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碳化硅衬底及外延片位错密度检测方法KOH腐蚀结合图像识别法
1范围
本本件规定了用化学择优腐蚀结合图像识别法检测碳化硅晶片中位错密度的方法。
本文件适用于4H及6H-SiC晶片材料中Si面位错检测及其密度统计,材料表面为化学机械抛光状
态。
2规范性引用文件
本文件没有规范性引用文件。
3术语和定义
本文件没有需要界定的术语和定义。
4方法原理
缺陷择优腐蚀是表征晶体质量的一个快速、有效的方法,特别是对于半导体单晶来说,腐蚀坑的形
状和密度呈现出了单晶的缺陷类型以及缺陷密度。SiC单晶衬底在碱性腐蚀剂中容易产生各向异性的腐
蚀,也就是不同晶向的腐蚀速度会有所差异。对于(0001)取向的SiC单晶来说,位错周围的晶格发生
畸变,即位错区域表面应变能较大,因此位错区域容易与腐蚀剂发生化学反应,首先被腐蚀。同时,又
因为腐蚀速度的各向异性,导致在有缺陷的地方出现形状规则的腐蚀坑,腐蚀坑的形状和最密排面的原
̅
子排列方式有关。对于SiC单晶,Si面(0001)和C面(0001)极性不同,故腐蚀剂在两个表面的
腐蚀速度也存在差异,在熔融KOH腐蚀剂中腐蚀时,C面的腐蚀速度是Si面腐蚀速度的5倍。在Si面,
腐蚀剂对晶格完整区域的腐蚀速度慢,在缺陷区域腐蚀速度快,因此形成择优腐蚀,出现形状规则的腐
蚀坑;在C面,腐蚀剂在晶格完整区域腐蚀速度快,甚至和缺陷区域的腐蚀速度相当,因此在C面
就会出现各向同性腐蚀效果,很少显露腐蚀坑或腐蚀坑呈近似圆形。
采用KOH化学腐蚀技术从Si面显示SiC衬底或外延材料中的位错缺陷,用光学显微镜观察样
品表面腐蚀坑,根据腐蚀坑的尺寸及形貌不同,可将腐蚀坑分为三类,如图1所示为100X的放大结果,
尺寸最大的六角形腐蚀坑对应TSD,尺寸较小近似圆形的腐蚀坑对应TED,贝壳形、腐蚀坑底部不在
中心的腐坑对应BPD。利用图像识别将腐蚀坑归类并计算每个视野内的位错密度,再结合自动运动平
台实现完整晶片的分区统计,最后利用软件计算晶片内的位错密度及其分布情况。
1
图1腐蚀后的碳化硅硅面位错形貌(a)、碳面位错形貌(b)
5仪器设备
本方法需要下列仪器和设备:
a)光学显微镜,5X~20X物镜,数据采集相机;自动运动平台;具有扫描、统计功能的软件系统;
b)碳化硅单晶片腐蚀炉,温度精度±1℃,可加热至700℃以上;
c)镍坩埚,直径Φ(50mm~210)mm。
6试剂和材料
本方法需要下列试剂和材料:
a)氢氧化钾(KOH),分析纯;
b)无水乙醇,分析纯;
c)去离子水。
7样品制备
将单晶按标准流程进行切割、研磨、抛光等制备成完整衬底片,然后将其浸泡在熔融KOH中腐蚀
一段时间,通过调整腐蚀温度(470℃~490℃)和腐蚀时间(10min~30min),使TSD腐蚀坑的尺寸在
(100±30)μm的范围内,此时TED和BPD长轴方向尺寸在40±10μm范围内,腐蚀后需保证腐蚀坑形
状清晰并被准确识别。腐蚀结束后分别用无水乙醇和去离子水对其进行清洗,N吹干备用。
2
8测试环境
测试的环境要求如下:
a)环境温度:23℃±5℃;
b)相对湿度:≤75%。
2
9测试程序
a)将腐蚀完毕的SiC样品置于光学显微镜载物台上,Si面朝上如图2所示,将晶片边缘去除2
mm后进行矩阵式扫描。即将晶片最长直径D按间隔5mm的距离分成若干份,然后在若干
份的区域里选取中心成像。扫描过程中需保证每个视野内成像清晰;
说明:上图以4寸SiC片为例,图中○表示测试点,最长直径上的测试点个数n=ᵃ−1个。
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