半導(dǎo)體器件 功率器件用碳化硅同質(zhì)外延片缺陷的無損檢測(cè)識(shí)別判據(jù) 第3部分：缺陷的光致發(fā)光檢測(cè)方法 編制說明

1》碳化硅(SiC)作為典型的寬禁帶半導(dǎo)體材料，與硅(Si)相比，具有擊穿電場(chǎng)高、導(dǎo)熱率高、飽和電子漂移速度高和本征載流子濃度低等優(yōu)越的物理性能，非常適合在大功率、高溫和高頻環(huán)境下應(yīng)用，因此廣泛應(yīng)用于新一代功率半導(dǎo)體器件中。SiC基功率半導(dǎo)體器件相對(duì)于硅基器件，具有更快的開關(guān)速度、低損耗、高阻斷電壓和耐高溫等性能。當(dāng)前，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正處于深度變革，化合物半導(dǎo)體成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展新的關(guān)注點(diǎn)，我國(guó)正加緊產(chǎn)業(yè)布局，搶占發(fā)展的主動(dòng)權(quán)。SiC外延片是在碳化硅單晶拋光片上經(jīng)過化學(xué)氣相沉積反應(yīng)生長(zhǎng)一層導(dǎo)電類型、載流子濃度、厚度和晶格結(jié)構(gòu)都符合要求的碳化硅單晶薄膜，SiC同質(zhì)外延片中存在的缺陷是衡量SiC外延片質(zhì)量的重要參數(shù)，也直接影響SiC基功率半導(dǎo)體器件的成品率和可靠性，準(zhǔn)確識(shí)別SiC外延片中的缺陷，對(duì)于SiC外延片的制備、使用有重要的意義。關(guān)于SiC外延片中的缺陷分類及其檢測(cè)方法，在我國(guó)目前均無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，需制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范SiC外延片的缺陷分類及其檢測(cè)方法，指導(dǎo)SiC外延片的生產(chǎn)和使用，促進(jìn)國(guó)內(nèi)SiC半導(dǎo)體材料和SiC基功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展。《半導(dǎo)體器件功率器件用碳化硅同質(zhì)外延片缺陷的無損檢測(cè)識(shí)別判據(jù)第3部分：缺陷的光致發(fā)光檢測(cè)方法》標(biāo)準(zhǔn)制定是2021年第4批國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃項(xiàng)目，計(jì)劃項(xiàng)目批準(zhǔn)文號(hào)：國(guó)標(biāo)委發(fā)【2021】41號(hào)，計(jì)劃項(xiàng)目代號(hào)：20214654-T-469。歸口單位為全國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備和材料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(TC203)，執(zhí)行單位為全國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備和材料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)材料分會(huì)(TC203/SC2)，承辦單位為中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，項(xiàng)目周期為18個(gè)月。3.1、起草階段2021.1~2021.6:成立了編制組,查詢、收集和分析相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)資料。編制組由半導(dǎo)體材料的設(shè)計(jì)人員、工藝人員、檢驗(yàn)試驗(yàn)管理人員和標(biāo)準(zhǔn)化人員組成；編制組首先對(duì)IEC63068-3Ed1.0:2020進(jìn)行翻譯和研究，同時(shí)對(duì)收集的SiC外延材料相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和資料進(jìn)2行分析，在草案的基礎(chǔ)上對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步的完善，形成《半導(dǎo)體器件功率器件用碳化硅同質(zhì)外延片缺陷的無損檢測(cè)識(shí)別判據(jù)第3部分：缺陷的光致發(fā)光檢測(cè)方法》征求意見稿。4、標(biāo)準(zhǔn)主要起草單位及人員所做的工作中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所作為本標(biāo)準(zhǔn)的主要承辦單位，是國(guó)內(nèi)最早開展SiC同質(zhì)外延材料生長(zhǎng)研究的單位之一，多年從事各種材料的研制工作，目前已實(shí)現(xiàn)SiC外延材料工程化生產(chǎn)，形成了碳化硅外延工藝生產(chǎn)和測(cè)試平臺(tái)，掌握了設(shè)計(jì)仿真、缺陷表征、參數(shù)檢測(cè)以及穩(wěn)定性控制的全套外延生產(chǎn)技術(shù)，SiC外延片產(chǎn)品摻雜濃度不均勻性、厚度不均勻性、缺陷等典型指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，技術(shù)力量雄厚，測(cè)試分析手段豐富，擁有多臺(tái)套國(guó)際先進(jìn)、全系列的半導(dǎo)體外延材料測(cè)試設(shè)備，具備制定本標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)實(shí)力，在標(biāo)準(zhǔn)制定過程中同時(shí)也牽頭組織了標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)驗(yàn)證工作，為標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容的確定奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。本標(biāo)準(zhǔn)的其他起草單位有之江實(shí)驗(yàn)室、浙江大學(xué)、蕪湖啟迪半導(dǎo)體有限公司、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所、山東天岳先進(jìn)科技股份有限公司。本文件主要起草人蘆偉立、房玉龍、李佳、王健、張冉冉、李麗霞、張建峰、李振廷、徐晨、楊青、殷源、鈕應(yīng)喜、劉立娜、楊世興。二、標(biāo)準(zhǔn)編制原則及確定標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容的依據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)等同采用IEC63068-3Ed1.0:2020《半導(dǎo)體器件功率器件用碳化硅同質(zhì)外延片缺陷的無損檢測(cè)識(shí)別判據(jù)第3部分：缺陷的光致發(fā)光檢測(cè)方法》。標(biāo)準(zhǔn)編寫符合GB/T《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第2部分：以ISO/IEC標(biāo)準(zhǔn)化文件為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)化文件起草規(guī)則》的規(guī)定。除編輯性修改外，標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容與IEC63068-3:2020保持一致。本標(biāo)準(zhǔn)包含范圍、引用文件、術(shù)語和定義和缺陷分類四章內(nèi)容。具體說明如下：本文件確立了利用光致發(fā)光檢測(cè)商用4H-SiC外延晶圓缺陷的定義和方法。通過列舉光致發(fā)光圖譜和發(fā)射光譜等對(duì)SiC外延晶圓的缺陷做了鑒定和分類。2.2、規(guī)范性引用文件3本文件沒有規(guī)范性引用文件。2.3、術(shù)語和定義本文件給出了光致發(fā)光、光致發(fā)光成像、光學(xué)聚焦、光學(xué)濾光片、光學(xué)成像傳感器、圖像捕捉、初始數(shù)字化圖像、電荷耦合器件圖像傳感器、像素、分辨率、空間分辨率、灰度、灰度等級(jí)、圖像處理、二進(jìn)制映像、亮度、對(duì)比、陰影校正、閾值、邊界檢測(cè)、圖像分析、圖像評(píng)估、標(biāo)準(zhǔn)晶片、測(cè)試晶片、晶向、缺陷、微管、螺旋螺位錯(cuò)、螺旋刃位錯(cuò)、基矢面位錯(cuò)、劃痕、堆垛層錯(cuò)、延伸堆垛層錯(cuò)、復(fù)合堆垛層錯(cuò)、多型包裹體、顆粒包裹體、臺(tái)階聚集簇、表面顆粒的術(shù)語和定義，其中晶向、顆粒等術(shù)語在GB/T14264-2009《半導(dǎo)體材料術(shù)語》也有定義，本文件中術(shù)語主要參考IEC標(biāo)準(zhǔn)原文翻譯，IEC原文件保持一致。2.4、光致發(fā)光法本文件指出具有典型光致發(fā)光特征的缺陷將通過光致發(fā)光法評(píng)估。部分線位錯(cuò)顯示為明亮的線形圖像，包括BPD；部分面位錯(cuò)顯示為暗反差圖像，包括堆垛層錯(cuò)，延伸堆垛層錯(cuò)，復(fù)合堆垛層錯(cuò)，以及多型包裹體。本測(cè)試方法的原理是利用碳化硅同質(zhì)外延片的缺陷可被光致發(fā)光的圖像捕捉，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為數(shù)字模式。SiC同質(zhì)外延晶片受能量大于4H-SiC禁帶寬度的激發(fā)光照射，其結(jié)果是PL被收集并且記錄為包含缺陷的特定區(qū)域的PL圖像。PL是通過光學(xué)圖像傳感器如CCD圖像傳感器檢測(cè)，同時(shí)PL圖像經(jīng)常由光學(xué)濾光器獲得，光學(xué)波光器傳導(dǎo)適用于檢測(cè)到的不同缺陷種類的特定PL波長(zhǎng)范圍。然后獲得的PL圖像(數(shù)字圖像)經(jīng)過圖像的灰度處理。經(jīng)過特定的圖像分析，圖像信息被簡(jiǎn)化為特定檢測(cè)缺陷的設(shè)定值。2.4.3、測(cè)試條件2.4.3.1、測(cè)試設(shè)備本測(cè)試方法所需的測(cè)試設(shè)備有部分組成，包括PL成像系統(tǒng)、光源、物鏡和濾光器。不同的晶片說明和缺陷類型需要最合適的光源，光學(xué)聚焦以及濾波片，因此需要配備特定應(yīng)用的光源，光學(xué)聚焦以及濾波片的組合體。同時(shí)應(yīng)保持激發(fā)光的光譜和能量分布在整個(gè)測(cè)試周期內(nèi)穩(wěn)定不變。2.4.3.2、晶片放置和調(diào)焦晶片被放置在互相成直角的X軸和Y軸確定的平面內(nèi)。Z軸是圖像捕捉系統(tǒng)的光軸。4光學(xué)圖像捕捉的前端和晶片表面的距離是固定的，與晶片的厚度無關(guān)，因此調(diào)焦和放大率相互不產(chǎn)生影響。2.4.3.3、圖像捕捉經(jīng)典的圖像捕捉系統(tǒng)由光源，光學(xué)調(diào)焦，作為光學(xué)數(shù)字傳感器的CCD圖像傳感器，光路校正系統(tǒng)，載物臺(tái)以及束縛光的外殼構(gòu)成。暗箱或齒條罩被用來阻擋外部光線的干擾。2.4.3.4、圖像處理利用二進(jìn)制(黑/白)分析和灰度兩種方法分析圖像。采用閾值程序能夠從灰度圖像獲得二進(jìn)制圖像。圖像分析使用合適的運(yùn)算法則能夠成功檢測(cè)出測(cè)試襯底的缺陷。2.4.3.5、圖像分析圖像分析有兩種方法：二進(jìn)制(黑/白)分析和灰度分析。采用閾值程序能夠從灰度圖像獲得二進(jìn)制圖像。2.4.3.6、圖像評(píng)估圖像分析的結(jié)果設(shè)定為特定應(yīng)用的相應(yīng)值。3.7、記錄PL成像系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)將被記錄。包括：光源的激發(fā)光波長(zhǎng)、光學(xué)圖像傳感器經(jīng)過濾光片檢測(cè)的波長(zhǎng)范圍及PL成像系統(tǒng)的空間分辨率。2.4.4、參數(shù)設(shè)置4.1、概況參數(shù)設(shè)置的目的在于確定圖像捕獲系統(tǒng)的參數(shù)，經(jīng)此過程，圖像分析會(huì)通過標(biāo)準(zhǔn)晶片識(shí)別測(cè)試晶片缺陷的表面特征。測(cè)試晶片應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)晶片做對(duì)比。標(biāo)準(zhǔn)晶片的結(jié)構(gòu)和說明應(yīng)盡可能接近測(cè)試晶片，因此準(zhǔn)備的標(biāo)準(zhǔn)晶片和測(cè)試晶片來自同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室或工廠，采用相同的設(shè)備和程序。2.4.4.2、參數(shù)設(shè)置過程參數(shù)設(shè)置應(yīng)該在使用標(biāo)準(zhǔn)晶片的設(shè)置后生效。使用選定的PL成像系統(tǒng)在測(cè)試晶片上獲得每個(gè)缺陷的圖像。測(cè)試晶片上缺陷的圖像應(yīng)該與標(biāo)準(zhǔn)晶片上缺陷的圖像進(jìn)行視覺比較。使用參數(shù)最優(yōu)的PL成像系統(tǒng)建立測(cè)試晶片的圖像。一旦確定合適的閾值，數(shù)字化圖像提供，分析，對(duì)比相關(guān)的缺陷結(jié)構(gòu)。5PL成像系統(tǒng)能通過典型PL特征確定缺陷的尺寸和形狀。圖像分析提供數(shù)據(jù)識(shí)別缺陷的位置和種類。測(cè)試晶片的邊緣去除應(yīng)小于5mm。2.6.2、面缺陷和體缺陷的平均寬度給出了根據(jù)已知的外延層厚度及切片偏角計(jì)算平行于切片方向的面缺陷和體缺陷的平均寬度的計(jì)算公式。但是這個(gè)計(jì)算公式不適用于顆粒包裹體和表面顆粒的面和體缺2.6.3、評(píng)估過程形成缺陷mapping圖，該mapping圖標(biāo)示缺陷在整個(gè)晶片上的位置(平面坐標(biāo))。此圖中，晶片的平邊或V型凹槽的方向同樣被標(biāo)出。相比晶片的主邊緣，該地圖的初始坐標(biāo)應(yīng)該在圓心。坐標(biāo)的縱軸應(yīng)該平行于晶片的主方向平面。尚未建立衡量該測(cè)試精確度的方法。2.8、測(cè)試報(bào)告給出了測(cè)試報(bào)告所需要包含的內(nèi)容，其中必須包含的有PL成像檢測(cè)到的缺陷種類的數(shù)量；測(cè)試晶片的制造商、產(chǎn)品名稱、晶片編號(hào)；參考IEC63068-3標(biāo)準(zhǔn)；PL成像系統(tǒng)的光源激發(fā)光波長(zhǎng)、晶圓表面激發(fā)光強(qiáng)度、光學(xué)成像傳感器經(jīng)過濾光器的波長(zhǎng)范圍、PL成像系統(tǒng)的分辨率；測(cè)試數(shù)據(jù)。另外也給出了部分可選內(nèi)容，包括所有檢測(cè)缺陷的位置(平面坐標(biāo))、缺陷分布圖、部分程序中的偏差、部分觀察到的獨(dú)特特征等。2.9、缺陷的光致發(fā)光圖像本文件在附錄A中給出了4H-SiC同質(zhì)外延晶片(外延層厚度：10um)缺陷典型PL圖像和特征。PL成像系統(tǒng)所用的激發(fā)光波長(zhǎng)為365nm。使用650nm濾波器檢測(cè)缺陷。本文件在附錄B中給出了具有典型PL特征的缺陷在常溫下獲得的PL譜。采用32cmPL用325nmHe-Cd激光器作為激發(fā)光源，采用具有150線/mm格柵的分光計(jì)，并用CCD捕捉。激光束進(jìn)入顯微鏡并通過物鏡聚焦，激光束在樣品晶片表面被聚焦為2μm左右的光斑，能量密度一般為30kW/cm2-100kW/cm2。三、標(biāo)準(zhǔn)水平分析本標(biāo)準(zhǔn)等同采用IEC63068-3Ed1.0:2020《Semiconductordevice-Non-destructiverecognitioncriteriaofdefectsinsiliconcarbidehomoepitaxialwaferforpowerdevices–Part3:Testmethodfordefectsusingphotoluminescence》，標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)保持一致。本次標(biāo)準(zhǔn)的制定對(duì)碳化硅同質(zhì)外延片制備技術(shù)的提高，規(guī)范碳化硅外延片產(chǎn)業(yè)的發(fā)6展起到巨大的推動(dòng)作用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的接軌。本標(biāo)準(zhǔn)為推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了國(guó)際一般水平。四、與現(xiàn)行法律、法規(guī)、強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)配套情況關(guān)于功率器件用碳化硅同質(zhì)外延片的缺陷分類和檢測(cè)方法，目前國(guó)內(nèi)無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。本標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)行的法律、法規(guī)及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)沒有沖突，不涉及知識(shí)產(chǎn)權(quán)糾紛。五、重大分歧意見的處理經(jīng)過和依據(jù)編制組根據(jù)起草前確定的編制原則進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)起草，標(biāo)準(zhǔn)起草小組前期進(jìn)行了充分的準(zhǔn)備和調(diào)研，并做了大量調(diào)查論證、信息分析和試驗(yàn)工作，標(biāo)準(zhǔn)在主要技術(shù)內(nèi)容上，行業(yè)內(nèi)取得了較為一致的意見，標(biāo)準(zhǔn)起草過程中未發(fā)生重大分歧意見。六、標(biāo)準(zhǔn)作為強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)或推薦性標(biāo)準(zhǔn)的建議建議本標(biāo)準(zhǔn)將作為推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施