（高清版）GBT 43493.2-2023 半導體器件 功率器件用碳化硅同質(zhì)外延片缺陷的無損檢測識別判據(jù) 第2部分：缺陷的光學檢測方法

CCSL90半導體器件功率器件用碳化硅同質(zhì)外延片缺陷的無損檢測識別判據(jù)第2部分：缺陷的光學檢測方法carbidehomoepitaxialwaferforpowerdevices—Part2:Testmethodfor2023-12-28發(fā)布2024-07-01實施國家市場監(jiān)督管理總局國家標準化管理委員會GB/T43493.2—2023/IEC63068-2:2019 I Ⅱ 2規(guī)范性引用文件 3術語和定義 4光學檢測方法 54.1通則 4.2原理 4.3測試需求 4.4參數(shù)設置 4.5測試步驟 4.6評價 4.7精密度 4.8測試報告 附錄A(資料性)缺陷的光學檢測圖像 A.1概述 A.2微管 A.5BPD A.6劃痕痕跡 A.7堆垛層錯 A.8延伸堆垛層錯 A.9復合堆垛層錯 A.10多型包裹體 A.11顆粒包裹體 A.12臺階聚集簇 參考文獻 I本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結(jié)構和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件是GB/T43493《半導體器件功率器件用碳化硅同質(zhì)外延片缺陷的無損檢測識別判據(jù)》的——第1部分：缺陷分類；——第2部分：缺陷的光學檢測方法；——第3部分：缺陷的光致發(fā)光檢測方法。本文件等同采用IEC63068-2:2019《半導體器件功率器件用碳化硅同質(zhì)外延片缺陷的無損檢測識別判據(jù)第2部分：缺陷的光學檢測方法》。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布結(jié)構不承擔識別專利的責任。本文件由全國半導體設備和材料標準化技術委員會(SAC/TC203)與全國半導體設備和材料標準化技術委員會材料分技術委員會(SAC/TC203/SC2)共同提出并歸口。本文件起草單位：河北半導體研究所(中國電子科技集團公司第十三研究所)、之江實驗室、中國電子科技集團公司第四十六研究所、浙江大學、山東天岳先進科技股份有限公司、河北普興電子科技股份有限公司、中國科學院半導體研究所、中電化合物半導體有限公司、山西爍科晶體有限公司、廣東天域半導體股份有限公司、深圳市星漢激光科技股份有限公司、常州銀河世紀微電子股份有限公司、深圳市恒運昌真空技術有限公司、深圳市鷹眼在線電子科技有限公司、深圳超盈智能科技有限公司、常州臻晶半導體有限公司、廈門柯爾自動化設備有限公司、廈門普誠科技有限公司。Ⅱ碳化硅(SiC)作為半導體材料，被廣泛應用于新一代功率半導體器件中。與硅(Si)相比，具有擊穿電場強度高、導熱率高、飽和電子漂移速率高和本征載流子濃度低等優(yōu)越的物理性能，SiC基功率半導體器件相對于硅基器件，具有更快的開關速度、低損耗、高阻斷電壓和耐高溫等性能。SiC功率半導體器件尚未全面得以應用，主要由于成本高、產(chǎn)量低和長期可靠性等問題。其中一個嚴重的問題是SiC外延材料的缺陷。盡管都在努力降低SiC外延片中的缺陷，但商用SiC外延片中仍存在一定數(shù)量的缺陷。因此有必要建立SiC同質(zhì)外延片質(zhì)量評定國際標準。GB/T43493旨在給出高功率半導體器件用4H-SiC同質(zhì)外延片中各類缺陷的分類、光學檢測方法和光致發(fā)光檢測方法。由三個部分組成。 第1部分：缺陷分類。目的是列出并提供高功率半導體器件用4H-SiC同質(zhì)外延片中各類缺陷及其典型特征?！?部分：缺陷的光學檢測方法。目的是給出并提供高功率半導體器件用4H-SiC同質(zhì)外延片中缺陷光學檢測的定義和指導方法。 目的是給出并提供高功率半導體器件用4H-SiC同質(zhì)外延片中缺陷光致發(fā)光檢測的定義和指導方法。1半導體器件功率器件用碳化硅同質(zhì)外延片缺陷的無損檢測識別判據(jù)第2部分：缺陷的光學檢測方法本文件提供了在商用碳化硅(SiC)同質(zhì)外延片產(chǎn)品上缺陷光學檢測的定義和方法。主要是通過給出這些缺陷的光學圖像示例，為SiC同質(zhì)外延片上缺陷的光學檢測提供檢測和分類的依據(jù)。本文件主要論述缺陷的無損表征方法，因此有損表征例如濕法腐蝕等不包含在本文件范圍內(nèi)。2規(guī)范性引用文件本文件沒有規(guī)范性引用文件。3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。ISO和IEC維護的用于標準化的術語數(shù)據(jù)庫地址如下：光學檢測opticalinspection在光學圖像傳感器中利用光學成像對晶片進行形態(tài)檢測，在非接觸測試方法下掃描晶片表面以獲得缺陷的特征，例如缺陷的大小和形狀。光學成像opticalimaging利用光源照明、光學部件、光學圖像傳感器和計算機系統(tǒng)捕捉、處理和分析缺陷圖像的技術。為觀察缺陷及其周圍狀態(tài)而使用的光照。反射光照明reflectiveillumination通過觀察光照射到晶片表面的反射光獲得缺陷信息。從特定方向入射到晶片的照明。散射光diffusedlighting從隨機方向入射到晶片的照明。2光學圖像傳感器檢測缺陷反射和散射光線的圖像采集方法。光學圖像傳感器僅檢測缺陷散射光線的圖像采集方法。差分干涉對比檢測differentialinterferencecontrastobservation通過在晶片表面上相鄰點之間照射兩個正交偏振光，利用光路差異產(chǎn)生對比度的圖像捕獲方法。偏振光檢測polarizedlightobservation使用偏振板產(chǎn)生偏振光，通過光學圖像傳感器檢測缺陷偏振發(fā)光的方法。將光學圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字數(shù)據(jù)的裝置。組成光學系統(tǒng)并用來捕獲光學圖像的透鏡、反射鏡、濾光器等部件。建立晶片缺陷的二維原始數(shù)字圖像的過程。原始數(shù)字圖像originaldigitalimage由光學圖像傳感器拍攝的未進行任何圖像處理的數(shù)字化圖像。注：原始數(shù)字圖像通過網(wǎng)格劃分成像素，并為每個像素分配一個灰階。電荷耦合器件charge-coupleddevice;CCD將探測的光學信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W信號的光敏集成電路芯片。注：CCD由多個單元組成，每個單元對應原始數(shù)字圖像的一個像素。給定一個灰度數(shù)字值表示原始數(shù)字圖像中的最小單位。原始數(shù)字圖像每單位長度(或面積)的像素數(shù)。注：如果X和Y方向的分辨率不同，則記錄兩個值?；叶鹊牧炼鹊燃?。注：亮度等級通常由灰度等級的正整數(shù)表示。灰度greyscale從黑色到白色的灰色調(diào)范圍。38位灰度有2?(=256)個灰階值?；译A值0(第1階)對應黑色，灰階值255(第256階)對應白色。圖像處理imageprocessing對原始數(shù)字圖像的軟件操作(處理),為后續(xù)圖像分析做準備。注：例如，圖像處理能用來消除圖像捕獲(采集)過程中產(chǎn)生的錯誤，或?qū)D像信息壓縮為基本信息。二進制圖像binaryimage每個像素都被指定為0(黑)或1(白)的圖像。亮度brightness光學圖像指定部分的平均灰度值。光學圖像兩個指定部分的灰階差。陰影校正shadingcorrection用于校正晶片表面照明不均勻的軟件方法。從灰度圖像中創(chuàng)建二進制圖像的過程，此過程將值大于給定閾值的像素精確地顯示為白色，并將其他像素設置為黑色。注：建立二進制圖像，在原始灰度圖像中每個像素根據(jù)灰度大于或小于等于閾值來分別用0(黑色)和1(白色)邊緣檢測edgedetection在給定數(shù)字圖像中分離和定位缺陷和表面邊緣的方法。圖像分析imageanalysis通過軟件在處理后的圖像中提取圖像信息。通過缺陷分類方案將一個或多個特征圖像的分析結(jié)果關聯(lián)起來的過程。已通過評估的用于參數(shù)設置、檢查缺陷光學檢測過程的再現(xiàn)性和重復性的晶片。用于評估缺陷的SiC同質(zhì)外延片。通常用[uvw]表示的方向，代表一個矢量方向沿a、b、c軸的基矢的倍數(shù)。注1:在顯示六邊形對稱性的4H-SiC中，常用四位指數(shù)[uvtw]表示晶向。4注2:對于立方對稱和六邊形對稱的等效晶向族，分別用<uvw>和<uvtw>表示。[來源：ISO24173:2009,3.3,有修改，增加了注1和注2]晶體不完美部分。微管micropipe沿近似垂直基平面方向延伸的中空管。穿透型螺位錯threadingscrewdislocation;TSD在近似垂直基平面方向穿透晶體的螺位錯。穿透型刃位錯threadingedgedislocation;TED在近似垂直基平面方向穿透晶體的刃位錯?；矫嫖诲ebasalplanedislocation;BPD存在于基平面上的位錯。由襯底表面的機械損傷而產(chǎn)生的密集位錯線。堆垛層錯stackingfault晶面的疊加序列異常造成的單晶材料中的平面晶體缺陷。延伸堆垛層錯propagatedstackingfault從襯底向同質(zhì)外延層表面延伸的堆垛層錯。復合堆垛層錯stackingfaultcomplex由一個基平面堆垛層錯和一個棱柱面層錯組合而成的層錯。多型包裹體polytypeinclusion和同質(zhì)外延材料晶型不同的體缺陷。顆粒包裹體particleinclusion存在于同質(zhì)外延層中的微米級的顆粒。臺階聚集簇bunched-stepsegment由臺階聚集組成的表面粗糙形貌。表面顆粒surfaceparticle外延結(jié)束后沉積在外延層表面的顆粒。54光學檢測方法具有表面形態(tài)特征的缺陷應采用光學檢測法檢測。以下列出了沿[1120]晶向切角為4°的n/n+型4H-SiC同質(zhì)外延片中的缺陷：——晶片表面上的六邊形或圓形大孔的單個缺陷，如微管(圖A.1);——單個微小缺陷在晶片表面呈現(xiàn)直徑小于50μm的凹坑，如TSD(圖A.2)、TED(圖A.3);——沿各個方向延伸的單個線性缺陷，如劃痕痕跡(圖A.4);——在晶片表面呈現(xiàn)針狀特征的單個平面缺陷，其沿斜切方向延伸，如復合堆垛層錯(圖A.7);——在晶片表面上呈現(xiàn)隱約輪廓特征的單個平面缺陷，沿對角線方向延伸至斜切方向，如堆垛層錯(圖A.5)和延伸堆垛層錯(圖A.6);——導致晶片表面出現(xiàn)三角形特征的單個立體缺陷，沿斜切方向延伸，如多形包裹體(圖A.8);——單個立體缺陷，如顆粒包裹體(圖A.9)、表面顆粒；——在晶片表面上具有鈍角三角形或梯形特征的單個表面缺陷，如臺階聚集簇(圖A.10)。無表面形態(tài)特征的缺陷宜采用其他測試方法進行評估，如光致發(fā)光圖像和X射線形貌術。這些缺陷包括沒有表面形態(tài)特征的BPD、TSD、TED、堆垛層錯和延伸堆垛層錯。4.2原理晶片表面缺陷的原始數(shù)字圖像生成一個灰度圖像(或彩色圖像)。將此圖像轉(zhuǎn)換為二進制圖像(閾值),根據(jù)此圖可測量缺陷的形狀和尺寸，并計算指定區(qū)域內(nèi)缺陷的分布和數(shù)量。首先，捕獲缺陷的光學圖像并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。通過光學圖像傳感器，例如電荷耦合器件，捕獲光學圖像。然后，通過計算圖像的灰度來處理所獲得的數(shù)字圖像。通過一種特定的圖像分析方案，將圖像信息簡化為一組適于應用的數(shù)值。注：沿斜切方向延伸的面缺陷和體缺陷的大小和同質(zhì)外延層厚度相關。該缺陷的細節(jié)和光學圖像尺寸的計算方法分別在4.6.2和附錄A中描述。4.3測試需求不同的晶片表面條件和缺陷類型需要一個最佳的光學和照明裝置，以獲得要分析的圖像中的準確表面特征。因此，應準備一個適用的光學和照明組合裝置。常用的照明和檢測類型如下。a)照明類型為：1)定向照明；2)散射照明；3)定向照明和散射照明結(jié)合。b)檢測類型如下：2)暗場檢測；3)差分干涉對比檢測；4)偏振光檢測。所有類型的觀察都能在反射照明下進行。任何觀察都應消除晶片背面的影響。6應優(yōu)化光源和聚焦光學器件的組合，以實現(xiàn)晶片表面上光照強度的一致性。在適當?shù)姆秶鷥?nèi)調(diào)整晶片表面每個檢測點的光照強度，以便清晰地檢測到缺陷。光照強度一致性能使用硬件和/或軟件來保證光照強度和光譜功率分布在測試周期中穩(wěn)定不變。晶片應位于笛卡爾坐標系(X-Y)。第三軸(Z)是圖像采集系統(tǒng)的光軸。Z軸垂直于(X-Y)平面，其與晶片表面的交點應為焦點。圖像捕獲光學器件的前端和晶片表面的距離應為固定的，與晶片的厚度無關，因此聚焦和放大率相互不產(chǎn)生影響。光學系統(tǒng)通常由光源、聚焦光學器件、光學數(shù)字傳感器、照明幾何調(diào)整系統(tǒng)、晶片支架和不透光外殼組成。為了捕捉到明顯的缺陷圖像，光學系統(tǒng)的分辨率應遠小于缺陷的大小。原始數(shù)字圖像的推薦灰度范圍是每個像素的256個灰度級(8位)。光學數(shù)字傳感器將圖像信息數(shù)字化處理。為避免外部光源干擾，光學系統(tǒng)應有不透光外殼保護。為了保證圖像采集過程的重復性和再現(xiàn)性，應定期進行參數(shù)校準。能使用指定的參考晶片來執(zhí)行校準，例如硅或碳化硅晶片。不同的軟件解決方案宜采用不同的數(shù)學算法進行相似處理。不同的圖像處理算法產(chǎn)生的處理后的圖像也不會完全相同。例如進行參數(shù)設置時使用參考晶片，以確保測試結(jié)果具有可比性。圖像分析有兩種方法，二進制(黑/白)分析和灰度分析。采用閾值程序從灰度圖像獲得二進制圖像。與圖像處理一樣，圖像分析也需要進行一系列連續(xù)步驟來進行晶片中的缺陷分析。每一種缺陷分析應采用適當?shù)乃惴ㄟM行。圖像分析的結(jié)果是與特定應用相關的一組值，根據(jù)缺陷分類方案將這組值轉(zhuǎn)換成一個或多個特征值。照明、圖像采集、圖像處理和圖像分析的相關參數(shù)宜予以記錄，包括：a)照明：使用的光源和照明的形狀特征；b)圖像采集：原始數(shù)字圖像和圖像采集系統(tǒng)的詳細信息(制造商、產(chǎn)品名稱、光學元件、分辨率)、c)圖像處理和圖像分析：使用的程序(包括濾波器的細節(jié))以及所用軟件的詳細信息(制造商和產(chǎn)品名稱)。7GB/T43493.2—2023/IEC63068-2:20194.4參數(shù)設置4.4.1通則測試晶片宜與參考晶片進行對比分析。參數(shù)設置的目的是為了固定圖像采集參數(shù)，使圖像分析能夠通過參考晶片來識別測試晶片的缺陷的表面特征。進行觀察比較以確認參考晶片和測試晶片之間檢測到的缺陷具有相關性。在結(jié)構和規(guī)格上參考晶片宜與測試晶片相似，最好在同一實驗室或工廠使用相同的設備和工藝獲得參考晶片和測試晶片。4.4.2參數(shù)設置過程宜使用一組參考晶片進行如下描述的參數(shù)設置。宜使用選定的光學成像系統(tǒng)對測試晶片上的每個缺陷進行成像。測試晶片上的缺陷圖像應與參考晶片上的缺陷圖像進行視覺比較。4.5測試步驟按照如下方法準備用于光學成像的測試晶片。使用一個參數(shù)優(yōu)化的光學成像系統(tǒng)創(chuàng)建測試晶片的圖像。一旦確定了合適的閾值，數(shù)字化的圖像就能在分析時提供與缺陷表面特征有關的對比度。4.6評價4.6.1總則與人工評估缺陷相比，光學檢測能直接確定任何缺陷的尺寸和形狀(見附錄A)。圖像分析的結(jié)果是缺陷檢測的記錄數(shù)據(jù)。測試晶片的邊緣去除宜小于5mm。4.6.2面缺陷和體缺陷的平均寬度已知同質(zhì)外延層厚度d,單位為微米，斜切角為4°,使用以下公式計算除顆粒包裹體和表面顆粒外的面缺陷和體缺陷的平均寬度l。例如，同質(zhì)外延層厚度為10μm和30μm的上述缺陷的平均寬度l分別約為145μm和430μm。當面缺陷和體缺陷成核于外延生長過程中時，缺陷寬度小于上述公式的計算值。4.6.3評價過程如果識別出的目標缺陷是延伸缺陷或表面缺陷，則所有這些缺陷的數(shù)量應逐項計算。應形成顯示晶片整個表面檢測到的缺陷位置的缺陷圖，晶片的參考面或切口的位置也宜在圖中注明。缺陷圖的坐標原點宜為晶片的中心。4.7精密度目前尚無關于該測試方法精密度的信息。4.8測試報告測試報告宜至少包含以下信息。8GB/T43493.2—2023/IEC63068-2:2019c)參考標準文件GB/T43493.2。i)測試步驟中的任何偏差。j)測試過程中的異常情況。9(資料性)缺陷的光學檢測圖像A.1概述缺陷的典型圖像和特征，該圖像通過明場差分干涉在反射照明下獲得(光源：Hg-Xe燈)。圖像的像素分辨率為2μm。圖A.1～圖A.10中，左邊分圖為明場光學圖像(OM),右邊分圖為平面示意圖。A.2微管4H-SiC同質(zhì)外延層表面中微管的典型形貌特征：例如空洞或者多種類型的凹坑(見圖A.1)。a)微管示例1:明場光學圖像b)微管示例1:平面示意圖c)微管示例2:明場光學圖像d)微管示例2:平面示意圖標引序號說明：1——微管。圖A.1微管4H-SiC同質(zhì)外延層表面中TSD的典型形貌特征：多種類型的凹坑(見圖A.2)。無明顯表面特征的TSDs宜使用光致發(fā)光方法檢測。a)TSD示例1:明場光學圖像b)TSD示例1:平面示意圖c)TSD示例2:明場光學圖像d)TSD示例2:平面示意圖標引序號說明：A.4TED4H-SiC外延材料中的TEDs有時候具有典型形貌特征：多種類型的凹坑。無明顯表面特征的TEDs宜使用光致發(fā)光方法檢測。注：一般TSDs和TEDs會同時出現(xiàn)，因此圖A.3a)和b)中包括TSDs和TEDs。a)明場光學圖像b)平面示意圖標引序號說明：4H-SiC外延材料中的BPDs沒有表面形貌特征。BPDs宜使用光致發(fā)光方法檢測。4H-SiC同質(zhì)外延材料中的劃痕具有典型的表面形貌特征，如隨機分布的劃痕形貌。a)明場光學圖像b)平面示意圖標引序號說明：1——劃痕。圖A.4劃痕痕跡A.7堆垛層錯4H-SiC外延材料中的堆垛層錯具有典型的形貌特征，如隱約的三角形形貌。無明顯表面特征的堆垛層錯宜使用光致發(fā)光方法檢測。注：外延材料中堆垛層錯的平均寬度l(以微米為單位)取決于外延層厚度d(以微米為單位)。a)堆垛層錯示例1:明場光學圖像b)堆垛層錯示例1:平面示意圖c)堆垛層錯示例2:明場光學圖像d)堆垛層錯示例2:平面示意圖圖A.5堆垛層錯4H-SiC外延材料中的延伸堆垛層錯具有典型的形貌特征，如垂直于斜切方向的模糊梯型。無明顯表面特征的延伸堆垛層錯宜用光致發(fā)光方法檢測。注1:該缺陷的平均寬度l(以微米為單位)取決于外延層厚度d(以微米為單位)。注2:該缺陷常稱為“條狀堆垛層錯”。a)延伸堆垛層錯示例1:明場光學圖像b)延伸堆垛層錯示例1:平面示意圖c)延伸堆垛層錯示例2:明場光學圖像d)延伸堆垛層錯示例2:平面示意圖A.9復合堆垛層錯4H-SiC外延材料中的復合堆垛層錯具有典型的形貌特征，如與斜切方向平行的針狀形貌。無明顯