m。
95.根据c2＝ε
r2
s2/d2，可以得到铝镓氮势垒层与第一钝化层的总厚度d2＝0.517241μm。
96.最终铝镓氮势垒层的厚度d
algan
＝d
2-d1＝0.017241μm。
97.实施例2：
98.实际工艺中第一钝化层的厚度可能较小，可以利用第二钝化层增加该测试结构组，多组测试结构的测试结果互相间可以对比验证。
99.结合图4所示，本实施例的测量结构与实施例1中的测量结构大致相同，不同之处在于在第一钝化层61上还形成有第二钝化层62。
100.第二钝化层材质可以为氮化硅、氧化硅或聚酰亚胺等绝缘介质，也可以为多种绝缘介质组成的复合介质，厚度可以为100nm～1μm。
101.参图5所示为测量结构的俯视结构示意图，左边区域为第一平行板电容器的上极板，右边区域为第二平行板电容器的上极板，两个电容器的下极板均通过中间的金属测试块电气连接。
102.本实施例的测量结构中，铝镓氮势垒层的组分和厚度、第一钝化层的材质及厚度与实施例1完全相同，不同之处在于，本实施例中在0.5μm厚度的第一钝化层61上又继续外延生长了0.2μm厚度的第二钝化层62。
103.另外，本实施例中的金属测试块80既包含了实施例1中的金属测试块，又在形成新的第二金属层时同步形成新的金属测试块。
104.基于上述测量结构，铝镓氮势垒层厚度测量方法基于电压-电容(c-v)特性测试及平行板电容器电容公式测量而得，具体包括以下步骤：
105.s1、获取第一平行板电容器的第一电容值c1及第二平行板电容器的第二电容值c2。
106.其中，第一电容值c1和第二电容值c2通过探针台和lcr测试仪测量而得。
107.s2、根据c1＝ε
r1
s1/d1，得到第一平行板电容器中介质层的介质介电常数ε
r1
，s1为位于第一金属层上方区域内的第一金属极板的面积，d1为第一钝化层与第二钝化层的总厚度。
108.s3、根据c2＝ε
r2
s2/d2，得到铝镓氮势垒层与第一钝化层及第二钝化层的总厚度d2，第二平行板电容器的介质介电常数ε
r2
取值为第一平行板电容器的介质介电常数ε
r1
，s2为位于二维电子气上方区域内的第二金属极板的面积。
109.由于第一钝化层及第二钝化层的总厚度尽可能大于铝镓氮势垒层的厚度，优选地，第一钝化层及第二钝化层的总厚度大于或等于铝镓氮势垒层的厚度的4倍，铝镓氮势垒层的介电常数对电容影响较小，故ε
r2
≈ε
r1
。
110.s4、根据d
algan
＝d
2-d1，得到铝镓氮势垒层的厚度d
algan
。
111.于一具体实施例中，测得第一电容值c1和第二电容值c2分别为2.43pf和2.49pf，另，第一金属极板的面积s1与第二金属极板的面积s2均为4000μm2，第一钝化层与第二钝化层的总厚度d1为0.7μm。
112.根据c1＝ε
r1
s1/d1，可以得到第一平行板电容器中介质层的介质介电常数ε
r1
＝100.845f/m，则第二平行板电容器的介质介电常数ε
r2
≈ε
r1
＝100.845f/m。
113.根据c2＝ε
r2
s2/d2，可以得到铝镓氮势垒层与第一钝化层及第二钝化层的总厚度d2＝0.717284μm。
114.最终铝镓氮势垒层的厚度d
algan
＝d
2-d1＝0.017284μm。
115.可见，两种实施例中最终测量得到的铝镓氮势垒层的厚度可以相互验证，经过验证，测量结果与实际铝镓氮势垒层厚度(0.017000μm)基本一致。
116.而由于钝化层的厚度越大，铝镓氮势垒层的介电常数对电容影响越小，铝镓氮势垒层的厚度误差越小。通过多组实施例进行测试时，如果多个测量结果之间误差较大，可以选择钝化层厚度较大的测量值作为最终铝镓氮势垒层的厚度，如果多个测量结果之间误差较小，可以对测量得到的铝镓氮势垒层的厚度取平均值。
117.应当理解的是，上述实施例中分别以一层钝化层和两层钝化层的测量结构为例进行说明，在其他实施例中也可以采用三层或三层以上钝化层的测量结构，此处不再一一举例进行说明。
118.另外，通过在平行板电容器一端极板(第一金属层或第二金属层)上施加高压，开可用于测试该平行板电容器介质层的耐压及漏电性能。
119.由以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
120.本发明的测量结构可形成不包含铝镓氮势垒层的第一平行板电容器和包含铝镓氮势垒层的第二平行板电容器，基于电压-电容特性测试及平行板电容器电容公式可以最终获得铝镓氮势垒层的厚度；
121.测量仪器仅需探针台及lcr测试仪，测量方法简单易操作，且测量过程无需铝镓氮势垒层中的al组分含量，测量结构可兼容绝大多数gan hmet工艺流程，利用测量结构及测量方法所得到的铝镓氮势垒层厚度具有很高的准确性与一致性。
122.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
123.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包
含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。