CN108037439A - 一种碳化硅晶体导电类型的无损判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳化硅晶体导电类型的无损判定方法，使用紫外‑可见‑近红外分光光度计，对待测的SiC样品进行光谱透过率测量，探测光的入射方向为沿SiC晶片的c轴方向，测量指标为吸光度，根据公式α=｛A﹢2log10(1‑R)｝/(d/ln10)（1）计算得到碳化硅样品的吸收系数随波长变化关系的吸收系数曲线，从曲线中获得紫外吸收边位置Eg；根据半绝缘类型的紫外吸收边位置判定标志与吸收边位置Eg进行比较，获得半绝缘晶片导电类型，有益效果是采用基于光谱分析法，对高纯半绝缘碳化硅晶片的导电类型进行检测和筛分的方法，对待测样品无损伤，检测过程易于自动化和程序控制，可对出厂产品进行全面检验，也可应用于目前市场存在的2、3、4、6英寸完整晶圆产品检验。

Description

一种碳化硅晶体导电类型的无损判定方法

技术领域

本发明涉及一种半导体单晶性能测试技术，特别涉及一种碳化硅晶体导电类型的无损判定方法。

背景技术

碳化硅是典型的宽禁带半导体材料，是继硅、砷化镓之后的第三代半导体材料。与硅、砷化镓相比，碳化硅材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等优异性能，在高温、高频、高功率及抗辐射器件方面拥有巨大的应用前景。半绝缘碳化硅制备的晶体管能够在高达10GHz频率下产生超过GaAs微波器件五倍功率密度的功率。因此，半绝缘碳化硅单晶是当前制备高性能微波功率器件的最佳衬底材料。可以广泛应用于5G通信、雷达等方向。

研究表明，为了获得实用性，碳化硅器件应具有至少1500欧姆·厘米的衬底电阻率，以便实现RF无源性能。目前，市场存在掺钒半绝缘和高纯半绝缘两种类型的碳化硅衬底。已有研究表明，掺钒半绝缘碳化硅晶体在高温时，钒元素会析出导致背栅效应从而降低碳化硅微波功率器件的性能。因此，高纯半绝缘碳化硅衬底是目前制备碳化硅微波功率器件的首选。

高纯半绝缘碳化硅衬底是通过晶体生长工艺及退火工艺处理，形成高浓度的本征点缺陷，作为深能级补偿浅能级杂质氮（N）、硼（B）、铝（Al）等。在不考虑本征点缺陷作用时，晶体内可能存在浅施主杂质浓度大于浅受主杂质浓度或相反的情况。两种条件下，则分别对应“N型导电类型”和“P型导电类型”；为实现半绝缘性能，分别需要的深能级种类是不同的，即分别对应“深受主本征缺陷”和“深施主本征缺陷”。为描述方便，在本专利申请中，我们简单定义上述两种高纯半绝缘衬底为“N型半绝缘”和“P型半绝缘”衬底。此外，只考虑含量最多的杂质元素氮、硼。

近十多年的国内外研究表明，碳化硅中的“深施主本征缺陷”（多为Vsi相关缺陷），具有高温不稳定的特点。而“深受主本征缺陷”（多为Vc相关缺陷），具有更好的高温稳定特点。此处的“高温”，特指大于1200摄氏度的温度（该温度是碳化硅衬底制备GaN外延层的生长温度）。因此，为避免在1200摄氏度制备GaN外延层时，衬底半绝缘性能失效的情况，“N型半绝缘”衬底是必然选择。

Cree公司是国际上唯一一家产品已通过了器件验证，且被美国军方认可的高纯半绝缘碳化硅衬底制造商。Cree公司发表的研究论文（《Development of large diameterhigh-purity semi-insulating 4H-SiC wafers for microwave devices》）中通过二次离子质谱仪测试表明，高纯半绝缘衬底中的主要杂质氮元素浓度高于硼元素的浓度，即属于“N型半绝缘”类型。

在实际生长半绝缘碳化硅晶体时，由于N元素控制技术较复杂，容易被非故意掺杂的大气中的氮元素污染，通常还存在晶锭轴向方向随生长进行而氮掺杂浓度逐渐降低的现象，也存在径向的含量不均匀现象。因此，单个晶锭制备的衬底中，衬底的半绝缘性能可能导电类型的转变。因此，从实际可应用角度出发，工业生产的衬底片需要对其导电类型进行分类判定。用业内通用的非接触式电阻率测试仪（COREMA），虽然属于非破坏性测试手段，但仅可获得碳化硅晶片的电阻率而无法获得导电类型。已知，通过二次离子质谱仪或霍尔测试系统可以判定SiC晶片的导电类型，但上述两种测试方法均为破坏性测试，仅可用于抽样检测，而无法在工业生产过程中对全部产品进行评价和鉴定。并且，霍尔系统对超高阻值的碳化硅衬底（电阻率大于1E11 欧姆厘米）无判定能力。

由于N型低阻导电晶片呈墨绿色，肉眼可分辨其与高纯半绝缘晶片的近无色透明类型区别，因此不在本专利中讨论。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本发明提供一种碳化硅晶体导电类型的无损判定方法，是针对N型高纯半绝缘和P型高纯半绝缘晶片，电阻率均大于1E5Ω·cm两种类型的晶片判定方法。具体技术方案是，一种碳化硅晶体导电类型的无损判定方法，使用紫外-可见-近红外分光光度计，对待测的SiC样品进行光谱透过率测量，其技术特征在于： 判定方法包括，

（1）、探测光的入射方向为沿SiC晶片的c轴方向，测量指标为吸光度，若测试样品为完整的晶圆，则在样品台添加二维扫描结构，以获得完整晶圆的不同部位的光谱吸光度A随波长对应关系；

（2）、根据公式计算得到碳化硅样品的吸收系数随波长变化关系的吸收系数曲线，

公式α=｛A﹢2log10(1-R)｝/(d/ln10)（1）

其中d是晶片厚度，R为材料表面反射系数，α为材料的吸收系数，R通过红外波段可以获得近似取值，对于高纯半绝缘SiC抛光片，R一般取值为0.1752；

（3）、从吸收系数曲线中获得紫外吸收边位置Eg；

（4）、根据判定标志与从吸收系数曲线中获得紫外吸收边位置Eg进行比较，获得半绝缘晶片导电类型，

其中，（a）、 N型半绝缘（氮为主杂质元素）判定标志：紫外吸收边位置的大于3.536eV、小于3.577eV，

（b）、P型半绝缘（硼为主杂质元素）判定标志：紫外吸收边位置约3.41eV。

本发明的有益效果是，率先提出了一种基于光谱分析法，对工业生产的高纯半绝缘碳化硅晶片的导电类型进行检测和筛分的方法，对待测样品无损伤、无形状要求，检测过程易于自动化和程序控制，可对所有的出厂产品进行全面检验，也可应用于目前市场存在的2、3、4、6英寸完整晶圆产品检验。

附图说明

图1是本发明的具有不同导电类型及电阻率的7个样品的吸收系数曲线；

图2是本发明的杂质存在时半导体材料SiC中发生的光学跃迁示意图。

具体实施方式

下面实施例仅用于说明本发明，而非限制本发明。

实施例

如图1、2所示，给出7个不同电阻率和导电类型的SiC晶片样品进行测试，其中电阻率测量采用标准的COREMA测试系统，分别为①大于1E12 Ω·cm量级（电阻率系统显示toohigh），②1E11Ω·cm量级，③1E5Ω·cm量级，④小于1E5Ω·cm量级（电阻率系统显示toolow），⑤大于1E12 Ω·cm量级（电阻率系统显示too high），⑥1E9 Ω·cm量级，⑦1E5Ω·cm量级；

导电类型采用以下方法：

（1）使用紫外-可见-近红外分光光度计，对待测的SiC样品进行光谱透过率测量；测量指标为吸光度；

（2）根据本专利给出的公式（1）可计算得到碳化硅样品的吸收系数随波长变化关系及其曲线。

（3）从吸收系数曲线中获得紫外吸收边位置Eg以及紫外波段吸收系数a，对应7个样品的紫外吸收边位置Eg分别为①3.56eV，②3.546eV，③3.536eV，④3.516eV，⑤3.41eV，⑥3.41eV，⑦3.41eV；

（4）根据判定标准分析数据，获得半绝缘晶片导电类型，结果为7个样品的导电类型及电阻率分别为：①N型，大于1E12 Ω·cm量级（电阻率系统显示too high）；②N型，1E11Ω·cm量级；③N型，1E5Ω·cm量级；④N型，小于1E5Ω·cm量级（电阻率系统显示too low）；⑤P型，大于1E12 Ω·cm量级（电阻率系统显示too high）；⑥P型，1E9 Ω·cm量级；⑦P型，1E5Ω·cm量级。

基于上述判定技术，可以看出，前4者属于N型导电类型，且电阻率越高，紫外吸收边位置越靠近短波方向，具有浓度相关性；而后3个属于P型导电类型，具有相同的紫外吸收边位置3.41eV。

上述结果导电类型基于霍尔测试系统进行了验证，特别地，为了能够进行霍尔测量，对上述高阻晶片进行1800摄氏度1小时高温热处理，并10小时慢速将至室温，高温处理降低了本征点缺陷浓度，上述电阻率均降低至E5-E6欧姆厘米量级。可进行欧姆接触制作及霍尔系统的测试。

原理，

如图1所示，已知碳化硅单晶，包括4H，6H，15R，3C等晶型类型，属于间接带隙半导体，通常情况下，对于间接带隙半导体，动量守恒要求声子参与才能完跃成光学迁；而当光子能量足够高时，间接带隙半导体也能发生直接光学跃迁，通过测量SiC吸收光谱，可在紫外波段吸收边带数据中反应出材料的跃迁吸收特性。

如图2所示，在杂质掺杂时，发生跃迁，其中，跃迁1表示价带至导带的直接跃迁；跃迁2表示价带至施主能级的跃迁；跃迁3表示受主能级至导带的跃迁；跃迁4表示施主能级至导带的跃迁；跃迁5表示价带至受主能级的跃迁。根据已有的测量研究结果，氮元素做为掺杂剂，其在4H-SiC中属于N型掺杂，杂质能级位于导带底之下0.06eV；硼元素做掺杂剂，其在4H-SiC中属于P型掺杂，杂质能级位于价带之上0.28eV。

跃迁1对应紫外吸收边位置，设取值为Eg，当发生氮元素掺杂时，光子能量高于Eg-0.06eV时，即可产生跃迁2，因此紫外吸收边发生红移。当发生硼元素掺杂时，光子能量高于Eg-0.28eV时，即可产生跃迁3，紫外吸收边也发生红移。从数值上可见，硼掺杂与氮掺杂相比，前者对直接跃迁禁带宽度的减小量更多，影响力更大。

理论研究还指出，氮元素能级由于距离导带更近，对导带位置会产生畸变影响，且具有浓度相关性，因此氮掺杂N型导电时，杂质浓度对紫外吸收边的影响也具有浓度相关性。而硼掺杂时，对紫外吸收边的红移动效应主要由受主能级至导带的跃迁3，且由于该能级距离价带位置较远（0.28eV），因此对价带畸变影响可以忽略，即硼元素掺杂对最终的紫外吸收边的影响不具有浓度相关性。

Claims (1)

1.一种碳化硅晶体导电类型的无损判定方法，使用紫外-可见-近红外分光光度计，对待测的SiC样品进行光谱透过率测量，其技术特征在于：判定方法包括，

（1）、探测光的入射方向为沿SiC晶片的c轴方向，测量指标为吸光度，若测试样品为完整的晶圆，则在样品台添加二维扫描结构，以获得完整晶圆的不同部位的光谱吸光度A随波长对应关系；

（2）、根据公式计算得到碳化硅样品的吸收系数随波长变化关系的吸收系数曲线，

公式α=｛A﹢2log10(1-R)｝/(d/ln10)（1）

其中d是晶片厚度，R为材料表面反射系数，α为材料的吸收系数，R通过红外波段可以获得近似取值，对于高纯半绝缘SiC抛光片，R一般取值为0.1752；

（3）、从吸收系数曲线中获得紫外吸收边位置Eg；

（4）、根据判定标志与从吸收系数曲线中获得紫外吸收边位置Eg进行比较，获得半绝缘晶片导电类型，

其中，（a）、 N型半绝缘（氮为主杂质元素）判定标志：紫外吸收边位置的大于3.536eV、小于3.577eV，

（b）、P型半绝缘（硼为主杂质元素）判定标志：紫外吸收边位置约3.41eV。