半导体缺陷 有哪些表征方法？谢谢啦

GaN LED自1995年日本中村先生成功研制以来，近几年其技术以惊人的速度迅猛发展。在可靠性方面，虽然在上、中、下游研发和生产等各个环节中备受重视，但是外延材料对器件可靠性和性能的影响研究，受上游至下游产业学科跨度大的限制，分析实验难度较高；与其他半导体器件一样的有些理念虽为业内人士所知晓，因缺少对应的分析实验和规范的试验方法，故在GaN-LED方面无明确的对应关系。本文通过试验并分析GaN-LED外延片晶体质量对其LED芯片光电参数分布及器件性能的影响，提出较系统的实验方法，验证了LED外延晶体缺陷对器件可靠性的基础作用，为外延材料结构与生长工艺的优化和改善提供依据。

1 试验概述

试验晶片为采用金属有机化学气相淀积（MOCVD）方法，在2英寸（50mm）蓝宝石衬底上生长的GaN基LED外延结构[1-2]。外延生长完成后，首先通过高倍金相显微镜检查外延层表面形貌，再用Bede-Q2000双晶X光衍射（DMXRD）仪对选定外延片晶格结构特性进行分析测试。然后采用常规的GaN-LED芯片工艺，将外延片制成330μm×300μm的LED芯片，其典型的外延材料和芯片结构如图1。采用LED-617型光电参数测试仪，进行芯片光电参数测试。用环氧树脂将管芯封装成蘑菇状Φ5mm的LED单灯器件供可靠性试验。LED器件参数采用SPC-4000LED光电参数测试仪测量，ESD试验则采用ETS910静电模拟发生器考核器件抗静电能力，而样品电老化试验则在自己研制的恒流老化仪上进行。

2 外延与芯片检测

在外延片表面外观检查中，选取较为典型的外观作为样片进行跟踪对比分析：外延片样品（Ep1）表面存在明显缺陷（图2），同时在（Ep1）这一炉次中和其他正常炉次中各选取一片表面无明显缺陷样品（Ep2和Ep3），以便跟踪对比分析。

2．1 X射线双晶衍射（XRD）分析

对于外延材料质量的评估，除检查表观特征外，可用X射线双晶衍射方法、光致发光谱（PL）、霍尔效应测试等对外延片晶体质量进行检测。其中X射线双晶衍射方法具有独特的优点，即可以无损伤、准确、制样简单地进行材料检测，可精确地确定晶格结构参数，尤其是晶格应变，特别适合测量外延晶片的结构特性。因此，本文选择了缺陷附近和远离缺陷两类区域，通过测量其双晶回摆曲线，以了解外延层晶格常数的微小差异、晶格扭曲、微小应变、缺陷附近的应力场情况以及晶片的d性或范性弯曲等特征[3]。图3为Ep1-1缺陷附近的回摆曲线。其中主峰为GaN外延层的（0002）衍射峰，其左右两侧InGaN多量子阱的衍射峰依然清晰，可见双晶回摆曲线是缺陷附近晶格结构参数的整体效果。

详细比较其他区域和其他晶片的双晶回摆曲线，容易观察到GaN（0002）衍射主峰半峰宽的差异，测试结果见表1。缺陷附近半峰宽明显大于远离缺陷区域和正常晶片，晶格失配较正常严重，表明缺陷不只影响观察到如图2所示的1mm大小区域，它将导致其附近区域晶格的畸变。

2．2 芯片光参数分布图

将外延样片按常规的GaN-LED芯片工艺，同批生产制成330μm×300μm的芯片管芯，采用LED-617型光电参数测试仪进行光电参数测试，输出相应参数分布图。其中Ep2、Ep3对应的电致发光（EL）分布未见异常，而样片Ep1的（EL）分布如图4所示。从图4（a）清晰显示，发光强度随离开样片中心区域而减弱，多数不发光区域位于样片边沿；最为显著的不发光区域与样片制成管芯前缺陷区域一致，如图中所标，不发光区域尺度明显大于外延层缺陷的表观尺度，可见外延片中的缺陷将直接导致周边区域管芯的失效。而其他区域管芯波长分布较均匀，如图4（b）所示。由于发光波长取决于外延层中多量子阱宽度和势垒的高度，管芯波长分布的均匀性反应了外延工艺过程的精确性。综合上述两方面的结果，可以认为，外延层的缺陷起始于衬底，如果外延过程未能得到抑制，它造成缺陷及附近外延层所制成的LED芯片丧失发光特性；此外区域虽然失配严重，但芯片光电参数未见异常。

3 可靠性试验结果的验证与分析

按照设定的试验分析比较方案，分别从三片对应外延片中抽取合格芯片样品，进行可靠性分析试验。芯片样品组Cp1-1抽自Ep1-1外观缺陷片缺陷附近区域的参数正常芯片；样品组Cp1-2分别抽自Ep1-2外观缺陷片远离缺陷区域的上下左右四个区域；样品组Cp2和Cp3分别抽自Ep2和Ep3的上下左右四个区域。同时封装成器件后，进行可靠性试验，其中一组进行抗静电能力试验，两组做电老化加速寿命试验。

3．1 对抗静电能力试验的影响[4]

静电放电（ESD）容易引起GaN基发光二极管pn结的击穿，造成器件失效，因此抗静电能力的高低直接体现LED器件可靠性。采用晶体管图示仪作为试验前后的电性能参数测试，ETS910静电模拟发生器对待测样品进行放电，条件为标准人体模型，正反向连续放电3次，间隙为1s，测试结果（表2）表明，当静电电压较低时，所有样品的抗静电能力未见差别，但随着电压的上升，差别明显加大。取自Ep1-1外观缺陷片缺陷附近区域的样品Cp1-1组的抗静电能力最差，而其他三组差别不明显。

在外延材料结构中，InGaN有源层的势阱、势垒的宽度窄，器件ESD失效机理相对复杂[5]，试验结果统计显示，晶体质量较差、失配严重所对应的器件被静电击穿而失效的概率较其他器件要大得多。可见当器件受到静电冲击时，外延结构晶体中的缺陷及其附近晶格畸变严重和位错密度高的薄弱位置将容易被击穿。

3．2 电老化试验[6]

发光二极管的退化主要包括管芯和环氧树脂等缓慢退化。在本文的试验中，环氧树脂退化的影响将尽可能降低。由于GaN基LED可靠性水平的不断提高，其超长的工作寿命，已不可能通过正常应力条件下的寿命试验来验证，故采用两种加速条件进行老化试验：①采用高温恒流的高恒定热电应力加速老化试验，试验条件为正向电流40mA，环境温度60℃，时间96h，其试验结果见表3；②采用高恒定电流应力加速老化试验，试验条件为正向电流30mA，环境温度25℃，时间1008h，结果见表4。光通量退化曲线如图5所示。

试验结果表明，四组样品光输出退化趋势基本相似，体现样品器件的电老化总体综合情况，其之间的差异是由芯片造成的。无论是高温恒流加速老化或者是高恒定电流老化试验，取自Ep1-1外观缺陷片缺陷附近区域的样品Cp1-1组的光衰都最大，因所有样品的封装条件一样，故器件光输出退化速率的差别应为管芯所造成。由于缺陷对载流子具有较强的俘获作用，在有源层中形成无辐射复合中心，使光效降低，而注入载流子的无辐射复合又使能量转化为晶格振动，导致缺陷和位错等造成载流子泄漏和非辐射复合中心的增多，使得器件内量子效率下降速率加快[7]。

外延(Epitaxy, 简称Epi)工艺是指在单晶衬底上生长一层跟衬底具有相同晶格排列的单晶材料，外延层可以是同质外延层(Si/Si)，也可以是异质外延层(SiGe/Si 或SiC/Si等)；同样实现外延生长也有很多方法，包括分子束外延(MBE)，超高真空化学气相沉积(UHV/CVD)，常压及减压外延(ATM &RP Epi)等等。本文仅介绍广泛应用于半导体集成电路生产中衬底为硅材料的硅(Si)和锗硅(SiGe)外延工艺。根据生长方法可以将外延工艺分为两大类(表1)：全外延(Blanket Epi)和选择性外延(Selective Epi, 简称SEG)。工艺气体中常用三种含硅气体源：硅烷(SiH4)，二氯硅烷(SiH2Cl2, 简称DCS) 和三氯硅烷(SiHCl3, 简称TCS)；某些特殊外延工艺中还要用到含Ge和C的气体锗烷(GeH4)和甲基硅烷(SiH3CH3)；选择性外延工艺中还需要用到刻蚀性气体氯化氢(HCl)，反应中的载气一般选用氢气(H2)。 外延选择性的实现一般通过调节外延沉积和原位(in-situ)刻蚀的相对速率大小来实现，所用气体一般为含氯(Cl)的硅源气体DCS，利用反应中Cl原子在硅表面的吸附小于氧化物或者氮化物来实现外延生长的选择性；由于SiH4不含Cl原子而且活化能低，一般仅应用于低温全外延工艺；而另外一种常用硅源TCS蒸气压低，在常温下呈液态，需要通过H2鼓泡来导入反应腔，但价格相对便宜，常利用其快速的生长率（可达到5 um/min）来生长比较厚的硅外延层，这在硅外延片生产中得到了广泛的应用。IV族元素中Ge的晶格常数(5.646A与Si的晶格常数(5.431A差别最小，这使得SiGe与Si工艺易集成。在单晶Si中引入Ge形成的SiGe单晶层可以降低带隙宽度，增大晶体管的特征截止频率fT(cut-off frequency)，这使得它在无线及光通信高频器件方面应用十分广泛；另外在先进的CMOS集成电路工艺中还会利用Ge跟Si的晶格常数失配(4%)引入的晶格应力来提高电子或者空穴的迁移率(mobility)，从而增大器件的工作饱和电流以及响应速度，这正成为各国半导体集成电路工艺研究中的热点。由于本征硅的导电性能很差，其电阻率一般在200ohm-cm以上，通常在外延生长的同时还需要掺入杂质气体(dopant)来满足一定的器件电学性能。杂质气体可以分为N型和P型两类：常用N型杂质气体包括磷烷(PH3)和砷烷(AsH3)，而P型则主要是硼烷(B2H6)。硅及锗硅外延工艺在现代集成电路制造中应用十分广泛，概括起来主要包括：1．硅衬底外延：硅片制造中为了提高硅片的品质通常在硅片上外延一层纯净度更高的本征硅；或者在高搀杂硅衬底上生长外延层以防止器件的闩锁（latch up）效应。2．异质结双极晶体管（Hetero-junction Bipolar Transistor,简称HBT)基区(base)异质结SiGe外延(图1)：其原理是在基区掺入Ge组分，通过减小能带宽度,从而使基区少子从发射区到基区跨越的势垒高度降低，从而提高发射效率γ, 因而，很大程度上提高了电流放大系数β。在满足一定的放大系数的前提下，基区可以重掺杂，并且可以做得较薄，这样就减少了载流子的基区渡越时间，从而提高器件的截止频率fT (Cut-Off Frequency)，这正是异质结在超高速，超高频器件中的优势所在。 3．CMOS源(source)漏(drain)区选择性Si/SiGe外延：进入90nm工艺时代后，随着集成电路器件尺寸的大幅度减小，源漏极的结深越来越浅，需要采用选择性外延技术 (SEG)以增厚源漏极(elevated source/drain)来作为后续硅化(silicide)反应的牺牲层(sacrificial layer) (图2)，从而降低串联电阻，有报道称这项技术导致了饱和电流(Idsat)有15％的增加。 而对于正在研发中的65/45nm技术工艺，有人采用对PMOS源漏极刻蚀后外延SiGe层来引入对沟道的压应力(compressive stress) (图3)，以提高空穴(hole)的迁移率(mobility)，据报道称实现了饱和电流(Idsat)35％的增加。 应变硅(strain silicon)外延：在松弛(relaxed)的SiGe层上面外延一层单晶Si，由于Si跟SiGe晶格常数失配而导致Si单晶层受到下面SiGe层的拉伸应力(tensile stress)而使得电子的迁移率(mobility)得到提升(图4)，这就使得NMOS在保持器件尺寸不变的情况下饱和电流(Idsat)得到增大，而Idsat的增大意味着器件响应速度的提高，这项技术正成为各国研究热点。一般而言，一项完整的外延工艺包括3个环节：首先，根据需要实现的工艺结果对硅片进行预处理，包括去除表面的自然氧化层及硅片表面的杂质，对于重搀杂衬底硅片则必须考虑是否需要背封(backseal)以减少后续外延生长过程中的自搀杂。然后在外延工艺过程中需要对程式进行优化，如今先进的外延设备一般为单片反应腔，能在100秒之内将硅片加热到1100℃以上，利用先进的温度探测装置能将工艺温度偏差控制在2度以内，反应气体则可通过质量流量计(MFC)来使得流量得到精准控制。在进行外延沉积之前一般都需要H2烘烤(bake)这一步，其目的在于原位(in-situ)去除硅片表面的自然氧化层和其他杂质，为后续的外延沉积准备出洁净的硅表面状态。 最后在外延工艺完成以后需要对性能指标进行评估，简单的性能指标包括外延层厚度和电特性参数, 片内厚度及电特性均匀度(uniformity)，片与片间的重复性(repeatability)，杂质颗粒(particle)数目以及污染(contamination)；在工业生产中经常要求片内膜厚及电性的均匀度<1.5%(1σ)，对硅片厂家来说经常还要考查外延层的扩展电阻率曲线(SRP)以确定是否有污染存在及污染物杂质的量。特别地，对于SiGe工艺我们经常还需要测量Ge的含量及其深度分布，对于有搀杂的工艺我们还需要知道搀杂原子的含量及深度分布。另外晶格缺陷(defect)也是我们必须考虑的问题，一般而言，常常出现的有四种缺陷，包括薄雾(haze)，滑移线(slip line), 堆跺层错(stacking fault) 和穿刺(spike)，这些缺陷的存在对器件性能有很大影响，可以导致器件漏电流增大甚至器件完全失效而成为致命缺陷(killer effect)。一般来讲消除这些缺陷的办法是检查反应腔体漏率是否足够低(<1mTorr/min)，片内工艺温度分布是否均匀，承载硅片的基座或准备的硅片表面是否洁净、平坦等。经过外延层性能指标检测以后我们还需要对外延工艺进一步优化，以满足特定器件的工艺要求。硅衬底外延：硅片制造中为了提高硅片的品质通常在硅片上外延一层纯净度更高的本征硅；或者在高搀杂硅衬底上生长外延层以防止器件的闩锁（latch up）效应。

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