應(yīng)用分享 | 使用高分辨率表面光電壓(SPV)光譜分析SiC晶圓的表面質(zhì)量

具有寬帶隙的碳化硅基半導(dǎo)體，在制備各種高頻、高溫和大功率電子器件方面具有非常有前景。因此，提高SiC晶圓的質(zhì)量，解決SiC制造工藝的高成本和低成品率是目前工業(yè)生產(chǎn)緊迫的問題之一[1]。而對(duì)于在線批量生產(chǎn)，檢測(cè)SiC晶圓的質(zhì)量不能不能對(duì)其表面產(chǎn)生損傷，因此需要使用高分辨率、非破壞性表面檢測(cè)技術(shù)。

表面光電壓（SPV）技術(shù)是一種研究光活性材料中電荷分離和轉(zhuǎn)移過(guò)程的先進(jìn)方法[2]。光生載流子在空間上的分離和表面光生載流子的演化有關(guān)。因此，該技術(shù)靈敏度高、非接觸式并且在表面監(jiān)測(cè)中不具有破壞性。此外，它還適用對(duì)由于時(shí)間和波長(zhǎng)變化而導(dǎo)致的更復(fù)雜電荷分離過(guò)程的分析與理解[3]。

本文展示了使用Freiberg Instruments GmbH生產(chǎn)的新型緊湊型非接觸式高分辨率SPV光譜(HR-SPS)，采用固定能量激發(fā)源獲得的SPV信號(hào)強(qiáng)度和弛豫時(shí)間常數(shù)圖。檢測(cè)晶圓大直徑可達(dá)300 mm，該系統(tǒng)配備了X-Ymapping和Z軸距離控制裝置，不同波長(zhǎng)的光通過(guò)小孔引導(dǎo)至樣品。采用固定電容方式收集信號(hào)。

根據(jù)要研究的材料選擇光源：使用一組能量略高于和略低于材料帶隙的光源來(lái)研究缺陷和摻雜分布是有效的。對(duì)于SiC晶圓，建議使用320 nm至500 nm范圍內(nèi)的光源。將測(cè)量頭移置在晶圓上方0.3 mm的固定距離處，并使用兩內(nèi)置的375 nm和450 nm光源以及一個(gè)外置的355 nm紫外激光器，空間分辨率（每?jī)纱螠y(cè)量之間的距離）固定為1 mm（為了獲得更好的信號(hào)質(zhì)量，可以改為 0.1 mm）。200 mm晶圓（標(biāo)準(zhǔn)1 mm分辨率）的完整mapping通常需要大約30分鐘。

表面光電壓信號(hào)強(qiáng)度是，使用具有低寄生電容和高信噪比的電容器讀出電路進(jìn)行電子測(cè)量。所有測(cè)量都涉及用激光照射SiC半導(dǎo)體以產(chǎn)生飽和的非平衡載流子，此過(guò)程中表面光電壓信號(hào)達(dá)到高值。照射停止后，新生成的載流子會(huì)經(jīng)歷一個(gè)可持續(xù)數(shù)百毫秒的弛豫過(guò)程[4]。通過(guò)觀察關(guān)激光后表面光電壓信號(hào)如何隨時(shí)間變化，可以獲得有關(guān)材料的有價(jià)值的信息。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了晶圓表面質(zhì)量（拋光晶圓（未蝕刻）、蝕刻粗糙表面、精磨和粗磨表面）之間的差異。例如，使用帶隙附近的多個(gè)光源測(cè)量的4H-SiC晶圓拋光輪顯示出非常清晰的圖案（見圖1）。研究了一致的模式，即表面質(zhì)量的巨大差異：較高的SPV信號(hào)幅度表明更好的表面質(zhì)量，大的時(shí)間常數(shù)意味著樣品中明顯存在陷阱。

綜上所述，該技術(shù)可用于研究SiC晶圓中的缺陷、測(cè)量摻雜濃度水平和摻雜濃度水平變化以及亞表面損傷，并為在無(wú)晶圓和無(wú)晶圓生產(chǎn)線中快速、高效應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)。層損傷。

作者要感謝 T. Dittrich 和 S. Fengler（Helmholtz-Zentrum Berlin）、I. Ellebrecht 和 K. Gottfried（ErzM-Technologies UG）以及 L. Grieger（Malvern Panalytical）進(jìn)行了富有成效的討論并提供了 SiC 晶片和 以及 BMWI 和 ZIM 提供資金。

圖 1. 使用 355 nm（左）、375 nm（中）和 450 nm（右）紫外激光測(cè)量的帶有拋光輪圖案的 SiC 晶圓的 SPV 信號(hào)高度圖。

參考文獻(xiàn)：

[1]   P.-C. Chen et al., Nanoscale Research Letters 17(1), 30 (2022).

[2]   T. Dittrich, S. Fengler, Surface photovoltage analysis of photoactive materials (World Scientific, 2020), p. 287.

[3]   R. Chen, F. Fan, Th. Dittrich and C. Li, Chem. Soc. Rev. 47, 8238 (2018).

[4]   T. Clausen, N. Schüler, K. Dornich, presented at the ICSCRM2023, Sorrento, Italy, 2023 (unpublished).