TechInsights對于“碳化硅JFETs原子探針層析成像”的探討

去年，TechInsights通過一系列博客展示了電氣特性的力量，對于揭示碳化硅器件規格書遠遠不能提供的碳化硅器件特性。

分析半導體摻雜的技術多種多樣，例如：

·        掃描式電容顯微鏡（SCM ），我們經常將它包含在我們的功耗報告中，這為我們提供了大面積的相對摻雜物分析。

·        掃描式電阻測定（SRP）和二次離子質譜（SIMS）可以給出定量分析，但是尺寸有限。寬度小于1μm的摻雜濃度的絕對值很難辨別。

·        原子探針層析成像（APT）是一種非常適合小面積分析的技術，它允許在原子尺度上進行三維成像以及化學成分分析。它可以給出關于同時存在的離子的深度剖面和質譜的生動剖析。

APT功率

APT的工作原理是將場蒸發（FE）原理與飛行時間質譜（TOF-MS）相結合。離子到達檢測器的順序和它們的（x，y）坐標已知的情況下，可以應用簡單的基于幾何投影的算法來最終實現樣本的3D重建。APT可能提供介于0.25-1.25nm的高空間分辨率，具體取決于所分析的材料。

同預測一樣，APT的靈敏度只受計數統計的限制，如果探測足夠大的體積，靈敏度可以達到10原子ppm。 因此，APT是一種強大的3D元素繪圖技術，有可能產生接近原子級的分辨率和接近單個原子的檢測效率。

TechInsights的UnitedSiC第四代SiC JFETs庫中已經收集了大量分析：而這些分析內容可以在我們的訂閱中的SiC電源電路布局報告、電源要點摘要和工藝流程分析里找到。 該產品還是前一篇博客的主題，也是關于討論SiC產品電氣特性測試超過規格書的參數范圍的博客系列的一部分。目前，TechInsights和加拿大安大略省麥克馬斯特大學加拿大電子顯微鏡中心（CCEM）的同事們合作，以開展更深入的分析。

CCEM擁有各種最先進的電子和離子顯微鏡，以及CAMECA局部電極原子探針（LEAP）4000X HR（圖1）。這些儀表有助于研究各種材料的納米特性和現象，包括金屬、合金、半導體、陶瓷、礦物甚至生物材料。

特別是對于半導體器件的分析，除了元素的定量3D映射和各種層/界面的可視化之外，APT數據還可以揭示有趣的細節，例如摻雜劑對缺陷的分離、納米尺度特征和界面的濃度分布、局部成分等。反過來，這些信息可以提供對器件性能/故障及其制造工藝的寶貴分析。

圖1：CCEM的CAMECA LEAP 4000X HR

目標分析器件–UnitedSiC第四代SiC JFET

UnitedSiC UJ4C075018K4S的額定電壓為750 V，導通電阻（R_DS.（ON））為18mΩ。 TechInsights之前的博客描述了這個設備的好處。

與UnitedSiC第三代產品的3.03 mΩ.cm²相比，這些技術進步帶來了更低的1.32 mΩ.cm²的導通電阻（R_{DS.ON（SP）}）。這不僅低于UnitedSiC的上一代產品，也低于我們迄今為止觀察到的任何650 V SiC MOSFET。（還要注意，這實際上是一個750V的設備）

圖2的掃描電子顯微鏡（SEM）橫截面圖像中可以看到UJ4C075018K4S的JFET陣列結構。圖3中的SCM圖像顯示了相對摻雜以及溝槽側壁底部和沿著溝槽側壁的p型柵極接觸。我們著重研究這一區域（特別是在溝槽底部）。

圖2：UnitedSiC UJ4C075018K4S的SEM截面圖

圖3：UnitedSiC UJ4C075018K4S的掃描式電容顯微鏡（SCM）圖像，詳細顯示了相對摻雜劑濃度

從過去的經驗來看，在SiC中的p-type摻雜比例研究一直是具有挑戰性的。鋁（Al）是最佳的候選受體，但是注入Al的4H-SiC在1400℃退火時電激活率小于10%，需要1600℃退火才能接近100%激活。

與p-type摻雜比例相關的挑戰和相關問題，例如來自注入的壽命致命缺陷和來自高溫退火的晶格畸變，這就是我們至今仍未見到商業上可用的雙極型功率半導體器件（例如SiC中的IGBTs）的重要原因。

UJ4C075018K4S裝置的APT

實現FE所需的表面電場的幅度可以高達數十 V/nm，這在實驗室設置中幾乎不可能實現。為了解決這個問題，APT樣品基本上被制備成針狀體的形式，其頂點直徑為50-100納米量級，這樣一些kV的應用就可以產生所需的表面電場大小。因此，APT樣品制備是一個重要的過程，需要專用儀器。使用高度聚焦的高能離子束（通常是鎵或氙）實現關注區域（ROI）的目標提升和成形，同時使用掃描電子束使其成像。

使用雙光束蔡司透鏡NVision 40 （Ga光束）銳化的SiC JFET APT樣品的SEM圖像如圖4所示。

圖4：可用于APT分析的Si JFET樣品SEM圖像

當前研究的目標是量化SiC JFET溝道中的p型摻雜劑，并且顯現其在溝道中的3D分布。兩次成功的APT實驗分別收集了3400萬和3700萬個離子。確認p型摻雜劑是Al。在解決質量峰重疊后，可以在合理的誤差范圍內對每個樣品中的Al含量進行定量，并得出1e-19 atoms/cm³的平均值（表1）。同一個表中還顯示了每次實驗測定的Si、C和Al含量。

表1：由APT確定的JFET門區成分

值得注意的是，APT重構揭示了Al在柵極區域內的極不均勻分布，這表明它與SiC中的晶體缺陷分離（圖5）。這些缺陷可能是離子注入工藝的結果，每個這樣的簇中的Al原子的數量包含大約1000個Al原子。正如人們所預料的，這種設備通道內的局部和隨機不均勻組合不可取，因為它們可能增加設備性能的可變性，并最終降低可靠性。

圖5：(a)基于SEM圖像獲得的分析體積的APT重建，顯示在(b)具有Al > 0.35 的ROI內的等濃度表面， %, 突出顯示了JFET柵極區內的富鋁團簇。

總結

這項工作證明，APT可以用于從半導體器件中獲得高度局域化的信息。未來，TechInsights希望擴展我們的分析，以研究沿側壁的摻雜劑分布、SiC/SiO界面的質量和Ni硅化物門內部的局部成分變化。

References

● Atom Probe      Tomography of Silicon Carbide JFETs (Part One) (TechInsights) 2022.

● Going Beyond      Datasheets; Benchmarking and Testing the Performance of SiC FETs (Part      One) ( TechInsights) 2021.

● B. Gault, A.      Chiaramonti, O. Cojocaru-Mirédin, P. Stender, R. Dubosq, C. Freysoldt,      S.K. Makineni, T. Li, M. Moody, J.M. Cairney, Atom probe tomography, Nat. Rev. Methods Prim. 1 (2021) 51.

● B. Gault,      M.P. Moody, J.M. Cairney, S.P. Ringer, Atom Probe Microscopy and Materials      Science, in: Springer Science & Business      Media,      2012: pp. 299–311.

● W.      Lefebvre-Ulrikson, F. Vurpillot, X. Sauvage, Atom probe tomography - Put      Theory Into Practice, Academic Press, 2016.

● UnitedSiC      Introduces New SiC FET Devices Based on Advanced Gen 4 Technology (UnitedSiC Website) 2020.

● UnitedSiC      750 V 18 mΩ SiC FET Power Floorplan Analysis (PFR-2101-804) TechInsights, 2021.

● UnitedSiC      UJ4C075018K4S 750, 18 mΩ Gen. 4 SiC FET Power Essentials (PEF-2101-801) TechInsights, 2021.

● UnitedSiC      UJ4C075018K4S 750 v 18 mΩ Gen. 4 SiC FET Process Flow Full (PFF-2103-802) TechInsights, 2021.

● UnitedSiC      4th Generation JFET Technology Demonstrates Record Breaking Performance,      Where Next? (TechInsights) 2021.

● UJ4C075018K4S      Datasheet (UnitedSiC Website) 2022.