（高清版）GBT 43493.1-2023 半導(dǎo)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1部分：缺陷分類

半導(dǎo)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)carbidehomoepitaxialwaferforpowerdevices—Part1:Classific2023-12-28發(fā)布2024-07-01實施國家市場監(jiān)督管理總局國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會IGB/T43493.1—2023/IEC63068-1:2019 12規(guī)范性引用文件 5 54.2缺陷類別說明 Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件是GB/T43493《半導(dǎo)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1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(xué)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IEC63068-1:2019《半導(dǎo)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1部分：缺陷分類》。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(jié)構(gòu)不承擔(dān)識別專利的責(zé)任。本文件由全國半導(dǎo)體設(shè)備和材料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC/TC203)與全國半導(dǎo)體設(shè)備和材料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會材料分技術(shù)委員會(SAC/TC203/SC2)共同提出并歸口。本文件起草單位：河北半導(dǎo)體研究所(中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所)、山東天岳先進(jìn)科技股份有限公司、之江實驗室、浙江大學(xué)、中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所、中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、中電化合物半導(dǎo)體有限公司、廣東天域半導(dǎo)體股份有限公司、TCL環(huán)鑫半導(dǎo)體(天津)有限公司、山西爍科晶體有限公司、河北普興電子科技股份有限公司、深圳創(chuàng)智芯聯(lián)科技股份有限公司、深圳市晶揚(yáng)電子有限公司、廣州弘高科技股份有限公司、常州臻晶半導(dǎo)體有限公司、深圳超盈智能科技有限公司、深圳市星漢激光科技股份有限公司、中微半導(dǎo)體(上海)有限公司。碳化硅(SiC)作為半導(dǎo)體材料，被廣泛應(yīng)用于新一代功率半導(dǎo)體器件中。與硅(Si)相比，具有擊穿電場強(qiáng)度高、導(dǎo)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(dǎo)體器件相對于硅基器件，具有更快的開關(guān)速度、低損耗、高阻斷電壓和耐高溫等性能。SiC功率半導(dǎo)體器件尚未全面得以應(yīng)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(yán)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(biāo)準(zhǔn)。GB/T43493旨在給出高功率半導(dǎo)體器件用4H-SiC同質(zhì)外延片中各類缺陷的分類、光學(xué)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(dǎo)體器件用4H-SiC同質(zhì)外延片中各類缺陷及其典型特征?！?部分：缺陷的光學(xué)檢測方法。目的是給出并提供高功率半導(dǎo)體器件用4H-SiC同質(zhì)外延片中缺陷光學(xué)檢測的定義和指導(dǎo)方法。 目的是給出并提供高功率半導(dǎo)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(dǎo)方法。1半導(dǎo)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)本文件給出了4H-SiC(碳化硅)同質(zhì)外延片中的缺陷分類。缺陷是按晶體學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，并通過明場光學(xué)顯微術(shù)(OM)、光致發(fā)光(PL)和X射線形貌(XRT)圖像等無損檢測方法進(jìn)行識別。2規(guī)范性引用文件本文件沒有規(guī)范性引用文件。3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。ISO和IEC維護(hù)的用于標(biāo)準(zhǔn)化的術(shù)語數(shù)據(jù)庫地址如下：——ISO在線瀏覽平臺：availableat/obp碳化硅siliconcarbide由硅和碳組成的半導(dǎo)體晶體，該晶體具有3C、4H和6H等多種類型。注：符號(如4H)表示周期性疊加層數(shù)(2,3,4,…)和晶體類型的對稱性(H:六方，C:立方)。3C碳化硅3Csiliconcarbide3C-SiC具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)的碳化硅晶體，其中沿<111>方向三個Si-C層呈周期性排列。4H碳化硅4Hsiliconcarbide4H-SiC呈六方對稱的碳化硅晶體，其中沿著晶體c軸四個Si-C層呈周期性排列。注：4H-SiC的晶體結(jié)構(gòu)和纖鋅礦結(jié)構(gòu)類似，其單位晶胞沿<0001>方向的晶格有四個周期。6H碳化硅6Hsiliconcarbide6H-SiC呈六方對稱的碳化硅晶體，其中沿著晶體c軸六個Si-C層呈周期性排列。注：6H-SiC的晶體結(jié)構(gòu)和纖鋅礦結(jié)構(gòu)類似，其單位晶胞沿<0001>方向的晶格有六個周期。2通常用(hkl)表示，代表一個平面與a、b和c軸的交點，距原點距離為1/h、1/k和1/l,其中h,k和注1:h、k和l通常被稱為晶體平面的米勒指數(shù)。注2:在六方對稱的4H-SiC中，常用四位指數(shù)(hkil)表示晶面。[來源：ISO24173:2009,3.2,有修改，注2重新編輯]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]多型性polytypism一種材料存在多種結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，每種結(jié)構(gòu)都由相同結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的層按照順序堆疊而成。描述單晶材料的多型性。沉積同質(zhì)外延層的材料。同質(zhì)外延層homoepitaxiallayer在襯底上外延形成的和襯底具有相同的晶體取向和原子排序的單晶薄膜。單晶材料。原子在晶體中的排列位置?；矫鎎asalplane六方晶體中與晶體c軸垂直的平面。柱面prismplane六方晶體中與晶體c軸平行的平面。六方晶體中的主軸。結(jié)晶不完美部分。3晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整性受到破壞的位置。點缺陷pointdefect在單個晶格位置或其臨近區(qū)域發(fā)生的晶體缺陷，如空位、間隙、反位、雜質(zhì)和絡(luò)合物?？瘴籿acancy晶體中缺少原子的晶格位置。間隙interstitial在單晶材料中占據(jù)空隙位置的原子。擴(kuò)展缺陷extendeddefect在一維、二維或三維空間中擴(kuò)展的晶體缺陷。單晶材料中的線性晶體學(xué)缺陷。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在近似垂直基平面方向穿透晶體的螺位錯。穿透型刃位錯threadingedgedislocation;TED在近似垂直基平面方向穿透晶體的刃位錯?；矫嫖诲ebasalplanedislocation;BPD存在于基平面上的位錯。不全位錯partialdislocation在層錯與完整晶體的交界處的位錯。弗蘭克型不全位錯Frankpartialdislocation包圍著弗蘭克型堆垛層錯的位錯。肖克萊型不全位錯Shockleypartialdislocation包圍著肖克萊型堆垛層錯的位錯。硅核不全位錯Si-corepartialdislocation位錯核中存在Si-Si鍵的不全位錯。4碳核不全位錯C-corepartialdisloca位錯核中存在C-C鍵的不全位錯。晶面的疊加序列異常造成的單晶材料中的平面晶體缺陷。基平面堆垛層錯basalplanestackingfault位于基平面上的堆垛層錯。柱面堆垛層錯prismaticfault位于柱面上的堆垛層錯。弗蘭克型堆垛層錯Frank-typest在垂直于堆垛層錯平面的方向上發(fā)生原子位移的堆垛層錯。在平行于堆垛層錯平面的方向上發(fā)生原子位移的堆垛層錯。通過單元臺階合并成較大臺階形成的具有多個單元臺階高度的表面臺階。注：臺階聚集的高度從幾納米到幾十納米不等。顯示出不同于單晶材料的物理性質(zhì)和/或化學(xué)性質(zhì)的立體晶體缺陷。同質(zhì)外延層表面存在的凹陷。機(jī)械損傷導(dǎo)致的表面粗糙。伯格斯矢量Burgersvector表示單晶材料位錯中晶格畸變的大小和方向的矢量。晶體學(xué)c軸與襯底表面法線之間的偏離方向。5光學(xué)顯微術(shù)opticalmicroscopy;OM通過透鏡放大，利用可見光觀察晶片表面形貌特征的技術(shù)。光致發(fā)光photoluminescence;PL材料吸收光子產(chǎn)生電子激發(fā)導(dǎo)致的發(fā)光。X射線形貌x-raytopography;XRT通過X射線在晶體中衍射的二維強(qiáng)度分布來表征晶體中擴(kuò)展缺陷的技術(shù)。注：X射線形貌中的衍射條件由衍射矢量g表征。4缺陷分類4.1通則基于晶體類型和結(jié)構(gòu)，SiC同質(zhì)外延片中的缺陷應(yīng)分為14類，見表1。表1缺陷分類序號缺陷類別類型維度結(jié)構(gòu)圖號點缺陷點缺陷點空位、間隙等無2微管擴(kuò)展缺陷線中空管狀3穿透型螺位錯(TSD)穿透型螺位錯4穿透型刃位錯(TED)穿透型刃位錯圖35基平面位錯(BPD)基平面位錯6劃痕痕跡密集排列的位錯7堆垛層錯平面堆垛層錯圖68延伸堆垛層錯堆垛層錯圖79復(fù)合堆垛層錯棱柱層錯和基平面層錯復(fù)合多型包裹體三維外來多型顆粒包裹體顆粒臺階聚集簇表面缺陷平面臺階聚集表面顆粒三維顆粒無其他未定義未定義未定義無4.2缺陷類別說明每種缺陷的描述、示意圖、平面觀察圖像見4.2.2～4.2.15。所有的圖像按照如下規(guī)則給出：a)同質(zhì)外延片中各類缺陷的示意圖；b)各類缺陷的平面觀察示意圖；c)光學(xué)顯微鏡明場光學(xué)圖像；6d)光致發(fā)光圖像；e)X射線形貌圖像。所有圖像均在沿著[1120]切角4°的4H-SiC同質(zhì)外延片測試。光致發(fā)光圖像測試條件為室溫下使用340nm激發(fā)光測試，每種缺陷獲得光致發(fā)光圖像所對應(yīng)的發(fā)光波長均在各缺陷備注中說明。所有的X射線形貌圖像在g=1128衍射條件下獲得。點缺陷是指出現(xiàn)在單個晶格點或其周圍的晶體缺陷。注：使用光學(xué)檢查和光致發(fā)光方法不能檢測到點缺陷，因此在本文件中未進(jìn)行規(guī)定。微管是指沿晶體<0001>c軸方向延伸的空心管，能描述為中空位錯，伯格斯矢量b,b=nc,c為<0001>方向的單位矢量，n≥3。微管的平面圖像如圖1所示。注1:該缺陷通常在4H-SiC同質(zhì)外延層表面上表現(xiàn)出黑色凹坑的形態(tài)特征。注2:只有n值較大時，能用光學(xué)測試觀察到微管。注3:圖1d)是在750nm～1100nm的波長范圍內(nèi)獲得的。a)微管示意圖b)平面示意圖c)明場光學(xué)圖像標(biāo)引序號說明：1——外延層；2——襯底；3——微管。d)光致發(fā)光圖像e)X射線形貌圖像7TSD是指近似平行于晶體c軸延伸的螺型位錯，其伯格斯矢量一般是<0001>或<0001>加上一個垂直于c軸的分量。TSD的平面圖像如圖2所示。注1:該缺陷通常在4H-SiC同質(zhì)外延層表面上表現(xiàn)出淺坑的形態(tài)特征。注2:光學(xué)檢測的TSDs凹坑尺寸比TEDs的大，由于TSDs和TEDs在幾乎所有情況下都是同時觀察到的，因此在圖2和圖3中使用相同的分圖c)、d)和e)。注3:圖2d)是在750nm～1100nm的波長范圍內(nèi)獲得的。a)TSD示意圖b)平面示意圖c)明場光學(xué)圖像d)光致發(fā)光圖像e)X射線形貌圖像標(biāo)引序號說明：1——外延層；2——襯底；圖2穿透型螺位錯(TSD)TED指近似平行于晶體c軸延伸的刃位錯，其伯格斯矢量為1/3<1120>。TED的平面圖像如圖3所示。8注1:該缺陷通常在4H-SiC同質(zhì)外延層表面上表現(xiàn)出淺坑的形態(tài)特征。注2:光學(xué)檢測的TSD凹坑尺寸比TED的大，由于TSD和TEDs在幾乎所有情況下都是同時觀察到的，因此在圖2和圖3中使用相同的分圖c)、d)和e)。注3:圖3d)是在750nm～1100nm的波長范圍內(nèi)獲得。a)TED示意圖b)平面示意圖c)明場光學(xué)圖像標(biāo)引序號說明：2——襯底；3——TED;4——外延層中TED;5——襯底中的BPD。d)光致發(fā)光圖像e)X射線形貌圖像圖3穿透型刃位錯(TED)BPD指的是位于基平面上的位錯，其伯格斯矢量為1/3<1120>。BPD通常會分解為兩個不全位錯，一個硅核不全位錯和一個碳核不全位錯。BPD的平面圖像如圖4所示。注1:該缺陷在4H-SiC同質(zhì)外延層表面上無典型的形貌特征。注2:BPD延伸的方向一般與臺階流方向平行或近似平行，也有一些BPD沿其他方向延伸，有時BPD位錯還能發(fā)生彎曲。9注3:圖4d)是在750nm～1100nm的波長范圍內(nèi)獲得的。a)BPD示意圖b)平面示意圖c)明場光學(xué)圖像標(biāo)引序號說明：1——外延層；2——襯底；3——外延層中的BPD;4——襯底中的BPD。d)光致發(fā)光圖像e)X射線形貌圖像劃痕痕跡是指襯底表面的機(jī)械損傷造成的外延層中的密集排列的位錯。劃痕痕跡的平面圖像如注1:該缺陷通常是襯底表面拋光時造成的劃痕引起。注2:該缺陷在4H同質(zhì)外延層表面的典型形貌特征是隨機(jī)分布的線狀劃痕。注3:圖5d)是在750nm～1100nm的波長范圍內(nèi)獲得的。a)劃痕痕跡示意圖b)平面示意圖c)明場光學(xué)圖像標(biāo)引序號說明：1——外延層；2—-襯底；3——劃痕痕跡；4——密集排列的位錯。d)光致發(fā)光圖像e)X射線形貌圖像圖5劃痕痕跡堆垛層錯是指一個基面堆垛層錯，具有各種類型的層錯，每一種層錯都具有不同的光致發(fā)光典型曲線。堆垛層錯的平面圖像如圖6所示。注1:該缺陷通常在4H-SiC同質(zhì)外延層表面上表現(xiàn)出隱約的三角形的形態(tài)特征。注2:圖6d)是在460nm的波長處獲得的。a)堆垛層錯示意圖b)平面示意圖c)明場光學(xué)圖像標(biāo)引序號說明：1——外延層；2——襯底；3——堆垛層錯；4——襯底中的TSD;5——襯底中的BPD。d)光致發(fā)光圖像e)X射線形貌圖像圖6堆垛層錯延伸堆垛層錯是指襯底中的堆垛層錯延伸至外延層中產(chǎn)生的堆垛層錯。延伸堆垛層錯的平面圖像注1:該缺陷通常在4H-SiC同質(zhì)外延層表面上表現(xiàn)出垂直于斜切方向的梯型形態(tài)特征。注2:圖7d)是在750nm～1100nm的波長范圍內(nèi)獲得的。a)延伸堆垛層錯示意圖b)平面示意圖c)明場光學(xué)圖像標(biāo)引序號說明：1——外延層；2——襯底；3——外延層中的延伸堆垛層錯；4——襯底中的堆垛層錯。d)光致發(fā)光圖像e)X射線形貌圖像圖7延伸堆垛層錯復(fù)合堆垛層錯是指由終止于弗蘭克型不全位錯的基面堆垛層錯和終止于同外延層表面的棱柱狀堆注1:該缺陷在4H-SiC同質(zhì)外延層表面上表現(xiàn)出沿著斜切方向延伸的針狀形態(tài)特征，又稱為“胡蘿卜缺陷”。注2:圖8d)是在420nm的波長處獲得的。a)復(fù)合堆垛層錯示意圖b)平面示意圖c)明場光學(xué)圖像標(biāo)引序號說明：1——外延層；2——襯底；3——基平面堆垛層錯；4——棱柱面堆垛層錯；5——弗蘭克型不全位錯；6——襯底中的TSD。d)光致發(fā)光圖像e)X射線形貌圖像圖8復(fù)合堆垛層錯多型包裹體是指一種立方(3C)堆垛次序的層狀包裹體，延伸至同質(zhì)外延層表面，稱為3C包裹體。注1:該缺陷在4H-SiC同質(zhì)外延層表面上表現(xiàn)出沿著斜切方向的銳角三角形或針狀形態(tài)特征，又稱為“三角形包注2:該缺陷的產(chǎn)生原因除了外來顆粒，還包括襯底表面拋光過程中的機(jī)械損傷和外延過程中的(0001)臺階表面不可控成核等原因。注3:圖9d)是在750