DE102017109911B4

DE102017109911B4 - Halbleiterstruktur und Verfahren

Info

Publication number: DE102017109911B4
Application number: DE102017109911.5A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Brunner; Franz Heider; Clemens Ostermaier
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2017-05-09
Publication date: 2023-05-11
Anticipated expiration: 2037-05-10
Also published as: DE102017109911A1; US9728470B1; US9947600B2; US20170330808A1

Abstract

Halbleiterstruktur, die aufweist:ein Stützsubstrat (102), das eine Oberfläche (103) umfasst, die dazu eingerichtet ist, ein epitaktisches Wachstum eines Gruppe-III-Nitrids zu unterstützen;eine oder mehrere epitaktische Gruppe-III-Nitrid-Schichten (104, 105, 106), die auf der Oberfläche (103) angeordnet sind und mehrere Transistorvorrichtungen stützen, die auf dem Stützsubstrat (102) geformt werden; undeine Teststruktur (101), die in einer von der einen oder den mehreren der Gruppe-III-Nitrid-Schichten gebildet ist,wobei die Teststruktur (102) mehrere Gräben (111) umfasst, die dazu konfiguriert sind, ein optisches Beugungsgitter bereitzustellen, wenn sie durch UV-Licht beleuchtet werden,wobei die Gräben (111) einen Parameter aufweisen, der einem Parameter eines Merkmals der Transistorvorrichtungen entspricht undwobei die Teststruktur (101) in einer Sägestraße angeordnet ist.

Description

Bislang wurden Transistoren, die in Leistungselektronikanwendungen verwendet werden, typischerweise mit Silicium-(Si)-Halbleitermaterialien gefertigt. Gebräuchliche Transistorvorrichtungen für Leistungsanwendungen umfassen Si-CoolMOS®, Si-Leistungs-MOSFETs und Si-IGBTs (IGBTs: Insulated Gate Bipolar Transistors - Bipolartransistoren mit isoliertem Gate). In jüngerer Zeit wurden Siliciumcarbid-(SiC)-Leistungsvorrichtungen in Betracht gezogen. Gruppe-III-Nitrid-Halbleitervorrichtungen, wie etwa Galliumnitrid-(GaN)-Vorrichtungen, erscheinen nun als attraktive Kandidaten, um große Ströme zu führen, hohe Spannungen zu unterstützen und einen sehr niedrigen Ein-Widerstand und schnelle Schaltzeiten bereitzustellen.
Die US 9 243 886 B1 beschreibt ein Verfahren zum Messen einer periodischen Struktur. Das Verfahren umfasst das Lenken eines Lichtstrahls auf die Struktur und das Detektieren eines durch die Struktur reflektierten Lichts, um ein Beugungsmuster zu erhalten, das die Struktur repräsentiert.
Die US 6 654 131 B2 beschreibt ein Verfahren zum Messen einer periodischen Struktur auf einer Halbleiterscheibe. Das Verfahren umfasst das Lenken eines Lichtstrahls auf die Struktur und das Detektieren eines durch die Struktur reflektierten Lichts, um ein Detektionsergebnis zu erhalten. Um zu ermitteln, ob die Struktur bestimmte Kriterien erfüllt, wird das Detektionsergebnis mit einem erwarteten Detektionsergebnis verglichen.
Die US 2016 0 035 820 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines lateralen FINFET auf SOI-Basis. Bei diesem Verfahren wird eine Struktur mit mehreren parallelen Gräben an einer Oberfläche eines Substrats hergestellt.
Verfahren zum Produzieren von Gruppe-III-Nitrid-Halbleitervorrichtungen sind erwünscht.
Bei einer Ausführungsform umfasst eine Halbleiterstruktur Folgendes: ein Stützsubstrat mit einer Oberfläche, die dazu eingerichtet ist, ein epitaktisches Wachstum eines Gruppe-III-Nitrids zu unterstützen, eine oder mehrere epitaktische Gruppe-III-Nitrid-Schichten, die auf der Oberfläche angeordnet sind und mehrere Transistorvorrichtungen stützen, die auf dem Stützsubstrat geformt werden, und eine Teststruktur, die in einer Gruppe-III-Nitrid-Schicht gebildet ist, wobei 0 < x < 1 gilt. Die Teststruktur ist in einer Sägestraße angeordnet und umfasst mehrere Gräben, die dazu konfiguriert sind, ein optisches Beugungsgitter bereitzustellen, wenn sie mit UV-Licht beleuchtet werden. Die Gräben weisen einen Parameter auf, der einem Parameter eines Merkmals der Transistorvorrichtungen entspricht.
Bei einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Fertigen eines Halbleiterwafers: ein epitaktisches Abscheiden von wenigstens einer Gruppe-III-Nitrid-Schicht auf einem Substratwafer, Bilden einer Teststruktur in der wenigstens einen Gruppe-III-Nitrid-Schicht, wobei die Teststruktur ein regelmäßiges Muster von Gräben aufweist, die ein optisches Beugungsgitter bilden, wobei jeder der Gräben wenigstens eine Abmessung aufweist, die einer Abmessung einer Aussparung einer Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistorvorrichtung in der wenigstens einen Gruppe-III-Nitrid-Schicht entspricht, und Bestimmen eines Parameters der Teststruktur. Der Parameter der Teststruktur wird durch Folgendes bestimmt: Lenken eines einfallenden Lichtstrahls mit mehreren Wellenlängen zwischen 190 nm und 365 nm zu der Teststruktur, Detektieren eines reflektierten Strahls, der von der Teststruktur reflektiert wird, und Erhalten eines Spektrums einer reflektierten Intensität als eine Funktion der Wellenlänge, wobei das Spektrum ein Merkmal der Teststruktur repräsentiert, Vergleichen des Spektrums mit einem oder mehreren Referenzspektren, die in einem Speicher gespeichert sind, Schätzen von wenigstens einem Parameter der Teststruktur unter Verwendung des einen oder der mehreren Referenzspektren, und falls der geschätzte Parameter der Teststruktur innerhalb eines Toleranzbereichs liegt, weiteres Verarbeiten des Substratwafers oder, falls der geschätzte Parameter der Teststruktur außerhalb eines Toleranzbereichs liegt, Aussortieren des Substrats oder Anpassen eines Verarbeitungsparameters.
Zusätzliche Merkmale und Vorteile werden für einen Fachmann bei der Lektüre der folgenden ausführlichen Beschreibung und bei der Betrachtung der begleitenden Zeichnungen ersichtlich.
Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise relativ zueinander maßstabsgetreu. Gleiche Bezugsziffern bezeichnen entsprechende ähnliche Teile. Die Merkmale der verschiedenen veranschaulichten Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden, es sei denn, sie schließen sich gegenseitig aus. Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen abgebildet und in der folgenden Beschreibung ausführlich beschrieben.

1 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Beurteilen einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats.
2 veranschaulicht ein schematisches Schaubild einer Einrichtung zum Beurteilen einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats.
3a veranschaulicht ein Spektrum zum Beurteilen einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats.
3b veranschaulicht ein gemessenes Spektrum und ein Referenzspektrum zum Beurteilen einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats.
4 veranschaulicht eine schematische Draufsicht eines Halbleiterwafers.
5 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Schätzen eines Parameters eines Halbleitersubstrats.
6 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern eines Verarbeitungsparameters während einer Herstellung einer Gruppe-III-Nitrid-basierten elektronischen Komponente.
7 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Fertigen einer Gruppe-III-Nitrid-basierten elektronischen Komponente.
8 veranschaulicht eine schematische Schnittansicht eines Teils eines Halbleitersubstrats mit einer Teststruktur.
9 veranschaulicht eine schematische Schnittansicht eines Teils eines Halbleitersubstrats mit einer Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistorvorrichtung und einer Teststruktur.
10 veranschaulicht eine schematische Schnittansicht eines Teils eines Halbleitersubstrats mit einer Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistorvorrichtung und einer Teststruktur.

In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen als Veranschaulichung spezielle Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie, wie etwa „Oberseite“, „Unterseite“, „Vorderseite“, „Rückseite“, „vorderer“, „hinterer“ usw., unter Bezugnahme auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Weil Komponenten der Ausführungsformen in einer Reihe verschiedener Orientierungen positioniert sein können, wird die Richtungsterminologie zum Zweck der Veranschaulichung verwendet und ist in keinerlei Weise beschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung davon ist nicht in einem beschränkenden Sinn zu verstehen und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die beiliegenden Ansprüche definiert.
Eine Reihe von Ausführungsbeispielen werden unten erklärt. In diesem Fall werden identische strukturelle Merkmale in den Figuren durch identische oder ähnliche Referenzsymbole identifiziert. In dem Zusammenhang der vorliegenden Beschreibung sollte „lateral“ oder „laterale Richtung“ mit der Bedeutung einer Richtung oder einer Ausdehnung verstanden werden, die allgemein parallel zu der lateralen Ausdehnung eines Halbleitermaterials oder eines Halbleiterträgers verläuft. Die laterale Richtung erstreckt sich dementsprechend allgemein parallel zu diesen Oberflächen oder Seiten. Im Gegensatz dazu wird der Begriff „vertikal“ oder „vertikale Richtung“ mit der Bedeutung einer Richtung verstanden, die allgemein senkrecht zu diesen Oberflächen oder Seiten und dementsprechend zu der lateralen Richtung verläuft. Die vertikale Richtung verläuft daher in der Dickenrichtung des Halbleitermaterials oder des Halbleiterträgers.
Wie in dieser Beschreibung eingesetzt, kann ein Element, wie etwa eine Schicht, ein Gebiet oder ein Substrat, wenn es als „auf“ einem anderen Element vorliegend oder sich „auf“ dieses erstreckend, bezeichnet wird, direkt auf dem anderen Element vorliegen oder sich direkt auf dieses erstrecken, oder es können auch dazwischenliegende Elemente vorhanden sein. Im Gegensatz dazu sind, wenn ein Element als „direkt auf“ einem anderen Element vorliegend oder sich „direkt auf“ dieses erstreckend bezeichnet wird, keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden.
Wie in dieser Beschreibung eingesetzt, kann ein Element, wenn es als „verbunden“ oder „gekoppelt“ mit einem anderen Element bezeichnet wird, direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein oder es können dazwischenliegende Elemente vorhanden sein. Im Gegensatz dazu sind, wenn ein Element als mit einem anderen Element „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ bezeichnet wird, keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden.
Wie hier verwendet, verweist der Ausdruck „Gruppe-III-Nitrid“ auf einen Verbindungshalbleiter, der Stickstoff (N) und wenigstens ein Gruppe-III-Element, einschließlich Aluminium (Al), Gallium (Ga), Indium (In) und Bor (B), umfasst und der unter anderem eine beliebige seiner Legierungen, wie etwa zum Beispiel Aluminiumgalliumnitrid (Al_xGa_(1-x)N) , Indiumgalliumnitrid (In_yGa_(1-y)N), Aluminiumindiumgalliumnitrid (Al_xIn_yGa_(1-x-y)N) , Galliumarsenidphosphidnitrid (GaAs_aP_bN_(1-a-b)) und Aluminiumindiumgalliumarsenidphosphidnitrid (Al_xIn_yGa_(1-x-y)As_aP_bN_(1-a-b)) , umfasst. Aluminiumgalliumnitrid und AlGaN verweisen auf eine Legierung, die durch die Formel Al_xGa_(1-x)N beschrieben wird, wobei 0 < x < 1 gilt.
1 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Verfahrens 20 zum Beurteilen einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats.
Bei Block 21 wird ein einfallender Lichtstrahl mit mehreren Wellenlängen zu einer Position einer Schicht einschließlich eines Gruppe-III-Nitrids gelenkt. Die Schicht umfasst ein Oberflächenprofil, das dazu konfiguriert ist, ein optisches Beugungsgitter zu bilden, wenn es durch den einfallenden Lichtstrahl beleuchtet wird.
Die Schicht kann die oberste auf einem Substrat, wie etwa einem Halbleitersubstrat, angeordnete Schicht sein. Die Schicht kann einen Teil einer Halbleitervorrichtung bilden, die auf dem Substrat geformt wird, wie etwa einer Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistorvorrichtung. Das Oberflächenprofil der Position kann ein regelmäßiges oder periodisches Muster von sich abwechselnden Vertiefungen und Ausbuchtungen umfassen, die solche Abmessungen aufweisen, dass sie als ein optisches Beugungsgitter wirken, wenn sie durch den einfallenden Lichtstrahl beleuchtet werden.
Bei Block 22 wird ein reflektierter Strahl, der von der Position der Gruppe-III-Nitrid-Schicht reflektiert wird, detektiert und wird ein Spektrum einer reflektierten Intensität als eine Funktion der Wellenlänge erhalten. Das Spektrum repräsentiert ein Merkmal der Position der Gruppe-III-NitridSchicht, von der der Strahl reflektiert wird.
Bei Block 23 wird das Spektrum, das von dem detektierten Strahl erhalten wurde, mit einem oder mehreren Referenzspektren verglichen, die in einem Speicher gespeichert sind, und wird wenigstens ein Parameter des Merkmals bestimmt.
Das Verfahren stellt ein kontaktloses optisches Verfahren zum Beurteilen der Oberfläche eines Halbleitersubstrats bereit, das verwendet werden kann, um indirekt einen Parameter des Merkmals der Gruppe-III-Nitrid-Schicht, die durch den einfallenden Strahl beleuchtet wird, abzuleiten. Ein Scatterometrie-Verfahren, das ein Breitbandreflektometer mit polarisiertem Licht oder spektrale Ellipsometrie verwendet, kann verwendet werden, um dieses Verfahren auszuführen. Der Parameter kann eine Abmessung des Oberflächenprofils, wie etwa die Tiefe, oder eine Breite der Vertiefungen oder eine Neigung der Seitenwände oder ein Seitenwandwinkel der Vertiefungen eines Oberflächenprofils einschließlich eines regelmäßigen Musters von Vertiefungen, die dazu konfiguriert sind, das optische Beugungsgitter zu bilden, sein. Der Parameter kann auch das Rastermaß der Vertiefungen sein, wobei das Rastermaß den Abstand zwischen äquivalenten Merkmalen von direkt benachbarten Vertiefungen beschreibt.
Die Breite kann die Breite einer Vertiefung sein, wie etwa eines Grabens an der Oberseite des Grabens oder die Breite an dem Boden des Grabens. Die Breite eines Merkmals kann auch eine kritische Abmessung genannt werden. Wie hier verwendet, wird „kritische“ Abmessung in dem metrologischen Sinn verwendet, um eine Abmessung anzugeben, die zu messen ist, anstatt eine Abmessung anzugeben, die von Bedeutung ist.
Die Schicht einschließlich des Gruppe-III-Nitrids kann ein Oberflächenprofil umfassen, das vollständig oder teilweise aus dem Gruppe-III-Nitrid-Material gebildet ist. Zum Beispiel kann das Oberflächenprofil ein periodisches Muster von Gräben und Mesas umfassen, die aus dem Gruppe-III-Nitrid-Material der Schicht gebildet sind. Bei einem anderen Beispiel kann das Oberflächenprofil aus Gräben und Mesas gebildet sein, wobei die Gräben Oberflächen aufweisen, die durch das Gruppe-III-Nitrid-Material definiert werden, und die obere Oberfläche der Mesas ein unterschiedliches Material umfasst, wie etwa eine Schicht eines Fotolackmaterials.
Die Wellenlängen des einfallenden Lichtstrahls können so gewählt werden, dass sie an dem Oberflächenprofil gebeugt werden. Das Gruppe-III-Nitrid, das das Oberflächenprofil bildet, kann bei diesen Wellenlängen optisch lichtundurchlässig sein. Wellenlängen in dem UV-Teil des elektromagnetischen Spektrums können zum Zweck des Messens einer Abmessung des Oberflächenprofils, wie etwa der Tiefe der Gräben, die das optische Beugungsgitter bilden, verwendet werden.
Der Wellenlängenbereich, in dem das Gruppe-III-Nitrid optisch lichtundurchlässig ist, kann von seiner Zusammensetzung abhängen, zum Beispiel dem Aluminiumgehalt, x, in Aluminiumgalliumnitrid, Al_xGa_(1-x)N. Wenn der Aluminiumgehalt x von 0 auf 0,25 zunimmt, nimmt die Absorptionskante und die zugeordnete Bandlückenenergie von 365 nm auf 320 nm ab. Unterhalb der Absorptionskante ist Aluminiumgalliumnitrid lichtundurchlässig.
Die Schicht, die ein Gruppe-III-Nitrid umfasst, kann eine Schicht einer Halbleitervorrichtung bilden, wie etwa einer Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistorvorrichtung, zum Beispiel eines Transistors mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT: High Electron Mobility Transistor). Das Merkmal, das unter Verwendung des Verfahrens beurteilt wird, kann verwendet werden, um Informationen über ein Merkmal der Halbleitervorrichtung zu erhalten, wie etwa die Tiefe einer Aussparung einer oberen Schicht, wie etwa einer Aluminiumgalliumnitridbarriereaussparung, einer Aussparung oder des Profils einer Aussparung einer oberen Schicht oder der Höhe einer Mesastruktur, wie etwa einer p-dotierten Gruppe-III-Nitrid-Schicht, die zwischen dem Gate und der Barriereschicht eines HEMT angeordnet ist.
Die Referenzspektren können durch Berechnen des Spektrums erhalten werden, das erwartungsgemäß für ein oder mehrere Merkmale erhalten wird, die bei der Substratposition vorliegen. Zum Beispiel kann für eine Position mit einem Oberflächenprofil einschließlich eines regelmäßigen Musters von Vertiefungen ein Referenzspektrum für Vertiefungen mit vorbestimmter/vorbestimmtem Tiefe, Breite, Rastermaß oder Zwischenraum berechnet werden. Mehrere Referenzspektren können berechnet werden, jeweils für Vertiefungen mit einem unterschiedlichen Wert eines Parameters, zum Beispiel mit unterschiedlichen Tiefen. Indem das detektierte Spektrum mit einem oder mehreren der Referenzspektren verglichen wird, kann ein am besten passendes Referenzspektrum identifiziert werden. Die Tiefe der Vertiefung bei der beurteilten Position wird aus der Tiefe der Vertiefung abgeleitet, die zum Berechnen der Referenzspektren verwendet wird.
Bei manchen Ausführungsformen werden zwei am besten passende Referenzspektren identifiziert, die das detektierte Spektrum aufspannen, zum Beispiel eines oberhalb und das andere unterhalb des detektierten Spektrums. Die Tiefe der Vertiefung bei der beurteilten Position kann durch Interpolation zwischen den Tiefen der Vertiefungen, die zum Berechnen der zwei am besten passenden Spektren verwendet werden, abgeleitet werden.
Ein optisches Prozesssteuerverfahren ist für Gruppe-III-Nitride bereitgestellt, insbesondere für auf einem Substrat, wie etwa einem Einkristallwafer, epitaktisch aufgewachsene Gruppe-III-Nitrid-Schichten. Das Verfahren wird verwendet, um einen oder mehrere Parameter eines Musters, das ein optisches Beugungsgitter bildet, zu schätzen, indem die optische Antwort des Musters gemessen wird. Eine direkte Extraktion des interessierenden Parameters kann unbrauchbar sein, falls die optische Antwort des Musters komplex ist. Ein mathematisches Modell kann für das Muster mit den interessierenden Parametern als Variablen konstruiert werden und eine modellierte Antwort oder ein Referenzspektrum kann berechnet werden, indem die Parameter innerhalb des interessierenden Bereichs angepasst werden.
Ein solches mathematisches Modell, das verwendet werden kann, um die optische Antwort einer periodischen Struktur, wie etwa eines optischen Beugungsgitters, zu modellieren, ist die Rigorous Coupled Wave Analysis (RCWA). Andere weniger strenge Verfahren, wie etwa ein skalares Modell, können verwendet werden, insbesondere für Merkmalgrößen, die erheblich größer als die optische Wellenlänge sind.
Die einfallenden und reflektierten Strahlen können sich entlang im Wesentlichen nicht überlappenden Pfaden bewegen. Der Einfallswinkel, das heißt der Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und der Oberfläche des Substrats, und der Reflexionswinkel, das heißt der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und der Oberfläche des Substrats, können fest sein. Die Lichtquelle kann eine Breitbandlichtquelle sein, die dazu in der Lage ist, einen Lichtstrahl mit Wellenlängen über einen Bereich, in dem die Schicht einschließlich des Gruppe-III-Nitrids optisch lichtundurchlässig ist, zu produzieren. Da die Schicht optisch lichtundurchlässig ist, wird der einfallende Strahl von der Oberfläche reflektiert und umfasst Informationen über das Oberflächenprofil. Für eine Aluminiumgalliumnitridschicht (Al_xGa_1-xN, wobei 0 < x < 1 gilt) kann der Wellenlängenbereich in dem ultravioletten (UV) Teil des elektromagnetischen Spektrums liegen, zum Beispiel in dem Bereich von 190 nm bis 365 nm.
2 veranschaulicht ein schematisches Schaubild einer Einrichtung 30 zum Beurteilen einer Oberfläche 31 eines Halbleitersubstrats 32, wie etwa der Oberfläche 31 einer Schicht 33 einschließlich Aluminiumgalliumnitrid (Al_xGa_1-xN, wobei 0 < x < 1 gilt), die auf dem Substrat 32 angeordnet ist.
Die Einrichtung 30 umfasst eine Beleuchtungsquelle 34, die eine Breitbandlichtquelle sein kann, die dazu in der Lage ist, Licht in dem ultravioletten Bereich und optional auch in dem sichtbaren Bereich zu emittieren. Die Einrichtung 30 kann auch einen Polarisator 35 umfassen, der in einen von der Lichtquelle 34 emittierten einfallenden Lichtstrahl 36 eingefügt werden kann. Der Polarisator 35 kann auch steuerbar sein, so dass ein polarisierter einfallender Lichtstrahl 37 mit zwei verschiedenen Polarisationen, wie etwa einer S-Polarisation (oder transversal elektrischen (TE) Polarisation) und einer P-Polarisation (transversal magnetischen (TM) Polarisation), erzeugt wird. Der einfallende Strahl 36 wird von der Oberfläche 31 des Substrats 32 reflektiert, wodurch ein reflektierter Strahl 40 erzeugt wird, der durch einen Detektor 38 detektiert wird. Der reflektierte Strahl 40 bewegt sich entlang einem Pfad, der im Wesentlichen von dem einfallenden Strahl 36 getrennt ist und nicht mit diesem überlappt. Ein Analysator 39 kann in dem Pfad des reflektierten Strahls 40 vor dem Detektor 38 platziert sein.
Der Detektor 38 kann mit einem Computersystem 41 gekoppelt sein, das ein Modul 42 zum Erhalten eines Spektrums einer Intensität gegen die Wellenlänge von dem detektierten reflektierten Strahl 40, ein Bibliotheksmodul 43 einschließlich mehrerer Referenzspektren, die in einem Speicher gespeichert sind, und ein Vergleichsmodul 44 zum Vergleichen des erhaltenen Spektrums mit einem oder mehreren der Referenzspektren, die in der Bibliothek 43 gespeichert sind, und zum Ermitteln eines am besten passenden Referenzspektrums umfassen kann. Das Vergleichsmodul 44 kann dann den Wert eines Parameters der Oberfläche abrufen, der dem am besten passenden Referenzspektrum zugeordnet ist, wie etwa der Tiefe einer Vertiefung, welcher dann folgerungsgemäß an der Position der Oberfläche 31, die durch den einfallenden Lichtstrahl 37 beleuchtet wird, vorliegt.
Die Einfallslichtquelle 34 kann eine Breitbandlichtquelle sein und der Einfallswinkel und der Reflexionswinkel können mit Bezug auf die Oberfläche 31 des Substrats 32 fest sein. Der detektierte Strahl 40 kann ein gebeugter Strahl nullter Ordnung sein.
Die Einrichtung 30 kann verwendet werden, um eine Oberfläche 31 eines Halbleitersubstrats 32 zu beurteilen, die eine epitaktische Aluminiumgalliumnitridschicht 33 (Al_xGa_1-xN, wobei 0 < x < 1 gilt) umfasst. Die Aluminiumgalliumnitridschicht 33 ist die oberste auf einem Stützsubstrat 48 des Halbleitersubstrats 32 angeordnete Schicht und stellt die Oberfläche 31 bereit, die zu beurteilen ist. Eine oder typischerweise mehrere weitere epitaktische Gruppe-III-Nitrid-Schichten können zwischen dem Halbleitersubstrat 32 und der Aluminiumgalliumnitridschicht 33 angeordnet sein, wie durch Gebiet 47 schematisch angegeben ist. Zum Beispiel kann das Gebiet 47 eine Pufferstruktur einschließlich epitaktischer Gruppe-III-Nitridschichten, die epitaktisch auf dem Substrat 32 abgeschieden sind, und eine epitaktische Galliumnitridschicht, die auf der Pufferstruktur abgeschieden ist, umfassen.
Die Oberfläche 31 wird durch den einfallenden Strahl 37 beleuchtet. Der einfallende Strahl 37 weist mehrere Wellenlängen in dem ultravioletten Bereich auf, die die Aluminiumgalliumnitridschicht nicht durchdringen können. Der einfallende Strahl 37 wird von der Oberfläche 31 reflektiert und erzeugt ein Beugungsspektrum, das für wenigstens ein Merkmal des Oberflächenprofils der Oberfläche 31 charakteristisch ist.
Die Oberfläche 31 kann ein regelmäßiges oder periodisches Muster von Vertiefungen umfassen, wie etwa der Gräben 45, die jeweils eine Tiefe d und die Breite w aufweisen. Die Gräben 45 können im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sein, so dass ein regelmäßiges Rastermaß p vorliegt. Das Rastermaß beschreibt den Abstand von einem Graben zu dem nächsten Graben und daher den Abstand zwischen äquivalenten Merkmalen von direkt benachbarten Gräben 45. Die Gräben 45 können als durch Mesas 46 beabstandet betrachtet werden. Die Gräben 45 sind dazu konfiguriert, ein optisches Beugungsgitter bei den Wellenlängen des einfallenden Strahls 36 bereitzustellen. Für eine Schicht einschließlich Al_xGa_1-xN, wobei 0 < x < 1 gilt, können wenigstens zehn Gräben 45 bereitgestellt sein. Die Tiefe d kann in dem Bereich von 50 nm bis 2000 nm liegen, die Breite w in dem Bereich von 0,5 µm bis 1 µm und das Rastermaß p in dem Bereich von 1 µm bis 2 µm. Das Rastermaß p kann zweimal die Breite w sein.
Das regelmäßige Muster von Vertiefungen kann durch ein Merkmal einer elektronischen Komponente bereitgestellt sein, die auf dem Substrat 32 geformt und aufgebaut wird. Das regelmäßige Muster von Vertiefungen kann auch durch eine Teststruktur bereitgestellt sein, die keinen Teil der fertigen elektronischen Komponente bildet. Die Teststruktur stellt ein indirektes Verfahren zum Messen eines Parameters der Transistorvorrichtung bereit.
Zum Beispiel können die Tiefe und/oder die Breite und/oder das Rastermaß der Vertiefungen so gewählt werden, dass sie einer Abmessung eines Merkmals innerhalb der elektronischen Komponente, die geformt wird, entsprechen, welche zu messen gewünscht wird. Bei manchen Ausführungsformen wird das Rastermaß konstant gehalten und kann die Breite variiert werden. Zum Beispiel kann die Tiefe der Gräben 45 in einer Teststruktur der Tiefe einer Aussparung einer oberen Schicht, wie etwa einer Aluminiumgalliumnitridbarriereaussparung, oder der Höhe einer Mesa, wie etwa einer p-GaN-Schicht, die zwischen einem Gate und einer Barriereschicht positioniert ist, entsprechen, die bei der Fertigung einer Transistorvorrichtung auf dem Substrat 32 verwendet wird. Die Gräben 45 der Teststruktur können unter Verwendung des gleichen Prozesses und zur gleichen Zeit wie die Aussparung oder die Mesa der oberen Schicht gebildet werden, so dass das Profil der Gräben die Effekte und Verarbeitungsbedingungen reflektiert, die zum Bilden der Aussparung oder der Mesa der oberen Schicht verwendet werden.
Die Oberfläche 31 kann ausschließlich aus dem Gruppe-III-Nitrid-Material gebildet werden oder teilweise durch ein weiteres Material. Zum Beispiel können die Gräben 45 Oberflächen aufweisen, die durch das Gruppe-III-Nitrid-Material definiert werden, und ist ein unterschiedliches Material auf der oberen Oberfläche der Mesas 46 angeordnet. Das unterschiedliche Material kann eine Hartmaske, wie etwa Siliciumdioxid, oder eine Weichmaske, wie etwa ein Fotolack, sein.
3a veranschaulicht einen Graphen 50, der unter Verwendung der Einrichtung 30 aus 2 zum Beurteilen der Oberfläche 31 des Halbleitersubstrats 32 erhalten werden kann. Der Graph 50 umfasst ein Spektrum 51 einer Intensität, I, des reflektierten Strahls 40 als Funktion der Wellenlänge, λ, des einfallenden Strahls 36. Der Wellenlängenbereich, für den die Intensität in 3a erhalten wird, reicht über den UV- und sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums und kann zum Beispiel von etwa 190 nm bis 750 Nanometer reichen. Das in 3a veranschaulichte Spektrum 51 ist repräsentativ für jenes, das von einer Aluminiumgalliumnitridschicht 33 mit einer Teststruktur einschließlich mehrerer Gräben 45, wie in 2 veranschaulicht, die dazu konfiguriert sind, ein optisches Beugungsgitter bereitzustellen, erhalten wird. Die epitaktische Aluminiumgalliumnitridschicht 33 ist für sichtbares Licht transparent. Das Spektrum 51 umfasst eine Anzahl an Interferenzoszillationen 52 oberhalb von Wellenlängen von etwa 360 nm, die durch Reflexionen an einer oder mehreren darunterliegenden Schichten 47 auf dem Substrat 32 erzeugt werden, da die Aluminiumgalliumnitridschicht 33 für Wellenlängen in diesem Bereich transparent ist. Das Stützsubstrat 48 kann ein Siliciumeinkristallwafer sein und kann für sichtbares Licht optisch lichtundurchlässig sein. Entsprechend können Wellenlängen in dem UV-Teil des Spektrums zum Zweck des Beurteilens der Oberfläche 31 der Aluminiumgalliumnitridschicht 33 verwendet werden. Der maximale Wert des Bereichs geeigneter Wellenlängen hängt von dem Aluminiumgehalt der zu beurteilenden Aluminiumgalliumnitridschicht ab. Für Aluminiumgalliumnitrid, Al_xGa_(1-x)N, mit einem Aluminiumgehalt in dem Bereich von 0,15 ≤ x ≤ 0,25 können Wellenlängen von etwa 190 nm bis 365 nm verwendet werden.
3b veranschaulicht einen Graphen 53 einer Intensität, I, des reflektierten Strahls 40, die bei verschiedenen Wellenlängen, λ, in dem UV-Bereich gemessen wurde, und veranschaulicht ein Spektrum 54, das von einer Gruppe-III-Nitrid-Schicht und insbesondere von einer Position der Gruppe-III-Nitrid-Schicht mit einem regelmäßigen Muster von Vertiefungen, die ein optisches Beugungsgitter bilden, erhalten wurde. 3b veranschaulicht auch ein Beispiel für ein Referenzspektrum 55, das mit einer gestrichelten Linie gekennzeichnet ist. Das Referenzspektrum 55 wurde durch Simulation des Spektrums erhalten, das für eine Gruppe-III-Nitrid-Schicht der gleichen Zusammenstellung mit einem regelmäßigen Muster von Vertiefungen mit einem ähnlichen Profil, d.h. einer ähnlichen Breite, einer ähnlichen Tiefe und einem ähnlichen Rastermaß, erwartet wird.
Die Oberfläche 31 der Gruppe-III-Nitrid-Schicht 33 wird beurteilt, indem das gemessene Spektrum 54 mit einem oder mehreren Referenzspektren 55 verglichen wird, die aus einer Bibliothek von Referenzspektren, die in einem Speicher gespeichert sind, zum Beispiel in dem Bibliotheksmodul 43, erhalten werden. Das am besten passende Referenzspektrum wird bestimmt und es wird aus diesem am besten passenden Referenzspektrum abgeleitet, dass die Position der Probe, von der das gemessene Spektrum 55 erhalten wurde, ein regelmäßiges Muster von Vertiefungen mit wenigstens einem Parameter, wie etwa der Tiefe, umfasst, der diesem Parameter des am besten passenden Referenzspektrums entspricht.
Der Vergleich zwischen dem gemessenen Spektrum und einem oder mehreren Referenzspektren kann für ein polarisiertes einfallendes Licht 37 mit einer einzigen Polarisation durchgeführt werden. Jedoch kann die Polarisation des einfallenden Lichtstrahls 36 bei manchen Ausführungsformen geändert werden und wird ein einfallender Strahl mit einer zweiten Polarisation, die von der ersten Polarisation verschieden ist, zu derselben Position des Substrats gelenkt, um ein zweites gemessenes Spektrum zu erhalten. Das zweite gemessene Spektrum wird dann auch mit einem oder mehreren der Referenzspektren der Bibliothek verglichen und die Ergebnisse von den beiden am besten passenden Referenzspektren werden verwendet, um Informationen über einen Parameter der Oberfläche an der Position der Gruppe-III-Nitrid-Schicht abzuleiten, von der die zwei gemessenen Spektren erhalten wurden.
Bei manchen Ausführungsformen kann das Merkmal der zu beurteilenden elektronischen Komponente nicht direkt unter Verwendung von Scatterometrie-Techniken gemessen werden, da das Merkmal selbst kein Profil aufweist, das zum Erzeugen eines optischen Beugungsgitters geeignet ist. Wenn zum Beispiel eine Transistorvorrichtungsstruktur aufgebaut wird, umfasst jede Komponentenposition eine einzige Aussparung einer oberen Schicht, wie etwa eine Aluminiumgalliumnitridbarriereaussparung, in der das Gate angeordnet werden kann. Der Zwischenraum zwischen den Aussparungen der oberen Schicht von direkt angrenzenden Komponentenpositionen kann zu groß sein, um ein optisches Beugungsgitter und dementsprechend Streuungseffekte, die zum Beurteilen unter Verwendung von Scatterometrie-Techniken geeignet sind, bereitzustellen. Bei diesen Ausführungsformen können eine oder mehrere Teststrukturen unter Verwendung der gleichen Verarbeitungsbedingungen, wie sie zum Bilden der Gate-Aussparung verwendet wurden, auf dem Substrat gebildet werden, so dass wenigstens eine Abmessung der Teststruktur der Abmessung der Aussparung der oberen Schicht entspricht, zu deren Messung sie gestaltet ist. Zum Beispiel kann die Tiefe der Gräben der Teststruktur der Tiefe einer Aluminiumgalliumnitridbarriereaussparung oder der Höhe einer Mesa, wie etwa einer p-dotierten GaN-Schicht oder einer p-dotierten AlGaN-Schicht, entsprechen.
Bei Ausführungsformen, bei denen das regelmäßige Muster von Vertiefungen, die das optische Beugungsgitter bilden, durch eine Teststruktur bereitgestellt wird, wird der Parameter, der aus dem gemessenen Spektrum oder aus von der Teststruktur erhaltenen Spektren abgeleitet wird, so abgeleitet, dass dieser den gleichen Parameter des Merkmals der elektronischen Komponente repräsentiert, die sie untersuchen soll, wie etwa die Tiefe der Aluminiumgalliumnitridbarriereaussparung.
Die Teststruktur kann in verschiedenen Positionen in dem Testhalbleitersubstrat gebildet werden.
4 veranschaulicht eine schematische Draufsicht eines Wafers 60 mit mehreren Komponentenpositionen 61, die durch Sägestraßen 62, die in orthogonalen Zeilen und Spalten angeordnet sind, begrenzt werden und mit gestrichelten Linien angegeben sind. Eine Teststruktur 63 kann mehrere Vertiefungen oder Gräben 64 umfassen, die sich im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken und die jeweils eine Tiefe und eine Breite aufweisen und mit einem Rastermaß beabstandet sind, um ein optisches Beugungsgitter bei den Wellenlängen bereitzustellen, bei denen das Material der Teststruktur optisch lichtundurchlässig ist.
Für einen Wafer 60, der die Baugruppe der Gruppe-III-Nitrid-basierten Vorrichtungen, wie etwa eines Gruppe-III-Nitrid-basierten HEMT, stützt, umfasst der Wafer 60 eine Oberfläche, die dazu in der Lage ist, das epitaktische Wachstum eines Gruppe-III-Nitrids zu unterstützen. Der Wafer 60 kann ein Siliciumwafer, wie etwa ein <111>-Siliciumwafer, ein <110>-Siliciumwafer, oder ein Siliciumcarbidwafer oder ein Saphirwafer sein.
Eine oder mehrere epitaktische Gruppe-III-Nitrid-Schichten, die auf der Oberfläche des Wafers 60 angeordnet sind, bilden einen Teil von mehreren Transistorvorrichtungen, die auf dem Wafer 60 geformt werden. Bei manchen Ausführungsformen wird wenigstens eine Teststruktur 63 in einer Al_xGa_1-xN-Schicht der Transistorvorrichtungen gebildet, wobei 0 < x < 1 gilt. Die Teststruktur 63 kann in einem Teil von einer der Transistorvorrichtungen, in einer Dummy-Vorrichtungsposition oder in einer Sägestraße angeordnet sein.
Die Teststruktur 63 umfasst mehrere Gräben 64, die dazu konfiguriert sind, ein Beugungsgitter bereitzustellen, wenn sie mit UV-Licht beleuchtet werden. Falls die Tiefe der Aluminiumgalliumnitrid(AlGaN)-Barriereaussparung der Transistorvorrichtungen zu bestimmen ist, ist jeder der Gräben 64 mit einer Tiefe versehen, die der Tiefe einer Aluminiumgalliumnitridbarriereaussparung entspricht. Die Tiefe kann zum Beispiel in dem Bereich von 30 nm bis 2000 nm, 50 nm bis 1000 nm oder 50 nm bis 200 nm liegen. Zum Beispiel kann die Breite in dem Bereich von 300 nm bis 1500 nm oder 0,5 µm bis 1 µm liegen und kann das Rastermaß in dem Bereich von 600 nm bis 3000 nm oder 1 µm bis 2 µm liegen. Das Rastermaß kann im Wesentlichen zweimal die Breite sein.
Die Teststruktur 63 kann wenigstens 10 Gräben umfassen und eine Fläche, die größer als die Fläche des einfallenden Strahls ist, zum Beispiel gesamte laterale Abmessungen von 60 µm mal 60 µm, aufweisen. Bei einem anderen Beispiel kann das regelmäßige Muster, falls der einfallende Strahl einen Durchmesser von 50 µm aufweist, eine Fläche von wenigstens 1900 µm² aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen weist der einfallende Lichtstrahl einen Durchmesser auf, der wenigstens zehnmal größer als das Rastermaß ist.
Die Teststruktur 63 kann in einer Sägestraße 62 angeordnet sein und kann während einer Vereinzelung des Wafers zum Produzieren der einzelnen Halbleiterkomponenten entfernt werden. Bei manchen Ausführungsformen kann die Teststruktur 63` jedoch in einem Teil der Position 65 der elektronischen Komponente positioniert sein, so dass sie in der fertigen elektronischen Komponente vorhanden ist. Die Teststruktur 63` kann in einem inaktiven Teil der Komponentenposition 65, wie etwa an dem peripheren Rand, positioniert sein oder kann innerhalb des aktiven Gebiets der Halbleitervorrichtung, aber in einer Position, in der sie die Funktionalität der Halbleitervorrichtung nicht beeinflusst, angeordnet sein. Die Teststruktur 63'' kann in einem Testchip oder einer Dummy-Komponentenposition angeordnet sein, der oder die die gleichen Verarbeitungsverfahren wie die Vorrichtungen durchläuft.
Während der Halbleiterwafer mit einer einzigen Teststruktur 63 bereitgestellt sein kann, sind bei manchen Ausführungsformen zwei oder mehr Teststrukturen 63 bereitgestellt, die in abweichenden Positionen über den Wafer 60 angeordnet sind. Zum Beispiel können in dem Fall eines Wafers 60 mit einem Durchmesser von 200 mm etwa dreißig Teststrukturen in Intervallen über den Wafer positioniert sein, von denen etwa zehn für einen bestimmten Wafer beurteilt werden können. Bei diesen Ausführungsformen kann jede der Teststrukturen 63 beurteilt werden, indem eine relative Bewegung zwischen dem Wafer und der Lichtquelle übermittelt wird und der einfallende Strahl auf eine weitere Teststruktur gelenkt wird, während die relative Bewegung im Wesentlichen null ist.
Informationen hinsichtlich der Gleichförmigkeit des Prozesses können erhalten werden, indem die Ergebnisse verglichen werden, die für einen bestimmten Parameter in jeder Position erhalten wurden. Zum Beispiel können bei Ausführungsformen, bei denen die Teststruktur 63 durch den Ätzprozess gebildet wird, der die Aluminiumgalliumnitrid(AlGaN)-Barriereaussparung in einem HEMT bildet, Informationen über die Gleichförmigkeit des Plasmaätzprozesses und die Gleichförmigkeit der Tiefe der Aluminiumgalliumnitridbarriereaussparung der HEMTs über der Fläche des Wafers 60 erhalten werden, indem einige Teststrukturen gemessen werden, die in Intervallen über der Oberfläche des Wafers 60 positioniert sind.
5 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Verfahrens 70 zum Schätzen eines Parameters eines Merkmals eines Halbleitersubstrats.
Bei Block 71 wird ein einfallender Lichtstrahl mit mehreren Wellenlängen zu einer Position einer Gruppe-III-Nitrid-Schicht mit einem regelmäßigen Muster von Vertiefungen gelenkt, die dazu konfiguriert sind, ein optisches Beugungsgitter zu bilden. Der einfallende Strahl kann mehrere Wellenlängen in dem UV-Teil des elektromagnetischen Spektrums, zum Beispiel zwischen 190 nm und 365 nm, aufweisen.
Bei Block 72 wird ein reflektierter Strahl, der von der Substratposition reflektiert wird, detektiert und wird ein Spektrum einer reflektierten Intensität als eine Funktion der Wellenlänge erhalten. Das Spektrum repräsentiert wenigstens ein Merkmal der Position, von der der Strahl reflektiert wird.
Bei Block 73 wird das Spektrum, das durch den detektierten Strahl bereitgestellt wurde, mit einem oder mehreren Referenzspektren einer Bibliothek von Referenzspektren verglichen, die in einem Speicher gespeichert sind, und wird eine beste Übereinstimmung mit einem der Referenzspektren in der Bibliothek bestimmt.
Bei Block 74 wird wenigstens ein Parameter des regelmäßigen Musters von Vertiefungen unter Verwendung des am besten passenden Referenzspektrums geschätzt.
Bei der Entscheidungsraute 75 wird bestimmt, ob der geschätzte Parameter der Vertiefungen innerhalb eines Toleranzbereichs liegt. Falls der Parameter der Vertiefungen außerhalb des Toleranzbereichs liegt, fährt das Verfahren zu Block 76 fort und wird das Substrat aussortiert. Falls der geschätzte Parameter der Vertiefungen innerhalb des Toleranzbereichs liegt, fährt das Verfahren zu Block 77 fort und wird das Substrat weiter verarbeitet.
Die Referenzspektren in der Bibliothek sind für einen Bereich von Tiefen und einen Bereich von Breiten mit einer vorbestimmten Diskretisierung oder Schrittgröße berechnet. Die Diskretisierung oder Schrittgröße wird so gewählt, dass sie klein genug ist, um zu ermöglichen, dass ein am besten passendes Referenzmuster aus der Bibliothek von Referenzspektren bestimmt wird.
6 veranschaulicht ein Flussdiagramm 80 eines Verfahrens zum Steuern eines Verarbeitungsparameters während einer Herstellung einer Gruppe-III-Nitrid-basierten elektronischen Komponente, insbesondere eines Gruppe-III-Nitrid-basierten HEMT. Zum Beispiel können ein oder mehrere Verarbeitungsparameter eines Ätzprozesses, wie etwa eines Plasmaätzprozesses, der zum Bilden einer Aluminiumgalliumnitridbarriereaussparung eines Gruppe-III-Nitrid-basierten HEMT verwendet wird, unter Verwendung des Verfahrens 80 gesteuert werden. Bei einem anderen Beispiel können ein oder mehrere Verarbeitungsparameter eines Ätzprozesses, wie etwa eines Plasmaätzprozesses, der zum Bilden einer p-dotierten Gruppe-III-Nitrid-Mesa aus einer p-dotierten Gruppe-III-Nitrid-Schicht für eine Gate-Struktur eines Gruppe-III-Nitrid-basierten HEMT verwendet wird, unter Verwendung des Verfahrens 80 gesteuert werden.
Bei Block 81 wird ein einfallender Lichtstrahl mit mehreren Wellenlängen zu einer Position einer Gruppe-III-Nitrid-Schicht mit einem regelmäßigen Muster von Vertiefungen gelenkt, die dazu konfiguriert sind, ein optisches Beugungsgitter zu bilden. Die Vertiefungen werden während des Prozesses gebildet, um eine Aussparung in einer Gruppe-III-Nitrid-Schicht, insbesondere einer AlGaN-Barriereschicht eines HEMT oder einer p-dotierten Gruppe-III-Nitrid-Schicht eines HEMT, zu bilden. Der einfallende Strahl kann mehrere Wellenlängen in dem UV-Teil des elektromagnetischen Spektrums, zum Beispiel zwischen 190 und 365 nm, aufweisen.
Bei Block 82 wird ein reflektierter Strahl, der von der Substratposition reflektiert wird, detektiert und wird ein Spektrum einer reflektierten Intensität als eine Funktion der Wellenlänge erhalten. Das Spektrum repräsentiert die Tiefe der Vertiefungen.
Bei Block 83 wird das Spektrum, das von dem detektierten Strahl erhalten wurde, mit einem oder mehreren Referenzspektren einer Bibliothek von Referenzspektren verglichen, die in einem Speicher gespeichert sind, und wird eine beste Übereinstimmung mit einem der Referenzspektren in der Bibliothek bestimmt.
Bei Block 84 wird wenigstens ein Parameter, insbesondere die Tiefe, des regelmäßigen Musters von Vertiefungen in der Gruppe-III-Nitrid-Schicht unter Verwendung des am besten passenden Referenzspektrums geschätzt. Der Parameter eines Merkmals einer Vorrichtung, die in einem weiteren nichtbeurteilten Teil der Gruppe-III-Nitrid-Schicht geformt wird, kann aus dem Parameter des Merkmals bei der beurteilten Position abgeleitet werden, welcher unter Verwendung des am besten passenden Referenzspektrums geschätzt wird.
Bei Entscheidungsraute 85 wird bestimmt, ob der geschätzte Parameter der Vertiefungen innerhalb eines Toleranzbereichs liegt. Falls der Parameter der Vertiefungen außerhalb des Toleranzbereichs liegt, fährt das Verfahren zu Block 86 fort und wird wenigstens ein Verarbeitungsparameter als Reaktion auf den Unterschied angepasst, der zwischen dem detektierten Spektrum und dem Referenzspektrum bestimmt wird. Bei manchen Ausführungsformen wird der wenigstens eine Prozessparameter so angepasst, dass der Unterschied zwischen dem gemessenen Parameter und dem Zielwert des Parameters kompensiert wird. Falls der geschätzte Parameter der Vertiefungen innerhalb des Toleranzbereichs liegt, fährt das Verfahren zu Block 87 fort und wird das Substrat weiter verarbeitet, zum Beispiel können eine Gate-Isolationsschicht und/oder Passivierungs- und Metallisierungsschichten abgeschieden werden, um die HEMT-Struktur abzuschließen.
7 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Verfahrens 90 zum Fertigen eines Gruppe-III-Nitrid-basierten HEMT.
Bei Block 91 wird wenigstens eine Gruppe-III-Nitrid-Schicht epitaktisch auf einem Substratwafer abgeschieden. Bei Block 92 wird eine Testtruktur in einer Gruppe-III-Nitrid-Schicht gebildet. Die Teststruktur weist ein regelmäßiges Muster aus im Wesentlichen parallelen Gräben auf, die ein optisches Beugungsgitter bilden. Jeder Graben weist wenigstens eine Abmessung auf, die einer Abmessung einer Struktur einer Gruppe-III-Nitrid-basierten elektronischen Komponente entspricht. Zum Beispiel kann die Tiefe jedes Grabens der Tiefe einer Aluminiumgalliumnitrid(AlGaN)-Barriereaussparung des HEMT oder der Höhe einer p-dotierten Gruppe-III-Nitrid-Mesa, die zwischen dem Gate und der Barriereschicht des HEMT angeordnet ist, entsprechen.
Ein Parameter der Teststruktur, wie etwa die Tiefe der Gräben, wird durch Scatterometrie-Techniken zum Beispiel durch Folgendes bestimmt: Lenken eines einfallenden Lichtstrahls mit mehreren Wellenlängen zwischen 190 nm und 365 nm zu der Teststruktur bei Block 93, Detektieren eines reflektierten Strahls, der von der Teststruktur reflektiert wird, und Erhalten eines Spektrums einer reflektierten Intensität als eine Funktion der Wellenlänge bei Block 94, wobei das Spektrum ein Merkmal der Teststruktur repräsentiert, Vergleichen des Spektrums, das durch den detektierten Strahl bereitgestellt wurde, mit einem oder mehreren Referenzspektren, die in einem Speicher gespeichert sind, bei Block 95 und Schätzen von wenigstens einem Parameter der Teststruktur unter Verwendung des einen oder der mehreren Referenzspektren bei Block 96.
Die Teststruktur kann in der Gruppe-III-Nitrid-Schicht durch Ätzen, zum Beispiel durch Plasmaätzen, gebildet werden. Die Oberfläche der Gruppe-III-Nitrid-Schicht kann geätzt werden, um eine Aussparung, wie etwa eine Aluminiumgalliumnitrid(AlGaN)-Barriereschichtaussparung oder eine Aussparung, die eine Mesa definiert, wie etwa eine p-dotierte Gruppe-III-Nitrid-Schicht, in einer Komponentenposition und eine Teststruktur in einer unterschiedlichen Position unter Verwendung des gleichen Prozesses zu bilden. Eine Beziehung zwischen der Tiefe der Gräben der Teststruktur und der Tiefe der Aussparung kann in einem Kalibrierungsprozess hergestellt werden und diese Beziehung kann während späterer Messungen verwendet werden. Zum Beispiel wird bei manchen Ausführungsformen angenommen, dass die Tiefe der Gräben der Teststruktur die gleiche wie die Tiefe der Aussparung ist. Aufgrund der bekannten Beziehung zwischen der Tiefe der Gräben der Teststruktur und der Tiefe der Aussparung kann die Tiefe der Aussparung durch Bestimmen der Tiefe der Gräben der Teststruktur abgeleitet werden.
Bei Entscheidungsraute 97 wird der geschätzte Parameter der Teststruktur mit einem Zielwert des Parameters verglichen. Falls der geschätzte Parameter der Teststruktur innerhalb eines Toleranzbereichs eines Zielwertes liegt, fährt das Verfahren zu Block 98 fort und wird das Substrat weiter verarbeitet, zum Beispiel um die HEMT-Struktur abzuschließen. Falls der geschätzte Parameter der Teststruktur außerhalb des Toleranzbereichs eines Zielwertes liegt, kann das Substrat aussortiert werden und kann die Verarbeitung unvollständig belassen werden oder kann wenigstens ein Verarbeitungsparameter für wenigstens einen anschließend verarbeiteten Wafer oder wenigstens eine anschließend verarbeitete Charge von Wafern angepasst werden.
8 veranschaulicht eine schematische Querschnittsansicht eines Teils eines Halbleitersubstrats 100 mit einer Teststruktur 101, die unter Verwendung eines Verfahrens gemäß einer oder mehreren der hier beschriebenen Ausführungsformen beurteilt werden kann.
Das Halbleitersubstrat 100 umfasst einen Halbleiterwafer 102 einschließlich einer Oberfläche 103, die dazu in der Lage ist, das epitaktische Wachstum von Gruppe-III-Nitrid-Verbindungen zu unterstützen. Der Halbleiterwafer 102 kann ein Siliciumwafer, wie etwa ein <111>-Siliciumwafer, ein <110>-Siliciumwafer, ein Siliciumcarbidwafer oder ein Saphirwafer sein. Das Halbleitersubstrat 100 umfasst eine Gruppe-III-Nitrid-Pufferstruktur 104, die epitaktisch auf der Oberfläche 103 des Halbleiterwafers 102 aufgewachsen ist, eine Kanalschicht 105 einschließlich Galliumnitrid (GaN), das epitaktisch auf der Pufferschicht 104 aufgewachsen ist, und eine Barriereschicht 106 einschließlich Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN oder Al_xGa_1-xN, wobei 0 < x < 1 gilt), das epitaktisch auf der Kanalschicht 105 aufgewachsen ist. 8 veranschaulicht eine Komponentenposition 107, in der ein Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT: High Electron Mobility Transistor) aufgebaut wird, und eine Sägestraße 108, in der die Teststruktur 101 gebildet wird. Bei anderen Ausführungsformen kann die Teststruktur 101 in einem Teil von einer der Komponentenpositionen, die eine Transistorvorrichtung bilden, oder in einer Testvorrichtungsposition gebildet werden.
Eine Aussparung 109 mit einer Tiefe d_G ist in der Oberfläche 110 der Aluminiumgalliumnitridschicht-Barriereschicht 106 in der Komponentenposition 107 gebildet. Die Aussparung 109 kann durch Ätzen und bei manchen Ausführungsformen durch Plasmaätzen gebildet werden. Der Prozess, der zum Bilden der Aussparung 109 verwendet wird, wird auch verwendet, um die Teststruktur 101 in der Sägestraße 108 zu bilden. Die Teststruktur 101 weist mehrere Vertiefungen in der Oberfläche 110 der Barriereschicht 106 auf, die die Form von länglichen Gräben 111 aufweisen, die sich im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken. Jeder der Gräben 111 umfasst eine Tiefe d_t, die im Wesentlichen die gleiche wie die Tiefe d_G der Aussparung 109 in der Komponentenposition 107 ist. Die Gräben 111 weisen auch eine Breite w_t und ein Rastermaß p_t auf, so dass die Teststruktur 101 ein optisches Beugungsgitter bereitstellt, wenn sie durch UV-Licht beleuchtet wird.
Sobald festgestellt wurde, dass die Tiefe d_t der Gräben 111 der Teststruktur 101 innerhalb eines akzeptierten Toleranzbereichs liegt, und durch Folgerung, dass die Tiefe d_G der Aussparung 109 innerhalb eines akzeptierbaren Toleranzbereichs liegt, wird der Halbleiterwafer 100 weiter verarbeitet, um den HEMT abzuschließen.
9 veranschaulicht eine schematische Querschnittsansicht eines Teils des Halbleitersubstrats 100 nach einer weiteren Verarbeitung zum Bilden des HEMT 120.
Eine GaN-Deckschicht 121 kann auf die Oberfläche 110 der Barriereschicht 106 abgeschieden werden. Die GaN-Deckschicht 121 kleidet die Aussparung 109 aus. Eine Siliciumnitridschicht-Passivierungsschicht 122 kann auf der GaN-Deckschicht 121 abgeschieden werden. Öffnungen können in der Siliciumnitridpassivierungsschicht 121 für den Gate-Kontakt 123, den Source-Kontakt 124 und den Drain-Kontakt 125 gebildet werden. Der Source-Kontakt 124 und der Drain-Kontakt 125 können einen ohmschen Kontakt zu der GaN-Deckschicht 121 bilden. Der Gate-Kontakt 123, der in der Aussparung 109 angeordnet ist, kann eine T-Form aufweisen. Eine oder mehrere weitere Passivierungsschichten 126 können auch bereitgestellt werden, die sich auf der Siliciumnitridpassivierungsschicht 122 zwischen den Metallkontakten erstrecken. Ein zweidimensionales Ladungsgas, wie etwa ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG: two-Dimensional Electron Gas) oder ein zweidimensionales Löchergas (2DHG: two-Dimensional Hole Gas), kann durch piezoelektrische und spontane Polarisierung an der Grenzfläche zwischen der Kanalschicht 105 und der Barriereschicht 106 gebildet werden, wie durch die gestrichelte Linie 127 angegeben ist.
Die weiteren Verarbeitungsschritte zum Abschließen der HEMT-Struktur können für den gesamten Wafer ausgeführt werden, so dass die Teststruktur 101 durch zusätzliche Schichten bedeckt wird, wie etwa die GaN-Deckschicht 121, die Siliciumnitridschicht 122 und Metallschichten oder Schichten zum Bilden der Kontakte 123, 124, 125. Bei Ausführungsformen, bei denen die Teststruktur 101 in der Sägestraße 108 positioniert ist und ihren Zweck erfüllt hat, müssen die Teile des Halbleitersubstrats, die die Teststrukturen 101 umfassen, nicht weiter beachtet werden.
10 veranschaulicht eine schematische Schnittansicht eines Teils eines Halbleitersubstrats 130 mit einer Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistorvorrichtung in der Form eines Anreicherungs-HEMT 131 und einer Teststruktur 132.
Der HEMT 131 kann eine Gruppe-III-Nitrid-Kanalschicht 133 einschließlich GaN, eine Gruppe-III-Nitrid-Barriereschicht 134 einschließlich Aluminiumgalliumnitrid (Al_xGa_1-xN, wobei 0 < x < 1 gilt), die auf der Kanalschicht 133 angeordnet ist, eine Source 135 und einen Drain 136, die auf der Gruppe-III-Nitrid-Barriereschicht 134 angeordnet sind, umfassen. Bei dieser Ausführungsform ist eine weitere p-dotierte Gruppe-III-Nitridschicht 137 zwischen dem Gate 138 und der Gruppe-III-Nitrid-Barriereschicht 134 angeordnet. Die p-dotierte Gruppe-III-Nitrid-Schicht 137 kann magnesiumdotiertes GaN umfassen. Bei der Struktur des HEMT 131 weist die p-dotierte Gruppe-III-Nitrid-Schicht 137 eine definierte laterale Ausdehnung und Höhe auf und kann als eine Mesa 139 bezeichnet werden.
Die p-dotierte Gruppe-III-Nitrid-Mesa 139 unter dem Gate 138 des HEMT 131 kann gebildet werden, indem eine kontinuierliche p-dotierte Gruppe-III-Nitrid-Schicht geätzt wird, die auf der Gruppe-III-Nitrid-Barriereschicht 134 abgeschieden ist. Die oberste Oberfläche der Barriereschicht 134 kann während dieses Ätzprozesses auch von Gebieten angrenzend an die Mesa 139 entfernt werden. Die Höhe der Mesa 139 kann unter Verwendung der Teststruktur 132 gemessen werden.
Die Teststruktur 132 kann mehrere Gräben 140 oder Vertiefungen umfassen, die in der kontinuierlichen p-dotierten Gruppe-III-Nitridschicht unter Verwendung der Ätzbedingungen, die zum Bilden der p-dotierten Gruppe-III-Nitrid-Mesa 139 des HEMT 131 verwendet wurden, gebildet werden. Die Gräben 140 oder die Vertiefungen können sich durch die Dicke der p-dotierten Gruppe-III-Nitrid-Schicht erstrecken und können die Mesas 141 der p-dotierten Gruppe-III-Nitrid-Schicht definieren. Die Gräben 140 und die Mesas 141 bilden ein optisches Beugungsgitter, wenn sie durch UV-Licht beleuchtet werden. Die Tiefe der Gräben 140 der Teststruktur 132 und folglich die Höhe der Mesas 141 der Teststruktur 132 entsprechen der Höhe der p-dotierten Gruppe-III-Nitrid-Schicht 137, die die Struktur der Mesa 139 des HEMT 131 bereitstellt.
Ein zweidimensionales Ladungsgas, wie etwa ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG), kann durch piezoelektrische und spontane Polarisierung an der Grenzfläche zwischen der Kanalschicht 133 und der Barriereschicht 134 gebildet werden, wie durch die gestrichelte Linie 142 angegeben ist.
9 und 10 veranschaulichen Beispiele für eine Struktur eines HEMT 120, der unter Verwendung der hier beschriebenen Beurteilungsverfahren gefertigt werden kann. Die Beurteilungsverfahren können in der Fertigung von HEMTs mit verschiedenen Strukturen, zum Beispiel abweichenden Pufferstrukturen, abweichenden Gate-Strukturen, einer zusätzlichen Gruppe-II-Nitrid-Schicht einschließlich zum Beispiel einer Abstandshalterschicht und einer Rückseitenbarriereschicht, verwendet werden. Der HEMT kann eine Verarmungsvorrichtung oder eine Anreicherungsvorrichtung sein und kann eine Hochspannungsvorrichtung sein, kann zum Beispiel eine Spannungssperrfähigkeit von wenigstens 600 V aufweisen. Die Verfahren sind nicht auf die Beurteilung einer oberen Schicht, wie etwa einer p-GaN-Mesa oder einer Barriereaussparung, die in einer Barriereschicht, wie etwa einer Aluminiumgalliumnitridbarriereschicht des HEMT, gebildet sind, beschränkt und können auch verwendet werden, um andere Merkmale während einer Verarbeitung oder nach einer Verarbeitung der HEMT-Vorrichtung zu beurteilen, wie etwa eine Genauigkeit der Maskierungs- und Überdeckungsstrukturen, die zum Fertigen einer Mehrschichtmetallisierungsstruktur für das Gate, die Source und den Drain verwendet werden.
Räumlich relative Begriffe, wie etwa „unter“, „unterhalb“, „niedriger“, „über“, „oberer“ und dergleichen werden der Einfachheit der Beschreibung halber verwendet, um die Positionierung eines Elements relativ zu einem zweiten Element zu erklären. Es ist beabsichtigt, dass diese Begriffe verschiedene Orientierungen der Vorrichtung zusätzlich zu den verschiedenen Orientierungen als die in den Figuren dargestellten einschließen. Ferner werden auch Begriffe wie „erster“, „zweiter“ und dergleichen verwendet, um verschiedene Elemente, Gebiete, Abschnitte usw. zu beschreiben, und es wird auch nicht beabsichtigt, dass diese beschränkend sind. Über die gesamte Beschreibung hinweg verweisen gleiche Begriffe auf gleiche Elemente.
Wie hier verwendet, sind die Begriffe „aufweisend“, „enthaltend“, „umfassend“, „umfassend“ und dergleichen offene Begriffe, die das Vorhandensein der angegebenen Elemente oder Merkmale anzeigen, die aber zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht ausschließen. Es wird beabsichtigt, dass die Artikel „ein“, „eine“ und „der/die/das“ sowohl den Plural als auch den Singular umfassen, es sei denn, dass der Zusammenhang eindeutig etwas Anderes angibt. Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, es sei denn das Gegenteil wird speziell angegeben.

Claims

Halbleiterstruktur, die aufweist: ein Stützsubstrat (102), das eine Oberfläche (103) umfasst, die dazu eingerichtet ist, ein epitaktisches Wachstum eines Gruppe-III-Nitrids zu unterstützen; eine oder mehrere epitaktische Gruppe-III-Nitrid-Schichten (104, 105, 106), die auf der Oberfläche (103) angeordnet sind und mehrere Transistorvorrichtungen stützen, die auf dem Stützsubstrat (102) geformt werden; und eine Teststruktur (101), die in einer von der einen oder den mehreren der Gruppe-III-Nitrid-Schichten gebildet ist, wobei die Teststruktur (102) mehrere Gräben (111) umfasst, die dazu konfiguriert sind, ein optisches Beugungsgitter bereitzustellen, wenn sie durch UV-Licht beleuchtet werden, wobei die Gräben (111) einen Parameter aufweisen, der einem Parameter eines Merkmals der Transistorvorrichtungen entspricht und wobei die Teststruktur (101) in einer Sägestraße angeordnet ist.
Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei das Stützsubstrat (102) entweder <111>-Si, <110>-Silicium, SiC oder Saphir umfasst, wobei die Halbleiterstruktur ferner eine Pufferstruktur, die auf der Oberfläche der Stützstruktur angeordnet ist, und eine Galliumnitridschicht, die auf der Pufferstruktur angeordnet ist, umfasst, und wobei die Gruppe-III-Nitrid-Schicht, die die Teststruktur umfasst, eine Barriere-Al_xGa_1-xN-Schicht umfasst, die auf der Galliumnitridschicht angeordnet ist.
Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der Parameter eine Tiefe ist und die Tiefe einer Tiefe einer Aussparung der Transistorvorrichtungen entspricht.
Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Parameter eine Tiefe ist, wobei die Gruppe-III-Nitrid-Schicht (106), die die Teststruktur (101) umfasst, eine p-dotierte Gruppe-III-Nitrid-Schicht umfasst, die auf einer Al_xGa_1-xN-Barriereschicht (105) angeordnet ist, und wobei die Tiefe einer Höhe einer Mesa, die das p-dotierte Gruppe-III-Nitrid der Transistorvorrichtungen umfasst, entspricht.
Verfahren zum Fertigen eines Halbleiterwafers, wobei das Verfahren aufweist: epitaktisches Abscheiden wenigstens einer Gruppe-III-Nitrid-Schicht (104, 105, 106) auf einem Substratwafer (102) ; Bilden einer Teststruktur (101) in der wenigstens einen Gruppe-III-Nitrid-Schicht (104, 105, 106), wobei die Teststruktur (101) ein regelmäßiges Muster von Gräben (111) aufweist, die ein optisches Beugungsgitter bilden, wobei jeder der Gräben wenigstens eine Abmessung (d_t) aufweist, die einer Abmessung (d_G) einer Aussparung (109) einer Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistorvorrichtung in der wenigstens einen Gruppe-III-Nitrid-Schicht (104, 105, 106) entspricht; Bestimmen eines Parameters der Teststruktur (101) durch: Lenken eines einfallenden Lichtstrahls (37) mit mehreren Wellenlängen zwischen 190 nm und 365 nm zu der Teststruktur (101); Detektieren eines reflektierten Strahls, der von der Teststruktur (101) reflektiert wird, und Erhalten eines Spektrums einer reflektierten Intensität als eine Funktion der Wellenlänge, wobei das Spektrum ein Merkmal der Teststruktur (101) repräsentiert; Vergleichen des Spektrums mit einem oder mehreren Referenzspektren, die in einem Speicher gespeichert sind, Schätzen wenigstens eines Parameters der Teststruktur unter Verwendung des einen oder der mehreren Referenzspektren; und falls der geschätzte Parameter der Teststruktur (101) innerhalb eines Toleranzbereichs liegt, weiteres Verarbeiten des Substratwafers (102) mit der darauf abgeschiedenen wenigstens einen Gruppe-III-Nitrid-Schicht (104, 105, 106), oder falls der geschätzte Parameter der Teststruktur außerhalb des Toleranzbereichs liegt, Aussortieren des Substratwafers (102) mit der darauf abgeschiedenen wenigstens einen Gruppe-III-Nitrid-Schicht (104, 105, 106) oder Anpassen eines Verarbeitungsparameters.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei eine Oberfläche (110) der wenigstens einen Gruppe-III-Nitrid-Schicht (104, 105, 106) geätzt wird, um die Aussparung (109) an einer Komponentenposition (107) und die Gräben (111) der Teststruktur (101) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei eine Oberfläche (110) der wenigstens einen Gruppe-III-Nitrid-Schicht (104, 105, 106) geätzt wird, um eine Mesa an einer Komponentenposition und die Gräben (111) der Teststruktur zu bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Parameter eine Tiefe (d_t) der Gräben (111) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, das ferner aufweist: Vergleichen des Spektrums mit einem oder mehreren Referenzspektren einer Bibliothek von Referenzspektren, die in einem Speicher gespeichert sind, und Bestimmen einer besten Übereinstimmung mit einem der Referenzspektren der Bibliothek.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner aufweist: Schätzen wenigstens eines Parameters der Teststruktur (101) unter Verwendung des am besten passenden Referenzspektrums.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei der einfallende Lichtstrahl mit einer ersten Polarisation zu der Teststruktur (101) gelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner aufweist: Lenken des einfallenden Lichtstrahls (37) mit einer von der ersten Polarisation verschiedenen zweiten Polarisation zu der Teststruktur (101) und Detektieren eines weiteren reflektierten Strahls.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, das ferner aufweist: Lenken des einfallenden Lichtstrahls (37) zu einer weiteren Teststruktur, die dazu konfiguriert ist, ein optisches Gitter zu bilden, und Detektieren eines reflektierten Strahls, der von der weiteren Teststruktur reflektiert wird, umfasst.