一种分子束外延生长HEMT外延片的工艺优化方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种分子束外延生长HEMT外延片的工艺优化方法。

背景技术

在分子束外延（MBE）的大规模生产中，通常在一个衬底托板上同时承载有多个衬底以进行批量分子束外延生长，从而提高生产效率并降低生产成本。在这种情况下，衬底片上外延层的片内均匀性以及片与片之间的均匀性是大规模生产中的一个关键指标，均匀性的优劣直接影响着后续器件制备工艺的成品率。

化合物半导体基的高电子迁移率晶体管（HEMT）外延片通常采用分子束外延生长来制备，高电子迁移率晶体管器件的沟道层的掺杂浓度直接影响着器件的夹断电压，而夹断电压是HEMT器件的非常重要的性能参数。在高电子迁移率晶体管外延片的分子束外延生长过程中，平面掺杂层的掺杂均匀性以及隔离层的厚度均匀性都会对沟道层的掺杂浓度均匀性产生影响。由于在分子束外延设备中生长外延层的过程中，提供掺杂剂的源炉（例如，Si炉）以及提供隔离层所需分子束的源炉（例如，Ga炉以及Al炉）所喷射出的分子束流速率在衬底托板上并非均匀分布，因此，为了改善外延片的均匀性，需要在生长外延层的过程中使得承载衬底托板的样品架匀速旋转，从而使得在一段时间内实际到达衬底上的各种分子束源的等效束流速率相对均匀。

然而，在现有技术中，为了改善外延晶片生长的均匀性，对于样品架旋转的转速只能依靠多次摸索试验来进行，大大增加了生产测试成本。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种方法，以解决HEMT外延片分子束外延生长均匀性的优化问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了一种分子束外延生长HEMT外延片的工艺优化方法，该方法用于对分子束外延生长HEMT外延片时分子束外延设备的样品架的旋转速度进行优化，分子束外延设备中使用的衬底托板上有多个衬底片放置位，选择所述多个衬底片放置位中不处于衬底托板的中心的一个衬底片放置位为指定位，该方法包括：

采用多个样品架旋转速度，分别在指定位生长具有预设结构的HEMT外延片，以获得多个HEMT外延片；

针对所述多个HEMT外延片中的每一个外延片，进行表面方块电阻测试，以获取每一个外延片表面上的多个点位处的方块电阻值，从而获得多个方块电阻值，进行表面方块电阻测试的每一个外延片上所选取的多个点位所处位置在不同外延片之间均相对应；

针对所述多个HEMT外延片中的每一个外延片，计算所述多个方块电阻值的相对标准偏差值以及对应的指标数组，并且确定所述多个HEMT外延片中具有最小相对标准偏差值的外延片对应的样品架旋转速度R

将数组T=[t

在分子束外延设备中利用衬底托板生产具有预设结构的HEMT外延片时，如果当前的样品架旋转速度为R

计算当前指标数组分别与每一个参考指标数组的相关系数，并且确定绝对值最大的相关系数所对应的参考指标数组，根据对应关系，获知对应的参考旋转速度R

根据对应的参考旋转速度R

可选地，样品架旋转速度R1通过下式计算获得：R

可选地，在进行表面方块电阻测试时，针对每一个外延片，选取从外延片的中心向圆周延伸的P个径向将外延片划分成P个相等的扇形区域，在P个径向中的每一个径向上，等间距地选取Q个点位，从而获得

可选地，4≤P≤10。

可选地，6≤Q≤10。

可选地，相关系数为皮尔逊相关系数。

可选地，样品架旋转速度的单位为转/分钟，并且所述多个样品架旋转速度的取值均为整数并且在如下范围内：大于或等于15转/分钟，并且小于或等于35转/分钟。

本发明的有益效果包括：

本发明提供的分子束外延生长HEMT外延片的工艺优化方法包括：采用多个样品架旋转速度，分别在指定位生长具有预设结构的HEMT外延片，以获得多个HEMT外延片；针对所述多个HEMT外延片中的每一个外延片，进行表面方块电阻测试，以获取每一个外延片表面上的多个点位处的方块电阻值，从而获得多个方块电阻值，进行表面方块电阻测试的每一个外延片上所选取的多个点位所处位置在不同外延片之间均相对应；针对所述多个HEMT外延片中的每一个外延片，计算所述多个方块电阻值的相对标准偏差值以及对应的指标数组，并且确定所述多个HEMT外延片中具有最小相对标准偏差值的外延片对应的样品架旋转速度R

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例提供的分子束外延生长HEMT外延片的工艺优化方法的流程示意图；

图2示出了本发明实施例提供的分子束外延设备生长腔室平面示意图；

图3示出了本发明实施例提供的外延片进行表面方块电阻测试时的点位选取示意图。

实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

化合物半导体基的高电子迁移率晶体管（HEMT）外延片通常采用分子束外延生长来制备，高电子迁移率晶体管器件的沟道层的掺杂浓度直接影响着器件的夹断电压，而夹断电压是HEMT器件的非常重要的性能参数。在高电子迁移率晶体管外延片的分子束外延生长过程中，平面掺杂层的掺杂均匀性以及隔离层的厚度均匀性都会对沟道层的掺杂浓度均匀性产生影响。由于在分子束外延设备中生长外延层的过程中，提供掺杂剂的源炉（例如，Si炉）以及提供隔离层所需分子束的源炉（例如，Ga炉以及Al炉）所喷射出的分子束流速率在衬底托板上并非均匀分布，因此，为了改善外延片的均匀性，需要在生长外延层的过程中使得承载衬底托板的样品架匀速旋转，从而使得在一段时间内实际到达衬底上的各种分子束源的等效束流速率相对均匀。然而，在现有技术中，为了改善外延晶片生长的均匀性，对于样品架旋转的转速只能依靠多次摸索试验来进行，大大增加了生产测试成本。因此，期望提出一种分子束外延生长HEMT外延片的工艺优化方法，以实现对样品架的最优旋转速率的快速确定。

图1示出了本发明实施例提供的分子束外延生长HEMT外延片的工艺优化方法的流程示意图，如图1所示，本发明提供了一种分子束外延生长HEMT外延片的工艺优化方法，该方法用于对分子束外延生长HEMT外延片时分子束外延设备的样品架的旋转速度进行优化。

分子束外延设备中使用的衬底托板上有多个衬底片放置位，选择所述多个衬底片放置位中不处于衬底托板的中心的一个衬底片放置位为指定位。图2示出了本发明实施例提供的分子束外延设备生长腔室平面示意图，在图2中，衬底托板202由腔室201中的样品架来承载，源炉207位于腔室201的底部圆周处，应当理解，腔室201的底部圆周处还可以包括其他多个源炉。例如，如图2所示，衬底托板202可以同时承载四个衬底203、204、205、206，应当理解，衬底托板202还可以为承载其他数量和/或尺寸的衬底的衬底托板。例如，可以选择衬底203所对应的衬底片放置位为指定位。

本发明实施例提供的分子束外延生长HEMT外延片的工艺优化方法包括：

步骤101、采用多个样品架旋转速度，分别在指定位生长具有预设结构的HEMT外延片，以获得多个HEMT外延片。

不同的样品架旋转速度，会导致具有相同预设结构的HEMT外延片的外延层的均匀性有所差异。同一个衬底托板上不同位置的HEMT外延片的外延层的均匀性也会有所不同，为了具有可比性，在不同样品架旋转速度条件下生长外延片时，均选择指定位处的外延片进行后续测试分析。可选地，样品架旋转速度的单位为转/分钟，并且所述多个样品架旋转速度的取值均为整数并且在如下范围内：大于或等于15转/分钟，并且小于或等于35转/分钟。

步骤102、针对所述多个HEMT外延片中的每一个外延片，进行表面方块电阻测试，以获取每一个外延片表面上的多个点位处的方块电阻值，从而获得多个方块电阻值。

进行表面方块电阻测试的每一个外延片上所选取的多个点位所处位置在不同外延片之间均相对应。表面方块电阻测试是分子束外延批量生产中的一种常规无损测试技术，在HEMT外延片的批量生产中，通常会对所生产的每一个HEMT外延片进行表面方块电阻测试。通过对外延片的表面进行多个点位的表面方块电阻测试，从测试结果可以反应出所生长的外延片的均匀性。如果所生长的外延片的均匀性良好，则对应获得的多个点位处的方块电阻值的一致性好，如果所生长的外延片的均匀性差，则对应获得的多个点位处的方块电阻值的偏差会较大。通常情况下，所选取的多个测试点位会分布在外延片上的多个不同区域内，而不是集中在外延片上的某一局部区域内。

可选地，在进行表面方块电阻测试时，针对每一个外延片，选取从外延片的中心向圆周延伸的P个径向将外延片划分成P个相等的扇形区域，在P个径向中的每一个径向上，等间距地选取Q个点位，从而获得

图3示出了本发明实施例提供的外延片进行表面方块电阻测试时的点位选取示意图。如图3所示，外延片303为由在衬底203上进行外延生长获得的外延片，从外延片303的中心点O项圆周延伸的6个径向L1、L2、L3、L4、L5和L6将外延片划分成了6个相等的扇形区域，在每一个径向上（例如，在径向L1上）等间距地选取6个点为S1、S2、S3、S4、S5和S6，其他径向上的点位未示出，从而可以获得36个点位，然后在这36个点位处进行表面方块电阻测试。应当理解，点位的选取可以根据外延片的尺寸来确定，在外延片尺寸较大时，可以选择多一些的点位，以使得测试点位尽可能覆盖外延片上的大部分区域，在外延片尺寸较小时，可以选择相对少一些的点位，以节省测试时间。

进行表面方块电阻测试的每一个外延片上所选取的多个点位所处位置在不同外延片之间均相对应。此处所说的不同外延片之间的对应关系，均以外延片在衬底托板上时相对于衬底托板的中心的位置为基准的。具体地，例如，在某一样品架旋转速度条件下获得的外延片303的径向L1指向衬底托板的中心，则将在其他条件下获得的指定位处的外延片的中心指向衬底托板的中心的径向确定为径向L1，该外延片上的各个点位相对于其上径向L1的位置与外延片303上各个点位相对于其上径向L1的位置均相同。

不同均匀性的外延片上各个点位处的表面方块电阻值的分布规律是不相同的。通过测试获得多个点位的表面方块电阻值，这些表面方块电阻值的分布情况可以反应外延片的均匀性。

步骤103、针对所述多个HEMT外延片中的每一个外延片，计算所述多个方块电阻值的相对标准偏差值以及对应的指标数组，并且确定所述多个HEMT外延片中具有最小相对标准偏差值的外延片对应的样品架旋转速度R

具有最小相对标准偏差值的外延片的均匀性最优，因此可以将生长该外延片对应的样品架旋转速度R

将数组T=[t

步骤104、在分子束外延设备中利用衬底托板生产具有预设结构的HEMT外延片时，如果当前的样品架旋转速度为R

在后续批量生产与之前建立对应关系时的HEMT外延片具有相同结构的外延片时，通过获取后续生长的指定位上的外延片的表面方块电阻值，并计算出指标数组，可以通过该指标数组反应该外延片的均匀性。应当理解，此处获取指标数组时外延片上的测试点位与步骤102中外延片上的测试点位的位置是相对应的。

步骤105、计算当前指标数组分别与每一个参考指标数组的相关系数，并且确定绝对值最大的相关系数所对应的参考指标数组，根据对应关系，获知对应的参考旋转速度R

通过计算当前指标数组与每一个参考指标数组的相关系数，可以获知当前指标数组所对应的外延片的均匀性分布情况与每一个参考指标数组所对应的外延片的均匀性分布情况的相似程度。可以认为绝对值最大的相关系数所对应的参考指标数组所对应的外延片的均匀性分布情况与当前指标数组所对应的外延片的均匀性分布情况最接近。可选地，相关系数为皮尔逊相关系数。

步骤106、根据对应的参考旋转速度R

在计算获知当前指标数组最接近的参考指标数组之后，通过参考指标数组与参考最优旋转速度之间的相对关系，对对当前的样品架旋转速度R

综上所述，本方法通过采用多个样品架旋转速度，分别在指定位生长具有预设结构的HEMT外延片，并测试获得对应方块电阻值，进而建立参考指标数组与参考旋转速度之间的对应关系，在后续生产时，根据当前指标数组与参考指标数组之间的相关性以及预先获得的对应关系，对当前样品架旋转速度进行修正优化，避免了后续大量的重复试验，大大节省了时间成本和材料成本。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域普通技术人员能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。