[发明专利]一种碳化硅晶体导电类型的无损判定方法

说明书

本发明涉及一种碳化硅晶体导电类型的无损判定方法，使用紫外‑可见‑近红外分光光度计，对待测的SiC样品进行光谱透过率测量，探测光的入射方向为沿SiC晶片的c轴方向，测量指标为吸光度，根据公式α=｛A﹢2log10(1‑R)｝/(d/ln10)（1）计算得到碳化硅样品的吸收系数随波长变化关系的吸收系数曲线，从曲线中获得紫外吸收边位置Eg；根据半绝缘类型的紫外吸收边位置判定标志与吸收边位置Eg进行比较，获得半绝缘晶片导电类型，有益效果是采用基于光谱分析法，对高纯半绝缘碳化硅晶片的导电类型进行检测和筛分的方法，对待测样品无损伤，检测过程易于自动化和程序控制，可对出厂产品进行全面检验，也可应用于目前市场存在的2、3、4、6英寸完整晶圆产品检验。

技术领域

本发明涉及一种半导体单晶性能测试技术，特别涉及一种碳化硅晶体导电类型的无损判定方法。

背景技术

碳化硅是典型的宽禁带半导体材料，是继硅、砷化镓之后的第三代半导体材料。与硅、砷化镓相比，碳化硅材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等优异性能，在高温、高频、高功率及抗辐射器件方面拥有巨大的应用前景。半绝缘碳化硅制备的晶体管能够在高达10GHz频率下产生超过GaAs微波器件五倍功率密度的功率。因此，半绝缘碳化硅单晶是当前制备高性能微波功率器件的最佳衬底材料。可以广泛应用于5G通信、雷达等方向。

研究表明，为了获得实用性，碳化硅器件应具有至少1500欧姆·厘米的衬底电阻率，以便实现RF无源性能。目前，市场存在掺钒半绝缘和高纯半绝缘两种类型的碳化硅衬底。已有研究表明，掺钒半绝缘碳化硅晶体在高温时，钒元素会析出导致背栅效应从而降低碳化硅微波功率器件的性能。因此，高纯半绝缘碳化硅衬底是目前制备碳化硅微波功率器件的首选。

高纯半绝缘碳化硅衬底是通过晶体生长工艺及退火工艺处理，形成高浓度的本征点缺陷，作为深能级补偿浅能级杂质氮（N）、硼（B）、铝（Al）等。在不考虑本征点缺陷作用时，晶体内可能存在浅施主杂质浓度大于浅受主杂质浓度或相反的情况。两种条件下，则分别对应“N型导电类型”和“P型导电类型”；为实现半绝缘性能，分别需要的深能级种类是不同的，即分别对应“深受主本征缺陷”和“深施主本征缺陷”。为描述方便，在本专利申请中，我们简单定义上述两种高纯半绝缘衬底为“N型半绝缘”和“P型半绝缘”衬底。此外，只考虑含量最多的杂质元素氮、硼。

近十多年的国内外研究表明，碳化硅中的“深施主本征缺陷”（多为Vsi相关缺陷），具有高温不稳定的特点。而“深受主本征缺陷”（多为Vc相关缺陷），具有更好的高温稳定特点。此处的“高温”，特指大于1200摄氏度的温度（该温度是碳化硅衬底制备GaN外延层的生长温度）。因此，为避免在1200摄氏度制备GaN外延层时，衬底半绝缘性能失效的情况，“N型半绝缘”衬底是必然选择。

Cree公司是国际上唯一一家产品已通过了器件验证，且被美国军方认可的高纯半绝缘碳化硅衬底制造商。Cree公司发表的研究论文（《Development of large diameterhigh-purity semi-insulating 4H-SiC wafers for microwave devices》）中通过二次离子质谱仪测试表明，高纯半绝缘衬底中的主要杂质氮元素浓度高于硼元素的浓度，即属于“N型半绝缘”类型。

在实际生长半绝缘碳化硅晶体时，由于N元素控制技术较复杂，容易被非故意掺杂的大气中的氮元素污染，通常还存在晶锭轴向方向随生长进行而氮掺杂浓度逐渐降低的现象，也存在径向的含量不均匀现象。因此，单个晶锭制备的衬底中，衬底的半绝缘性能可能导电类型的转变。因此，从实际可应用角度出发，工业生产的衬底片需要对其导电类型进行分类判定。用业内通用的非接触式电阻率测试仪（COREMA），虽然属于非破坏性测试手段，但仅可获得碳化硅晶片的电阻率而无法获得导电类型。已知，通过二次离子质谱仪或霍尔测试系统可以判定SiC晶片的导电类型，但上述两种测试方法均为破坏性测试，仅可用于抽样检测，而无法在工业生产过程中对全部产品进行评价和鉴定。并且，霍尔系统对超高阻值的碳化硅衬底（电阻率大于1E11 欧姆厘米）无判定能力。