分析检测中心技术探秘：XRD测量GaN外延结构信息

氮化镓(GaN)外延结构复杂，包含缓冲层，超晶格层，钝化层，势垒层等等，这些层的厚度和掺杂会影响外延的质量和器件的性能，比如超晶格层的结晶度和周期的厚度影响位错密度，而势垒层的厚度影响阈值电压和导通电阻。因此工艺研发需要合适的表征手段来监控GaN外延质量，并提出以下需求

a)能够表征不同外延层的厚度/结晶度/掺杂；

b)无损/快速/低成本，可以应用于生产线上；

c)能够测量晶圆不同位置数据(mapping)，获得均匀性指标；
TEM可以直观且准确的完成需求a，但是b和c无法满足，业界一般需要使用高分辨X射线衍射仪(HRXRD) 来满足这些需求，因此需要建立完整的表征方案。

本方案使用的机台为X射线衍射仪XRD (Bruker JV-DX)，可以获得：

a)    AlGaN 势垒层的厚度；

b)    超晶格[AlN/AlGaN] 周期的厚度；

c)    AlGaN层Al组分的掺杂。

图1显示了使用X射线反射谱(XRR)，测量GaN晶圆上不同位置表面AlGaN 势垒层厚度的原始数据和计算结果，经过透射电镜标定，可以测量出0.2nm的厚度差异。

图1：使用XRR测量晶圆上不同位置的AlGaN势垒层厚度

图2显示了GaN (002)布拉格峰附近的衍射信号，通过软件拟合可以确认不同峰的来源。本样品含有两套超晶格，超晶格会形成等间距的卫星峰，因此可以反推超晶格周期的厚度，计算得到的厚度与设计值一致，测量误差<2%。

图2：使用HRXRD测量GaN (002)峰，并判断峰的来源

测量晶圆上不同位置的衍射信号，可以获得超晶格周期厚度的均匀性。

图3：提取超晶格的衍射峰峰位，并计算晶圆上不同位置的超晶格周期厚度

根据掺杂对晶格常数的影响 [1]，可以反推Al掺杂，掺杂和弛豫的解耦合需要测量含有面内分量的布拉格峰，这里选择GaN (104)。

图4：GaN (104) 倒易空间成像(RSM)与掺杂计算

XRD的光斑为毫米级，穿透深度为几十微米，因此测量的是体信号，具有统计意义。测量快速无损，且仪器具有自动化测试能力，便于6/8/12寸晶圆的mapping测试。

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中心硕博占比80%，资深工程师（工作经验5年以上）占比50%，主要来自于闳康、EAG、胜科纳米、中芯国际、台积电、英诺赛科等知名企业。

刘红艳
分析检测中心首席专家
中科院上海硅酸盐研究所材料物理与化学博士，韩国昌原国立大学纳米及先进材料学院博士后。曾任材料分析顶尖企业担任总监兼技术总监，期间从事半导体材料、太阳能材料、LED材料的SIMS材料分析测试及实验室运营工作。

参考文献

[1] O. Ambacher et al, Journal of Applied Physics 85, 3222 (1999).