CN102237288A - 一种检测氮化镓基场效应晶体管表面钝化效果的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种检测氮化镓基场效应晶体管表面钝化效果的方法，该方法包括：在氮化镓基场效应晶体管的栅极和源极或者漏极之间加载电压；电容-电压测量仪的内置电源提供Vgs或者Vgd端口电压的自动扫描，获得Cgs～Vgs和Cgd～Vgd之间的关系曲线；对氮化镓基场效应晶体管器件采用表面钝化处理，然后再次测量器件Cgs～Vgs和Cgd～Vgd之间的关系曲线；比较表面钝化处理前后器件Cgs～Vgs和Cgd～Vgd之间的关系曲线，当Vgs或Vgd低于器件阈值电压为沟道关态电容，当Vgs或Vgd高于器件阈值电压为沟道开态电容，从沟道关态电容和沟道开态电容的相对变化量来衡量表面钝化处理的效果好坏。利用本发明，解决了器件表面态导致器件产生严重的电流崩塌以及器件漏电大的问题。

Description

一种检测氮化镓基场效应晶体管表面钝化效果的方法
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，尤其涉及一种检测氮化镓基场效应晶体管表面钝化效果的电容-电压测量方法。
背景技术
电容-电压(CV)测试广泛应用于半导体制造过程中，其应用包括：开发并集成半导体新工艺；研究开发新材料与器件结构，如介质厚度，金半接触界面情况；金属化后的工艺质量；器件可靠性；失效分析等。它可以更全面的分析器件性能，表征器件特性。
对于GaN HEMT器件，可以利用CV测量方法对工艺过程中的器件特性进行监测。最重要的是可以在工艺过程中分析表面、界面特性，在材料生长过程和器件工艺步骤中会不可避免地引入一些杂质和缺陷，将在材料表面和刻蚀栅槽的界面及其他界面处引入不同类型电荷或者陷阱，主要有界面陷阱电荷、固定电荷、介质层陷阱电荷和可动离子电荷。CV测量方法还可以分析器件的性能，例如得到器件的开启电压、亚阈值特性、器件漏电等信息，结合器件的其他测量手段可以进一步了解器件的特性，所以CV测量方法是分析GaN HEMT器件的重要手段之一。
GaN HEMT器件是利用GaN基材料固有的强极化效应来形成二维电子气沟道，从而材料表面的强极化电荷会产生薄吸附层形成的二维表面态，这些表面态的存在导致器件产生严重的电流崩塌以及器件漏电大的问题，直接影响GaN HEMT器件的可靠性。在器件工艺上，表面钝化处理是提高GaN HEMT器件稳定性和可靠性的必要环节，但是各种表面处理工艺对器件表面态钝化的效果不同。
发明内容
(一)要解决的技术问题
GaN HEMT器件是利用GaN基材料固有的强极化效应来形成二维电子气沟道，材料表面的强极化电荷会产生薄吸附层形成的二维表面态，这些表面态的存在导致器件产生严重的电流崩塌以及器件漏电大的问题，直接影响GaN HEMT器件的可靠性。本发明的目的是采用CV测量方法来直观检测表面处理工艺对器件表面态钝化的效果，以解决器件表面态导致器件产生严重的电流崩塌以及器件漏电大的问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种检测氮化镓基场效应晶体管表面钝化效果的方法，该方法采用电容-电压测量仪，具体包括：
步骤10：在氮化镓基场效应晶体管的栅极和源极或者漏极之间加载电压；
步骤20：电容-电压测量仪的内置电源提供Vgs或者Vgd端口电压的自动扫描，获得Cgs～Vgs和Cgd～Vgd之间的关系曲线；
步骤30：对氮化镓基场效应晶体管器件采用表面钝化处理，然后再次测量器件Cgs～Vgs和Cgd～Vgd之间的关系曲线；
步骤40：比较表面钝化处理前后器件Cgs～Vgs和Cgd～Vgd之间的关系曲线，当Vgs或Vgd低于器件阈值电压为沟道关态电容，当Vgs或Vgd高于器件阈值电压为沟道开态电容，从沟道关态电容和沟道开态电容的相对变化量来衡量表面钝化处理的效果好坏。
上述方案中，步骤10中所述在氮化镓基场效应晶体管的栅极和源极或者漏极之间加载电压，包括：在电容-电压测量仪的High端口接氮化镓基场效应晶体管的栅端口G，采用正电压加载到G端，电容-电压测量仪的Low端口接氮化镓基场效应晶体管的源端口S或者漏端口D。
上述方案中，步骤30中所述对氮化镓基场效应晶体管器件采用表面钝化处理，采用酸碱溶液、等离子体处理和介质钝化，其中，酸碱溶液包括盐酸、磷酸、氢氟酸、氨水、氢氧化钠和氢氧化钾中的任一种，等离子体处理包括N2等离子体、NH3等离子体或O2等离子体，介质钝化包括氧化硅、氮化硅、氧化铝和苯并环丁烯中的任一种。
上述方案中，所述电容-电压测量仪采用LCR表HP4284A。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、利用本发明，通过比较CV特性曲线中沟道关态电容和沟道开态电容的相对变化量，简单直观地监测表面处理工艺对器件表面电荷态的钝化效果，解决了器件表面态导致器件产生严重的电流崩塌以及器件漏电大的问题。同时建立表面钝化效果与电流崩塌、器件关态漏电和肖特基漏电的相关性。
2、利用本发明，可以对器件制作过程的关键工艺步骤进行监测，对改善器件工艺提供指导作用。
3、利用本发明，可以分析器件性能和结构参数，如器件的阈值电压、肖特基开启电压、栅漏电、AlGaN势垒层厚度、二维电子气浓度等特性，更为重要的是可以分析器件的表面、界面特性以及电荷和缺陷的分布。
4、利用本发明，可以得到一定频率和偏置下的AlGaN/GaN异质结电容Cgs和Cgd，这为GaN HEMT器件小信号参数的精确提取提供有力支持。
附图说明
图1为本发明提供的检测GaN HEMT表面钝化效果的方法流程图；
图2为依照本发明实施的测量框图；
图3为本发明所述的GaN HEMT器件的等效电容示意图；
图4为本发明所述的GaN HEMT器件在表面钝化方式I前后的Cgs～Vgs特性曲线，从ΔCgs_off≈ΔCgs_on可以判断方式I的表面钝化效果不明显；
图5为本发明所述的GaN HEMT器件在表面钝化方式II前后的Cgs～Vgs特性曲线，从ΔCgs_off＞＞ΔCgs_on可以判断方式II具有良好的表面钝化效果；
图6为本发明所述的GaN HEMT器件在表面钝化方式I和II前后的器件肖特基漏电比较。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1为本发明提供的检测GaN HEMT表面钝化效果的方法流程图，该方法采用电容-电压测量仪，具体包括：
步骤10：在氮化镓基场效应晶体管的栅极和源极或者漏极之间加载电压；
步骤20：电容-电压测量仪的内置电源提供Vgs或者Vgd端口电压的自动扫描，获得Cgs～Vgs和Cgd～Vgd之间的关系曲线；
步骤30：对氮化镓基场效应晶体管器件采用表面钝化处理，然后再次测量器件Cgs～Vgs和Cgd～Vgd之间的关系曲线；
步骤40：比较表面钝化处理前后器件Cgs～Vgs和Cgd～Vgd之间的关系曲线，当Vgs或Vgd低于器件阈值电压为沟道关态电容，当Vgs或Vgd高于器件阈值电压为沟道开态电容，从沟道关态电容和沟道开态电容的相对变化量来衡量表面钝化处理的效果好坏。
其中，步骤10中所述在氮化镓基场效应晶体管的栅极和源极或者漏极之间加载电压，包括：在电容-电压测量仪的High端口接氮化镓基场效应晶体管的栅端口G，采用正电压加载到G端，电容-电压测量仪的Low端口接氮化镓基场效应晶体管的源端口S或者漏端口D。
步骤30中所述对氮化镓基场效应晶体管器件采用表面钝化处理，采用酸碱溶液、等离子体处理和介质钝化，其中，酸碱溶液包括盐酸、磷酸、氢氟酸、氨水、氢氧化钠和氢氧化钾中的任一种，等离子体处理包括N2等离子体、NH3等离子体或O2等离子体，介质钝化包括氧化硅、氮化硅、氧化铝和苯并环丁烯中的任一种。
本发明提出的这种检测氮化镓基场效应晶体管表面钝化效果的CV测量方法，可以描述GaN HEMT器件中的电荷随着偏压的变化关系，从而得到一定频率和偏置下的AlGaN/GaN异质结电容Cgs和Cgd，这为器件小信号参数的精确提取提供有力支持。
图2为本发明一种检测氮化镓基场效应晶体管表面钝化效果的电容-电压测量方法的测试框图，如图2所示，电容-电压测量仪共有三个主要端口，为Ground、High和Low。Ground端口使得电容-电压测量仪的外壳接地，High连接FET管芯的Gate端口(G端)，Low连接FET管芯的Source端口(S端)。
图3为本发明所述的GaN HEMT器件的等效电容示意图，GaN HEMT器件的栅极(Gate)和源极(Source)分别采用肖特基接触和欧姆接触，其等效电容包括AlGaN势垒层电容(Cf)、二维电子气沟道电容(Cch)和表面钝化层电容(Csp)，器件的栅源电容Cgs＝Csp+CchCf/(2Cch+Cf)。
图4为本发明所述的GaN HEMT器件在表面钝化方式I前后的Cgs～Vgs特性曲线，器件的阈值电压对应于沟道开启，当Vgs低于器件阈值电压时二维电子气沟道几乎完全关断，当Vgs高于器件阈值电压时二维电子气沟道逐渐开启，直到二维电子气完全导通。如图4所示，在表面钝化方式I前后，沟道关态电容的变化量ΔCgs_off和沟道开态电容的变化量ΔCgs_on几乎相等，由此可以判断方式I的表面钝化效果不明显。
图5为本发明所述的GaN HEMT器件在表面钝化方式II前后的Cgs～Vgs特性曲线，器件的阈值电压对应于沟道开启，当Vgs低于器件阈值电压时二维电子气沟道几乎完全关断，当Vgs高于器件阈值电压时二维电子气沟道逐渐开启，直到二维电子气完全导通。如图5所示，在表面钝化方式II前后，沟道关态电容的变化量ΔCgs_off远大于沟道开态电容的变化量ΔCgs_on，由此可以判断方式II具有优良的表面钝化效果。
图6为本发明所述的GaN HEMT器件在表面钝化方式I和II前后的器件肖特基漏电比较，根据图4和图5的电容-电压测量方法，方式II的表面钝化效果优于方式I。如图6所示，经过优良的表面钝化处理前后器件的肖特基反向漏电增大很小。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种检测氮化镓基场效应晶体管表面钝化效果的方法，其特征在于，该方法采用电容-电压测量仪，具体包括：
步骤10：在氮化镓基场效应晶体管的栅极和源极或者漏极之间加载电压；
步骤20：电容-电压测量仪的内置电源提供Vgs或者Vgd端口电压的自动扫描，获得Cgs～Vgs和Cgd～Vgd之间的关系曲线；
步骤30：对氮化镓基场效应晶体管器件采用表面钝化处理，然后再次测量器件Cgs～Vgs和Cgd～Vgd之间的关系曲线；
步骤40：比较表面钝化处理前后器件Cgs～Vgs和Cgd～Vgd之间的关系曲线，当Vgs或Vgd低于器件阈值电压为沟道关态电容，当Vgs或Vgd高于器件阈值电压为沟道开态电容，从沟道关态电容和沟道开态电容的相对变化量来衡量表面钝化处理的效果好坏。
2.根据权利要求1所述的检测氮化镓基场效应晶体管表面钝化效果的方法，其特征在于，步骤10中所述在氮化镓基场效应晶体管的栅极和源极或者漏极之间加载电压，包括：
在电容-电压测量仪的High端口接氮化镓基场效应晶体管的栅端口G，采用正电压加载到G端，电容-电压测量仪的Low端口接氮化镓基场效应晶体管的源端口S或者漏端口D。
3.根据权利要求1所述的检测氮化镓基场效应晶体管表面钝化效果的方法，其特征在于，步骤30中所述对氮化镓基场效应晶体管器件采用表面钝化处理，采用酸碱溶液、等离子体处理和介质钝化，其中，酸碱溶液包括盐酸、磷酸、氢氟酸、氨水、氢氧化钠和氢氧化钾中的任一种，等离子体处理包括N2等离子体、NH3等离子体或O2等离子体，介质钝化包括氧化硅、氮化硅、氧化铝和苯并环丁烯中的任一种。
4.根据权利要求1所述的检测氮化镓基场效应晶体管表面钝化效果的方法，其特征在于，所述电容-电压测量仪采用LCR表HP4284A。
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