（高清版）GBT 43493.3-2023 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3部分：缺陷的光致發(fā)光檢測方法

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3部分：缺陷的光致發(fā)光檢測方法carbidehomoepitaxialwaferforpowerdevices—Part3: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IGB/T43493.3—2023/IEC63068-3:2020 12規(guī)范性引用文件 3術語和定義 14光致發(fā)光法 44.1通則 44.2原理 44.3測試需求 54.4參數(shù)設置 74.5測試步驟 74.6評價 74.7精密度 84.8測試報告 8附錄A(資料性)缺陷的光致發(fā)光圖像 9A.1概述 9A.2BPD 9A.3堆垛層錯 A.4延伸堆垛層錯 A.5復合堆垛層錯 A.6多型包裹體 附錄B(資料性)缺陷的光致發(fā)光譜 B.1概述 B.2BPD B.3堆垛層錯 B.4延伸堆垛層錯 B.5復合堆垛層錯 B.6多型包裹體 參考文獻 Ⅲ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3部分。GB/T43493已經(jīng)發(fā)布了以下部分：——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IEC63068-3:2020《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3部分：缺陷的光致發(fā)光檢測方法》。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、廣東天域半導體股份有限公司、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、山西爍科晶體有限公司、中國科學院半導體研究所、中電化合物半導體有限公司、河北普興電子科技股份有限公司、常州臻晶半導體有限公司、深圳市星漢激光科技股份有限公司、廈門特儀科技有限公司。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。——第2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3部分：缺陷的光致發(fā)光檢測方法本文件提供了商用碳化硅(4H-SiC)同質(zhì)外延片生長缺陷光致發(fā)光檢測的定義和方法。主要是通過光致發(fā)光圖像示例和發(fā)射光譜示例，為SiC同質(zhì)外延片上缺陷的光致發(fā)光檢測提供檢測和分類的依據(jù)。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.——ISO在線瀏覽平臺：available光致發(fā)光photoluminescence;PL材料吸收光子產(chǎn)生電子激發(fā)導致發(fā)光。光致發(fā)光成像photoluminescenceimaging;PLimaging使用激發(fā)電子的光源、聚焦光學器件、濾光器、光學圖像傳感器和計算機系統(tǒng)對缺陷圖像進行捕獲、處理和分析的技術。聚焦光學器件focusingoptics用于放大和捕獲光學圖像的鏡頭系統(tǒng)。濾光器opticalfilter阻擋其他波段僅使特定波段的光通過的光學器件。將光學圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字數(shù)據(jù)的裝置。圖像捕獲imagecapturing建立晶片缺陷的二維原始數(shù)字圖像的過程。2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。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。像素pixel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)字圖像中單位長度(或面積)的像素數(shù)量。注：如果X和Y方向的分辨率不同，則記錄兩個值?？臻g分辨率spatialresolution能夠區(qū)分開兩個緊密間隔的點的能力?；译Agreylevel灰度的亮度等級。注：亮度等級通常由灰度等級的正整數(shù)表示?；叶萭reyscale從黑色到白色的灰色調(diào)范圍。8位灰度有2?(=256)個灰階值。灰階值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。對比度contrast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。3閾值化thresholding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的顯示為白色，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)灰度是大于或小于等于閾值來分別用0(黑色)和1(白色)替代。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。圖像評估imageevaluation通過缺陷分類方案將一個或多個特征圖像的分析結果關聯(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)性和重復性的特定晶片。用于評估缺陷的SiC同質(zhì)外延片。晶向crystaldirection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。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]缺陷defect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在近似垂直基面方向穿透晶體的刃位錯。基平面位錯basalplanedislocation;BPD存在于基平面上的位錯。4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外延結束后沉積在外延層表面的顆粒。4光致發(fā)光法4.1通則通過PL檢測方法評估具有典型PL特征的缺陷。以下列出了沿[1120]晶向偏晶向4°的n/n+型4H-SiC同質(zhì)外延片中的缺陷，其PL圖像的檢測發(fā)射波長應大于650nm——部分線缺陷顯示為明亮的線形圖像，如BPDs;——部分面缺陷顯示為暗反差圖像，如堆垛層錯、延伸堆垛層錯、復合堆垛層錯以及多型包裹體。當使用波長400nm～500nm的發(fā)射光檢測缺陷時，堆垛層錯表現(xiàn)出明亮的反差圖像。沒有典型PL特征的缺陷，或具有弱的PL反差圖像的缺陷，應通過其他方法如光學檢測和X射線形貌圖像評估。這些缺陷包括微管、TSDs、TEDs、劃痕痕跡、顆粒包裹體、臺階聚集簇以及表面顆粒。4.2原理捕獲缺陷的PL圖像并轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。在此過程中，用能量遠大于4H-SiC晶體禁帶寬度的激發(fā)光照射SiC同質(zhì)外延片，所得到的PL被收集并記錄為包含缺陷的晶片指定區(qū)域的PL圖像。PL通過光學圖像傳感器進行檢測，如CCD圖像傳感器，PL圖像通常利用光學濾光器獲取，濾光器透過特定波段范圍的PL,以適合每種缺陷類型的檢測。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，圖像信息被簡化為專用于描述檢測到的缺陷的一組值。5灰度圖像由晶片中缺陷的原始數(shù)字圖像產(chǎn)生。此圖像能轉(zhuǎn)換為二進制圖像(閾值)?？蓽y量缺陷的大小和形狀，同時計算獲得晶片特定區(qū)域的缺陷分布和數(shù)量。注：沿斜切方向延伸的面缺陷和體缺陷的尺寸和同質(zhì)外延層厚度相關。該缺陷的細節(jié)和PL圖像尺寸的計算方法將分別在附錄A和4.6.2進行描述。4.3測試需求4H-SiC同質(zhì)外延片中缺陷的PL圖像測試設備如圖1所示。測試設備包括光源、聚焦光學器件、濾光器、CCD、晶片載臺、控制/處理器以及暗箱。每個部件應具有以下規(guī)定的性能，不同的晶片規(guī)格和缺陷類型需要最佳設置的光源、聚焦光學器件以及濾光器，以獲取要分析的明顯的光致發(fā)光特征。因此，需要準備特定應用的光源、聚焦光學器件和濾光器的組合。標引序號說明：2——激發(fā)光；3——光致發(fā)光；4——聚焦光學器件；5——濾光器；7——控制器/處理器；8——晶片載臺；9——測試晶片或參考晶片；10——暗箱或機架外殼。6氣體放電燈如汞-氙氣燈和規(guī)定發(fā)射波長的二極管激光器可用作電子激發(fā)的典型光源。當氣體放電燈的白光用于電子激發(fā)，應使用適合光源的濾光器來獲取具有合適波段的激發(fā)光以進行PL成像。應選擇等于或大于4H-SiC帶隙能量的合適激發(fā)光波長。例如，汞-氙氣燈的313nm或365nm發(fā)射光適合用于4H-SiC的電子激發(fā)。宜選擇物鏡調(diào)整檢測區(qū)域和焦深以消除來自晶片背面的影響。應選擇滿足檢測同質(zhì)外延片特定缺陷的濾光器。注：缺陷的典型PL光譜在附錄B中描述。宜優(yōu)化光源和聚焦光學器件的組合，以實現(xiàn)晶片表面上激發(fā)光強度的一致性。在適當?shù)姆秶鷥?nèi)調(diào)整外延層上每個點的PL強度，以便清晰地檢測到缺陷。激發(fā)光強度的一致性能通過硬件和/或軟件獲得。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)或圓柱坐標系(R-θ)平面上。第三軸(Z)是圖像捕獲系統(tǒng)的光軸。Z軸垂直于平面，其與平面的交點應為焦點。圖像捕獲光學器件的前端和晶片表面的距離應是固定的，與晶片的厚度無關，因此聚焦和放大率相互不產(chǎn)生影響。PL成像系統(tǒng)通常由光源、聚焦光學器件、作為光學數(shù)字傳感器的CCD圖像傳感器、照明幾何調(diào)整系統(tǒng)、晶片載臺和不透光外殼組成。暗箱或機架外殼被用來阻擋外部光線的干擾。PL成像系統(tǒng)應具有足夠高的空間分辨率，以捕捉小尺寸缺陷的清晰特征。圖像信息在光學圖像傳感器單元可直接數(shù)字化。為了保證圖像采集過程的重復性和再現(xiàn)性，宜定期進行參數(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可采用不同的數(shù)學算法進行相似處理。不同的圖像處理算法所產(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。采用閾值程序能夠從灰度圖像獲得二進制圖像。為成功檢測測試晶片中的缺陷，宜使用適當?shù)乃惴ㄟM行圖像分析。7圖像分析的結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。PL成像系統(tǒng)的相關參數(shù)應予以記錄，包括：a)光源的激發(fā)光波長；b)光學圖像傳感器通過濾光器檢測的波長范圍；c)PL成像系統(tǒng)的空間分辨率。4.4參數(shù)設置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PL成像的測試晶片。使用一個參數(shù)優(yōu)化的PL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。與人工評估缺陷相比，PL成像系統(tǒng)能通過典型PL特征確定缺陷的尺寸和形狀(見4.1和附錄A)。圖像分析提供數(shù)據(jù)識別缺陷的位置和種類。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的同質(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。8如果識別出的目標缺陷是延伸缺陷或表面缺陷，這些缺陷的數(shù)量應逐項計算。宜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應在圖中注明。缺陷圖的坐標原點宜是晶片的中心。坐標的水平軸宜平行于晶片的主參考邊。4.7精密度目前尚無關于該測試方法精密度的信息。4.8測試報告測試報告應包含以下信息。a)檢測結果：PL成像檢測到的缺陷種類的數(shù)量。b)測試晶片：2)產(chǎn)品名稱；3)晶片編號。c)參考標準文件GB/T43493.3。d)PL成像系統(tǒng)：1)光源的激發(fā)光波長；2)晶片表面激發(fā)光強度；3)光學成像傳感器經(jīng)過濾光器的波長范圍；4)PL成像系統(tǒng)的分辨率。e)測試日期。測試報告中宜包含以下信息。a)檢測結果。1)所有檢測缺陷的位置(平面坐標);2)缺陷分布圖。b)測試步驟中的任何偏差。c)測試過程中的異常情況。9(資料性)缺陷的光致發(fā)光圖像A.1概述本附錄給出了4H-SiC同質(zhì)外延片(外延層厚度為10μm)缺陷的典型光致發(fā)光(PL)圖像和特征，光致發(fā)光(PL)成像系統(tǒng)所用的激發(fā)光波長為365nm,使用650nm濾波器檢測缺陷，圖像的像素分辨率為2μm。圖A.1～圖A.5中，左邊分圖為光致發(fā)光(PL)圖像，右邊分圖為缺陷平面觀察圖像的示意圖。A.2BPDBPD在發(fā)射波長大于650nm時，光致發(fā)光(PL)圖像中顯示為明亮的線。注1:該缺陷的平均寬度l(以微米為單位)取決于同質(zhì)外延層的厚度d(以微米為單位)(見4.6.2)。注2:BPDs延伸方向一般平行或近似平行于臺階流方向，也有BPDs沿著其他方向延伸并且能發(fā)生彎曲。a)BPD示例1:PL圖像b)BPD示例1:平面示意圖c)BPD示例2:PL圖像d)BPD示例2:平面示意圖標引序號說明：A.3堆垛層錯堆垛層錯展示了4H-SiC同質(zhì)外延層的光致發(fā)光(PL)圖像的典型特征，其顯示的典型光致發(fā)光(PL)光譜由其堆垛次序決定。注1:堆垛層錯的類型能通過檢查它們的發(fā)射光譜來區(qū)分。注2:弗蘭克型堆垛層錯的三種類型在常溫下的可見光波長范圍檢測獲得(見圖B.2)。注3:肖克萊型堆垛層錯的四種類型在常溫下的可見光波長范圍檢測獲得(見圖B.3)。注4:該缺陷的平均寬度l(以微米為單位)取決于同質(zhì)外延層的厚度d(以微米為單位)(見4.6.2)。a)堆垛層錯示例：光致發(fā)光(PL)圖像b)堆垛層錯示例：平面示意圖圖A.2堆垛層錯A.4延伸堆垛層錯同質(zhì)外延層中的堆垛層錯，由襯底中的堆垛層錯延伸而來。延伸堆垛層錯顯示的光致發(fā)光(PL)特注1:該缺陷的平均寬度l(以微米為單位)取決于同質(zhì)外延層的厚度d(以微米為單位)(見4.6.2)。注2:該型缺陷常被稱為“條狀堆垛層錯”。a)延伸堆垛層錯示例：光致發(fā)光(PL)圖像b)延伸堆垛層錯示例：平面示意圖A.5復合堆垛層錯復合堆垛層錯顯示4H-SiC同質(zhì)外延片光致發(fā)光(PL)圖像的典型特征，例如，發(fā)射波長大于650nm時顯示出沿斜切方向擴展的暗針(針狀)形貌特征。注1:發(fā)射波長為420nm時，復合堆垛層錯顯示出明亮對比圖像，其具有與弗蘭克型堆垛層錯相似的堆垛次序(見注2:該缺陷的平均寬度l(以微米為單位)取決于同質(zhì)外延層的厚度d(以微米為單位)(見4.6.2)。注3:這種缺陷常被稱為“胡蘿卜缺陷”。a)復合堆垛層錯示例：光致發(fā)光(PL)圖像b)復合堆垛層錯示例：平面示意圖A.6多型包裹體多型包裹體展示4H-SiC同質(zhì)外延片光致發(fā)光(PL)圖像的典型形貌，例如，發(fā)射波長大于650nm時顯示出沿斜切方向擴展的多種形狀的暗三角。注1:發(fā)射波長在500nm～600nm時捕獲多型包裹體，顯示為明亮對比圖像(見圖B.6)。注2:該缺陷的平均寬度l(以微米為單位)取決于同質(zhì)外延層的厚度d(以微米為單位)(見4.6.2)。注3:此類缺陷的形成不僅是由顆粒物造成，而且是由于拋光過程中造成的機械表面損傷等其他原因造成。注4:該缺陷常被稱為“三角形包裹體”“三角形缺陷”或"彗星型缺陷"。a)多型包裹體示例：光致發(fā)光(PL)圖像b)多型包裹體示例：平面示意圖標引序號說明：1——顆粒。(資料性)缺陷的光致發(fā)光譜B.1概述本附錄給出了在常溫下從具有典型光致發(fā)光(PL)特征的缺陷獲得的典型的光致發(fā)光(PL)光譜。光致發(fā)光(PL)光譜的獲得采用了焦距為32cm的光譜儀，He-Cd激光器的325nm波長用作激發(fā)光源，PL被具有150線/毫米光柵的光譜儀分光，并用CCD捕捉。激光束進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，能量密度為30kW/cm2~100kW/cm2?！坝泻蜔oBPD的差值”表示BPD的光致發(fā)光(PL)光譜減去沒有BPD的光致發(fā)光(PL)光譜，如圖B.1所示。這種情況下，BPD在光致發(fā)光(PL)圖像中顯示為明亮的點。標引序號說明：3——有和無BPD的差值。B.3堆垛層錯堆垛層錯的類型能通過檢測其發(fā)射光譜區(qū)分。注1:弗蘭克型堆垛層錯的三種類型，常溫下在發(fā)射波長為488nm(內(nèi)部)、457nm(多層)和424nm(外部)檢測[2]注2:肖克萊型堆垛層錯的四種類型，常溫下在發(fā)射波長為420nm(單層)[3],455nm(四層)4],480nm(三層)[5]和注3:堆垛層錯的所有類型在大于650nm發(fā)射波長下顯示為暗對比圖像(見圖B.4)。波長/nm標引序號說明：1——無缺陷區(qū)域；2——外部；3——多層；4——內(nèi)部。圖B.2弗蘭克型堆垛層錯的光致發(fā)光(PL)光譜波長/nm標引序號說明：1——無缺陷區(qū)域；2——單層；3——四層；4——三層；5——雙層。波長/nm標引序號說明：1——無缺陷區(qū)域；2——弗蘭克型(外部);3——肖克萊型(單層);4——肖克萊型(三層);5——弗蘭克型(多層);6——肖克萊型(四層);7——弗蘭克型(內(nèi)部);8——肖克萊型(雙層)。