CN104062484B - 测试hemt器件体泄漏电流和表面泄漏电流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试HEMT器件体泄漏电流和表面泄漏电流的方法，主要解决现有技术不能对常规HEMT器件的栅泄漏电流进行体泄漏电流与表面泄漏电流分离测试的问题。其实现方案是：制作两个与被测HEMT器件结构相同，栅电极尺寸各不相同的测试辅助器件；利用半导体参数测试设备分别测试被测HEMT器件和这两个测试辅助器件的栅泄漏电流；将两个测试辅助器件的栅泄漏电流作差得到被测HEMT器件的体泄漏电流；用被测HEMT器件的栅泄漏电流与其体泄漏电流作差，得到被测HEMT器件的表面泄漏电流。本发明测试方法快速简便，结果准确可靠，能够为后续分析体泄漏电流和表面泄漏电流产生机理和提高HEMT器件的可靠性提供依据。

Description

测试HEMT器件体泄漏电流和表面泄漏电流的方法

技术领域

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器件栅泄漏电流的分离测试方法，用于提高HEMT器件的可靠性。

背景技术

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，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。

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，栅泄漏电流逐渐成为HEMT器件可靠性的重要研究方向之一。

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。目前，台面边缘泄漏电流可以通过特殊工艺实现较好的控制，因而前两种泄漏电流在栅泄漏电流中占主导地位。体泄漏电流与表面泄漏电流的形成机制并不相同，为了更深刻地研究其产生规律及模型，就必须对这两部分电流进行定量分离。然而至今，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是不足以对栅泄漏电流进行精确的研究。2006年，W.S.Tan等人提出了基于双栅的HEMT器件肖特基栅电流分离结构，该结构通过在栅极与漏极之间增加一个电极来分离表面泄漏电流。然而这种结构也使得它与常规HEMT器件有所区别，且制作工艺较为复杂，对于进一步研究HEMT器件在实际工作状态下的性能退化有较大的局限性。

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体泄漏电流和表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

本发明的目的在于提出一种测试HEMT器件体泄漏电流和表面泄漏电流的方法，以解决肖特基栅泄漏电流中体泄漏电流与表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，以及缺陷表征、可靠性评估提供指导。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

A.制作测试辅助器件：

(A1)制作结构与被测HEMT器件结构相同，电极参数不同的HEMT第一测试辅助器件；该第一测试辅助器件，其栅电极长度为L_g’＝L_g+2ΔL，宽度为W_g’＝W_g+2ΔL，栅电极与源极距离为L_gs’＝L_gs-ΔL，栅极与漏极的距离为L_gd’＝L_gd-ΔL，其中ΔL为栅极尺寸增量，L_gs>ΔL>0，L_g，W_g分别为被测HEMT器件的栅极长度和栅极宽度，L_gs为被测HEMT器件的栅极与源极距离，L_gd为被测HEMT器件的栅极与漏极距离；

(A2)在HEMT第一测试辅助器件的栅电极内去除与被测HEMT器件栅电极同样大小的金属区域，形成栅电极为矩形框结构的HEMT第二测试辅助器件，该矩形框外框各边与其内无金属淀积矩形区域各边的距离均为ΔL，L_gs>ΔL>0，即栅电极矩形框的外框长度和宽度分别L_g+2ΔL，W_g+2ΔL；

B.利用半导体参数测试设备分别测试出如下三条曲线：

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I_g(V)与偏置电压V的关系曲线P3；

用与被测HEMT器件相同的测试条件，测出HEMT第一测试辅助器件的栅泄漏电流与偏置电压V的关系曲线P1；

用与被测HEMT器件相同的测试条件，测出HEMT第二测试辅助器件的栅泄漏电流与偏置电压V的关系曲线P2；

C.根据步骤B中所测得的三条曲线P1，P2和P3，获得被测HEMT器件的体泄漏电流I_b(V)和表面泄漏电流I_s(V)：

(C1)用所述HEMT第一测试辅助器件的栅泄漏电流与漏极偏压关系曲线P1中各个偏置电压V对应的栅泄漏电流与所述关系曲线P2中对应的偏置电压V下的栅泄漏电流逐一作差，得到被测HEMT器件的体泄漏电流I_b(V)与偏置电压V关系曲线P4；

(C2)用被测HEMT器件的栅泄漏电流与偏置电压关系曲线P3中各个偏置电压V对应的栅泄漏电流I_g(V)逐一减去被测HEMT器件的体泄漏电流与漏极偏压关系曲线P4中对应偏置电压V下的体泄漏电流I_b(V)，得到被测HEMT器件的表面泄漏电流I_s(V)与偏置电压V关系曲线P5；

(C3)将所述两条关系曲线P4和P5绘制在同一坐标系中，得到在偏置电压范围内任意漏极电压下的被测HEMT器件的栅泄漏电流中表面泄漏电流I_s(V)和体泄漏电流I_b(V)。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)本发明所用测试器件均以常规三端HEMT器件工艺为基础制造，不改变器件结构，仅改变器件栅电极面积和尺寸，工艺技术稳定，制造难度和成本均比现有技术低；

2)测试时，仅需通过半导体参数测试设备对三个栅面积不同HEMT器件分别进行一次电学测量，将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I_g(V)中体泄漏电流I_b(V)与表面泄漏电流I_s(V)的大小，实现栅泄漏电流定量分离测试；

3)本发明测试方法较现有方法快速、简便；分离结果准确、可靠，其测出的体泄漏电流与表面泄漏电流有利于对HEMT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的体泄漏电流和表面泄漏电流产生机理提供依据，进而为提高HEMT器件的可靠性提供新的解决方案。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是被测HEMT器件结构及栅泄漏电流组成示意图；

图3是本发明中被测HEMT器件电极结构示意图；

图4是本发明中HEMT第一测试辅助器件电极结构示意图；

图5是本发明中HEMT第二测试辅助器件电极结构示意图；

图6是本发明中测试HEMT器件栅泄漏电流的电路原理图；

图7是本发明利用图6测试出三个不同电极结构的HEMT器件栅泄漏电流图；

图8是用本发明测出的被测HEMT器件的体泄漏电流和表面泄漏电流图。

具体实施方式

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。

以下结合附图对本发明的测试原理及测试方法作进一步详细表述。

一.测试原理

本实例中所涉及的三个HEMT器件经过台面特殊工艺处理，栅泄漏电流中台面泄漏电流均可以忽略，对于被测HEMT器件3，其栅泄漏电流包括两部分：肖特基栅与源漏电极之间的横向表面泄漏电流I_s(V)，垂直于肖特基栅表面通过势垒层而形成的体泄漏电流I_b(V)，如图2所示，两个电流均是漏极偏置电压V的函数，其中，表面泄漏电流I_s(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，体泄漏电流I_b(V)的大小与栅电极面积成正比例关系。

对于被测HEMT器件3，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I_g(V0)，并不能测得其栅电流中表面泄漏电流I_s(V0)和体泄漏电流I_b(V0)。本发明结合表面泄漏电流和体泄漏电流的各自特点，在被测HEMT器件结构基础上设计两个栅电极面积不同的HEMT测试辅助器件，且相差的栅电极面积大小与被测HEMT器件栅面积相同，在漏电极偏置电压为固定数值条件下，两个辅助器件的体泄漏电流之差与被测HEMT器件的体泄漏电流I_b(V0)的数值相同，同时两个测试辅助器件的栅电极分别与其源、漏电极的距离均相同，以保证两个测试辅助器件的表面泄漏电流相同，用两个HEMT测试辅助器件在偏置电压固定为V0条件下的栅泄漏电流作差，其结果为被测HEMT器件的体泄漏电流I_b(V0)。再利用被测HEMT器件栅泄漏电流I_g(V0)与所得的体泄漏电流I_b(V0)作差可进一步得到被测HEMT器件的表面泄漏电流I_s(V0)，实现被测HEMT器件3在固定偏置电压V0条件下栅电流中体泄漏电流I_b(V0)和表面泄漏电流I_s(V0)分离测试。

本实施例测试时，通过在漏电极所加偏置连续变化的电压V，测得每个偏置电压下的被测HEMT器件和两个HEMT测试辅助器件的栅泄漏电流，从而得到被测HEMT器件栅泄漏电流与偏置电压的关系曲线，HEMT第一测试辅助器件栅泄漏电流与偏置电压的关系曲线以及HEMT第二测试辅助器件栅泄漏电流与偏置电压的关系曲线。为了实现被测HEMT器件的表面泄漏电流I_s(V)和体泄漏电流I_b(V)的分离测试，只需将所述的三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，可获得每个偏置电压下的被测HEMT器件的表面泄漏电流和体泄漏电流，从而得到被测HEMT器件的表面泄漏电流I_s(V)与漏电极偏置电压V的关系曲线和体泄漏电流I_b(V)与漏电极偏置电压V的关系曲线，根据上述两条曲线可得偏置范围内任意偏置电压V下的体泄漏电流I_b(V)和表面泄漏电流I_s(V)。

二.测试方法

参照图1，本发明根据上述原理进行HEMT器件体泄漏电流和表面泄漏电流的测试步骤如下：

步骤A，制作两个HEMT测试辅助器件。

两个HEMT测试辅助器件均以被测HEMT器件3结构为基础，其中被测HEMT器件3结构如图2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3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L_t＝10μm，宽度均为W_t＝200μm；肖特基栅极的栅长为L_g＝1μm，栅宽为W_g＝200μm，栅极与源极之间的距离为L_gs＝3um，栅极与漏极之间的距离为L_gd＝3μm。

(A1)制造HEMT第一测试辅助器件1：

改变被测HEMT器件3的栅电极尺寸，即扩大栅电极尺寸，缩小栅电极与源极、栅电极与漏极的距离，制作结构与被测HEMT器件结构相同的第一测试辅助器件1，该第一测试辅助器件1相比于被测HEMT器件3，其栅电极的长度和宽度各增加2倍的ΔL，栅电极与源漏电极距离各缩小ΔL。如图4所示，具体参数如下：

栅长L_g’＝L_g+2ΔL，栅宽W_g’＝W_g+2ΔL，栅电极与源极距离L_gs’＝L_gs-ΔL，栅电极与漏极的距离L_gd’＝L_gd-ΔL，其中3μm>ΔL>0，在本实例中取ΔL＝1μm；

(A2)制造HEMT第二测试辅助器件2：

在HEMT第一测试辅助器件1的栅电极内去除与被测HEMT器件栅电极同样大小的金属区域，形成栅电极为矩形框结构的HEMT第二测试辅助器件2，如图5所示。该矩形框外框各边与其内无金属淀积矩形区域各边的距离均为ΔL，3μm>ΔL>0，在本实例中取ΔL＝1μm，即栅电极矩形框的外框长度和宽度分别与HEMT第一测试辅助器件栅长L_g’和栅宽W_g’相同。

步骤B，分别测试被测HEMT器件和两个HEMT测试辅助器件的栅泄漏电流。

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V_G使器件处于关闭状态，在漏极施加连续偏置电压V，测试设备可测得栅电流I_g(V)与偏置电压V的对应关系曲线。

(B1)在被测HEMT器件的漏极连续施加0V至20V的偏置电压V，测得被测HEMT器件的栅泄漏电流I_g(V)与偏置电压V的关系曲线P3；

(B2)在HEMT第一测试辅助器件的漏极连续施加0V至20V的偏置电压V，测得HEMT第一测试辅助器件的栅泄漏电流与偏置电压V的关系曲线P1；

(B3)在HEMT第二测试辅助器件的漏极连续施加0V至20V的偏置电压V，测得HEMT第二测试辅助器件的栅泄漏电流与偏置电压V的关系曲线P2；

(B4)将上述三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。

由图7可以看出，三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可以得到在0到20V范围内任意偏置电压下的被测HEMT器件和两个HEMT测试辅助器件的栅泄漏电流数据。

步骤C，根据步骤B中的测试结果，计算被测HEMT器件表面泄漏电流和体泄漏电流。

(C1)定义被测HEMT器件和两个HEMT测试辅助器件的栅泄漏电流表示式：

根据HEMT器件的栅泄漏电流包括表面泄漏电流体泄漏电流两部分的原理得到所述三个HEMT器件的栅泄漏电流表示式：

对于被测HEMT器件3的栅泄漏电流与偏置电压的关系曲线P3，其各个偏置电压V对应的栅极泄漏电流I_g(V)均包括体泄漏电流I_b(V)及表面泄漏电流I_s(V)两部分，其表示式为：

I_g(V)＝I_b(V)+I_s(V)； <1>

对于HEMT第一测试辅助器件1的栅泄漏电流与偏置电压的关系曲线P1，其各个偏置电压V对应的栅极泄漏电流均包括体泄漏电流及表面泄漏电流两部分，其表示式为：

${\hat{I}}_{g\left(V\right)}={\hat{I}}_{s\left(V\right)}+{\hat{I}}_{b\left(V\right)};---<2>$

对于HEMT第二测试辅助器件2的栅泄漏电流与偏置电压的关系曲线P2，其各个偏置电压V对应的栅极泄漏电流均包括体泄漏电流及表面泄漏电流两部分，其表示式为：

${\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{I}}_{g\left(V\right)}={\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{I}}_{s\left(V\right)}+{\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{I}}_{b\left(V\right)};---<3>$

(C2)计算被测HEMT器件3的体泄漏电流I_b(V)：

由于HEMT第一测试辅助器件1的栅极与源漏极之间距离和HEMT第二测试辅助器件2的栅极与源漏极之间距离均相等，因而HEMT第一测试辅助器件的栅泄漏电流与偏置电压的关系曲线P1和HEMT第二测试辅助器件的栅泄漏电流与偏置电压的关系曲线P2中在各个偏置电压V下的栅泄漏电流中的表面泄漏电流均相等，即联立式<2>和<3>并将上式带入得到：

${\hat{I}}_{b\left(V\right)}-{\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{I}}_{b\left(V\right)}={\hat{I}}_{g\left(V\right)}-{\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{I}}_{g\left(V\right)};---<4>$

根据两个HEMT测试辅助器件的栅面积之差与被测HEMT器件3的栅面积相同，可得HEMT第一测试辅助器件的栅泄漏电流与偏置电压关系曲线P1和所述关系曲线P2中各个偏置电压V下的栅泄漏电流中体泄漏电流之差均等于所述关系曲线P3中在对应的偏置电压V下的体泄漏电流I_b(V)，即进而将式<4>表示为：

$I_{b\left(V\right)}={\hat{I}}_{g\left(V\right)}-{\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{I}}_{g\left(V\right)};---<5>$

根据式<5>，用HEMT第一测试辅助器件的栅泄漏电流与偏置电压关系曲线P1中各个偏置电压V对应的栅泄漏电流与所述关系曲线P2中对应偏置电压V下的栅泄漏电流逐一作差，可得到被测HEMT器件3的体泄漏电流I_b(V)与偏置电压V关系曲线P4。

(C3)计算被测HEMT器件3的表面泄漏电流I_s(V)：

根据表达式<1>，被测HEMT器件3的栅泄漏电流与偏置电压关系曲线P3中各点的栅泄漏电流中的表面泄漏电流I_s(V)可以表示为：

I_s(V)＝I_g(V)-I_b(V)； <6>

根据式<6>，用被测HEMT器件3的栅泄漏电流与偏置电压关系曲线P3中各个偏置电压V对应的栅泄漏电流I_g(V)逐一减去被测HEMT器件3的体泄漏电流与偏置电压关系曲线P4中对应偏置电压V下的体泄漏电流I_b(V)，得到被测HEMT器件3的表面泄漏电流I_s(V)与偏置电压V关系曲线P5。

(C4)将被测HEMT器件3的体泄漏电流I_b(V)与偏置电压V的关系曲线P4和被测HEMT器件3的表面泄漏电流I_s(V)与偏置电压V的关系曲线P5绘制在同一坐标系中，如图8所示，图中纵坐标为栅泄漏电流的绝对值，横坐标为漏极的电压偏置，数值为正。

由图8可以得到在0到20V范围内任意偏置电压下的被测HEMT器件3的栅泄漏电流中表面泄漏电流I_s(V)和体泄漏电流I_b(V)数据。

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。

Claims (1)

1.一种测试HEMT器件体泄漏电流和表面泄漏电流的方法，包括如下步骤：

A.制作测试辅助器件：

(A1)制作结构与被测HEMT器件(3)结构相同，电极参数不同的HEMT第一测试辅助器件(1)；该第一测试辅助器件，其栅电极长度为L_g’＝L_g+2ΔL，宽度为W_g’＝W_g+2ΔL，栅电极与源极距离为L_gs’＝L_gs-ΔL，栅极与漏极的距离为L_gd’＝L_gd-ΔL，其中ΔL为栅极尺寸增量，L_gs>ΔL>0，L_g，W_g分别为被测HEMT器件(3)的栅极长度和栅极宽度，L_gs为被测HEMT器件(3)的栅极与源极距离，L_gd为被测HEMT器件(3)的栅极与漏极距离；

(A2)在HEMT第一测试辅助器件(1)的栅电极内去除与被测HEMT器件栅电极同样大小的金属区域，形成栅电极为矩形框结构的HEMT第二测试辅助器件(2)，该矩形框外框各边与其内无金属淀积矩形区域各边的距离均为ΔL，L_gs>ΔL>0，即栅电极矩形框的外框长度和宽度分别L_g+2ΔL，W_g+2ΔL；

B.利用半导体参数测试设备分别测试出如下三条曲线：

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I_g(V)与偏置电压V的关系曲线P3；

用与被测HEMT器件相同的测试条件，测出HEMT第一测试辅助器件的栅泄漏电流与偏置电压V的关系曲线P1；

用与被测HEMT器件相同的测试条件，测出HEMT第二测试辅助器件的栅泄漏电流与偏置电压V的关系曲线P2；

C.根据步骤B中所测得的三条曲线P1，P2和P3，获得被测HEMT器件的体泄漏电流I_b(V)和表面泄漏电流I_s(V)：

(C1)用所述HEMT第一测试辅助器件的栅泄漏电流与漏极偏压关系曲线P1中各个偏置电压V对应的栅泄漏电流与所述关系曲线P2中对应的偏置电压V下的栅泄漏电流逐一作差，得到被测HEMT器件的体泄漏电流I_b(V)与偏置电压V关系曲线P4；

(C2)用被测HEMT器件的栅泄漏电流与偏置电压关系曲线P3中各个偏置电压V对应的栅泄漏电流I_g(V)逐一减去被测HEMT器件的体泄漏电流与漏极偏压关系曲线P4中对应偏置电压V下的体泄漏电流I_b(V)，得到被测HEMT器件的表面泄漏电流I_s(V)与偏置电压V关系曲线P5；

(C3)将(C1)得到的关系曲线P4和(C2)得到的关系曲线P5绘制在同一坐标系中，得到在偏置电压范围内任意漏极电压下的被测HEMT器件的栅泄漏电流中表面泄漏电流I_s(V)和体泄漏电流I_b(V)。