世界要聞：TechInsights對(duì)于“碳化硅JFETs原子探針層析成像”的探討

作者：Stephen Russel (單位：TechInsights的Sr. Process Analyst_Power Devices)

合著作者：Ramya Cuduvally（單位：CCEM和麥克馬斯特大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）Brian Langelier（單位：CCEM和麥克馬斯特大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）

去年，TechInsights通過(guò)一系列博客展示了電氣特性的力量，對(duì)于揭示碳化硅器件規(guī)格書(shū)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能提供的碳化硅器件特性。

(相關(guān)資料圖)

分析半導(dǎo)體摻雜的技術(shù)多種多樣，例如：

掃描式電容顯微鏡（SCM ），我們經(jīng)常將它包含在我們的功耗報(bào)告中，這為我們提供了大面積的相對(duì)摻雜物分析。

掃描式電阻測(cè)定（SRP）和二次離子質(zhì)譜（SIMS）可以給出定量分析，但是尺寸有限。寬度小于1μm的摻雜濃度的絕對(duì)值很難辨別。

原子探針層析成像（APT）是一種非常適合小面積分析的技術(shù)，它允許在原子尺度上進(jìn)行三維成像以及化學(xué)成分分析。它可以給出關(guān)于同時(shí)存在的離子的深度剖面和質(zhì)譜的生動(dòng)剖析。

APT功率

APT的工作原理是將場(chǎng)蒸發(fā)（FE）原理與飛行時(shí)間質(zhì)譜（TOF-MS）相結(jié)合。離子到達(dá)檢測(cè)器的順序和它們的（x，y）坐標(biāo)已知的情況下，可以應(yīng)用簡(jiǎn)單的基于幾何投影的算法來(lái)最終實(shí)現(xiàn)樣本的3D重建。APT可能提供介于0.25-1.25nm的高空間分辨率，具體取決于所分析的材料。

同預(yù)測(cè)一樣，APT的靈敏度只受計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)的限制，如果探測(cè)足夠大的體積，靈敏度可以達(dá)到10原子ppm。因此，APT是一種強(qiáng)大的3D元素繪圖技術(shù)，有可能產(chǎn)生接近原子級(jí)的分辨率和接近單個(gè)原子的檢測(cè)效率。

TechInsights的UnitedSiC第四代SiC JFETs庫(kù)中已經(jīng)收集了大量分析：而這些分析內(nèi)容可以在我們的訂閱中的SiC電源電路布局報(bào)告、電源要點(diǎn)摘要和工藝流程分析里找到。該產(chǎn)品還是前一篇博客的主題，也是關(guān)于討論SiC產(chǎn)品電氣特性測(cè)試超過(guò)規(guī)格書(shū)的參數(shù)范圍的博客系列的一部分。目前，TechInsights和加拿大安大略省麥克馬斯特大學(xué)加拿大電子顯微鏡中心（CCEM）的同事們合作，以開(kāi)展更深入的分析。

CCEM擁有各種最先進(jìn)的電子和離子顯微鏡，以及CAMECA局部電極原子探針（LEAP）4000X HR（圖1）。這些儀表有助于研究各種材料的納米特性和現(xiàn)象，包括金屬、合金、半導(dǎo)體、陶瓷、礦物甚至生物材料。

特別是對(duì)于半導(dǎo)體器件的分析，除了元素的定量3D映射和各種層/界面的可視化之外，APT數(shù)據(jù)還可以揭示有趣的細(xì)節(jié)，例如摻雜劑對(duì)缺陷的分離、納米尺度特征和界面的濃度分布、局部成分等。反過(guò)來(lái)，這些信息可以提供對(duì)器件性能/故障及其制造工藝的寶貴分析。

圖1：CCEM的CAMECA LEAP 4000X HR

目標(biāo)分析器件–UnitedSiC第四代SiC JFET

UnitedSiC UJ4C075018K4S的額定電壓為750 V，導(dǎo)通電阻（RDS.（ON））為18mΩ。 TechInsights之前的博客描述了這個(gè)設(shè)備的好處（關(guān)于進(jìn)一步的討論，請(qǐng)參閱全文）

與UnitedSiC第三代產(chǎn)品的3.03 mΩ.cm2相比，這些技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)了更低的1.32 mΩ.cm2的導(dǎo)通電阻（RDS.ON（SP））。這不僅低于UnitedSiC的上一代產(chǎn)品，也低于我們迄今為止觀察到的任何650 V SiC MOSFET。（還要注意，這實(shí)際上是一個(gè)750V的設(shè)備）

圖2的掃描電子顯微鏡（SEM）橫截面圖像中可以看到UJ4C075018K4S的JFET陣列結(jié)構(gòu)。圖3中的SCM圖像顯示了相對(duì)摻雜以及溝槽側(cè)壁底部和沿著溝槽側(cè)壁的p型柵極接觸。我們著重研究這一區(qū)域（特別是在溝槽底部）。

圖2：UnitedSiC UJ4C075018K4S的SEM截面圖

圖3：UnitedSiC UJ4C075018K4S的掃描式電容顯微鏡（SCM）圖像，詳細(xì)顯示了相對(duì)摻雜劑濃度

從過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，在SiC中的p-type摻雜比例研究一直是具有挑戰(zhàn)性的。鋁（Al）是最佳的候選受體，但是注入Al的4H-SiC在1400℃退火時(shí)電激活率小于10%，需要1600℃退火才能接近100%激活。

與p-type摻雜比例相關(guān)的挑戰(zhàn)和相關(guān)問(wèn)題，例如來(lái)自注入的壽命致命缺陷和來(lái)自高溫退火的晶格畸變，這就是我們至今仍未見(jiàn)到商業(yè)上可用的雙極型功率半導(dǎo)體器件（例如SiC中的IGBTs）的重要原因。

UJ4C075018K4S裝置的APT

實(shí)現(xiàn)FE所需的表面電場(chǎng)的幅度可以高達(dá)數(shù)十 V/nm，這在實(shí)驗(yàn)室設(shè)置中幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，APT樣品基本上被制備成針狀體的形式，其頂點(diǎn)直徑為50-100納米量級(jí)，這樣一些kV的應(yīng)用就可以產(chǎn)生所需的表面電場(chǎng)大小。因此，APT樣品制備是一個(gè)重要的過(guò)程，需要專用儀器。使用高度聚焦的高能離子束（通常是鎵或氙）實(shí)現(xiàn)關(guān)注區(qū)域（ROI）的目標(biāo)提升和成形，同時(shí)使用掃描電子束使其成像。

使用雙光束蔡司透鏡NVision 40 （Ga光束）銳化的SiC JFET APT樣品的SEM圖像如圖4所示。

圖4：可用于APT分析的Si JFET樣品SEM圖像

當(dāng)前研究的目標(biāo)是量化SiC JFET溝道中的p型摻雜劑，并且顯現(xiàn)其在溝道中的3D分布。兩次成功的APT實(shí)驗(yàn)分別收集了3400萬(wàn)和3700萬(wàn)個(gè)離子。確認(rèn)p型摻雜劑是Al。在解決質(zhì)量峰重疊后，可以在合理的誤差范圍內(nèi)對(duì)每個(gè)樣品中的Al含量進(jìn)行定量，并得出1e-19 atoms/cm3的平均值（表1）。同一個(gè)表中還顯示了每次實(shí)驗(yàn)測(cè)定的Si、C和Al含量。

表1：由APT確定的JFET門(mén)區(qū)成分

值得注意的是，APT重構(gòu)揭示了Al在柵極區(qū)域內(nèi)的極不均勻分布，這表明它與SiC中的晶體缺陷分離（圖5）。這些缺陷可能是離子注入工藝的結(jié)果，每個(gè)這樣的簇中的Al原子的數(shù)量包含大約1000個(gè)Al原子。正如人們所預(yù)料的，這種設(shè)備通道內(nèi)的局部和隨機(jī)不均勻組合不可取，因?yàn)樗鼈兛赡茉黾釉O(shè)備性能的可變性，并最終降低可靠性。

圖5：(a)基于SEM圖像獲得的分析體積的APT重建，顯示在(b)具有Al > 0.35 的ROI內(nèi)的等濃度表面，%, 突出顯示了JFET柵極區(qū)內(nèi)的富鋁團(tuán)簇。

總結(jié)

這項(xiàng)工作證明，APT可以用于從半導(dǎo)體器件中獲得高度局域化的信息。未來(lái)，TechInsights希望擴(kuò)展我們的分析，以研究沿側(cè)壁的摻雜劑分布、SiC/SiO界面的質(zhì)量和Ni硅化物門(mén)內(nèi)部的局部成分變化。

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關(guān)鍵詞： 半導(dǎo)體器件 原子探針 電氣特性 層析成像 材料科學(xué)與工程