TechInsights对于“碳化硅JFETs原子探针层析成像”的探讨
Stephen Russell
作者：Stephen Russel (单位：TechInsights的Sr. Process Analyst_Power Devices)
合著作者：Ramya Cuduvally（单位：CCEM和麦克马斯特大学材料科学与工程学院）
Brian Langelier（单位：CCEM和麦克马斯特大学材料科学与工程学院）
去年，TechInsights通过一系列博客展示了电气特性的力量，对于揭示碳化硅器件规格书远远不能提供的碳化硅器件特性。
分析半导体掺杂的技术多种多样，例如：
• 扫描式电容显微镜（SCM ），我们经常将它包含在我们的功耗报告中，这为我们提供了大面积的相对掺杂物分析。
• 扫描式电阻测定（SRP）和二次离子质谱（SIMS）可以给出定量分析，但是尺寸有限。宽度小于1μm的掺杂浓度的绝对值很难辨别。
• 原子探针层析成像（APT）是一种非常适合小面积分析的技术，它允许在原子尺度上进行三维成像以及化学成分分析。它可以给出关于同时存在的离子的深度剖面和质谱的生动剖析。
APT功率
APT的工作原理是将场蒸发（FE）原理与飞行时间质谱（TOF-MS）相结合。离子到达检测器的顺序和它们的（x，y）坐标已知的情况下，可以应用简单的基于几何投影的算法来最终实现样本的3D重建。APT可能提供介于0.25-1.25nm的高空间分辨率，具体取决于所分析的材料。
同预测一样，APT的灵敏度只受计数统计的限制，如果探测足够大的体积，灵敏度可以达到10原子ppm。 因此，APT是一种强大的3D元素绘图技术，有可能产生接近原子级的分辨率和接近单个原子的检测效率。
TechInsights的UnitedSiC第四代SiC JFETs库中已经收集了大量分析：而这些分析内容可以在我们的订阅中的SiC电源电路布局报告、电源要点摘要和工艺流程分析里找到。 该产品还是前一篇博客的主题，也是关于讨论SiC产品电气特性测试超过规格书的参数范围的博客系列的一部分。目前，TechInsights和加拿大安大略省麦克马斯特大学加拿大电子显微镜中心（CCEM）的同事们合作，以开展更深入的分析。
CCEM拥有各种最先进的电子和离子显微镜，以及CAMECA局部电极原子探针（LEAP）4000X HR（图1）。这些仪表有助于研究各种材料的纳米特性和现象，包括金属、合金、半导体、陶瓷、矿物甚至生物材料。
特别是对于半导体器件的分析，除了元素的定量3D映射和各种层/界面的可视化之外，APT数据还可以揭示有趣的细节，例如掺杂剂对缺陷的分离、纳米尺度特征和界面的浓度分布、局部成分等。反过来，这些信息可以提供对器件性能/故障及其制造工艺的宝贵分析。
图1：CCEM的CAMECA LEAP 4000X HR
目标分析器件–UnitedSiC第四代SiC JFET
UnitedSiC UJ4C075018K4S的额定电压为750 V，导通电阻（RDS.（ON））为18mΩ。 TechInsights之前的博客描述了这个设备的好处（关于进一步的讨论，请参阅全文）
与UnitedSiC第三代产品的3.03 mΩ.cm2相比，这些技术进步带来了更低的1.32 mΩ.cm2的导通电阻（RDS.ON（SP））。这不仅低于UnitedSiC的上一代产品，也低于我们迄今为止观察到的任何650 V SiC MOSFET。（还要注意，这实际上是一个750V的设备）
图2的扫描电子显微镜（SEM）横截面图像中可以看到UJ4C075018K4S的JFET阵列结构。图3中的SCM图像显示了相对掺杂以及沟槽侧壁底部和沿着沟槽侧壁的p型栅极接触。我们着重研究这一区域（特别是在沟槽底部）。
图2：UnitedSiC UJ4C075018K4S的SEM截面图
图3：UnitedSiC UJ4C075018K4S的扫描式电容显微镜（SCM）图像，详细显示了相对掺杂剂浓度
从过去的经验来看，在SiC中的p-type掺杂比例研究一直是具有挑战性的。铝（Al）是最佳的候选受体，但是注入Al的4H-SiC在1400℃退火时电激活率小于10%，需要1600℃退火才能接近100%激活。
与p-type掺杂比例相关的挑战和相关问题，例如来自注入的寿命致命缺陷和来自高温退火的晶格畸变，这就是我们至今仍未见到商业上可用的双极型功率半导体器件（例如SiC中的IGBTs）的重要原因。
UJ4C075018K4S装置的APT
实现FE所需的表面电场的幅度可以高达数十 V/nm，这在实验室设置中几乎不可能实现。为了解决这个问题，APT样品基本上被制备成针状体的形式，其顶点直径为50-100纳米量级，这样一些kV的应用就可以产生所需的表面电场大小。因此，APT样品制备是一个重要的过程，需要专用仪器。使用高度聚焦的高能离子束（通常是镓或氙）实现关注区域（ROI）的目标提升和成形，同时使用扫描电子束使其成像。
使用双光束蔡司透镜NVision 40 （Ga光束）锐化的SiC JFET APT样品的SEM图像如图4所示。
图4：可用于APT分析的Si JFET样品SEM图像
当前研究的目标是量化SiC JFET沟道中的p型掺杂剂，并且显现其在沟道中的3D分布。两次成功的APT实验分别收集了3400万和3700万个离子。确认p型掺杂剂是Al。在解决质量峰重叠后，可以在合理的误差范围内对每个样品中的Al含量进行定量，并得出1e-19 atoms/cm3的平均值（表1）。同一个表中还显示了每次实验测定的Si、C和Al含量。
表1：由APT确定的JFET门区成分
值得注意的是，APT重构揭示了Al在栅极区域内的极不均匀分布，这表明它与SiC中的晶体缺陷分离（图5）。这些缺陷可能是离子注入工艺的结果，每个这样的簇中的Al原子的数量包含大约1000个Al原子。正如人们所预料的，这种设备通道内的局部和随机不均匀组合不可取，因为它们可能增加设备性能的可变性，并最终降低可靠性。
图5：(a)基于SEM图像获得的分析体积的APT重建，显示在(b)具有Al > 0.35 的ROI内的等浓度表面，%, 突出显示了JFET栅极区内的富铝团簇。
总结
这项工作证明，APT可以用于从半导体器件中获得高度局域化的信息。未来，TechInsights希望扩展我们的分析，以研究沿侧壁的掺杂剂分布、SiC/SiO界面的质量和Ni硅化物门内部的局部成分变化。
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