GaN功率器件工艺分析笔记 | 两种主流工艺对比第二弹

Release time: 2023-07-19

书接上回，在第一弹的分享中，我们使用蔡司双束电镜分别剖开了增强型（E-mode）和耗尽型（D-mode）的GaN HEMT器件，并利用背散射探测器拍摄了完整晶体管断面形貌。

本期我们将进一步制备薄片样品（<100 nm），对包括金属电极/外延层界面，外延层内超晶格异质界面，及衬底材料在内，使用STEM探测器和EDS能谱做更细致的显微成像，化学组分分析以及几何尺寸量测。

兼顾视野和细节的纳米尺度表征

在使用标准“lift-out”工艺获得薄片样品，并完成减薄后，我们直接使用蔡司双束电镜内置的STEM探测器进行成像。在下图左侧的图像中，近10 μm的薄片窗口自上而下依次呈现了表面金属电极，钝化层，源/栅极，二维电子气层，缓冲层，成核层，以及衬底等结构。而随着放大倍率的增大，我们亦能对特定区域，例如栅极或二维电子气层，做亚纳米尺度的高分辨成像。在大倍率下，栅极表面层状生长的SiNx层亦清晰可见（如下图右侧图片）。

▲ 双束电镜下裸芯断面薄片样品的形貌对比（上：增强型，下：耗尽型）

蔡司双束电镜配备的STEM探测器亦可以使用收集角不同的环形探测器，依次呈现明场像（BF），环形暗场像（ADF），以及高角环形暗场像（HAADF）。利用BF探测器的衍射衬度，我们可以在栅极电极下方，以及缓冲层和GaN层界面附近观察到呈现较暗衬度的穿透位错线，且缓冲层中位错密度显著高于二维电子气区域。这是由位错核附近的晶格畸变，对衍射电子束偏转角度不一致带来的衬度差别导致的。这种成像特性非常有助于我们定位位错、颗粒等缺陷，并对其在界面和基体材料内的演化行为做分析。

▲ 增强型HEMT器件栅极和超晶格界面形貌分析（上：HAADF像，下：BF像）

*注：HAADF像衬度与组分的原子序数高度正相关（通常和原子序数的二次方成正比），具备一定的化学组分分析能力。与之不同，BF像携带更多的衍射衬度，其对晶体的结构及其畸变更为敏感。二维电子气所在的AlGaN和GaN界面，由于Al掺杂，AlGaN的平均原子序较小，因此图像中可以清晰地观察到界面两侧显著的衬度差。而缓冲层中，两种组分不同的AlGaN超晶格亦可以使用HAADF像清晰分辨。

媲美透射电镜的多模态成像和分析

除了常规的HAADF和BF图像的拍摄，利用四分割的ODF探测器（定向暗场），以及EDS能谱，我们可以在形貌像的基础上，对晶格取向以及化学组分分布做更精细的分析，这对于失效分析和工艺控制亦提供了更具指向性的参考。在本案例中，ODF图像能直观地获取TiN/Al金属电极的结晶性，乃至晶粒的取向分布。除此以外，ODF亦使得存在部分消光的位错线呈现浮雕效果，更有利于观测和统计。

▲ BF探测器和ODF探测器对栅极区成像的对比（上：BF，下：ODF）

*注：利用部分读取的ADF图像衬度，ODF探测器对晶体取向极其敏感，其成像模式非常类似于STEM下的微分相位衬度（Differential Phase Contrast, DPC）。

和经典的STEM类似，双束电镜下的STEM模式亦可以配合EDS能谱使用，即通过电子束逐点扫描样品，同步采集特征X射线，依此得到不同元素或者组分的面内分布情况。通过组分分布图的分析可以获知，增强型和耗尽型栅极区域的外延和电极结构截然不同，这是由其电学性能决定的。

▲ 增强型HEMT栅极区域组分分布图

▲ 耗尽型HEMT栅极区域组分分布图

*注：对于增强型器件，其绝缘层组成为SiON，而耗尽型主要为SiNx；在栅电极下方，增强型为p-GaN，而耗尽型结构会更为复杂，自上而下依次为数十纳米的Al2O3, SiOx, 及AlGaN阻挡层。

人工智能加持的高拓展性表征平台

在过去数个月中，以ChatGPT为代表的人工智能越来越为普通人所熟知，而在半导体行业中，对于部署人工智能和机器学习等类似的讨论亦获得日益增长的关注。在电子显微分析的流程中，量测是一种典型的大数据量，劳动密集型的任务，人工智能天生具备优势。

蔡司双束电镜的图像处理软件在人工智能的加持下，可以自主对特征区域或点位做图像分割，尺寸量测，并完成相应的统计工作。我们亦在增强型HEMT器件中，实现了金属层M1和GaN层的快速自动量测和统计。这类解决方案对于半导体生产工艺优化和良率提升有着重要的现实意义。

▲ 增强型HEMT器件的金属层和GaN层量测和统计

*注：经自动量测，金属层和GaN层的平均厚度分别为202，849，106和1570 nm，相应统计的方差亦呈现在分析结果中。

通过上述完整的GaN 增强型和耗尽型HEMT器件的对比拆解实验，蔡司双束电镜呈现了强大的多模态，多维度，多功能的显微分析能力，它对于宽禁带半导体的失效分析，工艺控制，日常质控，乃至逆向工程都提供了强大助力。

后续我们也将利用这个平台对宽禁带半导体的另一个主角SiC器件作相应的拆解分析，敬请期待。

作者：沈玄，黄承梁，陈妍，李欢，李洪

无锡灵恩机电设备有限公司是蔡司工业测量代理，主要经营蔡司三坐标、蔡司3D扫描仪、蔡司工业CT以及蔡司工业显微镜等。电话热线：4009699806.

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