热点应用丨碳化硅晶圆的拉曼光谱

● 碳化硅 (SiC) 是一种半导体，其特性使其适用于高电压电子应用，但在制造过程中精细控制其结构对于充分利用这些特性至关重要。

● 拉曼光谱技术对碳化硅的不同晶体多型体高度敏感，目前已知的有250种。

● 拉曼成像技术可用于绘制碳化硅半导体晶圆上掺杂浓度的变化。

● 3D拉曼成像技术可以表征碳化硅晶格中缺陷的形态和化学性质。

碳化硅 (SiC) 是一种常用于高功率电子器件（如电动汽车逆变器和太阳能电池板电网）中晶体管的半导体。

SiC 被认为是优于硅的材料，因为它具有以下特性：

宽带隙：可在更高电压和频率下工作，并具有更高的功率转换效率。

更高的热导率：更好的散热性，并在更高温度下保持效率。

化学惰性：耐腐蚀和氧化，使器件能在更恶劣的条件下运行。

抗辐射性：不易受到辐射损伤。

因此，SiC 在器件效率、尺寸和热管理至关重要的应用中表现出色。

为确保充分发挥这些优势，制造商必须监测和控制SiC的晶体结构、晶体质量、掺杂浓度和缺陷，这些因素都会严重影响材料的性能。

在本应用文章中，我们使用爱丁堡仪器RM5显微拉曼光谱仪来证明显微拉曼是快速、可重复、无损且非接触式地识别SiC中结构和电子参数的理想技术。

图1. 爱丁堡仪器RM5显微共聚焦拉曼光谱仪。

图2. (A) SiC四面体，(B) 3C-SiC晶胞，(C) 4H-SiC晶胞和 (D) 6H-SiC晶胞示意图。示意图(B)–(D)代表了 SiC已知250种多型体中的三种。

在此命名规则中，字母代表晶体学点群，数字代表晶胞中的原子层数。例如，“C”和“H”分别代表立方和六方对称性。4H-SiC和6H-SiC具有六方对称性，但它们的不同之处在于4H-SiC的晶胞有四层原子，而 6H-SiC有六层。这些不同的多型体具有不同的带隙和载流子迁移率，这就是为什么能够区分它们至关重要。

如图 3 所示，分析并显示了4H-SiC的拉曼光谱。4H-SiC属于C6v点群，具有A₁、E₁和E₂对称性的拉曼活性模式。在拉曼光谱中，最显著的谱峰标注如下：位于205 cm^-1的峰是E₂横声学声子(TA)模式，610 cm^-1是A₁纵声学声子(LA)模式，777.0 cm^-1是E₂横光学声子(TO)模式，983.0 cm^-1是A₁纵光学声子(LO)模式¹。关于声子模式的解释请参见我们关于硅半导体的应用指南（https://www.edinst.com/resource/application-note-raman-imaging-of-strain-in-a-silicon-semiconductor-wafer/）。

图3.4H-SiC晶圆的拉曼光谱，标注了声学声子和光学声子模式。

3C-SiC和6H-SiC的拉曼光谱与4H-SiC有细微差别。属于Td点群的3C-SiC，其TO峰和LO峰的拉曼位移均高于4H-SiC。此外，TO 峰和 LO 峰的强度比接近 1:1，且3C-SiC中没有TA和LA峰²。

6H-SiC也属于C6v点群，但由于堆垛序列不同，其光谱不同于4H-SiC。在6H-SiC中，TA和LA模式都出现在更高的拉曼位移处，并且相对于位于797 cm^-1的主导峰TO (E₁) 模式，TO (E₂) 峰的比例减小了²。我们将在后面分析缺陷的部分看到一个例子。

由于每种多型体都表现出独特的拉曼光谱，因此该技术可以很容易地用于表征 SiC 晶圆和器件中的晶体结构，并优化电子和物理性能。

掺杂半导体是开发二极管和晶体管的关键过程。金属半导体场效应晶体管 (MESFET) 等器件需要生长高度受控的外延n型和p型层³。在SiC中，n型掺杂通常通过气相外延过程中的氮掺杂来实现，拉曼光谱可用于表征整个晶圆上的掺杂浓度。使用显微共聚焦拉曼光谱仪研究时，可以获得与局部掺杂浓度（进而与载流子浓度）相关的亚微米分辨率拉曼图像。

研究表明，SiC中的LO声子模式对氮掺杂浓度敏感⁴。更具体地说，随着掺杂浓度的增加，LO声子模式的拉曼位移增加，发生不对称展宽，并且强度降低。这种现象是LO声子模式所独有的，归因于声子-等离子体激元耦合(phonon-plasmon coupling)。当SiC中的载流子浓度足够高时，相关等离子体的纵向振荡会改变介电常数，从而改变LO声子模式的拉曼散射截面和峰形^5,6。因此，LO声子模式是衡量载流子浓度的极佳指标。

进行了拉曼成像以评估4H-SiC晶圆上一个区域内相对的n型掺杂浓度，如图4所示。图4A显示了映射区域的暗场图像。图4B的图像是LO声子模式的拉曼强度成像图。它表明所分析的区域大致可以分为拉曼强度高和低的区域。

图4.n型4H-SiC晶圆中掺杂浓度的拉曼成像。(A)晶圆上拉曼成像区域的暗场图像。(B)SiC中LO声子模式的拉曼强度成像图。(C)沿着(B)中绿线扫描在每个测量点记录的LO声子模式峰位。(D)从(B)中点1和点2提取的光谱。

图4B图像中的绿色箭头代表提取的线扫描。图4C显示了沿着该线扫描在每个测量点记录的LO声子模式峰位。图4C中的第一个测量点对应于图4B中线扫描的起点。可以观察到，在LO拉曼强度较低的区域（拟合Voigt函数后），LO拉曼位移在平均值上也更高。这与更高的氮掺杂/载流子浓度一致。

图4D显示了从较高和较低载流子浓度区域提取的光谱。在载流子浓度较高的样品区域，相对于低载流子浓度区域，LO声子峰的峰位和峰宽增加，强度降低。TO峰的峰形保持不变。

表征SiC晶圆中的缺陷至关重要，因为它们可能导致最终电子器件的故障。这些缺陷可能是基面位错、堆垛层错、点缺陷，或者是大的缺陷，如多型体夹杂物和外来材料微管 (micropipes)。拉曼光谱是理想的选择，因为它对材料的结构变化高度敏感。使用3D拉曼成像，可以生成将夹杂物在X、Y和Z方向的形态信息与其化学性质或变化的物理状态相关联的图像。

我们在n掺杂的4H-SiC晶圆表面识别出外来晶体（图5A），并利用拉曼光谱分析和3D成像相结合来收集更多信息。使用了0.9 NA物镜和70 μm共聚焦针孔直径。较小的共聚焦针孔直径减少了样品内的收集体积，并提高了3D成像期间的轴向空间分辨率。3D拉曼图的XY平面和XZ平面分别如图5B和5C所示。

在图5B中，可以清楚地看到所识别的两个夹杂物在化学性质上与周围的晶圆不同。绿色伪彩对应于 4H-SiC特征性的TO(E₂)峰的拉曼强度，红色伪彩对应于795 cm^-1处一个峰的拉曼强度，该峰被归属为6H-SiC的TO (E₁)峰。3D拉曼图中XZ平面的图像（图5C，显示了图5B中箭头指示的缺陷）提供了有关夹杂物形态的信息。它部分嵌入在4H-SiC晶格内，是一个长度超过3 μm的管状晶体。

图5.n型4H-SiC晶圆中缺陷的3D拉曼成像。(A)晶圆上拉曼成像区域的明场图像。(B)晶圆及周围缺陷的 3D拉曼图像的XY平面。(C)3D拉曼图像的XZ平面。(D)晶圆和缺陷的拉曼光谱。(E)跨越(A)图像右上角缺陷的TO(E2)峰位的拉曼成像图。(F) 从(E)中高亮点提取的光谱。

图5D显示了缺陷和周围晶圆的光谱。与周围晶圆相比，夹杂物表现出强度较低的TO (E₂)峰和强度较高的TO (E₁)峰。在夹杂物中还观察到一个位于265 cm^-1的小峰，被归属为6H-SiC的TA (E₂)峰⁷。

在缺陷本身内部也存在显著的光谱变化。图5E显示了跨越图5A图像右上角缺陷的TO(E₂)峰位的拉曼成像图。观察到缺陷上存在低（蓝色）和高（红色）拉曼位移的区域簇，总变化范围在773 cm^-1 到 774 cm^-1之间。这些区域分别对应点3和点4。从这些点提取的光谱还揭示了TO (E₁)峰位的变化，以及两个峰之间整体劈裂值的变化。在这个例子中，3D拉曼成像揭示了晶圆内这个微小夹杂物具有相当程度的结构复杂性。

1. F. Davis et al., Mat. Sci. Eng. B, 1988, 1, 77-104.

2. Bechelany et al., Adv. Funct. Mater., 2007, 17, 939-943.

3. Ferro et al., Sci. Rep., 2017, 7, 43069.

4. Burton et al., J. Appl. Phys., 1998, 84, 6268-6273.

5. V. Klein et al., Phys. Rev. B, 1972, 6, 2380-2388.

6. Irmer et al., Phys. Status Solidi, 1983, 119, 595-603.

7. Bauer et al., J. Raman. Spectrosc., 2009, 40, 1867-1874.