XRT 在半导体材料晶体缺陷表征中的应用介绍——SiC衬底材料

XRT 在半导体材料晶体缺陷表征中的应用介绍——SiC衬底材料

XRT 在半导体材料晶体缺陷表征中的应用介绍

上一篇应用我们对日本理学（Rigaku）XRT设备的测试原理和仪器特点做了综合介绍，接下来这部分内容我们将结合具体半导体材料测试案例进一步为大家介绍XRT如何在不破坏样品的情况下神奇、准确地测试材料内部的晶体缺陷。

第三代半导体主要应用在光电子和功率电子领域，见图1。光电子涉及LED、LD及光探测器，目前热门赛道是Micro-LED及深紫外LED，主要是氮化镓等氮化物的应用。功率电子包括电力电子及微波射频，明星器件是碳化硅SBD及MOSFET、GaN HEMT等，主要是碳化硅和氮化镓的竞争及合作，竞争是在电力电子领域，碳化硅适合中高压，氮化镓适合中低压，故在中压范围 (650—1200 V) 是一争高下之地。但是在微波射频领域，两者又是珠联璧合、完美合作的典范，半绝缘碳化硅衬底上外延生长氮化镓，形成SiC基GaN-HEMT，它现今在5G基站功率放大器中占据了半壁江山，据预测，它的地位还要逐步提升，将来可能独占5G基站[1]。

图1 第三代半导体的物性及其应用领域

近年来，随着5G基站的建设以及特斯拉和比亚迪的热卖，碳化硅衬底市场风起云涌。据中国电子材料行业协会半导体材料分会统计我国从事碳化硅衬底研制的企业已经有30家（不包括中国电科46所、硅酸盐所、浙江大学和天津理工大学等纯研究机构），近年来这些单位的规划总投资已经超过300亿元，规划总产能已经超过180万片/年[2]。

图2 国内碳化硅衬底竞争对比

SiC单晶的缺陷主要包括微管、刃型位错、螺型位错、层错和小角晶界等。由于SiC晶体中一种缺陷的存在往往会诱发其它缺陷产生，从而影响器件使用性能。因此，对这些缺陷进行测试和研究，了解其产生原因及生长规律对于后续质量改进和品质控制都是十分重要的。XRT作为新型无损检测方法在对上述缺陷的检测和表征表现十分优异。图3为XRT典型透射模式下晶向为（0001）的SiC 晶圆衬底。该图中可以看到有三类缺陷：基平面位错（Basal Plane Dislocation，BPD），螺型位错（Threading Screw Dislocation, TSD）和 刃型位错（Threading Edge Dislocation, TED）。大而强的斑点对应的是TSD缺陷，这类位错方向沿c轴方向，在TSD位错周边存在较大的应力场。其伯格斯矢量为b=nc，此处n=1,2。在XRT图片内BPD缺陷在（0001）平面内呈线状扩张。一些微小斑点和短线则是TED缺陷，也是沿着c轴方向。通常TED缺陷区域伴随着较小的应力场，这是由于其伯格斯矢量为b=a/3

图3 （0001）晶向SiC 晶圆衬底XRT图片

为了验证XRT所表征SiC缺陷类型的准确性，我们对同一SiC衬底分别用同步辐射形貌设备（Synchrotron topography）和XRT进行位错缺陷的表征。同步辐射形貌设备是业界公认的用于表征位错的标准方法。图4为分别为XRT与同步辐射所拍图片的对比，其中XRT分别采用Cu靶和Mo靶进行了反射模式和透射模式测量。通过比较可知，同步辐射所拍位错形貌更清晰一些。对于XRT的反射模式而言，大部分TSD位错都可以完整、清晰的呈现出来。而在透射模式下，我们可以同时观察到一些BPD位错和TSD位错。其中对于同步辐射所不能表征的BPD位错在透射模式下可以清晰地看到其分布及变化趋势，BPD位错对于器件性能影响较大，准确地测量和表征BPD位错将是十分必要的[3]。

图4 从左至右分别为同步辐射形貌图，XRT 反射模式，XRT透射模式[3]

在采用XRT 完成位错缺陷图片采集之后，如何得到准确的位错数据就是理学XRT设备软件的另一大亮点。XRT自带软件不但可以给出每种缺陷对应的EPD数值，还可以用不同颜色显示出对应位错缺陷在晶片中的分布和变化规律，分别见图5和图6。

图5 XRT 软件计算SiC衬底三类缺陷EPD数值[3]
图6 XRT 软件给出TSD 位错分布[3]

附：

[1]  半导体行业观察,第三代半导体的自画像;[2]  今日半导体 30家碳化硅衬底项目盘点；[3]  理学XRT应用介绍内部资料。