Кристаллический полиморфизм подложки SiC

Широкозонные полупроводники на основе SiC и GaN имеют преимущества по сравнению с полупроводниками на основе Si, такие как низкие потери и высокотемпературная работа. Полупроводниковые приборы на основе SiC и GaN часто используются в экстремальных условиях и требуют высокой надежности. Для этой цели требуются высококачественные пластины, но поскольку дефекты кристаллов могут возникать во время роста кристаллов, требуется технология, которая позволит точно оценить тип и распределение дефектов пластины.

Рамановская топография и поляризованный световой микроскоп используются для наблюдения за распределением дефектов на пластине. На рисунке 1 показано изображение деформации 4-дюймовой пластины SiC, полученное с помощью системы наблюдения деформации в кристалле CS1 (Ceramic Forum). Распределение кристаллической деформации, вызванной дефектами и напряжениями, остающимися на пластине, можно легко наблюдать по белому контрасту. На этой пластине видно, что многие деформации распределены по всей поверхности.

Предполагается, что причиной этого искажения является кристаллический дефект, но тип дефекта может быть легко идентифицирован с помощью визуализации комбинационного рассеяния. SiC имеет много кристаллических полиморфов (политипов) с одинаковым химическим составом, но с разным атомным расположением. Поскольку спектр комбинационного рассеяния различается в зависимости от политипа [1], то тип и распределение кристаллической структуры можно визуализировать с помощью визуализации комбинационного рассеяния.

На рисунке 2 показано рамановское изображение распределения полиморфизма по всей поверхности пластины, полученное с помощью микроскопа RAMANdrive. Помимо политипа 4H этой пластины, можно видеть два разных политипа 15R и 6H, которые распределены по дуге от верхнего левого угла пластины. Спектр комбинационного рассеяния показан на рисунке 3. Сравнение распределения с изображением распределения деформации показывает, что существуют искажения из-за несоответствия между разными политипами. На изображении концентрации деформации в центре и в нижнем левом углу изображения распределения деформации на рамановском изображении не видно различных политипов, но можно увидеть, что деформация в основном обусловлена плотными винтовыми дислокациями.

Рис. 1:
Деформация пластины SiC, полученная с помощью устройства для наблюдения деформации кристалла.

Рис. 2:
Рамановское изображение полиморфного кристалла SiC, полученного с помощью RAMANdrive и наложенного на рис. 1.: - ■4H, ■6H, ■15R.

Рис. 3:
Спектры комбинационного рассеяния каждого политипа, наблюдаемые в пластине.

Силовые полупроводники - это полупроводники, которые могут выдерживать высокие напряжения и большие токи, и используются повсеместно в нашей жизни, включая системы электропитания, автомобили, Shinkansen и бытовую технику. SiC имеет напряженность электрического пробоя в 10 раз превышающую напряженность для Si. Хотя потребность в SiC растет, производство пластины SiC сложнее по сравнению с Si, и, с точки зрения роста и обработки кристаллов, требует высокие технологий в процессе их обработки. Кроме того, многие силовые полупроводники используют все устройство от лицевой поверхности до обратной поверхности пластины, поэтому важно не только качество поверхности пластины, но и качество внутри пластины.

Рамановская визуализация позволяет оценить остаточное напряжение и кристалличность, которые важны для контроля качества полупроводников SiC. Например, количественное измерение напряжения может быть выполнено с использованием спектров комбинационного рассеяния. На рисунке ниже показано распределение напряжений по положению сдвига пика ю 776 см-1 (FTO(2/4)E2), характерного для 4H-SiC. Сравнивая распределение политипа с результатами измерения напряжения, можно увидеть, что сжимающее напряжение прикладывается к области, где распределен политип 15R. Было обнаружено, что растягивающее напряжение прикладывалось в области винтовой дислокации вблизи центра.

RAMANdrive оснащен превосходной конфокальной оптикой, позволяющей проводить 3D анализ рамановского изображения с высоким разрешением. На рисунке 4, где был обнаружен полиморфизм, показано трехмерное рамановское изображение, полученное путем перемещения столика и использованием объектива 100x, N.A. 0,9. Две кристаллические формы 15R и 4H были обнаружены по глубине кристалла. Также было установлено, что полиморфизм произошел на плоскости, отличной от плоскости (0001) пластины. Рис. 4 б) и в) показывают изображения конкретных поперечных сечений. С помощью 3D-изображений вы можете узнать распределение кристаллов любого сечения. Таким образом, 3D рамановское изображение позволяет четко визуализировать распределение полиморфизма и напряжения внутри полупроводниковой пластины с субмикронным пространственным разрешением.

а) 3D рамановское изображение ■15R ■4H.

б) 3D рамановское изображение в плоскости XZ.

в) 3D рамановское изображение в плоскости XY и по глубине 11 мкм от поверхности.

Литература:
[1] “Raman Investigation of SiC Polytypes”, S. Nakashima and H. Harima, phys. stat. sol. (a) 162, 39 (1997).