CN110783218B - 一种碳化硅外延晶片掺杂浓度三轴型测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体器件特性测量领域，公开了一种碳化硅外延晶片掺杂浓度三轴型测试方法。其中碳化硅外延晶片掺杂浓度三轴型测试方法的取样模型由3个夹角为120°的半径轴点阵组合而成，并基于三轴取样模型提出了片内和片间掺杂浓度的监控方法。片内掺杂浓度通过计算各半径轴与整体掺杂浓度的均值、不均匀性，绘制片内掺杂浓度分布mapping图进行监控；片间掺杂浓度通过控制图对同批次同一测试点的掺杂浓度进行监控。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件特性测量领域，公开了一种碳化硅外延晶片掺杂浓度三轴型测试方法，基于上述方法还提出了相应的片内和片间掺杂浓度监控方法。本发明方法可应用于量产型碳化硅外延晶片的掺杂浓度出厂检测和片间掺杂浓度工艺监控。
背景技术
碳化硅作为第三代半导体材料之一，具有宽禁带、低本征掺杂浓度、高迁移率、高击穿场强、抗辐照等优势，是现代电力电子器件的理想材料。通常功率半导体器件的击穿电压由漂移区厚度、掺杂浓度和终端结构决定，而功率半导体器件的导通特性也与半导体的掺杂浓度息息相关，因此在外延层掺杂浓度是碳化硅外延的核心参数之一。
汞探针C-V测试法对晶片污染较小，同时不需要对晶片进行额外的工艺加工，因此汞探针方法是测试碳化硅外延掺杂浓度最常见的方法。其测试原理如下：
当半导体内形成势垒后，其势垒宽度和电容会随着外加电压的改变而改变，通过势垒电容和电压的关系能够得出半导体的掺杂浓度。利用汞和碳化硅表面接触，形成肖特基势垒，在汞探针与外延之间加一反向偏压，结的势垒宽度向外延层中扩展。结的势垒电容(C)及其电压(V)有如下关系：
式中：N是掺杂浓度，C是势垒电容；e是电子电荷；ε是相对介电常数；ε0是真空介电常数，只要测得1/C2和V的关系就能到掺杂浓度。
碳化硅进行外延生长时，受温场影响，理想的掺杂浓度呈现边缘高中心低的分布趋势，因此理想情况下只需要在晶片某一半径方向上进行取样测试，将半径上测试结果进行模拟得到整个晶片的掺杂浓度分布情况。但由于衬底质量、工艺不稳定、气体流量波动等因素，导致实际外延生产过程中掺杂中心有可能会偏离晶片中心，最终影响掺杂浓度分布，仅进行某一半径方向上的取样测试并不能准确反映出实际晶片的掺杂浓度分布。针对这种情况，可以通过增加测试轴数目和测试点来增加掺杂浓度分布模拟的准确性。
目前4英寸碳化硅外延通用的掺杂浓度测试方法主要有以下4种：“17点十字型”“17点 X型”“9点一字型”“9点半径-边缘组合型”。“17点十字型”的测试点阵组合经过主定位边和次定为边，测试的掺杂浓度分布受定位边的边缘效应的影响较大，增加了掺杂浓度研究的复杂性。“17点X型”测试点阵组合避免了定位边的边缘效应对掺杂浓度分布的影响，更好探究掺杂浓度与外延工艺之间联系。“17点十字型”与“17点X型”的掺杂浓度测试点数均为17点，测试取样点数目较多，能够更好的反映整个晶片的掺杂浓度分布，但同时也存在测试时间长，产量低，测试汞金属残留较多的问题。相对17点测试，“9点一字型”与“9 点半径-边缘组合型”的测试点数目减少，汞金属残留少，测试时间缩短了47.1％，测试产量大幅提高，但在掺杂中心发生偏移的情况下，后面两种测试方法并不能准确的反映出掺杂浓度的分布情况，这将增加后续器件加工的难度和成本。
发明内容
本发明的目的是针对目前量产型碳化硅外延掺杂浓度检测效率低和片间掺杂浓度监控不完善的问题，公开了一种碳化硅外延晶片掺杂浓度三轴型测试方法。本发明方法能实现提高掺杂浓度批量测试的产量，降低汞金属残留的目的，保证掺杂中心发生偏移时仍能准确模拟掺杂浓度分布规律。同时提出了基于上述三轴型测试方法的片内和片间掺杂浓度监控方法，通过对片内和片间掺杂浓度的监控，发现掺杂浓度的异常波动，以及时处理设备异常或调整外延生产工艺，最终达到提高外延掺杂浓度良率，降低成本的目的。
本发明的技术方案综合考虑碳化硅外延掺杂的特点以及量产型外延批量测试的需求，提出了一种基于汞探针C-V设备的碳化硅外延晶片掺杂浓度三轴型测试方法。
本三轴型测试碳化硅外延晶片掺杂浓度测试方法的取样模型由3个夹角为120°的a、b、 c半径轴上的点阵组合而成。其中a轴反向延长线垂直平分主定位边，顺时针为正方向，b轴与a轴夹角为120°，c轴与a轴夹角为-120°。a轴点阵由中心延a轴半径辐射，中心点为点1，每隔A cm取一个点，对于直径为N寸的碳化硅外延片边缘去除5cm，a轴上共取
个点。同理b轴和c轴上也各取
个点，晶片测试共取
个点。
本发明另一方面，还提出了一种基于上述方法的片内和片间掺杂浓度监控方法，包括以下步骤：
S1根据测试取样模型进行取样，利用汞探针CV测试法获取每个取样点的掺杂浓度数据：
同批次晶片按照三轴型测试方法进行测试，观察每个测试点的C-V曲线，根据曲线变化趋势判断测试是否异常。如果出现测试异常点，则在该点沿轴方向3mm范围内进行复测，并将复测后的正常数值替换异常值。
S2获取片内掺杂浓度，分类录入数据并进行片内数据处理，绘制片内掺杂浓度mapping 图：
将各晶片测试结果按照a、b、c轴分类并按照点名称从小到大依次录入数据，并分别计算各轴和整体的掺杂浓度的均值和掺杂浓度分布不均匀性。
S3获取片间掺杂浓度，分别绘制同批次晶片同一测试点的掺杂浓度控制图，得出该批次晶片的监控模型：
分别绘制同批次M片晶片同一测试点的掺杂浓度控制图，包括合格上限、控制上限、掺杂目标值、控制下限、合格下限。建立6种掺杂浓度控制图监控模型，分别为S31限内波动受控型、S32孤点越限受控型、S33连续越限受控型、S34上升趋势失控型、S35下降趋势失控型、S36波动失控型。掺杂浓度控制图监控模型的判定标准如下：
S31限内波动受控型，其判定标准为：若所有的点均在控制上限和控制下限划定的范围内，则判定本批次后续生产的晶片该测试点掺杂浓度符合要求，可按原外延生长工艺连续生产。
S32孤点越限受控型，其判定标准为：若每20个点仅有孤立的2个或2个以下的点超出控制上限或控制下限但仍在合格限内，则判定本批次后续生产的晶片该测试点掺杂浓度符要求，可按原外延生长工艺连续生产。
S33连续越限受控型，其判定标准为：每20个点有连续的2个点超出控制上限或控制下限，但整体数据并未呈上升趋势或下降趋势，则判定本批次后续生产的晶片该测试点掺杂浓度符合要求，可按原外延生长工艺连续生产。
S34上升趋势失控型，其判定标准为：若连续2个点超出控制上限且整体数据呈上升趋势，则判定本批次后续生产的晶片该测试点掺杂浓度可能高于目标掺杂浓度容差上限，需查明原因，调整外延生长工艺。
S35下降趋势失控型，其判定标准为：若连续2个点低于控制下限且整体数据呈下降趋势，则判定本批次后续生产的晶片该测试点掺杂浓度可能低于目标掺杂浓度合格下限，需查明原因，调整外延生长工艺。
S36波动失控型，其判定标准为：若每20个点有孤立的3个或3个点以上的点超过超出控制上限或控制下限但仍在合格限内，或者每20个点有连续的3个或者3个以上的点超出控制上限或控制下限，且整体数据不呈现上升或下降趋势，判定本批次生产的晶片该测试点浓度波动异常，需查明原因，调整外延生长工艺。
本发明的碳化硅外延晶片掺杂浓度三轴型测试方法在保证掺杂中心发生偏移时仍能准确反映片内掺杂浓度分布的情况下，通过减少测试点数目，减少测试时间，达到提高掺杂浓度测试产率，降低晶片表面汞金属残留的目的。通过控制图对同批次同一测试点的掺杂浓度进行监控，能及时发现片间同一测试点掺杂浓度的异常变化情况，从侧面反映出工艺或设备的异常情况，通过查明原因并及时进行工艺调整或设备故障排除等手段，以提高外延良率，降低制造成本。尤其在碳化硅外延量产过程中，采用掺杂浓度三轴型测试方法及片内和片间掺杂浓度监控方法能够适应量产型测试的需求。
附图说明
图1为常见测试点阵的模型示意图
图2为本发明的三轴型测试点阵模型示意图
图3为本发明片内掺杂浓度三轴型测试实例数据计算表及片内掺杂浓度mapping图
图4(a)为本发明片间监控模型S31限内波动受控型的实例示意图
图4(b)为本发明片间监控模型S32孤点越限受控型的实例示意图
图4(c)为本发明片间监控模型S33连续越限受控型的实例示意图
图4(d)为本发明片间监控模型S34上升趋势失控型的实例示意图
图4(e)为本发明片间监控模型S35下降趋势失控型的实例示意图
图4(f)为本发明片间监控模型S36波动失控型的实例示意图
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
以4英寸碳化硅外延片为例，本三轴型掺杂浓度测试模型由3个夹角为120°的a、b、c半径轴点阵组合而成，共有13个测试点，边缘去除5mm后，每个半径轴上均匀分布5个测试点，其中a轴垂直平分主定位边。以a轴为0°，顺时针为正方向，a轴上点阵由中心延 a轴半径辐射向外依次命为点1、2、3、4、5；b轴与a轴夹角为120°，b轴上点阵由中心延 b轴半径辐射向外依次命为点1、6、7、8、9；c轴与a轴夹角为-120°，c轴上点阵由中心延c轴半径辐射向外依次命为点1、10、11、12、13。
实施例的另一方面，提出了一种基于上述方法的片内和片间掺杂浓度监控方法，以20片掺杂目标为2×1014cm-3的碳化硅外延晶片为例，包括以下步骤：
S1根据测试取样模型进行取样，每个取样点的掺杂浓度数据：
同批次按照三轴型测试方法进行测试，观察每个测试点的C-V曲线，根据曲线变化趋势判断测试是否异常。如果出现测试异常点，则在该点沿轴方向3mm范围内进行复测，并将复测后的正常数值替换异常值。
S2获取片内掺杂浓度，分类录入数据并进行片内数据处理，绘制片内掺杂浓度mapping 图：
将各晶片测试结果按照a、b、c轴分类并按照点名称从小到大依次录入数据，并分别计算各轴和整体的掺杂浓度均值和掺杂浓度浓度不均匀性。
S3获取片间掺杂浓度，分别绘制同批次晶片同一测试点的掺杂浓度控制图，得出该批次晶片的监控模型：
绘制同批次20片晶片同一测试点的掺杂浓度控制图，合格上限设定2.5×1014cm-3、控制上限2.25×1014cm-3、掺杂目标值2×1014cm-3、控制下限1.75×1014cm-3、合格下限1.5× 1014cm-3。建立6种掺杂浓度控制图监控模型，包括S31限内波动受控型、S32孤点越限受控型、S33连续越限受控型、S34上升趋势失控型、S35下降趋势失控型、S36波动失控型。其判定标准如下：
S31限内波动受控型，其判定标准为：若所有的点均在控制上限2.25×1014cm-3和控制下限1.75×1014cm-3划定的范围内，则判定本批次后续晶片掺杂工艺符合掺杂浓度要求，可按原外延生长工艺连续生产。
S32孤点越限受控型，其判定标准为：若每10个点仅有孤立的1个或一个以下的点超出控制上限或控制下限但仍在合格限内，称为孤点越限受控型。例如20个点中仅有一个点掺杂浓度为2.3×1014cm-3，超出控制上限2.25×1014cm-3，判定本批次晶片掺杂工艺符合掺杂浓度要求，可按原外延生长工艺连续生产。
S33连续越限受控型，其判定标准为：若连续2个点超出控制上限或低于控制下限，但整体数据并未呈上升趋势或下降趋势，例如连续2个点的掺杂浓度分别为2.35×1014cm-3和2.32 ×1014cm-3，超出控制上限2.25×1014cm-3，但整体数据呈波动趋势，称为连续越限受控型。判定本批次晶片掺杂工艺符合掺杂浓度要求，可按原外延生长工艺连续生产。
S34上升趋势失控型，其判定标准为：若连续2个点超出控制上限且整体数据呈上升趋势，例如连续两个点的掺杂浓度分别为2.35×1014cm-3和2.32×1014cm-3，但位于控制上限和控制下限的点的整体掺杂浓度呈上升趋势，称为上升趋势失控型。判定本批次后续晶片的掺杂工艺浓度可能高于目标掺杂浓度合格上限，需查明原因，调整外延生长工艺。
S35下降趋势失控型：若连续2个点低于控制下限且整体数据呈下降趋势，例如连续2个点的掺杂浓度分别为1.65×1014cm-3和1.62×1014cm-3，低于控制下限1.75×1014cm-3，且位于控制上限和控制下限划定范围内的点的整体掺杂浓度呈下降趋势，称为下降趋势失控型。判定本批次后续生产晶片的掺杂工艺浓度可能低于目标掺杂浓度合格下限，需查明原因，调整外延生长工艺。
S36波动失控型，其判定标准为：若每20个点有孤立的3个或3个点以上的点超过超出控制上限或控制下限，或者每20个点有连续的3个或者3个以上的点超出控制上限或控制下限，且整体数据不呈现上升或下降趋势，称为波动失控型。例如有孤立的4个点的掺杂浓度分别为1.64×1014cm-3、2.30×1014cm-3、1.63×1014cm-3、2.35×1014cm-3，超出控制上限2.25 ×1014cm-3和控制下限1.75×1014cm-3划定的范围，且整体数据无上升或下降趋势，判定本批次该点晶片浓度波动异常，需查明原因，调整外延生长工艺。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式的限制。虽然本发明已以较佳实例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述所述的方法及技术内容做出些许的更改或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术发案的内容，依据本发明的技术实质对以上实例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种碳化硅外延晶片掺杂浓度三轴型测试方法，其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：
S1：根据测试取样模型进行取样，所述测试取样模型由3个夹角为120°的半径轴a、b、c上的点阵组合而成，利用汞探针CV测试法获取每个取样点的掺杂浓度数据；
S2：获取片内掺杂浓度，分类录入数据并进行片内数据处理，绘制片内掺杂浓度mapping图；
所述测试方法还包括：步骤S3：获取片间掺杂浓度，分别绘制同批次晶片同一测试点的掺杂浓度控制图，得出该批次晶片的监控模型；所述测试取样模型由3个夹角为120°的半径轴a、b、c上的点阵组合而成包括：a轴的反向延长线垂直平分主定位边，以顺时针为正方向，b轴与a轴夹角为120°，c轴与a轴夹角为-120°；
所述点阵组合包括：a轴上的点阵由中心延a轴半径辐射，以a、b、c轴的交点为中心点，沿轴线每隔Acm取一个点，对于直径为N寸的碳化硅外延片，a轴上共取[(25N-10)/20A]+1个点，同理b轴和c轴上也各取[(25N-10)/20A]+1个点，晶片测试共取3×[(25N-10)/20A]+1个点。
2.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述S1还包括：观察每个测试点的CV曲线，根据曲线变化趋势判断测试值是否异常，如果出现异常测试点，则在该点沿轴方向3mm范围内进行复测，并将复测后的正常数据替换异常值。
3.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述分类录入数据包括：将各晶片测试结果按照a、b、c轴分类并按照点名称从小到大依次录入数据，所述片内数据处理包括：分别计算各轴和整体的掺杂浓度的均值和掺杂浓度分布不均匀性。
4.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述监控模型包括：S31限内波动受控型、S32孤点越限受控型、S33连续越限受控型、S34上升趋势失控型、S35下降趋势失控型、S36波动失控型。
5.如权利要求4所述的测试方法，其特征在于，所述S31限内波动受控型，其判定标准为：所有的点均在控制上限和控制下限划定的范围内，当该批次晶片属于限内波动受控型时，判定本批次后续生产的晶片掺杂工艺符合掺杂浓度要求，可按原外延生长工艺连续生产。
6.如权利要求4所述的测试方法，其特征在于，所述S32孤点越限受控型，其判定标准为：每20个点仅有孤立的2个或2个以下的点超出控制上限或控制下限但仍在合格限内，当该批次晶片属于孤点越限受控型时，则判定本批次后续生产的晶片该测试点掺杂工艺符合掺杂浓度要求，可按原外延生长工艺连续生产。
7.如权利要求4所述的测试方法，其特征在于，所述S33连续越限受控型，其判定标准为：连续2个点超出控制上限或低于控制下限但整体数据并未呈上升趋势或下降趋势，当该批次晶片属于连续越限受控型时，则判定本批次后续生产的晶片该测试点掺杂工艺符合掺杂浓度要求，可按原外延生长工艺连续生产。
8.如权利要求4所述的测试方法，其特征在于，所述S34上升趋势失控型，其判定标准为：连续2个点超出控制上限且整体数据呈上升趋势，当该批次晶片属于上升趋势失控型时，则判定本批次后续生产的晶片该测试点掺杂浓度可能高于目标掺杂合格容差上限，需查明原因，调整外延生长工艺。
9.如权利要求4所述的测试方法，其特征在于，所述S35下降趋势失控型，其判定标准为：连续2个点低于控制下限且整体数据呈下降趋势，当该批次晶片属于下降趋势失控型时，则判定本批次后续生产的晶片该测试点掺杂工艺浓度可能低于目标掺杂浓度合格下限，需查明原因，调整外延生长工艺。
10.如权利要求4所述的测试方法，其特征在于，所述S36波动失控型，其判定标准为：每20个点有孤立的3个或3个点以上的点超出控制上限或控制下限，或者每20个点有连续的3个或者3个以上的点超出控制上限或控制下限，且整体数据不呈现上升或下降趋势，当该批次晶片属于波动失控型时，则判定本批次该测试点晶片浓度波动异常，需查明原因，调整外延生长工艺。
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