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                          碳化硅外延層厚度及其均勻性的無(wú)損檢測(cè)——紅外顯微系統(tǒng)

                          更新時(shí)間:2024-02-23      點(diǎn)擊次數(shù):716

                          第三代半導(dǎo)體碳化硅材料快速發(fā)展

                            近年來(lái),5G通信、新能源汽車、光伏行業(yè)推動(dòng)了第三代半導(dǎo)體材料碳化硅(SiC)技術(shù)的快速發(fā)展。相較于成熟的硅(Si)材料,SiC具有禁帶寬、擊穿電場(chǎng)高、電子飽和遷移率高、熱導(dǎo)率高等優(yōu)良的物理化學(xué)特性,是制備高溫、高壓、高頻、大功率器件的理想材料,如電力轉(zhuǎn)換器、光伏逆變器、射頻放大器、濾波器等。

                          碳化硅外延層及其厚度測(cè)定的重要性

                            SiC功率器件往往需要通過(guò)在SiC 襯底上生成所需的薄膜材料形成外延片,從而更易于獲得可控的晶體結(jié)構(gòu),更利于材料的應(yīng)用開發(fā)。隨著外延生長(zhǎng)技術(shù)的進(jìn)步,SiC外延層厚度也從幾μm發(fā)展到上百μm,也從同質(zhì)外延發(fā)展為異質(zhì)等多種晶體。

                            對(duì)外延片品質(zhì)影響最大的是外延層的厚度以及電阻率的均勻性,因此在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)延片的厚度進(jìn)行測(cè)量是很重要的一環(huán)。

                          碳化硅外延厚度測(cè)定原理

                            在硅同質(zhì)/異質(zhì)外延生產(chǎn)中,紅外傅立葉變換光譜技術(shù)(FTIR)是測(cè)試硅外延層厚度一種非常成熟的方法,具有準(zhǔn)確、快速、無(wú)損等優(yōu)勢(shì),非常適合工業(yè)化使用。因此在碳化硅外延厚度測(cè)定上也得到了應(yīng)用,已形成了《GB/T 42905-2023碳化硅外延層厚度的測(cè)試 紅外反射法》標(biāo)準(zhǔn)。

                            儀器測(cè)試原理:襯底與外延層因摻雜濃度不同而導(dǎo)致的不同折射率,紅外光入射到外延層后,一部分從襯底表面反射回來(lái),一部分從外延層表面反射出來(lái),這兩束光在一定條件下會(huì)產(chǎn)生干涉條紋,根據(jù)干涉條紋的數(shù)量、折射率以及紅外光入射角可以計(jì)算出外延層的厚度d(原理示意圖如下)。

                          傅立葉變換光譜法測(cè)試外延層厚度原理圖

                            計(jì)算公式如下:

                            式中,d表示厚度,單位μm;M表示不同波數(shù)間的峰個(gè)數(shù);n表示鍍膜材料折射率;θ表示入射角;,1/λ2 、1/λ1  表示波數(shù)。

                            采用FTIR配合顯微分析技術(shù),可避免損傷晶圓,實(shí)現(xiàn)SiC外延層厚度的測(cè)試。

                          島津IRXross+AIM-9000紅外顯微系統(tǒng)

                          碳化硅晶圓樣品的外延厚度及其均勻性測(cè)試

                            對(duì)于SiC晶圓,外延層厚度理論值11 μm,測(cè)試不同位置(0~16號(hào)位點(diǎn))處的外延層厚度。樣品無(wú)需前處理,直接進(jìn)行顯微紅外無(wú)損測(cè)試。

                          樣品照片

                          樣品測(cè)試位點(diǎn)設(shè)定

                            觀察不同位點(diǎn)在2500~3500cm-1波段下的紅外光譜重疊圖,可見(jiàn)明顯的干涉條紋。

                          三個(gè)不同位點(diǎn)測(cè)試的紅外光譜圖

                            隨后分別測(cè)定了樣品標(biāo)記的17個(gè)位點(diǎn),每個(gè)位點(diǎn)重復(fù)測(cè)試5次, 17個(gè)位點(diǎn)的厚度平均值為11.115微米,總的RSD值為2.13%,與理論值偏差1.05%。

                          17個(gè)位點(diǎn)的外延層厚度及其偏差

                            從不同位點(diǎn)外延層厚度結(jié)果來(lái)看,SiC晶圓外延厚度并非均一,呈現(xiàn)邊緣薄,中間厚的趨勢(shì)。


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