漏电流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，具体涉及一种漏电流测量结构及测量方法。


背景技术：

2.氮化镓(gan)基高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor，hemt)具有宽带隙(3.4ev)、高电子迁移率和高击穿电场等特性，已然成为高温、高频及高功率密度等方向研究热点，其在高效率、高耐压的功率电子领域有着广泛的应用前景。gan hemt器件的制造需要基于多种外延层或钝化层的生长堆积，层与层之间必然存在界面，由于界面上下外延层或钝化层种类、性能、生长条件等差异，抑或是上下层之间粘附性及下层表面状态等因素，势必会导致界面存在缺陷，界面缺陷可能会引起不可忽视的界面漏电流，从而对器件性能产生负面影响。
3.在一般工艺流程中，外延层或钝化层的层与层生长工艺之间会设有金属层工艺，通过合理地设置金属层在界面上的位置，再利用电流测试，可以监测界面漏电流。
4.因此，针对上述技术问题，有必要提供一种漏电流测量结构及测量方法。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种漏电流测量结构及测量方法。
6.为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
7.一种漏电流测量结构，所述测量结构包括外延结构及位于外延结构上的若干钝化层、位于外延结构上的金属接触层及位于外延结构和/或钝化层上的若干金属层，所述外延结构中形成有二维电子气，所述金属接触层与二维电子气电性连接，所述金属层包括位于二维电子气上方区域的金属块及金属环，所述金属块位于金属环内部，且金属块和金属环分离设置，所述测量结构用于测量沿金属层下方界面方向的第一漏电流和/或垂直于金属层下方界面方向的第二漏电流。
8.一实施例中，所述测量结构包括m层金属层及n层钝化层，m≥1，n＝m。
9.一实施例中，所述金属层在二维电子气平面上的投影沿第一方向排布，且不同金属层在二维电子气平面上的投影互不重叠。
10.一实施例中，所述二维电子气沿第一方向上的长度及沿第二方向上的宽度分别为x1和y1，金属层沿第一方向上的长度及沿第二方向上的宽度分别为x2和y2，金属块沿第一方向上的长度及沿第二方向上的宽度分别为x3和y3，其中，x1≥n*x2，y3≥y1≥50μm，x3≥50μm，金属环的宽度d为2μm～10μm。
11.一实施例中，所述测量结构还包括：
12.若干第一测试块，与金属接触层电性连接；
13.若干第二测试块，与金属块电性连接；
14.若干第三测试块，与金属环电性连接。
15.一实施例中，所述测量结构包括第一金属层、第一钝化层、第二金属层、第二钝化
层、第三金属层、第三钝化层、第四金属层及第四钝化层，第一金属层位于外延结构上，第二金属层位于第一钝化层上，第三金属层位于第二钝化层上，第四金属层位于第三钝化层上，所述第一金属层为栅开孔金属层，第二金属层为欧姆金属层，第三金属层为栅金属层，第四金属层为源场板金属层；或，
16.所述测量结构包括第一金属层、第一钝化层、第二金属层、第二钝化层、第三金属层、第三钝化层、第四金属层、第四钝化层、第五金属层及第五钝化层，第一金属层位于外延结构上，第二金属层位于第一钝化层上，第三金属层位于第二钝化层上，第四金属层位于第三钝化层上，第五金属层位于第四钝化层上，所述第一金属层为栅开孔金属层，第二金属层为欧姆金属层，第三金属层为栅金属层，第四金属层为第一源场板金属层，第五金属层为第二源场板金属层；或，
17.所述测量结构包括第一金属层、第一钝化层、第二金属层、第二钝化层、第三金属层、第三钝化层、第四金属层、第四钝化层、第五金属层、第五钝化层、第六金属层及第六钝化层，第一金属层位于外延结构上，第二金属层位于第一钝化层上，第三金属层位于第二钝化层上，第四金属层位于第三钝化层上，第五金属层位于第四钝化层上，第六金属层位于第五钝化层上，所述第一金属层为栅开孔金属层，第二金属层为欧姆金属层，第三金属层为栅金属层，第四金属层为第一源场板金属层，第五金属层为第二源场板金属层，第六金属层为第三源场板金属层。
18.一实施例中，所述测量结构中：
19.最下层钝化层的材质为氮化硅、氧化硅、氧化铝中一种或多种的组合，厚度为20～300nm；
20.最上层钝化层的材质为氮化硅、氧化硅、聚酰亚胺中一种或多种的组合，厚度为1～5μm；
21.其余钝化层的材质为氮化硅、氧化硅、聚酰亚胺中一种或多种的组合，厚度为50～500nm；
22.金属接触层及第二金属层的材质为金属和/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；
23.其余金属层的材质为金属和/或金属化合物，金属包括金、铂、镍、钛、铝、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。
24.一实施例中，所述外延结构包括：
25.衬底；
26.位于衬底上的异质结，异质结包括沟道层和势垒层，所述沟道层与势垒层的界面处形成有二维电子气。
27.本发明另一实施例提供的技术方案如下：
28.一种漏电流测量方法，应用于上述的测量结构，其特征在于，所述测量方法包括：
29.于金属接触层上施加正压，检测金属环及金属块上的电流，金属环上的电流为沿金属层下方界面方向的第一漏电流，金属块上的电流为垂直于金属层下方界面方向的第二漏电流；或，
30.于金属块上施加负压，检测金属环及金属接触层上的电流，金属环上的电流为沿金属层下方界面方向的第一漏电流，金属接触层上的电流为垂直于金属层下方界面方向的
第二漏电流。
31.一实施例中，所述测量方法还包括：
32.增加金属接触层上施加的正压或金属块上施加的负压，测量二维电子气和金属层之间介质层的击穿电压。
33.本发明具有以下有益效果：
34.本发明测量结构中通过外延结构上金属层及钝化层的设置，可以测量各界面上的漏电流等参数，测量方法简单易操作，测量结构可兼容绝大多数gan hemt工艺流程。
附图说明
35.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。
36.图1为本发明一具体实施例中漏电流测量结构的剖视结构示意图；
37.图2为本发明一具体实施例中漏电流测量结构的平面结构示意图；
38.图3为本发明一具体实施例中二维电子气及金属接触层的平面结构示意图；
39.图4a为本发明一具体实施例中第二金属层及二维电子气的平面结构示意图；
40.图4b为本发明一具体实施例中第二金属层的平面结构示意图；
41.图4c为本发明一具体实施例中通过第二金属层测量漏电流的原理图；
42.图5为本发明一具体实施例中栅开孔及栅开孔环的平面结构示意图；
43.图6为本发明一具体实施例中第一金属层及第三金属层的平面结构示意图；
44.图7为本发明一具体实施例中第四金属层的平面结构示意图；
45.图8为本发明一具体实施例中第五金属层的平面结构示意图；
46.图9为本发明一具体实施例中第六金属层的平面结构示意图。
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.本发明公开了一种漏电流测量结构，包括外延结构及位于外延结构上的若干钝化层、位于外延结构上的金属接触层及位于外延结构和/或钝化层上的若干金属层，外延结构中形成有二维电子气，金属接触层与二维电子气电性连接，金属层包括位于二维电子气上方区域的金属块及金属环，金属块位于金属环内部，且金属块和金属环分离设置，测量结构用于测量沿金属层下方界面方向的第一漏电流和/或垂直于金属层下方界面方向的第二漏电流。
49.本发明还公开了一种漏电流测量方法，应用于上述的测量结构，该测量方法包括：
50.于金属接触层上施加正压，检测金属环及金属块上的电流，金属环上的电流为沿
金属层下方界面方向的第一漏电流，金属块上的电流为垂直于金属层下方界面方向的第二漏电流；或，
51.于金属块上施加负压，检测金属环及金属接触层上的电流，金属环上的电流为沿金属层下方界面方向的第一漏电流，金属接触层上的电流为垂直于金属层下方界面方向的第二漏电流。
52.以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
53.参图1所示为本发明一具体实施例中漏电流测量结构的结构示意图，其包括外延结构及位于外延结构上的工艺层，工艺层包括交错分布的若干金属层及若干钝化层。
54.其中，外延结构包括：
55.衬底10，衬底为硅(si)、蓝宝石(al2o3)、碳化硅(sic)等；
56.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)。
57.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。
58.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。
59.结合图1、图2所示，本实施例中的工艺层包括5层金属层及6层钝化层，从下向上依次为第一金属层51、第一钝化层61、第二金属层52、第二钝化层62、第三金属层53、第三钝化层63、第四金属层54、第四钝化层64、第五金属层55、第五钝化层65、第六金属层56及第六钝化层66，第一金属层51位于外延结构上，第二金属层52位于第一钝化层61上，第三金属层53位于第二钝化层62上，第四金属层54位于第三钝化层63上，第五金属层55位于第四钝化层64上，第六金属层56位于第五钝化层65上，第一金属层51为栅开孔金属层，第二金属层52为欧姆金属层，第三金属层53为栅金属层，第四金属层54为第一源场板金属层，第五金属层55为第二源场板金属层，第六金属层56为第三源场板金属层。
60.本实施例中的金属接触层50位于铝镓氮势垒层40表面，在其他实施例中也可以通过预刻蚀处理，金属接触层50位于铝镓氮势垒层40内部，直接与二维电子气接触。
61.本实施例中金属层包括位于二维电子气上方区域的金属块及金属环，金属块位于金属环内部，且金属块和金属环分离设置。具体地，第一金属层51包括第一金属块511及第一金属环512，第二金属层52包括第二金属块521及第二金属环522，第三金属层53包括第三金属块531及第三金属环532，第四金属层55包括第四金属块541及第四金属环542，第五金属层55包括第五金属块551及第五金属环552，第六金属层56包括第六金属块561及第六金属环562。
62.另外，测量结构还包括若干测试块，包括：
63.两个第一测试块71，第一测试块71与金属接触层50电性连接，通过二维电子气(2deg)两端的钝化层开窗，并在窗口中沉积金属以形成第一测试块71；
64.六个第二测试块72，第二测试块72分别与各金属块电性连接，通过对各金属块上的钝化层开窗，并在窗口中沉积金属以形成第二测试块72；
65.六个第三测试块73，第三测试块73分别与各金属环电性连接，通过对各金属环旁的钝化层开窗，并在窗口中沉积金属以形成第三测试块73。
66.参图1、图2所示，本实施例中的各金属层在二维电子气平面上的投影沿第一方向(x向)排布，且不同金属层在二维电子气平面上的投影互不重叠。
67.其中，二维电子气沿第一方向(x向)上的长度及沿第二方向(y向)上的宽度分别为x1和y1，金属层沿第一方向(x向)上的长度及沿第二方向(y向)上的宽度分别为x2和y2，金属块沿第一方向(x向)上的长度及沿第二方向(y向)上的宽度分别为x3和y3，其中，x1≥n*x2，y3≥y1≥50μm，x3≥50μm，金属环的宽度d为2μm～10μm。
68.本实施例中以具有p型氮化镓外延层的器件流程为例，具体地，首先进行p型氮化镓刻蚀步骤，继而生长第一层钝化层61。第一钝化层62通常为表面钝化层，材质可以为氮化硅、氧化硅、氧化铝等中一种或多种的组合，厚度为20～300nm。
69.参图1并结合图3所示，本实施例中通过隔离步骤形成二维电子气(2deg)，隔离步骤可在制作欧姆金属前进行，也可以在制作欧姆金属后进行，本实施例中以在制作欧姆金属前进行隔离为例。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。隔离步骤完成后，被掩膜遮挡住的部分，二维电子气(2deg)被保留，未被掩膜遮挡住的部分二维电子气(2deg)消失。
70.为了方便后续的探针测试及考虑到测试数据的准确性，二维电子气(2deg)的宽度y1不小于50μm，长度x1不小于6*y1。接下来，需要在二维电子气层两端进行钝化层开孔，以便与上层金属层互联，形成第一测试块。
71.参图1并结合图4a～4c所示，制备欧姆金属层，包括金属接触层50及第二金属层，材质为金属和/或金属化合物，金属包括金、铂、镍、钛、铝、钯、钽、钨、钼等中的一种或多种，金属化合物包括氮化钛、氮化钽等中的一种或多种。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。
72.具体地，第二金属块521的宽度y3不小于50um，需足以覆盖二维电子气层的宽度，长度x3同样不小于50μm。外围的第二金属环522需完全包裹中间的第二金属块521，第二金属环522宽度d为2μm～10μm。同时在第二金属环522旁侧引出第二测试块，以便检测第二金属环522上电流。
73.本实施例中的金属接触层50位于铝镓氮势垒层40表面，与二维电子气形成欧姆接触，在其他实施例中也可以通过预刻蚀处理，金属接触层50位于铝镓氮势垒层40内部，直接与二维电子气接触。第二金属层52(第二金属块521及第二金属环522)均位于第一钝化层61与接下来生长的第二钝化层62的界面上。
74.以第二金属层为例说明漏电流的测量，可以于金属接触层50上施加正压，利用电流源和探针台检测第二金属环522及第二金属块521上的电流，第二金属环522上的电流为沿第二金属层52下方界面方向的第一漏电流(界面漏电流)，第二金属块521上的电流为垂直于第二金属层52下方界面方向的第二漏电流(介质漏电流)；
75.也可以于第二金属块521上施加负压，利用电流源和探针台检测第二金属环522及金属接触层50上的电流，第二金属环522上的电流为沿第二金属层52下方界面方向的第一漏电流(界面漏电流)，金属接触层50上的电流为垂直于第二金属层52下方界面方向的第二
漏电流(介质漏电流)。
76.增加金属接触层50上施加的正压或第二金属块521上施加的负压，还可以测量二维电子气(2deg)和第二金属层52之间铝镓氮势垒层40与第一钝化层61的击穿电压。
77.此外，第二金属块521和其覆盖的二维电子部分可视为电容的上下极板，再加上二者之间的铝镓氮势垒层40与第一钝化层61，组成平行板电容器，利用lcr测试仪和探针台可测试出该平行板电容器的电容特性。
78.欧姆金属层制作完成后，生长第二钝化层62，第二钝化层62的材质为氮化硅、氧化硅、聚酰亚胺等中一种或多种的组合，厚度为50～500nm。第二钝化层生长完成后需要在上述所有测试块处开出通孔，以便与上层金属互联。
79.参图1并结合图5所示，进行栅开孔，并制作栅开孔环，栅开孔通过刻蚀工艺实现，通常刻蚀到铝镓氮势垒层或p型氮化镓层表面停止。该测量装置p型氮化镓在p型氮化镓刻蚀步骤时便已全部去除，所以该处栅开孔直接刻蚀到铝镓氮势垒层表面停止，栅开孔的形状大小均与图4b中设置相同。
80.参图1并结合图6所示，制作第一金属层51(第一金属块511和第一金属环512)和第三金属层53(第三金属块531和第三金属环532)，金属材质可以包括金、铂、镍、钛、铝、钯、钽、钨等中的一种或多种，金属化合物包括氮化钛、氮化钽等中的一种或多种。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。最终，第一金属环512可以检测铝镓氮势垒层的表面漏电，第三金属环512可以检测第二钝化层62与接下来的第三钝化层63的界面漏电。
81.第一金属层51和第三金属层53制作完成后，生长第三钝化层63，第三钝化层的材质可以为氮化硅、氧化硅、聚酰亚胺等中一种或多种的组合，厚度为50～500nm。第三钝化层生长完成后需要在上述所有测试块处开出通孔，以便与上层金属互联。
82.参图1并结合图7所示，形成第四金属层54(第四金属块541和第四金属环542)，其金属材质可以为金属和/或金属化合物，金属包括金、铂、镍、钛、铝、钯、钽、钨等中的一种或多种，金属化合物包括氮化钛、氮化钽等中的一种或多种。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。第四金属环542可以检测第三钝化层63与接下来的第四钝化层64的界面漏电。
83.第四金属层54制作完成后，生长第四钝化层64，第四钝化层的材质可以为氮化硅、氧化硅、聚酰亚胺等中一种或多种的组合，厚度为50～500nm。第四钝化层64生长完成后需要在上述所有测试块处开出通孔，以便与上层金属互联。
84.接下来，参图1并结合图8、图9所示，分别形成第五金属层55(第五金属块551和第五金属环552)、第五钝化层65、第六金属层56(第六金属块561和第六金属环562)。第五金属环552可以检测第四钝化层与第五钝化层的界面漏电，第六金属环562可以检测第五钝化层与接下来的第六钝化层的界面漏电。
85.第六金属层56制作完成后，生长第六钝化层66，第六钝化层66的材质可以为氮化硅、氧化硅、聚酰亚胺中一种或多种的组合，厚度为1～5μm。第六钝化层66生长完成后需要在上述所有测试块处开出通孔，以便测试。
86.最终测量结构如图1、图2所示，在本实施例的测试结构中，铝镓氮势垒层表面及所有钝化层界面的漏电流都有相应测试结构，同时还可以测试不同厚度钝化层到二维电子气
之间的垂直方向漏电流或击穿电压及电容特性。
87.应当理解的是，本实施例中以六层金属层和六层钝化层为例进行说明，在其他实施例中金属层和钝化层的数量可以根据不同的器件及工艺进行调整，凡是采用金属块+金属环的结构测量漏电流的技术方案均属于本发明所保护的范围。
88.如，当仅有一层源场板时，测量结构中仅包含四层金属层和四层钝化层，当有两层源场板时，测量结构中仅包含五层金属层和五层钝化层，具体的测量结构和测量方法与上述实施例中类似，此处不再进行赘述。
89.上述实施例中以gan hemt器件制造过程为例，阐述该测量结构的生产制造流程及测量方法。该测量结构可监控多个界面，利用电流源和探针台，在测试不同界面漏电的同时，还可以监控外延层或钝化层垂直方向的漏电流或击穿电压。更进一步，结合lcr测试仪，还可以测试外延层或钝化层电容特性。无论器件生产过程中的工艺监控还是终端测试故障排查，该测量装置都可发挥一定作用。
90.由以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
91.本发明测量结构中通过外延结构上金属层及钝化层的设置，可以测量各界面上的漏电流等参数，测量方法简单易操作，测量结构可兼容绝大多数gan hemt工艺流程。
92.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。
93.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。