碳化硅外延層厚度及其均勻性的無損檢測——紅外顯微系統(tǒng)

第三代半導(dǎo)體碳化硅材料快速發(fā)展

　　近年來，5G通信、新能源汽車、光伏行業(yè)推動了第三代半導(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(jié)構(gòu)，更利于材料的應(yīng)用開發(fā)。隨著外延生長技術(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,因此在實際生產(chǎn)中對延片的厚度進(jìn)行測量是很重要的一環(huán)。

碳化硅外延厚度測定原理

　　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）是測試硅外延層厚度一種非常成熟的方法，具有準(zhǔn)確、快速、無損等優(yōu)勢，非常適合工業(yè)化使用。因此在碳化硅外延厚度測定上也得到了應(yīng)用，已形成了《GB/T 42905-2023碳化硅外延層厚度的測試 紅外反射法》標(biāo)準(zhǔn)。

　　儀器測試原理：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，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(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(shù)間的峰個數(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，實現(xiàn)SiC外延層厚度的測試。

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(jìn)行顯微紅外無損測試。

　　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(biāo)記的17個位點，每個位點重復(fù)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(jié)果來看，SiC晶圓外延厚度并非均一，呈現(xiàn)邊緣薄，中間厚的趨勢。