SiC碳化硅外延片表面测试方案

在全球市场中，单晶衬底企业主要有 Cree、DowCorning、SiCrystal、II-VI、新日铁住金、Norstel 等，外延片企业主要有 DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、罗姆、三菱电机、Infineon 等，器件方面，全球大部分市场份额被 Infineon、Cree、罗姆、意法半导体等少数企业瓜分。

不过，近年来国内已初步建立起相对完整的碳化硅产业链体系，包括有 IDM 厂商中车时代电气、世纪金光、泰科天润、扬杰电子等，单晶衬底企业山东天岳、天科合达、同光晶体等，外延片企业天域半导体、瀚天天成等，部分厂商已取得阶段性进展。

外延材料是实现器件制造的关键，主要技术指标有表面缺陷密度、外延层厚度、外延层掺杂浓度和表面粗糙度等。下面阐述SiC外延表面常见的测试手段：

1.     表面缺陷(光学表面缺陷分析仪)

原理：SiC外延片的表面缺陷主要包括三角型、胡萝卜型缺陷、微管等，一般常用光学表面缺陷扫描仪来检测，其采用激光扫描样品表面，在缺陷部位信噪比增强，通过结合亮场，暗场，偏光和微分等通道，可以对各类缺陷进行统计分析。

应用：表面缺陷、凹坑、脏污、划痕、应力、膜厚等

测量缺陷灵敏度：70nm PSL（@smooth Si ），150nm PSL（@smooth Glass ）

膜厚灵敏度：0.5A

厂商：美国KLA、Lumina Instruments等

2.     掺杂浓度（汞探针CV测试仪）

原理：汞探针CV测试仪是利用肖特基势垒电容C-V特性来测试掺杂浓度的测试方法。汞探针和N型碳化硅外延层接触时，在N型碳化硅外延层一侧形成势垒。在汞金属和碳化硅外延层之间加一直流反向偏压时，肖特基势垒宽度向外延层中扩展。如果在直流偏压上叠加一个高频小信号电压，其势垒电容随外加电压的变化而变化可起到电容的作用。通过电容-电压变化关系，即可找到金属-半导体肖特基势垒在外延层一侧的掺杂浓度分布。

应用：外延掺杂浓度，电阻率等

测量范围： 1E14 – 1E19/cm3。

厂商：美国4D

3.     外延层膜厚 (傅里叶红外光谱，FR-IR)

原理：对于掺杂的SiC外延片，红外光谱测量膜厚为通用的行业标准。碳化硅衬底与外延层因掺杂浓度的不同导致两者具有不同的折射率，因此试样的反射光谱会出现反映外延层厚度信息的连续干涉条纹。当外延层表面反射的光束和衬底界面反射的光束的光程差是半波长的整数倍时，反射光谱中可以观察到极大极小值。根据反射谱中干涉条纹的极值峰位，试样的光学常数以及入射角可以计算出相应的外延层厚度。

应用：测定SiC外延层膜厚

厂商：Thermo Fishter，PE，Onto Innovation等

4.     粗糙度 (原子力显微镜，AFM)

原理：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。

应用：样品表面形貌、表面粗糙度、力学、电学等性能测量。

测量范围：横向最大100*100um，纵向0-15um，Z向分辨率0.015nm。

厂商：Park System，Bruker等

此外，通常还需要测定外延片几何尺寸，光致发光测定空位缺陷和应力仪测定应力分布等，通过多种测试技术的配合使用，从而得到高质量的外延片，为后续器件制造奠定基础。