GBT 43493.1-2023 半导体器件功率器件用碳化硅同质外延片缺陷的无损检测识别判据第1部分缺陷分类.docx

ICS31.080.99CCS1.90OB中华人民共和国国家标准GB/T43493.12023/IEC63068-1:2019半导体器件功率器件用碳化硅同质外延片缺陷的无损检测识别判据第1部分：缺陷分类Semiconductordevice-Non-destructiverecognitioncriteriaofdefectsinsiliconcarbidehomoepitaxialwaferforpowerdevices-Part1:Classiflcationofdefects(IEC63068-1:2019,IDT)2024-07-01实施2023-12-28发布国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会前言III引言IV1范围12规范性引用文件13术语和定义14缺陷分类54.1 通则54.2 缺陷类别说明5参考文献17AX.-A刖g本文件按照GBT1.12020标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草。本文件是GB/T43493半导体器件功率器件用碳化硅同质外延片缺陷的无损检测识别判据的第1部分。GB/T43493已经发布了以下部分： 第1部分：缺陷分类； 第2部分：缺陷的光学检测方法； 第3部分：缺陷的光致发光检测方法。本文件等同采用IEC63068-1:2019半导体器件功率器件用碳化硅同质外延片缺陷的无损检测识别判据第1部分：缺陷分类。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布结构不承担识别专利的责任。本文件由全国半导体设备和材料标准化技术委员会（SAaTC203）与全国半导体设备和材料标准化技术委员会材料分技术委员会（SAC/TC203/SC2）共同提出并归口。本文件起草单位：河北半导体研究所（中国电子科技集团公司第十三研究所）、山东天岳先进科技股份有限公司、之江实验室、浙江大学、中国电子科技集团公司第四十六研究所、中国科学院半导体研究所、中电化合物半导体有限公司、广东天域半导体股份有限公司、TC1.环鑫半导体（天津）有限公司、山西烁科晶体有限公司、河北普兴电子科技股份有限公司、深圳创智芯联科技股份有限公司、深圳市晶扬电子有限公司、广州弘高科技股份有限公司、常州臻品半导体有限公司、深圳超盈智能科技有限公司、深圳市星汉激光科技股份有限公司、中微半导体（上海）有限公司。本文件主要起草人：房玉龙、芦伟立、李佳、张冉冉、张红岩、王健、李丽霞、殷源、李振廷、张建峰、徐晨、杨青、刘翊、钮应喜、金向军、丁雄杰、刘薇、杨玉聪、魏汝省、吴会旺、姚玉、高东兴、王辉、陆敏、夏俊杰、周少丰、郭世平。碳化硅(Sie)作为半导体材料，被广泛应用于新一代功率半导体器件中。与硅(Si)相比，具有击穿电场强度高、导热率高、饱和电子漂移速率高和本征载流子浓度低等优越的物理性能，SiC基功率半导体器件相对于硅基器件，具有更快的开关速度、低损耗、高阻断电压和耐高温等性能。SiC功率半导体器件尚未全面得以应用，主要由于成本高、产量低和长期可靠性等问题。其中一个严重的问题是SiC外延材料的缺陷。尽管都在努力降低SiC外延片中的缺陷，但商用SiC外延片中仍存在一定数量的缺陷。因此有必要建立SiC同质外延片质量评定国际标准。GB/T43493旨在给出高功率半导体器件用4H-SiC同质外延片中各类缺陷的分类、光学检测方法和光致发光检测方法。由三个部分组成。第1部分：缺陷分类。目的是列出并提供高功率半导体器件用4H-SiC同质外延片中各类缺陷及其典型特征。一第2部分：缺陷的光学检测方法。目的是给出并提供高功率半导体器件用4H-SiC同质外延片中缺陷光学检测的定义和指导方法。第3部分：缺陷的光致发光检测方法。目的是给出并提供高功率半导体器件用4H-SiC同质外延片中缺陷光致发光检测的定义和指导方法。半导体器件功率器件用碳化硅同质外延片缺陷的无损检测识别判据第1部分：缺陷分类1范围本文件给出了4H-SiC(碳化硅)同质外延片中的缺陷分类。缺陷是按晶体学结构进行分类，并通过明场光学显微术(OM)、光致发光(P1.)和X射线形貌(XRT)图像等无损检测方法进行识别。2规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。ISO和IEC维护的用于标准化的术语数据库地址如下：正C电子开放平台：availableathttp:/www.electropedia.org/ISO在线浏览平台：availableathttps:/www.iso.org/obp3.1碳化硅siliconCarbideSiC由硅和碳组成的半导体晶体，该晶体具有3C、4H和6H等多种类型。注：符号(如4H)表示周期性叠加层数(2,3,4,)和晶体类型的对称性(H:六方，C立方)。3.23C碳化硅3Csiliconcarbide3C-SiC具有闪锌矿结构的碳化硅晶体，其中沿ClD方向三个Si-C层呈周期性排列。3.34H碳化硅4Hsiliconcarbide4H-SiC呈六方对称的碳化硅晶体，其中沿着晶体C轴四个Si-C层呈周期性排列。注：4HSC的晶体结构和纤锌矿结构类似，其单位晶胞沿0001方向的晶格有四个周期。3.46H碳化硅6Hsiliconcarbide6H-SiC呈六方对称的碳化硅晶体，其中沿着晶体C轴六个Si-C层呈周期性排列。注：6SC的晶体结构和纤锌矿结构类似，其单位晶胞沿0001方向的晶格有六个周期。3.5晶面crystalplane通常用(hid)表示，代表一个平面与a、b和C轴的交点，距原点距离为1/h、1/k和1/1,其中h,k和1是整数。注1：h、k和1通常被称为晶体平面的米勒指数。注2:在六方对称的4H-SiC中，常用四位指数(hk11)表示晶面。来源：ISo24173:2009,3.2,有修改，注2重新编辑3.6晶向crystaldirection通常用表示的方向，代表一个矢量方向沿a、b、C轴的基矢的倍数。注1：在显示六边形对称性的4H-SC中，常用四位指数uvtw表示晶向。注2：对于立方对称和六边形对称的等效晶向族，分别用uvw)和uvtw)表示。来源：ISO24173:2009,3.3,有修改，增加了注1和注23.7多型性polytypism一种材料存在多种结构的现象，每种结构都由相同结构和化学成分的层按照顺序堆叠而成。3.8多型polytype描述单晶材料的多型性。3.9衬底substrate沉积同质外延层的材料。3.10同质外延层homoepitaxiallayer在衬底上外延形成的和衬底具有相同的晶体取向和原子排序的单晶薄膜。3.11晶体crystal单晶材料。3.12晶格latticesite原子在晶体中的排列位置。3.13基平面basalplane六方晶体中与晶体C轴垂直的平面。3.14柱面prismplane六方晶体中与晶体C轴平行的平面。3.15晶体C-轴crystallographicc-axis六方晶体中的主轴。3.16缺陷defea结晶不完美部分。注：SiC同质外延片的缺陷包括点缺陷、扩展缺陷、表面缺陷和其他缺陷。3.17晶体缺陷crystaldefect晶体内部结构完整性受到破坏的位置。注：高楸½毅分为力缺陷、扩展蝴。3.18点缺陷pointdefect在单个晶格位置或其临近区域发生的晶体缺陷，如空位、间隙、反位、杂质和络合物。3.19空位vacancy晶体中缺少原子的晶格位置。3.20间隙interstitial在单晶材料中占据空隙位置的原子。3.21扩展缺陷extendeddefect在一维、二维或三维空间中扩展的晶体缺陷。3.22位错dislocation单晶材料中的线性晶体学缺陷。3.23微管micropipe沿近似垂直基平面方向延伸的中空管。3.24穿透型螺位错threadingscrewdislocation;TSD在近似垂直基平面方向穿透晶体的螺位错。3.25穿透型刃位错Ihreadingedgedislocation;TED在近似垂直基平面方向穿透晶体的刃位错。3.26基平面位错basalplanedislocation;BPD存在于基平面上的位错。3.27不全位错partialdislocation在层错与完整晶体的交界处的位错。3.28弗兰克型不全位错Frankpartialdislocation包围着弗兰克型堆垛层错的位错。3.29肖克莱型不全位错Shockleypartialdislocation包围着肖克莱型堆垛层错的位错。3.30硅核不全位错Si-corepartialdislocation位错核中存在Si-Si键的不全位错。3.31碳核不全位错C-corepartialdislocation位错核中存在C-C键的不全位错。3.32堆垛层错stackingfault晶面的叠加序列异常造成的单晶材料中的平面晶体缺陷。3.33基平面堆垛层错basalplanestackingfault位于基平面上的堆垛层错。3.34柱面堆垛层错prismaticfault位于柱面上的堆垛层错。3.35弗兰克型堆垛层错Frank-typestackingfault在垂直于堆垛层错平面的方向上发生原子位移的堆垛层错。3.36肖克莱型堆垛层错Shockley-Iypestackingfault在平行于堆垛层错平面的方向上发生原子位移的堆垛层错。3.37表面缺!陷surfacedefect与底层延伸缺陷无关的同质外延层表面的形貌异常。3.38台阶聚集bunched-step通过单元台阶合并成较大台阶形成的具有多个单元台阶高度的表面台阶。注：台阶聚集的高度从米到几Hrt米不等。3.39包裹体inclusion显示出不同于单晶材料的物理性质和/或化学性质的立体晶体缺陷。3.32 40坑pit同质外延层表面存在的凹陷。3.41划痕scratch机械损伤导致的表面粗糙。3.42伯格斯矢量Burgersvector表示单晶材料位错中晶格畸变的大小和方向的矢量。3.43切角OffYUtangle晶体C轴与衬底表面法线之间的角度。3.44斜切方向Off-CUtdirection晶体学C轴与衬底表面法线之间的偏离方向。3.45光学显微术OPtiCalmicroscopy;OM通过透镜放大，利用可见光观察晶片表面形貌特征的技术。3.46光致发光PhotOlUrnineSCence;P1.材料吸收光子产生电子激发导致的发光。3.47X射线形貌x-raytopography;XRT通过X射线在晶体中衍射的二维强度分布来表征晶体中扩展缺陷的技术。注：Xt线形貌中的衍射条件由衍射矢：Ig表征。4缺陷分类4.1 通则基于晶体类型和结构，SiC同质外延片中的缺陷应分为14类，见表1。表1缺陷分类序号缺陷类别类型维度结构图号1点缺陷点缺陷点空位、间隙等无2微管扩展缺陷线中空管状图13穿透型螺位错(TSD)穿透型螺位错图24穿透型刃位错(TED)穿透型刃位错图35基平面位错(BPD)基平面位错图46划痕痕迹密集排列的位错图57堆垛层错平面堆垛层错图68延伸堆垛层错堆垛层错图79复合堆垛层错棱柱层错和基平面层错复合图810多型包裹体三维外来多型图911颗粒包裹体颗粒图1012台阶聚集簇表面缺陷平面台阶聚集图1113表面颗粒三维颗粒无14其他未定义未定义未定义无4.2 缺陷类别说明4.2.1 缺陷示例每种缺陷的描述、示意图、平面观察图像见4.2.24.2.15。所有的图像按照如下规则给出:a)同质外延片中各类缺陷的示意图；b)各类缺陷的平面观察示意图；c)光学显微镜明场光学图像：d）光致发光图像；e）X射线形貌图像。所有图像均在沿着1120切角4。的4H-SiC同质外延片测试。光致发光图像测试条件为室温下使用340nm激发光测试，每种缺陷获得光致发光图像所对应的发光波长均在各缺陷备注中说明。所有的X射线形貌图像在g=1128衍射条件下获得。4.2.2点缺陷点缺陷是指出现在单个晶格点或其周围的晶体缺陷。注：使用光学检查和光致发光方法不能检测到点缺陷，因此在本文件中未进行规定。4.23微管微管是指沿晶体0001C轴方向延伸的空心管，能描述为中空位错，伯格斯矢量b,b=nc,c为0001方向的单位矢量，n30微管的平面图像如图1所示。注1：该缺陷通常在4HSiC同质外延层表面上表现出黑色凹坑的形态特征。注2:只有n值较大时，能用光学测试观察到微管。注3:图Id）是在750nm-I100nm的波长范围内获得的。标引序号说明:1外延层；2衬底；3微管。图1微管4.2.4 TSDTSD是指近似平行于晶体C轴延伸的螺型位错，其伯格斯矢量一般是0001或0001加上一个垂直于C轴的分量。TSD的平面图像如图2所示。注1：该缺陷通常在4H-SiC同质外延层表面上表现出浅坑的形态特征。注2：光学检测的TSDS凹坑尺寸比TEDS的大，由于TSDS和TEDS在几乎所有情况下都是同时观察到的，因此在图2和图3中使用相同的分图c）、d）和e）。注3：图2d）是在75OnmIloOnm的波长范围内获得的。c）明场光学图像d）光致发光图像e）X射线形貌图像标引序号说明：1 外延层；2-衬底：3TSD0图2穿透型螺位错（TSD）4.2.5 TEDTED指近似平行于晶体C轴延伸的刃位错，其伯格斯矢量为l31120°TED的平面图像如图3所示。注1:该缺陷通常在4H-SiC同质外延层表面上表现出浅坑的形态特征。注2：光学检测的TSD凹坑尺寸比TED的大，由于TSD和TEDS在几乎所有情况卜.都是同时观察到的，因此在图2和图3中使用相同的分图c）、d）和e）。注3:图3d）是在750nm-1100nm的波长范围内获得。c）明场光学图像d）光致发光图像e）X射线形貌图像标引序号说明：1 外延层；2衬底：3TED;4外延层中TED;5衬底中的BPDo图3穿透型刃位错（TED）4.2.6 BPDBPD指的是位于基平面上的位错，其伯格斯矢量为l3<1120>°BPD通常会分解为两个不全位错，一个硅核不全位错和一个碳核不全位错。BPD的平面图像如图4所示。注1:该缺陷在4HSiC同质外延层表面上无典型的形貌特征。注2:BPD延伸的方向一般与台阶流方向平行或近似平行，也有一些BPD沿其他方向延伸，有时BPD位错还能发生弯曲。注3：图4d)是在750nm-ll()()nm的波长范围内获得的。a)BPD示意图b)平面示意图d)光致发光图像e)X射线形貌图像c)明场光学图像标引序号说明：1 外延层；2 衬底；3 外延层中的BPD:4 衬底中的BPD.图4基平面位错(BPD)4.2.7 划痕痕迹划痕痕迹是指衬底表面的机械损伤造成的外延层中的密集排列的位错。划痕痕迹的平面图像如图5所示。注1:该缺陷通常是衬底表面抛光时造成的划痕引起。注2:该缺陷在4H同质外延层表面的典型形貌特征是随机分布的线状划痕。注3:图5d)是在750nm-1100nm的波长范围内获得的。b）平面示意图a）划痕痕迹示意图d）光致发光图像e）X射线形貌图像c）明场光学图像标引序号说明：1外延层；2衬底；3划痕痕迹；4密集排列的位错。图5划痕痕迹4.2.8 堆垛层错堆垛层错是指一个基面堆垛层错，具有各种类型的层错，每一种层错都具有不同的光致发光典型曲线。堆垛层错的平面图像如图6所示。注1:该缺陷通常在4H-SiC同质外延层表面上表现出隐约的三角形的形态特征。注2:图6d）是在46Onm的波长处获得的。c）明场光学图像d）光致发光图像e）X射线形貌图像标引序号说明：1 外延层；2 衬底：3 堆垛层错：4 一一衬底中的TSD;5 衬底中的BPD0图6堆垛层错6 .2.9延伸堆垛层错延伸堆垛层错是指衬底中的堆垛层错延伸至外延层中产生的堆垛层错。延伸堆垛层错的平面图像如图7所示。注1:该缺陷通常在4H-SiC同质外延层表面上表现出垂直于斜切方向的梯型形态特征。注2:图7d）是在750nmIloOnm的波长范围内获得的。d）光致发光图像e）X射线形貌图像c）明场光学图像标引序号说明：1外延层；2衬底；3外延层中的延伸堆垛层错;4衬底中的堆垛层错。图7延伸堆垛层错7 .2.10复合堆垛层错复合堆垛层错是指由终止于弗兰克型不全位错的基面堆垛层错和终止于同外延层表面的棱柱状堆垛层错组成的层错复合体。复合堆垛层错的平面图像如图8所示。注1:该峡陷在4HSQ同质外延层表面上表现出沿着斜切方向延伸的针状形态特征，又称为“胡萝卜缺陷”。注2:图8d）是在420nm的波长处获得的。d）光致发光图像e）X射线形貌图像c）明场光学图像标引序号说明：1外延层；2衬底；3基平面堆垛层错：4棱柱面堆垛层错：5弗兰克型不全位错:6衬底中的TSD。图8复合堆垛层错4.2.11多型包更体多型包裹体是指一种立方（3C）堆垛次序的层状包裹体，延伸至同质外延层表面，称为3C包裹体。多型包裹体的平面图像如图9所示。注1:该缺陷在4H-SiC同质外延层衣面上表现出沿着斜切方向的锐角三角形或针状形态特征，又称为“三角形包裹体”“三角微陷”或“彗星型缺陷”。注2：该缺陷的产生原因除了外来颗粒，还包括衬底表面抛光过程中的机械损伤和外延过程中的（0001）台阶表面不可控成核等原因。注3:图9d）是在75OnmIlOOnm的波长范围内获得的。d)光致发光图像e)X射线形貌图像c)标引序号说明：1 外延层；2 衬底；3层状包裹体；4颗粒。图9多型包更体4.2.12颗粒包亮体颗粒包裹体是指一种在外延层内部或同质外延层表面的颗粒，颗粒的晶体结构一般为3C。颗粒包裹体的平面图像如图10所示。注1：该缺陷称为“掉落物”O注2:图Iod)是在750nm-IlOOnm的波长范围内获得的。a）颗粒包裹体示意图b）平面示意图d）光致发光图像e）X射线形貌图像c）明场光学图像标引序号说明：1 外延层；2衬底；3颗粒。图10颗粒包奥体4.2.13台阶聚集簇台阶聚集簇是指4HSiC同质外延层表面的不同高度、长度和方向的台阶聚集形貌。台阶聚集簇的平面图像如图11所示&注1：台阶高度范围由几纳米到几十纳米不等，又称为“宏观台阶”。注2:该缺陷通常在4H-SiC同质外延层表面上表现出钝角三角形或梯形的形态特征。注3：该缺陷不仅是一种局部缺陷，在不同高度、长度和方向的外延层表面上也可能出现较大面积的台阶聚集簇。注4:图Ild）是在750nm1100nm的波长范围内获得的。e）X射线形貌图像c）明场光学图像标引序号说明：1 外延层；2 衬底；3台阶聚集就：4颗粒。图11台阶聚集簇4.2.14表面颗粒表面颗粒是指同质外延生长后沉积在外延层表面的颗粒物。4.2.15其他缺陷其他缺陷是指除上述13种缺陷以外的任何缺陷，例如直径小于几微米的凹坑。参考文献1 ISO15247:2015ZincsulfideconcentratesDeterminationofsilvercontentAciddissolutionandflameatomicabsorptionSpectrometricmethod2 ISO24173MicrobeamanalysisGuidelinesfororientationmeasurementusingelectronbackscatterdiffraction