仪器应用 | 碳化硅缺陷综合评审与分类

传统上，光致发光（PL）扫描仪用于SiC衬底检测。这个过程的结果是一个晶圆图，包括缺陷的形状和它们是暗的还是亮的信息。然而，缺陷形状并不总是与缺陷类型相关，并且PL无法识别堆叠故障或螺纹位错亚类，这可能对良率和可靠性产生不同的影响。此外，在典型的PL波长下，激光穿透远远超出了SiC的外延层，主要探测衬底。

阴极发光（CL）由于其高能激发和优异的空间和光谱分辨率，是一种理想的缺陷分类和定量方法，包括亚类。高光谱图的获取使人们能够成像大视场（FOV），并由于其独特的光谱特征而对存在的缺陷进行分类。

图1：SiC外延膜的CL高光谱图，呈现为：全色图显示所有收集波长的积分强度，三个单色图显示三个不同光谱区域对应不同缺陷发射带的强度积分。蓝色（370 - 410 nm）对应于熊带边缘发射，可以识别螺纹螺纹位错（TSDs）和螺纹边缘位错（TED）。绿色（410 - 450 nm）对应于层错（SFs）的发射，层错充当量子阱，贡献了最高的总发射强度。红色（500 - 700 nm）对应于供体-受体对（DAP）发射，这突出了基面位错（bpd）的存在。

图1展示了高光谱成像在可视化和分类碳化硅薄膜中存在的缺陷方面的强大能力。全色图中的对比度显示了整个光谱范围内集成发射强度，表明存在各种晶体学特征，这些特征可通过查看发射光谱中的特定波段进一步解析。蓝色图像对应于 4H-SiC 近带边发射（NBE，370 - 410 纳米），在此可以看到作为暗点出现的螺型位错（TSD）或刃型位错（TED），这些位错处的发射被淬灭。绿色图像对应于堆垛层错（SF）的发射，其带隙能量较小，在碳化硅晶格中起到量子阱（QW）的作用。这种量子阱行为有利于在堆垛层错中发生复合，从而产生发射光谱中最强烈的成分。最后，红色图像对应于施主-受主对（DAP）发射，使得基面位错（BPD）以亮线的形式显现出来，这是由于施主和受主杂质在这些缺陷处的积累所致。

有趣的是，这些缺陷中的许多可以根据其发射特性进一步细分。例如，在4H-SiC中存在几种SFs，每种SFs都有独特的发射波长。图1所示的sff对应于单个Shockley sff，其发射波长约为425 nm，而三个Shockley sff的发射波长约为480 nm。由于不同种类的SFs被认为对最终器件性能和可靠性有不同的影响，Attolight的定量CL方法是了解SFs对SiC器件影响的有力工具。

线程位错（td）也可以根据其CL签名进行细分。具体来说，边位错和混合型位错导致非中心对称应变，在位错中心周围产生偶极子样的峰移。图2显示了这一点，其中显示了两个位错的NBE振幅和峰移，每个位错都表现出边缘状特征。

图2：两种螺纹位错的带边（BE）峰值幅度（上）和峰值位置（下）表现出偶极子样的峰移，表明位错是边型或混合型。

另一方面，螺旋型位错则没有这种偶极子行为。这意味着可以分析包含td的高光谱地图，以区分td和tsd，这是PL由于其较低的空间分辨率而无法实现的壮举。类似的分析可以在其他材料系统中进行，例如GaN，并且可以使用偏振度（DOP）测量进一步分类CL。通过这种方式，Attolight CL平台可以对超出PL能力的各种SiC缺陷进行高级分类。

本文介绍的分析依赖于CL高光谱图的使用，根据分辨率的不同，通常需要数十秒才能获得高光谱图。这使得CL成为PL扫描的理想补充；CL可用于审查由相对快速的PL过程识别的缺陷子集。缺陷图和初始分类数据被简单地反馈给CL工具，然后CL工具被驱动到晶圆片上的适当位置，对感兴趣的缺陷执行详细的检查。

由于其大视场和快速、可靠的光学对准程序，Attolight CL系统能够快速测量晶圆上的多个缺陷位置。这为SiC的工艺控制和发展提供了一条新的途径，使人们对外延生长过程中普遍存在的缺陷的起源和影响有了前所未有的了解。高光谱CL成像超越了当前的缺陷类型分类计量技术的能力，同时保持了工业规模的吞吐量。

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