同质外延层厚度无损红外反射光谱法分析

（SiC）已成为工业电子领域最重要的宽禁带半导体之一，由于其高热导率、高击穿场强、高电子饱和漂移速率等优势，特别是对于大功率半导体器件， 优于传统硅，更受青睐。而 （SiC）外延层的厚度、背景载流子浓度等参数直接决定着SiC器件的各项电学性能。因此， 外延技术对于 器件性能的充分发挥具有决定性的作用，是宽禁带半导体产业重要的一环。

外延层厚度测试方法有：扫描电镜SEM法，可以通过晶界获得比较准确的厚度结果，但是对样品有一定的破坏性或需要切片后通过测试横截面，对于批量生产的外延企业来讲不是很友好；另外同质外延由于晶型相同只是载流子浓度不同，晶界的区分上也有难度。光学方法，可实现非接触无损检测，而且可以测试整片外延晶圆片。比较常见的有基于规则干涉条纹的Fabry-Perot干涉结合经验公式算法，如紫外可见反射光谱法，红外反射光谱法，基于规则周期性干涉条纹及经验公式 d=1/(n*Δϑ)¹方法，有一定的局限性，受折射率取值及频率选取范围影响较大；以及基于物理模型的拟合计算方法，如椭圆偏振仪，而椭圆偏振仪一般采用的光波波长是紫外到近红外波段，比较适合测试较薄的几十纳米到几百纳米尺度厚的外延/膜层厚度。功率器件根据器件工作电压，外延层厚度基本都在微米量级，工作电压越高外延层厚度越厚，而红外光波长1-20微米，刚好跟微米尺度厚度的宽禁带 外延层厚度相当，可以在此波段获得外延层的光学特征。

利用红外反射光谱法可测量半导体外延层厚度，无论硅基还是 ，且测量精度极高。此方法是基于红外光在层状结构中产生的光干涉效应的分析，结合基础的物理自洽拟合模型，充分利用所测得的宽范围外延层谱学特征，利用介电函数对于不同掺杂浓度、不同波段折射率参数、阻尼很难准确确定的情况下，无需考虑折射率取值及波段范围，利用拟合方式对所测得的全谱谱学特征进行数学拟合给出准确的外延层厚度值。不仅可用于单层外延层层厚分析，更重要的还可以用于复杂多层结构外延层层厚分析。

△ 图1：a 同质外延  b 硅同质外延

（红色：实测反射谱；蓝色：模型拟合谱）

拟合算法考虑的参数：

• 衬底和外延层的载流子浓度（对应样品掺杂浓度和谱图中的等离子边）

• 阻尼（对应样品每个波长下对应的折射率和谱图中干涉条纹的衰减行为）

• 衬底和外延层的电学性质（如：偏金属性、偏半导体性、或偏绝缘性等）

• 外延层层数（每一层中的上述参数均单独考虑）

• 外延层厚度（每一层）

  拟合模型对于厚度、载流子浓度、阻尼非常灵敏，如下图所示：

红外反射光谱法结合物理自洽拟合模型算法外延层厚度分析实例：

SiC 同质单层外延分析结果：

SiC同质多层外延分析结果：

红外反射光谱法结合物理自洽拟合模型算法，是完整外延片单/多层外延层厚度光学无损、高精度测试分析的理想工具。

¹d厚度，n折射率，Δϑ干涉条纹频率/波长差

扩展阅读

• GB/T 14847 重掺杂衬底上轻掺杂硅外延层厚度的红外反射测量方法

• Simultaneous Determination of Carrier Concentration, Mobility, and Thickness of SiC Homoepilayers by Infrared Reflectance Spectroscopy, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 45, No. 46, 2006, pp. L1226–L1229

• Thickness determination of 4H-SiC Epitaxial Films by Infrared Reflectance, Xiaoyan Tang, Yuming Zhang, Zhiyun Li, Yimen Zhang, Haijiao Yao, 2009 IEEE