SiC(碳化硅)的应力评估

SiC晶圆出现缺陷是导致碳化硅电力半导体品质劣化的主要原因之一。 除了结晶成长时所含的晶体缺陷以外,也可能在薄膜及镜面处理等加工过程中产生缺陷。 缺陷的周围形成局部的应力或变形,这种应力使新的缺陷产生,改变了半导体的性能。 不单是肉眼可见的缺陷,详细地评估缺陷周边看不见的应力,才能制作出可靠的半导体。 拉曼光谱技术能够测量峰值位置偏移量,因此拉曼光谱成像是最适合用于应力分布评估的分析方法。


评估SiC(碳化硅)晶圆加工表面缺陷的应力分布拉曼成像

ラマンイメージング領域(光顕像)
研削した処理したSiCウエハの応力分布観察

カラーバー

光源波长
532 nm
物镜
100倍 (NA=0.90)
衍射光栅
2400 gr/mm
光谱数目
32000 (400×80)
测量时间
27分钟

上述图像是SiC基板表面经削磨后,应力分布的彩色拉曼峰值移动图。 应力评估使用了6H-SiC的789 cm-1(FTO(2/6)E2)拉曼峰值偏移量。 利用等方双轴应力状态的假设便可知道6H-SiC的峰值(FTO(2/6)E2)偏移量与应力的关系是-185 MPa/cm-1 [1]。 将光学显微镜图像与拉曼图像作比较,光学显微镜下可见的黑色缺陷部分产生了抗拉应力,相反地缺陷与缺陷之间则出现抗压应力。


根据SIC晶圆应力断层成像作出研磨加工评估

利用拉曼光谱技术进行应力断层成像,可检测SiC晶圆表面缺陷的应力从表面向深层的分布及大小。 基于激光拉曼显微镜的共聚焦特性在深层也有一定空间分辨率,因此无需破坏便可以评判深层应力的分布。 下面图像(1)~(3)展示了SiC进行薄膜处理时各个阶段由表层向深层的应力分布。(1)是磨削前、(2)是磨削后、(3)利用抛光消除磨削后产生的缺陷。 跟表面的评估相同,缺陷周围出现了抗拉应力,缺陷之间则出现抗压应力。

(1)磨削前
研削前の光学顕微鏡像との重ねあわせ画像
(2) 磨削后
研削後の光学顕微鏡像との重ねあわせ画像
(3) 磨削及抛光后
研削+研磨後の光学顕微鏡像との重ねあわせ画像
SiC研削前のXZ応力イメージ
SiC研削後のXZ応力イメージ
SiC研削+研磨後のXZ応力イメージ


下图所示研磨前后表层至深层的应力图像(线分析法)。 应力图像是以图片虚线的部分作为评估。 磨削引致的应力,由(2) 磨削后达到4μm左右的程度减至(3) 磨削及抛光后约2μm左右。 结合使用平面及断层的拉曼成像可以对SiC晶圆的缺陷进行详细分析。 使用RAMANtouch可充分发挥高波数分辨率、高空间分辨率及高速成像的三种性能优势,实现上述应力分布的分析。


カラーバー

研削後のXZ応力イメージの抜粋
(2)磨削后的局部放大图像

研削+研磨後のXZ応力イメージの抜粋
(3)磨削及抛光后的局部放大图像

深さ方向のSiCピークシフト量プロファイル
      深さ方向のSiCピークシフト量プロファイル

光源波长
532 nm
物镜
100倍 (NA=0.90)
衍射光栅
2400 gr/mm
光谱数目
20800 (400×52)
测量时间
18分钟



因应力产生的SiC拉曼光谱变化

由于应力造成的结晶变形会使拉曼峰值发生转移。 与没有变形状态时的峰值位置相比,抗拉应力向低波数转移,抗压应力向高波数转移。 另外,此峰值转移量与应力成正比,从转移量便可推测大概的应力。

这次的评估是从碳平面(000-1)检测6H-SiC晶圆,从789cm-1 (FTO(2/6)E2) 的峰值偏移量测量出应力为-185 MPa/cm-1(此时运用等方双轴应力状态的假设)。 此峰值偏移量与应力的比例系数会根据多面性及观察的定向而有所不同[2,3]。 例如4H-SiC在776cm-1(FTO(2/4) E2)的峰值在c面(0001)测得-510 MPa/cm-1,而在a面(11-20)则是480 MPa/cm-1[1]。 因此,用拉曼光谱技术进行SiC的应力测试时,结合多面性和观察定向的峰值及转换因子便能估算正确的应力。

参考文献

[1] Correlation of Stress in Silicon Carbide Crystal and Frequency Shift in Micro-Raman Spectroscopy,
N. Sugiyama et al., MRS Proc, 1693 (2014)


[2] "Raman Investigation of SiC Polytypes",
S. Nakashima and H. Harima, phys. stat. sol. (a), 162, 39 (1997)


[3] "Raman Scattering from Electronic Excitations in n-Type Silicon Carbide",
P. J. Colwell and M. V. Klein, Phys. Rev. B, 6, 498 (1972)


※样本由EL-Seed公司提供。