HEMT器件栅泄漏电流中台面泄漏电流的测试方法.pdf

1、(10)申请公布号 CN 104062485 A (43)申请公布日 2014.09.24 CN 104062485 A (21)申请号 201410319025.8 (22)申请日 2014.07.04 G01R 19/00(2006.01) (71)申请人 西安电子科技大学 地址 710071 陕西省西安市太白南路 2 号 (72)发明人 郑雪峰 范爽 孙伟伟 张建坤 康迪 王冲 杜鸣 曹艳荣 马晓华 郝跃 (74)专利代理机构 陕西电子工业专利中心 61205 代理人 王品华 朱红星 (54) 发明名称 HEMT器件栅泄漏电流中台面泄漏电流的测试 方法 (57) 摘要 本发明公开了一种

2、HEMT 器件栅泄漏电流中 台面泄漏电流的测试方法， 主要解决现有技术不 能对 HEMT 器件的栅泄漏电流中台面泄漏电流分 离的问题。其实现方案是 ： 制作与被测 HEMT 器件 结构相同， 栅电极和源漏电极宽度均为被测 HEMT 器件 倍的测试辅助器件， 0 且 1 ； 利用 半导体参数测试设备分别测试被测 HEMT 器件和 HEMT测试辅助器件的栅泄漏电流 ； 将被测HEMT器 件的栅泄漏电流乘以 倍与 HEMT 测试辅助器件 栅泄漏电流作差， 将结果除以 (-1) 项， 得到被 测HEMT器件的台面泄漏电流。 本发明测试方法快 速简便， 结果准确可靠， 能够为后续分析栅泄漏电 流中台面泄

3、漏电流产生机理和提高 HEMT 器件的 可靠性提供依据。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图4页 (10)申请公布号 CN 104062485 A CN 104062485 A 1/1 页 2 1. 一种测试 HEMT 器件中栅泄漏电流中台面泄漏电流的方法， 包括如下步骤 ： A. 制作测试辅助器件 ： 制作结构与被测 HEMT 器件 (1) 结构相同， 电极参数不同的 HEMT 测试辅助器件 (2) ； 该 测试辅助器件， 其栅电极宽度为 Wg Wg， 源极和漏

4、极宽度均为 Wt Wt； 其栅电极长 度、 栅漏电极之间距离、 栅源电极之间距离及源漏电极的长度均与被测 HEMT 器件 (1) 的对 应参数相同， 其中 为电极宽度变化系数， 0 且 1， Wg为被测 HEMT 器件的栅极宽 度， Wt为被测 HEMT 器件源极和漏极的电极宽度 ； B. 利用半导体参数测试设备分别测试出如下两条曲线 ： 将被测 HEMT 器件置于关闭状态， 在漏极施加连续变化的偏置电压 V， 测出被测 HEMT 器 件的栅泄漏电流 Ig(V)与偏置电压 V 的关系曲线 Q1 ； 用与被测 HEMT 器件相同的测试条件， 测出 HEMT 测试辅助器件的栅泄漏电流与偏 置电压

5、V 的关系曲线 Q2 ； C.根据步骤B中所测得的两条曲线Q1和Q2， 获得被测HEMT器件的台面泄漏电流Im(V)： (C1)用被测HEMT器件的栅泄漏电流与偏置电压关系曲线Q1中各个偏置电压V所对应 的栅泄漏电流 Ig(V)均乘以 ， 并将其结果与所述关系曲线 Q2 中对应偏置电压 V 下的栅泄 漏电流逐一作差， 即再用每个差值除以 (-1) 项， 即得到被测 HEMT 器件 (1) 的台面泄漏电流 Im(V)与偏置电压 V 关系曲线 Q3 ； (C2) 根据被测 HEMT 器件 (1) 的台面泄漏电流与偏置电压关系曲线 Q3， 得到偏置电压 范围内任意偏置电压下的被测 HEMT 器件的栅

6、泄漏电流中台面泄漏电流 Im(V)。 权 利 要 求 书 CN 104062485 A 2 1/5 页 3 HEMT 器件栅泄漏电流中台面泄漏电流的测试方法 技术领域 0001 本发明属于微电子技术领域， 特别涉及高电子迁移率异质结晶体管 HEMT 器件的 栅泄漏电流中台面泄漏电流的测试方法， 用于提高 HEMT 器件的可靠性。 背景技术 0002 近年来以 GaN 为代表的第三代宽禁带隙半导体以其具有禁带宽度大、 击穿电场 高、 热导率较高等特性， 受到广泛关注。特别是 GaN 与 AlGaN 等材料形成的高电子迁移率异 质结晶体管 HEMT 在异质结界面处存在高浓度、 高迁移率的二维电子气

7、， 利用这些特性制备 的 HEMT 器件在制作高频、 高压及高功率电子器件和微波器件等方面有着巨大的优势和应 用前景。因此近年来 GaN 基 HEMT 器件一直是国内外学者的研究热点， 并且已经获得了大量 显著的研究成果。 0003 随着 GaN 基 HEMT 器件的发展， 其栅泄漏电流对器件性能及可靠性的影响越来越 大。通常， HEMT 器件选用金属作为栅极材料， 这种金属 / 半导体形成的肖特基栅往往会形 成明显的栅泄漏电流。这些额外的栅泄漏电流会增加器件的低频噪声和静态功耗， 诱发电 流崩塌现象、 减小器件效率以及降低 HEMT 器件的击穿电压进而降低输出功率等。因此， 栅 泄漏电流逐渐

8、成为 HEMT 器件可靠性的重要研究方向之一。 0004 HEMT 器件栅泄漏电流主要包括三个部分 ： 体泄漏电流， 表面泄漏电流以及台面泄 漏电流。相对于前两者， 对台面泄漏电流研究较为缺乏且没有准确的研究方法。台面泄漏 电流主要是在器件的台面隔离工艺中产生， 虽然现在可以通过特殊的工艺得到控制， 但是 所需要的制备成本较高， 实施工艺的步骤较为复杂， 并且对器件的损伤较大。 相比之下台面 刻蚀方法所需成本较低， 工艺简单， 是 GaN HEMT 器件制备中应用最为广泛的隔离方法， 但是 台面刻蚀过程中所产生的台面泄漏电流难以得到很好的控制。 为了更深入地研究台面泄漏 电流产生规律及模型，

9、就必须对其进行定量分离。 然而到目前为止， 并没有发现简单有效的 电流分离方法。 仅仅靠常规的测试方法对台面泄漏电流进行简单估算是不足以对其进行精 确的研究。 0005 随着 HEMT 器件特征尺寸的不断缩小， 肖特基栅泄漏电流对相关材料生长与器件 工艺优化、 器件失效机理研究及性能评估等方面带来的影响越来越大， 因此很需要分离出 栅泄漏电流中的台面泄漏电流进行机理分析， 进而提高器件的可靠性。 发明内容 0006 本发明的目的在于提出一种测试 HEMT 器件栅泄漏电流中台面泄漏电流的方法， 以解决肖特基栅泄漏电流中台面泄漏电流的定量分离问题， 为 HEMT 器件的材料生长与器 件工艺优化，

10、以及缺陷表征、 可靠性评估提供指导。 0007 为实现上述目的， 本发明的技术方案包括如下步骤 ： 0008 1. 一种测试 HEMT 器件中栅泄漏电流中台面泄漏电流的方法， 包括如下步骤 ： 0009 A. 制作测试辅助器件 ： 说 明 书 CN 104062485 A 3 2/5 页 4 0010 制作结构与被测HEMT器件结构相同， 电极参数不同的HEMT测试辅助器件 ； 该测试 辅助器件， 其栅电极宽度为 Wg Wg， 源极和漏极宽度均为 Wt Wt； 其栅电极长度、 栅 漏电极之间距离、 栅源电极之间距离及源漏电极的长度均与被测 HEMT 器件的对应参数相 同， 其中 为电极宽度变化

11、系数， 0 且 1， Wg为被测 HEMT 器件的栅极宽度， Wt为被 测 HEMT 器件源极和漏极的电极宽度 ； 0011 B. 利用半导体参数测试设备分别测试出如下两条曲线 ： 0012 将被测 HEMT 器件置于关闭状态， 在漏极施加连续变化的偏置电压 V， 测出被测 HEMT 器件的栅泄漏电流 Ig(V)与偏置电压 V 的关系曲线 Q1 ； 0013 用与被测 HEMT 器件相同的测试条件， 测出 HEMT 测试辅助器件的栅泄漏电流 与偏置电压 V 的关系曲线 Q2 ； 0014 C. 根据步骤 B 中所测得的两条曲线 Q1 和 Q2， 获得被测 HEMT 器件的台面泄漏电流 Im(V

12、)： 0015 (C1)用被测HEMT器件的栅泄漏电流与偏置电压关系曲线Q1中各个偏置电压V所 对应的栅泄漏电流 Ig(V)均乘以 ， 并将其结果与所述关系曲线 Q2 中对应偏置电压 V 下的 栅泄漏电流逐一作差， 即再用每个差值除以(-1)项， 即得到 被测 HEMT 器件的台面泄漏电流 Im(V)与偏置电压 V 关系曲线 Q3 ； 0016 (C2) 根据被测 HEMT 器件的台面泄漏电流与偏置电压关系曲线 Q3， 得到偏置电压 范围内任意偏置电压下的被测 HEMT 器件的栅泄漏电流中台面泄漏电流 Im(V)。 0017 本发明与现有技术相比具有如下优点 ： 0018 1) 本发明解决了现

13、有技术不能准确测量 HEMT 器件栅泄漏电流中台面泄漏电流的 问题， 本发明所用测试辅助器件以常规三端 HEMT 器件工艺为基础制造， 不改变器件结构， 仅改变器件栅电极和源漏电极的尺寸， 工艺技术稳定 ； 0019 2) 测试时， 仅需通过半导体参数测试设备对被测 HEMT 器件和 HEMT 辅助测试器件 分别进行一次电学测量， 利用所测栅泄漏电流通过简单的数值计算， 即可获得被测 HEMT 器 件栅泄漏电流中的台面泄漏电流 Im(V)， 实现栅泄漏电流中台面电流的定量分离测试 ； 0020 3) 本发明测试方法快速、 简便 ； 分离结果准确、 可靠， 测试出的台面泄漏电流有利 于对 HEM

14、T 器件相关的材料及结构进行工艺优化与评估， 为后续分析栅泄漏电流中台面泄 漏电流的产生机理提供依据， 进而为提高 HEMT 器件的可靠性提供新的解决方案。 附图说明 0021 图 1 是本发明的实现流程图 ； 0022 图 2 是被测 HEMT 器件栅泄漏电流中台面泄漏电流示意图 ； 0023 图 3 是本发明中被测 HEMT 器件结构示意图 ； 0024 图 4 是本发明中被测 HEMT 器件电极结构示意图 ； 0025 图 5 是本发明中 HEMT 测试辅助器件电极结构示意图 ； 0026 图 6 是本发明中测试 HEMT 器件栅泄漏电流的电路原理图 ； 0027 图 7 是本发明利用图

15、 5 测试出的两个不同电极结构的 HEMT 器件的电流图 ； 0028 图 8 是用本发明测出的被测 HEMT 器件的台面泄漏电流图。 说 明 书 CN 104062485 A 4 3/5 页 5 具体实施方式 0029 下面结合附图和实施例， 对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。以下实 施例用于说明本发明， 但不用来限制本发明的范围。 0030 一 . 测试原理 0031 HEMT器件通常采用台面刻蚀工艺实现器件之间的隔离。 通过在器件之间的有源区 刻蚀出深度远大于二维电子气沟道的沟槽来阻断器件与器件之间载流子的流动， 从而实现 器件之间的电绝缘， 工艺简单易行。在 HEMT 器件设计

16、中， 为了保证金属栅电极对势垒层下 方二维电子气的完全控制， 通常要让栅金属电极的两端覆盖在刻蚀形成的台面上。当在器 件栅极施加一定偏置时， 就会有电子从栅金属电极进入到台面处的二维电子气沟道内， 因 此产生台面泄漏电流。台面泄漏电流示意图如图 2 所示。 0032 在本实例中被测 HEMT 器件 1 的栅泄漏电流包括三部分 ： 表面泄漏电流 Is(V)， 体泄 漏电流 Ib(V)和台面泄漏电流 Im(V)。三个电流均是关于漏电极偏置电压 V 的函数， 其中， 表面 泄漏电流 Is(V)的大小与栅极分别到源、 漏电极之间的距离成反比例关系， 且与栅电极宽度 成正比例关系 ； 体泄漏电流 Ib(

17、V)的大小与栅电极面积成正比例关系 ； 台面泄漏电流 Im(V)与 台面面积成正比例关系。 0033 对于被测 HEMT 器件 1， 若利用半导体参数测试仪在器件漏电极施加固定偏置电压 V0， 只能测得其总的栅泄漏电流 Ig(V0)， 并不能测得其栅电流中台面泄漏电流 Im(V0)。本发明 结合表面泄漏电流， 体泄漏电流和台面泄漏电流的各自特点， 在被测 HEMT 器件 1 结构基础 上设计一个栅电极宽度和源极漏极宽度均为其 倍的 HEMT 测试辅助器件 2 ； 在漏电极偏 置电压为固定数值条件下， 栅极， 源极和漏极面积的倍数变化使得 HEMT 测试辅助器件的体 泄漏电流和表面泄漏电流均为被

18、测 HEMT 器件对应电流的 倍， 即 由于栅电极长度并未改变， 所以被测 HEMT 器件和 HEMT 测试辅助器件的台面 泄漏电流相等， 即 0034 根据所述两个 HEMT 器件的栅电流中各部分电流的数值关系， 将被测 HEMT 器件的 栅泄漏电流 Ig(V0)乘以 倍， 将其结果与 HEMT 测试辅助器件的栅泄漏电流作差， 再将 差值除以(-1)项， 就可以得到被测HEMT器件1的栅电流中的台面泄漏电流Im(V0)， 实现被 测 HEMT 器件 1 在固定偏置电压 V0 条件下栅电流中的台面泄漏电流 Im(V0)的分离测试。 0035 本实施例测试时， 通过在漏电极所加连续变化的偏置电压

19、 V， 测得每个偏置电压下 的被测 HEMT 器件 1 和 HEMT 测试辅助器件 2 的栅泄漏电流， 从而得到被测 HEMT 器件 1 栅泄 漏电流与偏置电压的关系曲线和HEMT测试辅助器件2栅泄漏电流与偏置电压的关系曲线， 为了实现被测HEMT器件的台面泄漏电流Im(V)的分离测试， 只需将所述两条关系曲线中各个 偏置电压 V 对应的栅泄漏电流依次利用上述分离原理进行计算， 获得每个偏置电压下的被 测 HEMT 器件的台面泄漏电流， 从而得到被测 HEMT 器件的台面泄漏电流 Im(V)与偏置电压 V 的关系曲线， 根据曲线可得偏置范围内任意偏置电压 V 下的台面泄漏电流 Im(V)。 0

20、036 二 . 测试方法 0037 参照图 1， 本发明根据上述原理进行 HEMT 器件栅泄漏电流中台面泄漏电流的测试 说 明 书 CN 104062485 A 5 4/5 页 6 步骤如下 ： 0038 步骤 A， 制作 HEMT 测试辅助器件。 0039 HEMT 测试辅助器件 2 以被测 HEMT 器件 1 结构为基础， 其中被测 HEMT 器件 1 结构 如图 3 所示， 其从下到上依次为衬底层， 本征氮化镓层和铝镓氮势垒层 ； 铝镓氮势垒层上设 有电极。电极的结构关系如图 4 所示， 其从左到右依次为源极， 肖特基栅极和漏极， 其中源 极和漏极的尺寸相同， 长度均为 Lt 10m，

21、宽度均为 Wt 50m ； 肖特基栅极的栅长为 Lg 1m， 栅宽为 Wg 50m， 栅极与源极之间的距离为 Lgs 2m， 栅极与漏极之间的距离 为 Lgd 2m。 0040 本发明改变被测 HEMT 器件的栅电极， 源电极和漏电极尺寸， 制作结构与被测 HEMT 器件结构相同的测试辅助器件 2， 该测试辅助器件 2 相比于被测 HEMT 器件 1， 其栅电极， 源 电极和漏电极的宽度均为其 倍， 栅电极长度、 栅漏电极之间距离、 栅源电极之间距离及 源漏电极的长度均与被测 HEMT 器件的对应参数相同， 如图 5 所示， 具体参数如下 ： 0041 栅极宽度 Wg Wg， 源电极和漏电极宽

22、度 Wt Wt， 其中 0 且 1， 在本 实例中取 1.3。栅电极宽度 Lg Lg， 栅漏电极之间距离 Lgd Lgd， 栅源电极之间距 离 Lgs Lgs， 源漏电极的长度 Lt Lt。 0042 步骤 B， 分别测试被测 HEMT 器件和 HEMT 测试辅助器件的栅泄漏电流。 0043 本步骤中的测试是利用半导体测试设备进行， 测试电路如图 6 所示， 即将器件的 源极接地， 利用半导体测试设备在栅极施加电压 VG使器件处于关闭状态， 在漏极施加连续 变化的偏置电压 V， 测得栅电流 Ig(V)与偏置电压 V 的对应关系曲线 ： 0044 (B1) 在被测 HEMT 器件 1 的漏极施加

23、连续变化的 0V 至 7V 的偏置电压 V， 测得被测 HEMT 器件 1 的栅泄漏电流 Ig(V)与偏置电压 V 的关系曲线 Q1 ； 0045 (B2) 在 HEMT 测试辅助器件 2 的漏极施加连续变化的 0V 至 7V 的偏置电压 V， 测得 HEMT 测试辅助器件 2 的栅泄漏电流与偏置电压 V 的关系曲线 Q2 ； 0046 (B3) 将上述两条曲线绘制在同一坐标系中， 如图 7 所示， 其纵坐标为栅泄漏电流 的绝对值， 横坐标为漏极与源极之间的电压偏置， 数值为正。 0047 由图 7 可以看出， 两条曲线的变化趋势基本相同， 只是在栅电流的大小量级上有 区别， 通过图 7 可以

24、得到在 0 到 7V 范围内任意偏置电压 V 下的被测 HEMT 器件和 HEMT 测试 辅助器件的栅泄漏电流。 0048 步骤C， 根据步骤B中的测试结果， 计算被测HEMT器件的栅泄漏电流中台面泄漏电 流 Im(V)。 0049 (C1) 定义被测 HEMT 器件和 HEMT 测试辅助器件的栅泄漏电流表示式 ： 0050 根据 HEMT 器件的栅泄漏电流包括表面泄漏电流， 体泄漏电流和台面泄漏电流三 部分的原理得到所述两个 HEMT 器件的栅泄漏电流表示式 ： 0051 对于被测 HEMT 器件 1 的栅泄漏电流 Ig(V)与偏置电压 V 的关系曲线 Q1， 其各个偏 置电压 V 对应的栅

25、极泄漏电流 Ig(V)均包括体泄漏电流 Ib(V)， 表面泄漏电流 Is(V)和台面泄漏 电流 Im(V)三部分， 其表示式为 ： 0052 Ig(V) Ib(V)+Is(V)+Im(V)； 0053 对于HEMT测试辅助器件2的栅泄漏电流与偏置电压V的关系曲线Q2， 其各个 说 明 书 CN 104062485 A 6 5/5 页 7 偏置电压 V 对应的栅极泄漏电流均包括体泄漏电流表面泄漏电流和台面泄漏 电流三部分， 其表示式为 ： 0054 0055 (C2) 计算被测 HEMT 器件 1 的台面泄漏电流 Im(V)： 0056 由于 HEMT 测试辅助器件 2 的栅极， 源极和漏极的宽

26、度均为被测 HEMT 器件 1 的 倍， 电极面积与栅极宽度倍数变化使得 HEMT 测试辅助器件的栅泄漏电流与偏置电压关系 曲线Q2中各个偏置电压V下的栅泄漏电流中的体泄漏电流和表面泄漏电流均 为所述关系曲线 Q1 中对应部分的 倍， 即将其代入式 ， 可 得 ： 0057 0058 由于 HEMT 测试辅助器件 2 与被测 HEMT 器件 1 的台面面积一样， 使得 HEMT 测试辅 助器件的栅泄漏电流与偏置电压关系曲线 Q2 中各个偏置电压 V 对应的栅泄漏电流中 的台面泄漏电流等于所述关系曲线 Q1 中对应偏置电压 V 下的栅泄漏电流 Ig(V)中的台 面泄漏电流 Im(V)， 即进而将

27、式 表示为 ： 0059 0060 联立式 和式 ， 可以得到 HEMT 测试辅助器件 1 中台面泄漏电流 Im表达式 ： 0061 0062 其中 0 且 1， 根据式 ， 将被测 HEMT 器件 1 的栅泄漏电流与漏极偏压关 系曲线 Q1 中各个漏极偏压 V 所对应的栅泄漏电流 Ig(V) 均乘以 ， 并将其结果与所述关系 曲线 Q2 中对应漏极电压V下的栅泄漏电流逐一作差， 即再用每个差值除以 (-1) 项， 即得到被测 HEMT 器件的台面泄漏电流 Im(V)与偏置电压 V 关系曲线 Q3 ； 0063 (C3) 根据被测 HEMT 器件 1 的台面泄漏电流 Im(V)与漏极电压 V

28、关系曲线 Q3， 如图 8所示， 可得在0到7V范围内任意偏置电压下的被测HEMT器件的栅泄漏电流中台面泄漏电 流 Im(V)。 0064 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明， 显然对于本领域 的专业人员来说， 在了解本发明的内容和原理后， 在本发明的精神和原则之内所作的任何 修改、 等同替换和改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。 说 明 书 CN 104062485 A 7 1/4 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104062485 A 8 2/4 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 104062485 A 9 3/4 页 10 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 104062485 A 10 4/4 页 11 图 7 图 8 说 明 书 附 图 CN 104062485 A 11