深圳平湖实验室分析检测中心标志性竞争力新突破：建立Quad-SIMS测量GaN外延中元素浓度的方法

近日，深圳平湖实验室标志性竞争力项目“建立Quad-SIMS测量GaN外延中元素浓度的方法”顺利通过内部验收，攻克了第三代半导体材料表征关键技术难题，相关成果已实现对外技术交付，为GaN外延工艺优化与器件性能提升提供核心技术支撑。

氮化镓作为战略性半导体材料，其器件外延工艺的精准调控至关重要。外延层中碳、镁、铝等元素浓度直接决定器件耐压性能与阈值电压等关键参数。动态SIMS（包括磁质谱SIMS和四级杆SIMS）可以准确表征氮化镓外延材料里的掺杂和杂质，技术门槛相对较高，同时核心方法关联器件性能调控关键数据，行业多作保密处理，导致几乎没有对外公开技术案例。深圳平湖实验室分析检测中心SIMS技术攻关团队在无业界技术参考、无原厂商有效建议的条件下，以试错精神，经20点测试，针对工艺优化衍生的测试需求提出多种原创性解决方案，从无到有，建GaN 表征流程，实现标志性竞争力突破。

本次突破聚焦半导体工艺中的实际测试需求，基于四极杆 SIMS 开展针对性研究，包括降低GaN中C元素的检出限、采用铯（Cs）负离子模式实现铝（Al）组分的精准测量，以及解决带有图案化结构样品的定量分析难题。研究成果有效提升了测试精度、降低了测试成本，可为GaN外延工艺的优化迭代提供重要技术支撑与数据反馈。

1、超薄Si外延中的杂质控制：测量Si/SiGe中的C/N/O/H/P/Cl等元素浓度，检出限达到E16 at/cc，处于业内优秀水平；
2、Cs+ negative模式测量GaN外延中的Al组分：业内测量Al组分一般使用MCs+的模式，测量C/H等元素时使用Cs+ negative模式，Al组分定量和C/H深度剖析整合成一个测试条件既可以降低测试时间和成本，又可以把Al组分不同对定量产生的影响考虑进去；
3、光刻以后GaN器件的元素浓度分析：常规的四级杆SIMS测试对测试区域有一定的要求（>150um），适用于测量光片衬底，或者是版图中预先留好的test key区域，对于GaN HEMT的器件结构因为尺寸小而难以直接应用于常规分析，我们开发的方法可以实现对GaN器件中的Mg in pGaN的浓度分析，可应用于GaN成品器件分析。

此次标志性竞争力验收，不仅使深圳平湖实验室成为国内少数掌握Quad-SIMS GaN测量技术的机构，更以差异化技术优势强化行业竞争力，为我国半导体材料工艺升级与产业链自主可控注入关键动力。

撰稿 | 李齐治