TTS führt umfassendes Upgrade des SiC-Wafer-Minority-Carrier-Lifetime-Imaging-Systems – TAU-9000 – ein

Die Lebensdauer von Minoritätsträgern ist ein grundlegender Parameter, der die physikalischen Eigenschaften von Halbleitermaterialien definiert. Es bestimmt direkt die Trägerdiffusionslänge und die Schaltgeschwindigkeit/-frequenz des Geräts und dient gleichzeitig als empfindlicher Indikator für die Gitterqualität – es spiegelt Punktdefekte, den Einbau von Verunreinigungen und die Dotierungskonzentration wider – und stellt so einen kritischen Maßstab für die Materialqualifizierung und Leistungsbewertung dar.

Punktdefekte (z. B. Kohlenstofffehlstellen und Verunreinigungen) und die Dotierungskonzentration (z. B. Stickstoffdotierung) innerhalb von SiC-Wafern haben entscheidenden Einfluss auf die Lebensdauer der Minoritätsträger, indem sie strahlungslose Rekombinationszentren einführen. Insbesondere verkürzt eine erhöhte Punktdefektdichte die Trägerlebensdauer und signalisiert eine verschlechterte Gitterqualität, was wiederum den Durchlasswiderstand erhöht und wichtige elektrische Leistungskennzahlen, einschließlich Leckstrom und Spannungsabfall im Durchlasszustand, beeinträchtigt. Darüber hinaus zeigt die Ladungsträgerlebensdauer eine starke Abhängigkeit von der Dotierungskonzentration. Daher ist eine schnelle, genaue und hochauflösende räumliche Abbildung der Lebensdauer von Minoritätsträgern über SiC-Wafer hinweg für die Beurteilung der Materialqualität, die Überwachung der Dotierungsgleichmäßigkeit, die Prozessoptimierung und die Ausbeutesteigerung unerlässlich.

Abb. 1  Schematische Darstellung der Prinzipien zur Messung der Lebensdauer von Minoritätsträgern.

 

Derzeit ist der mikrowellenphotoleitende Zerfall (μ-PCD) nach wie vor die branchenübliche Methode zur Charakterisierung der Lebensdauer von SiC-Minoritätsträgern. Allerdings wurde diese Technik ursprünglich für herkömmliche Siliziummaterialien entwickelt, deren Lebensdauer typischerweise 10 µs überschreitet. Im Gegensatz dazu unterscheidet sich SiC erheblich von Si in der Wachstumsmethode, den Prozessparametern und der Elementzusammensetzung. Darüber hinaus führen Schwankungen in der Dotierungskonzentration und der Dicke der Epitaxieschicht zu einem breiten SiC-Lebensdauerbereich – der von unter 100 ns bis zu mehreren Mikrosekunden reicht – und stellen weitaus strengere Anforderungen an die Messgenauigkeit, die herkömmliche μ-PCD von Natur aus nicht erfüllen können:

• Begrenzte zeitliche Auflösung (~50 ns für μ-PCD), was eine genaue Charakterisierung dünner Epitaxieschichten und Substrate mit kurzer Lebensdauer ausschließt;

• Schlechte räumliche Auflösung, durch die Mikrowellensonde auf einen ungefähren Millimeterbereich (~1 mm) begrenzt, keine hochpräzise Verteilungskartierung auf Waferebene möglich;

• Langsame Punktscan-Erfassung, die bei einem 6-Zoll-Epitaxiewafer mehrere zehn Minuten bis über eine Stunde dauert und künftige Inspektionsanforderungen für die Großserienfertigung nicht erfüllt.

Um diese kritischen Schwachstellen der Branche direkt anzugehen, hat Time-Tech Spectra das TAU-9000 Wafer Minority Carrier Lifetime Imaging System entwickelt, das auf zeitaufgelöster spektroskopischer Bildgebungstechnologie basiert. Mit dem kürzlich erfolgten umfassenden Funktionsupgrade (TAU-9000HR) stellt dieses System einen bedeutenden Durchbruch bei der Inspektion von SiC-Wafern dar.

Das System ermöglicht eine hochpräzise (100 μm Auflösung) Vollwafer-Minoritätsträgerlebensdauerbildgebung und Gleichmäßigkeitskartierung und unterstützt gleichzeitig ultrahochauflösende Mikrozonenbildgebung (Submikrometerauflösung) für lokalisierte Bereiche. Die Anregungsquelle bietet umschaltbare Wellenlängen bei 355 nm und 266 nm, was eine separate Charakterisierung der Rekombinationsgeschwindigkeiten von Volumen und Oberfläche ermöglicht. Darüber hinaus kann das aufgerüstete System optional mit einer vakuum- oder stickstoffgespülten Kammer konfiguriert werden, unterstützt temperaturgesteuerte Messungen von Raumtemperatur bis zu 200 °C und verfügt über einen vollautomatischen Betrieb – wodurch es gleichermaßen für die Inline-Produktionsüberwachung als auch für anspruchsvolle F&E-Anwendungen geeignet ist.

Abb. 2  Übersicht über das hochauflösende Wafer Minority Carrier Lifetime Imaging System TAU-9000HR.

 

Kernhighlights des aktualisierten TAU-9000-Systems

01 | Hochpräzise Minority Carrier-Lebensdauerkartierung des gesamten Wafers

Im Full-Wafer-Modus liefert das System eine räumliche Auflösung von 100 μm und löst damit detaillierte Lebensdauerverteilungsmerkmale über den gesamten Wafer klar auf. Die Systemarchitektur ist auf Produktionsskalierbarkeit ausgelegt und unterstützt Wafergrößen von 6 Zoll, 8 Zoll und 12 Zoll, um die Inspektionsbereitschaft für die Massenproduktion von SiC mit großem Durchmesser der nächsten Generation sicherzustellen. Durch den Einsatz eines Hochgeschwindigkeits-Datenerfassungsdesigns wird die Messzeit für einen einzelnen 6-Zoll-Wafer innerhalb von 10 Minuten gehalten – was zu einer mehrfachen Verbesserung des Durchsatzes gegenüber herkömmlichen μ-PCD-Methoden führt.

 Abb. 3  Vergleichende Bildgebung der Lebensdauer von Minderheitsträgern: TAU-9000HR vs. μ-PCD. (a) Lebensdauerkartierung, aufgenommen auf einem 6-Zoll-SiC-Wafer mit dem TAU-9000HR-System, mit einer räumlichen Auflösung von 0,1 mm. (b) Lebenszeitkartierung desselben Wafers, erfasst mit μ-PCD. Beachten Sie die durch die Mikrowellensonde begrenzte räumliche Auflösung (>1 mm).

 

02 | Umschaltbare Anregungswellenlänge (355/266 nm) mit Bulk-/Surface-Dual-Mode-Betrieb – keine Substratinterferenz

Ausgestattet mit zwei Anregungswellenlängen bei 355 nm und 266 nm nutzt das System die wellenlängenabhängige Absorptionstiefe in Halbleitern, um einen nahtlosen Wechsel zwischen Massen- und Oberflächencharakterisierungsmodi zu ermöglichen. Bei 266-nm-Anregung stammt das Signal hauptsächlich aus dem oberflächennahen Bereich (~1 µm Tiefe), während bei 355-nm-Anregung die Masse aus mehreren zehn Mikrometern Tiefe untersucht wird, wodurch substratbedingte Signalinterferenzen effektiv eliminiert werden. Durch den Vergleich der bei den beiden Wellenlängen erfassten Lebensdauerkartierungen liefert das System eine unabhängig aufgelöste Abbildung der Lebensdauer von Massenminoritätsträgern und der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit.

Abb.4  Vergleichsergebnisse des gleichen dicken epitaktischen Wafers bei 266-nm- und 355-nm-Anregung. (a) Lebensdauerkartierung unter 355-nm-Anregung (massendominiert). (b) Lebensdauerkartierung unter 266-nm-Anregung (oberflächendominiert). (c) Zerfallskinetik bei Plot1 für beide Anregungswellenlängen. (d) Intrinsische Massenlebensdauer (τ _b ) in Diagramm 1, extrahiert durch globale Anpassung, die Trägerdiffusion und Oberflächenrekombination berücksichtigt. (e) Kartierung der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit S (cm/s). (f) Kartierung der Bulk-Lebensdauer τ _b  (ns).

 

03 | Hohe zeitliche Auflösung, kompatibel sowohl mit der Epitaxie- als auch der Substratwafercharakterisierung

Mit einer zeitlichen Auflösung von <2 ns steigert das System seine Fähigkeit zur zeitaufgelösten Detektion erheblich. Über die präzise Erfassung schnell abklingender Signale hinaus charakterisiert das System sowohl Substrate mit kurzer Lebensdauer (stark dotiert, mit Lebensdauern von mehreren bis zu mehreren zehn Nanosekunden) als auch relativ langlebige Epitaxieschichten (zehn bis Hunderte von Nanosekunden) genau.

Abb.5  Kartierung der Lebensdauer von Minoritätsträgern auf einem SiC-Substrat. (a) Lebenszeitkartierung, aufgenommen unter 355-nm-Anregung. (b) Vergleich der Zerfallskinetik bei Plot1 (Mitte) und Plot2 (Rand). Im Vergleich zum relativ defektfreien Zentralbereich weisen die defektreichen Randbereiche kürzere Lebensdauern der Minoritätsladungsträger auf.

 

04 | Erweiterte ultrahochauflösende mikroskopische Bildgebung zur Defektvisualisierung

Der TAU-9000HR führt nicht nur makroskopische Aufnahmen des gesamten Wafers durch, sondern bietet auch eine einzigartige hochauflösende Fähigkeit zur Charakterisierung mikroskopischer Regionen und erreicht eine räumliche Auflösung von bis zu 0,9 μm. Bildgebungsergebnisse bestätigen, dass dieser hochauflösende Modus kristalline Defekte in der Epitaxieschicht, einschließlich Threading Dislocations (TDs) und Stacking Faults (SFs), klar auflöst – was direkte, intuitive Beweise für die Identifizierung von Defektquellen und Mechanismusstudien liefert.

Abb.6  Hochauflösende Bildgebung der Lebensdauer von Minoritätsträgern. (a) und (b) Hochauflösende Kartierungen der Lebensdauer von Minoritätsträgern aus verschiedenen Regionen, die Stapelfehler (SFs) und Threading-Versetzungen (TDs) klar auflösen und als punktförmige Merkmale erscheinen. (c) und (d) Entsprechende Zerfallskinetik an ausgewählten Punkten. Von Defekten betroffene Regionen weisen durchweg kürzere Minoritätsladungsträgerlebensdauern auf als defektfreie Bereiche.

 

05 | Duale Probenschutzmodule für empfindliche Materialien

Um umweltbedingte Störungen der Messergebnisse zu verhindern, bietet das System zwei unabhängige Moduloptionen: eine Stickstoffspülkammer und eine Vakuumprobenkammer. Messungen, die in Inertgas- oder Vakuumumgebungen durchgeführt werden, bewahren effektiv den Zustand der Probenoberfläche und gewährleisten so eine hohe Datengenauigkeit und hervorragende Wiederholbarkeit.

 

06 | Modul mit variabler Temperatur und großem Temperaturbereich für Mechanismusstudien

Ein integriertes Modul mit variabler Temperatur, das von Raumtemperatur bis 200 °C reicht, unterstützt die temperaturabhängige Analyse der Lebensdauer von Minoritätsträgern und liefert wichtige Einblicke in Rekombinationsmechanismen und Fallenzustandseigenschaften.

 Abb.7  Lebensdauermessungen von Minoritätsträgern bei verschiedenen Temperaturen. (a) Raumtemperaturmessung. (b) Messung bei 175 °C. Der epitaktische Wafer weist bei erhöhten Temperaturen (175 °C) im Vergleich zu Raumtemperaturbedingungen eine längere Lebensdauer der Minoritätsträger auf.

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