非接触电计量：削减成本和缩短时间
2020/12/29 17:49:14 材料来源：化合物半导体 2020年2/3月
广泛应用于硅晶圆厂的电晕非接触C-V技术，现在可以应用于宽禁带半导体的测试。
Marshall Wilson, SEMILAB SDI
材料和器件的特性表征是生产化合物半导体器件研制过程中一个极其重要的步骤。为了探究材料和器件的特性，晶圆厂和芯片制造商都有专门的计量工具，提供各种各样的表征技术。其中有一项关键技术就是电容 - 电压（C-V）技术，它可以提供掺杂浓度、介电性和界面特性等重要信息。
标准的 C-V 测量方法已经发展得相当成熟了，但是存在明显的缺点。构建电气测试结构需要一定成本，而回馈也可能需要几个星期。当器件正处于开发中时，会减缓进度 ；当 C-V用于监控制造过程时，识别问题需要时间更长，从而影响产出。标准 C-V法的另一个缺点是，它是一种破坏性测试，会影响监控的晶圆在后续生产中使用。为了解决这些问题，行业需要一种无损、经济的 C-V计量方法，它可以为器件开发和制造过程的控制提供快速反馈。
可以满足所有这些要求的方法是先进的基于电晕的非接触 C-V（corona-based non-contact C-V,CnCV）计量技术，它开发用于宽禁带半导体、介电物质和界面的各种特性的综合计量。它以非破坏性、无需准备时间来替代标准 C-V技术，可以削减制造成本，同时将数据反馈时间从几个星期缩短至几分钟。
用于宽禁带半导体性能测试的非接触C-V设备Semilab SDI CnCV 230
CnCV是基于已有的 corona-Kelvin技术发展出的一项技术。自 20世纪 90年代以来， CnCV技术是一种被证实、生产测试过的广泛应用于硅晶圆厂的方法。世界各地已经有超过 400台设备在工作，主要用于介电特性的测定。然而，近年来这项技术的应用范围逐步扩大，开始服务于宽禁带功率器件和射频行业，测试 SiC、GaN和Ga2O3基材料的特性。
为回应宽禁带领域逐渐增长的兴趣，我们位于美国佛罗里达州坦帕市的 Semilab SDI团队推出了 CnCV 200系列工具。其功能包括 GaN和SiC的掺杂浓度分布分析、AlGaN/GaN HEMT（High Electron Mobility Transition）二维电子气薄膜电荷的测定，以及电介质和宽禁带半导体之间的界面特性（更多的功能见表 1）。
为了控制半导体制造过程，工程师必须了解晶圆表面信息。这使得他们可以评估工艺的一致性并能够识别局部缺陷。我们的工具可以帮助他们致力于此——表 1中列出所有参数都可以在晶圆表面选定位置进行精确地测定，最后结果表示为揭示工艺一致性的轮廓图。
CnCV 原理
在 CnCV 计量技术中，偏压所需的电荷是由空气中电晕放电提供。这些电荷——可能是正电荷，也可能是负电荷，正负取决于所选择的放电极性——以熟知的充电增量缓慢地沉积在宽禁带半导体或者电介质表面。这些电荷增量引起表面电压的改变，这是用一种振动开尔文探针非接触的方法来测定的（见图 1）。非接触电容用电荷变化与电压变化的比值来进行计算的（C=ΔQ/ΔU）。在电晕电荷偏压扫描过程中，半导体空间电荷和表面势垒电压总在积累和耗尽之间循环。采用这种方法，该技术提供了包括电压、电荷、电容和表面势垒电压在内的全套数据，以及 V-Q、 C-Q 和C-V 曲线图。这些特性参数形成了半导体、界面和介电参数的量化基础。具备这些信息，工程师就可以深入了解那些宽禁带材料和器件的性质。
图1. CnCV技术的基本原理。
CnCV 技术主要应用包括掺杂浓度测定和掺杂深度分析。示例如图 2 所示。 CnCV 技术为测试外延生长的 SiC 和 GaN 提供了极好的重复性以及与汞探针的一致性（见图 3）。
图2. 非接触电晕CnCV技术可以用来表征SiC和GaN外延层，提供C-V和1/C2-V特性图（以左边的n型GaN为例）； CnCV技术还可以测量多层
外延样品上的掺杂分布（以右边的4层SiC外延片为例）；左图的横轴表示表面电压，纵轴分别表示C和1/C2，即C-V和1/C2-V特性图；右图
表示在不同深度下（不同碳化硅外延层， 1-4层）表面中的掺杂浓度。
图3. 在HEMT结构中，外延碳化硅、氮化镓和本 征 氮 化 镓 的 掺 杂 测定结果表明C n C V和标准汞C-V之间存在很高的相关性。 N D表示掺杂浓度，单位为cm-3；R2是表示回归效果的一个量，在线性回归模拟中， R2表示横轴Hg-CV对于纵轴CnCV N D变化的贡献率， R2越接近1，表示回归效果越好。
表征有前景的功率器件
SiC MOSFET 是一种宽禁带功率器件，它的产量正在增长，并将持续增长。它可以在高场和高温时表现出很好性能，但是这种工作方式容易使器件易受到因偏压和温度引起的阈值电压不稳定。阈值电压变化来源于复杂界面的不稳定现象，如近界面氧化层陷阱的充电现象。
为了表征宽禁带半导体上电介质的界面特性，工程师现在可以使用 CnCV 技术。它可以在偏压和热应力前后对阈值电压的变化进行快速评估。这一反馈有助于旨在减轻这种不稳定性并最终提高器件可靠性的工艺变更调查。
另一类具有前景的器件是基于垂直结构的GaN-on-GaN 功率结构。高产量，大容量的制造需要生产许多晶圆，每一个都具有净掺杂浓度的高度一致性。 CnCV 是解决此问题的理想手段，因为采用 CnCV 来表征这些特性是一种快速、非接触和无需准备的方法。注意使用标准 C-V 法效果明显差得多，因为标准 C-V 法对全晶圆的表征需要许多制造成本很高的测试结构。为了阐述CnCV 的性能，我们绘制两个在 GaN 衬底上进行硅掺杂的 n 型 GaN-MOCVD 外延层的净掺杂浓度分布（见图 4）。比较两幅图，表明改进生长过程的尝试是成功的，因为它们减少了补偿受体杂质的不一致性。
图4. GaN衬底上掺硅的n型GaN-MOCVD外延层的净掺杂浓度分布的C n C V图表明工艺改进的 优 势 ， 这 减 少 了 补偿 受 体 杂 质 的 不 均 匀性。 Non-uniform GaN表示非均匀的 G a N；Improved uniformityGaN表示经过改良均匀性的GaN； ND和NA分别表示掺杂的施主杂质浓度和受主杂质浓度，其中D代表Donor， A代表Acceptor，单位为cm-3；Avg、 Std、 Min和Max分别表示平均值、标准值、最小值和最大值。
新进展
最近， CnCV 技术涌现出一些有价值的进展，增加了 CnCV 技术对宽禁带半导体、电介质和界面表征的吸引力。这些新特征主要集中在材料特性的表征方面，对宽禁带器件的性能和可靠性是至关重要的。
一个突破是 CnCV 技术可以独特地、直接地确定平带电压。为了对这一特性进行测定，我们采用一系列由低强度 UV LED 激发过量载流子产生的光致表面电压脉冲。使用这种方法，无须了解半导体或介电特性，或者不需要对界面状态水平进行假设就可以确定平带电压。对于标准的MOS C-V 技术则不是这样，它在确定平带电压的时候要假定界面状态贡献可以忽略。
得到平带电压的一个准确值是非常具有价值的，它作为锚点可以在任意给定电荷量的前提下确定氧化层电压和表面势垒（见图 5 的 V-Q 曲线，上边）。接着可以计算得到电容 - 电压和电容 - 电荷特性（见图 5 下边）。
图5. 基于CnCV技术得到的45mm厚n型SiC绝缘层的V-Q（上）和C-Q（下）特性曲线；光照引起界面陷阱的光电离和C-Q特性曲线的负偏移（下）；上图中Depletion和Accumulation分别表示电晕电荷量的消耗和积累，以0q/cm2为界限； Oxide voltage contribution表示氧化层电压的贡献值，用VOX表示； Sweep to deep depletion和Sweep to accum after illumin分别表示扫至深度耗尽和照明后扫至累积，光照能量hν=1.95eV之后两者出现压差ΔVSB；下图Actual CFB和Ideal CFB分别表示实际电容和理想电容，同样也是在光照之后，两者出现一个电荷量的差值ΔQit=1.05e12q/cm2，氧化层电容用COX表示。
通过了解深度耗尽状态下的表面势垒，可以确定掺杂浓度——由此可能计算出表面电荷量。当表面电荷量已知时，可以直接从电荷中性条件下得到浅界面陷阱电荷密度。
宽禁带材料的一个关键特点是界面陷阱与导带和价带边缘之间存在一个较大的能量分离。因此，深度陷阱无法维持费米统计所规定的占有率，而且它们在暗 C-V 扫描时基本上不可见。以氧化n 型 SiC 为例，从积累到深层耗尽进行扫描，只有浅界面陷阱在费米能级上移动时可以进行自行清空。因此，界面陷阱密度范围被限制在导带以下约 0.7eV——能量值小于能隙的 1/4。这是一个极大的障碍，因为在深层状态下，光辅助 C-V 法和电流测量会对器件的性能产生影响。
为了解决这一问题，我们在 CnCV 技术中应用了一种光辅助 C-V 的表征方法。这种方法能够协助工程师对深界面状态进行快速表征。我们还采用了表面光电压光谱法，这是 MIT 在 1960 年代发明的方法。表面光电压光谱法使用了一种具有亚带隙能量的单色光源来更深入探究深界面状态特性。
我们的技术核心就是在界面陷阱深度耗尽时的电子光电离跃迁。这个过程是用表面电压瞬变来监控。采用这种技术，我们研究了氧化的 n型 SiC，充电至深度耗尽，并用波长为 635nm 的LED 灯进行照射，以提供 1.95eV 的激发能量。电压饱和相当于空陷阱，在关闭光源后这个状态仍然保持。
我们从 V-Q 图和 C-Q 图中可以看到光电离产生的影响（见图 5）�？障葳寤峤档捅砻媸评�，但不会影响氧化层电压和电晕电荷。能量高于光电离阈值的光子会使深界面陷阱的数量减少。当俘获界面电子密度下降时，这将会表现为表面电压瞬变（见图 6）。
图6. 与图5的表面电压瞬变相对应，由照明产生的1.95eV能量触发深界 面 陷 阱 的 光 电 离 ；与 图 5 相 比 ， 经 光 照1.95eV能量触发后，在稳定之后的电荷量差值ΔQit=1.05e12q/cm2，结果一致。
使用这种方法，光致表面电压变化的幅度可以测量深界面状态的浓度。使用恒定的光照强度和波长来记录光电离衰减的时间常数，识别过程中涉及的特定界面陷阱——类似于深能级瞬态光谱（DLTS）中的热发射常数。
当深界面陷阱被光电离清空时，表面势垒高度和半导体空间电荷电容都会发生变化。后者与光照后测定的电容特性相关。与传统的 C-V 技术不同， CnCV 技术除了可以电容 - 电压（C-V）特性以外，还可以对电容 - 电荷（C-Q）特性进行单独的测定。当界面电荷发生变化时， C-Q 曲线会沿着电荷轴产生一个位移。与 SiC 上得到的 C-Q曲线对比（见图 5），界面电荷的变化和从表面电压瞬变幅度所得到的值是一致的（见图 6）。
展现 CnCV 技术能力的是在 850℃、 8 小时、湿法退火工艺前后对氧化的 SiC 的测定�？焖俜蠢� CnCV 技术提供光电离前后的 C-Q 曲线，显示出深界面状态（图 7左侧）和浅界面状态（图 7右侧）减少一半以上。这表明退火工艺减少了在偏置应力下导致平带电压不稳定的各种界面状态。拥有关于不同加工阶段对器件制造重要参数的影响这种快速反馈的能力，有助于大大降低工艺开发成本和时间。
图7. 可以用独特的光辅助CnCV C-Q曲线表征使用亚带隙照明对深界面状态的光电离；上图可以参考图5中的右边部分，两条曲线Before anneal和After anneal分别表示退火前和退火后，Anneal既是上文中提到的CnCV技术中的850℃、 8小时、湿法退火工艺，以氧化的SiC为例；退火前与图5中理想C-Q曲线的ΔQ=1.05e12q/cm2；退火后与图5中理想C-Q曲线的ΔQ=5.10e11q/cm2；EOT=44.8nm表示等效氧化物厚度（EquivalentOxid e Thi ckness）为4 4 . 8 n m；下图中横轴Energy below conductionband表示导带以下能量，EC-E F表示从导带（下标C表示Conduction）到费米能级（下标F表示Fermilevel）的能量，单位是eV； Dit表示界面陷阱密度（Interface Trap Density），单位是q/cm2·eV
随着宽禁带功率器件的销量在未来几年乃至更长时间内会不断增长，对 SiC、 GaN 和 Ga2O3电学性能表征的需求将会越来越大。毫无疑问，达到这一要求的最佳途径就是采用 CnCV 技术，它是一种可以替代标准 C-V 法和汞 C-V 法的功能强大、非常方便、非接触、非破坏性的方法。CnCV 技术在许多方面都占有优势 ：节约时间 ；降低成本 ；拥有与标准 C-V 法所不具备的许多独特洞察力，如 CnCV 可以直接测定平带电压和 C-Q特性曲线。这些将会对那些正在开发宽禁带器件的人和那些正在逐步提高产量以跟上需求的人产生帮助。
扩展阅读
M. Wilson et al. ECS J. Solid State Sci. Technol. 6 S3129-S3140 (2017)
A. Savtchouk et al. Materials Science Forum 509 858 (2016)
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