应用分享 | 使用高分辨率表面光电压(SPV)光谱分析SiC晶圆的表面质量

具有宽带隙的碳化硅基半导体，在制备各种高频、高温和大功率电子器件方面具有非常有前景。因此，提高SiC晶圆的质量，解决SiC制造工艺的高成本和低成品率是目前工业生产紧迫的问题之一[1]。而对于在线批量生产，检测SiC晶圆的质量不能不能对其表面产生损伤，因此需要使用高分辨率、非破坏性表面检测技术。

表面光电压（SPV）技术是一种研究光活性材料中电荷分离和转移过程的先进方法[2]。光生载流子在空间上的分离和表面光生载流子的演化有关。因此，该技术灵敏度高、非接触式并且在表面监测中不具有破坏性。此外，它还适用对由于时间和波长变化而导致的更复杂电荷分离过程的分析与理解[3]。

本文展示了使用Freiberg Instruments GmbH生产的新型紧凑型非接触式高分辨率SPV光谱(HR-SPS)，采用固定能量激发源获得的SPV信号强度和弛豫时间常数图。检测晶圆大直径可达300 mm，该系统配备了X-Ymapping和Z轴距离控制装置，不同波长的光通过小孔引导至样品。采用固定电容方式收集信号。

根据要研究的材料选择光源：使用一组能量略高于和略低于材料带隙的光源来研究缺陷和掺杂分布是有效的。对于SiC晶圆，建议使用320 nm至500 nm范围内的光源。将测量头移置在晶圆上方0.3 mm的固定距离处，并使用两内置的375 nm和450 nm光源以及一个外置的355 nm紫外激光器，空间分辨率（每两次测量之间的距离）固定为1 mm（为了获得更好的信号质量，可以改为 0.1 mm）。200 mm晶圆（标准1 mm分辨率）的完整mapping通常需要大约30分钟。

表面光电压信号强度是，使用具有低寄生电容和高信噪比的电容器读出电路进行电子测量。所有测量都涉及用激光照射SiC半导体以产生饱和的非平衡载流子，此过程中表面光电压信号达到高值。照射停止后，新生成的载流子会经历一个可持续数百毫秒的弛豫过程[4]。通过观察关激光后表面光电压信号如何随时间变化，可以获得有关材料的有价值的信息。

实验结果显示了晶圆表面质量（抛光晶圆（未蚀刻）、蚀刻粗糙表面、精磨和粗磨表面）之间的差异。例如，使用带隙附近的多个光源测量的4H-SiC晶圆抛光轮显示出非常清晰的图案（见图1）。研究了一致的模式，即表面质量的巨大差异：较高的SPV信号幅度表明更好的表面质量，大的时间常数意味着样品中明显存在陷阱。

综上所述，该技术可用于研究SiC晶圆中的缺陷、测量掺杂浓度水平和掺杂浓度水平变化以及亚表面损伤，并为在无晶圆和无晶圆生产线中快速、高效应用奠定良好的基础。层损伤。

作者要感谢 T. Dittrich 和 S. Fengler（Helmholtz-Zentrum Berlin）、I. Ellebrecht 和 K. Gottfried（ErzM-Technologies UG）以及 L. Grieger（Malvern Panalytical）进行了富有成效的讨论并提供了 SiC 晶片和 以及 BMWI 和 ZIM 提供资金。

图 1. 使用 355 nm（左）、375 nm（中）和 450 nm（右）紫外激光测量的带有抛光轮图案的 SiC 晶圆的 SPV 信号高度图。

参考文献：

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[4]   T. Clausen, N. Schüler, K. Dornich, presented at the ICSCRM2023, Sorrento, Italy, 2023 (unpublished).