一种GaN晶圆结构及其厚度的测量方法

技术领域

本发明属于半导体集成电路制造领域，涉及一种GaN晶圆结构及其厚度的测量方法。

背景技术

第三代半导体材料氮化镓(GaN)因其具有较宽的禁带宽度和较高的电子饱和速度，成为高压和高频应用的理想候选材料。氮化镓半导体能够承受比硅半导体更强的电流和更高的电压，可实现更高的功率密度，因而在雷达、基站、有线电视、快充以及直流变直流(DC-DC)换能器上展现出充足的市场潜力，并将成为具有成本竞争力的新一代消费电力电子产品。

对于GaN晶圆来说，在从研发逐步进入工业化量产的过程中，晶圆在线量测能力必不可缺。在众多量测方式中，以椭圆偏振为原理的光学量测方法是晶圆厂最主要的膜厚量测手段之一，其具有高精度、高效率、自动化、低成本、无损伤等特点，能够在不接触晶圆表面的条件下，自动高效的进行晶圆薄膜厚度和质量的表征，并及时的向工程师反映在线晶圆的状态。

GaN作为新开发的第三代宽禁带产品，由于其晶格常数和应力状态与硅不同，因此其薄膜工艺与硅(Si)晶圆的薄膜工艺存在一定的差异，相同条件的薄膜生长工艺在GaN晶圆上生长的厚度和质量与Si晶圆上的厚度和质量存在难以忽略的差异。因此发展针对GaN晶圆的在线光学量测平台，对于GaN产品的研发和生产来说是一件非常重要且迫切的事。

目前，GaN工艺平台不仅缺乏光学量测技术平台，并且对于多个膜层的厚度量测，缺乏非破坏性的在线量测方法。通常获取GaN晶圆膜厚的方法基本是后期通过切片这类破坏性的方式，再配合扫描电镜/透射电镜(SEM/TEM)获取各膜层的膜厚。这种方法无法进行在线量测，工程师无法实时获取膜厚信息以对工艺做出调整，常常导致器件失效或者晶圆良率降低；且这种破坏性的分析方法，在切片获取膜厚信息后，晶圆无法返回线上继续流片，这导致晶圆的消耗和浪费，增加研发和生产成本。

对于Si基工艺平台，光学量测技术已经是一种成熟且可靠的技术，但这种技术在GaN平台上却难以继续有效的发挥其作用，这是因为GaN晶圆的特有的膜层结构限制了光学量测技术。AlGaN/GaN异质结膜层结构是GaN器件中最普遍也是最主要的结构，可以说是GaN器件及其特性的基础，如图1所示，为GaN晶圆的剖面结构示意图，包括衬底01、GaN层02及AlGaN层03。但是，AlGaN膜层(特别是应用广泛的低Al组分的AlGaN膜层)和GaN膜层在光学特性上十分接近，即在光学量测设备的使用光波段范围内存在AlGaN和GaN的n、k值(即折射率和消光系数)十分相近的问题，因此在光学量测中极易耦合到一块，非常容易被系统和模型识别成一个整体，导致两个膜层的厚度都无法准确量测和计算，光学量测技术难以应用到GaN晶圆结构中的各膜层的膜厚测量。

因此，急需寻找一种便于使用光学量测的方法测量晶圆中各膜层厚度的GaN晶圆结构。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种GaN晶圆结构及其厚度的测量方法，用于解决现有技术中GaN晶圆中AlGaN层及GaN层的厚度难以采用光学量测的方法测量的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供了一种GaN晶圆结构，包括向上依次层叠的衬底、第一透光层、去耦合层及第二透光层。

可选地，所述第一透光层的材质包括GaN，所述第二透光层材质包括AlGaN。

可选地，所述去耦合层的折射率和消光系数与所述第一透光层及所述第二透光层的折射率和消光系数不同。

可选地，所述去耦合层包括第Ⅲ主族与氮元素的化合物。

可选地，所述去耦合层的厚度不大于3nm。

本发明还提供了一种GaN晶圆结构的厚度的测量方法，包括以下步骤：

提供一上述所述的GaN晶圆结构及一光学量测设备；

将所述GaN晶圆结构置于所述光学量测设备中，并启动所述光学量测设备；

将所述光学量测设备的光源发射出的光波转变为椭圆偏振光，并以预设角度射向所述GaN晶圆结构，利用所述光学量测设备读取所述椭圆偏振光分别经过所述第二透光层上表面、所述去耦合层的上表面、所述第一透光层的上表面及所述第一透光层下表面发生反射的反射光出射后的振幅及相位的变化；

将所述反射光的相位及振幅的变化数据输入所述光学量测设备的数据处理器，利用所述数据处理器的处理得到所述第二透光层的厚度d

可选地，所述光源包括激光器。

可选地，所述光波转变为所述椭圆偏振光之前还包括将所述光波转变为线偏振光的步骤。

可选地，所述反射光包括第一反射光、第二反射光、第三反射光及第四反射光，所述第一反射光为所述光波于所述第二透光层上表面发生反射的反射光，透过所述第二透光层的第一透射光于所述去耦合层的上表面发生反射并进入空气中的反射光作为所述第二反射光，透过所述去耦合层第二透射光于所述第一透光层的上表面发生反射并进入空气中的反射光作为所述第三反射光，透过所述第一透光层的第三透射光于所述第一透光层的下表面发生反射并进入空气中的反射光作为所述第四反射光。

可选地，所述第一反射光、所述第二反射光、所述第三反射光及所述第四反射光的振幅和相位与所述光波的振幅及相位不同。

如上所述，本发明的GaN晶圆结构及其厚度的测量方法通过于所述第一透光层与所述第二透光层之间设置所述去耦合层，且所述去耦合层的折射率和消光系数与所述第一透光层及所述第二透光层折射率和消光系数在某一波段范围不相同，以消除透过所述第二透光层及透过所述第一透光层的椭圆偏振光的反射光发生耦合，导致所述光学量测设备难以识别的问题，解决了由于所述第一透光层及所述第二透光层的折射率和消光系数相近，致使在所述第二透光层上表面、所述第一透光层上表面及所述第一透光层下表面发生反射的反射光耦合的问题；所述去耦合层的厚度不大于3nm，以防止采用设置所述去耦合层的所述GaN晶圆结构制备的半导体器件的器件性能受到较大的影响。此外，所述GaN晶圆结构能够使用光学量测设备在线实时量测晶圆中各膜层的厚度，量测效率高，量测结果误差小，提升了研发和生产效率，同时避免了对晶圆的破坏，减少了晶圆的消耗及浪费，降低了生产成本，具有高度产业利用价值。

附图说明

图1显示为GaN晶圆结构的剖面结构示意图。

图2显示为本发明的GaN晶圆结构的剖面结构示意图。

附图标号说明

01衬底

02GaN层

03AlGaN层

1 衬底

2 第一透光层

3 去耦合层

4 第二透光层

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

本实施例提供一种GaN晶圆结构，如图2所示，为所述GaN晶圆结构的剖面结构示意图，包括向上依次层叠的衬底1、第一透光层2、去耦合层3及第二透光层4。

具体的，所述衬底1的材质包括硅、碳化硅、蓝宝石、金刚石或者其他适合材料。

具体的，所述衬底1的厚度可以根据实际情况进行设置，这里不再限制。

具体的，形成所述GaN晶圆的方法包括以下步骤：于所述衬底1上形成一层所述第一透光层2；于所述第一透光层2的上表面形成一层去所述耦合层3；于所述去耦合层3的上表面形成一层第二透光层4。

作为示例，所述第一透光层2的材质包括GaN或者其他适合的材料，所述第二透光层4的材质包括AlGaN或者其他适合的材料。本实施例中，所述第一透光层2的材质为GaN，所述第二透光层4的材质为AlGaN。

具体的，由于GaN层与AlGaN层形成的异质结结构中，AlGaN层中Al的组分较低(通常AlGaN层中Al的组分在0.2～0.3)，导致GaN层与AlGaN层之间的光学特性(折射率n和消光系数k)比较接近，继而在光学量测设备的可使用光波段范围内的反射光波容易耦合在一起，导致光学量测系统将GaN层与AlGaN层识别为同一层膜层，无法准确量测和计算GaN层的厚度及AlGaN层的厚度。

作为示例，所述去耦合层3的折射率和消光系数与所述第一透光层2及所述第二透光层4的折射率和消光系数不同。

具体的，在保证光学量测设备的可使用光波段范围内，所述去耦合层3的折射率与所述第一透光层2及所述第二透光层4的折射率和消光系数在某一光波段区分明显，以防止通过所述第一透光层2和所述去耦合层3及所述第二透光层4和所述去耦合层3的界面处的反射光波发生耦合，便于所述光学量测设备的有效识别。

具体的，在保证光学量测设备的可使用光波段范围内，测量光波通过所述第一透光层2与所述去耦合层3及所述去耦合层3与所述第二透光层4界面处的反射光不发生耦合的情况下，所述去耦合层3的折射率可以根据实际情况进行选择，这里不再限制。

具体的，在保证光学量测设备的可使用光波段范围内，椭圆偏振光于所述第一透光层2与所述去耦合层3及所述去耦合层3与所述第二透光层4的界面处的反射光能够被所述光学量测设备的探测器探测到的情况下，所述去耦合层3的消光系数可以根据实际情况进行选择，这里不再限制。

作为示例，所述去耦合层3的厚度不大于3nm，以防止所述去耦合层3的厚度过大，导致由所述第一透光层2与所述第二透光层4构成的异质结结构晶圆制备成的器件的性能受到明显的影响。

作为示例，所述去耦合层3包括第Ⅲ主族与氮元素的化合物或者其他适合的材料。例如，所述去耦合层3可以为AlN、InN、InGaN、InAlN及AlGaN中的一种，且当采用AlGaN作为所述去耦合层3时，需要增加所述去耦合层3中的Al的组分比例，以改变所述去耦合层3的折射率及消光系数，使所述去耦合层3的折射率区别于所述第一透光层2和所述第二透光层4的折射率，以避免光学量测设备发射出的椭圆偏振光在所述第一透光层2与所述去耦合层3及所述第二透光层4与所述去耦合层3之间的界面处的反射光发生耦合，导致光学量测设备识别为同一层膜层，使量测的厚度值出错。

具体的，由于所述去耦合层3位于所述第一透光层2的上表面，采用第Ⅲ主族与氮元素的化合物作为所述去耦合层3，以便于在所述第一透光层2上表面生长所述去耦合层3。

本实施例的GaN晶圆结构通过在所述第一透光层2与所述第二透光层4之间设置一层所述去耦合层3，采用第Ⅲ主族元素与氮元素组成的化合物，以便于在所述第一透光层2上形成所述去耦合层3，同时所述去耦合层3的厚度不大于3nm，以避免所述去耦合层3的对采用所述GaN晶圆制作的半导体器件的器件性能影响过大；所述去耦合层3与所述第一透光层2及所述第二透光层4的折射率和消光系数均不同，以避免在所述第一透光层2和所述去耦合层3及所述第二透光层4和所述去耦合层3的界面处的反射光出现耦合现象，且光波经过所述第二透光层4、所述去耦合层3及所述第一透光层2并发生反射的反射光透射到空气中不会出现消光现象，以便于采用光学量测的方法量测所述第一透光层2、所述去耦合层3及所述第二透光层4的厚度。

实施例二

本实施例提供一种GaN晶圆结构的厚度的测量方法，包括以下步骤：

S1：提供一实施例一中所述的GaN晶圆结构及一光学量测设备；

S2：将所述GaN晶圆结构置于所述光学量测设备中，并启动所述光学量测设备；

S3：将所述光学量测设备的光源发射出的光波转变为椭圆偏振光，并以预设角度射向所述GaN晶圆结构，利用所述光学量测设备读取所述椭圆偏振光分别经过所述第二透光层上表面、所述去耦合层的上表面、所述第一透光层的上表面及所述第一透光层下表面发生反射的反射光出射后的振幅及相位的变化；

S4：将所述反射光的相位及振幅的变化数据输入所述光学量测设备的数据处理器，利用所述数据处理器的处理得到所述第二透光层的厚度d

具体的：执行所述步骤S1、所述步骤S2及所述步骤S3：提供一实施例一中所述的GaN晶圆结构及一光学量测设备；将所述GaN晶圆结构置于所述光学量测设备中，并启动所述光学量测设备；将所述光学量测设备的光源发射出的光波转变为椭圆偏振光，并以预设角度射向所述GaN晶圆结构，利用所述光学量测设备读取所述椭圆偏振光分别经过所述第二透光层上表面、所述去耦合层的上表面、所述第一透光层的上表面及所述第一透光层下表面发生反射的反射光出射后的振幅及相位的变化。

具体的，所述光学量测设备包括椭偏仪或者其他适合的高精度光学量测仪器。

具体的，所述椭圆偏振光以预设角度入射进所述GaN晶圆结构中并从所述GaN晶圆结构的上表面出射的反射光，未发生消光现象，即所述椭圆偏振光经过所述GaN晶圆结构中的各膜层并出射的反射光，经过所述GaN晶圆结构中的各膜层中的材料吸收，所述椭圆偏振光仍能够被所述光学量测设备中的探测器识别。

作为示例，所述光源包括激光器或者其他适合的光源。

具体的，为了保证测量数值的准确性，所述光源需要稳定输出，以使从所述光源发射出的所述光波的相位及振幅稳定。

作为示例，所述光波转变为所述椭圆偏振光之前还包括将所述光波转变为线偏振光的步骤。

具体的，利用起偏器或者其他合适的器件将所述光波转变为线偏振光。本实施例中，将所述光波透过起偏器以得到线偏振光。

具体的，所述光波变为线偏振光后，还需要将线偏振光转换为椭圆偏振光。

具体的，由于所述光学量测设备读取的数据后，需要大量的计算，采用计算机分析数据能够快速对输出数据进行处理，以适用于工业生产，提升量测效率。

具体的，在保证椭圆偏振光经过所述第二透光层、所述去耦合层及所述第一透光层之后的反射光不发生消光的情况下，椭圆偏振光射向所述GaN晶圆结构的角度可以根据实际情况进行设置，这里不再限制。

作为示例，所述反射光包括第一反射光、第二反射光、第三反射光及第四反射光，所述第一反射光为所述光波于所述第二透光层上表面发生反射的反射光，透过所述第二透光层的第一透射光于所述去耦合层的上表面发生反射并进入空气中的反射光作为所述第二反射光，透过所述去耦合层第二透射光于所述第一透光层的上表面发生反射并进入空气中的反射光作为所述第三反射光，透过所述第一透光层的第三透射光于所述第一透光层的下表面发生反射并进入空气中的反射光作为所述第四反射光。

作为示例，所述第一反射光、所述第二反射光、所述第三反射光及所述第四反射光的振幅和相位与所述光波的振幅及相位不同，以便于所述光学量测设备的识别。

具体的，由于所述第二透光层及空气的折射率和消光系数均不相同，导致所述线偏振光通过空气进入所述第二透光层，并于所述第二透光层的上表面发生反射得到的所述第一反射光的相位及振幅相对于所述椭圆偏振光发生了变化。

具体的，由于所述第二透光层及所述去耦合层的折射率和消光系数均不相同，导致透过所述第二透光层的所述椭圆偏振光进入所述去耦合层，并在所述去耦合层的上表面(即所述第二透光层的下表面)处发生反射得到的反射光的相位及振幅相对于所述椭圆偏振光发生变化，于所述去耦合层上表面发生反射的反射光透过所述第二透光层进入空气中得到所述第二反射光，所述第二反射光的相位及振幅相对于在所述去耦合层上表面反射的反射光的相位及振幅再次发生变化。

具体的，由于所述第一透光层及所述去耦合层的折射率和消光系数均不相同，透过所述去耦合层并进入所述第一透光层的椭圆偏振光于所述第一透光层的上表面(即所述去耦合层下表面)发生反射，于所述第一透光层上表面产生的反射光透过所述去耦合层及所述第二透光层进入空气中，其相位与振幅也发生了多次的变化，即所述第三反射光的相位及振幅也发生了多次变化。

具体的，透过所述第一透光层并于所述第一透光层的下表面产生反射的椭圆偏振光，其反射光透过所述第一透光层、所述去耦合层及所述第二透光层进入空气中，其相位与振幅发生了多次变化，即所述第四反射光的相位及振幅发生了多次变化。

具体的，执行所述步骤S4：将所述反射光的相位及振幅的变化数据输入所述光学量测设备的数据处理器，利用所述数据处理器的处理得到所述第二透光层的厚度d

具体的，采用计算机或者其他数据处理设备作为所述数据处理器。本实施例中，采用计算机作为数据处理器，由于计算机的处理数据速度快，便于提高测量效率。

具体的，由于所述去耦合层的设置，避免了由于所述第二透光层与所述第一透光层的折射率及消光系数相近，导致所述椭圆偏振光透过所述第二透光层及所述第一透光层之后，于所述第二透光层上下表面和所述第一透光层的上下表面处发生反射的反射光发生耦合，导致所述光学量测设备识别困难的问题，同时也避免了对所述GaN晶圆结构的破坏，减少了晶圆的消耗及浪费，降低了生产成本。

具体的，利用所述光学量测设备测量所述GaN晶圆结构中各膜层的厚度可实现实时在线量测，且测量的效率高，测量结果误差小，提升了研发和生产效率。

具体的，所述GaN晶圆结构的厚度的测量方法测量所述GaN晶圆结构中各膜层厚度的同时，还可以得到所述GaN晶圆结构中各膜层的折射率及消光系数。

本实施例的GaN晶圆结构的厚度的测量方法通过采用实施例一中所述的GaN晶圆结构，解决了由于所述第二透光层与所述第一透光层之间的折射率和消光系数相近，所述光学量测设备难以识别膜层的问题，同时避免了破坏所述GaN晶圆结构，减少了晶圆的消耗及浪费，降低了生产成本，且所述GaN晶圆结构的厚度的测量方法可以实时在线有效量测所述GaN晶圆结构中各膜层的厚度，测量的效率高，提升了研发和生产效率。

综上所述，本发明的GaN晶圆结构及其厚度的测量方法通过于GaN晶圆结构的第一透光层和第二透光层之间设置一去耦合层，且去耦合层的厚度不大于3nm，以避免去耦合层的引入影响GaN晶圆制作的器件的性能，同时去耦合层的折射率和消光系数与第一透光层及第二透光层的折射率和消光系数均不相同，以消除由于第二透光层与第一透光层的折射率和消光系数相近，导致椭圆偏振光于第一透光层的上下表面及第一透光层的上下表面处发生反射的反射光耦合，光学量测设备识别困难的问题；该GaN晶圆结构能够采用光学量测设备能够实时在线有效量测各膜层的厚度，测量效率高，测量结果误差小，提升了研发和生产效率，且避免了对GaN晶圆结构的破坏，减少了晶圆的消耗及浪费，降低了生产成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具有高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。