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碳化硅外延層厚度及其均勻性的無損檢測——紅外顯微系統

更新時間:2023-02-23      點擊次數:260

第三代半導體碳化硅材料快速發展

  近年來,5G通信、新能源汽車、光伏行業推動了第三代半導體材料碳化硅(SiC)技術的快速發展。相較于成熟的硅(Si)材料,SiC具有禁帶寬、擊穿電場高、電子飽和遷移率高、熱導率高等優良的物理化學特性,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定的重要性

  SiC功率器件往往需要通過在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構,更利于材料的應用開發。隨著外延生長技術的進步,SiC外延層厚度也從幾μm發展到上百μm,也從同質外延發展為異質等多種晶體。

  對外延片品質影響最大的是外延層的厚度以及電阻率的均勻性,因此在實際生產中對延片的厚度進行測量是很重要的一環。

碳化硅外延厚度測定原理

  在硅同質/異質外延生產中,紅外傅立葉變換光譜技術(FTIR)是測試硅外延層厚度一種非常成熟的方法,具有準確、快速、無損等優勢,非常適合工業化使用。因此在碳化硅外延厚度測定上也得到了應用,已形成了《GB/T 42905-2023碳化硅外延層厚度的測試 紅外反射法》標準。

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

傅立葉變換光譜法測試外延層厚度原理圖

  計算公式如下:

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

  采用FTIR配合顯微分析技術,可避免損傷晶圓,實現SiC外延層厚度的測試。

島津IRXross+AIM-9000紅外顯微系統

碳化硅晶圓樣品的外延厚度及其均勻性測試

  對于SiC晶圓,外延層厚度理論值11 μm,測試不同位置(0~16號位點)處的外延層厚度。樣品無需前處理,直接進行顯微紅外無損測試。

樣品照片

樣品測試位點設定

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

三個不同位點測試的紅外光譜圖

  隨后分別測定了樣品標記的17個位點,每個位點重復測試5次, 17個位點的厚度平均值為11.115微米,總的RSD值為2.13%,與理論值偏差1.05%。

17個位點的外延層厚度及其偏差

  從不同位點外延層厚度結果來看,SiC晶圓外延厚度并非均一,呈現邊緣薄,中間厚的趨勢。


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